Zwick und E. Zoller

In-Process-Messen in der Serienfertigung

Beste Qualität, höchste Flexibilität und niedrige Kosten gehören heute in allen Branchen zum Anforderungskatalog. Stichprobenprüfungen genügen diesen Anforderungen nicht mehr. Den Recherchen unseres Redakteurs Johannes Gillar zufolge wird das Messen daher mehr und mehr automatisiert und erfolgt während der Bearbeitung. Denn innovative Inline-Technologien ermöglichen es, alle kritischen Prozesse frühzeitig, umfassend und taktgebunden zu überwachen. Das verhindert teure Ausschusskosten, da fehlerhafte Bauteile erst gar nicht produziert werden.

Das Streben nach Qualität ist so alt wie die Menschheit – es ist quasi im Genom des Menschen hinterlegt. Untrennbar einher geht damit das Messen und Prüfen. So wurde bereits 7000 v.Chr. die Länge des Fußes als Maßeinheit genutzt, und die alten Ägypter beim Bau der Pyramiden beschäftigten die ersten „Messtechniker“. Ein erstes einheitliches Maß- und Gewichtssystem wurde im Jahr 807 n.Chr. unter Karl dem Großen eingeführt. Und im Mittelalter gründeten die Handwerkszünfte die ersten Institutionen, die die Qualität von Produkten kontrollierten und entsprechende Vorschriften erließen. Mit Beginn der industriellen Revolution und dem Aufkommen von Fabriken sowie der Fließbandfertigung wurde auch das Thema Qualität und Messen immer wichtiger. So sah die „wissenschaftliche Betriebsführung“ des Amerikaners Frederick Taylor etwa den „Inspekteur“ als eigene Funktion vor und in den 1930er Jahren entwickelte man die Qualitätsregelkarte, ein Instrument zur grafischen Darstellung statistischer Stichproben. Seit dieser Zeit haben sich Technologien und Fertigungsprozesse rasant weiter entwickelt – ebenso wie die Messtechnik. Lange Zeit nahmen Hersteller lediglich Endprüfungen am Produkt vor. Doch Stichprobenprüfungen mit berührenden Messtechniken unter Laborbedingungen genügen heute den Anforderungen der Wirtschaft nicht mehr. Besonders in der Serienfertigung kommt es darauf an, Ausschuss und Nacharbeit zu vermeiden und eine gleich bleibend hohe Fertigungsqualität sicherzustellen. Denn gerade bei der Herstellung kleinster Bauteile – die etwa in der Automobilproduktion im Motor oder im Fahrwerk eingesetzt werden – ist Fertigungsgenauigkeit hinsichtlich Geometrie, Form und Größe entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit eines Herstellers. Fehler könnten weitreichende Konsequenzen für die Funktion und Folgekosten haben, beispielsweise im Fall einer Rückrufaktion.

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Mehr und mehr wird das Messen daher automatisiert und erfolgt während der Bearbeitung. Die Gründe für das so genannte In-Process-Messen sind vielfältig. „Einmal ist da der Druck des Marktes, die Produktentwicklung zu beschleunigen“, nennt Robert Kaifler, Produkt- und Projektmanager bei Zwick Roell in Ulm, als Beispiel. Ein anderer Grund sei, dass man Materialien heute oft im Grenzbereich einsetzt. „Das heißt, die bisherigen Materialeigenschaften, etwa eines Kunststoffs, werden ständig erweitert. Das betrifft zum einen die Mechanik, also was muss der Werkstoff rein technisch können, zum anderen geht es um die Materialauswahlwahl, also kann ich beispielsweise einen anderen Kunststoff für einen PKW-Stoßfänger nehmen, der mich weniger kostet, aber mechanisch die Anforderungen des Autoherstellers erfüllt“, verdeutlicht er. So müsse ein solcher Kunststoff für einen gewissen Temperaturbereich ausgelegt sein, und ein Messtechnikspezialist wie Zwick prüfe das Kunststoffgranulat dann entsprechend, damit der Stoßfänger, sowohl in Island bei Minusgraden als auch in Afrika bei Asphalt-Temperaturen von +70° funktioniert. Ein weiterer Aspekt für den Trend hin zur In-Process-Messtechnik sei die zunehmende Miniaturisierung. „Die Komponenten werden immer kleiner und die Präzision mit der sie gefertigt werden, immer höher“, erläutert Kaifler. Das heißt, auch die Anforderungen an die Messgenauigkeit steigen stetig. Das führe dann folgerichtig zum vierten Grund für diese Art der Messtechnik. Für die miniaturisierten Bauteile brauche es neue Materialien, deren Rohstoffe teurerer sind und die aufwendiger herzustellen sind. „Um hier dann die geforderte Qualität zu sichern, ist eine Automatisierung grundsätzlich sinnvoll“, betont er.

