Optische 3D-Messtechnik

Nur gucken, nicht anfassen

Lange wurde die Qualitätskontrolle von der taktilen Messtechnik  beherrscht. Inzwischen – so das Recherche-Ergebnis unseres Redakteurs Johannes Gillar – löst sie die optische 3D-Messtechnik in der industriellen Fertigung mehr und mehr ab. Die Gründe: Sie ist schneller, lässt sich gut automatisieren und arbeitet berührungslos, also zerstörungsfrei.

Der modular aufgebaute Sensor Comet 6 16M bietet dem Anwender mit einer neuen Projektionseinheit neue Perspektiven in der 3D-Digitalisierung. Die T-Scan Laserscanner gibt es sowohl in der handgeführten Konfiguration als auch in der automatisierten Version. (Bild: Steinbichler Optotechnik)

Bereits die alten Griechen beschäftigten sich mit Optik, also der Lehre vom Licht. Pythagoras und andere entwickelten mehrere Theorien des Lichts und Euklid begründete um 300 v. Chr. anhand der Reflexion die geometrische Optik. Diese und andere Theorien wurden im Laufe der Zeit in die Praxis umgesetzt. Wissenschaftler wie Johannes Kepler, Joseph von Fraunhofer oder Ernst Abbe schließlich beschäftigten sich mit der technischen Optik, also der konkreten Konstruktion und Herstellung optischer Geräte sowie der Konzeption spezifischer Strahlengänge. Diese technische Optik stellt eine inhaltliche Verknüpfung der Teilgebiete Optische Messtechnik, Lasertechnik und theoretische Optik dar.

Insbesondere die optische Messtechnik ist heute in der industriellen Fertigung unverzichtbar; in Form der optischen 3D-Messtechnik ersetzt sie zunehmend die klassische taktile Messtechnik. Ihre Vorteile – eine schnelle und berührungslose Arbeitsweise sowie eine gute Automatisierbarkeit – sind für die Realisierung fertigungsintegrierter Mess- und Prüfsysteme wertvoll. Diese sogenannte Inline-Messtechnik wird als integraler Bestandteil der Produktion mittlerweile mehr und mehr zum wertschöpfenden Faktor einer effizienten Produktion. „Die optische Messtechnik ist aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Denn mit der zunehmenden Miniaturisierung und den immer höheren Anforderungen müssen Messsysteme immer hochauflösender und genauer werden“, verdeutlicht Sebastian Schenk, Vertriebsingenieur beim Spezialisten für optische 3D-Messtechnik Confovis.

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Die Inline Räderprüfung ist ein repräsentatives Beispiel einer typischen Anwendung der OptoInspect 3D-Technologie für die automatisierte und fertigungsintegrierte geometrische Qualitätsprüfung. (Bild: Bernd Liebl, Fraunhofer IFF)

Viele Unternehmen in unterschiedlichen Branchen setzen daher auf die optische 3D-Messtechnik. „Insbesondere wird sie in Bereichen mit viel `Geometrie´ oder `Merkmalen´ verwendet“, erklärt Hans Weigert, Leiter Marketing/Vertrieb bei Steinbichler Optotechnik. „Diese taktil abzutasten, kostet einfach zu viel Zeit.“ Auch bei großen Oberflächen (Freiformflächen) mache die Schnelligkeit und der geringe Abstand der Abtastpunkte der optischen Messtechnik sehr viel Sinn. Vorreiter für die Entwicklung der optischen Messsysteme, so der Experte, „war in vielen Fällen die Automobilindustrie“. Heutzutage sind optische Messsysteme laut Weigert „alltagstauglich“ und durch das günstige Preis-/Leistungsverhältnis für viele Firmen interessant geworden, die bisher den hohen Aufwand für eine eigene Messtechnik gescheut haben. Weitere Einsatzgebiete für diese Technologie finden sich laut Confovis-Experte Schenk im Maschinen- und Werkzeugbau, etwa für Schneidkanten-Beurteilungen von Werkzeugen, in der additiven Fertigung (z.B. von Implantaten), in der Halbleiterindustrie zur Analyse von Mikrostrukturen auf hochempfindlichen Wafern, sowie in der Solarbranche und der Medizintechnik. Und nicht wenige Anwendungsbereiche in der Fertigung lassen sich überhaupt erst durch optische Messtechnik erschließen. Carsten Reich, Produktmanager Automatisierung bei der Gesellschaft für Optische Messtechnik (GOM) in Braunschweig: „Die Vision für die Fertigung der Zukunft lautet: Jedes produzierte Bauteil wird vollständig dreidimensional gemessen, systematische Bauteilfehler werden dabei automatisch im Fertigungsprozess korrigiert.“ Bis dahin sei es allerdings noch ein weiter Weg, aber die vollständige dreidimensionale Vermessung von Bauteilen ließe sich nur mit optischen Messverfahren erreichen. „Deshalb wird der Bereich der optischen Inline-Messtechnik in Zukunft an Bedeutung gewinnen“, ist er überzeugt. Ein wegweisendes Beispiel sei die Produktion der Anbauteile für den VW Golf in Wolfsburg. Dort werde die Qualität der Motorhauben, Heckklappen und Türen in den jeweiligen Produktionslinien bereits von Atos-Systemen des Herstellers überwacht.

