Swissmem: Messtechnik bis in den Nanobereich

| Redakteur: Matthias Böhm

Roland Körnli (Geschäftsführer Marposs AG) führte perfekt durch das Messtechnik-Seminar. (Bild: M. Böhm)
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Roland Körnli (Geschäftsführer Marposs AG) führte perfekt durch das Messtechnik-Seminar. (Bild: M. Böhm)

>> Das Themenspektrum des Swissmem-Messtechnik-Seminars war in diesem Jahr äusserst vielseitig. Zum einen wurde dem Besucher klar, warum bei einer 5-Achs-Werkzeugmaschine derart hohe Anforderungen an die mechanische Präzision gestellt werden müssen. Darüber hinaus wurde aufgezeigt, welche Messmethoden sich für welche Anwendungen spezifisch eignen. Nicht zuletzt wurden bemerkenswerte Einblicke in Nanostrukturen von Oberflächen dank Rasterkraftmikroskopen (AFM) gewährt.

Das diesjährige Swissmem-Messtechnik-Seminar – erstmalig organisiert von Swissmem-Fachgruppenleiterin Cornelia Buchwalder – stellte neben dem Stand der Technik auch die zukünftigen Trends im Sektor der Fertigungsmesstechnik in den Vordergrund. Das Seminar stiess mit 90 Besuchern in Winterthur und 60 in Yverdon auf ein hohes Interesse. Roland Körnli (Geschäftsführer Marposs AG) führte durch das Seminar. Was das Seminar zu bieten hatte, zeigt der folgende Bericht.

Hohe Anforderungen an 5-Achs-BAZ

Im Einstiegsreferat zeigte Referent Dr. Wolfgang Knapp (IWF, ETH Zürich) auf, welche hohen Anforderungen an 5-Achs-Werkzeugmaschinen gestellt werden müssen, damit die heute üblichen Genauigkeiten am Werkstück prozesssicher gefertigt werden können. Grundsätzlich kann zwischen zwei Abweichungen unterschieden werden: den Lage- und den Komponentenabweichungen.

Bei den Lageabweichungen handelt es sich um die Lage von Bewegungen im Maschinenkoordinatensystem, bei den Komponentenabweichungen um Abweichungen von der idealen Bewegung.

Mechanische Präzision ist das A und O

Hier zeigt sich eindrücklich das hohe Anforderungspotential an die WZM-Bauer. Denn bereits in den Linearachsen ergeben sich je 6 mögliche Komponenten- und 3 Lageabweichungen. Hinzu kommen die Abweichungen bei den Drehachsen und der Spindel. In der Summe ergeben sich 52 mögliche Abweichungen bei 5-Achs-BAZ. Angesichts dieser eindrücklichen Zahl wird klar, dass die geometrische Präzision das A und O im Werkzeugmaschinenbau ist. Ungenaue Achsen sind faktisch nicht mehr ausrichtbar, das ist gerade bei 5-Achs-Maschinen ein Problem. Kein Wunder, dass die Schweizer Werkzeugmaschinenbauer nach wie vor über ein hohes Know-how im Schaben verfügen, das immer noch das Mass der Dinge darstellt, wenn es um die geometrische Grundpräzision geht.

Einer neuer Ansatz: Vario- Messeinrichtungen

Alois Kraemer-Benterbusch (Fachbereichsleiter Software-Entwicklung bei Messtechnik AG) zeigte die Besonderheiten der Vario-Mehrstellenmesstechnik auf. Die Entscheidung, ein KMG (Koordinatenmessgerät) oder eine Mehrstellenmessvorrichtung zur Lösung komplexer Messaufgaben einzusetzen ist durch unterschiedlichste Rahmenbedingungen bestimmt. Auf der einen Seite verfügt ein KMG über ein Höchstmass an Flexibilität, auf der anderen Seite verfügt die extrem schnelle Mehrstellen-Messvorrichtung über eine äusserst geringe Flexibilität.

Schnell und variabler

Der Vario-Ansatz von MT kombiniert beide Systeme hin zu variableren Messeinrichtungen, die die Technologien und Vorteile beider Welten zusammenbringen. Die Grundidee ist die Modularisierung der Mehrstellenmessvorrichtung und die Einbindung dieser Module in ein Absolutmesssystem. Die einzelnen Module werden zueinander kalibriert/synchronisiert und an die jeweilige Messposition bewegt oder das Werkstück wird zu den Modulen gebracht und dort gemessen.

Messzeitverkürzung von 18 auf 2 Minuten

Anhand verschiedener Praxisbeispiele wurde der Zeitgewinn der Vario-Messtechnik gegenüber der Koordinatenmesstechnik offensichtlich. Ein Beispiel soll herausgegriffen werden: Zur Vermessung mehrerer Kraftstoffverteiler-Varianten von Ottomotoren (6 Zylinder links und rechts, 8 Zylinder links und rechts, jeweils mehrere Ausprägungen) wurde eine Vario-Messeinrichtung entwickelt. Mit 4 Messmodulen sowie verschiedenen Komponenten wie Inkrementalmassstäben, Induktivtastern, Linearachsen, SPS-Anbindung, Profibus I/O’s usw. konnte eine relativ flexible Messvorrichtung konzipiert werden. Gegenüber dem Koordinantenmessgerät wurde die Messzeit von 18 auf 2 Minuten gesenkt.

