Les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) augmentent leur part de marché

La vénérable Machine à Mesurer Tridimensionnelle tient bon, les fabricants exploitant ses capacités d'automatisation pour soulager les problèmes de main-d'œuvre

Pour les MMT, les bons moments continuent. « L'une des choses surprenantes qui s'est produite dans juste les trois à quatre dernières années est le volume pur de MMT que nous expédions », a dit Angus Taylor, président de Hexagon Manufacturing Intelligence, Amérique du Nord (North Kingstown, RI). « Le marché semble vraiment exploser. »

La question est : pourquoi maintenant ?

Il y a plusieurs raisons. Les MMT d'aujourd'hui tolèrent une gamme plus large de températures et vibrations. Elles sont plus robustes, plus petites et mesurent plus précisément. Elles mesurent plus vite que jamais. Aussi, les planchers d'usine ne sont plus ce qu'ils étaient. « Les usines de fabrication elles-mêmes deviennent plus propres », a dit Taylor. L'usinage de précision et la fabrication d'aujourd'hui exigent des environnements plus propres. Ce faisant, cela les rend aussi plus accueillantes pour les MMT.

Peut-être le plus important, cela peut juste se résumer aux gens.

« Les fabricants ne trouvent pas assez de gens qualifiés, donc ils regardent maintenant les MMT comme étant un système de mesure automatisé », a expliqué Taylor. « Une personne peut produire des programmes de mesure pour 20 MMT à commande numérique. » Cela réduit les compétences de l'opérateur à savoir comment charger et décharger des pièces, peut-être en utilisant des dispositifs de fixation de précision, et comment lancer le bon programme de mesure. Hexagon offre trois MMT pour le plancher d'usine, les 4.5.4SF, 7.10.7SF, et sa plus récente addition, la TIGO SF.

Avec codes-barres et manipulation robotique de matière, même le chargement/déchargement pourrait être automatisé.

« Il y a aussi une tendance vers la métrologie faisant partie de l'opération de fabrication », a dit Michael Mariani, directeur du développement stratégique, Hexagon Manufacturing Intelligence. Cela signifie des dispositifs de métrologie intégrés dans une cellule de fabrication en boucle fermée, comme celle récemment démontrée par Hexagon. La démo montre des pièces étant usinées puis déplacées par un robot vers une MMT. La MMT fournit alors automatiquement l'information sur comment ajuster l'opération d'usinage, si nécessaire, pour maintenir les tolérances. »

Capteurs et croissance

Les MMT deviennent plus utiles alors que les fournisseurs offrent plus de capteurs. Cette diversité se reflète dans la propre suite de palpeurs de Hexagon. L'entreprise fournit des palpeurs de contact, palpeurs de scan, et mesures de rugosité de surface, ainsi que son capteur optique HP-O basé sur la technologie laser interférométrique.

Les palpeurs et capteurs sont le business principal de Renishaw PLC (West Dundee, IL, et New Mills, Gloucestershire, UK), l'inventeur du palpeur à déclenchement tactile qui a rendu les MMT si populaires au départ. En ajoutant à son palpeur 3 axes PH10, l'entreprise a inventé les têtes PH20 et Revo 5 axes et rapides pour améliorer le débit des MMT. L'entreprise fait cela en permettant le mouvement local pendant que le mécanisme MMT reste stationnaire, bougeant moins de masse tout en collectant les données plus vite. Cela signifie aussi moins de rigidité système et plus d'erreur, forçant des mesures plus lentes.

Les palpeurs et capteurs n'ont pas toujours besoin d'être sur les MMT. Ils peuvent être dans du jaugeage flexible comme le Renishaw Equator ou dans les machines-outils elles-mêmes. Pourtant, une MMT doit fournir l'assurance qu'un produit est fabriqué avec précision. Les machines-outils peuvent dériver hors tolérance, selon Michael Litwin, responsable produits MMT chez Renishaw. « Vous voulez la traçabilité vers un artefact standard NIST. Vous avez toujours besoin de cette MMT comme vérification indépendante », a-t-il dit.

