Soluciones de metrología de Faro

La importancia de la metrología para la industria manufacturera

La importancia de la metrología – la ciencia de la medición – para la industria manufacturera es ampliamente subestimada, excepto por los ingenieros. Sir Joseph Whitworth, el inventor de los primeros estándares de medición en el siglo XIX, dijo «Sólo se puede hacer algo bien si se puede medir». Para ofrecer una pequeña calificación, quizás, sólo se puede hacer algo bien repetidamente, si se puede medir.

La medición puede darse por sentada, pero es de importancia absolutamente crítica para la fabricación, en todos los sectores. En el sector de la automoción, la inspección de las piezas se realiza normalmente en un ciclo de prueba de lotes, de número variable, para asegurar que haya uniformidad. El sector aeroespacial, sin embargo, tiene que trabajar en una inspección al 100%; cada pieza después de la primera que se mide tiene que ser idéntica.

Las estimaciones oficiales del Laboratorio Físico Nacional del Reino Unido dicen que hasta una quinta parte del valor total de la actividad manufacturera británica está en la verificación del producto. La medición asegura que los productos funcionen y operen con seguridad. La inspección de productos, una de las principales aplicaciones de la medición en la fabricación, beneficia a los fabricantes de varias maneras. «Si hay problemas en una pieza, los encuentras antes que el usuario final, y si mides y entiendes tus procesos puedes hacerlos más eficientes», dice Philip Hewitt, Gerente de Productos de Manufactura de Autodesk.

El desafío es global e instituciones como el Physikalisch-Technische Bundesanstalt y el Instituto Nacional de Metrología de Alemania, también están trabajando en mejores métodos de metrología en tiempo real para la fabricación con el fin de aumentar la productividad.

Esta función de investigación y validación de la medición se aplica doblemente a la fabricación aditiva, porque estos procesos no se comprenden todavía plenamente.

A medida que la fabricación sea más receptiva, conectada, rápida y personalizable, las nuevas y más flexibles técnicas de metrología para piezas mecanizadas, moldeadas, fundidas y fabricadas con aditivos (AM) serán más importantes.

Inspección de productos con máquinas de medición por coordenadas y fabricación aditiva

La inspección de productos para su verificación presenta desafíos para cualquier pieza de fabricación convencional. La precisión, la fiabilidad y el costo de la medición, la velocidad y el lugar en el proceso de fabricación en el que debe residir la medición, son los principales desafíos.

Soluciones de medición de Faro

Las sondas de las máquinas herramienta y las máquinas de medición de coordenadas, o MMC, siguen siendo el equipo de piedra angular para la medición industrial. Las MMC son habituales en la industria para realizar mediciones tridimensionales de piezas y en los últimos años se han incorporado a las MMC de laboratorio MMC móviles y montadas por robots y escáneres sin contacto para una rápida supervisión y medición posterior al proceso.

Para un componente fabricado adicionalmente, hay más variables que para una pieza mecanizada. Aquí la metrología necesita medir la dimensión y la calidad del material, porque éstas son desconocidas.

Además, la fabricación aditiva (AM) puede hacer geometrías intrincadas y estructuras internas que no se pueden inspeccionar con una MMC tradicional. «Por lo tanto, hay que pensar en nuevas e inteligentes técnicas para inspeccionar estas piezas, si no se pueden ver desde fuera del componente», dice Robert Bowerman, Ingeniero Consultor de Autodesk. Sin embargo, esto es simplemente para evaluar las propiedades geométricas en el componente, su forma y tolerancias.

«Un proceso AM crea simultáneamente la geometría y el material; lo estás creando de la nada y no existen datos sobre la calidad del material antes de que sea fabricado. Debido a esto, se requiere una inspección adicional para identificar si hay tensión residual, fatiga o cualquier otro defecto físico en las propiedades del componente AM». Esto difiere de la fabricación por sustracción, en la que ya se conoce mucho sobre las propiedades de la palanquilla de acero o de titanio, o del compuesto, antes de su mecanizado.

Fabricación híbrida: procesos de fabricación aditiva y sustractiva

Una técnica cada vez más común consiste en utilizar una combinación de procesos de fabricación aditiva y sustractiva para producir una forma casi neta de una pieza y luego mecanizarla, a veces marginalmente, hasta la forma deseada. El uso de una máquina AM, luego una máquina herramienta, o una de una nueva generación de máquinas de fabricación híbridas que combinan ambas tecnologías, puede efectuar esto.

