Fabricación en fábricas conectadas

La metrología para las fábricas del futuro

Precisión de medición a través de los datos

La metrología es de fundamental importancia para las fábricas del futuro porque la eficiencia de las fábricas depende de la precisión de los datos. Un proceso o producto no puede ser mejorado a menos que pueda ser medido con precisión.

La metrología, la ciencia y los procesos de medición, captan datos tanto de herramientas como de componentes para permitir que los nuevos procesos de fabricación, como la fabricación aditiva y el mecanizado robotizado, se prueben y perfeccionen. Puede ayudar a procesar grandes volúmenes de datos para tomar mejores decisiones sobre los procesos de fabricación «estándar» pero que mejoran gradualmente, como el fresado y el torneado.

Se subestima el papel de la metrología en la aceleración de las fábricas inteligentes, y gran parte del diálogo de «Industria 4.0» se centra en los robots y la automatización. La medición aumenta la productividad al tiempo que reduce los desechos y los costos de fabricación gracias a un mejor control de los procesos de producción y una verificación más eficaz de los componentes y los productos finales.

Considere la «Industria 4.0» como un tópico para describir la interrupción en la forma en que se hacen las cosas, para mejorar la velocidad, la precisión, la flexibilidad y la personalización.

Ingeniería generativa y metrología en tiempo real

Los ingenieros de diseño solían diseñar, hacer, medir, descubrir errores y luego rehacer algo. Los nuevos modelos de «ingeniería generativa» permiten al diseñador describir lo que quiere hacer y el programa le indica la mejor manera de revisar el diseño, para la fabricación y el coste. La simulación y los mejores gemelos digitales permiten a un ingeniero de fabricación diseñar y probar la productividad de una nueva línea o máquina en el mundo digital antes de que se gaste un dólar en un prototipo o una nueva máquina. Esto hace que el prototipo físico sea redundante.

En metrología, la gran interrupción es la medición en proceso. Los ingenieros quieren medir y validar las piezas durante la fabricación – el corte, la soldadura, el taladrado, el moldeado y el pulido – para que sean totalmente validadas al final del proceso sin necesidad de una etapa de inspección final en una pesada y costosa máquina de medición por 

coordenadas (MMC). Algunas industrias y componentes siguen y seguirán requiriendo la prueba por lotes de las piezas en una MMC final para ser plenamente acreditadas para esa aplicación. Pero los expertos creen que esto cambiará a medida que la tecnología de metrología en tiempo real durante el proceso mejore y valide más piezas en la producción.

Adiós a la inspección en línea o al final de la línea

Otra fuerza desestabilizadora es mover la metrología fuera de la fabricación por completo, y de vuelta a la ingeniería de diseño. ¿Podría la medición robusta en CAD, combinada con la mejor tecnología de fabricación, acabar con la necesidad de inspección en línea o al final de la línea? Ingenieros e informáticos están trabajando en esto hoy en día. «Mientras todo sea trazable, podría y debería haber otra forma de hacerlo [la metrología] que tener una comprobación semiredundante al final sólo para estar 100% seguro de que una pieza es correcta, lo que puede dar lugar a un desecho», dice Chuck Pfeffer, Director de Gestión de Productos de FARO Technologies.

Este libro blanco de Autodesk y FARO investiga el papel de la metrología en la fabricación y el futuro de la fabricación y la inspección, y abarca el escaneado, la adquisición de datos, las aplicaciones del sector y la forma en que los diferentes países están desarrollando las mejores prácticas de metrología.

 

TENDENCIAS EN LA METROLOGÍA DE LAS FÁBRICAS INTELIGENTES

Integrar la medición fuera del laboratorio

Durante décadas, la inspección ha tenido lugar al final de la fabricación de una pieza, y luego otra vez en el ensamblaje final. Las fábricas inteligentes, aquellas que se mueven hacia el estado ciberfísico de la producción de la «Industria 4.0«, tienen como objetivo integrar la medición en el proceso mismo y fuera del laboratorio.

Los principales impulsores de esto son la velocidad y la evitación del desecho – a pesar de los mejores datos CAD, máquinas y herramientas, las piezas pueden fallar en la validación y son rechazadas. En las industrias aeroespacial, nuclear y de herramientas y matrices, por ejemplo, esto es inaceptablemente caro.