L'entreprise reconnaît que même ses palpeurs analogiques de contact et scan standard ne peuvent pas satisfaire tous les besoins. En février 2018, Renishaw a introduit sa sonde de mesure de finition de surface SFP2 pour utilisation avec son système de mesure 5 axes REVO sur MMT. « Cela fait de l'inspection de finition de surface une partie intégrante de la mesure MMT et permet la commutation entre scan et mesure de finition de surface », a-t-il dit. La SFP2 est une sonde à patin avec une pointe stylet diamant de rayon 2 µm. L'entreprise a dit que sa capacité de mesure de surface va de 6,3 µm à 0,05 µm (250 µin. à 2 µin.) mesuré en Ra.

Renishaw a aussi introduit un système de vision pour utilisation sur sa tête Revo-2, la sonde de vision RVP. Selon Litwin, elle mesure des caractéristiques à partir d'images 2D en utilisant la détection de contours. Des données tridimensionnelles sont dérivées en capturant plusieurs images sous différents angles avec post-traitement. « Cela fournit une autre voie pour mesurer des caractéristiques où les mesures tactiles ne sont pas adaptées », a-t-il dit. « Cela inclut les petits trous de refroidissement dans aubes de turbine ou pièces en tôle avec géométrie 3D complexe. »

« Les MMT sont typiquement pour grandes caractéristiques mais pas nécessairement gros volumes. Beaucoup de marchés pilotent des caractéristiques plus petites et capacités qui requièrent des technologies sans contact », a dit Nate Rose, responsable développement nouveaux produits, Quality Vision International Inc. (Rochester, NY).

Il a noté que les machines-outils 5 axes les plus récentes et systèmes de fabrication additive permettent aux pièces d'avoir des caractéristiques complexes et intricées dont les dimensions et positions doivent être vérifiées. « Parfois ces caractéristiques sont mieux mesurées avec un capteur optique sans contact comme partie du palpage tactile plus large pour collecter des points pour analyse », a-t-il dit.

C'est pourquoi QVI offre ses systèmes vidéo, lasers à balayage linéaire, capteurs lumière blanche Rainbow et sondes laser TeleStar en plus des palpeurs de contact Renishaw TP20, TP200, et SP25 sur sa ligne de MMT.

« La tête multisenseur VersaFlex permet l'utilisation simultanée de jusqu'à trois capteurs sur un PH10 pour qu'ils puissent atteindre des caractéristiques dans virtuellement n'importe quelle orientation », a dit Rose. « Les caractéristiques plus petites sont parfois peu propices aux méthodes tactiles quand la localisation de cette caractéristique n'est pas contrôlée. Avoir le capteur de vision actif sur le VersaFlex nous a permis de trouver la caractéristique d'abord, la définir comme référence, puis mesurer avec tactile. Les capteurs laser à point permettent des profils de surface haute résolution. »

Comme d'autres OEM de MMT, Wenzel America Ltd. (Wixom, MI) offre des palpeurs tactiles de Renishaw avec deux capteurs propres. Le capteur Phoenix de Wenzel utilise la lumière structurée — parfois appelée technologie lumière blanche — pour capturer un nuage de points 3D. Ce capteur lumière blanche est assez léger pour être monté sur une tête de palpeur MMT. L'autre capteur de l'entreprise est le scanner laser ligne Shapetracer qui monte aussi sur une tête de palpeur Renishaw standard.

Machines et intégration

Les MMT existent dans des écosystèmes de fabrication. « Ce que nous voyons est un changement dans la propriété de l'équipement de métrologie », a dit Drew Shemenski, président de Wenzel America. « Le vrai changement qu'on a vu est d'une machine qui est au laboratoire contrôlée par un groupe qualité vers l'équipe de fabrication. Ils sont maintenant en charge de l'équipement et en sont les propriétaires. »

En mai, Wenzel a introduit sa MMT de plancher d'usine SF 87. Shemenski a souligné que cette machine est capable multisenseur et prête pour tous les palpeurs de Wenzel et Renishaw. L'entreprise revendique un volume de mesure de 800 x 700 x 700 mm qui s'aligne avec les tailles communes des machines de coupe et formage métal. Elle se vante aussi de vitesses de déplacement et accélérations élevées pour accélérer la mesure, selon l'entreprise. Pour améliorer davantage sa préparation au plancher d'usine, elle comporte une structure stable en température et guides et échelles résistants à la saleté. L'espace de mesure est accessible de trois côtés et est intégré avec d'autres automatisations avec l'interface d'automatisation Wenzel optionnelle.

