Maßgeschneiderte Messtechnologien für Fertigungsmaschinen

Die Weiterentwicklung von Fertigungsmaschinen und -prozessen stellt Hersteller von Drehteilen in Mittel- und Großserien vor wachsende Inspektionsanforderungen. Dazu zählen häufigere Inspektionen, die Messung von Elementen, die Führung von Statistiken sowie immer strengere Genauigkeitsspezifikationen. Fertigungsbetriebe wünschen sich Verbesserungen in der Messtechnologie wie kürzere Messzyklen, höhere Genauigkeit und die präzise Messung von Geometrie- und Freiformelementen.

Die industrielle Messtechnik hat sich in den vergangenen fünf Jahren rasant weiterentwickelt und bietet heute Möglichkeiten zur Erfüllung solcher anspruchsvoller Anforderungen. Die bestmögliche Lösung ist jedoch immer von den individuellen Bedürfnissen des Anwenders abhängig. Wir beschäftigen uns mit drei verschiedenen, effektiven Verfahren zur präzisen Messung von Drehteilen in der Mittel- und Großserienfertigung.

Berührungslose Messsysteme für Drehteile
Die Dentalindustrie bietet ein ideales Beispiel für eine Branche, die berührungslose optoelektronische Messsysteme einsetzt. Von jeder der Hauptkomponenten eines Zahnimplantats werden durch Drehen und Gewindeschneiden mit CNC-Technologie große Stückzahlen in zahlreichen Größen- und Formvarianten produziert. Bei den Implantaten, die auch als Zahnprothesen bezeichnet werden, handelt es sich im Grunde genommen um Ersatzteile für den menschlichen Körper. Dementsprechend ist überragende Qualität von größter Bedeutung, sodass alle Funktionsmaße zu 100 % geprüft werden müssen.

Die Komponenten sind sehr klein. Die meisten weisen einen Durchmesser von weniger als 4 Millimetern und komplexe Formen und Maße auf, die mit herkömmlichen Hilfsmitteln wie Messprojektoren, Messmikroskopen oder Handmessgeräten schwierig und zeitaufwendig zu messen sind. Aufgrund der zunehmenden Anforderungen an Fertigungsgenauigkeit sowie Qualität und der Vielfalt und Menge an gefertigten Komponenten, für die immer strengere Messkriterien gelten, stellten berührungslose Messsysteme eine attraktive Alternative für diese Branche dar.

Mit einem berührungslosen optischen Messsystem für rotationssymmetrische Werkstücke wie dem TESA SCAN 25 können die auf zwei bis drei CNC-Drehbänken gefertigten Produkte gleichen Typs geprüft werden. Das Messobjekt wird in der Spindel der Drehmaschine fixiert und kann bei Bedarf gedreht werden, während ein Laserstrahl das Profil auf ein Feld von Erfassungssensoren projiziert, wo es digitalisiert wird. Die Software misst dann anhand des digitalisierten Bilds die zuvor einprogrammierten Elemente. Eine übliche Zyklusdauer für zwölf Maße an einer Komponente sind 28 Sekunden. Häufig wird die Werkstückprogrammierung online oder offline von Fertigungstechnikern erledigt, während die eigentliche Inspektion mit dem automatisierten Messsystem von den Maschinenbedienern vorgenommen wird. Die Maschinenbediener können alle kritischen Außenmaße mit einem einzigen Hilfsmittel überprüfen. Spezielle Messsysteme für rotationssymmetrische Werkstücke wie das TESA SCAN bieten gegenüber Lasersystemen sowohl in puncto Genauigkeit und Geschwindigkeit als auch in Bezug auf die Arten von Elementen, die gemessen werden können, Vorteile.

Im Anschluss an die Messung können die Ergebnisse gleichzeitig numerisch und grafisch dargestellt und in Form von Balkendiagrammen, Qualitätsregelkarten und Fähigkeitsberichten statistisch ausgewertet werden. Die Fähigkeit – ein Wert, der mit manuellen Inspektionsverfahren nicht zu berechnen war – bietet eine statistische Grundlage zur Ermittlung von Prozessverläufen und Justierung einzelner Werkzeugmaschinen. Günstig ist auch, dass die Messdaten anhand einer vom Bediener eingegebenen Chargen- oder Maschinennummer zur jeweiligen Maschine zurückverfolgt werden können.

Automatische Gewindemessungen sind möglich, wenn die Maschine über eine Schwenkvorrichtung zur Drehung des Werkstücks verfügt, damit der Steigungswinkel für die Messung zugänglich wird.

