Manufactura Digital en 3D

Proceso de fabricación con el escáner 3D de Artec y Geomagic Control X

November 12, 2020

Proceso de escaneado Artec Y Control X

A medida que evolucionan las nuevas tecnologías de producción, surgen nuevos desafíos técnicos en la fabricación de la mejor pieza posible. A menudo, un fabricante contratado tiene que ajustar significativamente el nuevo proceso la primera vez que intenta la producción para comprender elementos como la contracción, el acabado de la superficie y la repetibilidad. La fabricación aditiva (AM) no es una excepción y, sin embargo, las herramientas para rastrear estos elementos para esta metodología de producción se han quedado atrás. Eso ahora está cambiando.

DESAFÍO

La fabricación en varias etapas puede introducir incertidumbre y desviación del proceso, que se acumulan en resultados de piezas finales que no son precisos. Las investigaciones correctivas son difíciles de realizar sin un enfoque sistemático y las herramientas adecuadas.

SOLUCIÓN

  • Escáner Artec 3D Space Spider
  • Geomagic ® X Control ™ metrología y gestión de la calidad del software por 3D Systems
  • Geomagic ® software de ingeniería inversa Diseño X ™ por 3D Systems
  • Software de cliente de construcción 3D Sprint ® de 3D Systems
  • Impresora 3D ProJet ® MJP 2500 IC de 3D Systems

RESULTADOS

  • Superó las expectativas de la fundición y mejoró los resultados con iteraciones mínimas (una) al refinar el proceso de patrones sin herramientas fabricados de forma aditiva con redes de inspección y escaneo 3D.
  • Reducción de los costos de acabado en un 27% al reducir las operaciones de mecanizado secundario.
  • Aumento de la precisión total de la pieza final en un 14%.
    La mayoría de los productos manufacturados siguen un proceso común a lo largo de su ciclo de vida hasta la producción. Diseñar, fabricar e inspeccionar es una forma generalizada de considerar el proceso, las etapas y las responsabilidades, cada una de las cuales es clave para producir piezas de alta calidad. Dependiendo de la complejidad y naturaleza de la pieza que se fabrica, el flujo de trabajo real puede tener muchos ciclos de ajuste y retroalimentación.

Flujo de escaneo 3D

El siguiente ejemplo de flujo de trabajo demuestra cómo el escáner Artec 3D Space Spider y el software Geomagic Control X juntos proporcionaron captura y análisis de formas totales en patrones de fundición de cera impresos en 3D y piezas fundidas en todas las etapas del proceso de diseño, prueba y fabricación.

Flujo de escaneo 3D

Pieza escaneada

 

El Artec 3D Space Spider es un escáner 3D portátil de ultra alta resolución que se destaca en la captura precisa de objetos pequeños y detalles complejos para la inspección dimensional.

 

Con la operación plug-and-play, Space Spider escanea objetos fácilmente, sin una preparación complicada y una capacitación extensa del usuario, lo que permite a los clientes digitalizar piezas en cualquier lugar. Los algoritmos libres de objetivos patentados de Artec 3D permiten que el escáner rastree el objeto solo por su forma y color, sin necesidad de aplicar objetivos al objeto.

Geomagic Control X de 3D Systems es un software de metrología industrial que permite el análisis de la causa raíz (RCA) y la corrección para la fabricación. Como software nativo de escaneo 3D, Geomagic Control X es una solución ideal para metrología con dispositivos de medición portátiles. Con Geomagic Control X, más personas en su organización pueden medir más rápido, con más frecuencia y de manera más completa, desde cualquier lugar.

La solución total proporciona una visión única de la producción exitosa en un proceso de fabricación complejo. ¿El resultado? Calidad, precisión y repetibilidad de la pieza final en general muy mejoradas.

 

Pieza escaneada Artec Space Spider

Diseño

Para este ejemplo de flujo de trabajo, replicamos un proyecto de cliente real, pero generalizamos los detalles. En este caso, el cliente estaba desarrollando un vehículo ligero especializado, de conducción autónoma. Para acelerar el tiempo de comercialización, seleccionaron y combinaron una gama de componentes y sistemas de vehículos en el mercado actual para completar un prototipo funcional. En este proceso, encontraron que un nudillo de dirección específico (uno por cada) era valioso para el proyecto y necesitaban digitalizar y capturar el diseño para poder modificarlo y fabricarlo en un material liviano.

