Cosa sono le CMM ottiche?
Le CMM tradizionali (coordinate measurement machines, ossia macchine di misura a coordinate) sono grandi, statiche e funzionano solo a contatto. Ma ora che sono disponibili CMM ottiche, come gli scanner 3D, è possibile ottenere misurazioni 3D rapide, senza contatto e con maggiore versatilità. Nel presente articolo, analizzeremo le differenze tra queste tecnologie, spiegheremo come funzionano ed esamineremo le più recenti soluzioni di ispezione.
What is an optical CMM?
Una macchina di misurazione ottica Zeiss O-Detect che analizza un componente medico. Foto per gentile concessione di Carl Zeiss AG
Per prima cosa, partiamo dalla definizione di una CMM tradizionale. In sostanza, le CMM sono macchine che misurano con precisione le dimensioni di un oggetto utilizzando una sonda fisica. Costruiti attorno agli assi lineari XYZ, questi dispositivi registrano la posizione delle forme geometriche dell'oggetto in uno spazio 3D. Questa tecnologia è particolarmente efficiente nella misurazione 3D ad alta precisione e nel rilevamento di dettagli di superficie nascosti.
Tuttavia, le CMM tradizionali tendono anche ad essere piuttosto grandi e costose da gestire. La sonda potrebbe persino danneggiare i prodotti più fragili, limitandone l'uso in determinati scenari.
Le CMM ottiche, invece, sono appositamente costruite per la misurazione 3D senza contatto. Sono capaci di catturare la geometria degli oggetti utilizzando tecnologie come fotocamere, laser e luce strutturata: esistono numerosi tipi di CMM ottiche, ma tutte hanno applicazioni in ambito metrologico.
L'evoluzione della tecnologia CMM
Le prime CMM erano manuali, e si basavano su indicatori a quadrante e sonde rigide. È stato solo quando i sensori analogici e gli assi servocomandati sono stati introdotti negli anni '60 che il controllo computerizzato e la misurazione 3D sono diventati possibili. Da allora, i sistemi analogici sono stati sostituiti da encoder digitali, migliorando ulteriormente la precisione e la ripetibilità.
Punto Chiave
Le CMM tradizionali utilizzano una sonda fisica. Molte CMM ottiche offrono un'alternativa versatile e senza contatto.
Le moderne CMM offrono ora una sonda multi-sensore (touch-trigger, scansione, ottica e laser) e funzionano utilizzando un software di metrologia che consente una maggiore automazione rispetto a prima. I recenti progressi hanno anche ampliato il numero di tecnologie disponibili agli ingegneri. Le CMM ottiche hanno portato maggiore velocità e versatilità. In altri ambiti, l'integrazione dell'intelligenza artificiale, il cloud computing e il più ampio campo della diagnostica tramite gemelli digitali sono alla base dei flussi di lavoro integrati dell'Industria 4.0.
Una CMM multisensore, dotata di sonde touch-trigger e uno scanner laser senza contatto. Foto per gentile concessione di Hexagon AB
Come funzionano le CMM ottiche?
A seconda del tipo di CMM, il flusso di lavoro sarà leggermente diverso. La maggior parte delle CMM ottiche pensate per essere usate in laboratorio richiede il posizionamento delle parti da misurare su una piattaforma. Le tecnologie di acquisizione come la luce bianca, telecamere CCD/CMOS ad alta risoluzione e sensori di triangolazione laser vengono quindi utilizzati per rilevare le superfici degli oggetti senza il bisogno di contatto fisico. Sono disponibili anche altri dispositivi portatili senza contatto che consentono agli utenti di navigare manualmente per una maggiore flessibilità.
Una volta acquisiti, i dati possono essere analizzati tramite il confronto CAD o semplicemente misurando le distanze e gli angoli tra le caratteristiche geometriche per garantire che i risultati siano accurati e rispettino le tolleranze.
Un carter scansionato in 3D in corso di ispezione su ZEISS Inspect Optical 3D.
