Nuovi orizzonti nella convalida dei componenti medicali. Metrologia 3D multisensore

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1 Nuovi orizzonti nella convalida dei componenti medicali Metrologia 3D multisensore

2 Misura ottica e ispezioni multisensore stanno diventando le soluzioni preferite per la verifica e il collaudo di componenti medicali grazie a software sempre più evoluti Autore: Marc Stalker Global Product Manager, PC-DMIS Vision Hexagon Metrology, North Kingstown, RI 2

3 La verifica di precisione delle specifiche dimensionali dei particolati impiegati nel settore medicale è un aspetto essenziale della progettazione e dello sviluppo del prodotto. Spesso tuttavia i componenti medicali possono essere troppo difficili da misurare con i sistemi di misura a contatto tradizionali. I pezzi possono essere troppo piccoli o avere particolarità geometriche di difficile accesso per i tastatori a contatto. Con la misura a contatto i materiali morbidi e duttili possono deformarsi. I tastatori a contatto infatti potrebbero scalfire i prodotti ortopedici che hanno una finitura complessa. Fortunatamente le tecnologie ottiche e altre tecnologie non a contatto consentono agli utenti di raccogliere rapidamente grandi quantità di dati dimensionali per l analisi di progettazione e la successiva validazione del pezzo. Le tecnologie impiegano potenti programmi CAD che permettono ai sistemi di misura di operare in modalità 2D, 2.5 D, e 3D raccogliendo dati che possono essere usati sia per verificare le corrette dimensioni degli oggetti o analizzare i progetti e i processi di produzione. Questi progressi hanno richiesto un duro lavoro. Gli sviluppatori di software per sistemi ottici hanno speso molti anni per creare algoritmi esclusivi in grado di catturare con precisione le immagini e trasformarle in dati oggettivi che potessero essere confrontati automaticamente con i valori teorici nel modello CAD, e questo era solo l inizio... Gli attuali perfezionamenti nel software usato sui sistemi di misura ottici e multisensore risultano essere molto interessanti per gli sviluppatori di dispositivi medicali. Algoritmi di calcolo che potenziano l ottica Si riteneva che un ostacolo all uso dei sistemi di misura ottici e multisensore come strumenti primari per la misura dei componenti medicali, fosse la convinzione che la regolazione dell illuminazione, contrasto e sensibilità al rilevamento dei bordi degli elementi geometrici richiedesse conoscenze troppo specialistiche per l utente medio di un laboratorio metrologico. Questo poteva essere vero un tempo, ma oggi non è più così. Numerosi ed efficienti nuovi algoritmi di calcolo nel software per misure ottiche rendono automatiche queste regolazioni, consentendo misure coerenti, sia tra pezzi diversi, sia tra le macchine di misura ottiche diverse. La soggettività nell esecuzione delle regolazioni manuali per ottimizzare il contrasto è una preoccupazione legittima. L ottimizzazione del contrasto migliora la precisione di misura, migliorando la capacità dello strumento di misura ottico di rilevare i bordi e compensare la tendenza della luce a piegarsi attorno ai bordi delle superfici cilindriche, accorciando così le distanze misurate. Oggi vi sono algoritmi speciali che rendono automatica la regolazione dei livelli di contrasto. Premendo un tasto, l algoritmo esegue una serie di rapide regolazioni successive fino a raggiungere un livello di contrasto ottimale e stabile. Un altra potenziale fonte di variabilità della misura ottica è costituita dalle differenze nelle fonti di luce (alogena o LED) usata per illuminare gli oggetti, oltre alle condizioni della luce ambientale diverse nei diversi punti nell ambiente di misura. È facile correggere queste variazioni quando il software di misura possiede algoritmi di calcolo che permettono all utente di compensare questi fattori, allo stesso modo di come si qualifica un sensore su di una CMM. A differenza dei sensori a contatto, le videocamere non toccano il bordo che misurano. Pertanto il rilevamento dei bordi deve contare sulla precisa interpretazione dei dati che il software ottico riceve dalla videocamera. Fortunatamente un software di misura ottico avanzato può ottimizzare il rilevamento dei bordi in funzione della superficie del pezzo e delle condizioni di illuminazione. 3

