Misure ottiche in produzione - Microsystem

progettazione
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LAMIERA
DICEMBRE
2009
Gli orizzonti delle tecnologie per l’elaborazione di immagini
digitali si allargano: i sistemi ottici basati semplicemente
sulla “osservazione” di oggetti, possono rivelarsi
estremamente utili per la verifi ca delle deformazioni e
dell’imbutitura
Misure ottiche
in produzione
LO STAMPAGGIO DELLA LAMIERA
La catena di processo nello stampaggio della lamiera inizia
dalla progettazione CAD e dalla simulazione dell’esecuzione
dell’oggetto. Occorre innanzitutto scegliere il materiale più
adatto: la tendenza odierna è di utilizzare sempre più spes-
so lamiera caratterizzata da spessori sottili, ma caricata con
particolari additivi che conferiscano grande resistenza, assi-
curando allo stesso tempo una maggiore leggerezza grazie
al ridotto spessore. Sono noti casi in cui nuovi modelli di
auto hanno subito alleggerimenti anche superiori al quintale,
migliorando notevolmente il rapporto peso/potenza.
Gabriele Graziosi, product manager per i prodotti della GOM
distribuiti dalla Microsystem, precisa: «La scelta del materia-
FIG|01| Per favorire la scelta del materiale, Argus misura le
deformazioni di componenti in lamiera, fornendo precise e
veloci misure utilizzando una alta densità di scansione.
Giancarlo Giannangeli
le è fondamentale nel processo: in base alle sue caratteri-
stiche si riescono ad ottenere prestazioni diverse. Occorre
determinare la cosiddetta “curva limite di formabilità FLC”, in
accordo alla normativa ISO 12004: nella fase di stampaggio
non devono esistere aree sottoposte a stress o fatica eleva-
ta, perché in quei punti il componente potrebbe presenta-
re cricche fin da subito o da lì potrebbero originare fratture
successivamente. La cosiddetta “formabilità” (formability)
identifica una proprietà di carattere complesso, che indi-
vidua la criticità del processo di formatura di laminati. La
scelta dei materiali è finalizzata ad ottimizzare i fattori che
ritardano l’inizio della strizione o che ridistribuiscano l’inci-
piente strizione: una volta innescatasi la strizione, l’ulteriore
deformazione produce un assottigliamento localizzato fino
alla frattura».
In questa prima fase lo strumento ideale è Aramis, uno stru-
mento ottico di GOM per l’analisi della deformazione tridi-
mensionale. Aramis fa il test chiamato di Nakazima, metodo
di valutazione della curva di formabilità basato su modelli
FEM bidimensionali e tridimensionali. Tale curva dà all’ope-
ratore la possibilità di determinare la forza da applicare nel-
l’imbutitura. Tutti i parametri analizzati vengono immessi nel
simulatore: questo software di GOM è in grado di calcolare
come la lamiera si comporterà dopo l’imbutitura, in un vero
e proprio processo virtuale. Esaminati i risultati, eseguite
eventuali modifiche Cad, si passa a realizzare le attrezzature
per lo stampaggio e infine a realizzare i primi prototipi. Si
analizzano quindi i risultati e vengono eventualmente aggiu

FIG|02| Analisi di formabilità e Diagramma limite di formabilità: la zona rossa nel diagramma evidenzia un’area critica; i punti rossi
appaiono infatti sopra la curva che descrive il limite di formabilità e devono essere evitati.
state le attrezzature affinché si rientri nelle tolleranze imposte
dal progetto. Quando i campioni funzionano perfettamente,
si esegue un archivio delle attrezzature che in questo mo-
mento rappresentano la soluzione ottimale, non essendo
state ancora usurate dalla produzione di serie.
