Tehnologii disponibile, Avantaje / Dezavantaje

Deși acest site promovează soluțiile noastre de control dimensional 3D, considerăm util să trecem în revistă toate tehnicile de măsurare 3D utilizate la scară largă în prezent, chiar dacă acestea nu fac parte din portofoliul nostru de echipamente.
Acest articol are rolul de a îndruma vizitatorii către o soluție adecvată nevoilor aplicației urmărite prin evidențierea elementelor cheie ale diverselor tehnologii.

Cea mai răspândită tehnologie optică de măsurare 3D are la bază fotogrammetria și proiecția de franje luminoase ( cunoscut ca și lumină structurată ) Există și alte metode optice de captura date , dar acelea sunt descrise în tab-ul Optical 2D.

Metoda de măsurare a apărut pe piață la puțin timp după apariția senzorilor CCD. GOM a fost prima companie privata care a adus pe piața un sistem de scanare 3D bazat pe aceasta tehnologie. Acest lucru a fost realizat în 1995 , produsul purtând denumirea de ATOS Standard. Evoluția tehnologică a senzorilor CCD și îmbunătățirea continuă a sistemelor de imagine și a software-ului au adus aceasta tehnologie în aplicații industriale de control dimensional sau reverse – engineering etc. În prezent sunt zeci de companii ce produc astfel de echipamente, majoritate dintre acestea fiind echipamente portabile entry-level. GOM este la polul opus, producand echipamente cu performanțe de top ce răspund la cerințe industriale. În prezent, scanarea 3D prin metoda optică (fringe projection) este cea mai răspândită metodă de scanare tridimensională ocupând peste 65% din piață.

Pentru a nu genera confuzie vom enumera doar caracteristicile generale ale tehnologiei. Echipamentele GOM dețin mult mai multe caracteristici tehnologice dar acestea sunt descrise pe pagina produselor ATOS

Avantaje tehnologice
  • Scanarea 3D prin această metodă este mult mai rapidă comparativ cu alte tehnologia laser. Acesta se datoreaza campului vizual semnificativ mai mare.
  • Tehnologie în continuă dezvoltare, pentru care sunt implementate deja standarde de verificare metrologică.
  • Se poate atinge o precizie  ridicată, cu valori de 3…15 microni, dar necesită condiții speciale ale suprafeței măsurate. (Echipamentele entry-level / handyscan nu fac obiectul acestei calități, în cazul acestora precizia cea mai bună începe de la 50 microni)
  • Pentru aplicații cu complexitate mică (hobby, arta etc) sunt soluții ieftine. Numarul de furnizori este ridicat pentru soluțiile entry-level.
  • Echipamente profesionale ( ex: GOM ATOS ) pot furniza date 3D foarte precise și pot fi utilizate industrial.
  • Majoritatea echipamentelor de acest tip sunt portabile și nu necesită condiții speciale de funcționare.
  • Viteză foarte ridicată de măsurare comparativ cu metoda tactilă, în mod deosebit pentru suprafețe neregulate.
Dezavantaje
  • Metodele de captare 3D laser & optice, pot fi influențate de transparență sau luciul suprafețelor măsurate.  Sistemele ATOS au numeroase caracteristici tehnologice ce combat aceste limitări.
  • Suprafețele foarte lucioase și cele transparente necesită acoperire cu substanțe de contrast ( spray alb )
  • Echipamentele de tip entry-level, au performanțe scăzute la scanarea suprafețelor de culoare închisă (negru).  Și în această cauză se utilizează spray-urile de contrast. Sistemele GOM din generația actuală folosesc lumină stabilizată Blue LED ceea ce înlătură total această problemă.

Tomografie computerizată pentru mediul industrial

Soluțiile de măsurare bazate pe tehnologie X-Ray (raze X) reprezintă cel mai avansat nivel de captare a datelor 3D. Un slogan al tehnologiei CT este „Make the Invisible Visible”. Această tehnologie, deosebit de cunoscută din medicină, este utilizată și în mediul industrial și oferă posibilitatea de a determina nedistructiv defecte imposibil de identificat cu orice altă tehnologie, spre exemplu : structuri interne, defecte în material, delaminare materiale compozite etc.  În plus, ca și în cazul scanner-elor 3D, aveți la dispoziție întreaga geometrie ce face obiectul controlului de calitate.

Avantaje:

  • metoda non distructivă (non contact) de inspecție 100% (internă și externă) a geometriei măsurate
  • inspecție rapidă de 100% direct în producție care permite identificarea din timp a problemelor de fabricație
  • Forma și localizarea exactă a defectelor din material, alături de evaluarea lor volumetrică
  • Rezoluție înaltă și precizie în concordanță cu cerințele mediului industrial actual
  • Extrem de utilă pentru operațiile de Reverse Engineering în cazul pieselor cu structuri interne
  • posibilități de automatizare și integrare în sau fluxurile de producție ca posturi intermediare între procesele de producție
  • Măsurătorile nu sunt influențate de aspectul suprafeței exterioare a piesei
  • Capacitatea de măsurare a subansamblelor compuse din mai multe materiale (de ex. măsurarea PCB-urilor)

Aspectele esențiale de care trebuie să țineți cont în alegerea unui echipament CT.

