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Metrología 3D:

Exactitud de 30.000 puntos de información por segundo. Jose Luis Ordóñez Jiménez Periodista Metal Actual.

Metrología Tridimensional, más Rápida y Precisa.

En la actualidad la metrología tridimensional gracias a sus brazos robóticos, escáner y pulsadores, dotados con luz blanca, láser o sistemas de pulsos, permiten tomar las dimensiones exactas de una pieza, para crear objetos en 3D con datos tan exactos, como la micra.

Con la afirmación hecha por el químico francés Antoine Lavoisier “nada más grande ni más sublime ha salido de las manos del hombre, desde el Sistema Métrico Decimal”, refiriéndose a la unificación de las unidades de medición, utilizada por primera vez en Francia; se evidenció la evolución que ha tenido la forma en que el hombre mide con precisión, un lugar, un objeto o la distancia entre ellos. Pero si bien la implementación de este sistema de medición permitió generar medidas correctas, útiles a diferentes sectores industriales, sin importar el país en el que se tomaran, la necesidad de desarrollar mecanismos que permitan conocer las dimensiones de un objeto, del cual no se tienen los diseños originales para su reproducción

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de manera exacta, dio paso a una nueva técnica de medición conocida en la actualidad como metrología tridimensional, con la que se puede realizar procesos de mediciones físicas con gran exactitud en objetos con pocos milímetros de espesor, o grandes magnitudes como automóviles o hangares.

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El principio de la metrología tridimensional se basa en el recorrido que hacen, sobre la superficie de la pieza, los diferentes equipos diseñados para tal fin, con el objetivo de capturar la mayor cantidad de datos, para que estos sean procesados por los software de parametrización, que vienen incorporados en estos sistemas –y que varían de nombre, dependiendo de la máquina adquirida–.

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Esta técnica, extremadamente precisa, permite la conexión entre el mundo físico y el mundo virtual, mediante el procesamiento de datos, tales como posición, diámetro, ángulo y rugosidad de superficies y objetos, capturados por medio de diferentes sistemas de medición 3D, como las máquinas de medición por coordenadas (MMC), proyección de una línea láser, luz blanca, láser tracker o sistemas de Inspección de tubos, con los que se crean modelos virtuales precisos, que permitan el estudio de la pieza, su corrección o una eventual fabricación.

Los MMC cuentan con un brazo que se desplaza sobre la pieza a copiar, para capturar los datos de geometría con palpado o punto a punto.

Este procesamiento de datos, permite crear un modelo virtual de la pieza y generar los patrones de diseño necesarios para su reproducción. De igual manera estos datos pueden ser leídos por sistemas como el CAD (Diseño Asistido por Computadora), y CAM (Manufactura Asistida por Computadora), los cuales asimilan la información del diseño, y permiten generar rutas de corte para la fabricación de piezas en un proceso de mecanizado. La metrología tridimensional, –que en la actualidad se pueden encontrar en sistemas con brazo robótico, máquinas estacionarias o escáner, desarrolladas en dispositivos estáticos o portátiles, los cuales permiten su fácil transporte y manejo– hace que el proceso de medición de objetos

La metrología tridimensional, permite capturar imágenes para hacer una reproducción exacta de una pieza, de manera virtual, para posteriormente poderla llevar a una máquina de mecanizado.

y lugares, se realice en menor tiempo y con una mayor precisión, que permite a los sistemas de desarrollo como los CNC, apoyados en software de programación y la información brindada por las metrología 3D, generar en las empresas producciones en serie con una mayor rapidez y calidad. • Medición por Coordenadas: Uno de los sistemas en los que se apoya la metrología tridimensional son las máquinas de medición por coordenadas (MMC), las cuales están diseñadas para realizar mediciones dimensionales de objetos con forma simple o compleja, basándose en un dispositivo que mediante la técnica de copiado de imagen, puede obtener información en los planos X, Y, Z, –largo, ancho, profundidad– simultáneamente, gracias a que estas máquinas están equipadas con componentes móviles, que se desplazan por guías laterales, para proporcionar coordenadas pertenecientes a cada una de las partes y ángulos de la pieza a copiar. Para tomar los datos de medición requeridos, este sistema hace contacto sobre las piezas mediante cabezas de palpación, con las cuales cada vez que el sistema toca el área indicada, se adquieren datos o coordenadas de medición, que son procesados por el software de parametrización, con los que genera una figura virtual de la pieza real. Para la recopilación de datos los brazos de las máquinas MMC cuentan con sensores o cabezas

