Automatisiertes Rauheitsmesssystem zur 100-Prozent-Prüfung in Serienprozessen

Bei der Optimierung von Produkteigenschaften rücken die Möglichkeiten zur funktionellen Strukturierung von Oberflächen zunehmend in den Fokus von Produktdesignern und Konstrukteuren. Bauteilfunktionen werden über die gezielte Gestaltung der Oberfläche beeinflusst, wie z. B. die Dichtungsfläche von Wellen oder aber tribologische Oberflächen, wie z. B. gehonte Zylinderlaufbahnen in der Fertigung von Verbrennungsmotoren. Häufig spielen dabei Strukturgeometrien mit Abmessungen von wenigen Mikrometern eine entscheidende Rolle. Die Fertigungsprozesse zur Erzeugung funktionaler Oberflächen sind derart komplex, dass eine produktionsnahe Messtechnik wesentlich ist. Des Weiteren haben Versagen und Bruch von Teilen in aller Regel ihren Ursprung an der Oberfläche, so dass die Messung der Rauheit zu einer der wichtigsten Standardmessaufgaben der modernen Fertigungstechnik gehört.

Das durch das Fraunhofer IPT und die fionec GmbH entwickelte Rauheitsmesssystem nutzt faseroptische, interferometrische Abstandsmesssonden, mit dem Rauheitsprofile bis zu sechs Mal schneller als mit taktilen Systemen gemessen werden können. Die Messung erfolgt berührungslos und damit verschleißfrei und ermöglicht mit den stark miniaturisierten Sonden die Messung auch in kleinen Kavitäten und Bohrungen. Das Lösungskonzept umfasst die hochdynamische An- und Abfahrbewegung der Sonde und eine Hard- und Softwareschnittstelle für die Anbindung eines Robotersystems zum automatisierten Zuführen der Teile.

Sensorkopf des Rauheitsmesssystems
© Fraunhofer IPT
Sensorkopf des Rauheitsmesssystems

Das faseroptische Messsystem basiert auf dem Prinzip der kurzkohärenten Interferometrie − wozu unter anderem auch die Weißlichtinterferometrie zählt – und ermöglicht somit absolute Messungen auch auf technischen Oberflächen. Hauptbestandteile des Systems sind eine opto-elektronische Auswerteeinheit und eine fast beliebig lange faseroptische Messsonde, die für den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt wird. Durch die hohe Messfrequenz von 5 kHz und eine Messunsicherheit von 100 nm eignet sich dieses Verfahren gut für schnelle und präzise Oberflächenmessung. Die Zustell- und Messbewegung der Sonde wird durch eine schnelle Linearachse realisiert, wobei die Zustellgeschwindigkeit bei 100 mm/s und die Messgeschwindigkeit bei 3 mm/s liegt. Über die Triggerfunktonalität der Achse wird während des Messvorgangs eine äquidistante Abtastung der Messstrecke mit 1 µm-Schritten gewährleistet.

Für die Inline-Klassifikation von i.O.- und n.i.O.-Bauteilen wurde eine Mess- und Automatisierungssoftware entwickelt, die den neuesten Stand der aktuellen ISO-Norm für Profilfilter (ISO 16610) und Oberflächenkenngrößen (ISO 4287, ISO 13565) abdeckt. Die so erfassten Kenngrößen bilden anschließend die Basis für die Klassifikation des Teils. Die Software kann über TTL-Signale das Ausschleusen eines Gutteils bzw. das Aussortieren eines Fehlerteils initiieren.

Das Messsystem weist einen hohen Automatisierungsgrad auf und ist für die Messung hoher Stückzahlen geeignet. Stichprobenmessungen mit einem taktilen Tastschnittsystem zeigten eine gute Vergleichbarkeit mit den optisch gemessenen Profilkennwerten.

Weitere Anwendungen der faseroptischen Sensorik finden sich beispielsweise in der Prüfung von Rundheit, Geradheit sowie Durchmesser von kleinen Bohrungen. Weitere Applikationen sind in der Vielstellenmesstechnik denkbar, die mit verteilten Sensoren arbeiten, etwa zur Prüfung von Formtoleranzen (z. B. Rundlauf, Stufenhöhen, Parallelitäten) komplex geformter Bauteile.