  • rezoluție – În cazul CT-uri vom face întotdeauna referire la rezoluția detectorului și la rezoluția spațială. În cifre putem vorbi despre Ultra High Resolution (UHR)  – 3008×2512 pixeli pentru un detector 3k și o rezoluție spațială (dimensiune voxel) plecând de la 2 µm. Concluziile le trageți singuri!
  • precizie – În momentul de față nu există un standard internațional pentru determinarea precizia echipamentelor CT, motiv pentru care, procedura de calibrare este realizată pe baza standardului VDI / VDE 2617 partea a 13-a. Acesta este un ghid de aplicare a standardului ISO 10360 pentru mașinile de măsurat coordonate cu senzori CT.
  • dimensiunea piesei – Pentru alegerea echipamentului potrivit trebuie să luăm în considerare volumul de măsurare al acestuia tradus în diametru maxim în care se înscrie piesa alături de înălțimea maximă ce poate fi atinsă. Anumite echipamente includ și o axă verticală care permite deplasarea piesei pe axa Z a mașinii astfel putând fi posibilă măsurarea unor piese cu înălțimi de până la  1,5 metri, recompunerea geometriei făcându-se prin „volume merge” .  De asemenea, se poate apela la un volum de scanare extins atât orizontal cât și orizontal. Atenție la greutatea maximă suportată!
  • viteza de operare (de la poziționarea piesei până la obținerea rezultatelor) – Cele mai eficiente echipamente d.p.d.v. al operării sunt cele implementate în linia de fabricație. Totul este configurat astfel încât influența operatorului uman să fie zero. Totuși, eforturile financiare vor fi considerabile și există întotdeauna și o a doua alternativă. Un echipament eficient implică o poziționare rapidă (automată) a piesei în vederea măsurări și bineînțeles, în funcție de aceasta, o setare automată a parametrilor de măsurare. Spre exemplu METROTOM 6 scout  oferă o cinematică pe 5 axe pentru poziționarea automată a piesei în volumul de măsurare ceea ce conduce la o reducere a timpilor de peste 50%. O alternativă de echipament fără aceste opțiuni implică un operator cu experiență și multe sesiuni trial & error până la stabilirea parametrilor eficienți pentru măsurare. Atenție! În anumite cazuri, rabatul se face în defavoarea timpului.
  • densitatea reperului/ansamblului măsurat – Atunci când discutăm despre densitate facem referire directă la materialul / materialele din care este compus reperul sau ansamblul pe care dorim sa îl măsurăm. Piesele din plastic obținute prin injecție în matriță vor avea o densitate mai mică comparativ, de exemplu, cu un bloc motor. Da! Ambele pot fi măsurate 100% dar echipamentul (si bineînțeles prețul) vor fi altele. Importantă este alegerea echipamentului corect!  Întotdeauna densitatea va trebui corelată cu dimensiunea piesei și cu rezoluția de măsurare. De exemplu, există disponibile soluții dedicate doar pentru repere din plastic dar și pentru plăci de circuit imprimate, conectori, baterii, etc. Poate cel mai important aspect este ca toate materialele din compoziție să poată fi identificate separat.
  • prețul – Am ales să dezbatem și acest subiect mai ales că, în cazul scannerelor CT, nu este un aspect de neglijat având în vedere că prețurile pentru un echipament de uz industrial (atenție! nu hobby) depășesc bugete de achiziție cu care să spunem că ne-am obișnuit. Totuși, fiind o piață în continuă dezvoltare cu siguranță există configurații adaptate și acestui aspect. În schimb, dacă ne raportăm la avantajele (inclusiv financiare) pe care implementarea unei astfel de soluții le poate aduce în cadrul unei companii deja discutăm de o amortizare a costurilor de achiziție într-un termen scurt. Bineînțeles, există și soluții tip entry level dar acestea vor fi limitate din punct de vedere al diversității aplicațiilor.