«Si se piensa en la Industria 3.0 como el laboratorio fijo de MMC, y en la Industria 3.8 – lo que tenemos hoy en día – como conseguir un brazo de escaneo articulado en el suelo de la fábrica, a un nivel que pase por alto la MMC del laboratorio, entonces la Industria 4.0 está totalmente integrada en la metrología del proceso», dice Chuck Pfeffer de FARO.

Sistemas de medición sin contacto y de escaneo

Una tendencia importante en la tecnología de fábrica del futuro es el aumento de los sistemas de medición sin contacto y de escaneo. La tecnología de escaneo sin contacto se divide en varios tipos. Estos incluyen:

  • Escaneo de línea láser: utiliza una línea láser a una longitud fija de una cámara, luego utiliza la triangulación para determinar cuán lejos está el láser de la fuente para medir un componente.
  • Luz estructurada: utiliza un proyector LED, normalmente de luz azul o blanca, para proyectar un patrón sobre la superficie del componente. La desviación de los patrones es entonces registrada por una o más cámaras, lo que define la geometría de la superficie del componente.
  • Tecnología óptica/imagen: esto cubre los productos que utilizan sensores de cámara para hacer mediciones sin contacto. Esta tecnología permite mejorar la precisión y la flexibilidad. Una introducción reciente fue un sistema de verificación de ensamblaje basado en una cámara que utiliza una cámara de iPad para alinear los ensamblajes con el CAD en tiempo real, lo que permite a los inspectores superponer el CAD con piezas reales en la pantalla del iPad para agilizar sus procesos de garantía de calidad.
  • Rayos X y tomografía computarizada: como una tomografía computarizada o resonancia magnética de un humano, la tomografía toma muchas imágenes derivadas de la densidad del material para construir una imagen capa por capa de la pieza. Favorecida por algunos componentes AM, es adecuada para geometrías de difícil acceso pero es lenta.

El escaneo sin contacto ofrece una velocidad y flexibilidad que una sonda de contacto no puede igualar para tolerancias específicas por encima de 30 micrones. El escaneo de línea láser y la luz estructurada se han vuelto más precisos y confiables para los fabricantes. Hoy en día hay ciertos casos en ciertas aplicaciones en las que ya no es necesario sentenciar (o aprobar la calidad para un cliente) con un sistema de contacto CMM, especialmente con la tecnología de escaneo de luz estructurada, donde no hay necesidad de una «inspección del primer artículo». Las empresas aeroespaciales, por ejemplo, están sentenciando hoy en día las piezas para el vuelo utilizando únicamente el escaneo de luz estructurada.

 

TENDENCIAS EN LA METROLOGÍA DE LAS FÁBRICAS INTELIGENTES II

Control de procesos de fabricación en tiempo real

La nueva tecnología de metrología también forma parte de la tendencia al control de procesos en tiempo real en las operaciones de mecanizado.

Mientras que antes la fijación de los avances y los valores de velocidad de las máquinas herramienta solía ser fijada por el operador, ahora las máquinas herramienta inteligentes pueden analizar y retroalimentar con datos al frontal de un CNC de mecanizado, sobre la resistencia al corte de la herramienta y, por tanto, la densidad y la dureza del material. La máquina puede realizar una acción correctiva, que puede prolongar la vida de la herramienta, u optimizar el rendimiento de corte sugiriendo una herramienta diferente, ahorrando dinero a la empresa en la selección de una mejor herramienta y en la prolongación de la vida de la misma.

En la fabricación aditiva (AM), la medición puede ver las distorsiones y la retroalimentación a la máquina AM. «Entonces se pueden ajustar algunos de los parámetros del proceso AM para eliminarlos, como la tasa de deposición, la fuerza de la fuente de energía a aplicar, más estructuras de soporte o el cambio de las inserciones de la herramienta», dice Chris Steadman de Autodesk, director del equipo de especialistas en productos de metrología. «Se trata tanto de reducir el tiempo como de mejorar la precisión a través de la retroalimentación en tiempo real«.

Intercambio de información en la cadena de suministro

Colaboración e intercambio la información está cada vez más en el corazón de la industria inteligente. El nuevo software ahora permite a los clientes compartir sus informes de medición. Donde hay un área de incertidumbre pueden compartir los resultados con el cliente o con el socio de primer nivel, que puede decidir sobre una pieza que puede necesitar ser reelaborada o ser aceptada tal cual.

«El proveedor podría estar desechando piezas innecesariamente, o la pieza puede estar en el borde de la tolerancia, donde el cliente puede comprobar y puede decidir dejarla pasar», dice Stedman en Autodesk.

