L'industria manifatturiera si è adattata a requisiti continui per tenere il passo con il livello crescente di dettaglio nei prodotti e la domanda costante di efficienza. Un livello di precisione così elevato è ormai tipico nei beni attuali. Raggiungere questo grado di accuratezza è solo l'inizio; la metrologia è ancora necessaria per misurare e confermare le tolleranze. Questo saggio definirà la metrologia e discuterà della sua importanza nel settore manifatturiero.

Cos'è la Metrologia?

La parola greca “metrologia” implica lo studio della misurazione. La motivazione iniziale per la metrologia derivava dalla necessità di produrre parti intercambiabili. Tutte le misure dei pezzi dovevano essere entro un intervallo specifico per essere fattibili; altrimenti, non si sarebbero adattati ai loro compagni. Quando si misura la precisione e il calibro delle parti prodotte, la metrologia si è evoluta in un campo altamente sofisticato con una vasta gamma di strumenti e tecniche statistiche.

Concetti Essenziali nella Metrologia

Comprendere le differenze tra incertezza, precisione, accuratezza e tolleranza è fondamentale per capire la metrologia.

Cos'è la Tolleranza?

La differenza ammessa nelle dimensioni di un pezzo si chiama tolleranza. Prima di determinare la tolleranza necessaria, è fondamentale comprendere lo scopo del componente. Ad esempio, un albero che scorre in un cuscinetto richiede una tolleranza più stretta rispetto a un foro di un bullone. Un piccolo spazio in più intorno al bullone è sicuro, ma troppo spazio farà oscillare l'albero e causare oscillazioni pericolose.

Dovrebbe essere considerata anche la capacità delle attrezzature di produzione di raggiungere queste tolleranze; alcune macchine CNC specifiche possono produrre parti con una tolleranza di pochi micron, mentre altre sono molto lontane da quel livello di precisione. Le tecniche di metrologia garantiscono che un prodotto fabbricato rientri nella tolleranza data. Gli Standard di Produzione di Xometry contengono tolleranze per diversi processi produttivi.

Qual è la definizione di accuratezza?

Il grado in cui la media di un insieme di valori misurati si avvicina al valore di riferimento, X, è la definizione matematica di accuratezza. Questo potrebbe manifestarsi nella produzione come una discrepanza tra il prodotto finale e il modello CAD o il progetto di riferimento tecnico.

Come funziona la Precisione?

La precisione è il grado in cui ogni misurazione concorda con la media dei dati registrati. La deviazione standard (𝜎) viene utilizzata in statistica per esprimere questo. Lo standard per la deviazione standard in metrologia è ±2𝜎. Ciò indica un intervallo di confidenza del 95,1% dal produttore al valore misurato entro 2 deviazioni standard dal valore effettivo o previsto.

Cosa significa incertezza?

Le affermazioni di accuratezza e precisione devono includere un valore di incertezza, che è due volte la deviazione standard degli errori di accuratezza e precisione. In generale, l'incertezza dello strumento di misurazione deve essere almeno alcune volte inferiore alla tolleranza misurata sul componente. Per ridurre l'incertezza della misurazione, ad esempio, è necessario uno strumento con almeno 10X (0,0001″) di precisione per calcolare una dimensione di 0,001″.

Quali strumenti sono comunemente usati in metrologia?

Nel settore, la metrologia viene eseguita utilizzando vari strumenti di misurazione. Di seguito ne elenchiamo alcuni.

Calibro Vernier: Lo strumento di metrologia più fondamentale, un calibro vernier, è tra i meno precisi perché i suoi valori misurati dipendono dall'operatore. Ad esempio, si possono ottenere valori diversi con diverse forze di serraggio.

Riga di Altezza: Installare un calibro di altezza su una superficie perfettamente livella per misurare l’altezza di una parte. Questi strumenti possono eliminare alcune delle variazioni causate dall’errore umano e misurare con precisione le altezze delle parti.

Piastra di superficie: Una piastra di superficie spesso è composta da granito incredibilmente appiattito tramite rettifica superficiale. È un punto di riferimento per le misurazioni utilizzando un calibro di altezza o un indicatore a quadrante.

Indicatore a quadrante: Questi strumenti sono precisi, ma possono misurare solo valori relativi; cioè, non possono determinare l’intera variazione di una parte. Un modo per misurare la deviazione del diametro di una parte è montare un indicatore a quadrante in un tornio. Può essere usato anche per misurare la planarità su una piastra di superficie.

Micrometro: I micrometri sono tra gli strumenti di misura manuale più precisi perché impediscono all’operatore di applicare pressione eccessiva sulla parte, risultando in misurazioni più accurate.

Macchine di misura a coordinate (CMM): Tra gli strumenti più precisi per la metrologia di produzione c’è il CMM. Una sonda fissata sopra un ponte mobile viene spostata finché non entra in contatto con il componente. La sonda produce un segnale elettrico non appena entra in contatto con la parte. Le posizioni di coordinate precise X, Y e Z della sonda vengono tracciate dal suo computer interno mentre si muove, consentendogli di produrre un rapporto di misurazione tridimensionale accurato. Mappa la correttezza dimensionale totale di una parte quando viene eseguita su diverse superfici.

Comparator ottico: Utilizzando un’immagine del profilo 2D di una parte, i comparatori ottici confrontano l’immagine con le dimensioni specificate. Questo dispositivo è perfetto per misurare rapidamente i profili 2D delle parti. Comparator digitale: Simile ai comparatori ottici, i comparatori digitali misurano le caratteristiche senza richiedere strumenti umani tramite calcoli.

Cosa significano le migliori pratiche per la misurazione?

Di seguito sono riportati alcuni elementi essenziali per il reparto di metrologia di qualsiasi produttore.

Calibrazione degli strumenti: Tutta l’attrezzatura di misura necessita di calibrazioni regolari per garantire misurazioni affidabili. La configurazione usuale è un laboratorio. In alternativa, può essere eseguita una calibrazione meno formale utilizzando un blocco di misura o un perno di dimensione specificata. È importante ricordare che la maggior parte degli standard di qualità richiede che questa calibrazione venga eseguita da un laboratorio riconosciuto. Il laboratorio fornirà un certificato che verifica che lo strumento sia stato calibrato correttamente. Per garantire la tracciabilità, il certificato deve riportare il numero di serie dello strumento.

Ambiente pulito controllato dalla temperatura: I materiali cambiano dimensione in risposta ai cambiamenti di temperatura. La differenza è tipicamente troppo piccola per essere rilevata dall’occhio umano. Tuttavia, un leggero cambiamento di temperatura può influenzare significativamente le misurazioni se le parti richiedono precisione a livello di micron. È possibile misurare la stessa parte in modo diverso al mattino e al pomeriggio. Inoltre, letture errate possono essere causate da polvere o detriti. Molte aziende effettuano le misurazioni in ambienti puliti con temperature controllate, separati dal reparto di produzione, per eliminare queste variabili.