Misure a contatto e senza contatto nel collaudo dei getti metallici

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1 Tiro alla fune Luca Iuliano Misure a contatto e senza contatto nel collaudo dei getti metallici Questa volta Fonderia Pressofusione mette a confronto due visioni differenti di uno stesso problema nel collaudo dei getti metallici, tra le misure a contatto e quelle senza contatto: ecco che cosa è emerso dal dibattito 32 settembre 2008 I l 30 maggio scorso si è svolto presso la sede milanese della casa editrice Tecniche Nuove il Tiro alla fune tra misure a contatto e misure senza contatto nel collaudo dei getti metallici, con l obiettivo di mettere a confronto, grazie al parere di due esperti dell una e dell altra tecnologia, visioni differenti di uno stesso problema. L evento organizzato dalla redazione della rivista Fonderia Pressofusione ha visto la partecipazione di Francesco Steno, di Hexagon Metrology S.p.A., per la misura a contatto. Quelle della misura senza contatto sono state assunte da Massimo Caccia di Microsystem S.r.l., l incontro è stato moderato dal prof. Luca Iuliano del Politecnico di Torino. Analizzando dunque i vantaggi e gli svantaggi dei due modi di collaudare un getto metallico, sono stati illustrati nuovi elementi di

2 valutazione per gli imprenditori in grado di variare le proprie consuetudini di lavoro pur di dare una svolta positiva alla produttività aziendale. Nell introduzione al tiro alla fune abbiamo ricordato come il continuo miglioramento delle tecniche di fonderia, in particolar modo la microfusione e la pressofusione, abbia portato alla possibilità di ottenere tolleranze dimensionali e di forma non lontane da quelle conseguibili con i processi ad asportazione di truciolo. Iniziano pertanto ad assumere un importanza crescente le tecniche di collaudo dei getti per verificare sia le dimensioni che risultano finite dal processo fusorio che i valori dei sovrametalli per quelle quote che dovranno subire lavorazioni successive. Il collaudo con sistemi a contatto, le classiche macchine di misura a coordinate e i bracci articolati, è sicuramente il più diffuso e consolidato sul mercato e offre il vantaggio delle elevate precisioni dei sistemi. D altro canto le tecniche di ispezione tramite sistemi di scansione senza contatto, hanno iniziato a diffondersi viste le crescite delle loro prestazioni in termini di precisione e velocità di acquisizione. È quindi di fondamentale importanza che i responsabili del collaudo di accettazione abbiano la possibilità di porsi il dubbio se un determinato componente, possa essere collaudato mediante sistemi a contatto o senza contatto. Il confronto diretto tra le opinioni dei due attori del mercato, che emerge a seguito di una serie di domande mirate poste dal moderatore, permetterà ai lettori di capire vantaggi e limiti delle soluzioni a contatto e senza contatto ricordando che non esiste un sistema di collaudo in grado di risolvere tutti i problemi ma sul mercato vi sono soluzioni specifiche che devono essere conosciute per individuare quella più corretta per l applicazione del cliente. Il Tiro alla fune entra nel vivo La prima domanda posta dal moderatore per avviare il dibattito è stata: Il problema della misura coinvolge numerosi aspetti sia progettuali, produttivi e logistici; potete evidenziare vantaggi e limiti del collaudo con e senza contatto? Steno Hexagon Metrology propone sul mercato entrambe le soluzioni con e senza contatto che spesso vengono offerte come complementari. L approccio aziendale è quello di analizzare il problema tecnico del cliente andando a identificare la migliore soluzione possibile per il caso specifico. Considerando anche un po la genericità della domanda, è necessario individuare le dimensioni dell oggetto da misurare e le tolleranze richieste dal cliente per riuscire a individuare la miglior configurazione della Francesco Steno (Hexagon Metrology). soluzione tecnica. Da un punto di vista degli svantaggi e dei vantaggi, c è una strettissima correlazione con questi aspetti: dimensione del pezzo, condizione della misura e tolleranze richieste dal disegno delle specifiche del cliente. Per oggetti particolarmente grandi o difficilmente trasportabili dall area di produzione all area metrologica, esistono soluzioni portatili in grado di offrire sia la soluzione di misura a contatto, sia la soluzione di misura senza contatto in alternativa l una all altra: quindi una soluzione ibrida. Nel caso di oggetti trasportabili nell ambito di un area metrologica, anche in questo caso esiste la possibilità di usare sistemi di misura con entrambe le tipologie di tecnologia. In sintesi, occorre analizzare caso per caso al fine di individuare la soluzione più idonea. settembre