Auch Dr.-Ing. Dirk Berndt, Leiter des Geschäftsfeldes Mess- und Prüftechnik beim Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF), bescheinigt den optischen 3D-Messverfahren ein breites Anwendungsspektrum. „Ein großes Potenzial für automatisierte 3D-Messsysteme ist überall dort zu finden, wo Produkte in Serie gefertigt werden. Typische Anwendungsfelder sind beispielsweise die Maß- und Formbestimmung, Oberflächenprüfung oder Objektlageerkennung für Aufgaben der Qualitätsprüfung und zur Steuerung bzw. Regelung von Prozessen“. Viele Anwendungen würden sich im Automobilbau finden, etwa im Presswerk, im Karosseriebau, in der Montage oder der Komponentenfertigung. Aber auch in der Luft- und Raumfahrt sowie in Schienenfahrzeug- und Schiffbau finden sich Anwendungen. Darüber hinaus werden optische 3D-Messverfahren in der Halbzeug-Industrie, etwa zur Profilmessung beim Extrudieren oder Walzen, bei der Blechverarbeitung oder in der Holzindustrie eingesetzt.

GÜNSTIG UND EINFACH ZU BEDIENEN

Der „Siegeszug“ der optischen 3D-Messtechnik hat viele Gründe. „Der erste herausragende Vorteil ist die Geschwindigkeit, in der hochgenau Oberflächenpunkte aufgenommen werden können. Bei den heutigen optischen Messsystemen und Sensoren können Millionen von Oberflächenpunkten in weniger als einer Sekunde aufgenommen werden, das schafft kein taktiles System“, verdeutlicht Steinbichler-Spezialist Weigert. Auch in punkto Genauigkeit und Punkteabstand (bis zu 15 hundertstel Millimeter) seien optische Systeme extrem leistungsfähig. Ebenfalls von Vorteil: Die Systeme wiegen nur wenige Kilogramm, sind kompakt und lassen sich auf handelsüblichen Videostativen montieren. Im Gegensatz zu manuellen portablen Systemen wie Messarmen lassen sich optische Systeme zudem automatisieren. „Der dritte und größte Vorteil ist das Preis-/Leistungsverhältnis und die einfache Bedienbarkeit“, betont er. Darüber hinaus sieht Fraunhofer IFF-Experte Berndt eine schnelle und berührungslose Erfassung der Oberfläche von Objekten mit einer hohen Messpunktdichte als klaren Vorzug der optischen 3D-Messtechnik an. „Taktile Messverfahren hingegen digitalisieren eine Objektform Punkt für Punkt und sind damit vergleichsweise langsam“, erläutert er. Die berührungslose Antastung optischer Messsysteme gestatte eine flexible Erfassung variabler Formen, selbst bei sehr kleinen, leichten und nicht formstabilen Teilen. Optische 3D-Messsysteme seien durch Veränderung optischer Parameter an variable Messvolumen und erforderliche Messgenauigkeiten anpassbar.

Messung eines Werkstücks am Portalsystem CGF-LV. Alle optischen 3D-Messsysteme von Confovis nutzen die Kombination zweier Messverfahren: der Fokusvariation und der Konfokal-Messtechnik. (Bild: Confovis)

