Captura automática de geometría basada en láser para el análisis de elementos finitos de cordones de soldadura

Resumen

Se describe un proceso para adquirir metrología casi en tiempo real de cordones de soldadura y preparar la geometría resultante automáticamente para el análisis de elementos finitos.

Resumen

La soldadura por fusión para la fabricación de alto valor requiere estrictos controles de proceso sobre la distorsión de los componentes y la determinación de los niveles de tensión residual impartidos al componente terminado. El proceso depende del control de una gran cantidad de parámetros, centrándose principalmente en garantizar una fusión adecuada del material original y los consumibles. Los altos gradientes térmicos que se imparten durante el proceso pueden provocar una distorsión significativa si no se controlan y altos niveles de tensión residual si el componente está completamente restringido. El análisis de elementos finitos se aplica comúnmente en los procesos de soldadura por fusión para predecir la distorsión. Estos modelos, sin embargo, utilizan casi exclusivamente una geometría idealizada o simplificada definida antes del inicio del proceso, que puede no ser representativa del componente final. Se describe un protocolo para capturar la forma real de una sola deposición de cordón de soldadura dentro de un sistema de coordenadas único utilizando un sistema de escaneo láser y convertir esta geometría capturada en una forma que se puede incorporar inmediatamente en análisis de elementos finitos. Esto permite que el modelo de elementos finitos se llene rápidamente con una geometría representativa de la deposición real con una entrada de usuario limitada.

Introducción

La soldadura por fusión se utiliza para la unión permanente de componentes metálicos mediante la fusión localizada de materiales principales y de relleno. Estos materiales de relleno tienen forma de alambre o varilla. La fuente de calor para efectuar esta fusión puede variar¹, pero en todos los casos, tanto el padre como el relleno están expuestos a altas temperaturas y gradientes. Estas excursiones térmicas pueden provocar una distorsión significativa, cambios en las propiedades del material e inducir tensiones residuales dentro del componente tanto durante el proceso de soldadura como durante el enfriamiento. Como estos efectos secundarios pueden ser extremadamente perjudiciales para la vida útil o la viabilidad de los componentes de alto valor, los procesos de soldadura a menudo se modelan mediante el método de elementos finitos (FE) para determinar el historial térmico, la distorsión y la tensión residual². Dichos modelos generalmente usan una geometría simplificada o idealizada de la soldadura y el material principal, que se determina antes de que se realice cualquier soldadura, en lugar de usar una geometría basada en la deposición 3D completa, incluidas las ubicaciones de inicio y parada de la soldadura. La soldadura multipasada reproducible se puede lograr utilizando sistemas automatizados donde la antorcha de soldadura es manipulada por un brazo robótico. Cabe señalar que algunos aparatos utilizados para la soldadura por arco automatizada también se pueden utilizar para la fabricación aditiva por deposición de energía directa, que se conoce como arco de deposición de energía dirigida (DED-Arc) o fabricación aditiva por arco de alambre³ (WAAM). Los mismos enfoques de modelado predictivo se emplean típicamente también para WAAM que para unir⁴.

WAAM puede producir componentes 3D en una forma casi neta combinando selectivamente muchas capas de material depositado. WAAM se ha utilizado en el pasado para crear paredes y otras formas geométricas⁵, tuberías⁶, así como componentes con topologías más complicadas, como álabes de turbina⁷. Debido al mayor número de ciclos térmicos en comparación con la unión y al aumento del material depositado, la distorsión de dichos componentes WAAM puede llegar a ser significativa. Como tal, cualquier modelo de FE implementado que refleje este proceso puede ver su precisión socavada por la geometría de impresión idealizada o presunta. La distorsión del sustrato puede limitarse durante la deposición mediante una mayor restricción mecánica. Sin embargo, esto también aumentará el nivel de tensión residual en el componente final, lo que tampoco es deseable.