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en la superficie de la pieza, generando por medio del software que acompaña este sistema, un modelo en 3D a partir de los puntos creados por el escaneo, calculados con base en la arquitectura del objeto, con un rango de 30.000 puntos por segundo, lo cual permite que la densidad de información sea mayor que los MMC, y una precisión de 84 micrones por punto.

Para una mayor exactitud en cada medición con el sistema MMC, las agujas encargadas de “palpar” el objeto, se pueden cambiar a medida que se recorre la pieza.

El volumen de medición que presta el escaneo láser, de hasta 30 metros, se da gracias a que su manejo no requiere de brazos fijos, esto incrementa su productividad y reduce el tiempo de copiado de una pieza o máquina, en un 50 por ciento. De igual manera, su rango de incidencia en cuanto al haz de luz generado por el láser, puede ser utilizado en inclinaciones de ± 45° y giros de 360°, en cualquier condición de luz.

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intercambiables, que permiten una velocidad de adquisición de 30.000 puntos por segundo, con precisiones de medida que llegan a los 30 micrones, en donde cada micrón equivalente a una millonésima parte de un metro. Estos sistemas están diseñados en modelos compactos que tienen un peso aproximado del hasta 315 kg, con brazos de 10.3 kg, rangos de medición de 2 mm hasta 4,5 mm, y una precisión volumétrica de ± 0.061 mm a ± 0.198 mm, y modelos de gran capacidad –que pueden pesar varias toneladas– utilizados para mediciones con rangos en X,Y,Z, de 3000 x 3000 x 2000 mm, hasta los 6000 x 4000 x 3000 mm. Actualmente, existen brazos de medición con sistema de encoder absoluto –reglas de lectura que le dan precisión al brazo–, lo que permite al brazo iniciar la tarea de captación de datos de manera instantánea, sin necesidad que el usuario le de puntos de referencia o puntos de partida, a comparación de modelos de años anteriores, en donde, antes de iniciar con la recolección de datos, los brazos se debían mover automáticamente para calibrar sus puntos de medición,

con lo que iniciar el proceso requería un rango mayor de tiempo. • Escáner Láser: La metrología basada en sistemas de escáner láser para el procesamiento de imágenes, se realiza mediante la proyección de una línea láser, la cual hace un barrido

Modelos de escáner existentes en el mercado, permiten el ajuste de la potencia láser de manera automática, para obtener escaneos manuales de alta velocidad, con mejores resultados de medición en diferentes tipos de superficie, independiente del objeto a escanear. En una de las variaciones desarrolladas para este tipo de medición,

El escáner láser utilizado para la metrología tridimensional, se pueden usar de manera directa, o pueden ser adaptados a los brazos utilizados por los MMC

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el escáner puede acoplarse rápida y fácilmente como un sensor a un brazo de medición MMC fija. Además, por ser un sistema más pequeño, ligero y práctico, permite soluciones confiables en cualquier tipo de empresa. • Escáner Luz Blanca: El sistema de escáner de luz blanca, es un potente sistema de medición que proyecta un patrón de luz aleatorio sobre el objeto, a medida que el escáner –portátil o de brazo– es movido alrededor de este, para hacer una captura simultánea de 16 cuadros por segundo, mediante las cámaras de alta resolución que trae incorporado el sistema, que registra imágenes nítidas utilizadas para la creación virtual de características tan específicas como fisuras, orificios, bordes y texturas. Los sensores con los que viene equipado esta máquina, activa una captura simultánea del área de interés, con hasta 2.000.000 puntos por segundo, que generan una representación en 3D del objeto con una precisión por punto de 0,1 mm, en áreas de escaneo de 214 mm de ancho por 148 mm de alto, de cerca, y 536 mm de ancho por 371 mm de largo en rangos lejanos al objeto a escanear.

