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METROTOMOGRAFIA: INOVAÇÃO NO CONTROLE DE QUALIDADE DE PEÇAS DE ALTA COMPLEXIDADE TÉCNICA

 

 

Por:
JOÃO CARLOS OLIVEIRA LOPES
RICARDO SANTIN

A metrotomografia, fusão entre metrologia e tomografia, abre novas possibilidades no controle de qualidade e desenvolvimento de produtos da indústria moderna. Já é possível efetuar medições de alta precisão sem a destruição da estrutura e/ou elemento em peças com regiões de difícil acesso.

O desenvolvimento e a produção de componentes de elevada complexidade técnica em setores industriais como o eletrônico, de plásticos e o automobilístico, crescem em ritmo acelerado, aliados às exigências do mercado cada vez mais competitivo. Para tanto, são necessários meios de controle rápidos e eficazes que possibilitem a verificação de defeitos em peças ainda na fase de concepção dos produtos e, posteriormente, no processo de produção [1].

A tecnologia de tomografia computadorizada, já conhecida no campo da Medicina, oferece para estes setores industriais possibilidades até então inesperadas. A principal diferença está na maior intensidade dos raios-X utilizada nos equipamentos industriais relativamente aos aplicados na Medicina.

O uso da tomografia em ambiente fabril já é conhecido há algumas décadas, porém este trabalho relata as potencialidades da Metrotomografia®®, uma combinação entre a tomografia computadorizada e a metrologia convencional [2].
O processo de Metrotomografia trata basicamente da combinação de um processo físico, como por exemplo, a intensidade dos raios-X na passagem através do material e um algoritmo matemático de reconstrução para análise.

A utilização da tomografia computadorizada em 3D na metrologia industrial possibilita a caracterização de defeitos internos em peças como a existência de porosidades e micro trincas, além da medição interna de componentes que somente seriam avaliados por sistemas ópticos ou apalpadores após a destruição (corte em seção transversal) da peça [3].

 

PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO

O método de medição da Metrotomografia está baseado no princípio da tecnologia de raios-X. A fonte de raios-X emite raios eletromagnéticos que atravessam o objeto a ser medido. Os raios incidem em uma superfície de detecção e são absorvidos em diferentes graus em função da geometria e das propriedades de absorção do objeto correspondente. O equipamento constitui-se de uma fonte de raios-X de 10 a 225 kV1 e 320W no máximo, com um ângulo de abertura cônico de 50° e detector de altíssima sensibilidade com 1.024 x 1.024 pixels3a 400 µm².

A peça a ser medida é posicionada sobre uma mesa giratória com rolamentos a ar e resolução de 0, 036 graus/s. A mesma movimenta- se através de um sistema de guias lineares em relação à fonte emissora de raios-X e o detector. Quanto mais próxima a peça estiver da fonte emissora de raios-X, tanto maior será o aumento obtido no detector.

Assim, torna-se possível a realização de análises com diferentes aumentos e áreas de medição. O equipamento pode ser instalado diretamente em um ambiente fabril, pois a cabine é totalmente encapsulada, construída em aço e revestida com chumbo. O Metrotom, designação do equipamento, preenche todos os requisitos de segurança exigidos pela Norma DIN 54113, referentes à radiação e segurança do operador. A Figura 1 ilustra o equipamento e o princípio de medição.

 

O processo de caracterização das peças nesta tecnologia é realizado de forma tridimensional, através do qual a peça gira 360° em torno do seu próprio eixo e é incidida pelo feixe de raios X.

Um processo matemático possibilita a reconstrução completa da peça que é simultaneamente projetada no detector. Desta maneira, é criado um modelo tridimensional de todo o volume da peça, com seus defeitos internos e suas dimensões externas que são então utilizados para as análises desejadas. Sem a utilização de uma mesa giratória de alta definição também é possível realizar a Metrotomografia®, entretanto somente uma imagem em 2D pode ser criada, a qual teria unicamente a utilidade para o controle visual das secções.

