Повышение качества производимых деталей с помощью Artec 3D и Geomagic Control X

29/10/2019

Сканирование и сверка параметров изделий, изготовленных посредством аддитивных технологий, помогает сократить расходы, минимизировать риск погрешностей и значительно повысить уровень качества.

Появление новых технологий позволяет повышать качество производства, но в то же время представляет некоторые трудности. Для запуска серийного производства нового изделия необходимо существенно перестраивать процессы и важно оценивать такие факторы, как усадка, качество обработки поверхности, стабильность параметров. Аддитивное производство не исключение, и данная технология требует более эффективных инструментов оценки воздействия этих факторов, так как существующие средства заметно устарели. Но всё изменится уже в ближайшем будущем.

Большая часть производимых изделий проходит стандартный путь – конструирование, производство, контроль качества. Высококачественный результат зависит от точности каждого из этих этапов. В зависимости от назначения и сложности детали процесс её производства может иметь несколько этапов отладки.

На примере нашего рабочего процесса мы покажем, как с помощью сканера Artec Space Spider и программы Geomagic мы полностью копируем очертания объекта и анализируем параметры изготовленных на 3D-принтере литейных моделей и отлитых деталей на этапах конструирования, испытаний и производства.

ТРУДНОСТИ

Процесс серийного производства часто сопровождается отклонениями от заданных параметров, что влияет на качество готового изделия. В отсутствие систематизированного подхода и эффективных инструментов выявление причин появления погрешностей является непростой задачей.

РЕШЕНИЕ

Сканер Space Spider компании Artec 3D и метрологическая программа для оценки качества Geomagic® Control X™ от 3D Systems

РЕЗУЛЬТАТ

• Коррекция процесса изготовления (посредством аддитивных технологий) литейной модели, в рамках которой применялось 3D-сканирование и программа для контроля качества, позволила уменьшить число испытаний до одного.

• Снижение расходов на 27%; повышение уровня точности на 10%

• Анализ процесса литья в тесном сотрудничество с литейным цехом позволил значительно превзойти ожидания в отношении числа корректировок и качества готовой детали  

• Увеличение точности параметров готовых деталей на 14%

• Сокращение затрат на механическую обработку детали

Artec Space Spider – портативный 3D-сканер сверхвысокого разрешения, превосходно распознающий мелкие объекты и сложную геометрию в процессе контроля качества изделий.

Space Spider быстро включается и с лёгкостью сканирует, не требуя продолжительного инструктажа и подготовки объекта. Он позволяет производить оцифровку в любых условиях. Алгоритм сканирования без маркеров, являющийся собственной разработкой Artec 3D, обеспечивает надёжный трекинг лишь по очертаниям и цвету объекта. Нет необходимости в нанесении маркеров на сканируемый объект.

Программа для сканирования Artec Studio

Geomagic Control X от 3D Systems – промышленная метрологическая программа, помогающая выявлять и устранять причины отклонений параметров. Как и программа для 3D-сканирования, Control X – превосходное метрологическое решение, предлагающее портативные инструменты измерений. Имея в распоряжении Control X, большее число работников вашей организации смогут производить измерения быстрее, чаще и точнее, где бы они ни находились.

Это комплексное решение является уникальным инструментом сложного производственного процесса. Итог? Существенное повышение качества и точности конечного продукта.

Моделирование

В качестве примера мы приведём существующий клиентский проект, не вдаваясь в подробности. Один из наших клиентов занимался разработкой небольшого беспилотного грузового автомобиля. Для создания рабочего прототипа в компании использовали имеющиеся на рынке автозапчасти и компоненты. Особо ценным из них стал поворотный кулак, который требовалось сканировать для получения цифровой модели для модификации и изготовления новой детали из лёгкого материала.