Precisión de la metrología tridimensional

Medición por coordenadas Escáner láser Escáner luz blanca Láser tracker

Puntos por Segundo 30.000 30.000 2.000.000 1.000

Precisión por punto 30 micras 84 micras 100 micras 10 micras

Para los sistemas de escaneo láser tacker, la precisión por punto varía dependiendo la distancia del objeto a medir.

Los datos recopilados por este conjunto de luces y cámaras, son enviados a un software en el cual se perfecciona el objeto escaneado, en cuanto a brillos de luces ajenas a la pieza, objetos no deseados como mesas o sombras, para posteriormente tener una imagen perfecta, y poder enviar esta información a un software de parametrización, para que esta pueda ser usada en cualquier programa de diseño o mecanizado. Este tipo de escáner es ideal para trabajos de medición que requieran de un proceso rápido, preciso, de fácil acceso a la pieza a copiar, y obtener datos visuales de una pieza como texturas en alta resolución, lo que permite que esta técnica sea empleada en diversos materiales, que no sean translucidos. Si bien este es uno de los métodos más precisos para medir piezas mayores a 5 mm, es necesario un ambiente con baja intensidad de luz, para que esta no interfiera en el resultado de la imagen tridimensional final. Para Eugenio Durán, diseñador y programador 3D de Moltiplast de Colombia Ltda, equipos de escáner por luz blanca como el Artec Eva, el cual utilizan para escaneos rápidos de objetos mayores de 5 cm, debido a que no requieren de marcadores para obtener los datos, ni de procesos de calibración de sus componentes, –como el caso de algunos tipos de escáner láser– genera de manera rápida, una alta calidad y cantidad de datos capturados, lo que permite a los modelos texturizados por este escáner, ser usados en WWW.METALACTUAL.COM

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Los sistemas de digitalización por Luz Blanca, no necesitan de calibración para iniciar la captura de imágenes.

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industrias como la mecánica, y animación por igual. • Láser Tracker: Si bien los sistemas MMC, escaneo láser o luz blanca, son ideales para dimensionar pequeñas piezas de maquinaria, hasta diferentes partes de automóviles o grandes máquinas; los láser tracker se utilizan para la medición manual de piezas de grandes dimensiones en el sector eólico, aeronáutico, metal mecánico y naval, para determinar la longitud estructuras como bodegas, fuselajes de aviones y barcos.

dotado de una cámara con obturador, que se activa a la misma frecuencia en la que el dispositivo de señal emite la luz, de este modo, la máquina láser puede ajustar de forma efectiva, todas las demás fuentes de luz, sin que ellas afecten su comportamiento al momento de capturar los datos de un objeto. • Sistema de Inspección de Tubos: Este sistema de escaneo, para la inspección de tubos, es ideal para determinar las longitudes de un

Los láser tracker o dispositivo de seguimiento, incorporan codificadores giratorios y medidores de distancias láser, que permiten medir la posición espacial de un objeto, mediante elementos de referencia como esferas retro reflectivas, que tienen como objetivo generan los puntos de información necesarios, para el procesamiento de datos, con la captura de hasta 1000 puntos de información por segundo.