ANALISI DI FORMABILITÀ
Argus è lo strumento di GOM che permette di verificare se il
processo è corretto, eseguendo l’analisi di formabilità. Una
lamiera liscia non imbutita viene filmata con opportuni mar-
catori e ripresa nuovamente dopo l’imbutitura; in base alle
deformazioni subite dai marcatori, il sistema è in grado di
determinare le tensioni e le fibre stressate. La zona rossa nel
diagramma evidenzia un’area critica: i punti rossi appaiono
infatti sopra la curva che descrive il limite di formabilità e
devono essere evitati. Prosegue Graziosi: «A questo punto
può iniziare la produzione. Qui si ricorre ad Atos, un vero e
proprio “cavallo di battaglia” di GOM. Questa versatile ap-
parecchiatura ottica consente di eseguire misure complete
senza contatto di coordinate 3D e una veloce acquisizione
del grezzo di lavorazione. Atos garantisce la massima qualità
dei dati misurati sulla superficie, che possono essere usati
sia nel reverse engineering, sia nel controllo qualità. Le tolle-
ranze del sensore possono arrivare al centesimo, a seconda
dell’ottica installata a bordo. In ogni caso viene garantita una
elevata accuratezza dei dati con basso valore di “rumore”; la
stessa accuratezza può essere monitorata con estrema pre-
cisione, nel senso che un eventuale errore può essere sem-
pre rilevato grazie alla presenza delle due telecamere e non
può sfuggire. Una volta eseguita l’impostazione iniziale, lo
strumento la conserva stabilmente e non necessita di con-
tinue tarature». Se il pezzo presenta anfratti, cavità e zone
non facilmente accessibili, è disponibile una speciale sonda
(Touch Probe) mediante la quale le attrezzature possono co-
munque essere verificate con Atos senza ricorrere a costosi
calibri. Atos offre una descrizione completa della geometria:
una accurata mesh di poligoni in formato STL, fori e rifili. La
risoluzione tipica (distanza tra i punti ripresi) è di 0,1-1 mm,
la tolleranza va da 0,01 a 0,05, mentre le dimensioni degli
oggetti possono spaziare da 10 mm a 10 m.
FIG|03| Qui il risultato ottimale rilevato dal software, capace di determinare le tensioni e le fi bre stressate nel processo di imbutitura.
La Curva Limite di Formabilità esprime una relazione limite tra le deformazioni, superata la quale subentrano fenomeni di rottura.
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PROCESSO DI ISPEZIONE E CONTROLLO
SU LAMIERA
Atos è lo strumento ideale per rivoluzionare anche il processo
di ispezione e controllo su lamiera. Prima veniva svolto me-
diante calibri manuali e macchine di misura tradizionali, senza
alcun collegamento con la geometria d’origine. Tempi lunghi e
solo alcuni punti controllati erano i principali lati negativi di quel
procedimento: al termine, comunque, non c’era la certezza
assoluta che il componente fosse conforme in aree diverse
dai punti controllati. Il nuovo processo inizia con l’Importazio-
ne dei dati nominali all’interno del software Atos, nei formati
standard Step, Iges, Vda, ma anche in molti formati proprie-
tari come Catia, Pro/E, Ug. Vengono trasferite informazioni
relative a corpi, superfici, curve, nonché parametri e attributi
come colore, spessore del materiale, tolleranze. C’è anche la
possibilità di caricare i cosiddetti “piani di controllo”, vale a dire
un insieme di dati generalmente provenienti dal progettista del
componente nel loro formato personale (BMW, Daimler, Audi),
ma anche in formato neutro (Ascii, Vda, Dmis-in). Segue poi la
fase di Misurazione guidata: poiché è importante determinare
Vent’anni di esperienza
GOM (Gesellschaft für Optische Messtechnik), fondata
nel 1990 a Braunschweig in Germania, è un’azienda
che sviluppa e commercializza in tutto il mondo sistemi
ottici di misura senza contatto, con particolare riguardo
a digitalizzatori 3D, misure di coordinate nello spazio,
misure di deformazioni e controllo qualità. I sistemi GOM
sono vantaggiosamente usati nell’industria aerospaziale,
dell’automobile e dei prodotti consumer in genere, con
una significativa presenza anche in centri di ricerche e
università; il loro utilizzo permette di abbreviare il ciclo
di sviluppo di nuovi prodotti, di controllare la qualità
della produzione, di attuare test e prove. Microsystem
è da sempre il distributore esclusivo per l’Italia di tutti i
prodotti GOM.
Aramis
È uno strumento ottico per l’analisi della deformazione
tridimensionale. È ideale per eseguire misure della
deformazione nello spazio, sia in tempi brevi e con
risoluzione media, sia con elevata accuratezza,
consentendo all’utente di scomporre le reali componenti
e le specifiche del materiale. Per campioni caricati
FIG|04| Nell’ultima fase della catena di processo si
analizzano i risultati e vengono aggiustate le attrezzature
affi nché si rientri nelle tolleranze imposte dal progetto.
l’angolo corretto per la misura di fori o di asole, il sistema è
capace di aiutare l’operatore a orientare al meglio la macchina
per individuare in maniera corretta tali cosiddette “feature”.