3 Tiro alla fune Caccia Microsystem ha iniziato a occuparsi del mondo, definito della duplicazione digitale, negli anni Novanta. L approccio considerato interessante, se non addirittura rivoluzionario, nella misura non a contatto è proprio quello di partire da un principio un po anomalo in metrologia che è quello di ricreare un modello digitale dell elemento da analizzare e a seguito di questa operazione andare a eseguire le operazioni richieste di analisi e di misura. Questa filosofia è partita 10 anni orsono ed è stata applicata inizialmente al mondo del reverse engineering, che da sempre richiede la trasformazione degli oggetti fisici in virtuali. All inizio del nuovo millennio, grazie a una serie di innovazioni sulla qualità dei sensori senza contatto, è stato quindi possibile applicarla al mondo della misura. La misura senza contatto negli aspetti progettuali e logistici dà un grosso aiuto: il progettista infatti, grazie all analisi del modello digitale, ha informazioni complete che gli consentono un intervento molto più ampio e consapevole. Trattandosi inoltre di attrezzature trasportabili, non è necessario spostare i getti dalla zona di produzione. In ambito produttivo, non sono personalmente ancora giunto a una conclusione che possa definire una tecnologia vincente rispetto all altra. La domanda successiva è entrata nel merito della prassi industriale: Qual è il motivo per il quale è Massimo Caccia (Microsystem). prassi industriale utilizzare, anche in presenza di tolleranze ampie come nel caso dei grezzi di fusione, comunque le macchine di misura a coordinate come strumento di collaudo? Steno È innanzitutto necessario considerare quanto ampio sia diventato oggi il repertorio degli strumenti che possono misurare in tre dimensioni con e senza contatto. Si continua a stare nella promiscuità della possibilità di trasportare la macchina verso il pezzo da misurare, così come la possibilità di utilizzare la doppia tecnologia a contatto e senza contatto. In presenza di tolleranze particolarmente ampie o di oggetti difficilmente trasportabili, si esprime il concetto del braccio di misura articolato che proprio per la sua natura portatile ha livelli di precisione e di accuratezza minori di quelle che sono le classiche macchine di misura a coordinate. Anche in questo caso, occorre entrare nel merito di quelle che sono le specifiche esigenze del cliente per la quantità d informazioni che si vogliono rilevare. È evidente che con un sistema di misura senza contatto è possibile raccogliere una grossa quantità d informazioni, ma è altrettanto vero che le competenze che bisogna mettere in gioco sono di natura diverse da quelle che si utilizzano per la semplice misura a contatto. Se il cliente è illuminato, è in grado di ricevere tutta una serie d informazioni aggiuntive che possono essere impiegate come feedback con la progettazione. Ma è altrettanto vero che la raccolta di questi dati e la successiva gestione richiedono competenze, passaggi e tempo diversi da quello che è il semplice rilievo di un punto con la misurazione a contatto. Le condizioni di installazione dei sistemi di misura sono poi state oggetto della terza domanda: Ogni sistema di collaudo necessita di adeguate condizioni di installazione e ambientali, queste sono maggiormente vincolanti per i sistemi a contatto o senza contatto? Caccia Per quanto riguarda le macchine di misura a coordinate, il vincolo maggiore è dato dall esigenza di trasportare l elemento da misurare nella sala metrologica. Le tecniche senza contatto commercializzate da Microsystem, sono basate sui sistemi ottici Atos di produzione tedesca GOM e questi risentono 34 settembre 2008