Un ejemplo es la fabricación de cabezas de cilindros y todos sus precisos subcomponentes. Autodesk y otras compañías están ahora fabricándolas, actualmente para aplicaciones de prueba, usando procesos AM y luego raspando una pequeña capa para alcanzar las tolerancias deseadas.

«Esto sólo es posible con algún tipo de inspección durante el proceso», dice Phil Hewitt de Autodesk. «El proceso puede ser interrumpido pero, si se cambia de aditivo a sustractivo, entonces hay que hacer algún nivel de inspección en proceso, o entre procesos». Así que se necesita una solución de metrología adecuada aquí a medida que este método crece.

 

Nuevos métodos de metrología inteligente para la Industria 4.0

A medida que se desarrollan tecnologías de fábrica inteligentes y flexibles, los proveedores de equipos de metrología como FARO han producido herramientas que llevan la inspección desde el diseño de herramientas y moldes hasta la pieza final verificada.

Industria 4.0 o 4IR son los términos que se usan ahora para describir fábricas conectadas, flexibles y que comparten datos. Los nuevos métodos de metrología, que implican más técnicas sin contacto y en proceso, eliminan la intervención humana y que, conectados a un Sistema de Ejecución de Manufactura, por ejemplo, pueden recibir, validar y pasar las mediciones automáticamente, serán esenciales para el avance de la fábrica inteligente.

Soluciones inteligentes de Faro

El enfoque de la fábrica inteligente es hacer la metrología en proceso, para eliminar la etapa de MMC separada y aislada.

«FARO siempre ha impulsado el movimiento para sacar el equipo de MMC del laboratorio de inspección y llevarlo a la planta de producción, de modo que se pueda ahorrar tiempo, reducir los desechos y volver a trabajar en la fase inicial», afirma Chuck Pfeffer, Director de Gestión de Productos de Metrología de Fábrica de FARO Technologies. «No deberías invertir tiempo y dinero en trabajar con piezas que ya están mal, cuando puedes identificarlas y retrabajarlas antes o eliminar el retrabajo por completo». Varios productos FARO han sido diseñados específicamente para trabajar en la «fábrica inteligente» donde la velocidad, la precisión y la portabilidad son claves.

La tecnología y los métodos de medición están avanzando como parte de un impulso más amplio de la «fábrica inteligente«. El futuro Metrology Hub, un centro de excelencia de 25 millones de libras esterlinas para la investigación en metrología, fue lanzado en el Reino Unido en septiembre de este año (2017). Financiado en parte por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas, su trabajo es acelerar estas nuevas técnicas de metrología para ayudar a la adopción de «Industria 4.0«.

La directora del centro, la profesora Jane Jiang, dijo: «Al integrar la metrología dentro del proceso, utilizando la informática de la metrología universal y ejecutando esto a través de toda la cadena de valor, podemos lograr un cambio de paso en la productividad de la fabricación». La analítica de metrología inteligente (para evaluar qué datos utilizar), el diseño de plataformas de verificación y los sistemas de control de procesos son algunas de las otras áreas de investigación.

La inspección más rápida y fiable para la fabricación de aditivos es más difícil porque los procesos aditivos no son tan precisos como el corte de metal. Pero la metrología es esencial para hacer de la AM un verdadero proceso de fábrica inteligente. «Tienes que comprobar que has añadido material donde crees que lo has hecho», dice Phil Hewitt de Autodesk.

Con la fabricación de forma casi neta, se puede añadir más metal del necesario, pero si la medición es muy efectiva, el proceso puede hacerse más eficiente simplemente añadiendo la cantidad mínima de material y eliminando la cantidad más pequeña para conseguir la forma deseada. Una buena metrología también reducirá la materia prima y el costo de la AM.

«Cuanto más eficaz sea la medición, menos exceso de material se necesita; cuanto más se acerque a la forma casi neta, menos retrabajo se necesita», dice Hewitt.

Fabricación de aditivos para la producción de componentes metálicos en la industria

Hay siete tipos de fabricación de aditivos según la definición de la ISO. Los dos más utilizados para la producción de componentes metálicos en la industria son la Fusión de Cama de Energía (PBF) y la Deposición de Energía Dirigida (DED).

El DED combina un material y una fuente de energía para depositar un material en un punto de partida o en un componente fabricado previamente. Un método común de DED alimenta el alambre de metal en un arco, idéntico a un proceso de soldadura normal. La manipulación del alambre y el arco puede ser impulsada para depositar capas de metal, a altas velocidades, para producir una pieza fabricada adicionalmente.

