CAPITOLO 6
Il controllo di qualità ispettivo ed il “Geometric
Dimensioning & Tolerancing ( GD&T )”
L’ultima fase applicativa della tesi ha interessato l’elaborazione dei dati raccolti in ambiente Raindrop Geomagic Qualify per verificare la fattibilità o meno del controllo di qualità ispettivo mediante sistema ottico ( Scanner 3D ) a basso costo.
Il software utilizzato prevede alcuni algoritmi che si adattano specificatamente alla nostra analisi, tra i quali il “ 3D-Compare “, già ampiamente trattato nei capitoli precedenti ed il “ Geometric Dimensioning & Tolerancing “.
Quest’ultimo algoritmo, noto con la sigla “ GD&T “, comprende una serie di controlli dimensionali e di forma, valutabili mediante il confronto tridimensionale tra il modello IGES di riferimento e la nuvola di punti ottenuta dall’acquisizione digitale 3-D del segmento statorico.
Figura 6.1 Modello CAD della Paletta Statorica ( Vane – Single shot ) e del segmento statorico.
La paletta statorica ( fig. 6.1 ), caratterizzata da una geometria molto complessa, è realizzata mediante fusione di tipo monocristallo e si presenta sotto forma di singola fusione ( single shot - vane ).
Attraverso un procedimento di brasatura di sei single shot vengono realizzati i segmenti statorici utilizzati per assemblare il disco statorico del 5° stadio della turbina di bassa pressione del turbofan.
La fase più delicata nella realizzazione del segmento interessa la brasatura strutturale dei sei vane, per la quale si richiede un accurato allineamento dei codoli superiori ed inferiori al fine di garantire una buona riuscita della brasatura ed evitare discontinuità nel condotto aerodinamico, garantendo le tolleranze di forma e di posizione richieste dalla specifica di progetto.
Come è stato accennato precedentemente, l’ambiente di lavoro utilizzato è stato il software della Raindrop® : Geomagic Qualify 7. Le funzionalità fornite dal software nel campo del collaudo dimensionale per elementi di turbo-macchine sono state di particolare interesse al fine di valutare la fattibilità di un controllo di qualità tra il modello CAD ed il modello acquisito con un sistema ottico a basso costo.
La funzione “ GD&T ” permette all’utilizzatore di creare in modo automatico un qualsiasi controllo di forma e/o posizione, attraverso le semplici operazioni di selezione delle superfici appartenenti al modello CAD di riferimento, caratterizzando il modello stesso con una serie di indicazioni dettagliate relative alle verifiche effettuabili.
Figura 6.2 Particolare della sezione del codolo superiore del segmento statorico ed indicazioni dei controlli di forma e di posizione richiesti.
In base ai disegni di progetto ( fig. 6.2 ), sono stati costruiti alcuni piani di riferimento ( Datum A, B, C, D etc.; fig. 6.3) sul modello CAD, rispetto ai quali sono stati successivamente definiti i controlli di forma richiesti.
Figura 6.3 Piani di riferimento ( Datums ) A, B e C relativi alla realizzazione dei single shot di fusione.
Conseguentemente è stato eseguito un controllo di forma per elementi isolati ( forma di superficie qualunque ) mediante la funzione “ Callouts “, selezionando le superfici di interesse, i riferimenti necessari ed il campo di tolleranza ammissibile ( fig. 6.4 ).
La valutazione dei controlli GD&T può essere eseguita solo dopo aver determinato le deviazioni standard tra il modello Reference ( modello CAD ) ed il modello Test ( nuvola di punti complessiva ), mediante il confronto tridimensionale.
Eseguito pertanto il 3D Compare, il software fornisce una rappresentazione degli scostamenti della nuvola attraverso un gradiente cromatico sulle zone interessate dai Callouts richiesti ( fig. 6.5 ).
Figura 6.5 Valutazione dei Callouts di controllo in ambito GD&T.
In particolare il “ Callouts ” qui evidenziato interessa un controllo di forma di superficie qualunque del bordo appartenente al codolo superiore, indicato dal datum -E- nella figura 6.2. Questo ha permesso di valutare la profondità minima di una zona che risulta essere simmetrica rispetto al centro del campo di tolleranza e che include tutti i punti della nuvola misurati, trascurando i punti esterni a tale zona.
Come si può bene vedere tale verifica ha avuto un esito negativo, ciò nonostante fornisce utili informazioni relative alla fabbricazione del segmento statorico. Si può infatti ritenere che la brasatura dei sei vanes non sia stata eseguita in modo corretto oppure la
fusione di ogni single-shot non sia stata conforme alle specifiche di progetto, così come le lavorazioni alle macchine utensili ( fig. 6.6 ).
Figura 6.6 Asse di Curvatura di riferimento per la fusione e la lavorazione alle macchine utensili di ogni single-shot.
Difatti la gradazione cromatica del bordo d’interesse ( fig. 6.5 ) evidenzia una disposizione dei vanes rispetto all’asse di curvatura di riferimento caratterizzata da un raggio di curvatura crescente, passando rispettivamente dalla gradazione azzurra, corrispondente ad un diametro più piccolo, alla gradazione rossa.
Figura 6.7 Callouts per controllo di forma di una superficie qualunque.
Tale valutazione potrebbe essere errata poiché attribuibile ad un non perfetto allineamento delle varie patch di punti nella realizzazione del modello nuvola finale.
Tuttavia l’esecuzione di un ulteriore Callouts di controllo GD&T, relativamente all’altro bordo appartenente al codolo superiore del segmento statorico, ha permesso di convalidare l’analisi accennata precedentemente ( fig. 6.7 ). L’immagine, difatti, mostra una gradazione cromatica identica a quella relativa al bordo analizzato.