Para comenzar a trabajar, escanearon en 3D y realizaron ingeniería inversa del molde original. Utilizaron el escáner Artec 3D Space Spider para una rápida digitalización y luego modelaron de forma rápida y precisa la pieza en Geomagic Design X con un enfoque de modelado híbrido único. Por lo general, los clientes seguirán un método de modelado tal como está construido (muy preciso) o con intención de diseño (basado en dimensiones). Un enfoque de modelado híbrido consiste en combinar ambos conceptos para ofrecer un resultado de modelo sólido CAD que tiene tanto características dimensionadas como superficies NURB de alta precisión. Con esta estrategia, completaron el modelo en menos de 1,5 horas y lo transfirieron en vivo a SOLIDWORKS como CAD basado en características.

Modelo CAD híbrido

Haciendo patrones

La AM se ha utilizado en aplicaciones aeroespaciales y automotrices para producir patrones de fundición de sacrificio durante décadas. Con los avances recientes en la impresión 3D, los patrones de grado industrial se pueden imprimir en cera o polímero a un costo significativamente menor, lo que funciona a la perfección en el proceso de fundición por inversión. 3D Systems está experimentando una adopción más distribuida de la creación de patrones aditivos sin herramientas y continuará creciendo a medida que la tecnología se vuelva más accesible, rápida y precisa.

Para cualquier proceso aditivo que involucre energía térmica en la deposición o posprocesamiento del material, existe cierta cantidad de deformación y sedimentación de la pieza que podría ocurrir. Las piezas que tienen una masa significativa o un área de sección transversal significativa retendrán el calor durante más tiempo que las piezas más pequeñas o delgadas.

Sobre la base de este conocimiento, 3D Systems probó dos métodos de impresión con el objetivo de tener el menor costo posible de productos impresos y el más alto nivel de estabilidad dimensional: un método de impresión de cera completamente sólido, así como un relleno de cera delgado y escaso. método. Ambos se prepararon con el software cliente de compilación 3D Sprint y se imprimieron en la impresora 3D ProJet MJP 2500 IC que produce patrones de fundición de cera. A partir de experiencias anteriores, descubrimos que una carcasa de 2 mm con una proporción de relleno escasa del 50% produce piezas estables y de alta calidad al imprimir piezas relativamente grandes.

Después del posprocesamiento y el tiempo de enfriamiento, utilizamos el mismo escáner Artec 3D Space Spider para escanear los dos patrones con relativa facilidad. La forma única de las piezas, el color verde de la cera y el ligero efecto opaco y blanqueador del proceso posterior permitieron a nuestro técnico de escaneo capturar los modelos sin problemas utilizando el seguimiento de Geometría + Textura.

Impresión 3D de cera Impresión 3D de cera

Usando Geomagic Control X, importamos el archivo de construcción 3D Sprint directamente e inspeccionamos cada parte en su orientación de impresión exacta para la rutina de inspección. Sabiendo que estaríamos escaneando la parte en cuestión de manera iterativa para mejorar el proceso, pudimos configurar un proyecto de inspección detallado y duplicarlo varias veces mientras manteníamos todo el historial de desarrollo del proceso en un solo archivo Geomagic Control X. Después de completar los escaneos, simplemente colocamos cada nuevo archivo STL en el proyecto Geomagic Control X y el proceso de evaluación se hizo cargo automáticamente, lo que resultó en informes repetibles de alta calidad.

Descubrimos que, en general, todas las áreas con compensaciones de mecanizado estaban dentro de la tolerancia de fundición, pero las áreas de forma más libre presentaban tendencias fuera de una banda de tolerancia ajustada. Creemos que esto correlacionó adecuadamente nuestras suposiciones de que las áreas de sección transversal grandes retienen el calor y potencialmente cambian de forma cuando se enfrían.

Nuestro análisis exhaustivo para esta etapa nos ayudó a sacar algunas conclusiones de que la impresión 3D con el patrón de cera no solo era más rentable, sino también más compatible dimensionalmente después del procesamiento posterior.

  • El uso de material se redujo en aproximadamente un 35%.
  • El costo del material se redujo en aproximadamente un 27%.
  • El cumplimiento general de las tolerancias se incrementó en aproximadamente un 10% (utilizando la comparación 3D).
  • La parte sólida no superó el umbral de tolerancia.
  • La pieza de relleno superó el umbral de tolerancia.
  • Se mejoró la estabilidad dimensional a largo plazo a temperatura ambiente con respecto a la parte sólida.

