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Es fehlt an Normen für die optische Messtechnik

Roundtable von Quality Engineering mit fünf Experten
Es fehlt an Normen für die optische Messtechnik

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Die Oberflächenmesstechnik gehört zum klassischen Kerngebiet von Messtechnikern. Dennoch muss sie sich ständig neuen Herausforderungen stellen. Mit fünf Experten haben wir diskutiert: Wo steht die Oberflächenmesstechnik – und wohin entwickelt sie sich?

Was ist für Sie alle aktuell die wesentliche Entwicklung in der Oberflächenmesstechnik?

Dr. Özgür Tan: Oberflächen werden heute in aller Regel immer noch taktil vermessen. Doch die Entwicklung geht ganz klar Richtung optischer Messverfahren – nicht zuletzt deshalb, weil die Messtechnik so nah wie möglich an die Produktion heranrücken muss.

Christian Senninger: Das kann ich nur bestätigen. Accretech hat zwar seine Wurzeln in der taktilen Welt. Aber auch wir bieten berührungslose Technik für die Vermessung von Oberflächenstrukturen an, weil der Markt dies verlangt.

Dr. Bernd Binder: Vor allem im Automobilbereich geht der Trend ganz klar zum automatisierten Messen in der Linie. Da kommt es für uns als Hersteller hauptsächlich darauf an, schnelle Messungen der Oberflächenschichtdicken zu gewährleisten. Für uns ist das nicht unbedingt etwas Neues, denn für Bandgalvaniken stellen wir schon seit Jahrzehnten Inline-Messsysteme zur Verfügung.

Dr. Robert Zarnetta: Die Kunden wollen heute vom Messlabor bis zur Messtechnik in der Linie durchgängige Lösungen haben, damit die Messergebnisse vergleichbar sind. Wir verfolgen bei Zeiss deshalb den Ansatz, Lösungen für Qualitätslabor, nearline und inline zur Verfügung zu stellen. Dabei wird durchgängig ein hoher Automatisierungsgrad verlangt. Bauteile sollen möglichst robotergesteuert aus der Linie auf den Messtisch gelegt werden, und dann soll das Gerät sein Messprogramm abspielen und hinterher die grüne oder rote Ampel zeigen. In diese Richtung gehen wir schon, indem wir Rauheitssensoren in die Koordinatenmessmaschinen einbauen. Deren Auflösung ist allerdings begrenzt, für den Nanometer- bis in den Mikrometer-Bereich stellen wir deshalb die konfokale Mikroskopie zur Verfügung.

Wird es irgendwann möglich sein, die Mikroskopie in die Fabrik zu bekommen?

Zarnetta: Es kommen bereits immer wieder Anfragen, ob wir mit den Mikroskopen direkt am Band messen können – einfach getrieben durch die Anforderungen, möglichst zu 100 % in der Linie messen zu wollen. Dann fragen wir zurück, wie stabil denn das Band ist – und erhalten die Antwort, dass es sich natürlich bewegt. In dem Fall müssen wir dann erklären, dass es einfach physikalische Grenzen gibt. Das Schwierige ist die Bildaufnahme: Um Rauheit und Topografie zu ermitteln, muss das Band stoppen.

Binder: Solche Anfragen zeigen, dass es vielfach an messtechnischem Grundwissen in den Unternehmen fehlt. Manche Messverfahren wie zum Beispiel das Indentationsverfahren kann ich gar nicht inline implementieren, weil ich dafür eine sehr schwingungsfreie Umgebung benötige. Das funktioniert nur nearline in einem Messraum, das geht gar nicht anders.

Senninger: Die Herausforderung für uns alle hier am Tische besteht in den nächsten Jahren darin, dass wir es schaffen müssen, unsere Messgeräte in oder an die Produktion zu bekommen. Zum einen stehen uns dabei raue Umgebungseinflüsse wie Bodenvibrationen, staubige oder ölige Luft sowie hohe und wechselnde Temperaturen im Weg. Zum anderen sehe ich, dass sich die Anforderungen an die Bedienung der Geräte wandeln müssen: Im Messraum haben wir sehr gut ausgebildete und erfahrene Messtechnikexperten, während am Band Mitarbeiter stehen, die im Allgemeinen kein tiefgreifendes Messtechnikwissen mitbringen. Diese wollen, verkürzt ausgedrückt, einen Knopf drücken und dann nur rot oder grün als Messergebnis sehen. Wir sagen zwar, wir müssen in die Produktion reinkommen, aber es gibt ganz viele Dinge, die wir als Messtechnikhersteller zunächst bewältigen müssen.

