Null Risiko bei minimalen Toleranzen

Gear Manufacturing, Inc. (GMI) wurde 1989 gegründet mit dem Ziel, qualitativ hochwertige, kundenspezifische Zahnräder sowie die zugehörigen Komponenten und Bausätze herzustellen. Das Unternehmen mit Sitz in Anaheim im US-Bundesstaat Kalifornien verfügt über hochmoderne CNC-Bearbeitungszentren. Hergestellt werden alle erdenklichen Arten von Präzisions-Zahnradkonfigurationen, und das in verschiedensten Materialien, angefangen bei Werkzeugstahl und Titan über Gusseisen, Kupfer, allen Arten von Legierungen bis hin zu Kunststoffen.

Fast zwei Drittel der Produktion von GMI ist für die Luft-, Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie bestimmt. Zu den Kunden gehören Northrop Grumman, Lockheed Martin und Boeing sowie Bell Helicopter und Sikorsky Aircraft. Es überrascht also nicht, dass GMI-Produkte den Normen der American Gear Manufacturer’s Association (AGMA), des Deutschen Institut für Normung (DIN), der National Aerospace Society (NAS), der Society of Automotive Engineers (SAE) und der American Society of Mechanical Engineers (ASME) entsprechen. Die Prozesse bei GMI erfüllen außerdem die Anforderungen der AS9100 – der Luft- und Raumfahrt-Version des Qualitätsmanagementsystems nach ISO 9000 – international anerkannt durch SAE und den Europäischen Verband der Luft- und Raumfahrtindustrie. Insbesondere entspricht GMI der im Januar 2009 herausgegebenen Revision C der AS9100, in der die Bedeutung der Risikominderung betont wird.

Unter Risikomanagement und -minderung versteht man die Identifizierung, Einschätzung und Priorisierung von Risiken. Risiko ist in AS9100 Rev. C definiert als die Auswirkung der Unsicherheit – im positiven oder negativen Sinn – beim Erreichen von Zielen. Risiken, die eine Unsicherheit verursachen, entstehen aus Projektfehlern (in jeder Phase von Konstruktion, Entwicklung, Produktion oder während des Produktlebenszyklus), gesetzlichen Verpflichtungen, Finanzmarkt- und Kredit-Risiken oder durch Unfälle und Naturereignisse. Strategien zur Risikominderung beinhalten meist die Reduzierung der Wahrscheinlichkeit, dass das Risiko eintritt, und der negativen Auswirkung bei Eintreten des Risikos, die Übertragung des Risikos auf Dritte, die Vermeidung des Risikos oder sogar das Akzeptieren einiger oder aller möglichen oder tatsächlichen Konsequenzen eines bestimmten Risikos.

Das Konzept des Risikos ist vielschichtig: „Risikominderung beinhaltet Dinge wie das Vorhalten eines Katastrophenplans, um für alle Ereignisse gewappnet zu sein – zum Beispiel, für schwere Unfälle wichtiger Mitarbeiter“, erklärt Gary Smith, Präsident von GMI. „Ein Risiko kann sich in den Qualitätsklauseln für das Auftragswesen befinden, die vielleicht Grauzonen enthalten, die nicht vollständig verstanden werden. Es kann aber auch in engen Toleranzen oder sonstigen Spezifikationen liegen, die nur schwierig zu bewerten sind.”

Im Herstellungsprozess ist ein Aspekt der Risikominderung die Sicherstellung, dass die korrekten Versionen von technischen Dokumenten, Anleitungen und Spezifikationen verwendet werden. Werden Werkzeuge und andere Ausrüstung einschließlich CNC-Geräte eingesetzt, ist es unerlässlich, die Integrität der Ausrüstung in Bezug auf Tauglichkeit und Eignung für einen bestimmten Zweck der hergestellten Produkte zu demonstrieren.

Maßhaltigkeit der hergestellten Teile ist für GMI ein wichtiger Faktor des Risikomanagements

Die Herstellung eines so komplexen Produkts wie eines Flugzeugs oder eines Raumfahrzeugs verlangt höchste Sorgfalt bei jedem einzelnen Prozessschritt für jedes einzelne produzierte Teil – und sei es noch so klein. Die Sicherheit, dass die hergestellten Teile die vorgegebenen Maßtoleranzen einhalten, ist daher für GMI ein wichtiger Faktor des Risikomanagements und der Risikominderung.