Dezavantaje:

  • densitatea materialului restricționează adâncimea de pătrundere a electronilor în structura materialului. De exemplu, pentru piesele din oțel adâncimea de pătrundere cu o sursă de 225kV este de cca. 15mm. Pentru aluminiu, folosind aceeași putere adâncimea este de 4 până la 6 ori mai mare.
  • tehnologia CT necesită un nivel de investiție ridicat

Scanare 3D Laser

Tehnologia din spatele scanării 3D cu proiecție laser ne permite scanarea cu ușurința a obiectelor mici și mari, cu suprafețe mate sau lucioase și care pot avea diferite culori. Modul de funcționare al acestor echipamente se bazează pe proiecția unei linii laser și mutarea acestei proiecții pe suprafața obiectului, moment în care o camera video ultra-rapidă face capturarea imaginilor cu o frecvență înaltă. Aceste imagini sunt aliniate și interpretate cu algoritmi speciali care vor extrage topologia suprafeței digital sub forma unui nor de puncte. Unele dintre aceste echipamente, pentru a compensa anumite lipsuri ale acestei tehnologii, utilizează proiecția multiplă a mai multor linii laser si chiar culori(ex. roșu și albastru) și intensități diferite. Prin aceste compensări se pot scana 3D detalii foarte fine precum și suprafețe ascunse. Exista echipamente care utilizeaza tehnologia laser și care sunt specializate pe măsuratori 2D. În acest caz se pot face măsuratori simple, locale și care pot fi interpretate cu ajutorul unei singure proiecții laser ce va materializa o curbă 2D. În baza acestei curbe se pot face construcțiile necesare pentru extragerea unor cote. 

Avantaje:

  • Metoda non distructivă (non contact) de inspecție
  • Echipament extrem de mobil, permite scanarea în spații înguste
  • Inspecție 3D full-surface rapidă
  • Acuratețe ridicată de la 0,02 mm  a achiziției norului de puncte
  • Rezoluție înaltă de 0,05mm
  • Extrem de utilă pentru operațiile de Reverse Engineering
  • Măsurătorile nu sunt influențate de aspectul suprafeței exterioare a piesei
  • Măsurarea unor ansambluri compus din diferite materiale cu diferite culori și finisaje
  • Tehnologie în continuă dezvoltare, pentru care sunt implementate deja standarde de verificare metrologică.
  • Ușor de utilizat atât de ingineri cât și de hobbyști

Dezavantaje:

  • Există tehnologii cu acuratețe mai ridicată
  • Suprafețele transparente și cele de tip oglindă nu se pot scana fără acoperire cu substanță de contrast
  • Scanarea obiectelor mari durează mai mult având un spațiu de captura mai mic față de scanerele optice 3D

Metoda de măsurare 3D tactilă este cea mai răspândită cale de capturare de date 3D.  În mare parte, această răspândire se datorează duratei de la apariția acestei tehnologii pe piață. Primul echipament de măsurare prin metoda tactilă a fost prezentat la salonul de la Paris , International Machine Tool Exhibition, in 1959, însă apariția probei tactile cu trigger (Touch Probe ) a sosit mult mai târziu , în 1970 după invenția lui Sir David McMurtry (Co-fondator  Renishaw )

Având peste 60 de ani de la lansare, tehnologia tactilă este foarte cunoscută și este înglobată atât în echipamente dedicate de măsurare 3D (CMM) cât și în mașini de prelucrare cu comanda numerică (CNC)

Echipamentele de măsurate 3D prin tehnologia tactilă sunt disponibile ca CMM sau Brațe articulate de măsurare.

Avantaje tehnologice

  • Tehnologie matură,  documentare vastă și standarde de utilizare bine puse la punct
  • Pot atinge precizii foarte ridicate, cu valori sub micron, dar necesită condiții speciale în acest sens. (Brațele de măsură nu fac obiectul acestei calități)
  • Pentru aplicații cu complexitate mică, sunt soluții ieftine. Numarul de furnizori este ridicat iar competitivitatea este acerbă
  • Spre deosebire de metodele laser & optice, nu pot fi influențate de transparență sau luciul suprafețelor măsurate

Dezavantaje

  • Cu excepția brațelor de măsură CMM, toate echipamente ce folosesc tehnologia tactilă nu sunt mobile.
  • Durata de măsurare este de regulă ridicată. Achiziția punct cu punct nu avantajează în cazul măsurării unor repere cu multe caracteristici.
  • Pentru suprafețe cu formă organică sau neregulată, metoda tactilă este complet deficitară
  • Mașinile CMM necesită condiții de mediu speciale ( camera de măsură climatizată in genere însă anumite instalații necesita fundații speciale pentru atenuarea vibrațiilor)

Profile 2D & Microscope 3D

InfiniteFocus | Dimensional accuracy & surface finish measurement

Dimensional accuracy & surface finish measurement

InfiniteFocusG5 plus

InfiniteFocus is a highly accurate, fast and flexible optical 3D measurement system. With only one sensor, users verify dimensional accuracy and measure surface roughness of their components. Based on the technology of Focus Variation the range of measurable surfaces is almost unlimited. By means of Vertical Focus Probing, which is an extension of Focus-Variation vertical surfaces are probed laterally as well. Components are traceably measured in high accuracy, with a high vertical resolution and in high repeatability. The robust measurement principle of Focus-Variation in combination with a vibration-isolating hardware enables the form and roughness measurement of also large and heavy components. All axes of InfiniteFocus are equipped with highly accurate encoders ensuring precise stage movement. With an automation interface, InfiniteFocus is also applied for fully automatic measurements also in production.