Debido a la mayor velocidad de la tecnología, los métodos DED se utilizan típicamente para fabricar componentes más grandes que posteriormente se mecanizarán para lograr el componente de forma neta. Autodesk está llevando a cabo investigaciones para comprender mejor el proceso DED y está desarrollando software para impulsar las plataformas DED. Un aspecto crítico de la fabricación aditiva es que actualmente se realizan muy pocas inspecciones «en proceso». Es necesario abordar este hecho y desarrollar sistemas para superar los problemas de la inspección AM.

«Mientras se fabrica el componente, también se fabrica simultáneamente el material. En la fabricación sustractiva, la pieza de trabajo es un bloque de material y típicamente el ingeniero esperaría conocer cualquier defecto en ese bloque», dice Rob Bowerman, de Autodesk. «La fabricación de un producto adicionalmente incurre en un entorno térmico complejo y dinámico, donde el operador no sabrá si hay defectos en el componente cuando esté terminado. Por eso se necesitan rigurosos procedimientos de inspección para las piezas AM, potencialmente más que para las piezas fabricadas por sustracción».

AM también es único en que, como a menudo no hay herramientas fijas, puedes hacer modificaciones a mitad de la carrera. «Puedes tener 10 modelos diferentes de una pieza, o incluso tener una versión personalizada de una pieza que se desprende casi siempre», dice Chuck Pfeffer de FARO. «Esos tipos de piezas tendrían un criterio de inspección especial porque cada una sería diferente, no estándar.»

Estándares para la ingeniería de precisión

Los estándares impulsan la ingeniería de precisión, pero actualmente no hay estándares universales sobre cómo deben ser inspeccionadas las piezas de aditivos. En su lugar, existen múltiples procesos de inspección para garantizar que las piezas AM son suficientes para los requisitos de seguridad de su uso final; éstos dependen mucho de la aplicación – el sector aeroespacial tiene niveles de criticidad más altos que el petróleo y el gas, por ejemplo.

Por lo tanto, la industrialización de los AM tendrá un gran efecto en la industria de las normas, desafiando a organizaciones como la ISO, el Grupo Británico de Normalización y el NPL a establecer normas adecuadas para la metrología de los AM en fábricas rápidas y flexibles

 

Hardware de metrología, medición sin contacto y portabilidad

Dos desarrollos principales en el hardware de metrología para dar servicio a la fábrica inteligente son la medición sin contacto y la portabilidad.

Soluciones de metrología de FaroLos proveedores de tecnología de metrología como FARO han desarrollado equipos para medir piezas de forma flexible, rápida y precisa en las «fábricas del futuro» que necesitan ser ágiles para hacer frente a pequeños lotes y a la personalización de volúmenes.

Las MMC portátiles (máquinas de medición de coordenadas) pueden moverse a cualquier lugar de la planta de la fábrica. Una solución de FARO acopla un escáner sin contacto con una capacidad de sonda de brazo, donde la sonda dura y la sonda de línea láser se comunican de forma intercambiable sin tener que retirar ninguno de los dos componentes. Los usuarios pueden digitalizar características simples con la sonda dura y escanear rápidamente a través de diversos materiales de superficie sin importar el contraste, la reflectividad o la complejidad de la pieza sin ningún tipo de recubrimiento especial o colocación de objetivos.

Una característica clave del nuevo hardware es la flexibilidad. Los brazos de escaneo pueden inspeccionar las características que se necesitan en base a la pieza específica que está midiendo. «Nuestro producto ScanArm podría escanear fácilmente 10 piezas diferentes de 10 maneras distintas, mientras que una MMC estándar requeriría más esfuerzo para programarla para 10 variaciones diferentes de la pieza», dice Chuck Pfeffer. La flexibilidad de estos brazos de escaneo los hace perfectamente adecuados para la medición de piezas fabricadas adicionalmente.

Los escáneres portátiles sin contacto proporcionan una medición sin contacto de alta resolución para aplicaciones de inspección de alta calidad y de automatización de fábricas.

Algunos se proporcionan como dispositivos individuales, pero pueden ser montados en un dispositivo robótico para posicionar el escáner correctamente para el usuario. La solución de FARO, por ejemplo, utiliza un ‘cobot‘ integrado en un carro móvil que puede ser movido rápidamente a donde se requieren las tareas de medición.

Una solución extremadamente flexible, dependiendo de la cantidad y la diferencia de las piezas, los escáneres portátiles pueden recoger todos los datos con un conjunto preprogramado de escaneos y aplicar diferentes análisis a través del software. O también pueden ser programados para recoger datos con programas de escaneo específicos para diferentes variaciones de una sola pieza. El objetivo es reducir los tiempos de los ciclos de inspección y eliminar los desechos y las costosas repeticiones.

