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Laser-Messtechnik Maßhaltigkeit komplexer Geometrien automatisiert prüfen

Autor / Redakteur: Bernhard Kurz und andere / Udo Schnell

Bauteile mit komplexen Geometrien sind schwer zu prüfen. Eine Vereinfachung mit der Möglichkeit der Automatisierung stellt eine Messlehre mit integrierten Lasersensoren dar. Erste Erfahrungen zeigen deutliche Zeiteinsparungen beim Messen.

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Bild 1: Karosserietragteil mit Verstärkungs- und Anbaustrukturen aus Druckgussfertigung [4].
Bild 1: Karosserietragteil mit Verstärkungs- und Anbaustrukturen aus Druckgussfertigung [4].
(Bild: Niederer)

In Automatisierung und Digitalisierung schlummern für fast alle Unternehmen aus Handel, Industrie und Dienstleistung noch viele ungenutzte Möglichkeiten. Studien zeigen, dass durch die Digitalisierung Kosten reduziert werden können [1]. Kürzer werdende Produktzyklen und ein sich verschärfender Wettbewerb stellen neue Anforderungen an Automatisierungslösungen [2].

Deshalb wurde eine Automatisierungslösung zur Maßhaltigkeitsprüfung komplexer Karosseriebauteile entwickelt, die nicht nur den manuellen Qualitätsprüfprozess deutlich beschleunigt und den Richtprozess zunächst nichtkonformer Bauteile vereinfacht, sondern zukünftig auch die Einbindung in einen automatisierten Prüf- und Richtprozess ermöglicht.

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Druckgussteile bieten besondere Möglichkeiten

Dem Trend nach weniger und insgesamt größeren Bauteilen folgend, werden im Automobil- und Karosseriebau zunehmend gefügte Blechformteile durch Spritz- oder Druckgussteile ersetzt. Trotz komplexer Prozesstechnik bieten Druckgussteile die besondere Möglichkeit, komplexe dreidimensionale Formen mit Verstärkungsstrukturen und Anbauelementen in einem Fertigungsvorgang zu verwirklichen.

Mittlerweile werden Karrosserietragteile mit 2000 mm Länge und jeweils 600 mm in Höhe und Breite erzeugt (siehe Bild 1). Bedingt durch den Fertigungsprozess mit hohen Temperaturen (circa 800 °C) treten nach der Entformung bauformabhängig Maßabweichungen durch Verwindung und Verbiegung auf, die die Weiterverarbeitung erschweren.

Um den Druckgussprozess zu optimieren, müssen die fertigen Teile auf ihre Maßhaltigkeit geprüft werden. Damit wird auch die Möglichkeit geschaffen, die Bauteile bei geringeren Maßabweichungen mechanisch auszurichten und somit möglichen Ausschuss weiter zu reduzieren.

Die Herausforderung: Auswahl der Messmethodik

Die eigentliche Herausforderung besteht nun darin, eine geeignete Messmethodik auszuwählen, die bei hoher Messstellendichte, also bis zu fünf Messpunkten auf 100 mm × 100 mm Oberfläche, sowie mit verschiedenen Koordinaten und Messwinkeln innerhalb kürzester Zeit erfassen, auswerten und visualisieren kann.

Damit sollen dem Werker oder der nachfolgenden Fertigungseinheit die Informationen geliefert werden, um die Entscheidungen Bauteil i. O., Bauteil richten oder Ausschuss treffen zu können. Weiterhin sind Anforderungen aus dem Prozessumfeld sowie hinsichtlich der Prozessfähigkeit zu berücksichtigen.

Eine für den zu realisierenden Messaufbau grundlegende Entscheidung liegt in der Wahl der Messsensorik. Induktiv- oder Lasersensoren erfordern eine formgenaue Einlegemaske für die Bauteile. Bei 3D-Tastrobotern ist eine koordinatenstabile Messzelle nötig, bei 3D-Scannern muss das Bauteil fixiert werden und die Scannerposition bekannt sein. Damit bei 3D-Scannern alle Oberflächensegmente erfasst werden, kann es nötig sein, das Bauteil oder den Scanner zu drehen. Je nach Bauteilgeometrie sind ansonsten bestimmte Teile verdeckt.

Mitentscheidend für den Einsatz eines taktilen oder optischen Verfahrens ist die Bauteiloberfläche, die im konkreten Fall wegen Material und Produktionsflüssigkeiten mattglänzend bis glänzend ist.

Im Vergleich zu taktil-pneumatischen Tastsensoren haben optische und insbesondere Laser-Distanzsensoren (siehe Bild 2) folgende Alleinstellungsmerkmale:

  • hohe MTBF-Werte für optische Distanzsensoren,
  • sehr kleiner Bauraum für Lasersensoren,
  • keine zusätzliche Druckluftversorgung nötig,
  • kein Verschleiß durch bewegte Sensorkomponenten,
  • niedrige Betriebskosten aufgrund einfacher Reinigungsmöglichkeiten,
  • einfacher Austausch und Justage bei Ausfall eines Sensors,
  • eine Auflösung und Reproduzierbarkeit von 10 bis 30 µm je nach Erfassungsbereich.