4 Quando usa un illuminazione dal basso, in genere il software impiega un algoritmo detto del bordo dominante per individuare il bordo corretto di un elemento geometrico. Misurare pezzi illuminati dall alto con una complessa finitura della superficie può rappresentare un problema. In questo caso gli utenti possono selezionare un algoritmo specifico per i bordi che permette di rilevare l elemento in questione sulla base non solo del contrasto, ma anche della sua forma e posizione. Se vi sono segni sul pezzo che potrebbero confondere la videocamera quando si usa l illuminazione dall alto, il software può applicare un altro tipo di algoritmo che sceglie il bordo dominante tra quelli possibili nel campo visivo della videocamera. La fine dei colli di bottiglia Fino a poco tempo fa, l assicurazione qualità rappresentava uno dei maggiori colli di bottiglia nello sviluppo degli apparecchi medicali. I progressi nel software ottico e multisensore ora aiutano il personale dell assicurazione qualità a mantenere il passo con il frenetico ritmo dello sviluppo. Tradizionalmente i sistemi ottici venivano programmati in modalità di auto-apprendimento. Questo significava che mentre gli utenti sviluppavano i programmi di misura, la macchina non poteva essere impiegata per misurare i pezzi. L attuale software ottico basato su CAD permette invece agli utenti di sviluppare part program in offline, mentre il sistema ottico continua a misurare. Questo non significa che i programmatori devono lavorare con un software e un interfaccia che non conoscono. Il miglior software di misura ottica è simile in modalità online e offline. Può anche generare una vista del pezzo che simula con precisione ciò che una videocamera vedrebbe, se lavorasse su di un pezzo reale. Un grosso vantaggio della programmazione offline consiste nel fatto che gli utenti non hanno bisogno di disporre del pezzo fisico. Il personale dell assicurazione qualità può avere programmi pronti per misurare il pezzo non appena il prototipo è completo. In molti casi la programmazione offline sottrae giornate ai cicli di sviluppo del prodotto. Ovviamente i sistemi ottici possono misurare solo quello che la videocamera può vedere. Pertanto se qualcosa ostruisce la vista di un elemento alla videocamera, è necessario disporre di un altro sensore. In passato questo avrebbe reso necessaria la rimozione del pezzo dal sistema ottico e l uso di un diverso strumento di misura. Il software usato in sistemi multisensore avanzati invece permette agli utenti di raccogliere dati usando una combinazione di videocamere e altre tecnologie di rilevamento sulla stessa macchina. Nell industria medicale, le alternative più comuni sono i tastatori a contatto e i sensori a luce bianca. Tecniche di calibrazione sofisticate consolidano le misure eseguite con questi sensori in un unico sistema di riferimento. Non fa differenza quale tipo di sensore abbia raccolto i dati. Inoltre con le tavole rotanti si può presentare il pezzo a qualunque sensore con un orientamento ottimale per una misura precisa. Programmazione parametrica Per i produttori di apparecchi medicali che fabbricano famiglie di pezzi, la capacità di generare programmi parametrici per i loro sistemi ottici può contribuire ad aumentare la produttività. La programmazione parametrica, un vecchio approccio usato comunemente dai programmatori di CMM, crea una serie di regole che governa la generazione dei programmi per qualunque membro di una famiglia di pezzi simili. Per ogni nuovo membro della famiglia, il programmatore semplicemente cambia i valori in una tabella e il software crea automaticamente il nuovo pezzo. In un caso un produttore impiegò circa 16 ore per creare un programma per un sistema multisensore che misurasse un unica protesi. Per i 100 pezzi simili della famiglia, ci sarebbero volute circa 4

