Profi-Messtechnik für die Fertigung

Der Autor Klaus Vollrath, Fachjournalist, Herne

Bei industriellen Fertigungsprozessen wurden die Qualitätsanforderungen drastisch nach oben geschraubt weiß Dr. Gottfried Frankowski, Geschäftsführer der GFMesstechnik GmbH in Berlin-Teltow. Null-Fehler-Philosophien und die fortschreitende Einengung der Fertigungstoleranzen bedingen eine stetige Zunahme des Messaufwandes. Erschwerend kommt hinzu, dass modernes Design und die computergestützte Formoptimierung vieler Bauteile komplexe Geometrien bedingen, die nicht mehr mit einigen wenigen Messpunkten sicher beschrieben werden können.

Je enger man zudem an die Toleranzgrenzen der Prozesse kommt, desto wichtiger wird ein möglichst kurzer Zeitraum zwischen Produktion und Maßkontrolle, um ein „Wegdriften“ von Merkmalen rechtzeitig erkennen und durch geeignete Gegenmaßnahmen korrigieren zu können. Selbst bei optimal organisierter Qualitätssicherung können dabei die unvermeidlichen Verzögerungen zwischen dem Zeitpunkt der Produktion und dem Eintreffen der Rückmeldung aus dem Messraum das Ausschussgeschehen negativ beeinflussen.

Moderne Qualitätssicherungsstrategien stützen sich daher verstärkt auf die Werkerselbstkontrolle direkt am Arbeitsplatz. Dies setzt jedoch wiederum voraus, dass dem Werker geeignetes Gerät zur Verfügung steht. Bei komplexen Geometrien dauert das Abgreifen aller benötigten Maße mit den üblichen Mess-mitteln jedoch zu lange, außerdem wächst dabei das Fehlerrisiko.

„Der Mitarbeiter auf Produktionsebene ist kein Messingenieur. Für solche Aufgaben braucht er Handwerkszeug, das schnell, genau und vor allem einfach und sicher in der Handhabung ist,“ sagt G. Frankowski.

„Genau mit Blick auf solche Anforderungen wurde unser System TopoCAM entwickelt,“ erläutert G. Frankowski. Das Gerät kann die Oberfläche eines Bauteils mit Hilfe eines berührungslosen optischen Messverfahrens mit einer Genauigkeit von rund 10 µm abtasten. Im zugehörigen Rechner wird mit Hilfe der mitgelieferten Software ODSCAD aus der ermittelten Punktewolke eine vollständige Geometriedarstellung erzeugt. Diese kann sofort dargestellt oder je nach Wunsch mit den Sollvorgaben des Toleranzbandes oder direkt mit den Werten der CAD-Konstruktion verglichen und in Form einer Fehlerdarstellung ausgegeben werden. Aus der Darstellung können zudem frei definierbare Einzelmaße wie zum Beispiel Länge, Breite oder Höhe ermittelt werden. Die Ergebnisse werden im Rechner selbst archiviert oder per Netzwerk an übergeordnete CAM- bzw. QS-Systeme übermittelt. Die Software verfügt über Schnittstellen für den Datenaustausch mit den gängigen CAD-CAM-Programmen. Unterstützt werden u.a. STL, IGES und STEP.

„Grundlage des Messverfahrens ist die Vermessung eines hochpräzisen Streifenmusters mit Hilfe von zwei Kameras,“ verrät Gottfried Frankowski. Diese sogenannte Streifenprojektionstechnik hat sich im industriellen Einsatz bereits seit längerem bewährt, wurde bisher jedoch bevorzugt für die Vermessung größerer Komponenten wie zum Beispiel Kotflügel oder Autotüren eingesetzt. Für kleinere Strukturen im Größenordnungsbereich bis herab zu wenigen mm war ihre Anwendung bisher weit weniger verbreitet. Besonderer Vorteil des Verfahrens ist seine große Geschwindigkeit: Für zwei Millionen Mess-punkte braucht das System nur rund fünf Sekunden. Innerhalb dieses kurzen Zeitraums spielen Temperaturschwankungen in der Regel so gut wie keine Rolle, so dass der Einsatz auch außerhalb eines klimatisierten Raums erfolgen kann. Weiterer wichtiger Vorteil des Verfahrens ist, dass das Messobjekt keine exakt definierte Position oder Lage im Raum haben muss. Dies vereinfacht die Anforderungen an den Vorrichtungsbau ganz erheblich. Übrigens sind selbst hochglänzende Oberflächen für TopoCAM kein Problem, weil das mit Hilfe von Mikrospiegeln erzeugte Streifenmuster einen besonders hohen Kontrast aufweist.

Interessante Besonderheit des Systems ist die Möglichkeit, die vollständige Geometrie eines Bauteils aus mehreren unvollständigen Datensätzen zusammenzufügen. Die Notwendigkeit hierzu ergibt sich aus den Abschattungen, die verfahrensbedingt bei Objekten mit Rippen, steileren Konturen, tiefen Taschen oder gar konkaven Bereichen in vertikalen Flächen auftreten. Hierzu genügt es, das zu messende Objekt mehrfach in unterschiedlichen Lagen abzuscannen, bis alle erforderlichen Flächen vollständig erfasst sind. Das Matching erfolgt ganz einfach, indem der Bediener drei passende Referenzpunkte auf jedem der Teilbilder markiert: Den Rest erledigt die Software ohne weiteres Zutun.

„Bei der Entwicklung unseres Programms stand eine möglichst einfache Bedienbarkeit im Vordergrund,“ weiß Gottfried Frankowski. Die Programmbedienung erfolgt weitgehend mit Hilfe der Maus durch Anklicken von Schaltflächen in einfach gehaltenen Menüstrukturen.

Die enorme Rechenleistung des Systems bleibt verborgen im Hintergrund und zeigt sich nur in der Geschwindigkeit, mit der das Programm enorme Datenmengen „verdaut“ und zu CAD-Geometrien aufbereitet. Auch „normal qualifizierte“ Facharbeiter, so die Erfahrung von G. Frankowski, könnten das Programm in der Regel schon nach kurzer Schulung erfolgreich bedienen. Hierbei mache sich besonders positiv bemerkbar, dass sowohl Hardware als auch Software des Systems von GFMesstechnik selbst entwickelt wurden und deshalb in allen Punkten miteinander harmonieren.

„Unser System ist eine sinnvolle Ergänzung zum Koordinatenmessgerät im Messraum,“ erläutert G. Frankowski. Wesentlicher Vorteil eines in klimatisierter Umgebung eingesetzten Koordinatenmessgeräts ist die hohe Genauigkeit. Auf der anderen Seite ist jedoch seine Messgeschwindigkeit relativ niedrig, die Bedienung erfordert in der Regel speziell qualifiziertes Personal, und die Lage der Werkstücke muss meist mit Hilfe aufwendiger Vorrichtungen exakt definiert werden. Hauptvorteile des TopoCAM-Systems sind seine überlegene Geschwindigkeit, die einfache Handhabung und die Möglichkeit des produktionsnahen Einsatzes auch ohne Klimatisierung. Zu beachten sind gewisse Einschränkungen bezüglich der Werkstückgeometrie: Bei Bohrungen, engen Vertiefungen sowie Hohlräumen kann das Verfahren an Grenzen stoßen. Dennoch können seine Vorteile auch in solchen Fällen genutzt werden, zum Beispiel indem die nicht erfassbaren Bereiche ergänzend mit Hilfe anderer Verfahren kontrolliert werden.

Halle 1, Stand 1511