In generale, le CMM ottiche sono macchine grandi e statiche. Ma molti utenti stanno iniziando ad adottare un altro tipo di CMM: gli scanner 3D. Questi dispositivi vantano una maggiore manovrabilità e velocità, troveremo il confronto tecnologico più avanti nell'articolo. Per ora, vale la pena notare che le CMM ottiche esistono sotto molte forme, alcune danno la priorità alla precisione e altre sono progettate per la versatilità.
Le CMM ottiche si basano su una (o più) di queste tecnologie:
Sensori di visione/telecamera: in queste macchine, una telecamera acquisisce una porzione dell'oggetto illuminata da una luce controllata. Gli algoritmi di elaborazione delle immagini rilevano quindi caratteristiche geometriche come bordi, fori e motivi. Lo svantaggio principale di questa tecnologia è che misura solo in 2D, a meno che non sia combinata con la messa a fuoco Z (variazione della messa a fuoco).
Un sensore di visione HP C in funzione. Foto per gentile concessione di Hexagon AB
Tempo di volo/differenza di fase: anche le macchine costruite basandosi su queste tecnologie si affidano ai laser. Tuttavia, calcolano la distanza in modo diverso: misurano il tempo necessario affinché il laser torni indietro, o la differenza di fase del laser. Tendono a fornire migliori risultati a distanza ma sono meno precise a corto raggio. Nel complesso, consentono una misurazione diretta pur garantendo l'assenza di contatto.
Luce bianca/cromatica: questo approccio è fondato sul principio dell'aberrazione cromatica, e si ottiene proiettando diverse lunghezze d'onda della luce sull'oggetto da diverse distanze. Una luce bianca viene emessa da una lente cromatica, e ogni lunghezza d'onda viene messa a fuoco e rilevata da uno spettrometro. Utilizzando questa tecnologia, è possibile calcolare l'altezza esatta e ottenere un'elevata risoluzione assiale.
Triangolazione laser: questo metodo prevede la formazione di un triangolo tra una sorgente laser, la superficie della parte misurata e un rivelatore. Una volta che il laser viene riflesso dall'oggetto, la triangolazione viene utilizzata per calcolare la distanza tra l'emettitore e la superficie. Questo metodo è ottimo per catturare profili 3D e oggetti con superfici irregolari.
Una carrozzeria in fase di ispezione con un sensore di triangolazione laser. Foto per gentile concessione di Carl Zeiss AG
Luce strutturata: proiettare motivi come strisce e griglie su una parte e misurarne la deformazione causate della geometria della superficie è un ottimo metodo per digitalizzare e analizzare grandi aree, oltre che per catturare forme organiche. Questa tecnologia viene spesso utilizzata per la scansione 3D, ma viene applicata anche in altri ambiti.
Sensori confocali: infine, alcune macchine si affidano all'ottica confocale. Questa tecnologia focalizza la luce in un minuscolo punto e misura l'intensità dei fasci riflessi per identificare uno specifico piano focale. In pratica, ciò permette di catturare solo i riflessi più nitidi, consentendo una risoluzione su scala nanometrica.
Diversi tipi di CMM ottiche
CMM tattili: ideali per i casi di ispezione con bassa tolleranza di errore, queste macchine si affidano alla misurazione fisica tramite sonda. Questa categoria include CMM a ponte, a sbalzo e a portale.
CMM ottiche ibride – Queste macchine tendono a variare in base alla loro tecnologia di visione, che possono essere sistemi di misurazione video, CMM a microscopia confocale o interferometri a luce bianca. Bisogna anche notare che le CMM ottiche ibride combinano l'approccio tattile a quello visivo, anche se sono limitate a macchinari statici.
Un ingegnere dell'Università del Wisconsin – Madison che utilizza uno Zygo New View 9000, un interferometro a luce bianca e spostamento di fase. Foto per gentile concessione dei Wisconsin Centers for Nanoscale Technology
Scanner 3D – Anch'essi considerati CMM ottiche, gli scanner 3D acquisiscono i dati tramite laser o luce strutturata. Questi sistemi possono essere fissati a un treppiede o a un braccio robotico, oppure gestiti da un ingegnere e manovrati attorno all'oggetto bersaglio.
