Laser scanner 3D per metrologia nel controllo qualità: ecco perché sono così indispensabili

Laser Scanner 3D per il controllo dimensionale di V-GER

Nell’articolo Controlli non distruttivi per il controllo dimensionale con le nuove tecnologie 3D abbiamo già visto come il controllo dimensionale e il controllo qualità siano procedure ineliminabili in qualsiasi ciclo produttivo, sia a livello artigianale che industriale.

Abbiamo anche parlato di prove non distruttive e di come il controllo dimensionale con laser scanner 3D si collochi all’interno di queste tecniche.

In questo articolo focalizzeremo l’attenzione sull’utilizzo di laser scanner 3D metrologici per il controllo dimensionale ed il controllo qualità.

Vedremo come questi strumenti possono agevolare e velocizzare i controlli qualità in linea di produzione, tanto da diventare ormai indispensabili per ogni attività produttiva, soprattutto a livello industriale.

Valuteremo le differenze tra laser scanner portatili e fissi, e vedremo come vengono utilizzati per il controllo qualità, ottenendo risultati mai raggiunti prima del loro avvento.

 

Laser scanner 3D per metrologia portatili e fissi: i più performanti

I laser scanner 3D per metrologia sono strumenti di misura ottici, che consentono la ricostruzione 3D digitale delle geometrie dei componenti da rilevare, senza necessità di utilizzare sonde a contatto.

La maggior parte di essi funzionano sfruttando il principio della triangolazione laser-camera.

Infatti, l’oggetto viene colpito da uno o più fasci di luce laser e una o più telecamere, rilevando l’immagine di come la luce laser si deforma sulla superficie del campione e viene riflessa, permettono la ricostruzione della superficie dell’oggetto, mediante algoritmi di triangolazione.

Esistono anche alcuni laser scanner che non utilizzano il principio della triangolazione ma altri principi come il calcolo del tempo di volo, l’interferometria o la microscopia confocale, ma sono più comunemente utilizzati per altri tipi di applicazioni.  In questo articolo ci occuperemo dei modelli a triangolazione.

I laser scanner per controllo dimensionale o di qualità possono essere portatili o fissi.

La testina di scansione può essere tenuta in mano dall’operatore, il quale può utilizzarla muovendosi liberamente nell’ambiente da scansionare e rilevando i vari componenti muovendo semplicemente il proprio braccio.

In tal caso gli strumenti sono dotati di un sistema di referenziazione basato su elementi fissi montati sulla scena, i markers o target, che fanno da punti di riferimento. In genere questi markers sono cerchietti adesivi o magnetici di materiale ultra riflettente, che vengono applicati nell’ambiente di scansione (la scena) e che generano una griglia di coordinate assolute per la versione portatile.

Laser Scanner 3D portatili e prestazionali di V-GER

Laser scanner portatile MetraSCAN 3D

 

Quando l’ambiente di scansione è molto grande, come accade ad esempio per la misurazione di un aereo, la precisione di questo sistema di referenziazione può essere aumentata, mediante l’utilizzo di telecamere per la fotogrammetria che rilevino i markers sulla scena e generino così una griglia di coordinate assolute di riferimento in maniera ultra accurata.

Pertanto, la griglia di riferimento o modello di posizionamento può essere generato grazie a tecniche di fotogrammetria per la misura ottica di coordinate, per poi effettuare la scansione 3D delle geometrie degli oggetti con i laser scanner portatili.

Se l’ambiente di scansione non è troppo grande la fotogrammetria può anche essere evitata, ottenendo comunque risultati eccellenti.

Gli scanner laser 3D portatili possono funzionare con e senza sistema di tracking. In quelli senza sistema di tracking, il modello di posizionamento viene rilevato dallo scanner stesso e deve essere formato da molti markers, affinché lo scanner possa orientarsi.

Invece con gli scanner con un sistema di tracking, un illuminatore posto a distanza dalla scena sarà in grado di rilevare sia lo scanner sia i markers apposti sulla scena, che in questo caso saranno pochi.

Lo svantaggio dell’utilizzo dei modelli portatili è la necessità di appore alcuni markers sulla scena, seppur pochi, mentre i vantaggi più evidenti sono l’incredibile velocità di misurazione e la possibilità di effettuare ricostruzioni con eccellente accuratezza di oggetti anche molto grandi e complessi, come aerei e imbarcazioni, grazie alla loro maneggevolezza.

Tra i laser scanner portatili più performanti sul mercato, ricordiamo la serie di Creaform e in particolare HandySCAN 3D, nelle versioni 300 e 700, con 3+1 e 7+1 incroci di lame laser; il top di gamma MetraSCAN 3D, con sistema di tracking C-Track e disponibile anche in versione MetraSCAN 3D-R montabile su stazione robotizzata. Tutti gli scanner laser 3D di Creaform sono abbinabili col kit di fotogrammetria per la misura ottica di coordinate MaxSHOT 3D.