Tradicionalmente, la inspección de la geometría posterior a la soldadura se puede lograr manualmente con herramientas de inspección⁸ o seccionando transversalmente la deposición y el sustrato para revelar el perfil de la soldadura, incluido el material depositado, la región fundida del material base y las zonas afectadas por el calor⁹. Las herramientas manuales de inspección geométrica, aunque son buenas para proporcionar información sobre la extensión de la deposición, requieren que el operador interrumpa la rutina automatizada para realizar cualquier medición y transcribir los datos obtenidos. Del mismo modo, la sección transversal proporciona una representación muy precisa de la soldadura, pero es destructiva y requiere múltiples pasos de preparación, que deben llevarse a cabo externamente a los lugares de fabricación. Ambos enfoques solo proporcionan información sobre el perfil del cordón en ubicaciones específicas medidas, que, para la sección transversal, pueden ser un solo perfil. Por el contrario, los escáneres láser tienen la ventaja de evaluar rápidamente el perfil de soldadura sin la necesidad de extraer la muestra de la celda de soldadura y tienen el potencial de capturar con alta resolución toda la deposición. El monitoreo de la geometría real del cordón durante la soldadura con sistemas láser se ha empleado^10,11 de la misma manera que se emplea comúnmente en el conformado de metales¹². También se han utilizado sistemas láser para capturar la geometría WAAM¹⁰. Sin embargo, los pasos específicos tomados para procesar estos datos para incluirlos o compararlos con el análisis de FE no se han descrito bien. El presente trabajo presenta un nuevo protocolo para el uso de un escáner láser automatizado para monitorear la evolución de la geometría de la soldadura entre pasadas de deposición e integrar la geometría registrada para actualizar un análisis de elementos finitos (FEA), como se realiza con el paquete comercial ABAQUS. La capacidad de capturar automáticamente el cordón de soldadura in situ y convertir el cordón de soldadura en una geometría de entrada de FE con una entrada de usuario limitada es un paso hacia la fabricación inteligente.

La captura de geometría empleada en el presente trabajo es un escaneo completo de una soldadura, facilitado por la integración del escáner con un brazo robótico con seis grados de libertad que es distinto y separado del brazo robótico que controla la deposición. Esto es una desviación de la implementación anterior de los sistemas de escaneo láser, que fueron diseñados para sondear la geometría en ubicaciones específicas, ya sea por medios manuales¹³, fijos pero limitados por la extensión de una etapa de muestra^10,11, o donde el escáner láser está conectado al mismo brazo robótico que la antorcha de soldadura⁸. El presente enfoque permite capturar la geometría completa del cordón independientemente de la ubicación de deposición dentro de la celda, en el sistema de coordenadas de la celda de soldadura, sin la necesidad de accesorios personalizados o algoritmos complicados.

La geometría capturada se puede utilizar para predecir factores importantes como el historial de temperatura durante la deposición. Cuando se combina con datos de termopar adecuados, también se puede simular la distorsión y la tensión residual, que es adyacente al trabajo actual. Esto tiene el potencial de mejorar la fabricación al permitir un rápido modelado de procesos de soldadura en el mundo real. La naturaleza automatizada de la captura de geometría proporciona una vía para vincular los parámetros de soldadura con la geometría resultante. Esto, a su vez, se puede utilizar para el desarrollo de un mejor control de procesos y planificación de rutas. La soldadura manual actual se basa en la habilidad del operador para controlar la salida. La soldadura robótica agrega consistencia pero limita la oportunidad de tomar decisiones sobre la marcha. La captura del perfil del cordón entre pasadas permitirá modificar la programación de la siguiente pasada del cordón si se desea y, combinada con el modelado de procesos, tiene el potencial de mejorar las tasas de producción, las propiedades del material y la vida útil de las piezas. El presente protocolo se ejemplifica con un solo caso de ejemplo de cuenta sobre placa para demostrar el flujo de trabajo desarrollado.