Utilizzare gli scanner Artec 3D come CMM ottiche
Artec Micro II
Gli scanner 3D Artec ora vantano capacità di misurazione 3D così accurate che possono essere considerati CMM ottiche a sé stanti. Artec Micro II cattura qualsiasi oggetto abbastanza piccolo da stare in una mano con un'accuratezza fino a 5 micron e una ripetibilità di 2 micron. Inoltre, grazie alla sua integrazione con il pilota automatico di Artec Studio, i dati acquisiti con il dispositivo possono essere elaborati automaticamente.
All'interno del software di acquisizione ed elaborazione di dati 3D è ora possibile avviare la scansione e la creazione di modelli 3D con un solo clic. Una volta attivato, Micro II ruota gli oggetti sui suoi assi, catturandoli mentre si muovono. I dati mesh possono quindi essere spostati in una cartella designata, dove possono essere trasferiti automaticamente per l'analisi in un flusso di lavoro di ispezione end-to-end.
Artec Metrology Kit
Chi è alla ricerca di una soluzione metrologica dedicata dovrebbe provare Metrology Kit. Questo sistema di misurazione delle coordinate ottiche 3D offre un'incredibile precisione di 2 micron per il reverse engineering, l'ispezione e la misurazione 3D con precisione millimetrica.
Le sue applicazioni includono l'analisi delle deformazioni in oggetti di enormi dimensioni come le turbine, il controllo di qualità automobilistico e la ricerca e sviluppo su larga scala. Operando con sei gradi di libertà e dotato di certificazione DAkkS, il Metrology Kit è una soluzione altamente affidabile per affrontare i casi d'uso in cui l'alta precisione è un requisito vitale.
Artec Point
Parlando di CMM portatili, il primo scanner laser di Artec, Artec Point, offre un'elevata stabilità di tracciamento, pur essendo abbastanza manovrabile e preciso da essere seriamente considerato uno strumento di metrologia. Testato rispetto agli standard VDI/VDE in condizioni di laboratorio certificate ISO, questo dispositivo soddisfa tutte le qualifiche richieste che ci si aspetterebbe da una soluzione di acquisizione per dati industriali.
In grado di misurare oggetti di diverse forme e dimensioni con una precisione e una risoluzione fino a 20 micron, Artec Point dispone di telecamere HD e di un innovativo design "angolato". Queste caratteristiche consentono di raccogliere geometrie difficili da catturare e penetrare in profonde cavità. Con tre modalità di scansione per diversi tipi di superfici, gli utenti possono passare da una griglia, pensata per oggetti di grandi dimensioni, a laser paralleli per superfici complesse o un singolo laser per fori e fessure.
Una ricambio per automobili in fase di scansione 3D con Artec Point.
A differenza degli altri scanner Artec 3D, Artec Point richiede l'applicazione di target. Ma i produttori su scala industriale che cercano scanner portatili di livello metrologico sanno bene il valore dei dispositivi ad alta precisione e portabilità, e Point è ideale in questo senso.
Artec Leo
Quando si tratta di misurazioni 3D senza cavi, nulla sul mercato si avvicina ad Artec Leo. Se Point è versatile, Leo offre una libertà di cattura praticamente illimitata. Questa CMM portatile all-in-one è completamente wireless, cattura con una velocità fino a 35 milioni di punti/s e dispone di uno schermo integrato che garantisce agli utenti una cattura completa. La sua accuratezza di 0,1 mm può scoraggiare chi lavora in situazioni particolarmente esigenti, ma è comunque sufficientemente accurato nella maggior parte dei casi d'uso.
Ad esempio, in applicazioni come la riparazione di oleodotti e gasdotti, Leo consente agli utenti di eseguire la scansione di aree ad alta temperatura o di difficile accesso con sufficiente precisione per creare morsetti di riparazione personalizzati. Nei casi in cui sia necessaria una maggiore portata, Ray II può essere utilizzato anche per acquisire fabbriche o altre infrastrutture, mentre si può ricorrere a Leo per scansionare macchinari dettagliati al loro interno.
Tubature di una raffineria di petrolio catturate con Artec Leo. Foto per gentile concessione di Team, Inc.