Ein anderer Vorteil dieses Messsystems ist seine Skalierbarkeit. Ist ein Hersteller von Drehteilen in der Lage, Produkte unterschiedlicher Größen herzustellen, können Werkstücke mit bis zu 500 Millimetern Länge und 80 Millimetern Durchmesser geprüft werden. Doch diese Messtechnologie hat natürlich auch ihre Grenzen: Werkstücke müssen einzeln nacheinander gemessen werden. Außerdem müssen sie, obwohl der Messzyklus automatisiert ist, manuell eingespannt und entnommen werden. Und wenn ein zu messendes Element im Profil nicht sichtbar ist – beispielsweise eine Fräsnut – kann es mit diesem System nicht erfasst werden.

Optische Messsysteme
Einer der größten Vorteile des Einsatzes von optischen Messsystemen in Kombination mit Fertigungsmaschinen ist der hohe Durchsatz – beispielsweise bei der Messung von Steuerkolben in der Automobilindustrie. Die Messung von Steuerkolben mit herkömmlichen Verfahren kann eine Stunde oder mehr in Anspruch nehmen – und das nur zur Erfassung der Messwerte eines einzigen Bauteils! Wobei diese Inspektionszeit noch nicht einmal die Sammlung und statistische Auswertung beinhaltet, die viele derartige Komponenten erfordern. Durch die Nutzung schneller optischer Messsysteme lässt sich der komplette Inspektionsvorgang auf fünf bis zehn Minuten oder weniger pro Werkstück reduzieren.

Eine Komponente wie ein Steuerkolben weist zudem sehr komplizierte Formen und Radien auf, die geprüft werden müssen. Auch hierfür bietet die optische Messtechnologie optimale Lösungen. Mithilfe von Tools zur Profilberechnung lassen sich äußerst komplexe Krümmungen auf eine wesentlich einfachere Profillinie reduzieren. Durch die unterstützende CAD-Referenzierung mit einem Softwarepaket wie PC-DMIS Vision wird die Arbeit mit solchen Berechnungstools zusätzlich erleichtert. In wenigen, einfachen Schritten wird das CAD-Modell dem physischen Werkstück gegenübergestellt, damit komplexe Profile durch Zeigen und Klicken vermessen werden können. Diese Vorgehensweise ist für viele Arten von Werkstücken möglich, zum Beispiel für kleine Komponenten aus der Medizintechnik mit Profiltoleranzen im Mikrometerbereich oder elektronische Bauteile, bei denen sogar Submikrometergenauigkeiten erzielt werden müssen.

Auch viele andere Arten von Werkstücken eignen sich hervorragend für optische Messungen. Werkstückdaten werden binnen Sekunden erfasst, wobei die Handhabung der Teile durch Positioniersysteme unterstützt wird. Die Position und Form von Elementen kann den erfassten Daten entnommen werden. Die Kosten für solche Systeme orientieren sich primär an den Faktoren Kapazität, Geschwindigkeit und Genauigkeit, sodass große Spannweiten möglich sind: Ein optisches Messsystem wie das Brown & Sharpe Optiv 1 Classic ist zum Einstiegspreis zu haben, während das Brown & Sharpe Optiv 3 Performance am anderen Ende des Spektrums allerhöchste Genauigkeit im Submikrometerbereich bietet. Optische Messsysteme werden mit Recht als Technologie der Zukunft für Mikromessanwendungen bezeichnet.

Die optischen Messtechnologien werden laufend weiterentwickelt. Die Möglichkeit der Messung mit mehreren interaktiven Sensoren hat 3D-Messungen mit optischen Systemen von Grund auf verändert. Die verschiedenen Sensoren verstehen sich als Bausteine zur Erweiterung oder Erhöhung der Genauigkeit eines optischen Messsystems. Mit schaltenden Tastern können beispielsweise Toleranzen im Bereich weniger Mikrometer erzielt und bei Bedarf Winkelstellungen ermöglicht werden. Durch Winkelstellungen lassen sich Elemente messen, die mit dem optischen Sensor nicht erfasst werden können. Darüber hinaus können berührungslose Sensoren wie Laser- und Weißlicht-Scanner Genauigkeiten im Submikrometer- bzw. in besonderen Fällen sogar im Ångström-Bereich liefern. Laser bieten gezielte Unterstützung für Formmessungen mit Dreh- oder Neigungsachsen, die in Echtzeit arbeiten. Weißlicht-Sensortechnologie empfiehlt sich für bestimmte sehr kleine Elemente wie winzige Abstufungen und 3D-Formen. Die gemeinsame Verwendung taktiler und optischer Sensoren bringt beispiellose Vorteile für die Messgeschwindigkeit und Vielseitigkeit von Systemen.