A questo punto si può procedere con la Comparazione tra la
staticamente o dinamicamente, Aramis permette
senza contatto la determinazione di: coordinate 3D e
spostamenti 3D, velocità e accelerazioni 3D, velocità
dello sforzo piano, caratteristiche del materiale.
Una analisi approfondita del materiale e del suo
comportamento è decisivo per la massa a punto di
nuovi prodotti. Aramis offre risultati precisi e convincenti
nella accurata determinazione delle caratteristiche del
materiale e nel miglioramento dei modelli di calcolo nella
simulazione.
Argus
Misura le deformazioni di componenti in lamiera. Il
sistema fornisce le coordinate 3D della superficie
del componente, così come la distribuzione dello
sforzo maggiore e minore, nonché la riduzione dello
spessore del materiale. Nel diagramma della curva
limite di formabilità (FLC) le deformazioni misurate sono
comparate con le caratteristiche del materiale. Argus
supporta l’ottimizzazione di processi di formabilità
della lamiera, vale a dire: rilevazione rapida di aree di
deformazione critiche, risoluzione di complessi problemi

geometria CAD e quella reale: le “feature” vengono calcolate
automaticamente, i valori di riferimento vengono estrapolati
direttamente dal modello 3D senza alcuna interazione con le
immagini 2D. Le caratteristiche di questa fase sono l’elevata
riproducibilità della misura, il risultato indipendente dal punto
di partenza, il collegamento automatico con il dato nominale
di progetto. Si ottengono inoltre informazioni complete riguar-
danti la deviazione di forma: gli scostamenti vengono eviden-
ziati da una mappa di colori che mostrano le aree di defor-
mazione rispetto alla geometria d’origine. È anche possibile
ottenere un diagramma del tipo “passa / non passa” (“passa”
in verde, “non passa” in rosso), senza ulteriori particolari sullo
scostamento, sempre rispetto al modello Cad con le tolleranze
definite dall’utente. È anche possibile ispezionare una sezione:
qui a superfici diverse con colori diversi si possono associare
tolleranze diverse, dando all’utente la massima versatilità.
Il ciclo di ispezione si conclude con la fase di Reporting, che
si traduce nell’esportazione dei dati in varie modalità (Pdf è la
più diffusa e universale). È anche disponibile un Visualizzatore
gratuito, capace di mostrare una sessione completa di Atos
di foggiatura, verifica delle simulazioni numeriche.
L’analisi ottica con Argus fornisce precise e veloci misure
di piccoli e grandi oggetti utilizzando un’alta densità
di scansione. Il sistema opera indipendentemente dal
materiale; Argus è in grado di analizzare componenti fatti
da spazi vuoti piatti, tubi o altri componenti fabbricati da
un processo ad alta pressione interna (IHPF).
Atos
È una flessibile macchina di misura ottica basata sul
principio della triangolazione. Schemi di frange luminose
vengono proiettati e osservati attraverso due telecamere.
Le coordinate 3D per ogni pixel delle immagini vengono
calcolate con estrema precisione, generando una “mesh”
di poligoni della superficie dell’oggetto. La digitalizzazione
tridimensionale con Atos (un sistema totalmente mobile e
trasportabile con facilità) è attuabile indipendentemente
dalle dimensioni e dalla complessità dell’oggetto da
rilevare. Le alte prestazioni, l’elevata risoluzione dei
dettagli e l’ampia selezione di aree di misura permettono
di ottenere una raccolta di dati e relazioni efficiente e
precisa in numerosi campi: Controllo Qualità, Reverse
con visualizzazione del risultato 3D, annotazioni, sezioni, di-
stanze e angoli, immagini. C’è anche la possibilità di esportare
un file .exe che contiene tutti i dati prima esaminati per inviarli
e mostrarli al progettista o ad altre figure professionali senza
necessità per costoro di installare Atos, nemmeno il visualiz-
zatore.
AUTOMAZIONE
Le misurazioni ottiche possono essere eseguite anche ricor-
rendo a un normale robot antropomorfo, con numerosi bene-
fici nel processo: «Innanzitutto si riduce considerevolmente il
tempo complessivo e si migliora nettamente la riproducibilità
del processo, stante la precisione di posizionamento del ro-
bot. L’utente è indipendente dal protocollo di misurazione, e si
può agevolmente programmare una misurazione off-line. Dal
pezzo fisico al risultato intercorre un tempo minore, rispetto
alla procedura manuale, mentre una alta flessibilità è assicu-
rata al processo dalla possibilità di misurare parti diverse con
il braccio del robot. Le applicazioni che possono essere van-
taggiosamente automatizzate sono: l’ispezione primo articolo,
Engineering, Prototipazione rapida, Fresatura rapida,
Assemblaggio digitale.