Muchas de estas piezas de muy alto valor pueden vincularse también a la eficiencia general del avión o del activo. Así, el cliente final, como el cliente de la aerolínea, también puede ser consultado sobre la validación, si una pieza crítica y costosa es «buena» pero la eficiencia operativa puede verse afectada.

 

APLICACIONES DE LA FÁBRICA DE METROLOGÍA INTELIGENTE

Personalización masiva en las fábricas del futuro

Hoy en día, cada vez más empresas se ven presionadas para fabricar una mayor variedad de productos – ya sea impulsadas por la competencia o para ofrecer una personalización masiva – por lo que las fábricas del futuro deben responder o «flexibilizar» rápidamente a las demandas cambiantes.

La empresa aeroespacial Meggitt plc, por ejemplo, fabrica algunos componentes en volúmenes de varios miles, mientras que otros son componentes únicos para aviones descontinuados en la década de 1970. Meggitt no es la única en este sentido.

Para dar servicio a esta flexibilidad, la moderna metrología de fábrica proporciona una gran variedad de herramientas y técnicas, entre ellas:

  • Inspección basada en CAD
  • Análisis dimensional
  • Inspección sin contacto
  • Inspección del primer artículo
  • Inspección automatizada en línea.

Dentro de este conjunto, la principal tecnología de fábrica inteligente es el escaneo, con el escaneo láser favorecido por más empresas que los sistemas ópticos hasta la fecha.

Metrología inteligente para aplicaciones flexibles

Los fabricantes que utilizan la metrología inteligente dentro de sus instalaciones tienen una gama de aplicaciones flexibles, con una precisión mejorada:

  • Inspección CAD: las MMC portátiles de FARO simplifican la implementación del dimensionamiento y el tolerado geométrico y proporcionan soluciones eficientes y fáciles de usar para las inspecciones 3D basadas en CAD y las comparaciones nominales.
  • Análisis dimensional: las piezas mecanizadas y los ensamblajes vienen en un rango diverso de formas y tamaños. Se necesitan herramientas de metrología 3D flexibles y precisas para la inspección de piezas y el análisis dimensional para verificar su precisión y calidad.
  • Inspección sin contacto: las superficies complejas y de forma libre pueden ser capturadas como una nube de puntos 3D densa y detallada, lo que permite a los usuarios realizar inspecciones 3D sin contacto con facilidad.
  • Inspección del primer artículo: asegura la verificación detallada de una pieza o conjunto producido en comparación con el diseño original antes de que comience la producción completa.
  • Automatizado en línea: aumentar la productividad y reducir los costos mediante la automatización de los flujos de trabajo de medición en 3D. Traslada el proceso de inspección del laboratorio de calidad al taller.

 

ESTÁNDARES DE MEDICIÓN INTERNACIONALES

Medición de nuevas tecnologías de fabricación

La industria mundial de la medición está trabajando arduamente para identificar, definir y encontrar consenso para nuevas normas internacionales de medición de nuevas tecnologías de fabricación.

 

«Los estándares de medición internacionales son críticos para que la manufactura logre realmente su objetivo de Industria 4.0«, dice Chuck Pfeffer de FARO Technologies.

«Estos estándares se utilizan como una ‘Piedra de Rosetta’ de facto entre los grandes fabricantes de equipos originales y sus proveedores, lo que a su vez normaliza todos los conjuntos de datos y permite el análisis de datos para tomar decisiones de producción más inteligentes, beneficiando a la industria manufacturera mundial con una mayor eficiencia y productividad«.

La ISO 10360 es el conjunto de normas para la medición de CMM. Un importante estándar para la metrología inteligente que se aprobó en octubre de 2016 es la ISO 10360-12:2016 que especifica las pruebas de aceptación para verificar el rendimiento de una MMC de brazo articulado mediante la medición de longitudes de prueba calibradas según lo establecido por el fabricante.

También especifica las pruebas de revalidación que permiten al usuario volver a verificar periódicamente el rendimiento de la MMC de brazo articulado.

Los expertos creen que es probable que las normas de metrología sin contacto de la fábrica sean desarrolladas por grandes fabricantes de equipos originales dentro de los sectores, dictando sus propias mejores prácticas a su cadena de suministro, en lugar de un conjunto universal de normas en todos los sectores y empresas. Sin embargo, varios organismos internacionales de metrología y normas están trabajando para acreditarlas al más alto nivel, de forma que los proveedores puedan fabricar de forma aceptable para el más amplio grupo de clientes.