Leistungsvergleich der Systeme

Ein umfassender Kosten- und Leistungsvergleich der Systeme liefert folgende Ergebnisse [3, 5, 8]:

3D-Scanner: Ausgangspunkt sind eine Bauteilfixierung mit einem Handlingsroboter und stationäre oder bewegliche Scanner. Dann ist zum Erfassen von mindestens 10 Mio. Bildpunkten und etwa 100 Bildern aus verschiedenen Scanwinkeln und -positionen ein Zeitbedarf von mindestens 5 s anzusetzen, einschließlich der Auswertung für 50 Messpunkte. Probleme treten dabei vor allem durch die komplexe Oberflächenstruktur und die Oberflächenqualität auf. Investitionsuntergrenzen für Beschaffung, Aufbau, Bildverarbeitung und Inbetriebnahme liegen bei etwa 0,5 Mio. Euro. Aussagen zu den laufenden Betriebskosten insbesondere für Instandhaltung und Rekalibrierung konnten nicht recherchiert werden.

3D-Tastroboter optisch oder taktil: Bei günstigen Bauteilgeometrien sind bis zu 5 Messpunkte pro Sekunde möglich. Damit würde ein Messvorgang mit 50 Messpunkten wenigstens 10 s in Anspruch nehmen. Die Investitionen für Messraum mit Bauteilfixierung, Roboter, Messsensorik und Auswertung liegt bei etwa 0,2 Mio. Euro. Für Programmierung und Inbetriebnahme sind weitere 0,05 bis 0,1 Mio. Euro anzusetzen. Laufende Betriebsaufwendungen konnten ebenfalls nicht recherchiert werden

Messlehre mit Lasersensoren: Die Erstellung der formgenauen Einlegemaske mit Integration der Messlaser liegt bei etwa 50 % der Kosten für einen manuellen oder teilautomatisierten Tastroboter beziehungsweise bei 65 % im Vergleich zur taktil gesteuerten Messlehre, jeweils inklusive Mess- und Auswertesoftware. Mit dem Parallelbetrieb der Sensoren werden Scanzeiten von unter 1 s, mit Auswertung und Visualisierung der Messergebnisse von weniger als 1,5 s erreicht. Durch Einsatz eines Einstellmeisters für alle Messpunkte können die Aufwendungen für Genauigkeitskontrolle und Rekalibrierung der Messlehre deutlich reduziert werden. Der Einsatz vorkalibrierter Sensorkomponenten unterstützt die schnelle Instandsetzung bei Ausfall.

Wenngleich 3D-Scanner und 3D-Tastroboter auch bei geänderten Bauteilgeometrien flexibel einzusetzen sind, erfordert dies dennoch entsprechende Programmmodule für Steuerung und Auswertung, die mit etwa 30 % der Kosten für eine bauteilspezifische Messlehre anzusetzen sind. Die Entscheidung für eine erforderliche Einsatzflexibilität wird folglich durch die Anforderungen an die Fertigungslinie und deren Derivatabdeckung bestimmt, beschränkt sich aber in den meisten Fällen auf nur eine Bauteilform.

Die Lösung: Messlehre mit integrierten Lasersensoren

Als Konsequenz aus Anforderungen, Kosten- und Funktionsanalyse wurde eine Messlehre mit integrierten Lasersensoren für jeden Prüfpunkt, Signalverarbeitung, Visualisierung und ergonomiegerechter Bedienerführung realisiert.

Aus den CAD-Daten der Druckgussteile werden die Einlegemaske der Messlehre entwickelt, die Referenzauflagepunkte festgelegt und die Sensoren positions- und winkelspezifisch verbaut (siehe Bild 3). Zur Energieversorgung, elektrischen Verschaltung und Aufnahme der Messelektronik mit Industrierechner dient ein Schaltschrank. Der Visualisierungsmonitor ist höhenverstellbar im optimalen Blickfeld des Werkers angeordnet. Für Eingaben und Ablaufsteuerung gibt es ein Befehlsgerät sowie ergänzend eine Spezialtastatur. Alternativ kann auch ein Touchscreen eingesetzt werden.

Die Prozessankopplung erfolgt mit industriellen USB-Modulen, Prozessdatenmanagement und Visualisierung wird mit einer verbreiteten SPC-Software umgesetzt (Statistical Process Control).

Folgende Betriebsfunktionen sind mit unterschiedlichen Autorisierungen implementiert:

  • Messen ohne/mit Speicherung der Ergebnisse (Prüfauftrag): zur Kontrollmessung der Bauteile vor und nach dem Richtprozess sowie zur abschließenden Messungsdokumentation für die Qualitätssicherung;
  • Nullung auf Referenzmaster (1-Punkt-Kalibrierung): mindestens täglich durchzuführen;
  • 2-Punkt-Kalibrierung: nur bei Inbetriebnahme oder Sensorwechsel erforderlich.