5 1.600 ore di tempo di programmazione di misura. Invece la società ci mise circa 40 ore per creare un programma parametrico che permettesse di generare facilmente nuovi programmi. Questo ridusse drasticamente il costo della programmazione aiutando il laboratorio qualità a mantenere il passo con lo sviluppo del prodotto. Altri potenziamenti del software contribuiscono ad aumentare la produttività del rilevamento dei dati nella misura ottica. Ad esempio la tecnologia proprietaria MultiCapture nel software PC-DMIS Vision identifica automaticamente più elementi che stanno nello stesso campo visivo e rileva i loro dati di misura simultaneamente. Completate le misure in un determinato campo visivo, l algoritmo porta la videocamera al successivo gruppo di elementi e li misura allo stesso modo. Questa sequenza continua fino a quando il programma di controllo è completo. Questo approccio permette agli utenti di misurare i pezzi con una rapidità fino al 35% maggiore di un sistema a riconoscimento singolo. Inoltre la verifica di bestfit (ottimizzazione), uno strumento noto da molto tempo agli utenti delle CMM tradizionali, viene impiegato con grande successo sulle macchine ottiche e multisensore. Gli algoritmi di bestfit usano i dati restituiti dal software di verifica per raggruppare assieme elementi collegati geometrici correlati, quindi valutano l elemento composito per scopi di progettazione. Questo approccio riduce notevolmente il numero di pezzi buoni respinti durante la verifica, in particolare quando gli elementi critici che interessano sono complessi e numerosi. L approccio offre anche informazioni che permettono alla produzione di rilavorare i pezzi con maggiore precisione, e modifica il processo di produzione per eliminare i problemi successivi. Metrologia per tutti i livelli dell azienda La verifica con strumenti ottici e multisensore è ora la tendenza dominante nello sviluppo e nella fabbricazione dei prodotti medicali. Possono operare in un più esteso contesto metrologico a tutti i livelli dell azienda che permette ai dati e alle analisi dimensionali di essere integrati in qualunque fase dello sviluppo, dalla progettazione al collaudo finale. I progressi recenti supportano ulteriormente questa concezione olistica della metrologia per gli apparecchi medicali. Ad esempio il software attuale permette ai tecnici di registrare il proprio progetto sotto forma di programmi di verifica e di allegarli a file CAD. Queste informazioni sono un aiuto preziosissimo per i programmatori nella creazione dei programmi di verifica. L approccio piano di verifica richiede un po di tempo in più al progettista, ma permette ai programmatori dei sistemi multisensore e ottici di eseguire il proprio lavoro più rapidamente del 70%. Inoltre il software dà sia ai progettisti che ai programmatori del sistema di misura l accesso agli strumenti di gestione delle modifiche. Questi sono moduli software bidirezionali che comunicano agli utenti se qualcosa incide sulle caratteristiche dimensionali di un pezzo, sia che sia un cambiamento fatto dalla progettazione che dalla produzione. Gli attuali sistemi ottici e multisensore rilevano enormi quantità di dati che offrono una ricca riserva di informazioni per l analisi. I produttori di apparecchi medicali hanno iniziato a generare grandi masse di dati per il reverse engineering, per l analisi dimensionale e quella statistica. La gestione di questa quantità di dati e la necessità di renderle rapidamente disponibili ha indotto i distributori di software metrologico a ripensare le loro strategie di archiviazione dei dati. Pertanto le versioni più recenti del software leader di metrologia ottica supportano tecnologie di database avanzate e scalabili. 5

6 Offrire agli utenti strumenti analitici per l accesso a dati grezzi rappresenta tuttavia solo la metà dell impresa. È importante anche dare un accesso sicuro alle informazioni e ai report il più rapidamente possibile. Pertanto ora sono disponibili il software di reportistica via web e il software di gestione dei dati, che semplificano la raccolta dei dati, la configurazione dei report e la distribuzione delle informazioni. Il software avanzato che comprende la misura basata su elementi con suddivisione del target consente agli utenti di selezionare agevolmente le aree che interessano. I sistemi ottici sono adatti a misurare componenti medicali piccoli e complessi come queste protesi dentarie. La rappresentazione grafica dei risultati nel software di misura ottica basato su CAD consente agli utenti di identificare facilmente gli elementi. 6

7 Il software collega I risultati di misura ai report grafici che gli utenti possono facilmente vedere e interpretare. 7

8 Optiv Hexagon Metrology è il multitalento della metrologia. Con il nuovo marchio Optiv, il più grande gruppo di metrologia al mondo si riconferma come tale. Optiv è sinonimo di una completa gamma di macchine di misura multisensore. Lo spettro va dalla piccola macchina da banco al sistema di alta precisione con prestazioni elevate anche nel campo delle nanomisure. Le macchine di misura multisensore uniscono la misura ottica a quella a contatto, consentendo di rilevare tutti gli elementi di un pezzo all interno di uno stesso ciclo di misura. Allo stesso tempo coniugano flessibilità e precisione. Optiv. Optical Performance Technology in Vision. Hexagon Metrology Hexagon Metrology fa parte del Gruppo Hexagon e riunisce in un unico raggruppamento i principali marchi della metrologia mondiale. info.optiv@hexagonmetrology.com Hexagon Metrology. Part of Hexagon Group Tutti i diritti riservati.