So funktioniert fertigungsnahes Messen

Optisch oder taktil? „Vor dieser Frage stehen momentan viele Zerspaner, die sich mit modernster Messtechnik auf neue Märkte, neue Materialien und Messaufgaben vorbereiten wollen“, berichtet Zeiss- Produktmanager Alessandro Gabbia. Vor allem neue, hochglänzende und definiert raue Oberflächen würden derzeit den Fertigungsmesstechnikern die Entscheidung bezüglich der Messstrategie und Messausrüstung nicht leicht machen. „Viele unserer Messgeräte sind heute schon für beide Messtechnologien vorbereitet und ausgerüstet – sogar unsere hochgenauen Zeiss-Prismo-Koordinatenmessgeräte können nach Bedarf mit allen taktilen und optischen Sensoren ausgestattet werden. Plug&Play den Taster mit dem Sensor wechseln ist heute sehr einfach“, betont Alessandro Gabbia. Highlight zum taktilen Messen seien natürlich die supergenauen Zeiss Vast-Gold-Messköpfe, mit denen eine Messgenauigkeit von 0,5 bis 1 µm kein Problem sei. Bei den Optiken unterscheidet man zwischen Weisslichtinterferometer-Sensoren (Zeiss Dot-Scan), Kamera-Sensoren (Zeiss Vi-Scan) und Lasertriangulation-Sensoren (Zeiss Line-Scan). Der Zeiss Dot-Scan ist ideal für genaue und empfindliche Werkstückoberflächen. Der Zeiss Vi-Scan ist für die Messung sehr kleiner Bohrungen und 2D Geometrien geeignet, während der Zeiss Line-Scan für die Messung großer Freiformflächen geeignet ist. Für Rauheitsmessungen werden die taktilen Rotos-Sensoren verwendet.

Allerdings, so Heinrich Müller, erreichen die optischen Messwertaufnehmer  häufig nicht die Präzision der taktilen Tastsysteme. Auch die Umgebungseinflüsse seien nach wie vor die entscheidenden Einflussfaktoren, die über die Qualität einer exakten Messung entscheiden. „Wenn Sie die Temperatur in Ihrer Fertigung nicht im Griff haben, brauchen Sie letztlich über die Mess-Wiederholgenauigkeiten im µm-Bereich gar nicht nachdenken. Temperaturkonstanz ist das A und O, um zumindest im Hundertstel-Bereich 100 % reproduzierbare Messwerte erzeugen zu können.“ Demnach empfiehlt Heinrich Müller bei ggf. hohen Temperaturschwankungen doch eher auf temperierte Messräume bzw. Messkabinen in der Fertigung zu setzen.

Gerade aber auch die Kombination von optisch und taktil ist mittlerweile ein großer Vorteil, wenn es darum geht, möglichst viele Informationen von einem Bauteil erfassen zu wollen. Demnach sollten die am engsten tolerierten Maße nach wie vor taktil gemessen werden. Wichtigster Punkt bei der Auswahl eines optischen Messwertaufnehmers sei, dass der Sensor vor allem zur Messaufgabe passen muss. Gleiches, so Alessandro Gabbia, würde etwa für die momentan stark nachgefragten Computertomographen gelten. Computertomographen liefern mit einem Scan volle Gewissheit. Messen, analysieren und inspizieren verborgene Defekte und Strukturen im Inneren, die mit Koordinatenmessgeräten nicht erfasst werden können. Dank Röntgentechnik können Sie Bauteile zerstörungsfrei beschneiden und einen Blick ins Innere werfen. „Entscheidend ist, dass die Messunsicherheit zur auf der Zeichnung angegebenen Toleranz passen muss, sonst liefert das Messergebnis keine Aussage“, betont Alessandro Gabbia.

Grundsätzlich wird heute sehr genau gemessen. Messabweichungen von nur 4 µm auf 1 m Messdistanz sind heute kein Problem mehr: „Unsere genaueste Messmaschine ist die Zeiss Xenos, die auf eine Länge von 500 mm eine maximale Längenmessabweichung von 0,8 µm hat, was laut der Goldenen Regel der Messtechnik in der technischen Zeichnung einer Toleranz von 8 µm entspricht.“ „Jeder Sensor hat seine eigenen Regeln“, betont Heinrich Müller. Optisches Problem sei unter anderem, dass die Sensoren jeden Staubfussel erkennen, den ein taktiler Messtaster einfach wegschiebt. Taktile Sensoren sind unempfindlich gegenüber Umgebungslicht, Farbe, Oberflächen-Rauheit und lassen sich einfach einstellen. Bei optischen Sensoren kommen viele verschiedene Einflussfaktoren ins Spiel, die viel Erfahrung des Messtechnikers erfordern.

Speziell zum fertigungsnahen Messen hat Zeiss einige Messgeräte und Anlagen im Angebot: beispielsweise die Zeiss Dura-Max-Geräte, die taktil messend sogar direkt der Werkzeugmaschine nachgeschaltet werden können. „Ideal ist es, wenn die bearbeiteten Bauteile direkt in einem Nullpunktspannsystem oder auf einer Palette von der Werkzeugmaschine in das Dura-Max-Messgerät transportiert werden. Das spart nochmal viel Spanntechnik-Equipment, Einricht- und Rüstzeit“, erklärt Alessandro Gabbia. Endausbaustufe sei beispielsweise eine Kombination aus einer Messzelle, wie der Atos Scanbox, die via Roboter selbständig Streifenlichtprojektionen vornimmt und die Teile zur ultragenauen Messungen über eine Fördereinheit in ein Zeiss-Contura- oder Zeiss-Prismo-KMG transportiert. „Das ist quasi eine perfekte Messzelle. Mit so einer taktil-optischen Kombination lassen sich Bauteile mit sehr komplexen Geometrien und hochanspruchsvollen Oberflächen komplett erfassen, auswerten und dokumentieren.“ Gerade für die neuen Märkte und Branchen mit neuen Materialien und ungewissen Bauteilprofilen sind Zerspaner nach Einschätzung von Alessandro Gabbia mit dieser perfekten Messzelle optimal und vor allem auch mit maximaler Flexibilität aufgestellt. Optisch könnte so sehr schnell die Grundgestalt des Bauteils erfasst werden – und anschließend nach dem Transfer taktil als Beispiel die Rauheit der Funktionsflächen.

In der Spezifikation von optischen und taktilen Sensoren wird oft die „Formmess-Unsicherheit“  Antastabweichung als Formabweichung angegeben. Laut ISO müssen 95% aller gemessenen Punkte innerhalb dieses Bereiches liegen – das entspricht ± 3 sigma. Viele Hersteller, vor allem optischer Sensoren, gehen aber dazu über, als MPF nur noch (1) sigma anzugeben. Der Anwender muss beim Vergleich also sehr genau aufpassen, wie der Sensor spezifiziert ist und wie die Kenngröße definiert ist so Alessandro Gabbia und Heinrich Müller.