Auswahl und Bedienung der Betriebsfunktionen erfolgen über das Befehlsgerät, die Tastatur oder den Touchscreen; Text- oder Passworteingaben sind nur mit Tastatur oder Touchscreen möglich. Aufgrund der konsequenten Farb­zuordnung und strukturierter Bildschirmbereiche für Messwerte, Informationsausgaben und Steuerungseingaben (siehe Bild 4) wird ein Höchstmaß an Usability mit geringen Einlernzeiten und Fehlbedienungsraten erreicht.

Weniger Zeit fürs Messen

Nach mittlerweile umfassenden Erfahrungen mit diesen Messlehren lassen sich deutliche Zeiteinsparungen bei Mess- und Richtvorgang feststellen. So beanspruchen das Einlegen und Messen der Bauteile nur etwa 4 bis 5 s, der gegebenenfalls anschließende gezielte Richtvorgang auf einer separaten Klopfmaske etwa 10 s. In der zurückliegenden Betriebszeit von mehr als einem Jahr sind weder Ausfälle noch Nachjustierungen bei den Lasersensoren zu verzeichnen, die somit kaum Justage- oder Wartungskosten verursachen. Allein durch regelmäßiges Abblasen der Laseroptik und Kontrollmessungen mit dem Einstellmeister werden zuverlässiger Betrieb und hohe Messpräzision gewährleistet.

Die aktuelle Automatisierungslösung genügt zwar noch den Anforderungen, ist aber aufgrund fehlender Konnektivitäten für Visualisierung und Datentransfer oder bei der Anbindung digitaler Sensoren und nicht zuletzt wegen der Preisgestaltung für Hardwarekomponenten und Lizenzmodell nur bedingt zukunftsfähig. Die Umsetzung der nächsten Automatisierungsstufe mit Übergabe der Messwerte an einen Richtroboter erfordert standardisierte Datenkommunikation via Profinet, Industrial Ethernet oder OPC UA und wird durch Remote- I/O-Systeme mit Webvisualisierung und Feldbuscontrollern realisiert.

Das besondere Merkmal der vorgestellten Messlehre liegt in der Kombination von anspruchsvoller Fertigungstechnik, komple­xem CAD-Maschinenbau und hochautomatisierter Messtechnik, eine Konstellation, die nur bei mechatronischen Spezialunternehmen oder entsprechenden Unternehmensverbünden anzutreffen ist. Aufgrund der vorhandenen Kompetenzen in den genannten Bereichen empfiehlt sich das Unternehmen Modellbau Schmid & Negele für die kostengünstige, zeitnahe und professionelle Realisierung derartiger Aufgaben. MM

Literatur

[1] Kemper, M.; Gloy Y-S.; Gries, Th, (2016): Herausforderung der deutschen Textilproduktion im Kontext der Industrie 4.0. Melliand Textilberichte 2/16, 94-96.

[2] Schnauber, H.; Schuster, H. (2012): Erfolgsfaktor Qualität – Einsatz und Nutzen des EFQM-Excellence-Modells. Symposion Publishing GmbH, Düsseldorf.

[3] Artec3d: So wählen Sie einen 3D-Scanner aus. https://www.artec3d.com/de/learning-center/how-choose-3d-scanner, Abruf 15.01.2020.

[4] Niederer, R.: Druckguss-Bauteil. http://www.artwiese.ch/lens_portfolio/druckgussteile, Abruf 15.01.2020.

[5] Robotik und Produktion: Automatisierte Qualitätssicherung mit 3D-Mess­roboter. https://www.robotik-produktion.de/robotik/auch-fuer-schwierige-stellen/, Abruf 15.01.2020.

[6] Wago Website: Wago Remote-I/O-Systeme. https://www.wago.com/de/automatisierungstechnik/io-systeme-entdecken, Abruf 15.01.2020.

[7] Welotec Website: Welotec Laserdistanzsensor AWLS. http://www.Welotec.com, Abruf 15.01.2020.

[8] Werth Website: Werth Messtechnik. http://www.werth.de, Abruf 15.01.2020.

* Prof. Dr.-Ing. Bernhard Kurz ist an der Fakultät 09 der Hochschule München tätig; Nikolaus Negele und Alfons Schmid sind Geschäftsführer der mSN Schmid & Negele Modellbau GmbH in 85716 Unterschleißheim, www.msn-modellbau.de; Wolfgang Kurz ist Doktorand am Lehrstuhl für Messsystem- und Sensortechnik MST der TU München; weitere Informationen: Bernhard Kurz, Hochschule München in 80335 München, Tel. (0 89) 12 65-39 34, bernhard.kurz@hm.edu

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