4 delle condizioni ambientali nella misura in cui sono capaci a reagire correttamente alla luce e alle vibrazioni dell ambiente. Quello che è stato implementato è una serie di strumenti di diagnostica che consentono di valutare, durante la fase di collaudo, se la misurazione effettuata è corretta. In definitiva, l ambiente influenza la misurazione non a contatto nel momento in cui si considera la misura ottica, sia per condizione della luce, sia per la presenza di eventuali vibrazioni. I sistemi che trattiamo hanno superato questa criticità, utilizzando una serie di algoritmi in grado di minimizzare gli effetti di questi due fattori e qualora si presentino criticità viene avvisato l operatore. Steno È possibile dividere il mondo della misura in macchine di misura tradizionali fisse e macchine di misura portatili (i bracci articolati): per entrambe le soluzioni è possibile applicare tecnologie di misura a contatto e tecnologia di misura senza contatto. Queste quattro possibilità combinate danno la soluzione a qualunque tipo di problema. È ovvio che una macchina di misura stazionaria richiede un luogo d installazione, ma sono macchine che possono lavorare in condizioni ambientali difficili. Consente inoltre l esecuzione di un part program, garantendo la possibilità di misurare con lo stesso percorso di misura, una grande quantità di pezzi generando anche al storia del processo. Si tratta dunque di un mondo variopinto, nel quale è importantissimo capire quelle che sono le necessità delle applicazioni e le necessità del cliente. Le dimensioni sono il tema della quarta domanda: Nel collaudo dei getti di grande dimensione quale soluzione di misura adottereste per ottenere un buon compromesso tra tempi e costi? Caccia Non ho dubbi su quale misura adottare e quindi più che fornire una risposta cerco di argomentarla. Nella fase di sviluppo prodotto, i sistemi ottici senza contatto hanno un rapporto di tempi e costi veramente molto elevato a favore della creazione del modello digitale: esiste dunque un divario oggettivo rispetto al collaudo a contatto. Quando viceversa si parla di un controllo in produzione, con un numero limitato di punti, la tecnologia a contatto rappresenta a oggi la soluzione più pratica. Diverso è il caso relativo all analisi a campione del processo, dove nuovamente il modello digitale consente non soltanto di avere di per sé più informazioni, ma anche di capire e anticipare problemi che si possono verificare. Quindi credo che sia importante sottolineare per questa domanda l ambito applicativo. I sistemi ottici possono inoltre essere montati su robot ed essere utilizzati per collaudi in process, ciò nonostante non reputo che questo rappresenti il miglior compromesso tra tempi e costi. Steno Condivido sostanzialmente la risposta di Caccia e aggiungo un aspetto. Considerando getti di grandi dimensioni, la migliore soluzione adottabile che risolve entrambe le problematiche della misura con e senza contatto è quella di un braccio articolato equipaggiato con entrambe le tecnologie. Questo consente all utilizzatore di avere fondamentalmente due soluzioni sintetizzate in una, perché il cambio della testa di misura è semplice, rapido e permette di assolvere entrambe le funzionalità legato allo sviluppo prodotto e al collaudo in produzione. La soluzione del sistema di misura senza contatto montato su un robot antropomorfo esprime comunque la necessità di un installazione costosa. L interazione tra hardware e software del sistema di collaudo è stato il tema della domanda seguente: Un sistema di misura è tipicamente composto da una parte hardware e da un applicativo di gestione in grado di interfacciarsi con il modello CAD 3D del componente, quale tra la soluzione a contatto e senza contatto è in grado di fornire, in tempi compatibili con le attività produttive, il maggior numero di informazioni e perché? Caccia La misura senza contatto permette la generazione di un modello digitale, di conseguenza il progettista può confrontarlo direttamente con il modello settembre