Ejemplo de ello es el sistema Absolute Tracker AT901, un dispositivo de señal que emite luz infrarroja,

Al verificar las medidas de un tubo mediante este sistema, que utiliza sensores láser sin necesidad de contacto directo con el material, se garantiza que los tubos conserven su forma durante el proceso de medición, lo que permite adquirir información en materiales como cables redondos metálicos y no metálicos, y tubería usada en casi cualquier industria, con ángulos de hasta 180°, y diámetros de 130 mm, sin problema. De igual manera, al momento de inspeccionar un tubo con diferentes grosores, uniones, salientes u otras características geométricas, el sistema está diseñado para poder intercambiar los sensores –sin necesidad de calibración, o preparación de la máquina– lo que permite generar datos exactos, sin interrumpir el proceso de escaneo. En la actualidad existen sistemas de medición de tubos compatibles con los brazos MMC, que permiten una medición compleja para piezas metálicas con diferentes diámetros, valiéndose de los parámetros de los MMC, utilizando un mismo brazo.

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La metrología basada en este sistema, proporcionan medidas tridimensionales con una precisión de 10 micrones a una distancia de 80 metros. Uno de los adelantos más destacados en este método, es el hecho de que la luz del medioambiente o las chispas de soldadura, en medio de las áreas a medir, no afectan su funcionamiento.

tubo, sus ángulos de doblado y elasticidad. Estos datos pueden ser enviados en diferentes formatos, a los sistemas de cómputo requerido, o de ser necesario, de manera directa a la máquina que adelanta el proceso de doblado de tubos.

Estos sistemas pueden alcanzar un volumen de medición de 320 m, con rotación horizontal de 360˚ y vertical de 145˚.

Según el Ingeniero Héctor Lozada, representante de Hexagon Metrology Argentina, en ese país al igual que otras industrias de América Latina, anteriormente se manejaba de forma manual la medición de una pieza, posteriormente se dio paso a la automatización de esas mediciones, con la puesta en funcionamiento de máquinas que por contacto, miden la totalidad de un objeto; hoy en día, principalmente la industria automotriz, utilizan elementos de medición sin contacto, (láser y láser tracker) con robots capaces de medir, hasta una distancia de 320 metros de diámetro, lo que ha generado una solución viable a empresas de diferentes sectores.

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Las puntas intercambiables, para inspeccionar tubos pueden variar de 4 a 13 milímetros.

Los sistemas de metrología 3D, representan en diferentes países una valiosa herramienta en la medición de objetos, piezas y maquinaria industrial, los cuales mejoran la calidad en los resultados obtenidos, ya que los errores de mediciones se minimizan, gracias a que estos sistemas pueden ser manejados de manera fácil por operarios con básicos conocimientos en programas de diseño y mecanizado. Costos aproximados de maquinaria para Metrología 3D

Sistemas de escaneo con brazos y láser externo Sistemas de escaneo con brazos y láser integrado Sistemas para inspección de tubos (dependiendo de la extensión del brazo, precisión, número de palpadores, trípode, software de medición). Sistemas láser tracker Sistemas de escáner de luz blanca con brazo Sistemas de escáner de luz blanca portátiles

U$ 80.000,00 a U$ 140.000,00 U$ 70.000,00 a U$ 120.000,00 U$ 60.000,00 a U$ 95.000,00 U$ 180.000,00 a U$ 250.000,00 U$ 250.000,00 a U$ 320.000,00 U$ 14.000 a U$ 19.900

Para todos los sistemas, los precios varían entre las versiones manuales, automáticas, sistemas con brazos o portátiles.

Finalmente, las mediciones basadas en la metrología 3D, se presentan como soluciones integrales –en la industria electrónica y mecánica por igual– direccionadas al mejoramiento en procesos de diseño y fabricación de piezas únicas y en serie, de las cuales se desconocen sus magnitudes, o se requiere una mejora en las dimensiones de esta, lo que permite alcanzar una mejor calidad en los productos, incorporando avances en los diseños de cada uno ellos, resaltando los aportes en eficiencia de este sistema, que día a día es más utilizado. Fuentes • Eugenio Durán. Diseñador y Programador 3D. Moltiplast de Colombia Ltda. [email protected] • Victor Prieto. Ingeniero de Servicio Imocom. [email protected] • Héctor Lozada. Representante en Argentina Hexagón Metrology. [email protected] • www.moltiplast.com - www.viewshape.com/galleries/144 - www. hexagonmetrology.com.ar

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