Eine 100-prozentige Qualitätskontrolle innerhalb eines Fertigungsprozesses ist nicht einfach zu garantieren. Doch Forschern der Fraunhofer-Gesellschaft ist das gelungen
von MICHAEL VOGEL
Mit modernen Fräsen lassen sich Bauteile aus Metall mit Toleranzen von wenigen Mikrometern fertigen – selbst wenn ihre Oberfläche eine komplizierte Geometrie hat. Trivial ist das nicht. Die Hersteller der Werkzeugmaschinen geben zwar Tipps, doch der Teufel steckt im Detail: Welcher Fräskopf eignet sich am besten? Wie schnell sollte er rotieren und sich dabei vorwärts bewegen? Und sollte er die zu bearbeitende Fläche von außen nach innen abfahren oder streifenförmig von rechts nach links? Solche Entscheidungen beeinflussen das Ergebnis.
Um es zu beurteilen, bedarf es einer präzisen Qualitätskontrolle – etwa durch eine taktile Vermessung. Dabei tastet eine harte Kugel die Oberfläche ab, aber nur punktuell oder linienförmig. Daneben gibt es optische Verfahren, mit denen sich die gesamte Oberfläche erfassen lässt. Das Manko: Bisher geht das nicht direkt am eingespannten Werkstück. Denn die Messsysteme sind zu groß, um sie in eine Werkzeugmaschine zu packen. Und die Bedingungen in der Fertigung sind dafür zu rau. Zudem kann die Messzeit für eine große Fläche viele Minuten betragen – zu lang für eine Kontrolle während der Bearbeitung. „Deshalb muss das Bauteil bislang aus der Fräse genommen, vermessen und für die Weiterbearbeitung wieder eingespannt werden“, erklärt Tobias Seyler. Das kostet Zeit.
Tobias Seyler forscht am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg. Der Ingenieur und seine Kollegen haben eine Technik entwickelt, um das Problem zu lösen. Das Prinzip: Den Fräskopf entnehmen und dafür eine Art optischen Prüfkopf einsetzen. Damit wäre die Vermessung ein direkter Bestandteil des Fertigungsprozesses. Die Idee haben die Forscher am IPM im Projekt „Holocut“ der Baden-Württemberg Stiftung weiterentwickelt – zusammen mit Wissenschaftlern der Hochschule Aalen.
Verräterisches Interferenzbild
In dem dreijährigen Forschungsprojekt, das 2018 zu Ende ging, vereinten die Forscher aus Südbaden und Ostwürttemberg digitale Technik mit der Photonik – der Nutzung optischer Verfahren. Dabei setzten sie auf die digitale Mehrwellenlängen-Holografie. „Das zu prüfende Bauteil bestrahlen wir mit Laserlicht“, erklärt Seyler, der das Projekt leitete. „Den zurückgestreuten Anteil überlagern wir mit unbeeinflusstem Laserlicht.“ So entsteht ein Interferenzbild, das eine Kamera aufnimmt. Darin steckt die Information über die Oberflächenform des Bauteils. Sie lässt sich dann berechnen und dreidimensional visualisieren.
Der Kniff der Forscher besteht darin, die Messung mit mehreren leicht unterschiedlichen Lichtwellenlängen zu wiederholen. Das erhöht die Messgenauigkeit und vergrößert den Messbereich. Ein entscheidender Punkt ist die heute verfügbare hohe Rechenleistung. Moderne schnelle Computer verkürzen die Messzeit drastisch.
Großes Interesse der Industrie
Dass die Mehrwellenlängen-Holografie in der Praxis funktioniert, hat das Team aus Freiburg bereits demonstriert. Im Rahmen von HoloCut haben die Projektpartner die Technik nun miniaturisiert, sodass sie sich in eine Fräse integrieren lässt. Pro Messung nimmt das System bei zwei Wellenlängen insgesamt neun Bilder der Interferenzmuster auf. Jedes Bild hat neun Millionen Pixel.
Zum Berechnen der resultierenden Oberfläche verarbeitet der Algorithmus rund 100 Millionen Bildpunkte. Die Messzeit ist kürzer als eine halbe Sekunde – bei einem Messfeld von vier Quadratzentimetern. Das ist 10 bis 100 Mal so groß wie bei bisherigen optischen Systemen in separaten Messräumen. Die flächige Auflösung liegt unter sieben Mikrometern, die erfassbaren Höhenunterschiede gar unter einem Mikrometer. Das Laserlicht ist so schwach, dass es sicher für die Augen ist – ein wichtiger Aspekt für den Betrieb in der Industrieproduktion.
In der Industrie stößt die neue Technik auf großes Interesse. Doch ihre Möglichkeiten sind noch lange nicht ausgereizt. So arbeiten die Forscher bereits daran, sie auch für die Qualitätskontrolle von Zahnrädern nutzbar zu machen.