5 Tiro alla fune matematico realizzato al CAD 3D e questo aspetto l avvantaggia rispetto al collaudo senza contatto. Tutto ciò non va a discapito di analisi puntuali, che possono comunque essere estrapolate dal modello digitale stesso tramite ad esempio l esecuzione di sezioni, l individuazione di angoli... In ambito produttivo, viceversa, il numero di punti da controllare non è mai molto elevato e quindi non ci sono buoni motivi per andare a creare un modello digitale laddove non è necessario. Steno Ribadisco il concetto della professionalità, che dev essere messa in campo per utilizzare un sistema di collaudo senza contatto e richiede una particolare educazione del cliente. Da esperienze effettuate su soluzioni ibride di misura con e senza contatto, il cliente richiede una particolare predisposizione e una particolare educazione. Spesso risulta difficile, in presenza di troppe informazioni, capire quelle che realmente possono essere di aiuto rispetto a quelle che invece non sono utili per la risoluzione del problema. Ribadisco che la soluzione ibrida con uno strumento di misura in grado di supportare entrambe le tecnologie è la soluzione migliore, anche da un punto di vista delle condizioni ambientali e la possibilità di effettuare rilievi su pezzi che possono avere particolari problemi di riflessione della luce o necessità di opacizzare. Caccia Sulla professionalità necessaria a utilizzare il sistema di misura senza contatto ho un parere opposto a Steno, per due ragioni. La prima è che anche in presenza di operatori con limitata professionalità, questi in tempi molto rapidi hanno appreso la capacità di generare il modello digitale. La seconda è legata al fatto che l analisi del modello digitale è praticamente automatica: l operatore guidato dal CAD 3D, esegue banalmente i controlli che il progettista ha chiesto. Il CAD identifica quali sono i punti da controllare e l operatore non fa altro che lanciare il foglio di collaudo adatto a quell elemento, tale operazione non necessità di elevate professionalità. Il livello di professionalità va elevato unicamente nel caso dell analisi del modello digitale durante la fase di sviluppo prodotto, per individuare le possibili criticità del processo produttivo e per guidare alla messa a punto delle attrezzature di produzione. Queste tuttavia non sono operazioni effettuate in sala metrologia, ma coinvolgono i progettisti e non gli addetti al collaudo. Steno Aggiungo un ulteriore aspetto alla discussione: la possibilità di sfruttare i vantaggi delle tecnica ibrida dove sullo stesso sistema di misura sono presenti le tecnologie con e senza contatto. In questo caso si ha la possibilità di disporre di un allineamento garantito con una misura a contatto. Successivamente, senza modificare l apparecchiatura, la nuvola di punti viene acquisita intorno al paletto certo dell allineamento fatto in modo tradizionale. La misura ottica richiede inoltre il posizionamento dei marker che permettono l allineamento delle varie scansioni e per questa attività la professionalità dev essere adeguata ed è necessario del tempo. Caccia Ribadisco che la misura senza contatto è attuabile sfruttando diversi principi fisici che hanno prestazioni e tempi di approntamento molto diversi tra di loro. Per la tecnologia ottica topometrica proposta da Microsystem, i marker vengono usati unicamente dove vi siano esigenze spinte per il montaggio delle nuvole di punti, la loro applicazione non richiede particolare esperienza e professionalità e non hanno la funzione di permettere l allineamento tra la nuvola di punti che costituisce il modello digitale e il corrispettivo CAD 3D. 36 settembre 2008

6 A questo punto si è sollevato il problema delle operazioni preliminari al collaudo: La preparazione del componente da collaudare è una fase che assorbe tempo e incrementa i costi di collaudo, come si pongono i sistemi di misura con e senza contatto rispetto a questa esigenza? Caccia Per i sistemi a contatto non sono necessarie particolari operazioni preliminari sul componente da collaudare, a parte la sua installazione e riferimento nel volume di lavoro della macchina di misura. Nell ambito della misura in assenza di contatto dei getti metallici, la preparazione consiste unicamente nell apporre i marker e non sono necessarie opacizzazioni. Nel caso di collaudi in produzione, dove il sensore è installato su di un robot articolato, i marker non vengono applicati sul pezzo bensì nella zona di misura. In entrambi i casi, i tempi di preparazione sono estremamente bassi. Steno Nel caso di collaudi con un braccio articolato equipaggiato con entrambe le tecnologie con e senza contatto, il tempo di preparazione è praticamente nullo. Si tratta esclusivamente di individuare quali sono le modalità di