Binder: Damit Nutzer mit unterschiedlichem Know-how die Geräte bedienen können, kommen zunehmend Geräte mit User Interfaces auf den Markt, die verschiedene Bedienoberflächen bereithalten.

Es heißt immer wieder, dass aufgrund der Geschwindigkeit kein Weg an optischer oder berührungsloser Messtechnik vorbeiführt. Wie sehen Sie das für die Oberflächenmesstechnik?

Senninger: Die optische und taktile Messtechnik sind aus meiner Sicht eher komplementär und nicht unbedingt konkurrierend. Die Stärken des einen, sind die Schwächen des anderen und umgekehrt. Generell sagt man, dass die optische Messtechnik schneller ist. Aber auch hier gibt es Ausnahmen: Die Oberflächenstruktur des Werkstücks, die geforderte Genauigkeit und die zu vermessende Fläche haben einen Einfluss auf die Messdauer. Wenn zudem kleine hochgenaue Bildfelder mittels Stitching zusammengeführt werden sollen, erhöht sich wiederum die Messzeit, aber man gewinnt auch sehr viele Daten dadurch. Je nach Anwendung und Anforderung ist entweder die taktile oder optische Messung zu bevorzugen.

Tan: Ja, das stimmt – es wird gegenwärtig oft flächenhaft gemessen und am Ende wieder linienhaft beurteilt. Da stellt sich dann schon die Frage, warum man den ganzen Aufwand betreibt, wenn man am Ende sowieso eine Linie beurteilen will. Ich denke, man muss auch wegkommen von der Frage, ob optisch oder taktil. Der Anwender muss sich vielmehr Gedanken darum machen, was er eigentlich genau messen will – und daraus folgt dann die messtechnische Lösung. Und nicht umgekehrt. Da sehe ich uns als Hersteller immer mehr in der Rolle des Beraters.

Steigt der Beratungsaufwand durch den Trend zu Inline- und optischen Lösungen?

Binder: Ja, das stellen wir auch fest. Wir haben deshalb Applikationsspezialisten weltweit in unseren Niederlassungen, die mit dem Kunden entsprechende Lösungen erarbeiten können. Das geht bis hin zum Schreiben von Lastenheften. Denn die Anforderungen an die Oberflächenmesstechnik hinsichtlich Genauigkeit und Geschwindigkeit klaffen doch beträchtlich auseinander von Projekt zu Projekt.

Zarnetta: Der Beratungsbedarf ist tatsächlich hoch. Dies liegt nicht zuletzt auch daran, dass es noch an Vertrauen in die optische Messtechnik mangelt, weil wir hier noch keine Standards haben. Das heißt, die Messungen sind nicht mit einem Zertifikat hinterlegt und mithin nicht rückführbar.

Hannes Kiehl: Deshalb gehen viele Kunden derzeit dazu über, ein optisches Messgerät in der Fertigung über ein taktiles Gerät zurückzuführen. Das heißt sie messen in der Fertigung schnell optisch, um die Grundinformation der Oberfläche zu bekommen, haben aber im HIntergrund ein taktiles System, mit dem sie die Messwerte noch einmal verifizieren können.

Tan: Wir müssen im Grunde doch viel früher ansetzen und nicht nur die Messtechniker, sondern auch die Konstrukteure von den Vorteilen der optischen Messtechnik überzeugen. Wenn diese beim Vorgängerbauteil Ra und Rz als Kenngrößen der Oberflächenrauheit in den Spezifikationen hatten, dann ist die Wahrscheinlichkeit außerordentlich hoch, dass sie dies beim Nachfolgebauteil ebenfalls wieder tun.