 

METROLOGÍA DE ESCANEO EN LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ

Escáneres de rayos láser en la automoción

Las formas de metrología de escaneo se han utilizado durante varios años en la industria automotriz, donde se utiliza para medir diversos componentes, incluida la inspección de la carrocería en blanco. Se está utilizando cada vez más en el montaje, por ejemplo, en la medición de «gap and flush» y en las mediciones de juntas.

«Los escáneres de rayo láser se están utilizando ahora en la automoción – siempre supimos que la industria aeroespacial era una aplicación, pero ahora están en la automoción porque los fabricantes de equipos originales quieren escanear todo el vehículo en lugar de muchos componentes para obtener velocidad», dice Pete Edmonds, Vicepresidente de Metrología Global de Fábrica de FARO.

El reto en los años 90 y 2000 cuando se introdujo el escaneo fue que a menudo los ingenieros de producción creían que «si no lo tocas, no cuenta», lo cual ha necesitado un ajuste cultural. Esto está sucediendo, dice Liam Bradley-Smith, Ingeniero Superior de Investigación, Metrología en el Centro de Tecnología de Fabricación (MTC) en Coventry, Reino Unido. «Hoy vemos que el escaneo se está adoptando en nuevas áreas donde hay una gran demanda de tiempo de ciclo rápido y la calidad de los datos es lo suficientemente alta con ciertos sistemas».

Escaneo sin contacto para empresas de automoción

Las empresas de automoción que se sabe que utilizan el escaneo sin contacto incluyen BMW, Mercedes – específicamente en la furgoneta Sprinter – y Red Bull Racing. BMW usa tecnología de luz estructurada para medir las partes de la carrocería. Jaguar Land Rover en el Reino Unido está investigando una mejor metrología de fábrica con un Centro de Metrología de Tren Motriz de Excelencia. Jeremy Stern es un ingeniero de precisión y Gerente Senior de Servicios de Calidad del Tren Motriz en Jaguar Land Rover. Adopta un nuevo enfoque de la metrología.

«Deberíamos sacar la medición de la fabricación y volver al diseño de los productos«, dice Stern. «Se toman las medidas en el punto de diseño y se desarrollan para comprender mejor cómo funcionan estos componentes y sistemas, de modo que no se necesiten costosos y posiblemente ridículos niveles de control de procesos y todas las medidas que conlleva».

Si decimos que la medición en la fabricación es nuestro árbitro del éxito, y con esa medición viene la incertidumbre y los diferentes tamaños de muestra, estamos arriesgando nuestra suerte. Debería ser mejor que esto», dice Stern, que admite que es fácil de decir pero muy difícil de hacer.

Jaguar Land Rover ha iniciado un proyecto de diseño para la metrología que incorpora los requisitos de la metrología en la ingeniería y el diseño. En toda la industria, Stern cree que hay muy poca información relacionada con la metrología en un dibujo de ingeniería. «Necesitamos incorporar este conocimiento en el dibujo para que haya una única forma correcta de diseñar, y usar ese conocimiento para caracterizar el producto». Por ejemplo, las piezas deben medirse antes de que se sometan a prueba y cuando regresen, para que los ingenieros entiendan cómo se relacionan estas dimensiones con el rendimiento funcional de los productos. Un fabricante puede entonces decidir si las mediciones deben ser «controladas» o si no es necesario.

Stern y un equipo de investigadores universitarios han formado un grupo para investigar este enfoque. Están trabajando en el desarrollo de un marco analítico de datos para conectar la información – los datos de las pruebas de desarrollo, la medición de ingeniería, los datos del proceso de fabricación, los datos de campo – de manera que se pueda utilizar para dar una mayor comprensión del rendimiento del producto a lo largo de todo el ciclo de vida del producto.

 

METROLOGÍA EN EL SECTOR AEROESPACIAL

Modelos CAD para aumnetar la metrología

La forma en que las piezas están siendo sentenciadas, o validadas, en el sector aeroespacial está cambiando y el CAD está jugando un gran papel.