Punto Chiave
Con funzionalità wireless complete, un display integrato e funzionamento senza target, Artec Leo è una CMM portatile unica nel suo genere.
Artec Ray II
Il LiDAR non è spesso visto come una soluzione metrologica, ma gli scanner come Artec Ray II consentono anche l'ispezione su ampia scala. Molte CMM tradizionali sono limitate dalle dimensioni dell'oggetto da esaminare. Ma Ray II può essere trasportato in loco e programmato per scansionare interi edifici e infrastrutture fino a 130 metri di distanza con elevata precisione. Ciò lo rende ideale per tenere sotto controllo strutture come ponti o creare gemelli digitali di fabbriche.
Grazie alla sua ampia portata, Ray II può anche essere utilizzato in applicazioni di solito precluse alle CMM, come catturare scene del crimine, lunghi binari ferroviari o interi siti archeologici.
Punto Chiave
Gli scanner 3D sono disponibili in tutte le forme e dimensioni, quindi puoi scegliere una soluzione metrologica che soddisfi esattamente le esigenze del tuo settore.
Caratteristiche principali
Accuratezza e precisione: le CMM ottiche potrebbero non essere in grado di raggiungere i livelli di accuratezza massima delle loro alternative tattili. Ma possono catturare con un'accuratezza sub-millimetrica (a volte di appena pochi micron), che è più che sufficiente per la maggior parte delle applicazioni di misurazione 3D.
In metrologia, un'alta precisione permette di misurare con un'elevata ripetibilità. Quindi la precisione è fondamentale per ottenere risultati affidabili nello spazio di produzione, in cui le deviazioni possono portare a guasti del prodotto. Le CMM ottiche come Micro II offrono un'eccezionale ripetibilità, in modo che gli utenti sappiano che possono prendere le misure necessarie rispettando specifiche e standard rigorosi.
Micro II, uno scanner 3D compatto e con accuratezza di 0,005 mm, offre un'ottima alternativa alle tradizionali CMM ottiche nei casi di ispezione di piccole parti.
Velocità di acquisizione: rispetto alla misurazione con sonda, le CMM ottiche sono spesso molto più veloci. Lo scanner a luce strutturata Artec Leo, ad esempio, cattura piccoli oggetti in pochi minuti. Ovviamente dipende dalla tecnologia che si adotta. Ma in generale le CMM senza contatto (laser o ottiche) forniscono risultati più rapidi della raccolta di dati tattile tradizionale.
Versatilità: le CMM sono solitamente fisse in posizione per evitare che le vibrazioni esterne interferiscano con la misurazione, limitandole all'acquisizione di dati in loco. Al contrario, le CMM portatili possono essere montate su bracci robotici o utilizzate in modo indipendente. In teoria, quest'ultima possibilità conferisce possibilità illimitate: i produttori possono analizzare la qualità del prodotto ogni volta, ovunque ne abbiano bisogno.
Elaborazione dei dati: le CMM montate su sonda trasformano i punti acquisiti in sistemi di coordinate che, a loro volta, possono essere utilizzati per ricostruire l'oggetto misurato. Le CMM ottiche invece, così come gli scanner 3D, trasformano le nuvole di punti in mesh. Il software CMM dedicato è spesso meglio equipaggiato per la quotatura e tolleranza geometrica, ma programmi come Geomagic Control X e Zeiss Inspect Optical 3D stanno permettendo alla scansione 3D di colmare anche questa lacuna.
Integrazione: le CMM ottiche portatili hanno meno restrizioni delle CMM tradizionali, consentendo sia l'integrazione hardware su bracci robotici che l'utilizzo di software di analisi di terze parti.
Punto Chiave
I dati di scansione 3D acquisiti possono essere analizzati in popolari software come Geomagic Control X, Zeiss Inspect Optical 3D e PolyWorks.
