Metrología óptica 3D en la industria de la fundición

Permite acelerar los procesos de inspección, satisfacer los requisitos de tolerancia y reducir la reelaboración.

metrología en la industria de fundición

El análisis de formas y dimensiones convencional de las piezas de fundición con sistemas de medición de coordenadas tiene sus limitaciones. De ahí que la empresa de fundición de acero estadounidense Bradken haya implementado la metrología 3D óptica para sus piezas de fundición de gran tamaño.

La fundición Bradken en Tacoma, Washington, cuenta con una larga tradición. Sus inicios se remontan a 1899, cuando se estableció bajo el nombre de Atlas. Tras la adquisición de Atlas por parte del grupo de ingeniería Bradken, esta invirtió en tecnología moderna a fin de mantener la posición líder de la planta de Tacoma en la fabricación de piezas de fundición de alta calidad. Al día de hoy, fabrica piezas de fundición para el sector de la energía -entre otras industrias- como componentes para turbinas, bombas, válvulas, compresores y generadores de energía hidroeléctrica con un peso neto de hasta 25 toneladas métricas.

El proceso de evaluación del sistema

Cuando se empezaron a fabricar volúmenes cada vez mayores de piezas de fundición de alta calidad, cobró mayor importancia un control de calidad íntegro y uniforme. Esto hizo necesarios métodos de medición e inspección más rápidos y de campo completo. Estos métodos no solo debían hacer frente a los requisitos, sino que también debían ser capaces de tratar geometrías complejas y dimensiones de hasta 4,5 metros.

Cuando se llevaban a cabo con máquinas de medición de coordenadas convencionales sobre brazos articulados, el control de la forma y las dimensiones de estos componentes llevaba varias semanas. El problema al que se hacía frente en el pasado era que, cada vez que el brazo debía reposicionarse, ocurrían errores en el cálculo de las coordenadas de las áreas que se solapaban. Además, el sistema de medición aplicado era difícil de operar. Como resultado, la medición táctil tenías sus límites en cuanto al rendimiento de las piezas que Bradken podía medir internamente.

Asimismo, no era posible medir las grandes piezas de fundición con tolerancias estrechas con el sistema de medición sobre brazos articulados, de manera que su inspección mediante láser tracker debía externalizarse. En consecuencia, a fin de posibilitar la inspección interna en la planta de Tacoma, Bradken debía invertir en sistemas de metrología 3D más eficaces, flexibles y fiables, diseñados para conseguir una medición completa de piezas de fundición grandes y complejas.

En el marco de un amplio proceso de selección se comprobaron varios sistemas de metrología, como escáneres de Láser 3D, escáneres de Láser 3D portátiles, Láser tracker y escáneres 3D con Blue Light Technology, sobre grandes piezas de fundición abovedadas mecanizadas destinadas al uso en una línea de fabricación para contenedores de transporte.

A causa de su reducido rango de escaneado y su limitada distancia de escaneado, el escáner de Láser 3D y el escáner de Láser 3D portátil presentaron dificultades en la captura de grandes piezas de fundición abovedadas; de hecho, solo lograron escanear menos del 25 % de la pieza de fundición en un turno de trabajo. Además, no se satisfizo la tolerancia de superficie exigida de 1,5 mm, y el escáner de Láser 3D portátil presentó dificultades y demostró ser inapropiado para el uso prolongado.

Aunque el Láser tracker logró una medición precisa de la pieza de fundición abovedada, su resolución era de baja calidad y no arrojó datos suficientes para la medición completa de la superficie. Sin embargo, el argumento más convincente contra el uso del Láser tracker fue que los resultados variaban según los operadores.

metrología en la industria de fundición
La fundición de acero Brandken en Tacoma, Washington, desarrolla y fabrica piezas de fundición para el sector de la energía, por ejemplo: componentes, turbinas, bombas, válvulas, compresores y generadores de energía hidroeléctrica.