Вначале мы с помощью Artec Space Spider быстро оцифровали оригинальную деталь для последующего реверс-инжиниринга. Затем быстро и точно обработали её в Geomagic Design X, используя уникальный метод гибридного моделирования. Обычно наши клиенты используют либо физическое, либо концептуальное моделирование. Гибридное моделирование сочетает в себе оба этих метода и позволяет получить твердотельную модель в САПР, которая имеет как строгую геометрию, так и NURB-поверхности. Таким образом, модель была завершена менее чем за полтора часа и перенесена в SOLIDWORKS как САПР-объект с возможностью поэлементного редактирования.

3D-снимок оригинальной детали

Гибридная модель в САПР

Видоизменённая модель для печати

Необработанная модель, распечатанная на 2500 IC Print

Сечение модели с частичным заполнением, изготовленной на принтере Projet 2500 IC

Модель для литья

Уже несколько десятилетий аддитивные технологии применяются в аэрокосмической и автомобильной промышленности для производства довольно дорогостоящих моделей для литья. Новейшие достижения в области 3D-печати сделали возможным изготовление высокоточных и сравнительно недорогих моделей из парафина и полимеров, которые отлично подходят для литья по выплавляемым моделям. В 3D Systems предсказывают широкое распространение аддитивной технологии среди производителей моделей для литья, так как она становится всё более доступной, точной и быстрой.

Детали, изготовленные посредством аддитивных технологий, использующих нагрев для послойного наложения материала или требующих механической обработки изделия, имеют некоторую степень усадки и других искажений. Детали большой массы или с большой площадью сечения остывают гораздо медленнее в сравнении с небольшими и тонкими деталями.

Зная об этом, мы испытали два метода печати с целью выяснить, какой из них поможет снизить себестоимость изделия и минимизировать погрешности. Мы решили опробовать 3D-печать со 100%-ным парафиновым заполнением, а также без заполнения (или частичным заполнением), с помощью программного продукта клиента 3D Sprint Build на принтере Projet MJP 2500 IC для изготовления парафиновых литейных моделей. Из предыдущего опыта мы вынесли то, что толщина наружного слоя 2 мм и 50%-ное заполнение способны обеспечить высокую прочность и качество сравнительно крупных деталей.

После завершения обработки и остывания мы довольно легко сканировали два наших образца с помощью все того же Artec Space Spider. Уникальная геометрия деталей, зеленый цвет парафина, небольшая матовость и эффект отбеливания после обработки изделия позволили технику с лёгкостью оцифровать модели с помощью трекинга по форме и текстуре одновременно.

Мы выгрузили наш файл из программы 3D Sprint Build непосредственно в Geomagic Control X, где проверили ориентацию для печати каждой детали. Зная, что с целью совершенствования конструкции мы будем сканировать деталь не один раз, мы создали один проект для отслеживания изменений параметров и просто дублировали его несколько раз, сохраняя историю всех изменений в едином файле в Geomagic Control X. Каждый раз, когда 3D-снимок был завершен, мы сбрасывали STL-файл в проект Control X, где автоматически запускалась сверка и формировался подробный отчет.

Мы обнаружили, что практически все элементы детали, проходящие последующую механическую обработку, оставались в пределах допустимых погрешностей. В то время, как фрагменты произвольной формы имели тенденцию к выходу за пределы этих значений. Мы решили, это тесно связано с нашим предположением о том, что участки с большой площадью сечения дольше остывают и поэтому более склонны к искажению.

Анализ данного этапа показал, что 3D-печать с частичным заполнением не только снижает себестоимость, но и повышает точность параметров готовой детали.

Литьё

Литьё по выплавляемым моделям – проверенный метод производства, насчитывающий пять тысяч лет. Со времен первой промышленной революции он остается одним из самых популярных среди производителей всего мира.

Сегодня методы литья отлажены, высокотехнологичны и используют ПО для снижения рисков внутренних дефектов. Сотрудничая с хорошим литейным цехом, посредством аддитивных технологий мы можем, без участия заказчика, получать литейные модели и производить детали без внутренних дефектов, превосходящие даже самые высокие требования к качеству литья.