Applicazioni
Produzione e controllo qualità
Le CMM ottiche possono essere integrate direttamente nel flusso di lavoro di produzione per la misurazione di parti in lotti o utilizzate nella linea per i controlli tra i cicli di produzione. Questa tecnologia è perfetta anche per garantire che le parti provenienti da altre fabbriche soddisfino gli standard desiderati. Ausco Products è un ottimo esempio: questo produttore di freni per fuoristrada ispeziona le parti commissionate a terzi utilizzando la scansione Artec 3D. Oltre ai test di tolleranza, questa tecnologia consente all'azienda di verificare se i freni si inseriscono in aree strette come i pozzetti delle ruote, in modo da accelerare la personalizzazione del prodotto.
Il getto di un pistone in fase di ispezione con mappatura della distanza in Artec Studio. Immagine per gentile concessione di Ausco Products Inc.
Nel complesso, le CMM ottiche trovano applicazione in tutto il flusso di lavoro di produzione, dall'ispezione del primo articolo all'analisi in-process, dal controllo di qualità al reverse engineering per le iterazioni del design del prodotto.
Industria aerospaziale
Nel settore aerospaziale, le CMM ottiche sono fondamentali per garantire precisione, sicurezza e conformità a standard rigorosi. Potrebbero essere utilizzate nella produzione, ad esempio nelle misurazioni durante la produzione di motori a turbina, nell'assemblaggio delle fusoliere o nella manutenzione, riparazione e revisione degli aeromobili. Tuttavia, nonostante le severe esigenze del settore, i requisiti di precisione non sono così elevati come si potrebbe pensare.
L'acquisizione dei dati con precisione submillimetrica è spesso sufficiente per ispezionare i componenti aerospaziali, soprattutto se non sono critici per il volo. Il partner certificato Artec Gold 3DMakerWorld lo ha dimostrato eseguendo con Artec Leo il reverse engineering del piccolo aereo Sadler Vampire. In questo modo, hanno aiutato il loro cliente a creare una libreria digitale di pezzi di ricambio per il prezioso aereo.
Industria automobilistica
Proprio come nel settore aerospaziale, le applicazioni delle CMM ottiche nell'industria automobilistica possono variare notevolmente. Un produttore di parti originali potrebbe ispezionare le saldature prima di verniciare, un altro potrebbe utilizzarle per misurare l'assetto interno dei veicoli, e altri potrebbero controllare la conformità delle parti del gruppo propulsore o delle sospensioni.
Questi casi d'uso non sono limitati alla produzione di veicoli, ma possono essere utilizzati in altri ambiti come l'aggiunta di alettoni, elementi aerodinamici o modifiche per migliorare le prestazioni. Negli Stati Uniti, BD Engineering ha portato questo principio a nuovi estremi creando modifiche per il drifting per Toyota Supra personalizzate grazie ad Artec Leo.
Una Toyota Supra retro-ingegnerizzata da BD Engineering e le sue modifiche in programma. Immagine per gentile concessione di BD Engineering
Fabbricazione di dispositivi medici
Nella produzione di dispositivi medici le CMM ottiche vengono spesso utilizzate per misurare gli impianti di ginocchia, anche e colonne vertebrali per la rugosità superficiale e l'osteointegrazione. Anche gli strumenti chirurgici più comuni come bisturi, pinze e cateteri sono sottoposti a controllo della qualità.
La carenza di apparecchiature mediche di alta qualità è diventata un problema importante durante i primi giorni della pandemia di COVID-19. Per ovviare a questo problema, le tecnologie 3D sono state utilizzate in tutto il mondo come CMM portatili on-demand e strumenti di produzione rapida. All'Assistance Publique Hôpitaux de Paris, Artec Space Spider è stato utilizzato per ispezionare forniture mediche di emergenza, compresi tubi e maschere protettive, che hanno tenuto i medici al sicuro nei tempi difficili del covid.
Punto Chiave
Le CMM ottiche non servono solo per l'ispezione, ma conferiscono anche nuove capacità di digitalizzazione e personalizzazione.
Ricerca & sviluppo
In primo luogo, le CMM ottiche vengono utilizzate nella R&S dei prodotti per verificare l'accuratezza dimensionale dei progetti nelle loro fasi iniziali. La scansione 3D per confrontare i prototipi con i dati CAD è facile e veloce. È anche senza contatto, quindi una forma di test non distruttivo. Altri aspetti che vale la pena considerare includono la convalida di progetti, la definizione delle tolleranze e, molto prima nel processo, la visualizzazione.
