Flächige 3D-Messung in der Werkzeugmaschine

Messtechnik Flächige 3D-Messung in der Werkzeugmaschine

25.05.2018Autor / Redakteur: Tobias Seyler, Markus Fratz, Viktor Grün und Rainer Börret / Udo Schnell

Präzisionsbauteile müssen oft auf wenige Mikrometer genau produziert werden. Selbst modernste Bearbeitungsmaschinen kommen dabei an ihre Grenzen. Ein neuartiger optischer Sensor vom Fraunhofer-IPM sorgt für die notwendige Bauteilqualität: Der Holo-Cut-Sensor erfasst 3D-Strukturen flächig und mikrometergenau direkt in der Werkzeugmaschine.

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Fraunhofer-Institut für Physikalische Meßtechnik IPM

WITTENSTEIN alpha GmbH

Renishaw GmbH

ESTA Apparatebau GmbH & Co. KG

Bild 1: Der optische Sensor Holo-Cut erfasst die Topografie von Bau- teiloberflächen mikrometergenau direkt in der Werkzeugmaschine – flächig, zuverlässig und schnell.
(Bild: Fraunhofer-IPM)

Bei der Herstellung von Präzisionsbauteilen werden Genauigkeiten vorausgesetzt, die selbst modernste Bearbeitungsmaschinen oft nicht zuverlässig liefern können. Schon unterschiedliche Trajektorien, geringfügig abgenutzte Werkzeuge oder falsch kalibrierte Sensoren können zu Bauteilgeometrien führen, die außerhalb der gewünschten Spezifikation liegen – dabei sind oft wenige Mikrometer entscheidend.

Zur Qualitätskontrolle müssen die Bauteile daher entsprechend präzise vermessen werden. Das geschieht typischerweise mit Koordinatenmessmaschinen in speziellen Messräumen außerhalb der Werkzeugmaschine. Diese taktile Messung ist umständlich, langsam und nur in Stichproben möglich. Und: Das Werkstück muss nach erfolgter Prüfung für ein eventuell notwendiges Nacharbeiten erneut in der Maschine eingerichtet werden.

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Bild 2: Die 3D-Darstellung der Messdaten einer Münze zeigt beispielhaft die Leistungsfähigkeit des digital-holografischen Oberflächenmesssystems Holo-Cut.

Bild 3: Der Holo-Cut-Sensor erfasst Bauteiloberflächen in Sekundenbruchteilen mikrometergenau und flächig. So werden neben der Geometrie gleichzeitig relevante Oberflächenparameter erfasst, beispielsweise Mikrodefekte und Mikrostrukturen sowie Höhe, Parallelität und Neigung von Flächen.

Bild 4: Der Holo-Cut-Sensor erkennt selbst kleinste Bearbeitungsfehler am eingerichteten Bauteil. Bei der Bearbeitung einer Aluminium-Testprobe wurde eine Fehlkalibrierung eines Temperatursensors beobachtet. Im Testfeld (a) war die Kalibrierung intakt: Der Detailausschnitt der erfassten Topografie zeigt die gewünschte Rillenstruktur. Ganz anders zeigt sich das Ergebnis nach Bearbeitung von Testfeld (b): Trotz falscher Kalibrierung konnte ohne Warnung weitergefräst werden, der Detailausschnitt der Topografie zeigt offensichtliche Bearbeitungsfehler.

Bauteiloberflächen flächig vermessen

Der vom Fraunhofer-IPM im Rahmen eines Forschungsprojekts neu entwickelte optische Sensor Holo-Cut verspricht nun Abhilfe: Er misst die frisch bearbeitete Bauteiloberfläche flächig direkt in der Werkzeugmaschine (Bild 1). Finanziert wird das Forschungsprojekt Holo-Cut durch die Baden-Württemberg Stiftung gGmbH.

Dieser Computertomograph erstellt zwei- oder dreidimensionale Röntgenaufnahmen mit nur einem Knopfdruck – ohne weiteres Vorwissen des Anwenders.

Das digital-holografische Messsystem Holo-Cut ermöglicht erstmals eine echte 100%-Qualitätskontrolle im Fertigungsprozess. Es nutzt die digitale Mehrwellenlängen-Holografie zur 3D-Inline-Vermessung. Mit interferometrischer Genauigkeit erfasst das System die Topografie selbst rauer Objektoberflächen. Holo-Cut misst Oberflächen von Bauteilen kontaktlos und hochpräzise und arbeitet dabei so schnell und robust, dass es direkt in die Werkzeugmaschine integriert werden kann, um dort zu messen. Während der Messung kann das Werkstück eingerichtet bleiben, die Messwerte können daher direkt in eine Regelschleife zur Nachbearbeitung einfließen (Bild 2).

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