« Le marché des MMT aujourd'hui est fort », a acquiescé Gene Hancz, spécialiste produit MMT pour Mitutoyo America Corp. (Aurora, IL). Mitutoyo offre des MMT en versions pont, bras et horizontales, ainsi que précision standard, haute et ultra-haute. « La MMT pont à précision standard est le cheval de bataille de nos machines », a-t-il dit.

A-t-il vu un changement dans comment les MMT sont utilisées ? « Absolument, continuation vers le plancher d'usine », a-t-il affirmé. « Que ce soit une machine walk-up [pour usage général] ou intégrée dans une cellule robotique. » Les installations intégrées qu'il a vues vont du simple avec placement manuel au pleinement automatisé, avec cellules robotiques qui alimentent et exécutent automatiquement les programmes de mesure de pièces.

Comme d'autres fournisseurs de MMT, Mitutoyo offre des MMT pour déploiement plancher d'usine, comme la série Mach en trois modèles distincts. Le Mach-3A est un bras horizontal conçu pour mesure en ligne. Un bras horizontal économise de l'espace. La série Mach-V est conçue pour être utilisée dans une ligne de fabrication et fournit un retour pré/post à une machine-outil pour ajustements d'usinage.

Une approche intéressante pour offrir des MMT est le Mach Ko-Ga-Me, une MMT montable. « Vous pouvez la monter sur n'importe quel design de dispositif de fixation, même à l'intérieur d'une fraiseuse CNC », a expliqué Hancz. Elle a une portée de mesure de seulement 120 x 120 x 80 mm avec des mouvements aussi rapides que 340 mm/seconde avec jusqu'à 2 µm de précision, rendant la MMT montable idéale pour petites pièces.

« La technologie de palpeur continue de s'étendre, et nous offrons tout ce qui est disponible », a dit Hancz. « Notre plus populaire est le palpeur de scan analogique Renishaw SP25, collectant des données jusqu'à 100 mm/seconde. » Mitutoyo offre aussi une sonde de mesure de rugosité de surface à patin. La sonde Surftest MMT est dérivée des séries d'unités portables de finition de surface SJ-210/310 de Mitutoyo. Cinq sondes différentes sont disponibles : Standard, petit trou, extra petit trou, gorge profonde, et détecteurs dent d'engrenage.

« Il y a une demande croissante dans les segments médical et aérospatial, et surtout pour les systèmes multisenseurs », a dit David Wick, responsable gestion produit pour Carl Zeiss Industrial Metrology LLC (Maple Grove, MN). Zeiss a introduit une sonde de mesure de rugosité, le capteur Rotos, en avril. Cela s'ajoute à sa suite de capteurs de contact, scan, et optiques sans contact pour MMT. Les capteurs sans contact incluent capteurs caméra et capteur lumière blanche confocale.

La sonde de mesure de surface Rotos est un capteur de texture de surface sans patin avec détecteur LVDT et deux axes de rotation/inclinaison continus. Selon la machine de mesure et le stylet particulier, Zeiss dit qu'elle mesure des valeurs de rugosité Ra jusqu'à 0,03 µm à des vitesses allant de 0,25 à 1,0 mm/s.

Zeiss offre aussi une ligne de MMT pour production plancher d'usine. Ce sont les GageMax, CenterMax, et DuraMax. Wick a dit que le DuraMax s'est étendu en quatre modèles séparés — DuraMax LTE, DuraMax CNC, DuraMax CNC avec table rotative, et le DuraMax HTG. Le HTG est pour utilisation dans des environnements allant jusqu'à 100 °F (38 °C). Les MMT sont équipées d'une sonde de scan et comportent de petits encombrements et accessibilité facile au volume de mesure.

Le CenterMax est une MMT style pont que Wick a dit être particulièrement utile en production haut volume de pièces hautement ingénieries, comme les groupes motopropulseurs auto et pièces aéro. « Nous avons ajouté notre nouvelle sonde de mesure de rugosité [le Rotos] au CenterMax. [Maintenant] avec un seul réglage, nos utilisateurs peuvent mesurer des caractéristiques comme diamètres et alésages, et puis mesurer la rugosité de surface critique », a-t-il dit.