allineamento, tipicamente descritte nel piano di controllo, e di capire quali sono poi i punti da misurare. Il vantaggio oggettivo non sta nella preparazione ma nell esecuzione della misura dal momento, che il braccio può misurare il pezzo anche in parti interne non a vista. Trovo oggettivamente più complesso il collaudo con un sistema senza contatto installato su di un robot articolato che funge unicamente da posizionatore e che necessita comunque di più riprese. Caccia Sottolineo che l utilizzo del braccio articolato con tecnologia ibrida introduce un vantaggio e un limite. Il vantaggio è in termini di accessibilità, il limite è legato al fatto che il sistema senza contatto è affetto anche dell errore del braccio. Il robot articolato, viceversa, è un mero posizionatore che non interferisce con il rilievo dei punto del sistema ottico senza contatto. Risulta inoltre possibile acquisire in meno di 2 secondi un area di 1 metro quadrato e questo per le fonderie che operano su getti di dimensioni rilevanti è un vantaggio non trascurabile. Steno Ribadisco che le prestazioni in termini di accuratezza dei bracci articolati sono del tutto compatibili con le tolleranze dei getti ottenuti con i processi fusori e quindi sono in grado di soddisfare l applicazione specifica. Il problema del deficit in termini di accuratezza sollevato da Caccia è dunque ininfluente e li rende perfettamente applicabili. La domanda successiva verte sull allineamento dei dati e precisamente: La procedura di allineamento tra il modello CAD 3D e il componente fisico rappresenta una fase critica del processo di misura, quale sono le soluzione che vengono adottate nei sistemi di collaudo con e senza contatto? Steno Non ritengo che vi siano particolari differenze tra le due strategie di misura, purché sia garantita la bontà del rilievo. Per quanto riguarda invece le procedure di elaborazione successive all allineamento, queste tipicamente sono gestite da applicativi software dedicate e offrono prestazioni eccellenti con entrambe le tipologie di sistemi con e senza contatto. Caccia Mi preme sottolineare come questa domanda consente di toccare uno dei punti che ritengo rivoluzionari nell approccio del modello digitale, quindi della misura non a contatto rispetto alla misura tradizionale. Si ha infatti la possibilità di realizzare il modello settembre

7 Tiro alla fune digitale in maniera indipendente da quello che sarà il suo riferimento da utilizzare per il confronto con il CAD 3D. I vantaggi sono particolarmente significativi, dal momento che sempre più spesso i singoli elementi vengono analizzati in un assieme. L elemento singolo non è quindi fine a se stesso, ma dev essere assemblato virtualmente con altri elementi. Il modello digitale dunque rappresenta la soluzione ideale per poter riferire con libertà l elemento non soltanto rispetto al riferimento progetto (che è il vincolo del piano di controllo), ma di poter fare poi le analisi in funzione del montaggio e degli accoppiamenti con la massima libertà. Microsystem propone il software Geomagic per le elaborazioni sul modello digitale, inoltre la differenza tra la misura senza contatto da quella a contatto viene dalla disponibilità del modello digitale, che assicura maggior flessibilità prima nell allineamento e poi nella misura. Probabilmente non sono ancora state utilizzate tutte le potenzialità al di fuori della semplice metrologia, soprattutto quelle legate alla fase progettuale di verifica prodotto. Steno Sempre nell ambito dell allineamento, ricordo che Hexagon Metrology ha differenziato le piattaforme software in funzione del tipo di sistema di misura che viene utilizzato. Per le macchine di misura è ad esempio disponibile un applicativo specifico per il collaudo delle carrozzerie, mentre per i bracci articolati viene fornito un software meno sofisticato laddove le precisioni in gioco siano inferiori. Caccia Ricordo che il sistema di collaudo Atos dispone di un applicativo software integrato, destinato alla misura con una serie di applicazioni che valorizzano la possibilità di accedere in maniera diretta ai dati del modello digitale. L ottava domanda è stata posta nell ambito della complementarietà dei sistemi: Reputate che i sistemi di misura con e senza contatto siano completamente alternativi tra di loro o possano