„Optische Systeme, wie unsere 3D-Messmaschine Atos Scan Box, vermessen die Bauteile schnell, berührungslos und vollflächig“, betont auch GOM-Fachmann Dr. Carsten Reich und nennt als weiteren Vorteil: „Die Messdaten, etwa im Bereich der Karosseriemesstechnik, können sofort analysiert und direkt mit CAD-Datensatz oder 2D-Zeichnung abgeglichen werden. Anhand farbiger Abweichungsdarstellungen zum CAD sind problematische Bereiche leicht zu erkennen, so dass sich der Herstellungsprozess zielgerichtet verbessern lässt. Dadurch werden überflüssige Iterationsschleifen vermieden. Das spart Zeit und Kosten.“
Die von Fraunhofer-Experte Berndt genannten Vorzüge variabler Messvolumen und hoher Messgenauigkeiten von optische 3D-Messsystemen erreicht Confovis durch die Kombination zweier Messverfahren: der Fokusvariation und der Konfokal-Messtechnik insbesondere der strukturierten Beleuchtung. „Dadurch können nicht nur feinste Oberflächen bis in den Nanometer-Bereich aufgelöst, sondern auch Konturen mit steilen Flanken erfasst werden“, so Schenk. Der Jenaer Messtechnik-Spezialist bietet im Wesentlichen drei Messsysteme an: Confo Surf CLV150 für Standardproben, Confo Disc CL300 für die Wafer-Analyse und das flexible Portalsystem Confo Gate CGF-LV/-SD für größere und/oder schwere Proben. „Technologisch bieten alle Lösungen das kombinierte Messverfahren. Sowohl das unternehmenseigene patentierte Verfahren der strukturierten Beleuchtung als auch die Fokusvariation können mit jedem unserer Systeme genutzt werden.“, erklärt er. Mittels strukturierter Beleuchtung ließen sich dreidimensionale Messdaten von Oberflächen-Geometrien und Mikrostrukturen im Nanometerbereich aufnehmen. Dafür werde die zu vermessende Probe mit einem hochpräzisen Micropositioniersystem an jeder Messstelle vertikal durch den Fokusbereich bewegt und so in verschiedenen Höhen vermessen. Die Confovis-Software Confo VIZ errechnet laut Schenk aus den auf diese Weise ermittelten Einzelmesswerten eine Punktewolke, welche die aufgenommene 3D-Oberfläche beschreibt. Auch das Fraunhofer IFF selbst hat eine eigene Lösung für die Qualitätsprüfung, Überwachung und Regelung industrieller Fertigungsprozesse entwickelt. „Die am Institut entwickelte Messtechnologie Opto Inspect 3D bietet einen modularen Baukasten für die Realisierung anwendungsspezifischer, fertigungsintegrierter Inline 3D-Messsysteme. Die Technologie umfasst Methoden und Werkzeuge für den Entwurf, die Dimensionierung und Simulation triangulationsbasierter optischer 3D-Messanordnungen“, so Berndt. Sie beinhalte Werkzeuge für das Kalibrieren und Einmessen anwendungsspezifisch konfigurierter Systeme aus mehreren Sensoren und kinematischen Komponenten für die Sensorzustellung und Messbewegung. Ein weiterer zentraler Bestandteil seien Softwarealgorithmen für eine schnelle, taktgebundene und automatische 3D-Messdatenauswertung und Geometriemerkmalsbestimmung.

HOHE QUALITÄT, MEHR EFFIZIENZ

Ein messbarer Nutzen fertigungsintegrierter 3D-Messsysteme entsteht laut Berndt durch eine schnelle und taktgebundene Erkennung auftretender Qualitätsfehler oder Prozessabweichungen und eine darauf basierende unmittelbaren Rückkopplung und Einflussnahme auf den Prozess. In der Einfahrphase von Fertigungsprozessen, nach einem Produkttypenwechsel oder einem Chargenwechsel des Vormaterials, lassen sich mit fertigungsintegrierten 3D-Messsystemen die notwendigen Einfahrzeiten deutlich reduzieren. „Eine hohe Produktqualität, eine Effizienzsteigerung und die Schonung von Ressourcen sind das Ergebnis“, so der IFF-Messtechniker. Und GOM-Produktmanager Reich ergänzt: „Zudem verkürzen Firmen, die optische Messtechnik einsetzen, Entwicklungszeiten für Produkte sowie Serienanlaufzeiten. Sie bleiben wettbewerbsfähig, da sie schneller von der Idee zum Produkt kommen.“ Gleichzeitig können sie Produktionsabläufe optimieren und in der laufenden Produktion Ausschuss minimieren. „Einen großen Vorteil sehen wir in der Umstellung der bisher auf taktile Messtechnik ausgerichteten Prüfpläne.

Viele Firmen nutzen inzwischen farbige Abweichungsdarstellungen zum CAD und können so die Anzahl der zu überprüfenden Merkmale in den Bauteilzeichnungen drastisch reduzieren“, so Reich. Nutzen und Akzeptanz der optischen 3D-Messtechnik sind also da, was fehlt ist in vielen Fällen die Erfahrung. „Nach Jahrzehnten, in denen die taktile Messtechnik eingesetzt und optimiert wurde, ist ein Umstieg oder eine Ergänzung keine einfache Sache. Ich würde den Wechsel ähnlich dramatisch bewerten wie den Umstieg von 2D auf 3D im Formen- und Werkzeugbau vor zwanzig Jahren“, urteilt Steinbichler-Marketingleiter Weigert die Situation. Verfahren und Prozesse müssten umgestellt, Ergebnisse mit taktilen Verfahren, mit denen der optischen Messtechnik verglichen werden, und nicht zuletzt sei auch die Verwaltung und Speicherung von Punktewolken im Vergleich zu einzelnen Koordinaten schon etwas aufwändiger. Aber das ist alles machbar und wird in wenigen Jahren selbstverständlich sein. Johannes Gillar

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