Startseite » Top-News » News & Produkte »

Komplettmessungen mit hoher Punktedichte

Hochgenaue Messtechnik für die Fertigung optischer Funktionsflächen
Komplettmessungen mit hoher Punktedichte

Anzeige
Aufgrund ihrer Oberflächeneigenschaften stellen sowohl optische Funktionsflächen – etwa von Linsen aus Kunststoff – als auch die hierfür in der Fertigung eingesetzten Werkzeuge eine besondere Herausforderung für die Messtechnik dar. Je nach Werkstücktyp kommen unterschiedliche Sensoren zum Einsatz.

Optische Linsen aus Kunststoff verfügen über vielfältige Einsatzbereiche. Im Alltag begegnen sie uns häufig als LED-Linsen, in Form von Brillen oder Kontaktlinsen und integriert in Smartphone-Kameras oder Projektoren. Jeder Linsentyp stellt unterschiedliche Anforderungen an die Messtechnik. Bei LED-Linsen für Autoscheinwerfer steht die komplexe Geometrie im Vordergrund. Die Linsen sind einige Zentimeter groß und erfordern Messungen im mittleren Genauigkeitsbereich. Letzteres gilt auch für Kontaktlinsen. Zu deren Herstellung mit Spritzgießmaschinen werden Werkzeuge mit hochreflektierenden Oberflächen eingesetzt, die über Toleranzen von nur etwa 10 μm verfügen.

Linsen für Smartphones bieten ganz andere Herausforderungen: Diese sind stark gekrümmt, nur wenige Millimeter groß und werden zu komplexen Baugruppen montiert. Die Toleranzen betragen typisch 3 µm und weniger.

LED-Linsen für Autoscheinwerfer bilden eine Baugruppe mit Lichtquelle und Reflektor. Entscheidend für die Lichtausbeute sind die Ebenheit der verschiedenen Flächen sowie die Lage der Komponenten zueinander. Da die Formabweichung eines Geometrieelements in verschiedenen Teilbereichen und kurzen Abständen stark variieren kann, muss das gesamte Element mit einer hohen Punktedichte erfasst werden.

Bei der Computertomografie (CT) wird das Werkstück im kegelförmigen Röntgenstrahl zwischen Röntgenquelle und Detektor gedreht. Während der Drehung werden Durchstrahlungsbilder aufgenommen, aus denen ein vollständiges Volumenmodell rekonstruiert wird. Zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften (Maßen) werden die Messpunkte an den Materialübergängen mit einem patentierten Subvoxeling-Verfahren berechnet. Da die Röntgenstrahlung das Werkstück durchdringt, stellt die resultierende Messpunktewolke auch innenliegende Geometrien dar. Daher kann mit CT die komplette Baugruppe in montiertem Zustand gemessen und die Einbaulage der Komponenten zueinander beurteilt werden. Aufgrund der hohen Punktedichte bietet sich eine CT-Messung auch zur Messung der Formabweichungen an.

Optische Messung
hochreflektierender Flächen

Kontaktlinsen werden wie LED-Linsen mit CT gemessen. Für die eng tolerierten Metallwerkzeuge zur Herstellung der Spritzgussformen ist ebenfalls eine Komplettmessung erforderlich. Massive Stahlwerkzeuge lassen sich jedoch schwer durchstrahlen, sodass die Genauigkeit der CT oft nicht ausreicht. Zudem sind die Werkzeuge poliert und verfügen somit über sehr glatte und entsprechend hochreflektierende Oberflächen. Daher entsteht kaum diffuse Reflexion in unterschiedliche Richtungen. Trifft das Licht optischer Abstandssensoren nicht senkrecht auf die Oberfläche, wird es selbst bei maximaler Apertur am Objektiv des Sensors vorbei reflektiert und die Oberflächeninformation geht verloren.

Bei den Werkzeugen handelt es sich jedoch häufig um rotationssymmetrische Drehteile, sodass mit Hilfe einer Dreh-Schwenk-Achse ein Nachschwenken der Oberflächennormale in die Sensorachse möglich ist. So kann die gesamte Werkstückoberfläche durch mehrere Drehachsscans auf verschiedenen Schwenkwinkeln erfasst werden. Hierzu lässt sich das 3D-Koordinatenmessgerät Werth Videocheck FB DZ mit einer Dreh-Schwenk-Achse ausstatten. Die stabile Bauweise mit fester Brücke gewährleistet eine hohe Genauigkeit. Mit den beiden unabhängigen Sensorachsen sind Multisensor-Messungen ohne Einschränkungen möglich, da die gerade nicht verwendete Achse außerhalb des Messbereichs in Parkposition bleibt. So können optische, taktile und taktil-optische Sensoren für unterschiedliche Anwendungen optimal kombiniert werden.