Un palpeur, une machine

Avec des clients trouvant utilité dans les MMT équipées d'une combinaison de capteurs, Alicona Corp. (Bartlett, IL) a pris une approche légèrement différente — trouver plus d'usages pour un seul capteur. Le cœur de la technologie de l'entreprise est un capteur sans contact qui exploite la variation de focus.

Cette technique fournit des données de surface haute résolution en utilisant une profondeur de focus limitée. La technique est similaire mais plus avancée que l'imagerie confocale ou le sectionnement optique, puisque cela fournit aussi des données de couleur. Elle mesure à la fois la forme de surface et la rugosité. Elle est particulièrement utile en contextes de production, selon l'entreprise.

Alicona l'a adaptée comme moyen alternatif de mesurer forme et géométrie, étendant son utilisation. Puisqu'il lui manque de portée, l'entreprise a eu besoin de pouvoir le déplacer précisément sur un gros objet pour mesurer la forme. C'est pourquoi Alicona a monté son instrument de mesure 3D Focus-Variation sur une scène de précision trois axes appelée la µMMT machine à mesurer tridimensionnelle. L'ajout d'une unité de rotation motorisée, l'unité Real3D Rotation Unit avancée, fournit un système 5 axes, si désiré. L'entreprise publie des données de précision de EMPE = (0,8 + L/600) µm selon les spécifications ISO10360:8.

« Avec les caractéristiques uniques de notre capteur, nous pouvons nous abstenir de suivre une stratégie devenant très commune dans le monde des MMT, à savoir intégrer plusieurs capteurs dans un cadre MMT. Les caractéristiques de variation de focus nous laissent utiliser un seul capteur. [Cela fournit aussi] un dispositif plus robuste, moins fragile, plus convivial que si vous devez bidouiller avec plusieurs capteurs », a dit Scherer.

MMT en contexte

Wick de Zeiss voit un avenir plus grand pour les MMT. « De nouveaux outils et capacités multisenseurs étendues vont croître, bien sûr, mais comment ils s'intègrent dans l'écosystème devient important », a-t-il dit. « Surtout en Europe, il y a beaucoup d'exemples où les clients font travailler leurs MMT ensemble avec des machines-outils proches pour échanger de l'information. »

Bien qu'une MMT qui peut fournir des décalages à un centre d'usinage soit utile, il pense aussi qu'il y a des opportunités additionnelles pour une intégration plus poussée et collaboration machine. Dans le monde, il ne voit pas beaucoup d'implémentations complètes d'Usine Intelligente qui incorporent les MMT dans quelque chose qu'on pourrait appeler Industrie 4.0.

« Aux États-Unis, nous sommes encore plus en retard », a-t-il dit. Mais cela pourrait changer bientôt. « Ce à quoi je m'attends dans l'année ou deux à venir, c'est que les vendeurs de MMT offriront plus d'options d'automatisation sur leurs machines. Peut-être une boîte additionnelle pour vous laisser parler à un ProfiNet ou ProfiBus », a-t-il dit. Avec cet échange d'information au niveau machine viendra l'Usine Intelligente.

Shemenski de Wenzel voit que l'intégration en amont de comment les MMT sont programmées deviendra aussi plus importante. « La technologie de conception basée modèle qui incorpore l'attachement de GD&T aux modèles CAO tôt dans le programme devient réelle. Il y a des nœuds à défaire, et les concepteurs en amont doivent le reconnaître comme une croissance de leurs responsabilités, mais c'est une tendance à surveiller », a-t-il dit.

Ce que cela ouvrira, c'est l'automatisation de la création de programmes de mesure — tant que des GD&T valides sont attachés à des modèles CAO valides. « Une tendance excitante est la création de programmes de mesure automatiquement à partir de modèles CAO avec GD&T attaché », a acquiescé Hancz. Chaque fournisseur OEM interviewé pour cet article a un logiciel de métrologie pour créer des programmes de pièces pour leurs MMT. Bien qu'actuellement ce soit une capacité peu utilisée, la prochaine tendance pourrait bien être comment les concepteurs commencent à penser différemment du GD&T dans les processus de conception en amont. Restez à l'écoute.