Inspección más rápida

Finalmente, Bradken eligió el ATOS Triple Scan de GOM, un escáner de proyección de franjas equipado con cámaras de medición de alta resolución de hasta 16 megapíxeles. Los ensayos realizados en Tacoma demostraron que, en ocho horas, ATOS era capaz de suministrar escaneados precisos con las tolerancias especificadas junto con un análisis extenso de la pieza de fundición abovedada completa. Otros criterios clave para la decisión de Bradken fueron el intervalo flexible de distintos volúmenes de medición y el fácil manejo. Un plus adicional ofrecido por ATOS Triple Scan es la tecnología Blue Light Technology. La luz azul de banda estrecha de la unidad de proyección permite que el escáner lleve a cabo mediciones independientemente de las condiciones lumínicas del ambiente y un mejor escaneado de las superficies brillantes.

Sobre la superficie del objeto se proyectan patrones de luz precisos que se capturan con dos cámaras basadas en el principio de la cámara estereoscópica. Dado que se conocen de antemano, gracias a la calibración, los recorridos del haz de ambas cámaras y del proyector, pueden calcularse los puntos de las coordenadas 3D de tres intersecciones de rayos distintas. El principio de triple escaneado ofrece ventajas para la medición de superficies reflectantes y de objetos con hendiduras.

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Los ensayos en Tacoma demostraron que, en ocho horas, el ATOS Triple Scan de GOM, un escaner de proyección de franjas, era capaz de suministrar escaneados precisos con las tolerancias especificadas.

A diferencia de los sistemas de medición de coordenadas táctiles convencionales (que solo escanean puntos individuales) o los escáneres de láser (que analizan los datos de medición para secciones específicas), los sistemas de metrología 3D ópticos como ATOS capturan la superficie entera de las piezas de fundición de Bradken. Sobre la base de la información recopilada de esta forma, el software ATOS determina automáticamente las coordenadas 3D en forma de una nube de puntos de alta resolución (ASCI/STL). La malla poligonal generada describe superficies de formas libres y primitivas que, durante el análisis de la forma y las dimensiones, pueden compararse con el diseño o directamente con los datos CAD. En consecuencia, los ingenieros de Bradken son capaces de identificar de forma instantánea las desviaciones en el plot de color en pantalla, logrando ahorrar una preciosa cantidad de tiempo a la fundición de Tacoma.

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Además del ATOS Triple Scan, Bradken usa el sistema de fotogrametría TRITOP móvil de GOM para mejorar la exactitud dimensional de grandes piezas de fundición y ensamblajes, tales como las carcasas de turbinas. A fin de permitir una medición de coordenadas basada en puntos y el análisis de la deformación, se toman fotografías del componente desde distintos ángulos.

Gracias a la incorporación de sus sistemas de metrología GOM en sus procesos de inspección, Bradken es ahora capaz de medir grandes y complejos componentes, así como ensamblajes montados, con la captura del objeto completo, el cumplimiento de tolerancias estrechas y un trabajo dentro de plazos de tiempo adecuados. Como resultado, la inversión de la fundición se ha recuperado más rápido de lo esperado en un principio. Las inspecciones ya no han de externalizarse, lo cual redunda en ahorros adicionales de costos.

Reducción de la reelaboración gracias a la combinación de simulación y medición 3D

Desde que introdujo las soluciones de metrología GOM, Bradken ha logrado reducir la reelaboración de forma significativa, así como optimizar y acelerar sus procesos de producción en general. Sobre todo los grandes objetos, como las carcasas de turbinas de gas, pueden experimentar graves deformaciones o desviaciones durante el proceso de refrigeración. A fin de predecir las cargas resultantes, Bradken usa el software de simulación de fundición MAGMASOFT.

En este contexto, para Bradken era importante ser capaz de relacionar la desviación dimensional real con los resultados calculados. Esto fue posible gracias al escaneado de piezas de fundición individuales con los sistemas ATOS y TRITOP. Sobre la base de los resultados de medición, el modelo se modificó de una forma en que la nueva pieza de fundición pudiera fabricarse con las dimensiones correctas desde el principio.

La combinación de simulación y medición 3D acelera los procesos de fabricación al permitir a la fundición evitar la prolongada reelaboración, ahorrando un tiempo que puede resultar necesario para conseguir las tolerancias exigidas. Sin los sistemas de metrología ATOS y TRITOP no habría sido posible comprobar las superficies y las geometrías de los objetos durante la búsqueda de la mejor solución.

Más información:
www.vtech-ar.com

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