Gewindekontrolle in der Massenfertigung

In-Prozess-Messung von Innengewinden war Thema von Dr. Dirk Lange (Artis/Marposs). Hier ist natürlich jedem Praktiker klar, dass während des Gewindefertigungsprozesses kaum ein Messtaster in diesen Bearbeitungsbereich eingeführt, geschweige denn präzise vermessen werden kann. Umso mehr überraschte die Herangehensweise von Artis.

Das Unternehmen Artis ist generell auf die Überwachung und Regelung von Prozessen innerhalb der Metallzerspanung in Werkzeugmaschinen spezialisiert. Mit unterschiedlichen Sensorsystemen wird der Zustand der verschiedenen am Prozess – in diesem Fall die Gewindefertigung – beteiligten Komponenten überwacht. Im Rahmen des Gewindeschneidens sind dies u. a. folgende Merkmale:

  • Bruchüberwachung
  • Drehmoment
  • Vorschubkraft
  • Gewindetiefe.

Auf Grossserienfertigung ausgelegt

Das speziell auf die Grossserienfertigung ausgelegte System erkennt fehlende, gebrochene und verschlissene Werkzeuge (Gewindewerkzeuge) in spanenden Produktionsanlagen. Dabei meldet das so genannte DTA(Digital Torque Adaption)-Verfahren die aktuellen Drehmomentwerte aus den Antriebsreglern der Spindel- und Vorschubantriebe über den Profibus zum CTM-System (Computer Intergrated Tool and Machine Monitoring), was in vielen Fällen die Installation von zusätzlichen Sensoren erübrigt. CTM wertet daraufhin diese Daten aus.

Der Drehmomentverlauf lässt etwa Rückschlüsse auf verschlissene Gewindebohrer oder auf eine zu kleine Kernlochbohrung zu. Eine genaue Analyse der Daten und Erfahrungswerte kann die Ursache spezifisch eingrenzen. Schliesslich können Prozessbereiche ermittelt werden, die den Gewindefertigungsprozess als prozesssicher klassifizieren. Das CTM-System ist ein vollständig in die Maschinensteuerung integriertes System für die Werkzeug-, Prozess- und Maschinenzustandsüberwachung.

Produktionsintegrierte Messtechnik

Wie die Messmaschine optimal in die Produktion integriert werden kann, war Thema von Beda Haefely (Erowa AG). Das auf Präzisions-Spann- und Palettiersysteme spezialisierte Unternehmen verfügt darüber hinaus sowohl über Roboterzellen als auch Produktionsmessmaschinen, die den gesamten Fertigungsprozess bis hin zur Qualitätskontrolle abdecken können – Prozessleitsystem inklusive.

Für die produktionsintegrierte Messtechnik setzt Erowa auf eine hierfür eigens entwickelte Produktionsmessmaschine, die automationsfähig und auch in der Einzelteilfertigung vollautomatisiert einsetzbar ist. Am Beispiel von Delphi Automotive (www.delphi.com) zeigte B. Haefely eindrucksvoll auf, dass eine solche Fertigungstechnologie mit integrierter Messtechnik bereits Stand der Technik ist.

Drahtlose Datenübertragung

Zwei weitere Vorträge befassten sich mit der drahtlosen Datenübertragung im Bereich der Messtechnik. Fazit: Sie ist im Kommen. Ein nach wie vor nicht zu vernachlässigender Knackpunkt ist allerdings die Energieversorgung der Module. Gleichwohl zeigte sich anhand der beiden Vorträge von Martin Reichert (Tesa S.A.) und Dr. Martin Gassner (Wyler AG), wohin die Reise gehen wird, respektive in welchen Sektoren bereits die drahtlose Technik erfolgreich eingesetzt wird.

Kabellose Ausrichtung von Druckwalzen

Die Wyler AG beispielsweise setzt zur Lagevermessung von Druckwalzen bei Heidelberger Druckmaschinen bereits voll auf drahtlose Neigungsinstrumente, weil die Erfahrungen mit Kabelsystemen ungenügend waren.

Die Aufgabe der Wyler AG besteht darin, mit Hilfe von Neigungssensoren die Druckwalzen auszurichten. Im Rahmen der bisherigen Lösung wurden die Sensoren via Kabel und Interface-Geräte verbunden und auf fahrbaren Gestellen montiert. Hierbei traten folgende Probleme auf: Zum einen überrollte der Trägerwagen die Kabel, was eine hohe Anzahl an Defekten nach sich zog, zum anderen war das Verlegen der Kabel mit einem hohen Aufwand verbunden.

Die wichtigsten Anforderungen an das kabellose System waren u. a., dass mehrere Geräte in einem Verbund arbeiten können und ein Parallelbetrieb mehrerer Systeme möglich ist. Mit «handelsüblicher» Bluetooth-Technologie wäre das nicht realisierbar gewesen.