Neben der Miniaturisierung und der Steigerung der Messgenauigkeit stellt die Integration von Messsystemen in industrielle Fertigungsprozesse und Maschinen die Messtechnik vor große Herausforderungen. Umgebungseinflüsse wie Maschinenschwingungen oder Verschmutzungen stören die Messung. „Insbesondere bei der bildverarbeitenden Vermessung muss ich eine entsprechende Sauberkeit gewährleisten“, weiß Bernd Schwennig, Leiter Technischer Vertrieb bei E. Zoller in Pleidelsheim. Denn, so der Fachmann weiter: „wenn sich Dreck auf dem Werkstück oder Werkzeug befindet, wird dieser auch mit gemessen“. Man müsse also das zu vermessende Teil oder Werkzeug vorher etwa in einem Ultraschallbad reinigen, damit für die Vermessung wirklich ein gereinigtes Prüfstück zur Verfügung steht. Das Vermeiden von Schmutz sei aber auch für andere Messverfahren essentiell. „Sauberkeit ist das A und O in der Messtechnik, denn wenn Bauteile verschmutzt sind, besteht die Gefahr, dass der Schmutz als Parameter erkannt wird, und das Messergebnis verfälscht“, resümiert er.

Eine weitere Herausforderung sind schrumpfende Fertigungstoleranzen und branchenübergreifend steigende Anforderungen an die Rückführbarkeit. Beispiel Werkzeugmaschinen: Moderne Schleifmaschinen sind heute mit Ladern ausgestattet und schleifen Werkzeuge in großer Stückzahl. Diese können nicht mehr per Hand vermessen oder kontrolliert werden. Deshalb sind eine automatische 100%-ige Kontrolle der Werkzeuge, Rückführbarkeit und Protokollierung auch im Bereich Messtechnik unumgänglich geworden. „Wir bieten hier mit Robo Set eine effiziente Automationslösung für alle Unternehmen mit hohem Werkzeugdurchsatz an“, sagt Schwennig. Die Lösung belade jedes Zoller-Messgerät vollkommen eigenständig – und dies mannlos 24 Stunden an sieben Tagen die Woche. Komplexe Messaufgaben ließen sich vollautomatisch abarbeiten. Die Bedienung sei denkbar einfach: Startbutton in der dazugehörigen Bildverarbeitungssoftware Pilot drücken und der Automatikbetrieb wird gestartet. „Die mechanische Entkopplung vom Messgerät gewährleistet höchste Messgenauigkeit. Die automatische Bahnkorrektur des Roboters bei jedem Einfuttervorgang gewährleistet hohe Prozesssicherheit“, nennt er weitere Vorteile des Systems. Über eine in der Software enthaltene „Palettenverwaltung“ lasse sich die Bestückung und die zu messenden Parameter festlegen. Sämtliche Werkzeuge sind laut Schwennig ohne weitere Benutzereingaben messbar. Der Anwender könne kundenspezifisch Paletten so definieren, wie er sie für seine Qualitätskontrolle benötigt. Nach Beendigung der Messung werden die Werkzeuge in unterschiedliche Paletten sortiert abgelegt. „Die Messwerte zu den einzelnen Werkzeugen werden in der Pilot 3-Software gespeichert und dokumentiert. Sie können bei Bedarf jederzeit beauskunftet oder ausgedruckt werden“, so der Experte.