Es muy adecuado para las piezas AM, que tienen una variabilidad innata en el producto, debido a su capacidad de programar rápidamente para diferentes piezas con variaciones y hacer inspecciones automatizadas. «Nuestro FARO Factory Robo-Imager Mobile puede ser programado fácil y rápidamente para una nueva pieza, lo que se adapta a la fabricación de aditivos porque puede tener una nueva pieza cada vez», dice Pfeffer.

Para el usuario final, los equipos de metrología de última generación también requieren menos comprensión de la forma en que se mide una pieza, por lo que producen un proceso altamente eficiente, repetible y fiable.

 

Hardware de metrología, velocidad y seguridad de medición

Exploración de matrices de imágenes

La exploración de matrices de imágenes coloca un grupo de escáneres sin contacto de calidad metrológica que capturan millones de mediciones de coordenadas 3D de alta resolución en segundos.

Los sensores inteligentes permiten configuraciones de conjuntos de imágenes múltiples que amplían el área de escaneo para ofrecer inspecciones rápidas, automatizadas y exhaustivas, lo que aumenta los tiempos de ciclo. El conjunto puede configurarse para medir piezas que se encuentran en una línea de producción, es decir, en la inspección de procesos para la producción en masa.

También se aplica bien a las piezas de AM múltiples, que pueden ser medidas por el conjunto en diferentes orientaciones a medida que salen de la impresora o de la máquina de AM.

Pfeffer dice: «Estas unidades de matriz pueden ser conectadas a una «base de datos en red de la Industria 4.0″ donde se puede hacer un seguimiento de las estadísticas de inspección y retroalimentarlas al sistema de producción».

De nuevo el tema es la flexibilidad y la velocidad, especialmente para los productos que tienen diferentes dimensiones.

Herramientas de medición portátiles montadas en cobots

A medida que las fábricas se vuelven más «inteligentes«, cada vez son más las que utilizan herramientas de medición portátiles y montadas en cobots. Uno de los impulsores de esto es la seguridad. Los cobots tienen incorporada una sensibilidad a los humanos que cumple con TS/ISO15066, la especificación técnica que define cuán fuerte puede ser golpeado un cuerpo. Algunos sistemas de medición están ubicados dentro de una célula robótica cerrada de alta seguridad, que reduce el rendimiento y dificulta la interacción con el producto.

«Aquí es donde la industria necesita ir para lograr el rendimiento que necesita y limitar los costes relacionados con las medidas de seguridad de la automatización, al tiempo que aumenta la flexibilidad», dice Pfeffer de FARO.

 

Estudios de caso

1. Culatas para una aplicación de deporte de motor

Autodesk ha fabricado adicionalmente culatas muy ligeras para una aplicación de deporte de motor. Fabricadas con latticado interno, las piezas pesan mucho menos de lo que hubiera sido posible con la fundición y el mecanizado convencionales.

«Al cambiar a un nuevo mercado [de productos AM], tenemos que cambiar nuestros flujos de trabajo, porque la entrega del prototipo es todo acerca de la velocidad. En la fabricación, es diferente; se trata de la calidad al menor costo posible», dice Carl Fruth, director general del socio FIT Technology Group en Alemania. Esto es un desafío con AM.

El software Autodesk Netfabb ayuda a estandarizar los datos CAD de varias fuentes del cliente y a optimizarlos para su proceso de fabricación aditiva. Lleva un diseño CAD convencional de una culata hasta la producción AM, utilizando nuevas técnicas de diseño para la fabricación aditiva, la preparación de la construcción, la simulación del proceso, la inspección y el mecanizado.

Aunque este es un proceso costoso, se obtienen propiedades físicas mucho mejores y es mucho más ligero. «AM» ha permitido a FIT producir una pieza de muy alto rendimiento que está muy cerca del producto final, y luego simplemente mecanizan la superficie terminada. La cantidad de material que se retira es diminuta, es casi como un descremado», dice Phil Hewitt de Autodesk.

2. Software de diseño estructural para pared divisoria interna

El principal avión de Airbus ha utilizado el software de «diseño autogenerado» para crear lo que se ha llamado el mayor componente estructural de la cabina de un avión impreso en 3D del mundo. Y se ha inspirado en la naturaleza para hacerlo.