As Figuras 2 e 3 ilustram as imagens 2D e 3D geradas com a tecnologia de Metrotomografia.

 

APLICAÇÕES DA METROTOMOGRAFIA

A Metrotomografia é utilizada basicamente em aplicações técnicas para materiais como cerâmica, plástico, ferro fundido e ligas leves como alumínio e magnésio para a avaliação de um volume de medição máximo pré-definido de 350 mmx 350 mm.

A capacidade de medição depende da espessura de parede acumulada do material a ser medido. Para plásticos, uma espessura de parede de até 250 mm pode ser medida. Já para ligas levesé possível a avaliação de materiais de até 120 mm de espessura de parede. No entanto para aços, uma espessura de parede de até 10 mm é mensurável [6].

Há cerca de uma década não era possível aplicar a tecnologia de Metrotomografia® devido a ineficiência no processamento de dados. O Metrotom realiza a medição de infinitas seções transversais de raios-X, que posteriormente formam um modelo de CAD4 em três dimensões. O número de pontos gerados na representação do modelo é extremamente volumoso e somente com o avanço tecnológico dos processadores tornou-se possível obter o desempenho e velocidades necessárias para a utilização do modelo matemático de reconstrução.

A Metrotomografia possibilita uma grande quantidade de processos de análise. Espessura de paredes, distâncias, furos, raios e ângulos podem ser medidos em toda estrutura interna ou externa de uma peça. Além disso, os resultados das análises internas podem ser representados em milhões de pontos e comparados matematicamente com a geometria obtida de um programa CAD. Ademais, dados da Metrotomografia® podem ser utilizados tanto em Engenharia Reversa como em Prototipagem Rápida para a geração de um modelo de CAD. A Figura 4 ilustra as possibilidades de aplicação da Metrotomografia.

EXEMPLOS DE APLICAÇÕES

Dentre as diversas aplicações desta tecnologia, destacam-se as seguintes:

Controle de defeitos

Uma das aplicações mais freqüentes na área de Metrotomografia®, e que deu origem a esta tecnologia, é a detecção de defeitos internos como porosidades e trincas. Na Figura 5a é possível verificar a ocorrência de porosidades nas extremidades de um componente fundido, o que, possivelmente, poderia implicar em fratura do material.

 

Na Figura 5b está representada a verificação de existência de cavaco no interior de uma peça usinada. Em diversas situações os cavacos localizam- se em posições não visíveis externamente e existe a necessidade da detecção da posição do mesmo para sua posterior retirada. Na indústria de equipamentos médicos, muitas vezes faz-se necessária a limpeza completa no interior dos componentes, exigindo tal controle.
A Figura 5c ilustra um defeito de preenchimento de material em um componente de plástico injetado.

Outra aplicação que merece destaque diz respeito ao controle de montagem de conjuntos. Esta função é utilizada por empresas do setor eletrônico e de utensílios dom é s t i c o s, p o r exemplo, para verificar a estrutura do conjunto dos equipamentos e identificar possíveis falhas que acarretariam em um mau funcionamento do produto e, conseqüentemente, a redução da vida útil do mesmo. A Figura 5 d ilustra um mouse utilizado pela indústria da informática onde foi realizada uma avaliação de Metrotomografia® para verificar a disposição interna dos elementos e determinar dimensionalmente prováveis erros e distorções.

Metrologia dimensional

No projeto e fabricação de objetos de uso cotidiano como telefones celulares, barbeadores elétricos e escovas dentais, assim como de componentes de automação, o processo de controle de qualidade deve ser rigoroso e eficaz, pois é necessária a inspeção da peça em diferentes etapas de produção. Neste sentido, a Metrotomografia® é utilizada para a geração de dados rápidos e confiáveis. A Figura 6 ilustra o desenvolvimento de uma peça plástica e suas análises metrológicas, tais como análise de curvas, análise cromográfica e medições dimensionais específicas.

Comparação de geometria 3D

A partir da reconstrução da peça em 3D, através do modelo matemático, faz-se a comparação dos valores reais com as medidas e tolerâncias do modelo original.