Scanner laser HandyScan 700 portatile di V-GER

Kit per fotogrammetria MaxSHOT 3D e Laser scanner portatile HandySCAN 700

 

Gli scanner laser fissi utilizzano una testina di scansione montata o su un treppiede, oppure su bracci articolati a vari gradi di libertà, da muovere manualmente a cura dell’operatore.

Questi tipi di strumenti offrono il vantaggio di avere una referenziazione molto precisa, essendo spesso dotati di basi georeferenziate, nel caso degli scanner su treppiede, e anche di encoders nel caso di quelli con braccio articolato.

Grazie a questo sistema di referenziazione assoluto, le varie immagini 3D acquisite, possono essere registrate e fuse in un unico modello 3D appoggiandosi a coordinate assolute, in maniera ultra precisa e accurata.

Lo svantaggio di questi strumenti fissi è che hanno un capo di azione limitato e non permettono la scansione di oggetti molto grandi o molto complicati, a causa della loro scarsa mobilità. Il loro vantaggio più evidente è invece l’elevata affidabilità dei risultati.

Sia i laser scanner 3D fissi che quelli portatili possono essere abbinati con sonde a contatto, per poter integrare i dati 3D acquisiti in maniera ottica, con dati derivanti da tastatura, spesso necessaria ad esempio nell’acquisizione di fori profondi. Ad esempio, il MetraSCAN 3D può essere abbinato alla sonda portatile di tastatura HandyProbe NEXT.

 

L’indispensabile applicazione dei laser scanner 3D nel controllo qualità.

Allo stato attuale dell’arte per il controllo dimensionale completo di alcuni componenti, soprattutto se complessi, non esiste nessuno strumento alternativo ai laser scanner 3D.

Ciò significa che per alcune applicazioni la scelta non è se effettuarle con strumenti più obsoleti e impiegando maggior tempo, ma l’opzione è se effettuare la misurazione o non effettuarla affatto.

Gli strumenti alternativi nel controllo dimensionale, infatti, sono rappresentati principalmente dalle CMM o macchine di misura a coordinate.

Queste sono macchine dotate di sonde a contatto in grado di rilevare la geometria di un oggetto punto per punto andandone a tastare la superficie.

Chiaramente queste macchine, oltre a essere molto lente, non consentono la ricostruzione di superfici irregolari o molto complesse, anche se risultano essere estremamente precise e accurate, più degli strumenti di misura ottici.

Pertanto, gli scanner laser sono l’unica soluzione possibile per svariate misurazioni nell’ambito dei controlli dimensionali. Grazie ad essi, i componenti possono essere misurati e controllati in ogni loro parte e non solo in alcune regioni.

Il controllo completo dei componenti permette quindi ad oggi di osservare difformità che non possono essere rilevate in altra maniera, consentendo di avere in un solo colpo la panoramica completa della qualità del componente prodotto.

Inoltre, il fatto che funzionino senza contatto con le superfici dei prodotti da controllare, consente di evitare qualunque alterazione superficiale, evitando anche in alcuni casi di smontare i componenti dalla linea di produzione o dall’ambiente di esercizio per effettuare il controllo.

MetraSCAN 3D-R Scanner Laser di V-GER

MetraSCAN 3D-R: Laser scanner su stazione robotizzata

 

Alcuni scanner laser portatili hanno la predisposizione per essere montati su stazioni robotizzate di controllo qualità e possono essere utilizzati in maniera del tutto automatica, programmando dei cicli di controllo in linea.

In tal caso il controllo qualità completo può essere effettuato con una affidabilità dei risultati eccezionale con tempi di esecuzione del controllo ridotti al minimo, anche sul 100% dei pezzi prodotti.

Il modello 3D completo prodotto può essere utilizzato istantaneamente per effettuare il controllo dimensionale, anche automatizzato, tramite specifici software di ispezione 3D e controllo qualità.

In tal caso il modello 3D scansionato viene messo a confronto col file CAD 3D di progetto.
Il confronto deve essere effettuato tenendo come geometrie di riferimento quelle indicate dal progettista negli elaborati grafici.

Mediante tale confronto è possibile evidenziare tutte le difformità tra il componente prodotto che è stato rilevato col laser scanner 3D e il componente nominale rappresentato dal CAD di progetto, in ogni sua parte, mediante mappe 3D delle deviazioni superficiali e, imponendo i valori ammissibili delle varie tolleranze di lavorazione, è possibile valutare tutte le difformità delle specifiche lavorazioni.

 

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