Configuración de la celda de soldadura y el equipo utilizado
La celda de soldadura en cuestión consta de brazos robóticos con los accesorios necesarios para realizar la soldadura (denominada robot de soldadura) y escaneo láser (denominado robot de escaneo). La celda del sujeto se muestra en la Figura 1. Estos robots se pueden controlar a través de una interfaz de programación que entiende KUKA Robot Language (KRL)¹⁴, un lenguaje de programación funcional que le da al robot las instrucciones necesarias, que son interpretadas por los robots como movimientos articulares y motores. El sistema de soldadura funciona en modo de transferencia de metal en frío (CMT) y está equipado con TouchSense, una forma de búsqueda electrónica de puntos. El consumible utilizado fue un alambre de acero G3Si-120n de 1,2 mm de diámetro en presencia de una mezcla de gas argón/dióxido de carbono (80/20%). El sustrato empleado fue una placa de acero dulce G43 que se fijó mediante abrazaderas. La deposición impuesta fue una cuenta sobre placa con los parámetros dados en la Tabla 1. Se seleccionó esta combinación de parámetros de soldadura porque se sabía que creaba una deposición industrialmente representativa. El escáner láser empleado es capaz de escanear una línea de 2048 puntos simultáneamente, que se utilizó para adquirir datos a una frecuencia de 100 Hz. Además, se utilizó una máquina de medición de coordenadas (MMC) para proporcionar las dimensiones de un componente de calibración.

Los datos de metrología obtenidos de los escáneres láser requieren calibración. Esta necesidad de calibración es aún más importante cuando el escáner debe moverse para capturar una gran región con escaneos superpuestos. Si el escáner láser estuviera sesgado en relación con el sustrato o si el movimiento no fuera suave, habría distorsión en la geometría resultante, como se ilustra en la Figura 2. Además, el escáner solo registra información para la luz, que regresa al sensor; Por lo tanto, es común en la soldadura, que produce una superficie curva, no uniforme y altamente reflectante a medida que se solidifica el baño de fusión, que se pueda perder gran parte de la información espacial. Por lo tanto, para mejorar la probabilidad de que la forma que se registra represente la verdadera forma de la cuenta, se requiere cierto nivel de ajuste de la curva. En el caso más simple, una sola forma de cordón de soldadura se puede aproximar bien con una parábola¹⁵. Este enfoque ha sido utilizado por Hu et al. con sistemas de escaneo láser para calcular superposiciones de cuentas¹³. El siguiente protocolo empleará esta técnica de ajuste en el caso de ejemplo de una sola cuenta para crear una representación digital dentro del paquete FE seleccionado.

Protocolo

Se supone que ambos robots se han activado y se han sometido a cualquier diagnóstico de configuración para confirmar el cumplimiento de la posición, como las pruebas de frenos, y se han alojado.

1. Realizar la calibración

NOTA: Antes de que se pueda utilizar el escáner láser, debe calibrarse para garantizar que las distancias que percibe sean representativas de las distancias reales. Este puede no ser el caso de forma predeterminada, ya que si el escáner está en ángulo con la placa, esto creará un cambio trigonométrico en la distancia (Figura 2).