Auch der deutsche Hersteller Pixargus hat sich auf das Prüfen mithilfe optischer Techniken spezialisiert und produziert Systeme für die optische Inline-Vermessung und Inspektion von Kunststoff-Profilen. Das Unternehmen wurde 1999 als Spin-off des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen gegründet und hat sich auf die optische Qualitätsüberwachung von Extrusionsprodukten aus Kunststoff und Kautschuk spezialisiert. Unter anderem nutzt der Hersteller aus Würselen dazu ein so genanntes Flock Detection Modul, das Dichtprofile unmittelbar beim Beflocken inspiziert. Das Modul ist ein Bestandteil der Profil Control Surface (PCS) Systeme, die die Oberflächenbeschaffenheit von Profilen inline prüfen. Pixargus hat das Modul für die optische Inline-Inspektion von Tür- und Fensterdichtprofilen entwickelt, die vorwiegend in der Automobilindustrie verwendet werden und an deren Oberflächenqualität die Autobauer sehr hohe Ansprüche stellen. Und so funktioniert es: Im Messbereich wird die Oberfläche der Profile von einem LED-Lichtring aus allen Richtungen gleichmäßig beleuchtet und von sechs hoch auflösenden Zeilenkameras aufgenommen, die im Abstand von jeweils 60° um den Umfang des Profils verteilt sind. Mit den sechs Zeilenkameras, die über jeweils 2.500 Pixel verfügen, erkennt das System Oberflächendefekte ab einer Größe von 50 µm.

Zwar geht der Trend beim In-Process Messen ohne Zweifel in Richtung optische Messverfahren, doch es gibt auch andere Methoden, etwa akustische Verfahren, die 3D-Digitalisierung oder Systeme, die den Einsatz verschiedener Messverfahren ermöglichen. Solche Lösungen hat auch Zwick Roell im Angebot. „Unsere Robo Test-Prüfsysteme eignen sich für die automatisierte Durchführung von Standard Zug-, Biege- und Schlagversuchen“; verdeutlicht Kaifler. Sie würden nicht nur die Prüfkapazität erweitern, sondern liefern dem Experten zufolge auch objektive reproduzierbare Prüfergebnisse.

