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

El escaneo e inspección de piezas fabricadas aditivamente reduce los costos, minimiza las iteraciones y mejora la precisión y la calidad.

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

La mayoría de los productos manufacturados siguen un proceso común a través de su ciclo de vida hasta la producción. Diseñar, fabricar, inspeccionar es una forma generalizada de considerar procesos, etapas y responsabilidades, siendo cada una de ellas clave para producir piezas de alta calidad. Dependiendo de la complejidad y la naturaleza de la pieza que se está fabricando, el flujo de trabajo real puede tener muchos bucles de ajuste y comentarios.

Manufacturing workflow

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

Design, pattern making, casting, and quality control workflow infographic for Geomagic Control X inspection software and Artec 3D Space Spider scanner

Artec Studio scanning softwareEl Artec 3D Space Spider es un escáner 3D portátil de ultra alta resolución que sobresale 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 preparación complicada y amplia formación del usuario, lo que permite a los clientes digitalizar piezas en cualquier lugar. Los algoritmos patentados libres de destino de Artec 3D permiten al escáner rastrear 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 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 de su organización pueden medir más rápido, con más frecuencia y de forma 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 de la pieza final, precisión y repetibilidad en general mejoradas.

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 especializado, autónomo y ligero. Para acelerar el tiempo de comercialización, seleccionaron y combinaron una gama de componentes y sistemas de vehículos en el mercado hoy en día para completar un prototipo de trabajo. En este proceso, encontraron que un nudillo de dirección específico (uno por) era valioso para el proyecto y necesitaban digitalizar y capturar el diseño para poder modificarlo y fabricarlo aún más en un material ligero.

Para comenzar a trabajar, escanearon en 3D y realizaron ingeniería inversa de la fundición original. Utilizaron el escáner Space Spider 3D de Artec para una digitalización rápida y luego modelaron la pieza de forma rápida y precisa en Geomagic Design X con un enfoque único de modelado híbrido. Normalmente, los clientes seguirán un método de modelado as-built (muy preciso) o design-intent (basado en dimensiones). Un enfoque de modelado híbrido consiste en combinar ambos conceptos para ofrecer un resultado de modelo sólido CAD que tenga tanto características dimensionadas como superficies de NurBA de alta precisión. Con esta estrategia, completaron el modelo en menos de 1,5 horas y se transfirieron en vivo a SOLIDWORKS como CAD basado en operaciones.

Original part scanHybrid CAD modelDefeatured model for print

Creación de patrones

Unfinished wax print from the ProJet® MJP 2500 IC 3D printer by 3D SystemsAM se ha utilizado en aplicaciones aeroespaciales y automotrices para producir patrones de fundición sacrificial 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, que funcionan sin problemas en el proceso de fundición de inversión. 3D Systems está viendo una adopción más distribuida de la fabricación de patrones aditivos sin herramientas y seguirá creciendo a medida que la tecnología se vuelva más accesible, rápida y precisa.

Para cualquier proceso aditivo que implique energía térmica en la deposición de material o postprocesamiento, hay cierta cantidad de desenredo y sedimentación de parte que podría ocurrir. Las piezas que tienen una masa significativa o un área transversal significativa retendrán el calor durante más tiempo que las piezas más pequeñas o más delgadas.

Sample cross section of sparse infill mode printed on the ProJet® MJP 2500 IC 3D printer by 3D SystemsSobre la base de este conocimiento, 3D Systems probó dos métodos de impresión con el objetivo de tener el menor costo posible de los productos impresos y el más alto nivel de estabilidad dimensional: un método de impresión de cera completamente sólido, así como un método de relleno de cera delgado y disperso . Ambos fueron preparados con el software cliente de construcción 3D Sprint e impresos en la impresora ProJet MJP 2500 IC 3D que produce patrones de fundición de cera. Por experiencia previa, encontramos que una carcasa de 2 mm con una relación de relleno escasa del 50% produce piezas estables de alta calidad al imprimir piezas relativamente grandes.

Después del procesamiento posterior y el tiempo de enfriamiento, utilizamos el mismo escáner De artec 3D Space Spider para escanear los dos patrones con relativa facilidad. La forma única de las piezas, el color de cera verde y el ligero efecto de atenuación y blanqueamiento del proceso posterior permitieron a nuestro técnico de escaneo capturar los modelos sin problemas utilizando el seguimiento de geometría + textura.