1. Para calibrar, escanee un componente de dimensiones conocidas, que sea rígido y preferiblemente metálico, con puntos fiduciales agregados en forma de esferas.
   NOTA: Estas esferas proporcionan una forma fácil de identificar que se puede ajustar para encontrar de manera confiable el centro de la esfera fiducial con un bajo número de puntos de datos y alta precisión. Un componente de ejemplo se muestra en la celda de soldadura en la Figura 3A. El flujo de trabajo de resumen utilizado para los pasos de calibración 1.1-1.13 se muestra en la Figura 4.
2. Coloque un mínimo de tres esferas fiduciales al azar en diferentes ubicaciones, por ejemplo, rodamientos de bolas estándar de más de 10 mm de clasificaciones ABEC de grado bajo a medio (por ejemplo, rodamientos de bolas de 15,875 mm de diámetro [0,625 ± 0,0001 pulgadas]). Fíjelos al componente con un medio adecuado, como una resina epoxi conductora, para garantizar una buena conductividad entre la esfera y la pieza de calibración. Utilice arandelas de radio adecuado (por ejemplo, 10 mm) para apoyar las esferas y mejorar el área de contacto de la superficie entre la esfera y el componente.
3. Localice las coordenadas de varios puntos en la superficie de las esferas fiduciales con una máquina de medición de coordenadas (CMM) como en la Figura 3C. Estas coordenadas se utilizarán para generar un datum virtual correspondiente al centro de cada una de las esferas fiduciales (Figura 3B).
   1. Antes de medir las esferas fiduciales, primero calibre el CCM colocando un punto de referencia de calibración con dimensiones conocidas en la bahía de la MMC. Este punto de referencia de calibración toma la forma de una esfera de cerámica de radio 29,993 mm incrustada en una varilla con un fondo roscado para que pueda atornillarse en la bahía de la MMC y sujetarse rígidamente.
   2. Atornille el punto de referencia de calibración en la bahía de la MMC.
   3. Con la punta de la MMC en la misma orientación que se utilizará para medir las esferas fiduciales para el componente de calibración de la celda de soldadura, ejecute la función de calibración automática dentro del software apropiado. Para comenzar a ejecutar la calibración de la punta de la MMC, con la MMC configurada en modo de medición , mueva la punta al contacto con la superficie superior del punto de referencia de calibración. Luego, el programa tomará el control, mapeará automáticamente la esfera de referencia y calibrará la punta de la MMC para la orientación actual.
   4. Una vez completada la calibración de la punta, guarde la calibración en un número de punta elegido, por ejemplo, el número de punta 1.
   5. Retire el punto de referencia de calibración de la MMC.
   6. Coloque el componente de calibración con las esferas fiduciales adjuntas en la bahía de la MMC. Elija una orientación y anote la orientación para futuras referencias, por ejemplo, utilizando una fotografía anotada con cada esfera fiducial numerada.
   7. Cree un programa para identificar puntos en cada una de las esferas fiduciales.
      1. Seleccione la punta con la sonda | cambiar sonda.
      2. Seleccione el contorno | mida el punto CNC y ponga la punta en contacto con la primera esfera fiducial. Repita para muchos puntos en el hemisferio superior de la primera esfera fiducial.
      3. Haga lo mismo para cada esfera fiducial, creando una nube de puntos para cada una de las superficies de la esfera.
         NOTA: En principio, se requiere un mínimo de tres puntos por esfera para ubicar el centro; sin embargo, se prefieren muchos más. Aquí, se empleó un mínimo de 12 puntos ubicados en la totalidad de la mitad, como se ilustra en la esfera ajustada de los puntos CMM en la Figura 3D. Los aspectos relacionados con la operación de la MMC para obtener puntos de superficie en la esfera fiducial variarán según el equipo utilizado.
4. Calcule las coordenadas del centro de las esferas fiduciales ajustando los puntos de superficie a una esfera mediante un enfoque de ajuste de mínimos cuadrados. Por ejemplo, esto podría lograrse usando el solucionador de mínimos cuadrados^{Numpy 16}.
5. Elija una de las esferas fiduciales para que actúe como origen del sistema de coordenadas de calibración. Reste esta coordenada de cada una de las esferas fiduciales para crear un sistema de coordenadas de pieza.
   NOTA: Suponiendo que el componente de calibración es rígido, una vez que se completa el procedimiento de CMM y se conocen los centros de las esferas fiduciales, las implementaciones futuras de este protocolo pueden omitir los pasos 1.2-1.5, ya que ya se conocen las dimensiones del componente de calibración y el sistema de coordenadas asociado.
6. Coloque el componente de calibración en la celda de soldadura en la misma orientación con respecto al origen cuando se mide en la MMC.
   NOTA: La orientación no es teóricamente importante, pero replicar la orientación original permite identificar más fácilmente cualquier error.
7. Configure el escaneo del componente de calibración con el escáner láser como se muestra en la Figura 5A. La salida tiene la forma de un archivo de coordenadas x,y,z.
   PRECAUCIÓN: El escáner láser es la fuente de radiación láser y, por lo tanto, puede ser peligroso si no se siguen los protocolos de seguridad láser. El uso de láseres de clase 2M e inferiores es necesario, ya que pueden cumplir la función requerida y, a menudo, se requiere un haz abierto.
8. Para el sistema láser ilustrativo empleado, mida cada esfera fiducial de 15.875 mm de diámetro y escanee a través de cada esfera fiducial con el escáner láser para medir el componente (Figura 5A). Trunque la salida de estos escaneos de líneas para eliminar cualquier información que se origine en el sustrato, utilizando una combinación de círculos en x e y alrededor de las posiciones conocidas de la bola y los umbrales de valor z. Utilice los puntos restantes para ajustar una esfera (Figura 5B) utilizando el mismo procedimiento de ajuste de mínimos cuadrados que en el paso 1.4 para obtener una coordenada central.
   NOTA: El acabado superficial de las esferas fiduciales puede interactuar mal con el escáner láser empleado. Se puede usar un revelador penetrante de tinte en aerosol para recubrir y matizar la superficie como en la Figura 5A.
9. Vuelva a colocar el robot de escaneo en su posición inicial.
10. Localice el componente de calibración con el robot de soldadura mediante la búsqueda electrónica de puntos. Utilice una punta metálica que esté integrada en la antorcha de soldadura con dimensiones conocidas. Ponga esta punta en contacto con la esfera fiducial en varios puntos alrededor de la superficie (Figura 6), similar al enfoque CMM. Cuando la punta entra en contacto con la esfera fiducial, se completa un circuito de bajo voltaje y el sistema del robot registra directamente la ubicación actual del robot.
    NOTA: Se puede lograr un efecto similar utilizando otros tipos de buscadores de bordes electrónicos instalados en el robot de soldadura, que se basan en el contacto físico.
11. Utilice estos puntos para ajustar una esfera y ubicar la posición central de cada esfera fiducial en el sistema de coordenadas del robot de deposición.
12. Vuelva a colocar el robot de soldadura en su posición inicial y retire el componente de calibración de la celda de soldadura.
13. Utilice el sistema de coordenadas CMM para calibrar las coordenadas de la celda de soldadura a través de la descomposición de un solo valor. En la Figura 7 se ofrece un esquema del proceso para crear las matrices de transformación afín requeridas.
    NOTA: La matriz de transformación afín resultante transforma la posición de cada uno de los centros de la esfera fiducial de las coordenadas medidas a distancias reales. Esto corregirá cualquier desalineación del escáner láser con respecto a la dirección de escaneo.