GMI produziert mit Toleranzen von 0,002 mm. Die Validierung dieser Toleranzen kann problematisch sein angesichts eingeschränkter Wiederhol- und Vergleichspräzision (GR&R) – sowohl beim Messinstrument als auch den Anwendern. GR&R gibt die Größe der Messabweichung eines Systems an, bestehend aus einem Messgerät und dem bedienenden Werker. Wiederholpräzision bezieht sich auf die Streuung, die durch das Messinstrument hervorgerufen wird, Vergleichspräzision auf die durch den Anwender verursachte Abweichung. Gage R&R gibt den kombinierten Effekt aus beiden Abweichungen an. Die messtechnische Herausforderung an das Unternemen wird noch größer durch die Anforderung seiner Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie: Demnach muss die eingesetzte Messtechnik der GR&R-10:1-Regel entsprechen. Diese Regel besagt, dass der GR&R-Gesamtbetrag 1/10 der geforderten Toleranz nicht überschreiten darf. Beträgt die Toleranz beispielsweise 0,002 mm so sollte der Gesamtwert für GR&R 0,0002 mm oder besser sein. Mit anderen Worten: Die Kombination der durch Messinstrument und Anwenderfehler hervorgerufenen Messunsicherheiten darf insgesamt nicht mehr als 10 % der Merkmalstoleranz betragen. Äußerst anspruchsvoll, aber unerlässlich in der Luft- und Raumfahrttechnik.

GMI hat festgestellt, dass das Erreichen dieses Niveaus für Wiederhol- und Vergleichspräzision selbst für geübte Anwender und mit den genauesten Handmessmitteln eine enorme Herausforderung darstellte. Smith: „Etwa 20 Prozent der von uns produzierten Teile waren extrem schwierig gemäß den geforderten Toleranzen zu validieren“, erinnert sich Smith. „Unser Messprozess bestand daher aus dem Einsatz von hochgenauen Super-Bügelmessschrauben und dem direkten Vergleich von Referenz-Endmaß und Werkstück – und einem ständigen Hin und Her zwischen Endmaßen und Werkstücken.“

Diese Vorgehensweise beanspruchte viel Zeit und Bewegung. „Die Messungen wurden zu zeitaufwändig. Wir mussten also verhindern, dass unsere Kapazitäten durch diese Art der Messung überlastet wurden“, so Smith.

Seit seiner Gründung schon setzt GMI Messgeräte von Mitutoyo (Halle 7, Stand 7500) ein. Aufgrund dieser langjährigen Verbundenheit entschied GMI, bei Mitutoyo America nach einem Lösungsvorschlag für dieses Problem anzufragen.

Ultra-hochgenaue Präzisionsmessung
mit Mitutoyo-Messgeräten

Smith: „Wir haben Mitutoyo einige Muster-Werkstücke zur Verfügung gestellt und um eine Empfehlung gebeten. Wir waren mit Längen-Toleranzen konfrontiert, die bis zu 0,0013 mm betragen konnten, und das bei Messungen, die der Gage R&R 10:1-Regel entsprechen mussten.“ Innerhalb weniger Wochen schlug Mitutoyo dem Unternehmen einen Lösungsansatz vor, der auf dem Einsatz eines CNC-Koordinatenmessgeräts Legex 574 basiert.

Die Legex 574 kombiniert hochmodernes Design, Elektronik, Datenverarbeitung, Taster und Materialien, die eine enorm verbesserte Leistung und gleichzeitig einen relativen Preisvorteil bieten. Eine höchstzulässige Anzeigeabweichung von MPEE = [0,28+L/1000] µm, einen großen Messbereich (X: 500 mm, Y: 700 mm, Z: 450 mm), hohe Verfahrgeschwindigkeit (200 mm/s) und eine großzügige Ladekapazität des Messtischs (250 kg) machen die Legex 574 CNC zu einem produktiven System, das sich in verschiedenen Anwendungen als praktisch erweist.

Außerdem rangiert die Längenmessabweichung der Legex bei 0,00125 mm am entferntesten Punkt (bei 970 mm) des Verfahrbereichs. Smith: „Die Legex ist ein Koordinatenmessgerät für das Messlabor, das uns Teileprüfkapazitäten verleiht, die in einigen Fällen die unserer Kunden überschreiten. Sie bietet Funktionen zur Prüfung von Zahnrad-Geometrien und wir können sie für die Kalibrierung unserer eigenen Normale verwenden. Die Entscheidung für die Legex fiel nicht schwer – selbst wenn der Preis doppelt so hoch gewesen wäre.“

Modulares Softwaresystem Mcosmos ermöglicht
unter anderem Offline-Messabläufe vorab

Für die Legex 574 KMG kommt bei GMI Mitutoyos Softwareplattform Mcosmos (Mitutoyo Controlled Open System for Modular Operation Support) zum Einsatz. Die Software besteht aus einer intuitiven Icon-basierten Oberfläche und kann schnell und zuverlässig native CAD-Modelle importieren. Selbst unerfahrene Anwender können mit Mcosmos spielend einfach Werkstückmodelle und Modelle der Spannvorrichtung virtuell auf ihrem Koordinatenmessgerät positionieren. Die Software stellt grafisch das Koordinatenmessgerät, Wechselracks, Messköpfe und sogar Taster dar. So werden alle Messpunkte übersichtlich in einer 3D-Ansicht dargestellt, die obendrein nach Belieben gedreht, vergrößert und geschwenkt werden kann.