Oltre all'ispezione del prodotto, il famoso marchio di calzature Asics utilizza la scansione Artec 3D e la fotogrammetria per realizzare materiali di marketing altamente realistici e coinvolgenti. I loro modelli di scarpe da corsa, scansionate con incredibile fedeltà, non solo aiutano il produttore nel controllo della qualità, ma aiutano a comunicare il messaggio dietro ai suoi prodotti e ad attirare nuovi clienti.
Un modello 3D ultra realistico di una scarpa da corsa realizzato con gli strumenti di scansione Artec 3D e la fotogrammetria. Foto per gentile concessione di Asics Corporation
Introduzione alle CMM ottiche
Quindi, quali funzionalità dovresti cercare in una CMM ottica? Come accennato in precedenza, la maggior parte di questi sistemi funziona utilizzando una tecnologia di acquisizione ottica. Potrebbe trattarsi di luce strutturata, un laser o un set di sensori per fotocamere. Richiedono anche un'unità di controllo o un software dedicato di qualche tipo per l'elaborazione dei dati e (a volte) strumenti di calibrazione come dei target di riferimento.
Scegliendo la CMM ottica giusta per il proprio caso d'uso specifico, ci sono una serie di cose da considerare. La dimensione dell'oggetto da analizzare, ad esempio, può avere un'importanza fondamentale. Se la parte in esame è di grandi dimensioni, una CMM statica non avrà né la capacità di sostenerla né la velocità necessaria per misurarla. Anche l'accuratezza e la risoluzione sono fattori importanti da considerare.
Se stai lavorando con tolleranze sub-millimetriche, avrai bisogno di un sistema in grado di soddisfare tali esigenze. In alcuni casi, anche l'ambiente può influenzare il processo (se stai operando in un luogo rumoroso o soggetto a vibrazioni). Infine, la geometria dell'oggetto è un fattore critico che dovrebbe essere al centro della tua decisione: alcune tecnologie sono più efficaci di altre nel catturare forme libere e buchi!
Speriamo che questi fattori ti diano un'idea di ciò che dovresti cercare in una CMM ottica. Puoi scoprire di più sulla scansione 3D per la metrologia e sugli scanner Artec 3D come strumenti di acquisizione dei dati di metrologia nel nostro centro di apprendimento. Per consigli personalizzati, contatta sales@artec3d.com.
Leggi anche questo
Cerchi un nuovo scanner 3D professionale? Sappiamo quanto possa essere difficile trovare la soluzione giusta. Ecco perché abbiamo creato una lista di punti che dovresti tenere in considerazione, dalle specifiche ai consigli pratici, per identificare un prodotto che soddisfi esattamente le tue esigenze.
Altre informazioni da
Il centro di apprendimento
A volte, le macchine CMM tradizionali hanno difficoltà ad effettuare misure rapide e non invasive, in particolare quando gli oggetti da misurare presentano fori o superfici fragili. Fortunatamente, i progressi nel campo della scansione 3D ci permettono di contrastare tali difficoltà. Pertanto, la scansione 3D sta iniziando a competere con i sistemi CMM come mezzo per affrontare l’ispezione delle parti.
Nella produzione, è comune sentire l'espressione "test non distruttivi" o NDT (non-destructive testing). Ma che cosa significa? NDT è un termine generico che descrive qualsiasi processo di misurazione o valutazione delle proprietà di un prodotto senza doverlo danneggiare. In questo articolo, esamineremo i potenziali flussi di lavoro, applicazioni e tecnologie che permettono di ottenere i migliori risultati di test non distruttivi.
I software CAD (Computer Aided Design) vengono utilizzato da progettisti e ingegneri in diversi ambiti e in diversi tipi di processi. Sono fondamentali nei flussi di lavoro di chiunque lavori nei campi della progettazione, simulazione, produzione e molti altri. I software CAD non sono solo utili a fornire rappresentazioni visive di progetti e bozze, ma anche per creare documentazioni indispensabili per domande di brevetto, protezione legale di progetti di design o assicurazione della conformità degli stessi.