В свою очередь, заказчики, активно участвующие в промежуточных и конечных испытаниях, могут рассчитывать на гораздо более качественный результат на каждом этапе благодаря особенностям процесса литья.

Требуемые параметры отливки детали

Параметры модели

• ~ 35% меньше количество используемого материала.

• ~ 27% снижение стоимости.

• ~ 10% увеличение точности соответствия исходным параметрам (определено с помощью 3D-сканирования).

• Параметры модели со 100%-ным заполнением вышли за пределы допустимых значений.

• Параметры модели с частичным заполнением остались в пределах допустимых погрешностей.

• Дальнейший анализ показал, что стабильность параметров детали со 100%-ным заполнением лучше достигается при комнатной температуре.

Анализ: парафиновая модель со 100%-ным заполнением

Анализ: парафиновая модель с частичным заполнением

Усадка – известный фактор литья, и, как правило, литейный цех информируют заказчика о подобном свойстве различных материалов и советует учитывать его в исходных параметрах. Но по причине сложности геометрии детали и физической природы процесса, зачастую усадка носит неравномерный характер. Поэтому литье в данном случае воспринимается как технология с высокой степенью погрешности.

В ходе коррекции процесса отливки поворотного кулака мы определили степень вызванной усадкой погрешности в соответствии с геометрией нашей модели и видом используемого материала. По рекомендации литейного цеха, мы заложили 2%-ную степень усадки. Чтобы оценить влияние 3D-сканирования и степени заложенной усадки на уровень точности готового изделия, мы изготовили литейную модель с заложенной погрешностью 2% на усадку, как был рекомендовано, и отправили модель в литейных цех.

Мы проанализировали параметры полученных из цеха отливок и проверили, соответствует ли заложенная погрешность нашим ожиданиям. Выяснилось, что параметры действительно находятся в пределах допустимых погрешностей. Однако, более тщательный анализ с использованием инструмента «сечение» в программе Control X показал, что применительно к некоторым областям, вероятно, следует заложить иную степень погрешности, что будет способствовать повышению уровня качества готового изделия в целом.

Инструмент сравнения параметров сечения готового изделия с заданными пределами отобразил внешние границы в голубом цвете, внутренние – в красном и оранжевом. Граница изделия, находящаяся внутри референтной границы, свидетельствует об отклонении параметров в меньшую сторону. Внутренняя граница сечения, образующая окружность, диаметр которой меньше заданного, расположена снаружи референтной границы. Всё это указывает на то, что различные фрагменты детали имеют разные погрешности, которые необходимо учесть в цифровой модели, изготовить ее на 3D-принтере с измененными параметрами для литья новой детали.

Предыдущий анализ показал, что нам необходимо заложить определенную степень отклонения. Последующий анализ позволил зафиксировать неравномерную усадку по осям детали, поэтому парафиновая модель была распечатана с учётом скорректированной погрешности: 2.2%, 2.3% и 2.7% по осям X, Y and Z, соответственно, и была отправлена в литейный цех.

После окончательной проверки скорректированной литейной модели мы смогли сделать заключения в отношении этапов изготовления модели и литья по данной модели:

• Модель, построенная с учетом неравномерной усадки, позволила превзойти все ожидания относительно качества готовой детали.

• Точность параметров детали возросла на 14%.

• Удалось избежать, как минимум, одного этапа механической обработки.

• Снижена себестоимость детали.

• Потребуется последующий анализ, чтобы определить возможность достижения большей точности для сокращения всех этапов механической обработки.

Заключение

Эффективность – ключ к поддержанию рентабельности производства и сокращению расходов. Используя сканер Space Spider от Artec 3D и программу Geomagic Control X, мы смогли повысить качество изделия посредством анализа каждого из этапов производства, что привело к сокращению числа корректировок. Уменьшение числа ошибочных допущений, более быстрый вывод на рынок – главные преимущества использования наиболее полного решения для высококачественного 3D-сканирования и совместимой программы для контроля качества.

Анализ параметров сечения

Готовая деталь

Анализ параметров готовой детали

Связаться с нами