Eine Animationsfunktion in der Software erlaubt außerdem einen Offline-Messablauf, noch bevor das Werkstück auf dem KMG positioniert wird. Das ermöglicht die Überprüfung im Maschinenvolumen und verhindert Kollisionen. Mcosmos ermöglicht es dem Nutzer, unterschiedliche Softwaremodule zu wählen, um Messergebnisse auszuwerten, zu dokumentieren und auszugeben – und schließlich sinnvoll und übersichtlich zu archivieren. Darüber hinaus lässt sich die Software in netzwerkbasierte Inline-Prozesskontrollsysteme integrieren und bietet so eine firmenweite Kontroll- und Regelfunktion.

Im Verbund mit solch leistungsstarker Software kann ein Koordinatenmessgerät praktisch jedwede geometrische Formen messen. Mcosmos verfügt beispielsweise über standardmäßige und optionale Module, mit denen ein Koordinatenmessgerät

• eine Vielzahl von Messköpfen unterstützt, so zum Beispiel tastende, scannende, Laserscanner, optische, etc.
• einen Drehtisch als vierte Achse unterstützt
• Prismen aus importierten CAD-Modellen erstellt, verarbeitet und mit Nominalwerten vergleicht – inklusive animierter Messpfaderstellung und Kollisionsvermeidung
• für SPC in Echtzeit sowie aus einem Netzwerk Daten erfasst
• Tragflächen und Turbinenschaufeln analysiert
• alle Arten von Evolventenverzahnungen (gerade und schräg verzahnte) sowie Kegelrädern und Schnecken misst und die Ergebnisse mit internationalen sowie nutzerdefinierten Standards vergleicht.

Zahnrad- und Getriebekomponenten werden mittels der Verwendung von Gearpak gemessen. Dieses Mcosmos-Softwaremodul ermöglicht es GMI, alle Arten von Zahnradgeometrien wie beschrieben zu vermessen. Es dient zur raschen Generierung von Messprogrammen und erstellt obendrein Auswertungen sowie numerische und grafische Berichte. Die Parameter, die dabei in einen Bericht einfließen, gibt der Nutzer vor – ebenfalls mit numerischer oder grafischer Darstellung, oder einer Kombination aus beiden. ■

Speerspitze in Sachen Genauigkeit

Die Koordinatenmessgeräte der Legex-Serie gehören in Sachen Performance und Genauigkeit zu den Top-Geräten auf dem Markt. Die Legex Serie mit der integrierten thermischen Fehlerkompensation bietet in Verbindung mit dem scannenden Mitutoyo Messkopf MPP-310Q eine Genauigkeit von 0,28 μm. Das Ausmerzen aller denkbaren Quellen für Messabweichungen stand im Lastenheft der Mitutoyo-Ingenieure. Der Aufbau mit einer fixen Brücke und einem verfahrbaren Tisch eignet sich optimal für das Erzielen höchstmöglicher Genauigkeitswerte. Ebenso wie der schnelle UC400 Controller und ultrahochgenaue Linearmaßstäbe trägt der Ziffernschrittwert von 0,00001 mm zu der hohen Genauigkeit bei. Das optionale Air Server System klimatisiert die aus den Druckluftleitungen des Betriebs entnommene Luft und sorgt für eine praktisch konstante Temperatur an den Luftlagern und Führungen – was wiederum zum Einhalten höchster Genauigkeitswerte beiträgt. Die Legex Koordinatenmessgeräte stehen dank der hohen Verfahrgeschwindigkeit und Beschleunigung für schnelles Ausführen von Teileprogrammen. Das sorgt für einen hohen Messdurchsatz. Zusätzlich kann die Serie auch mit anderen Messköpfen bestückt werden, beispielsweise taktil schaltenden, scannenden oder bildverarbeitenden für komplexe 3D-Oberflächen. Mitutoyo hält die Legex in vier verschiedenen Größen von (X/Y/Z) 500 x 700 x 450 mm bis hin zu 900 x 1000 x 600 mm und einer maximalen Zuladung von 250 bis 800 kg parat.

Webhinweis

Mehr zum Mitutoyo Koordinatenmessgerät Legex sehen Sie in diesem Video: http://hier.pro/5LeDc

• Mitutoyo Deutschland GmbH