Kiehl: Ja, das stimmt. Ra und Rz sind als Kenngrößen für die taktile Messtechnik standardisiert und bei den Entwicklern bekannt. Deshalb werden diese Kenngrößen auch fast immer gefordert. Dabei erlauben sie in 99 % der Fälle eigentlich keine funktionelle Oberflächenbewertung. Das ist ein ganz großes Problem. Einige große Kunden gehen mangels standardisierter Kenngrößen dazu über, quasi ihre eigenen Parameter zu definieren, die wir als Hersteller aufgreifen müssen. Das ist aber auf Dauer kein gangbarer Weg. Wir benötigen mehr Normen für die optische Messtechnik.

Was hat sich denn in Sachen Standardisierung getan – und was fehlt noch?

Tan: Ein erster, richtiger Schritt war die Verabschiedung der EN ISO 25178 Normreihe für die flächenhafte Oberflächenmessung. Eine andere Sache ist die Standardisierung von Messgeräten, um auch dem unerfahrenen Anwender den Vergleich zu ermöglichen. Hier engagieren wir uns mit Partnern aus Industrie und Forschung für das „Faire Datenblatt für optische 3D-Oberflächenmessgeräte“. Darin haben wir unterschiedliche Begriffe für die Anwender vereinheitlicht, genauso die Definitionen der angegebenen Größen. Insbesondere im asiatischen Markt sehen wir aggressive Hersteller, die in ihren Datenblättern fantastische Werte liefern, welche aber nichts mit der Realität zu tun haben.

Binder: Diese Erfahrung haben wir auch schon gemacht. Chinesische Kunden legen die Datenblätter von Messgeräten oft nebeneinander wie beim Quartett-Spielen – und vergleichen dann einfach die Angaben. Das faire Datenblatt ist eine Chance, für den Kunden eine gewisse Vertrauensbasis zu schaffen: Auf diese Kennwerte und Messwerte kannst du dich verlassen. Deshalb überlegen wir auch, der Initiative faires Datenblatt beizutreten.

Kennt denn der Anwender in China das faire Datenblatt überhaupt?

Binder: Ich bin mir sicher, dass sich das messtechnische Know-how der chinesischen Anwender in den nächsten Jahren auch verändern wird.

Lassen Sie uns abschließend auf das Thema Multisensorik zu sprechen kommen. Ist dies die Antwort auf die Frage nach höherer Geschwindigkeit beim Messen?

Senninger: Multisensorik wird immer wichtiger werden in Zukunft, weil man dadurch deutlich flexibler wird und somit mehrere Messtechnologien auf einem Gerät miteinander kombinieren kann.

Binder: Da kann ich ein Beispiel nennen: Wir haben im taktilen Bereich ein Gerät für die Schichtdickenanalyse von Lack, bei dem Sensoren für das Wirbelstromverfahren und das magnetinduktive Verfahren gleichzeitig genutzt werden können. Gerade im Automobilbereich habe ich oft unterschiedliche Grundwerkstoffe nebeneinander – mal einen Stahl, man ein Nichteisen-Metall. Das heißt, die Sonde erkennt beim Messen der Lackschichten, welchen Untergrund das Bauteil hat und wählt dann automatisch das richtige Messverfahren. Die Daten werden nacheinander ausgelesen und zu einem 3D-Bild zusammengefügt.

Tan: Im Spannungsfeld von Auflösung, Messfeld und Taktzeit ist eine Kombination verschiedener Sensoren innerhalb eines Geräts sicherlich interessant. Die Herausforderung besteht darin, Methoden zu finden, um die von verschiedenen Sensoren ermittelten Messdaten gemeinsam auszuwerten.

Senninger: Heute ist es allerdings noch so, dass verschiedene Sensoren auf einem Gerät quasi sequentiell eingesetzt werden. Spannend wird es in Zukunft, wenn man mit zwei Sensoren gleichzeitig messen kann.

Vielen Dank in die Runde für diese spannende Diskussion.


Die Teilnehmer des Roundtable

  • Christian Senninger, Business Unit Manager Metrology, Accretech Europe
  • Dr. Bernd Binder, Produktmanager Nanoindentation, Helmut Fischer
  • Dr. Özgür Tan, strategisches Produktmarketing optische Messsysteme, Polytec
  • Hannes Kiehl, Anwendungstechniker Form und Oberfläche, Zeiss 3D Metrology
  • Dr. Robert Zarnetta, Leiter Business Sector Manufacturing & Assembly, Zeiss Mikroskopie
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