essere considerati in alcuni ambiti complementari? Caccia La risposta è pienamente affermativa: i due sistemi sono infatti complementari. GOM, partner di Miscosystem, che produce sistemi di misura ottici senza contatto per la creazione dei modelli digitale, ha sviluppato nell ultimo anno un tastatore da integrare nel sistema ottico e gestito dalla telecamera. La risposta deve tuttavia essere più ampia: in una sala metrologica credo che debbano essere presenti sia le macchine di misura tradizionali e i bracci di misura articolati che i sistemi senza contatto. Steno Concordo sulla complementarietà tra i sistemi, ricordando le esperienze comuni nelle sale metrologiche di un famoso costruttore auto italiano, dove si vedono da tempo i vari sistemi convivere con saggezza e sapienza. La domanda successiva è relativa alla scelta del sistema di collaudo: Attualmente, le aziende sono più abituate a impiegare sistemi di collaudo a contatto rispetto a quelli senza contatto, non si corre il rischio, in alcuni casi come la plastica, la lamiera e i getti, di utilizzare un sistema troppo performante per le effettive tolleranze richieste? Steno Attualmente si è in presenza di una piccola rivoluzione nel mondo della misura e della metrologia. Nel caso dei getti, in effetti è vero che la macchina di misura esprime accuratezze e precisioni superiori a quelle che spesso sono le necessità del cliente. Ribadisco ancora come l utilizzo di un braccio antropomorfo possa soddisfare le specifiche del collaudo dei getti, assicurando due importanti vantaggi: poter collaudare il getto nell area di produzione e installare una testa di scansione senza contatto. 38 settembre 2008

8 Caccia Le motivazione all attuale stato di fatto è sostanzialmente di tipo storico. La presenza delle macchine di misura nel collaudo dei getti è legata al fatto che sino ad alcuni anni fa era l unica soluzione possibile. Un aspetto da ribadire è che l obiettivo innovativo della misura senza contatto è la generazione del modello digitale del componente fisico, obiettivo non attuabile (per motivi di tempo) dalla misura a contatto. Occorre comunque procedere con cautela, dal momento che non tutte le soluzioni disponibili sul mercato per la scansione senza contatto sono in grado di arrivare a un modello digitale affidabile. L ultima domanda richiede ai partecipanti una previsione per il futuro: Con un orizzonte temporale di 5 anni come prevedete l evoluzione della misura, i sistemi senza contatto potranno erodere quote di mercato e trovare un proprio spazio nel settore industriale e in tal caso come si riposizioneranno i sistemi a contatto? Steno Le proiezioni a 5 anni sono il pane quotidiano, nelle aziende che vogliono essere vincenti sul mercato. Hexagon Metrology opera a livello globale in tre macroaree (America, Europa, Asia) che collaborano congiuntamente su nuovi progetti. Il mondo della metrologia è stato suddiviso in tre macrosettori: nanometrologia, micrometrologia e macrometrologia. Ciascun produttore di sistemi di misura a contatto non potrà più ignorare i sistemi senza contatto e sarà necessaria un integrazione sempre più stretta, dal momento che la macchina di misura a coordinate tradizionale è un prodotto maturo con livello di saturazione del mercato elevato. La parola chiave del futuro sarà sicuramente la portatilità degli strumenti di misura. Caccia Sul piano industriale GOM, parter di Microsystem, si pone l obiettivo di sviluppare i sistemi non a contatto di classe A e di rafforzare il concetto del modello digitale e della sua elaborazione per lo sviluppo prodotto. Il mercato della misura è sicuramente in evoluzione, ma non penso che ci si debba attendere rivoluzioni in un orizzonte temporale di 5 anni. I sistemi di misura a contatto che hanno raggiunto una maturazione sul mercato saranno sempre necessari, ma probabilmente vedranno ridotte le quote di vendita. Il mondo dei sistemi senza contatto, attualmente già molto ampio, dovrà puntare sia verso il modello digitale e all integrazione con i sistemi a contatto per la realizzazione di soluzioni ibride. La crescita delle installazioni dei sistemi ottici compresa tra il 25 e il 40% all anno a seconda dei Paesi, spesso disallineata con la situazione economica di questi ultimi, rafforza il concetto espresso in precedenza. settembre