Eigene Bluetooth-Lösung

Die Lösung ist eine neuentwickelte Bluetooth-Sende- und Empfangseinheit, die die Sensoren mit dem PC verbindet. Dank Fokussierung auf praxisgerechte Systemtechnik konnte die Zielsetzung einer hochzuverlässigen, drahtlosen Datenübertragung erreicht werden. Die Erfahrungen, die das Unternehmen mit der Bluetooth-Lösung gemacht hat, sind positiv. Die Technologie ist sehr zuverlässig und der Schulungsaufwand ist minim. Die Kosten sind um etwa 25 % höher als beim Kabel-System.

Computertomographie im µm-Bereich

Ein weiteres Highlight war der Vortrag von Roger Eggenberger (Units) zum Thema Computertomograhie. Mit diesem Verfahren können auf 2–3 µm genau Bauteile im Röntgenverfahren geprüft werden. Das Bauteil rotiert auf einem Rundtisch und wird durchstrahlt. Die so entstehenden 2D-Bilder werden zu 3D-Volumenmodellen verrechnet.

Mit dem Verfahren sind sehr effizient komplexe Bauteilprüfungen realisierbar. Das kann insbesondere dann rentieren, wenn Messbereiche nicht zugänglich sind. In solchen Fällen mussten die Bauteile bisher aufgesägt, mit einem Feinschliff versehen und schliesslich vermessen werden. An einem konkreten Beispiel konnte dank der Tomographie der bisherige Aufwand von 75 Stunden auf 8 Stunden reduziert werden.

Abgesehen von Messungen im 2–3-µm-Bereich können auch Lunkeranalysen effektiv realisiert werden. Das analysierte Bauteil wird im CAD-System «aufgeschnitten» und man kann praktisch durch das Volumen navigieren, um eine genaue Beurteilung zu machen.

Die Durchdringung von Stahl liegt bei den Anlagen bei 30 mm. Die maximale Bauteillänge liegt bei 300 mm.

AFM: Spiegeloberflächen als Kraterlandschaften

Ganz hervorragend war der Vortrag von Dr. Björn Pietzak (Nanosurf AG). Anhand einiger Beispiele zeigte er, was mit heutigen Rasterkraftmikroskopen (AFM) visualisierbar ist. Mit diesen Mikroskopen erscheinen selbst auf Hochglanz polierte Oberflächen als tiefe Kraterlandschaften. Beeindruckend ist darüber hinaus, in welchen Bereichen diese Technologie Anwendung findet: Halbleiterindustrie, Biomechanik, Medizintechnik, Korrosionstechnik usw. Immer dann, wenn es darum geht, feinste Oberflächenstrukturen aufzulösen. In erster Näherung bekommt man die Topographie in 3D-Daten und kann die Rauigkeit qualitativ und quantitativ beurteilen. Stufen, Strukturen (Hologramme), Korngrössen (bei Solarzellen), Homogenität geben Auskunft über die Oberflächenstruktur. Aber es besteht auch die Möglichkeit (hier kommen auf diese Bereiche spezifizierte Messaufnehmer zum Einsatz), magnetische Strukturen oder Ladungen zu erkennen und exakt zu vermessen.

MSA oder VDA Band 5

Auf die detaillierten Unterschiede der beiden Richtlinien MSA und VDA Band 5 ging Dr. Edgar Dietrich (Q-DAS) ein. Die MSA-Richtlinie wurde erstmals 1990 veröffentlicht von der Automotive Industrie Action Group (AIAG). In seinem Vortrag hob Dr. Dietrich die Vor- und Nachteile von MSA und VDA Band 5 hervor. Bei der MSA liegen die Vorteile klar in dem weltweit hohen Bekanntheitsgrad und ihrer vielfältigen Nutzung. Für die VDA-Richtlinie spricht hingegen deren detaillierte Betrachtung der Einflusskomponenten beim Messprozess und deren Auswirkung auf die erweiterte Messunsicherheit.

Fotomasken zur Kalibrierung

Das Abschlussreferat von Dr. Felix Meli schliesslich gewährte einen Einblick in das Kern-Know-how des Bundesamtes für Metrologie (METAS). METAS realisiert und vermittelt international abgestimmte und anerkannte Masseinheiten in der erforderlichen Genauigkeit. In seinem Vortrag ging Dr. Felix Meli konkret auf Fotomasken ein. Dabei handelt es sich um Glasplatten mit Strukturen aus einer dünnen Chromschicht auf der Oberfläche. Sie dienen hauptsächlich als Projektionsvorlagen für die Photolithografie. Spezielle Photomasken und Glasmassstäbe können verwendet werden, um optische Messgeräte in einer Ebene (2D) zu kalibrieren.

Wie dieser Überblick zeigt, bot das diesjährige Messtechnik-Seminar einen ausgezeichneten Einblick in die Welt der Mikrometer – und darunter «hinaus» – und wie man diese sicher und vielseitig vermisst. <<

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