Un procedimiento estándar típico solía ser tomar un dibujo 2D, un operador lee ese valor, y extrae la información en un formato 2D, no digital. Lo que es común hoy en día es un mapa de color o de «calor», que proporciona propiedades físicas en un modelo 3D que muestra si los datos de la pieza son positivos o negativos en comparación con el modelo CAD. Esto proporciona mucha más información sobre la variación o la forma de la superficie en comparación con la antigua información 2D. «Ahora hay una mayor confianza en los datos CAD de mejor calidad», dice Liam Bradley-Smith, en el MTC, Reino Unido. «Lo que se está volviendo popular ahora es incrustar más información en el modelo CAD para aumentar la metrología

Rolls-Royce y otros contratistas principales se enfrentan al reto de estandarizar la forma en que sus proveedores inspeccionan. Estas empresas quieren eliminar la ambigüedad en un dibujo y poner los datos en un modelo prescriptivo que no permita ninguna interpretación. Puede haber una gran variación en la forma en que los proveedores utilizan una MMC, en cuántos puntos se deben utilizar, los ángulos y la velocidad de selección, el proveedor de la MMC y la edad. Rolls-Royce ha publicado que gasta 12 millones de libras esterlinas al año sólo para validar los programas de MMC, no para crearlos, sino para asegurarse de que su cadena de suministro aplique el programa correctamente.

La comunidad mundial de metrología está trabajando en normas y métodos para eliminar esta variación.

Escaneo de aviones a través de la inspección con drones

Una de las aplicaciones de la nueva tecnología es la inspección de aviones no tripulados. Empresas como Airbus y las aerolíneas KLM y Easyjet están utilizando drones para escanear los aviones en busca de daños, inspección previa al vuelo o inspección de mantenimiento. La precisión no es a nivel de micrones o submicrones, pero puede proporcionar datos útiles. «Los aviones teledirigidos terrestres y aéreos han sido considerados por algunos clientes para el escaneo en la construcción y podemos escanear dinámicamente en un carril para mejorar la estabilidad, pero actualmente no es un escaneo de alta precisión», dice Pfeffer en FARO.

 

LA METROLOGÍA COMO IMPULSORA DE LA INDUSTRIA 4.0

De la metrología inteligente a las fábricas conectadas

Los profesionales de la metrología dicen que la evolución de la Industria 4.0 depende completamente de una metrología efectiva. «No se puede llegar a la Industria 4.0 sin datos y eso se impulsa desde la metrología«, dice Pfeffer en FARO.

Los dispositivos de metrología inteligente están empezando a atraer nuevas características como la realidad aumentada (AR). «Tenemos soluciones que utilizan la RA para proporcionar conjuntos adicionales de información para ver las cosas de forma diferente y añadir más significado», dice Pfeffer. «Cada una de nuestras soluciones se trata de proporcionar datos que son accionables y que permiten impulsar el cambio hacia fábricas conectadas como un enfoque». Habiendo liberado la Inspección Visual y la Inspección Visual para AR en 2016, Faro teniendo el alcance y la exposición para eso y avanzará eso, incrementará el uso de este AR en el proceso de verificación del ensamblaje. Permite una verificación completa y exhaustiva de los ensamblajes en tiempo real con un iPad.

Un gran campo es la mejora de la metrología para el aditivo. «Uno de los problemas de la medición de AM es que la forma de cada pieza varía, por lo que nunca se obtiene exactamente la misma pieza dos veces», dice Chris Stedman de Autodesk. Si quieres hacer el mecanizado final necesitas saber cuál es la verdadera forma de la pieza. Utilizamos una tecnología llamada fijación de software adaptable para optimizar la configuración de la pieza y asegurarnos de que podemos crear la pieza final antes de que se produzca cualquier mecanizado». Esta es una característica de Autodesk PowerInspect.

En enero, Autodesk abrirá su nueva planta de fabricación avanzada en Birmingham. Completamente renovada y ampliada, la instalación cuenta con centros de mecanizado de 5 ejes, máquinas híbridas y soluciones de metrología avanzada para integrar mejor la metrología con la fabricación aditiva y sustractiva. Hay varios centros de la Catapulta de Fabricación de Alto Valor en Gran Bretaña que realizan trabajos de metrología avanzada en el nivel medio de preparación tecnológica y un Centro de Metrología del Futuro, con sede en la Universidad de Huddersfield, inaugurado en septiembre.

El PBT de Alemania participa en muchas actividades paneuropeas de metrología avanzada, incluida la investigación en metrología simulada. El Laboratorio Físico Nacional del Reino Unido, el NIST y la Sociedad de Metrología Coordinada de los Estados Unidos, así como el PBT, están tratando de establecer nuevas normas para la metrología sin contacto y métodos más fiables para la medición de piezas de AM.