Flächige 3D-Messung in der Werkzeugmaschine

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Renishaw GmbH

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Shining 3D Tech Co., Ltd

Fraunhofer-Institut für Physikalische Meßtechnik IPM

Rückführung der Daten in den Prozess

Der größte Anwendernutzen des Holo-Cut-Sensors entsteht durch das zeitnahe, mikrometergenaue Erfassen der gesamten Bearbeitungsoberfläche, sodass die gewonnenen Istdaten umgehend in den Bearbeitungsprozess zurückgeführt werden können. Dadurch lässt sich einerseits der Fertigungsprozess überwachen, andererseits aber auch die Qualität jedes einzelnen Werkstücks zu 100 % garantieren. Iterative Kontrollmechanismen, die zuvor durch zeitraubende Messungen in separaten Messräumen nur stichprobenartig möglich waren, können nun zwischen den einzelnen Bearbeitungsschritten in der Maschine erfolgen.

Schnellere Einführung neuer Produkte

Die Bauteile müssen dabei nicht erst den gesamten Fertigungsprozess durchlaufen, bis schließlich am Ende das teuer gefertigte Bauteil als defekt identifiziert wird. Das beschleunigt die Einführung neuer Produkte und minimiert gleichzeitig den Ausschuss. Ein weiterer Pluspunkt von Holo-Cut ist die kostengünstige Integration in bestehende Fertigungsprozesse: Durch den Einsatz direkt in der Werkzeugmaschine entfallen kostspielige Handlingprozesse nahezu vollständig.

Das bildgebende Inline-Messsystem F-Scanner des Fraunhofer-IPM im Einsatz: Ein UV-Laser untersucht Bauteile während der Fertigung punktgenau auf Verschmutzungen. (Kai-Uwe Wudtke/Fraunhofer-IPM)

Zum Beweis der Leistungsfähigkeit und Praxisrelevanz des Holo-Cut-Sensors hat das Fraunhofer-IPM in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Optische Technologien (ZOT) der HS Aalen bereits umfangreiche Tests durchgeführt. Bild 4 zeigt beispielhafte 3D-Daten von zwei gleichartig gefrästen Testoberflächen – einmal bei optimal funktionierender Temperaturregelung (a) und einmal bei durch mechanische Einwirkung falsch kalibriertem Temperatursensor (b). Bei beiden Fräsvorgängen hat die Werkzeugmaschine die Bearbeitung ohne Fehlermeldung abgeschlossen. Die Bearbeitung erfolgte vollkommen identisch, sowohl Bearbeitungsparameter als auch Fräswerkzeuge waren exakt dieselben.

Die Ergebnisse sprechen für sich: Durch die exakte Erfassung der fehlerhaften Bearbeitung bei Testfläche (b) kann diese im Nachgang korrigiert werden – und zwar ohne erneutes Einrichten des Werkstücks. Wichtig zum Vergleich der Messdaten ist der Hinweis, dass die Farbskalen unterschiedliche Strukturtiefen repräsentieren: Bei der Detailfläche (a) werden Messwerte von -3 bis +3 µm farbcodiert dargestellt, bei der fehlerhaften Detailfläche (b) erstrecken sich die Messwerte über den Bereich von -9 bis +9 µm.

Ergänzendes zum Thema

Hintergrund

Digitale Holografie

Bei der digitalen Holografie wird neben der in der Fotografie erfassten räumlichen Intensitätsverteilung des Lichts zusätzlich auch die Phaseninformation des Lichts erfasst. Voraussetzung dafür ist eine kohärente Lichtquelle – typischerweise ein Laser. Wird die Oberfläche eines Prüflings mit Laserlicht beleuchtet, ist in der Phasenverteilung der rückgestreuten Lichtwelle die Form des Prüflings gespeichert. Aufgrund der interferometrischen Aufzeichnung und anschließenden digitalen Rekonstruktion wird diese Information zugänglich und genutzt, um Oberflächen dreidimensional zu vermessen.

Das Grundprinzip der Holografie geht auf eine Erfindung von Dennis Gabor aus dem Jahr 1948 zurück, für die er 1971 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.

In der Praxis ist die digitale Mehrwellenlängen-Holografie das Verfahren der Wahl. Sie nutzt mehrere Wellenlängen zur Aufnahme des Hologramms und besitzt dadurch einerseits einen größeren Eindeutigkeitsbereich und kann andererseits auch praxisrelevante optisch raue Oberflächen vermessen.

Auf solchen Oberflächen entsteht typischerweise ein sogenanntes Specklerauschen, das die quantitative Phasenauswertung zur Topografiebestimmung normalerweise unmöglich macht. Es lässt sich durch die numerische Rekonstruktion bei verschiedenen Wellenlängen eliminieren: Man berechnet dazu die Phasenkarte bei der Schwebungsfrequenz der Einzelwellenlängen. Diese enthält die gewünschte Information über die Topografie des beleuchteten Objekts.

100%-Kontrolle in der Maschine

Das digital-holografische Messsystem Holo-Cut erlaubt erstmals eine echte 100%-Qualitätskontrolle in einer Werkzeugmaschine. Der Sensor erfasst makroskopische Topografien mit axialer Auflösung bis in den Sub-Mikrometerbereich. Rauheitsmessungen sind auch an schwer zugänglichen Funktionsflächen möglich. So ergibt sich mit Holo-Cut erstmals die Möglichkeit zur hochpräzisen Prozessregelung und Nachbearbeitung – ganz ohne erneutes Einrichten eines Werkstücks.

Aufgrund der kurzen Messzeit sind Inlinemessungen in einer industriellen Umgebung völlig unkritisch. Das Messsystem kann damit der entscheidende Baustein für eine automatisierte Inspektion hochpräziser Bauteile sein. Die enormen Vorteile durch den Wegfall komplizierter Handlingverfahren senken unter dem Strich die Prüfkosten für den Gesamtprozess. MM

* Dipl.-Ing. Tobias Seyler und Dr. Markus Fratz sind Projektleiter im Geschäftsfeld Produktionskontrolle am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in 79110 Freiburg. Weitere Informationen: Tobias Seyler, Tel. (07 61) 88 57-1 76, tobias.seyler@ipm.fraunhofer.de; Viktor Grün M.Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Prof. Dr. Rainer Börret ist Professor am Zentrum für Optische Technologien der HS Aalen in 73430 Aalen. Weitere Informationen: Viktor Grün, Tel. (0 73 61) 5 76-34 83, viktor.gruen@hs-aalen.de

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