Automatisierte Sensortechnik 3D-Inlineprüfung erkennt und meldet Oberflächenfehler mit einer µm-Messgenauigkeit

Mesure-Systems-3D (MS3D) stellt ein Gerät vor, das kleinste Bauteile schon während der Produktion mittels 3D-Sensor-Überwachung auf Geometrie- und Formdefekte hin kontrolliert.

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Gerade bei der Herstellung kleinster Bauteile, die beispielsweise im Motor, Treibriemen oder im Fahrwerk verbaut werden, ist Fertigungsgenauigkeit hinsichtlich Geometrie, Form und Größe entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit eines Herstellers. Fehler könnten weitreichende Konsequenzen für die Funktion und Folgekosten – etwa im Fall einer Rückrufaktion – haben. Dem französischen Unternehmen Mesure-Systems-3D (MS3D) ist es jetzt gelungen, ein Gerät zu entwickeln, das solche Bauteile schon während der Produktion mittels 3D-Sensor-Überwachung auf Geometrie- und Formdefekte hin kontrolliert. Die Bauteile zu 100 Prozent noch während der Fertigung berührungslos zu prüfen, bedeutet gleichzeitig enorme Zeit- und Kostenersparnis. Auf der Control stellt MS3D sein neuestes Gerät Shape-Inspection vor, das speziell die Oberflächenbeschaffenheit der Bauteile untersucht hat.

Mit der Shape-Inspection können lange und zylindrisch aufgebaute Bauteile während des gesamten Produktionsvorgangs mittels moderner Sensoren überwacht und berührungslos in wenigen Sekunden auf bis zu 50 Merkmale hin untersucht werden. Die Genauigkeit der Messwerte liegt dabei im µm-Bereich. Dadurch können Kosten beim Personal eingespart werden und es fallen weniger fehlerhafte Bauteile an, die ausgemustert werden müssen.

„In der Mess- und Prüftechnik werden nicht nur hochauflösende Sensoren benötigt, sondern vollautomatisch, integrierte hochkomplexe Software, die die verschiedenen Komponenten der Bauteile in sich vereint und an die jeweiligen Anforderungen angepasst ist“, erklärt der Geschäftsführer und Gründer von MS3D, Dr. Marc Rosenbaum.

Höchste Präzision rund um die Uhr 365 Tage im Jahr

Mithilfe der speziellen Messtechnik werden die außen und innen liegende komplexe Form-Geometrie und Formfehler überwacht und aus den erhaltenen Werten eine dreidimensionale Oberflächenansicht erstellt. Bei einer Genauigkeit von 0,1 bis 1 µm sind Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit optimal gewährleistet. Aufgrund der kurzen Messzeit kann der Anwender umfangreiche Fertigungsreihen mit einer großen Bandbreite von Bauteilen und Maßen produzieren und dennoch die gesamte Charge prüfen. Um Einblicke in den Produktionsvorgang zu ermöglichen, liefert MS3D eine programmierbare Software für unterschiedliche Bauteile der gleichen Teilfamilie, anhand derer das Gerät automatische Berichte erstellt.

Die Bauteile selber können sowohl manuell als auch automatisch in die richtige Position gebracht und wieder entfernt werden. Dafür sind keine speziellen Einspannvorrichtungen nötig, so dass Shape-Inspection für eine Vielzahl unterschiedlicher Komponenten verwendet werden kann. Durch seine Robustheit und Ausfallsicherheit kann das Gerät das ganze Jahr über 24 Stunden am Tag eingesetzt werden, da kaum Wartungsarbeiten anfallen und es auch mit empfindlichen Produktionsumgebungen kompatibel ist. Das kommt insbesondere in der Automobilindustrie zum Tragen. Aber auch die Luftfahrt-, Energie-, Bahn-, Waffen-, Uhr-, Glas-, Kunststoff- und Metallindustrie können von der Erfindung des Unternehmens profitieren.

Spezielle Sensortechnik erlaubt Oberflächendigitalisierung mit bis zu 50 Mio. Messpunkten

Die Laserscanner des Geräts arbeiten mit der sogenannten Laser-Triangulationsvermessung, die einen zweidimensionalen Schnittnachweis auf verschiedenen Ziel-Oberflächen ermöglicht. Mithilfe spezieller Linsen wird der Laserstrahl vergrößert, so dass er eine statische Linie bildet. Diese Linie wird auf die jeweilige Zieloberfläche projiziert und mithilfe einer Kamera digitalisiert. Das indirekt reflektierte Licht dieser Laserlinie wird auf eine hochempfindliche Sensor-Matrix zurückgeworfen und der Abstand durch die Innenwinkelsumme mittels Triangulierung bestimmt.

Zusätzlich zur Information der z-Achse, die die Entfernung angibt, verwendet das Regelglied die Kamera-Abbildung, um die Position entlang der Laserlinie (x-Achse) zu berechnen. Diese Messwerte werden dann von einem zweidimensionalen Koordinatensystem abgefragt, das am Sensor angebracht ist. Durch Bewegung des Objekts oder Schwenken des Messfühlers ist es so möglich, etwa 500.000 bis 50.000.000 Messwerte zu gewinnen, über die die komplette Oberfläche digitalisiert wird und alle Oberflächendefekte analysiert werden können. Insgesamt dauert dieser Vorgang nur wenige Sekunden.

Pro Bauteil werden in der Regel zwei bis vier Sekunden benötigt, um es mittels 3D zu vermessen. Je nach Aufbau der jeweiligen Einspannvorrichtung braucht der Anwender eine bis drei Sekunden, um das Bauteil manuell anzubringen. Automatisch läuft das Ganze in einer halben bis einer Sekunde ab.

Das Gerät selbst berechnet die geometrischen Eigenschaften des Bauteils in nur ein bis zwei Sekunden. Für eine Fehlerkalkulation der Form- und Oberflächenaspekte benötigt es, abhängig von dessen Komplexität, zwei bis zehn Sekunden. „Dadurch verkürzt sich sie Endprüfung und es sind keine teilespezifischen Werkzeuge mehr nötig, so dass keine Zeit durch einen Wechsel verloren geht“, erläutert Rosenbaum die Vorteile der Messung. Dabei beträgt die Messunsicherheit zehn bis 30 µm – je nach Größe des Bauteils und des verwendeten Sensors. Bezüglich der Geometrie beläuft sich die Messunsicherheit für zylindrische Bauteile sogar auf nur ein µm.

Hersteller können durch das neuartige Prüfsystem die Qualität ihrer Produkte verbessern und sie zu günstigeren Preisen anbieten – denn die ständige, aufwändige Kontrolle durch Mitarbeiter oder Labortechniken, die nicht unbedingt reproduzierbar sind und oft erst zu spät den Fehler erkennen, entfällt.

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