2. Localice la posición de la placa de construcción

1. Coloque el sustrato o el material base para recibir una deposición en la celda de soldadura.
   1. Pase el escáner láser sobre las esquinas del área de construcción de modo que sobresalga del borde de la placa, comenzando completamente fuera de la placa y terminando parcialmente en la placa como en la Figura 8A. Asegúrese de que esto se haga como un movimiento continuo a una velocidad constante, con la frecuencia de la grabación de datos siendo conocida. Utilice el tiempo de adquisición de un escaneo en particular junto con los puntos de inicio y final de la ruta para asignar una posición en el espacio a cada escaneo grabado en un momento determinado. Registre las ubicaciones de las esquinas de la placa de construcción, que se utilizarán para adquirir geometría adecuada para el análisis de elementos finitos.
      NOTA: La realización del paso 2.1.1 permite ubicar las esquinas de la placa en el sistema de coordenadas del escáner láser, ya que habrá una función de paso con la altura cambiando significativamente a medida que el láser llega sobre la placa (Figura 8B).
   2. Identifique el sustrato en el sistema de coordenadas del robot de escaneo transformando las esquinas que se encuentran en el paso 2.1.1 en el sistema de coordenadas del robot de soldadura a través de la matriz de transformación calculada en el paso 1.13.
2. Como comprobación, con el robot de soldadura, lleve la punta del cabezal de soldadura a cada esquina de la placa y registre las ubicaciones como se muestra en la Figura 8C y confirme que estas ubicaciones son las esperadas.

3. Realice la deposición

1. Con la placa ubicada, programe el robot de soldadura para producir la ruta deseada en la posición correcta en relación con la posición de la placa en las coordenadas del robot de soldadura.
2. Inicie una pasada de soldadura que resulte en una deposición de un cordón de material como se muestra en la Figura 9.
3. Una vez completada la pasada, retraiga el cabezal del robot de soldadura a una distancia segura para evitar colisiones con el robot de escaneo.

4. Escanee el cordón y genere geometría FE

NOTA: Consulte la Figura 10 para obtener un resumen del flujo de trabajo para escanear la geometría de la cuenta y usar los datos de escaneo para crear una nube de puntos 3D, que se puede solidificar y mallar para FEA. En los pasos siguientes se describe cómo se lleva a cabo cada parte del flujo de trabajo.

