Automobilindustrie misst optisch

Kraftstoffzuführung, Antriebstechnik, Korrosion oder tribologische Prozesse wie Reibung etc. sind Aspekte der Qualitätssicherung, die in der Automobilindustrie mittels 3D Oberflächenmessung umgesetzt werden. Dabei sind hochauflösende Messsysteme gefragt, die rückführbare und wiederholbare Messergebnisse liefern. Messverfahren sollten flächenbasiert sein und entsprechende Systeme sowohl im Labor als auch in der Produktion eingesetzt werden können. Auch die leichte und unkomplizierte Automatisierung von Messungen zählt zu den Standardanforderungen der Automobilindustrie, um Fertigungsprozesse zu optimieren und Ausschussraten zu minimieren.

Mit dem optischen 3D Messsystem InfiniteFocus steht Herstellern und Zulieferern ein hochauflösendes Messgerät zur Verfügung, mit dem diese Anforderungen umgesetzt werden. InfiniteFocus erzielt auch bei komplexen Oberflächen mit steilen Flanken, großen Rauheiten und stark variierenden Reflexionsbedingungen eine vertikale Auflösung bis 10nm.

Ab einer Mindestrauheit von nur wenigen Nanometern wird das System auch bei Messungen über große Flächen eingesetzt. Das Anwendungsspektrum umfasst die Messung von Mikrozahnrädern, die Messung von Komponenten in der Präzisionsfertigung und Feinwerktechnik, Applikationen in der Antriebstechnik, Korrosionsuntersuchungen von z.B. Kühlmittelkühler, Toleranzmessungen, Verschleißanalyse, Oberflächencharakterisierung von Bremsbelägen bis hin zur Restschmutzanalyse und Messung von größeren Komponenten wie Werkstücken aus Guss, wo u.a. die Porosität gemessen wird.

InfiniteFocus basiert auf der Technologie der Fokus-Variation und wird von internationale Unternehmen erfolgreich zur Qualitätssicherung eingesetzt. Im Folgenden werden Applikationen des renommierten österreichischen Unternehmens Magna Powertrain vorgestellt und näher auf die Technologie eingegangen.

Magna Powertrain ist ein Zulieferer und Hersteller von Verteilergetrieben und Power-Take-Off Units sowie Antriebs- und Achssystemen. International bekannt ist das Unternehmen unter anderem für die hohen Kompetenzen in der Herstellung und Integration von Verteilergetrieben.

Aus der hauseigenen Produktion des Unternehmens stammen Winkelgetriebe, die an das Verteilergetriebe angeschlossen werden und dafür sorgen, dass die Kraft des Motors auf die Achsen verteilt wird. Bevor ein Winkelgetriebe in das Verteilergetriebe eingebaut wird, muss Magna sicherstellen, dass es drallfrei ist. Besteht ein zu hoher Restdrall, kommt es zu einem kontinuierlichen Ölverlust und massivem Getriebeschaden. Mit der Winkelmessung durch InfiniteFocus wird Drall numerisch verifiziert. Die Messung wird schnell, genau, und einfach realisiert, wobei die visuelle Korrelation zwischen optischem Bild und 3D Tiefenmessung ein wichtiger Faktor ist. DI Armin Rauscher, Leiter der Abteilung Werkstofftechnik: „Um einen Winkel messen zu können, muss ich sehen, wo dieser ist.“

Mit der Autokorrelation visualisiert das Messinstrument deutlich eine Vorzugsrichtung der Oberfläche. Diese Visualisierung der Topographie ist Voraussetzung, die Winkel überhaupt messen zu können. Die Größe des Winkels gibt den Restdrall an und ist damit ausschlaggebend, ob das Getriebe weiter verarbeitet werden kann.

Künftig wird die Winkelmessung zur Evaluierung von Drall auch automatisiert laufen. Die Forschung und Entwicklung arbeitet derzeit intensiv daran, einen Winkel als Referenzparameter festzulegen. Diese Referenzgröße soll angeben, ab welcher Winkelgröße zu hoher Drall gegeben ist und das Winkelgetriebe nicht weiter verarbeitet werden kann. Rauscher über die Automatisierung: „Wenn wir diesen Winkel einmal definiert haben, wird Qualitätssicherung so einfach, wie es bis dato nicht möglich war. Sobald Kontrollmessung automatisiert sind, müssen wir uns die Messergebnisse nur noch stichprobenmäßig ansehen!“

Magna Powertrain setzt InfiniteFocus auch zur Messung von Synchronringen zur Gewährleistung der reibungslosen Gangschaltung ein. Derzeit werden Oberflächenparameter wie der entsprechende Ra Wert, die fraktale Dimension etc. evaluiert, die über den I.O bzw. N.i.O Status der Komponenten entscheiden. Sind diese Parameter definiert, kann der Automobilzulieferer bei seinem Lieferanten entsprechende Vorgaben einfordern, deren Einhaltung schnell und einfach mittels InfiniteFocus beim Wareneingang kontrolliert werden wird.

InfiniteFocus basiert auf dem Prinzip der Fokus-Variation. Die geringe Schärfentiefe der Optik wird benutzt um die Tiefeninformation einer Oberfläche zu extrahieren. Dazu wird die Änderung, also die Variation der Schärfe abhängig von der Topographie der Oberfläche relativ zum Abstand der Optik analysiert. Die Probe wird auf einen Probenhalter gelegt und mit moduliertem Weißlicht beleuchtet. Koaxiale Beleuchtung wird erreicht, indem das Licht in die Optik geleitet und über einen halbdurchlässigen Spiegel durch das Objektiv auf die Probe fokussiert wird. Das Licht wird von der Probe reflektiert, und das Bild über die Präzisionsoptik auf einen digitalen Sensor projiziert. Je nach gewähltem Objektiv können unterschiedliche Auflösungen lateral sowie vertikal realisiert werden. Nun wird die Distanz zwischen Probe und Objektiv verändert, wobei kontinuierlich Bilder aufgenommen werden. Für jede Tiefenposition werden unterschiedliche Bereiche der Probe scharf oder unscharf abgebildet, je nach 3D Struktur der Probe. Von zentraler Bedeutung ist hier das korrekte Zusammenspiel von modulierter Beleuchtung, vertikalem Verschub und Sensoraufnahme. Für jede Position am Objekt wird anschließend die abgebildete Schärfe berechnet. Die Variation der Schärfewerte wird nun verwendet, um die Tiefe zu berechnen. So wird eine dichte 3D Repräsentation der Oberfläche erzeugt. Die Fokus-Variation ist im aktuellen Entwurf zur neuen ISO Norm 25178 zur Standardisierung von optischen Messgeräten aufgenommen. Diese neue Norm umfasst neben taktilen erstmals auch optische Verfahren sowie die Definition von Oberflächenparametern zur flächenhaften Charakterisierung von Oberflächen. Alicona ist ein offiziell entsandter Experte in das entsprechende Normen-Komitee und arbeitet aktiv bei weiteren Standardisierungen mit.

Alicona, Grambach bei Graz, Österreich

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