Passende Lösung für alle Anforderungen

Ein weiterer Pluspunkt dieser Lösungen sind die vielen Möglichkeiten, auch kundenspezifische Messsysteme in das Prüfsystem zu integrieren: Das reicht von einem Barcode- oder 2-D-Code-Leser zur eindeutigen Probenidentifikation bis hin zu Messgeräten für die Bestimmung von Probendicke, -breite, -länge und -gewicht sowie der Oberflächen-Rauheit, Materialhärte und Schichtdicke. „Auch optische Systeme zur Bestimmung der Brucheinschnürung, Spektrum-Analysegeräte zur Material-Charakterisierung und Temperierkammern lassen sich integrieren“, ergänzt Kaifler. Mit drei Baureihen biete Zwick die passende Lösung für nahezu alle Anforderungen. „Klassenbester“ sei das Roboter-Prüfsystem Robo Test R. Damit können Anwender Zugversuche an Metallproben oder Zug- und Biegeversuche an Kunststoffproben an Prüfmaschinen von 5 bis 2.000 kN durchführen. Für die Handhabung der bis zu 30 kg schweren Proben verwende man einen 6-achsigen Industrieroboter der Firma Kuka. Das variable Magazin biete je nach Probenabmessung Platz für bis zu 600 Prüflinge. Komplettiert werde das System durch das Softwarepaket Auto Edition 2. Kaifler: „Dieses steuert, regelt und kontrolliert alle Abläufe und übernimmt die Prozessvisualisierung, also die Anzeige von Statusinformationen und Gerätezuständen.“ Angesichts solcher Vorteile wundert es kaum, dass die Nachfrage nach automatisierter Messtechnik beziehungsweise In-Process-Messungen steigt. „Wir sind heute zwar noch ein ganzes Stück vom Mainstream entfernt, aber die Nachfrage nach automatisierter Messtechnik im Bereich der Werkzeugvermessung steigt sehr stark an“, fasst Zoller-Experte Schwennig seine Erfahrungen zusammen. Schon in den Jahren 2004/2005 habe es erste Nachfragen aus dem Markt gegeben, allerdings sei die Notwendigkeit für eine automatisierte Werkzeugmesstechnik damals noch nicht so weit gewesen. Deswegen sei das Interesse wieder abgekühlt. „Inzwischen sind wir aber technisch in der Lage, solche Lösungen zu realisieren und wir beobachten das Hersteller aus verschiedenen Branchen solche Systeme bei uns auch in Auftrag geben“, erklärt er. Getrieben werde diese Entwicklung unter anderem von den großen Werkzeugherstellern, denn deren Kunden – insbesondere aus der Luftfahrtindustrie und der Medizintechnik – verlangen 100% geprüfte Werkzeuge. Das sieht sein Kollege Robert Kaifler ganz ähnlich, beobachtet aber auch eine Zweiteilung des Marktes: „Starkes Wachstum und eine entsprechende Nachfrage nach automatisierten Lösungen sehen wir in den Bereichen, in denen höchste Anforderungen an die Dokumentation und Produktqualität bestehen – also in der Luftfahrt und Medizintechnik.“ In eher konventionellen Segmenten wie in der Metall- und Kunststoffverarbeitung bestehe zwar ebenfalls großes Interesse an diesen Methoden, allerdings sei das Wachstum in diesen Bereichen zwar konstant aber moderat.

Das Potenzial der In-Process-Messverfahren hat auch Messemacher Peter Schall früh erkannt. Schon seit Jahren beschäftigt sich die Control in Stuttgart (siehe auch Produktstrecke zur Control

ab Seite 18

) mit diesen und anderen zukunftsweisenden Messtechnologien. In diesem Jahr stehen Bildverarbeitungs- und Visionssysteme im Mittelpunkt. Folgerichtig erfährt laut Gitta Schlaak, Projektleiterin der Control, die Kurzübersicht der Nomenklatur, aktuell bestehend aus den Bereichen Messtechnik, Werkstoff-Prüfung, Analysegeräte, Optoelektronik und QS-Systeme mit dem Zusatz Bildverarbeitungs- und Visionssysteme ihre logische Ergänzung. Dazu passt auch der Themenschwerpunkt Inline Mess-und Prüftechnik. Die Fraunhofer-Allianz Vision präsentiert auf dieser Sonderschau in Halle 1 eine Auswahl aktueller Mess- und Prüfsysteme mit Bildverarbeitung für die Qualitätssicherung in der Produktion. Die vorgestellten innovativen Inline-Technologien ermöglichen es, alle qualitätsbestimmenden Schritte und kritischen Prozesse möglichst frühzeitig, umfassend und taktgebunden zu überwachen. Das steigert nicht nur die Effizienz in der Fertigung, sondern verhindert vor allem teure Ausschusskosten, da fehlerhafte Bauteile erst gar nicht produziert werden. Inspiriert wurden und werden viele dieser Lösungen vom branchenübergreifenden Anforderungskatalog der Industrie: beste Qualität, höchste Flexibilität und niedrige Kosten.

Das Streben nach Qualität erreicht mit den automatisierten, fertigungsbegleitenden Messverfahren einen vorläufigen Höhepunkt – der Nullfehler-Anspruch rückt damit in greifbare Nähe. Der Mensch als „Inspekteur“ hat damit wohl bald ausgedient. Johannes Gillar

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