1. Programe el robot de escaneo para que siga una ruta que permita escanear la perla. Para líneas simples, use puntos de inicio y final similares a los del robot de soldadura o para un método más robusto, realice un escaneo de la placa completa.
   NOTA: Esto utilizará los mismos requisitos de escaneo utilizados para ubicar la posición de la placa inicialmente.
2. Tome medidas a medida que el escáner se mueve sobre la pieza de trabajo según la Figura 11. Tenga en cuenta los puntos de inicio y finalización de la ruta, la velocidad de movimiento del robot y la frecuencia de adquisición. Asegúrese de que la frecuencia de adquisición corresponda a intervalos de distancia no inferiores al tamaño mínimo del elemento previsto para su uso en el FEA posterior.
3. Si el perfil del cordón no se puede capturar en una sola pasada, realice varias pasadas paralelas con una superposición correspondiente a al menos el 10% del campo de visión del escáner láser.
4. Una vez que se completen los escaneos, retraiga el robot del escáner láser para evitar colisiones con el robot de soldadura en cualquier pasada de soldadura posterior.
5. Ajuste la salida de la cuenta con una función analítica adecuada, facilitada a través de una serie de comandos codificados en Python. Para la deposición de ejemplo de una sola perla, se utiliza una función parabólica para el ajuste.
   NOTA: El código Python utilizado para realizar los pasos 4.5.1-4.5.10 está disponible en el repositorio complementario¹⁷. El paso 4.5.10 requiere un paquete de software adicional FreeCAD¹⁸, así como una instalación de Python, para funcionar.
   Figura 10 muestra el flujo de trabajo descrito en esta sección. Se proporciona un ejemplo de salida en cada una de las siguientes etapas en Figura 12A-J. Un script de ejemplo utilizado para la cuenta escaneada en Figura 11 junto con la geometría escaneada utilizada para producir Figura 12 también está disponible en el repositorio complementario¹⁷.
   1. Antes de intentar manipular o utilizar los datos de la nube de puntos del escáner láser de cualquier manera, aplique la misma matriz de transformación afín a la salida del láser que se encontró en el paso de calibración 1.13.
   2. Recorte los datos escaneados en el área aproximada de un solo cordón que se va a instalar. Asegúrese de incluir parte de la placa alrededor de la cuenta, afectada por un porcentaje del ancho de la cuenta para ventanas. En esta fase, elimine los artefactos de análisis derivados de los reflejos mediante filtros de altura.
   3. Aplane la placa local dentro de la sección recortada del escaneo resolviendo la normal de la placa y aplicando una matriz de rotación de modo que los datos estén ahora en un sistema de coordenadas donde la normal de la placa sea paralela al eje vertical.
   4. Localice la orientación del cordón en la placa aplicando un umbral de filtro de altura justo por encima de la altura de la placa base, luego ajuste los puntos de datos restantes con un polinomio de^1er orden. Esto dará un vector para la dirección de la cuenta. Si se sabe que la cuenta no es recta, divídala en secciones más pequeñas que se puedan aproximar por secciones rectas
   5. Gire el cordón para que quede paralelo al eje y para facilitar la manipulación.
   6. Recorte la sección girada para eliminar las extremidades de la placa, pero deje una pequeña cantidad (~ 5 mm) a cada lado del cordón para permitir el ajuste.
   7. Seleccione el centro de la sección del cordón que se va a colocar y realice un ajuste parabólico a la sección transversal de los datos en esta posición y. El flujo de trabajo del programa para este paso se muestra en la Figura 13.
   8. Usando el ajuste, extraiga la extensión de la cuenta evaluando el ajuste en las coordenadas x correspondientes a la altura máxima de la placa, donde comienza la cuenta.
      1. Evalúe la posición máxima y del cordón utilizando el mismo umbral.
      2. Cree perfiles de terminación de cordón utilizando la misma forma parabólica pero transpuesta al plano x-y en cada extremo del cordón.
      3. Registre los puntos que compondrían el contorno evaluando toda la parábola en una serie de coordenadas x e y que abarquen toda la extensión de la cuenta.
   9. Traduzca el dominio de los puntos a las coordenadas originales comenzando primero el cordón en el origen de un nuevo sistema de coordenadas y luego transformándolo en el sistema de coordenadas del robot de soldadura original.
   10. Con herramientas de mallado, rellene la superficie de los puntos y cree una superficie sólida que se pueda importar a un análisis de elementos finitos. Para hacer esto, use el programa FreeCAD¹⁸ para combinar la serie de parábolas para crear un sólido 3D completo que sea adecuado para importar al preprocesador FEA.
       1. Agregue un sustrato en este punto definiendo las extensiones de la placa base real u otras dimensiones según sea necesario.
       2. Utilice macros para generar archivos STL (Standard Tessellation Language) y STEP (Standard for the Exchange of Product Data) utilizando los puntos calculados en el paso 4.5.9.
       3. Una vez que se produce la geometría sólida, se exporta en un formato de archivo adecuado para el análisis de elementos finitos, en este caso, un formato ".inp" (entrada). Si se desea, la malla de elementos finitos se puede crear directamente, facilitada por otra macro de FreeCAD. Para este ejemplo, se utiliza el complemento de la herramienta Netgen mesh FEM para FreeCAD. La malla de cordón de ejemplo se generó utilizando una finura moderada dentro de la malla Netgen, un tamaño máximo de elemento definido de 0,5 mm y un tamaño mínimo de elemento de 0,1 mm.
          NOTA: En esta etapa, la geometría real ahora se puede importar con éxito a un procesador de análisis de elementos finitos.