La verifica di forma eseguita successivamente ha interessato la parte inferiore di un bordo del codolo superiore indicato dal datum -F- nella figura 6.2.
L’esito positivo del controllo di forma suddetto permette di restringere le ipotesi fatte precedentemente, ritenendo che le parti esterne dei bordi del codolo superiore non siano state lavorate nel rispetto delle tolleranze di progetto ( fig. 6.8 ).
Figura 6.8 Callouts per controllo di forma di una superficie qualunque.
Successivamente è stato preso in analisi il codolo inferiore del segmento statorico. In questo caso la verifica GD&T eseguita attraverso il callout di forma di una superficie qualunque ha fornito un risultato negativo, probabilmente anche in funzione della geometria a nido d’ape ( fig. 6.9 ) difficilmente rilevabile nella sua interezza con lo Scanner 3D ( fig 6.10 ).
Figura 6.9 Particolare della sezione del codolo inferiore del segmento statorico ed indicazioni delle tolleranze di forma.
Tuttavia questa verifica di forma ha evidenziato un raggio di curvatura per il codolo inferiore del modello test decisamente più piccolo rispetto al modello reference.
Figura 6.10 Particolare della sezione del codolo inferiore del segmento statorico ed indicazioni delle tolleranze di forma.
Inoltre sono visibili alcune differenze di dimensione tra la struttura a nido d’ape rilevata e l’analoga parte nel modello CAD, osservabili nella zona grigia della nuvola di punti ( tale colorazione è dovuta all’assenza del confronto GD&T tra il modello test ed il modello reference ).
Tale aspetto è stato approfondito mediante un ulteriore strumento di analisi che il software Geomagic Qualify 7 fornisce. La funzione 2D-Dimensions è uno strumento di misura bidimensionale che consente di quotare sia il modello CAD di riferimento sia il modello nuvola acquisito.
La quotatura avviene su un piano di sezione comune ad entrambi i modelli. L’utilizzatore è tenuto a selezionare due zone, appartenenti alla nuvola di punti, che individuano la dimensione da misurare. Il software fornisce tale dimensione ed automaticamente individua la dimensione coniugata appartenente al modello CAD (fig. 6.11 ).
Figura 6.11 Sezione 2-D tramite datum -C- per la valutazione dimensionale della struttura a nido d’ape.
Utilizzando il datum -C- come piano di sezione per entrambi i modelli è stato possibile valutare la larghezza e l’altezza della struttura a nido d’ape. Il confronto con le dimensioni nominali, automaticamente elaborate dal software, ha evidenziato un aumento rispettivamente di 6.844 mm per la larghezza e 0.857 mm per l’altezza.
Il piano di riferimento -C- è stato utilizzato anche per effettuare alcuni controlli dimensionali, relativi alle posizioni dei bordi del codolo inferiore e del codolo superiore rispetto ai datum -E- e -D- ( fig. 6.12 ).
Figura 6.12 Sezione 2-D tramite datum -C- per la valutazione di alcune quote di posizione.
In questo caso lo strumento di analisi 2D-Dimensions consente all’utilizzatore di individuare la dimensione d’interesse selezionando il datum opportuno e successivamente la zona di punti adiacente al profilo del modello CAD.
Il software, nella valutazione della dimensione nominale ( rispetto al modello Reference ) e della dimensione misurata ( rispetto al modello Test ), offre la possibilità di scegliere diverse tipologie di selezione in funzione della dislocazione dei punti rispetto al profilo del modello CAD ( fig. 6.13 ).
Figura 6.13 Particolare della Sezione 2-D del segmento statorico che rappresenta la disposizione dei punti apparteneti al modello Test rispetto al profilo del
modello Reference.
Nel nostro caso la scelta è stata quella di utilizzare un algoritmo di interpolazione dei punti esterni rispetto al profilo CAD, scelta che ha permesso di determinare in modo automatico la corretta dimensione nominale da verificare e la quota coniugata, misurata sul modello Nuvola ( fig. 6.14 ).
Figura 6.14 Verifica 2D-Dimensions delle quote di posizione.
La verifica dimensionale qui rappresentata ha fornito esito positivo nella valutazione di due quote tollerate, numericamente più piccole delle altre tre, indicate in figura con la Dim. 3 e Dim. 7 .
Questo risultato dipende fondamentalmente dalla modalità di costruzione del modello nuvola e pertanto dall’assemblaggio delle varie patch di punti.
Le due quote più piccole sono relative ad alcune parti del segmento statorico rilevate attraverso il sistema ottico di digitalizzazione 3-D in una singola acquisizione. Ciò consente di conservare con maggiore precisione le dimensioni dell’ oggetto reale.
Le restanti quote, la cui verifica ha fornito esito negativo, sono relative all’ingombro massimo del segmento statorico sul piano di sezione -C-.
Pertanto tali dimensioni appartengono a nuvole di punti rilevate con un maggior numero di acquisizioni e caratterizzate anche da posizionamenti diversi dello Scanner 3-D.
In quest’ultimo caso sono presenti più fattori d’influenza nella valutazione della dimensione, fattori come l’assemblaggio delle nuvole di punti ed il posizionamento dello Scanner, i quali rendono la misura meno precisa.
Le analisi di confronto tra il modello digitale acquisito ed il modello CAD di riferimento discusse in questo capitolo sono state estratte da un Report di analisi ( Allegato B) che il software Geomagic Qualify 7 consente di realizzare.
