Umfassende 3D-Werkzeugmaschinenvermessung

Die Herstellung von Präzisionsbauteilen erfordert Genauigkeiten, die selbst modernste Bearbeitungsmaschinen nicht zuverlässig liefern können. Zur Qualitätskontrolle gehört daher eine hochpräzise Vermessung der Bauteile. Dies erfolgt typischerweise mit Koordinatenmessgeräten in speziellen Messräumen abseits der Werkzeugmaschine. Diese taktile Messung ist umständlich, langsam und nur in Stichproben möglich. Und was noch schlimmer ist: Nach der Prüfung muss das Werkstück für eine eventuell notwendige Nachbearbeitung erneut in der Werkzeugmaschine eingerichtet werden.

Alternative zur Koordinatenmessung MTrotzdem

Abhilfe schafft der von Fraunhofer IPM entwickelte optische Sensor HoloTop NX: Er misst die Topographie frisch bearbeiteter Bauteiloberflächen direkt in der Werkzeugmaschine. Während der Messung kann das Werkstück eingerichtet bleiben. Der optische Sensor erfasst großflächig die Oberfläche und Tiefe von Fräsbahnen und deckt ungenaue Werkzeugeinstellungen mikrometergenau auf.

Prozessfehler werden so direkt im Bearbeitungsergebnis erkannt und durch Rückmeldung an den Produktionsprozess sofort korrigiert. Das Messsystem HoloTop NX ermöglicht erstmals eine echte 100-prozentige Qualitätskontrolle im Produktionsprozess.

Multiwellenlängen-Holographie für hochpräzise topografische Messungen

Das System nutzt digitale Mehrwellenlängen-Holographie und kann durch die Verwendung einer flexiblen mechanischen Schnittstelle in viele bestehende Werkzeugmaschinen integriert werden. Es können Messfelder mit einer Größe von 12,5 x 12,5 mm² vermessen werden. Die Oberflächentopographie wird mit hoher Präzision vom Mikrometer- bis zum Millimeterbereich und mit beispielloser Messgeschwindigkeit und Robustheit erfasst.

Die HoloTop-Sensorfamilie ermöglicht zudem eine schnelle und hochgenaue 3D-Vermessung von Bauteiloberflächen direkt in der Produktionslinie. Derzeit stehen Systeme zur Detektion von Oberflächen zwischen 15 × 15 mm² und 200 × 150 mm² mit lateralen Auflösungen zwischen 3 und 30 µm und Genauigkeiten bis unter 0,2 µm (3σ) zur Verfügung. Darüber hinaus können HoloTop-Systeme zur Qualitätskontrolle von präzisen metallischen Oberflächen (insbesondere Dichtflächen) oder elektronischen Bauteilen (Microbump-Strukturen oder Hochstromplatinen) eingesetzt werden.

Auf der Control-Messe wurde Anfang des Jahres ein betriebsfertiges HoloTop 9M18-System vorgestellt, das die Vermessung einer Fläche von 18 × 18 mm² mit 9 Millionen 3D-Punkten in weniger als 60 ms ermöglichte. Unter Produktionsbedingungen wird eine Einzelpunktwiederholgenauigkeit von weniger als 1 µm (3σ) erreicht.

Messung der makroskopischen Topographie mit mikroskopischer Genauigkeit

Die derzeit gängigen taktilen Messungen oder optischen Taster sind durch die Anzahl der Messpunkte und die damit verbundene erhebliche Messzeit stark eingeschränkt. Darüber hinaus sind diese Methoden nur sehr begrenzt in der Lage, komplexe Strukturen wie Steigungen, tiefe Rillen, hohe Kanten oder Löcher zu messen. Optische Alternativen erfordern in der Regel ein separates Messsystem, sodass Werkstücke nach der Prüfung immer wieder neu eingerichtet werden müssen. Hier setzt HoloTop NX neue Maßstäbe – der Sensor ist voll integrierbar und überzeugt mit einem sehr großen Arbeitsabstand, einem großen Messbereich und einer hohen Messgenauigkeit.

Die digitale Multiwellenlängen-Holographie basiert auf dem Prinzip der Interferometrie, bei der das Licht eines Lasers in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt wird. Während der Messstrahl auf die Oberfläche des Probenobjekts trifft, durchläuft der Referenzstrahl einen genau definierten optischen Pfad innerhalb des Sensors. Mithilfe einer Kamera werden dann der Messstrahl und der Referenzstrahl überlagert. Das entstehende Interferenzmuster enthält Informationen über die Topographie des Probenobjekts. Mit entsprechenden numerischen Methoden lässt sich anhand des Interferenzmusters in Sekundenbruchteilen die Form der technischen Oberfläche berechnen. Und nicht nur das: Da die digitale Holographie sowohl die Intensität als auch die Phase des Messstrahls genau und umfassend erfasst, ist es auch möglich, dessen räumliche Ausbreitung numerisch zu berechnen. Auf diese Weise kann die Objektoberfläche vermessen werden, auch wenn diese nicht hochauflösend auf dem Kamerachip dargestellt wird. Durch den Einsatz mehrerer Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen ist HoloTop in der Lage, eindeutige Messungen sowohl auf den Zentimeter als auch auf den Submikrometerbereich durchzuführen.

Weitere Informationen: www.ipm.fraunhofer.de

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