Zur Messung der hochreflektierenden Werkzeuge bietet sich insbesondere der Chromatic Focus Line Sensor (CFL) an, bei dem weder die direkte Reflexion noch der mangelnde Kontrast hochreflektierender Oberflächen ein Problem darstellt. Bei chromatischen Fokus-Sensoren ist die Abbildungsoptik bewusst so gefertigt, dass die unterschiedlichen Fokusebenen verschiedenfarbigen Lichts entsprechend des gewünschten Messbereichs auseinander liegen. Wird weißes Licht auf die Werkstückoberfläche projiziert, lässt sich anhand der Wellenlänge mit der höchsten Intensität der Abstand zum Sensor und damit die Position des Messpunkts auf der Werkstückoberfläche bestimmen.

Durch die Kombination von CFL und Dreh-Schwenk-Achse am Videocheck FB DZ erreicht man eine sehr hohe Genauigkeit, sodass die Werkzeuge zur Herstellung der Spritzgussformen für Kontaktlinsen mit Toleranzen von 10 µm gemessen werden können. Ein weiterer Vorteil des CFL ist die hohe Messgeschwindigkeit: Bei einer Drehung um 45° pro Sekunde werden 2.000 Messpunkte erfasst. Die Punktedichte auf dem Werkzeug hängt dann vom Durchmesser ab, kann aber auch konstant gehalten werden. Als Ergebnis erhält man eine 3D-Punktewolke der gesamten Werkzeugoberfläche, mit der dimensionelle Messungen oder ein Soll-Ist-Vergleich durchgeführt werden können.

Messung stark gekrümmter Flächen
mit Fasertaster

Smartphones müssen für die Nutzer heute neben den Kommunikationsfunktionen vor allem eines können: eindrucksvolle Bilder erzeugen und Momente festhalten, die mit anderen geteilt werden sollen. Dabei sind Pixelgröße und -anzahl nicht mehr das Hauptkriterium. Um die Bilder auf den Kamerachip abzubilden, muss die Abbildungsoptik hohen Anforderungen genügen, mit dem Ziel, helle und scharfe Fotos aufnehmen und die Kamera auch bei schlechten Lichtverhältnissen nutzen zu können.

Bei der Messung von Linsen, Fassungen und Gehäusen ist vor allem schnelles und präzises Messen zur Steuerung der Fertigungsprozesse wichtig, da bei den heutigen hohen Produktionsgeschwindigkeiten ansonsten zu viel Ausschuss produziert wird. Bei der Messung von Fassung und Gehäuse überzeugt der patentierte Werth Zoom auch durch seine Abbildungsqualität. Für maximale Flexibilität bei Auflicht-Messungen sorgt der Multiring mit großem Einstellbereich des Beleuchtungswinkels im Raum durch Kombination eines variablen Arbeitsabstands mit vielen LEDs.

Eine weitere Herausforderung für die Messtechnik stellen die Miniaturisierung und Präzision der Kunststofflinsen dar. Die kleinen, stark gekrümmten Smartphone-Linsen haben eine ähnliche Wirkung wie die hochreflektierenden Oberflächen der Werkzeuge zur Herstellung von Spritzgussformen: Auch hier stoßen optische Sensoren aufgrund der Apertur an ihre Grenzen.

Mit einer Längenmessabweichung von bis zu (0,15 +L/900) μm ist nach Herstellerangaben der Videocheck UA das weltweit genaueste kommerziell verfügbare Multisensor-Koordinatenmessgerät. Dies wird unter anderem durch eine spezielle Luftlagertechnik, die integrierte Schwingungsisolation und temperaturstabile Maßstabssysteme mit 1 nm Auflösung ermöglicht. Beim Werth Fiber Probe (WFP) dient der biegeelastische Schaft nur zur Positionierung der bis zu 20 µm kleinen Antastkugel, deren laterale Auslenkung optisch gemessen wird. Die axiale Auslenkung des WFP 3D wird mit Hilfe eines Laserabstandssensors bestimmt. Durch das taktil-optische Messprinzip werden die Antastkräfte auf einige µN reduziert, sodass Beschädigungen empfindlicher Oberflächen vermieden werden.

Mit dem WFP 3D können sämtliche Parameter der Kunststofflinsen inklusive der gesamten Oberflächengeometrien mit Fertigungstoleranzen bis in den Submikrometerbereich in einem einzigen Messablauf erfasst werden. Gemessen werden hauptsächlich die Formabweichung der Linsenoberflächen und deren Mittendicke. Wie bei den LED-Linsen kann die Einbaulage von montierten Kunststoff-Baugruppen ergänzend mit CT erfasst werden. So lassen sich die Abstände zwischen den Linsen, Spaltmaße und Koaxialität, ja sogar die Dicke der Entspiegelungsbeschichtung messen. ■


Die Autorin

Dr. Schirin Heidari Bateni

Anwendungstechnik / Marketing

Werth Messtechnik

www.werth.de



Hier finden Sie mehr über:
Anzeige
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Videos Control 2019

Die besten Videos von der Messe

Quality Engineering
Titelbild QUALITY ENGINEERING 3
Ausgabe
3.2020
LESEN
ABO
Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Whitepaper zum Thema QS

Anzeige
Anzeige

Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de