Kombinierter optischer Sensor zur simultanen Erfassung der 3D-Geometrie und Oberflächenrauheit

Die Herstellung von funktionsrelevanten mechanischen Komponenten mit hoher Oberflächenqualität ist zeitaufwendig, bindet Ressourcen und ist daher kostspielig. Deshalb ist die Optimierung des Herstellungsprozesses sowie dessen Kontrolle von entscheidender Bedeutung. In vielfältigen Anwendungsbereichen, insbesondere im Automobilbau, in Windkraftanlagen oder Generatoren, führen optimale Funktionsflächen zu weniger Reibung und somit auch zu weniger Abnutzung. Sie können außerdem dazu beitragen, den Energieverbrauch zu reduzieren, reibungsbedingte Vibrationen zu minimieren und Ausfälle mechanischer Systeme zu vermeiden.

Eine direkte Integration der 3D-Geometrie- und Rauheitsmessung in den Herstellungsprozess ist ein bedeutender Schritt, weil dadurch die Zeit-, Energie- und Ressourcennutzung entscheidend verbessert werden können. Darüber hinaus führt die Integration der Messtechnik in die Maschine zu einem besseren Verständnis des Prozesses und seiner Parameter. Die Abnutzung oder der Ausfall von Werkzeugen kann damit schon festgestellt werden, bevor eine Vielzahl von Ausschussteilen produziert wurde. Ein prozessintegriertes Messsystem erlaubt optimale Laufzeiten, denn der Austausch von Werkzeugen und Stillstand der Maschine erfolgt nur bei Bedarf.

Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik IOF in Jena wurde zu diesem Zweck ein kombinierter Sensor entwickelt, der gleichzeitig die für die Funktionalität von mechanischen Komponenten relevanten Parameter Form und Oberflächenrauheit messen kann. Für das kombinierte Messsystem wurden zwei völlig unterschiedliche Messprinzipien in einem sehr kompakten Aufbau untergebracht, um trotzdem die Integration in Fertigungsmaschinen zu ermöglichen. Der Sensor besitzt ein robustes Gehäuse, damit er auch in widrigen Umgebungen, wie z.B. im Inneren von Schleifmaschinen, eingesetzt werden kann.

Einhausung für kombiniertes Sensorsystem
© Fraunhofer IOF, Jena

Einhausung für kombiniertes Sensorsystem

Flachschleifmaschine mit integriertem kombinierten 3D- und Streulichtsensor
© Fraunhofer IOF, Jena

Flachschleifmaschine mit integriertem kombinierten 3D- und Streulichtsensor

Das Messsystem ist so ausgelegt, dass man Streulicht- und 3D-Messungen an der gleichen Stelle auf dem Messobjekt durchführen kann, ohne den Sensor oder das Messobjekt bewegen zu müssen. Dabei ist ein Vorteil, dass durch den Wegfall der zusätzlichen Bewegung die Messzeit signifikant reduziert werden kann. Ein weiterer Vorteil des kombinierten Sensors ist die Kenntnis der Lage, Krümmung und Kippung des Messobjekts, die aus der 3D-Messung gewonnen werden, wodurch die Genauigkeit der Rauheitsergebnisse verbessert werden kann. Da sowohl die 3D- als auch die Streulichtmessung optische Messverfahren sind, können die Form und Oberflächenrauheit berührungslos gemessen werden.

Der Sensor wurde im Rahmen des TAB-Projektes KORA (2011 FE 9111) zusammen mit den Firmen Mahr und ABS Jena entwickelt.