 

A escala de cores representa os desvios entre a geometria analisada e o modelo de CAD. A cor vermelha indica os pontos fora de tolerância enquanto que o amarelo e o verde são os pontos que estão de acordo com os valores pré-estabelecidos.

As análises de peças de alta complexidade técnica são realizadas em um curto período de tempo, porém com alta qualidade de definição e reprodutividade. A medição destas peças em nível de produção é realizada de forma automática através de parâmetros pré-determinados em programas computacionais.

Através de um programa de medição, determinadas partes da peça são controladas com as tolerâncias e características dedicadas a cada função, tal como ocorre em uma máquina de medição por coordenadas com a utilização do mesmo programa de medição.
A Figura 7 ilustra a comparação dos valores dimensionais entre o modelo e a geometria gerada pela análise de um componente plástico.


 

 

Engenharia Reversa

A Engenharia Reversa é um dos temas de maior interesse para a indústria de moldes e matrizes, pois freqüentemente clientes procuram soluções para a fabricação de um produto final a partir de uma peça de demonstração e buscam alternativas de fornecedores de ferramental que possam realizar com qualidade o trabalho necessário. Freqüentemente tem-se disponível somente uma amostra do produto.

Com o processo de Metrotomografia é possível, em curto espaço de tempo, realizar uma tarefa de dias de trabalho na confecção de um modelo de CAD em 3D com a precisão desejada.
A Carl Zeiss 3D Services na cidade de Aalen – Alemanha – presta serviços há mais de três anos para clientes alemães e europeus na área de Metrotomografia e tem uma gama de mais de 300 clientes que contam com o apoio deste serviço.

Como nem todo cliente tem a necessidade e o capital necessário para o investimento neste tipo de tecnologia, o suporte técnico de profissionais capacitados e experientes tem auxiliado empresas de pequeno e médio porte a melhorar os seus produtos com o acesso a este equipamento.

Além disso, centros de suporte ao cliente estão sendo instalados em países como Japão e Estados Unidos.
Na Figura 8 é ilustrado o exemplo de uma máscara de oxigênio que foi construída em modelo 3D com o auxílio da Metrotomografia. O trabalho completo de análise e processamento de dados durou aproximadamente 1 hora e meia até a geração do modelo completo.

 

CONCLUSÃO

Graças à representação clara e precisa de geometrias internas e externas complexas, o método de Metrotomografia abre um novo campo de avaliação para as técnicas de inspeção de forma não destrutiva.
Com isso, torna-se possível uma clara redução de tempos e custos na cadeia produtiva, desde a concepção do projeto do componente, passando pela primeira amostra até a sua produção em série. A precisão de reprodutibilidade neste tipo de equipamento pode chegar a valores menores que 10µm.

Uma das principais contribuições desta tecnologia está aliada à aplicação do mesmo programa de medição utilizado nas máquinas de medição por coordenadas do fabricante do equipamento, Carl Zeiss Industrielle Messtechnik, de Oberkochen na Alemanha. A utilização dos mesmos métodos de análise metrológica traz grandes avanços na confiabilidade e qualidade dos resultados.

A tecnologia de Metrotomografia é para o metrologista a porta de acesso para a análise conjunta de forma e defeitos internos. Para o projetista, a entrada mais cedo no processo de controle de qualidade e certificação de seu produto. Já para as empresas representa a redução nas etapas de projeto e significativa queda nos custos com aumento de produtividade, qualidade e tempo de entrega.

A técnica de Metrotomografia já é aplicada em empresas como Motorola, Festo, Robert Bosch, Gaudlitz, Braun, entre outras.
A primeira instalação, de forma pioneira na América Latina será realizada no início do ano de 2008 na empresa Andreas Stihl Moto- Serras Ltda., de São Leopoldo – RS, onde, depois de três anos de intensos estudos optou-se para o uso dessa tecnologia na fábrica do Brasil.

Fonte: Revista Ferramental

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