Tastersysteme
Die ultimative Lösung für Fertigungsmaschinen bietet den höchsten Messdurchsatz. Dabei werden schaltende Taster direkt in das Drehzentrum integriert. Bei Davromatic Precision Ltd. in der britischen Stadt Rugby, einem Tier-2-Lieferanten der Luft- und Raumfahrt, Rüstungs- und Schwermaschinenindustrie, ist ein solches System erfolgreich im Einsatz. Tag für Tag muss das Unternehmen als Hersteller von Präzisionsdrehteilen den Spagat zwischen präzise gedrehten und gefrästen Werkstücken mit Toleranzen von nur ±8 Mikrometern bei geringstmöglichen Kosten schaffen. Zu diesem Zweck erwies sich die Anschaffung eines Dreh-Fräs-Zentrums mit integriertem schaltendem Taster als günstigste Lösung.

Durch die hohen Fertigungsvolumen des Unternehmens wirkt sich jede Produktionsunterbrechung und jede manuelle Justierung der Maschine nachteilig auf die Produktivität und Rentabilität aus. Um die Qualität von Werkstücken mit engen Toleranzen zu gewährleisten und Schwankungen im Prozess zu vermeiden, wurde eine integrierte Messlösung zur laufenden Überwachung und Anpassung der Bearbeitungsparameter benötigt.

Davromatic hat sich für ein fix montiertes Infrarot-Tastersystem der m&h Inprocess Messtechnik GmbH entschieden, das die Inspektion von gedrehten und gefrästen Konturen auf Drehmaschinen mit beweglichem Spindelkopf erlaubt, während sich das Werkstück noch in der Gegenspindel befindet. Der Taster ist auf einem Anschlagwinkel nahe der Hauptspindel montiert, sodass die abgetrennten Werkstücke von der Gegenspindel für die Maßprüfung zum Messtaster bewegt werden.

Die Erfassung kritischer Maße wie Außendurchmesser, Länge, Breite sechseckiger Querschnitte und gefräster Oberflächen erfolgt binnen Sekunden. Da der Messvorgang auf der Gegenspindel stattfindet, kann er unabhängig von der Hauptspindel durchgeführt werden, was die Fertigung weiter entlastet.

Davromatic profitiert zudem davon, dass das System eine Überwachung des Werkzeugverschleißes und damit die Vermeidung vorzeitiger Ausfälle erlaubt. Manche der verwendeten Werkstoffe führen zu einem hohen, ungleichmäßigen Verschleiß der Wendeschneidplatten. Entsprechend häufig driften die Messwerte außer Toleranz. Die Prüfung sämtlicher Werkstücke ermöglicht eine Überwachung der Situation in Echtzeit, damit Schneidplatten getauscht werden können, bevor sich teures Material in Ausschuss verwandelt und wertvolle Arbeitszeit vergeudet wird.

Durch die automatische Inspektion der gesamten Produktion und die Möglichkeit der Durchführung von Anpassungen an der Maschine während des Prozesses ist es Davromatic gelungen, seine Produktivität um rund 20 % zu steigern und Ausschuss praktisch vollständig zu vermeiden.

Dieser Erfolg ist beispielhaft für die Vorteile von Maßprüfungen unmittelbar im Prozess. Allerdings gibt es auch Einschränkungen: Zum einen müssen alle zu prüfenden Elemente auch mit dem Kontakttaster berührt werden können. Je nach Werkstück kann es Elemente geben, die dafür zu klein sind, oder nicht alle Elemente können mit einem einzigen Taster korrekt gemessen werden. Auch komplizierte Geometrien können den Rahmen eines solchen Systems sprengen. Zum anderen führt das System keine unabhängige Verifizierung der Werkstückqualität durch. Arbeitet die Maschine selbst ungenau, ist auf die Messergebnisse möglicherweise ebenfalls kein Verlass. Manche Qualitätsmanagementsysteme oder Kunden verlangen eine unabhängige Verifizierung der Ergebnisse. In einem solchen Fall könnte es eine Lösung sein, das Tastersystem auf der Maschine durch eine Offlinelösung für die Endabnahme zu ergänzen.

Ausblick
Die gute Nachricht: Für die Prüfung von Drehteilen gibt es heute mehr Optionen als je zuvor – von offline bis mitten im Prozess und sogar Mischlösungen aus unterschiedlichen Verfahren und
Systemen.

Mit fortschreitender Genauigkeit und Komplexität der gefertigten zylindrischen Komponenten wächst auch die Verfügbarkeit maßgeschneiderter Messsysteme für alle Arten von Anwendungen. Jedes Produkt – von Knochenschrauben über Ventile bis hin zu Kunststoffteilen – kann heute zuverlässig und einfach vermessen werden. Zwar steigen die Anforderungen an die Fertigungsbetriebe, was Genauigkeit und Geschwindigkeit betrifft, doch die industrielle Messtechnik hält geeignete Lösungen für alle Anwendungen bereit. Unter dem Strich profitieren Fertigungsbetriebe von erheblich geringerem Inspektionsaufwand bei besserer Prozesskontrolle und können so ihre Marge erhöhen.