Usando Geomagic Control X, importamos el archivo de compilación 3D Sprint directamente e inspeccionamos cada pieza en su orientación de Solid wax pattern analysisimpresión exacta para la rutina de inspección. Sabiendo que estaríamos escaneando la parte del sujeto iterativamente 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 dejamos caer cada nuevo archivo STL en el proyecto Geomagic Control X y el proceso de evaluación tomó el control automáticamente, lo que resultó en informes repetibles de alta calidad.

Encontramos que, en general, todas las áreas con desfases de mecanizado estaban dentro de la tolerancia de fundición, pero las áreas más de forma libre presentaban tendencias fuera de una banda de tolerancia ajustada. Creemos que esto correticionó adecuadamente nuestras suposiciones de que las grandes áreas de sección transversal retienen el calor y potencialmente cambian de forma al enfriar.

Nuestro análisis exhaustivo para esta etapa nos ayudó a sacar algunas conclusiones de que la impresión 3D con el patrón de cera no sólo era más Wax pattern with infill analysisrentable, sino también más conforme a la dimensionalidad después del procesamiento posterior.

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

Fundición

La fundición de inversiones es una metodología de fabricación de confianza que se remonta a hace 5.000 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, conocido y cubierto por el software de simulación para ayudar a reducir la posibilidad de defectos internos de la pieza. Con un socio de fundición experimentado y un mínimo esfuerzo del cliente, es posible ofrecer patrones fabricados aditivamente y producir piezas que están libres de defectos internos y generalmente superan las expectativas de tolerancia de proceso común 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 propio proceso de conversión.

Shrinkage or contraction allowanceLa contracción es un resultado conocido del proceso de fundición. Normalmente, una fundición proporciona a los clientes algunas instrucciones para compensar la contracción conocida de un material específico para un tamaño de pieza definido por el cuadro delimitador. Debido a la complejidad geométrica y agravado por el proceso de fundición física, es común ver una contracción no uniforme con 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 nudillo 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 parte final, producimos un patrón de cera con un factor de escala del 2% según lo aconsejado y lo suministramos a la fundición.

Control de calidad

3D Systems inspeccionó además las piezas fundidas devueltas para verificar si el factor de escala uniforme se ajustaba a las tolerancias esperadas. Cross section of scale error analysisSiguiendo la especificación generalizada de la fundición, proporcionó una parte que estaba definitivamente dentro de la precisión alcanzable declarada por el socio para una parte de aproximadamente el mismo tamaño. Sin embargo, una inspección más detallada 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 significativamente la precisión general de la pieza terminada.

Esta comparación de silueta de sección transversal con una banda de tolerancia ajustada muestra claramente los bordes exteriores con color azul y bordes interiores con colornaranjado naranja y rojo. El perfil exterior confirma una condición de tamaño inferior en la que el contorno de la pieza real está dentro del límite de referencia. El perfil interior muestra que la operación del cilindro central es dimensionalmente más pequeña de lo previsto, pero aparece como fuera de la operación de referencia. Esto indica que la sombra de silueta total de la pieza tiene una diferencia de escala que se puede corregir aumentando el factor de escala, la impresión y la conversión de nuevo.Final cast part

Las investigaciones anteriores de mejora de procesos 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 del 2,2%, 2,3% y 2,7% en X, Y y Z respectivamente y lo suministramos a la fundición.

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

  • El patrón de precisión escalado proporcionó resultados que superaron las expectativas de fundición.Final casting analysis
  • El cumplimiento dimensional general de la parte corregida a escala 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 total de producción de la pieza.
  • Necesitamos análisis futuros para ver si se puede aplicar mayor precisión para reducir las operaciones de la máquina en general.

Conclusión

La eficiencia es clave para mantener los beneficios y reducir los residuos en los ciclos humanos y de fabricación. Con el escáner Space Spider de Artec 3D y Geomagic Control X, pudimos mejorar la calidad total total de la pieza fabricada analizando cada etapa del proceso con los mínimos ciclos de ajuste e iteración posibles. La reducción de iteraciones y conjeturas, el ahorro de tiempo y dinero, y un tiempo de comercialización más rápido son los beneficios clave del uso de una solución total para el escaneo 3D de alta calidad y el software de inspección industrial nativo de escaneo.