Verbetering van 3D-scan nauwkeurigheid voor kwaliteitscontrole in de auto-industrie

ARIS Technology verbetert 3D-scannen

Hoewel 3D-scannen al door veel autodeelproducenten is geadopteerd, zijn de toepassingen in kwaliteitscontrole (QC) beperkt gebleven. Dit komt voornamelijk door de volgende beperkingen:

1. 3D-scannen was handmatig.
2. Bestaande „zogenaamde” geautomatiseerde 3D-scansystemen zijn onproductief.
3. 3D-scannen probeerde een alles-in-één-oplossing te zijn, terwijl er nog steeds redenen zijn om contactmeetinstrumenten (CMM's) te gebruiken voor bepaalde metingen.

Handmatig 3D-scannen overwinnen

Wanneer een fabrikant een zelfstandige 3D-scanner koopt, volgen vaak aanvullende aankopen van beeldverwerkingssoftware (zoals Geomagic of Polyworks), een twee-as draaitafel, een statief, enz. Daarna moet een werknemer getraind worden in:

• Het bedienen van de scanner (aan/uit, instellingen wijzigen).
• Het maken van de juiste scans onder de juiste hoeken en afstanden voor een specifiek onderdeel.
• Rekening houden met oppervlakte-eigenschappen (bijv. reflectiviteit).
• Meerdere scans combineren tot één bestand en de data verwerken.
• Beeldverwerkingstechnieken toepassen voor de vergelijking gescande data vs. CAD.
• Andere vaardigheden zoals kalibratie, fixture-mastering, enz.

Dit betekende een continue leercurve voor elke nieuwe opdracht. Zelfs bij herhaling van een oud model moest de werknemer het proces opnieuw leren of herinneren. Incrementele softwareverbeteringen hebben de productiviteit niet fundamenteel veranderd.

Het collaboratieve ARIS-systeem, ondersteund door de eenvoudige gebruikerservaring (UX) van ARIS-software, maakt eenvoudige opstelling van een nieuw onderdeel mogelijk.

Waarom ARIS-systemen beter zijn

Veel bedrijven introduceerden robotautomatisering om de arbeidsintensiteit van 3D-scannen te verminderen, maar bestaande oplossingen hebben nadelen:

• Meestal geleverd door 3D-OEM's, wat vergrendeling tot een specifiek merk/type scanner betekent. Voorbeeld: een populaire automatiseringsoplossing gebruikt gestructuurd blauw licht, slecht voor gladde oppervlakken (sprayen vereist), grote stand-off afstand (beperkt scanning van smalle gaten), en vaak markers op het onderdeel (waarbij automatisering weer handmatig wordt).
• Niet flexibel genoeg: bij herbestemming voor een nieuwe productielijn is vaak een complete nieuwe integratie, herkalibratie en heropleiding nodig.
• ARIS lost dit op met eigen software:
  • Modulair integratieplatform: ARIS adviseert optimale, bewezen sensoren en robots en voert integratie/implementatie uit.
  • Automatiserings- (Run-)software: Minimaal getrainde werknemers kunnen geprogrammeerde inspecties herhaalbaar uitvoeren.
  • Opstelsoftware: Makkelijke instelling van nieuwe programma's en na-scan analyses naarmate behoeften evolueren.

Hoe ARIS-systemen CMM's aanvullen

3D-scannen verzamelt miljoenen meetpunten in seconden: hoge resolutie, snelle cyclus. Maar het presteert minder goed bij transparante/doorzichtige, gladde oppervlakken of interne details. Daarom is voor één onderdeel soms een combinatie van CMM en 3D-scannen wenselijk.

CMM-fabrikanten monteren 3D-scanners op de CMM-arm, maar dat is traag en onproductief. Een industriële robot in een meetlab is ook niet ideaal.

ARIS integreert cobots met snelle multi-line laserscanning. Dit systeem heeft iets lagere nauwkeurigheid dan ARIS-systemen met 3D-areasanners (gestructuurd blauw licht), maar maximaliseert snelheid en productiviteit, en presteert beter op reflecterende oppervlakken.

Daarnaast kan het grotere onderdelen veel effectiever scannen zonder precisieverlies, dankzij externe tracking die beelden live samenvoegt tijdens de robotbeweging.

Tenslotte kan het systeem door cobots worden geplaatst in gebieden met bestaande menselijke processen, recht naast een CMM, en zo real-time CMM-metingen aanvullen.

Real-life case study voor het precisiesysteem

Een volledige inspectierapportage wordt gegenereerd voor een drukgegoten onderdeel met een referentie ARIS-systeem, met een reeks annotaties die nodig zijn voor kwaliteitswaarborging. Vervolgens wordt een Gage R&R-studie uitgevoerd op de metingen, waarbij precisie (herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid) getoetst wordt aan geaccepteerde industrienormen.

Deze precisietest toont aan of geautomatiseerde 3D-scansystemen in productie (niet alleen in het lab) ingezet kunnen worden voor zowel FAI (First-Article Inspection) als in-productie-inspectie, wat leidt tot aanzienlijke kostenbesparing.

De keuze van de 3D-scanner is vaak belangrijker dan de robotarm, omdat variërende toleranties, oppervlakteafwerkingen en afmetingen verschillende optische nauwkeurigheid en/of veld-van-zicht apparaten vereisen. Meestal zijn nauwkeurigere en grotere veld-van-zicht apparaten duurder; de plug-and-play mogelijkheid van ARIS-integratiesoftware voor diverse scanner-types is daarom cruciaal om de vereiste nauwkeurigheid en cyclus tijd binnen budget te halen. Bijvoorbeeld: scanners met ±2,5 µm nauwkeurigheid kosten gemakkelijk meer dan $100.000.

Na plaatsing en bekabeling van scanner en robot volgt een initiële kalibratie van de relatieve posities. Dit wordt door ARIS-automatiseringssoftware afgehandeld: de operateur kan met één klik de benodigde kalibratie automatisch uitvoeren. In sommige gevallen moet de 3D-scanner dagelijks gekalibreerd worden (vooral bij temperatuurschwankingen), wat ook automatisch via de software gebeurt met minimale menselijke inbreng. Voor het referentiesysteem duurde de initiële kalibratie minder dan 15 minuten handmatige operatortijd.

Het resultaat toont aan dat zelfs in een productieomgeving, met minimale investering, de oplossing vergelijkbare nauwkeurigheid kan leveren als CMM's. De precisie was iets slechter dan in-lab CMM's, maar superieur aan draagbare CMM's. Aangezien veel in-lab, hoge-nauwkeurigheids-CMM's controles vereisen als een betonvloer en temperatuur/trilling-gecontroleerde ruimte, zijn 3D-scanners minder gevoelig voor dergelijke externaliteiten, wat de flexibiliteit en efficiëntie van een geautomatiseerde robot-3D-scan QC-oplossing duidelijk maakt.

Het ARIS-systeem werkt met de bestaande infrastructuur van autofabrikanten en biedt een sterke return on investment (ROI), zonder dat bestaande CMM-processen vervangen hoeven te worden.

Bewerkt door Yearbook Editor Bill Koenig op basis van informatie van ARIS Technology.