Touch Probe
Funziona secondo il principio della fotogrammetria e si
appoggia al software Atos per fornire la misurazione di
punti e “feature” (fori, asole, cilindri ecc.) difficilmente
accessibili. La sonda si comporta per l’utente come una
matita, non ha alcun collegamento fisico con la testa
del sensore; viene semplicemente “osservata” dalle due
telecamere di Atos che, tramite i marker applicati sulla
sommità della sonda stessa, sono capaci di ricavarne le
coordinate nello spazio.
FLC
Potente strumento di valutazione della formabilità è
fornito dalla FLC (Forming Limit Curve, Curva Limite
di Formabilità) che esprime una relazione limite tra le
deformazioni principali nel piano della lamiera, superata
la quale subentrano fenomeni di rottura (curva limite a
rottura) o fenomeni di strizione (curva limite a strizione)
assolutamente indesiderati.
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FIG|05| I risultati forniti da Atos, versatile apparecchiatura ottica che permette di eseguire misure complete senza contatto di coordinate
3D e una veloce acquisizione del grezzo di lavorazione. (a destra) Atos garantisce la massima qualità dei dati misurati sulla
superfi cie. Le tolleranze del sensore possono arrivare al centesimo, a seconda dell’ottica installata a bordo.
le misurazioni durante la produzione di serie, l’integrazione nel-
le catene di assicurazione qualità. In tutti i casi, diversi tipi di
robot possono essere impiegati, così come possono essere
combinati con tavole rotanti o unità lineari. Differenti sistemi
possono coesistere simultaneamente. La programmazione
off-line è basata sul modello Cad e il programma è pronto
quando la parte è progettata; ciò significa che non occorre
aspettare il pezzo fisico per fare il percorso di misurazione.
La cella di misura non viene fisicamente impegnata perché
la programmazione si svolge sul computer. Si registra un au-
mento della sicurezza in generale, perché possono essere ve-
rificate eventuali collisioni».
Tra le applicazioni possibili, particolarmente utile è la valuta-
zione della catena di processo, per esempio nella produzione
di un cofano da autovettura. In base al campione analizzato,
possono essere velocemente verificati eventuali scostamenti,
possono essere apportate le modifiche e bilanciati eventuali
errori: il processo è quanto mai rapido.
FIG|06| Le misurazioni ottiche mediante Atos possono
essere eseguite anche ricorrendo a un normale robot
antropomorfo, con numerosi benefi ci nel processo.
Un’altra applicazione è l’analisi delle tendenze: il pezzo pro-
dotto viene scansionato appena prodotto, dopo diecimila
stampate e dopo centomila stampate. Comparando le analisi
con il modello CAD, si evidenzierà una eventuale area in cui lo
scostamento è maggiore. In pratica si scopre immediatamen-
te una possibile deriva del processo di produzione, cioè che
lo stampo si sta usurando. Con questo procedimento l’ope-
ratore può sapere tra quante migliaia di pezzi lo stampo dovrà
essere riparato, e comunque può già agire preliminarmente
per fronteggiare la situazione futura, senza aspettare di aver
prodotto pezzi inutilizzabili.
Un terzo esempio applicativo è la documentazione di un pez-
zo master: si può misurare (scansionare) una parte master esi-
stente (non di provenienza Cad), utilizzandola come elemento
di riferimento; tutti gli altri pezzi successivi verranno quindi ri-
feriti a questo master virtuale. Può essere utile per controllare
lotti di produzione diversi.
CONCLUSIONI
I notevoli vantaggi dei sistemi ottici GOM possono essere
riassunti in: completezza di informazioni sul pezzo (nessu-
na area rimane nascosta), elevata accuratezza e risoluzione,
tempo di misura ridotto, risultato indipendente dall’operato-
re, facile comprensione delle informazioni misurate, ottima
integrazione nelle applicazioni lamiera, nessun contatto tra lo
strumento e la parte.
Anche sui prodotti e nella produzione l’impatto è positivo:
riduzione del tempo di fresatura, vantaggi nelle attrezzature
e nei supporti, minori interazioni nel processo di sviluppo,
miglioramento nel processo di affidabilità e nel processo di
qualità. L’utilizzo di questi moderni sistemi ottici ha permesso
di potenziare significativamente il processo di sviluppo dei
prodotti e la produzione, contribuendo anche ad abbassare
i costi. ■