Resultados

Los radios y distancias calculados entre esferas fiduciales para el componente de calibración en cada uno de los sistemas de coordenadas se muestran en la Tabla 2. El error entre la MMC y la búsqueda electrónica de puntos para cada posición de la esfera fiducial es pequeño, inferior a 0,1 mm. Ambas técnicas se basan en el contacto físico entre la esfera fiducial y el lápiz óptico. El error inducido por el escáner láser al localizar las esferas es algo grande en comparación y domina a 1-2 mm. La aplicació...

Discusión

Calidad de captura
La exactitud dimensional y la precisión del sistema de escaneo láser se investigaron mediante las posiciones y los radios de las esferas fiduciales en la Tabla 2. La precisión de cada sistema está determinada por la diferencia de posición de las esferas fiduciales medida por los sistemas robóticos (escáner láser y búsqueda eléctrica de bordes) en comparación con los datos de la MMC cuando se transforman en el sistema de coordenadas ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Lápiz óptico CMM rubí de 3 mm de diámetro	Renishaw		Lápiz óptico utilizado en la máquina CMM (A-5004-0422)
80% argón 20% gas CO2	BOC		Mezcla de gases para gas de protección (Argosheild)
Crysta-Apex 776	Mitutoyo		Máquina de medición de coordenadas, citada precisión 10 µ m
FK 1000 MIG 1,2 mm Alambre de soldadura	Iabco		Consumible de alambre de soldadura
FreeCAD 1.0	FreeCAD		Software para ver geometrías y crear archivos stl, step y FE a partir de la nube de puntos. Versión usada 1.0
Soldadora Fronius CMT 4000 GMAW	Fronio		Antorcha de soldadura
Placa de acero dulce G43 50 cm x 50 cm x2,5 cm	Metal de herreros		Sustrato metálico utilizado como placa de construcción
GEOPAK/MCOSMOS	Mitutoyo		Software para controlar la MMC. Versión utilizada 4.0
KUKA KR20	KUKA		Brazo robótico utilizado como robot de escaneo
KUKA KR70	KUKA		Brazo robótico utilizado como robot de soldadura
LAZ3RUS	Universidad de Manchester		Renderizado 3D basado en LAZer en Universal Scene: para crear la geometría FE para el escaneo láser. Versión usada 1.0
Micro Epsilon LLT3010-100	Micro Epsilon		Escáner láser, citado precition 9 µ m
Esfera de calibración de dimater Mitutoyo de 30 mm	Mitutoyo		Esfera de calibración de CMM de sílice fundida
ScanCONTROL3000_100	Micro Epsilon		Software para capturar y procesar la información del escáner láser
Sentido táctil	Fronio		Sistema para la búsqueda electrónica de bordes/características en una implementación de soldadura robotizada