Patrón de cera con análisis de relleno Captura de Pantalla 2020-11-12 a la(s) 14.58.48

 

Fundición

La fundición por inversión es una metodología de fabricación confiable que se remonta a 5000 años y se ha establecido en la fabricación industrial global desde los albores de la revolución industrial hace unos cientos de años.

El proceso de fundición es ahora bastante maduro, repetible, bien conocido y cubierto por software de simulación para ayudar a reducir la posibilidad de defectos internos en las piezas. Con un socio de fundición experimentado y un esfuerzo mínimo del cliente, es posible entregar patrones fabricados de forma aditiva y producir piezas que estén libres de defectos internos y que, en general, superen las expectativas de tolerancia de procesos habituales para la fundición.

Los clientes que participan activamente en la prueba del resultado y la iteración del proceso pueden esperar lograr una salida de calidad significativamente mayor al ajustar la geometría de su pieza debido a la estabilidad del proceso de fundición en sí.

shrinkage-allowance

La contracción es un resultado conocido del proceso de fundición. Por lo general, una fundición proporciona a los clientes alguna orientación para compensar la contracción conocida de un material específico para un tamaño de pieza definido por la caja delimitadora. Debido a la complejidad geométrica y agravada por el proceso de fundición física, es común ver una contracción no uniforme en la mayoría de las piezas. Como resultado, la fundición puede considerarse generalmente como un proceso de tolerancia flexible.

Durante los procesos de fundición para el muñón de dirección, investigamos una tasa de contracción que sería adecuada para el modelo y el material. Después de consultar con la instalación de fundición, se recomendó una escala uniforme del 2% para producir una pieza precisa. Para investigar el efecto que el escaneo 3D y un factor de escala de precisión pueden tener en la precisión de la pieza final, producimos un patrón de cera con un factor de escala del 2% como se recomendó y lo suministramos a la fundición.

Control de calidad

3D Systems inspeccionó más a fondo las piezas fundidas devueltas para verificar si el factor de escala uniforme se ajustaba a las tolerancias esperadas. Siguiendo la especificación de fundición generalizada, proporcionó una pieza que definitivamente estaba dentro de la precisión alcanzable declarada por el socio para una pieza de aproximadamente el mismo tamaño. Sin embargo, una inspección más cercana con la herramienta de comparación de sección transversal en Geomagic Control X indicó algunas áreas obvias donde una mejor aplicación del factor de escala de precisión podría mejorar la precisión general de la pieza terminada de manera significativa.

Esta comparación de la silueta de la sección transversal con una banda de tolerancia ajustada muestra claramente los bordes exteriores con color azul y los bordes interiores con colores naranja y rojo. El perfil exterior confirma una condición de tamaño insuficiente en la que el límite de la pieza real está dentro del límite de referencia. El perfil interior muestra que la característica del cilindro central es dimensionalmente más pequeña de lo previsto, pero aparece fuera de la característica de referencia. Esto indica que la sombra de la silueta total de la pieza tiene una diferencia de escala que se puede corregir aumentando el factor de escala, imprimiendo y fundiendo nuevamente.

Las investigaciones anteriores sobre la mejora del proceso de fundición han proporcionado información sobre los ajustes relativos de los valores estándar recomendados que podemos aplicar. Imprimimos un segundo patrón de cera con un factor de escala no uniforme de 2.2%, 2.3% y 2.7% en X, Y y Z respectivamente y lo suministramos a la fundición.

Análisis de errores de escala

Con una inspección final del patrón de compensación de precisión, pudimos sacar algunas conclusiones sobre el proceso de patrón a pieza:

  • El patrón de escala de precisión proporcionó resultados que superaron las expectativas de la fundición.
  • La conformidad dimensional general de la pieza con escala corregida aumentó en aproximadamente un 14%.
  • Al menos una operación de mecanizado importante podría evitarse con el aumento de la precisión.
  • Se redujo el costo total de producción de piezas.
  • Necesitamos un análisis futuro para ver si se puede aplicar una mayor precisión para reducir las operaciones de la máquina en general.
Análisis de fundición final Pieza de reparto final

Más información escáner  Artec Space             Más información  Software Geomagic Control X 

VER ARTÍCULO COMPLETO