Utilizando los algoritmos de diseño generativo de Autodesk, Airbus creó un nuevo muro divisorio que separa la zona principal de asientos de pasajeros de la cocina del avión y los asientos de salto de las auxiliares de vuelo. Airbus llamó a la nueva pared divisoria una «partición biónica» porque su estructura interna imita las estructuras biológicas creadas en la naturaleza.

«El diseño generativo, la fabricación aditiva y el desarrollo de nuevos materiales ya están transformando la forma de fabricación y empresas como Airbus están mostrando lo que es posible», dijo el director de tecnología de Autodesk, Jeff Kowalski. «Este no es sólo un interesante experimento hipotético – es un componente completamente funcional que podemos esperar ver desplegado en los aviones en un futuro próximo. Esperamos seguir colaborando con Airbus en nuevos componentes y diseños para los aviones actuales y futuros».

¿Cuál es la solución de software para las piezas fabricadas con aditivos?

La principal plataforma de Autodesk para el diseño y la optimización para la fabricación de aditivos es Netfabb. Está diseñada para mejorar los flujos de trabajo para que los diseñadores que cambian un dibujo CAD normal por AM puedan acelerar el proceso.

Soluciones de medición de Faro

Autodesk tiene componentes de software en todas las áreas en las que AM interactúa con la metrología, el posicionamiento y la fijación (robots y cobots), y la simulación.

La simulación, la creación de un gemelo digital para interrogar las propiedades de una pieza cuando se va a fabricar, es una parte importante de la fábrica inteligente. «Tenemos una herramienta de simulación que, a nivel de la física, da una mejor comprensión de lo que piensas que vas a crear en AM», dice Hewitt de Autodesk.

Metrología: además del software utilizado en el diseño de piezas AM, se utiliza para programar diferentes tipos de máquinas para procesos aditivos, para tomar medidas de las piezas y evaluar su idoneidad para el mecanizado AM o convencional, según proceda. «Tenemos todos esos componentes en Autodesk», dice Hewitt.

Autodesk Netfabb es un software conectado diseñado específicamente para la fabricación y el diseño aditivo. Ayuda a racionalizar los flujos de trabajo, reducir los errores de construcción y acelerar el desarrollo del producto.

 

Desafíos para la fabricación aditiva

Los principales desafíos para la AM son los mismos que para los antiguos procesos de fundición o forjado: la repetibilidad. Sintetizar un objeto tridimensional no es tan repetible como cortar material de palanquillas de metal con propiedades conocidas.

«Gran parte del interés actual está en hacer este campo más sencillo, más estandarizado», dice Hewitt. «En el nivel más fundamental, la repetibilidad de las máquinas y procesos es problemática hoy en día, por lo que mejorarla es una de las claves para hacer que la AM sea más fiable a un menor coste».

En la medición de AM, el reto es hacer componentes críticos que requieran una inspección interna. Este desafío existe para cualquier tipo de fabricación. Donde la ventaja de la AM es que algunos diseños de piezas no se pueden hacer con otro proceso. Por ejemplo, algunos de los módulos de inyección para motores a reacción sólo se pueden hacer con un proceso AM porque los componentes internos no se pueden fundir o mecanizar.

«Sólo se pueden inspeccionar ópticamente o cortándolos y probándolos. Las soluciones de CT (tomografía computarizada) tienden a ser muy costosas», dice Pfeffer de FARO. «Parte del valor de la AM es que puede hacer piezas que antes no se podían hacer, pero ahora necesitamos un método de inspección que sea tan flexible como la fabricación».

El siguiente paso en la evolución de la inspección para la fabricación de aditivos es perfeccionar un proceso de inspección flexible que pueda tratar con precisión una pieza que puede ser diferente cada vez, en una producción de mayor volumen. Esto podría ser con o sin contacto, y probablemente móvil.

Metrología de fábrica basada en la tecnología GPS

Un paso más en el verdadero territorio de la «Industria 4.0» es la metrología de fábrica basada en la tecnología GPS, en un sistema verdaderamente sin contacto.

El profesor Paul Shore es el jefe de ingeniería de la NPL y un experimentado ingeniero de precisión. La NPL está trabajando con socios de la industria en un sistema de navegación GPS que podría ser aplicado en una fábrica.

«Imaginen aplicar el principio del GPS a todo lo que hay dentro de una fábrica, con ‘satélites’ que se fijan alrededor del edificio, con capacidad de ver y reconocer. Entonces la capacidad de metrología está incrustada en el edificio», dice. «El desafío es vincular esto a todas las máquinas y sistemas de medición allí para mejorar la eficacia de la fábrica.»