De-warping/Virtueel klemmen

Is het mogelijk om onderdelen in opgespannen toestand te scannen en vervolgens te analyseren? Zeker en vast!

Is er een betere, snellere en meer kostenefficiënte manier hiervoor? Ongetwijfeld!

Introductie

Regelmatig krijgen we de vraag of het mogelijk is om onderdelen in opgespannen toestand te scannen en vervolgens te analyseren.

We spannen zelden een onderdeel op in een (op maat gemaakt) fixtuur. Dit beïnvloedt namelijk het scannen zelf. Zo zullen we minder data kunnen vastleggen daar waar het onderdeel vastgeklemd wordt. Alsook is het maken van een specifiek fixtuur een taak die behoorlijk wat tijd in beslag kan nemen.

Gelukkig is hier een oplossing voor! We kunnen namelijk volledig digitaal een onderdeel gaan klemmen/de-warpen. Hiermee kunnen we bijvoorbeeld de invloed van zwaartekracht wegwerken, de onderdelen opmeten zoals ze in geassembleerde toestand zouden zijn (= meest voorkomend), of kromgetrokken ondredelen terug recht trekken.

Met deze post willen we dan ook dieper ingaan op de functionaliteit van virtueel klemmen in Zeiss Inspect, en hoe dit een beter alternatief biedt voor fysieke fixturen.

Pijnpunten van een fysiek fixtuur

Kostprijs

Het gebruik van een fysiek fixtuur kan duur uitvallen. Enerzijds kost het veel tijd om een correct fixtuur te ontwerpen, maken en valideren.  Anderzijds moet een fixtuur ook vaak in een gecontroleerde omgeving gebruikt en opgeslagen worden. Hier komt ook nog een keer de materiaalkost bovenop, en tevens moet met elke productaanpassing de gehele cyclus van het fixtuur opnieuw doorlopen worden.

Gebruik

Bij het gebruik van een fixtuur kunnen er steeds enkele problemen/risico’s optreden. Zo wordt bijvoorbeeld de herhaalbaarheid beïnvloed door de gebruiker en de volgorde van het klemmen. Het object opmeten in geklemde toestand is ook niet altijd evident, aangezien het fixtuur de bereikbaarheid van sommige zones/vlakken van het onderdeel beperkt.

Zeiss de-warping tool

Zeiss heeft een de-warping tool die bestaat uit 2 scripts. Het eerste is ‘Voxelizer’ en het tweede is ‘Remove Warpage‘. Voor het gebruiken van deze tool zijn enkele dingen belangrijk:

• We hebben steeds een CAD model nodig. (Of een niet-vervormde mesh.)
• Het onderdeel moet uit een uniform materiaal bestaan.

Wanneer we een object willen rechttrekken, hebben we een CAD-file nodig van het effectieve onderdeel.

Willen we een onderdeel virtueel assembleren, dan hebben we dit ook nodig voor het ontvangende onderdeel.

Materialen met een variabele stijfheid, afhankelijk van de richting, kunnen niet virtueel geklemd worden. Denk bijvoorbeeld aan materialen met vezels in een bepaalde richting om de stijfheid te verbeteren.

Als voorbeeld hierlangs maken we gebruik van een onderdeel dat naar binnen geknikt is op zijn 4 zijvlakken, en terug is rechtgetrokken met de de-warping tool.

Voxelizer

De Voxelizer wordt gebruikt om de CAD file om te zetten naar voxels (kubussen). Bij het omzetten naar voxels moeten we enkele parameters meegeven, waarvan de meeste gerelateerd zijn aan het materiaal:

• Voxel grootte
• Dichtheid
• Young’s modulus
• Poisson’s ratio

Hierlangs ziet u het resultaat. Dit is wat we het deformatie-model noemen, een FEM-volume (Finite Element Method) dat alle relevante structurele mechanische eigenschappen van het onderdeel bevat. Dit model vormt de basis om een de-warping uit te voeren.

Remove warpage

Referentiepunten

Het onderdeel moet eerst in zijn 6 vrijheidsgraden (DOF) vastgezet worden. Dit doen we op basis van 6 (of meer) referentiepunten. Eigenlijk maken we hier een uitlijning van het object op basis van deze punten. Tijdens het de-warpen zal het object op deze plaatsen niet vervormen.

Voor onze case maken we gebruik van 7 punten:

• Punt 1-4: Definieert het Z-vlak.
  Normaal zouden we dit vlak met 3 punten definiëren maar in dit geval werd het resultaat beter bij het gebruiken van 4 punten. Zo kunnen we de 4 hoeken van het object vastzetten en gaan deze niet ongewenst vervormen.
• Punt 5 -6: Definieert het Y-vlak
• Punt 7: Definieert het X-vlak

Klempunten

Vervolgens moeten we ons object kritisch bekijken en bepalen waar we het juist willen klemmen/rechttrekken. Hiervoor gebruiken we meestal de montagepunten van het object. Dit wil zeggen dat we het vervormde object virtueel zullen ‘monteren’ op het ontvangende onderdeel. Zo kunnen we nagaan:

• Of de montage überhaupt mogelijk is.
• Of de dimensies nog steeds binnen tolerantie vallen na montage.
• Of er geen ongewenste vervorming optreedt in andere locaties.

Moest het onderdeel niet voldoende geklemd zijn in gemonteerde toestand, dan kunnen we nog iteratief te werk gaan om extra klempunten aan te brengen. Zo kunnen we bepalen waar er extra montagepunten nodig zijn om het onderdeel in zijn gewenste vorm te kunnen monteren. 

Dit is een groot voordeel van virtueel klemmen ten opzichte van een fysiek fixtuur. We kunnen namelijk snel en nagenoeg kosteloos extra klempunten aanbrengen, terwijl dit bij een fysiek fixtuur tijdrovend en kostelijk wordt.

In ons geval moeten de 4 zijvlakken naar buiten getrokken worden, gezien deze naar binnen geknikt zijn. We duiden dus enkele punten aan op deze vlakken. Hierboven zie je al heel wat punten die iteratief zijn bijgevoegd (dat zie je aan de nummering). We gaan steeds proberen met zo min mogelijk klempunten een resultaat te bekomen. Lukt dit niet dan voegen we enkele punten toe, daar waar we zien dat de klemming nog niet het gewenste effect heeft.

Deze punten geven we mee in de de-warping tool als klempunten. Op deze punten zal de tool dus proberen om, in verschillende iteraties (max. 10), het punt dat op de mesh ligt zo dicht mogelijk naar het actuele punt op de CAD te brengen. Hierbij zal de tool de omgeving rond het punt mee vervormen volgens zijn materiaaleigenschappen die we voorheen hebben meegegeven.

Resultaat

Conclusie

Wanneer we een object virtueel klemmen dan verhelpen we alle mogelijke pijnpunten van een fysiek fixtuur.

• We hebben geen individueel fixtuur nodig per onderdeel dat moet worden opgeslagen.
• We moeten slechts 1 meting uitvoeren in plaats van meerdere (geklemd en niet geklemd).
• We kunnen snel en efficiënt klempunten toevoegen of weglaten, wat het iteratief proces bevorderd.
• De herhaalbaarheid is zeer goed omdat deze niet beïnvloed wordt door de gebruiker.
• We kunnen nog steeds het volledige object opmeten in geklemde toestand.