Optische 3D-Messtechnik verringert Korrekturschleifen und verbessert Werkzeuge

Dafür, dass sich Autofahrer heute nicht mehr um das Anfahren am Berg mit Handbremse kümmern müssen, sorgt unter anderem eine Entwicklung des Unternehmens Oechsler, Ansbach. Das Kunststofftechnik-Unternehmen entwickelte Ende der 90er Jahre den Aktuator für die Elektronische Parkbremse (EPB), die seither in immer mehr Autos die konventionelle Handbremse ersetzt. „Heute ist die EPB eines unserer umsatzstärksten Produkte“, erläutert Dr. Marco Wacker, Vorstand  für den Bereich Technologie und Innovation bei Oechsler. „Ein Großteil unserer Bauteile sind Verzahnungen und Getriebe für die Automobilindustrie, Medizintechnik, Sportartikelhersteller, Telekommunikation und andere Branchen. Einige Verzahnungen sowie Gehäuse liefern wir einzeln an unsere Kunden oder auch als komplette Baugruppe.“

Diese Produktpalette erfordert ein breites Spektrum an Werkstoffen: Allein am Hauptsitz in Ansbach, einem von sechs Produktionsstandorten weltweit, verarbeitet das Unternehmen mehr als 400 verschiedene Werkstoffe. Annähernd 80 Prozent davon sind faserverstärkt. „Diese Werkstoffe neigen naturgemäß zum Verzug, besonders bei Produkten wie dünnwandigen Gehäuseteilen“, erläutert Wacker. Beim Vermessen der Gehäuse mit taktilen Messsystemen kam es daher immer wieder zu Problemen. So fanden sich Änderungen, die in die Werkzeuge eingebracht wurden, teilweise nicht in den gemessenen Daten wieder. „Als wir uns damit intensiver beschäftigten, stellten wir fest, dass wir beim taktilen Messen zu viel Zeit brauchen und zudem nur einen Teil von dem messen können, was wir eigentlich messen sollten“, erläutert Wacker. Erschwerend kam hinzu, dass das taktile Messen eine 3D-Geometrie auf eine abstrakte Darstellung von binären oder tertiären Punkten in Tabellenform reduziert. Der Konstrukteur muss dieses Ergebnis dann wieder in sein 3D-System überführen. „Das macht im digitalen Zeitalter so keinen Sinn mehr“, meint Wacker.

Im Jahre 2012 begann das Unternehmen daher mit der Suche nach einer Alternative zum taktilen Vermessen. Der finalen Entscheidung lag ein Benchmark zugrunde, der die internen, taktilen Messsysteme mit einem Computertomographen (CT) sowie einem optischen 3D-Messsystem verglich. Bei letzterem handelte es sich um das Atos Triple Scan von GOM, Braunschweig, das mit dem Streifen-Projektionsverfahren arbeitet. Das CT-System sowie die 3D-Messtechnik-Lösung setzten sich schließlich in einer Vorauswahl, unter anderem durch Anwenderbesuche, durch.

Ein Großteil des Portfolios des mittelfränkischen Unternehmens besteht aus Präzisionsbauteilen, wie Verzahnungen und Gehäuseteilen aus faserverstärkten Kunststoffen. (Bildquelle: Oechsler)

Mit Streifenprojektion sekundenschnell messen

Bei dem Benchmark wurde das gleiche Gehäuse-Bauteil sechsmal gemessen und 550 Werte ermittelt. Im Ergebnis lagen das CT und das Streifen-Projektionsverfahren bei Geschwindigkeit und Genauigkeit nahe beieinander. Da Oechsler aber viele Hybridbauteile produziert, zum Beispiel Gehäuseteile mit metallenen Inserts und/oder Stanzgittern, fiel die Entscheidung schließlich auf den Atos Triple Scan. Denn die Metallteile würden den CT-Scan stören. Der optische 3D-Scanner vermisst die gesamte Bauteilgeometrie flächenhaft in einer Punktewolke mit bis zu 16 Millionen Pixeln, statt einzelne Punkte abzutasten. Dazu erfassen zwei Kameras das auf das Bauteil projizierte Streifenmuster. Sie ermitteln so Millionen Messpunkte in wenigen Sekunden berührungslos. Für jeden Kamerapixel berechnet die Software dreidimensionale Objektkoordinaten. Das so erstellte Polygonnetz beschreibt Freiformflächen und Regelgeometrien, die sich nun in der Form- und Maßanalyse mit der Zeichnung oder dem CAD-Datensatz abgleichen lassen. Im Vergleich zur taktilen Messtechnik wird die gesamte Bauteilfläche schnell bemustert, und es bleiben keine blinden Stellen am Bauteil zurück.

Soll-Ist-Vergleich: Vor der Korrektur auf Basis der Messdaten und Auswertungen ist die Anschraubbohrung im Vergleich zur gewünschten Position versetzt. Danach ist sie annähernd deckungsgleich. (Bildquelle: Oechsler)

Bauteil-Übersicht verringert Iterationsschleifen

Norbert Krauß, Projektleiter Research & Development bei Oechsler, bestätigt: „Das Schöne an dem optischen System ist, dass wir damit Vieles auf einen Blick sehen. Man muss sich zunächst keine Gedanken über die Ebenheit machen, man erkennt, wo die Durchmesser liegen und wo die jeweiligen Stecker, Kontakte und Positionen sind.“ Der Nutzer erhält ein auf den ersten Blick erkennbares Abbild des Bauteils und nicht wie bei der taktilen Messung wenige abstrakte Punkte. Das erleichtert es, in einem Schritt mehrere Korrekturen auszuführen. „Während wir uns früher Stück für Stück an die Werkzeugkorrekturen herangetastet haben, um nicht aufschweißen zu müssen, sehen wir dieses Bauteil jetzt vollumfänglich und trauen uns damit wesentlich mehr zu. Dadurch lassen sich die Iterationsschleifen deutlich verringern.“ erläutert Wacker.

Simulation und Messsystem ergänzen sich

Nach der Konstruktion des Bauteils erfolgt die Angebotskalkulation. Erhält das Unternehmen grünes Licht, prüft es das Werkzeug im Werkzeugbau und führt eine Fließsimulation in der angegliederten Simulationsabteilung mit der Software Moldflow durch. Inzwischen liefert die Simulation bei den meisten Werkstoffen, die das Unternehmen einsetzt, sehr genaue Ergebnisse, auch was die Verzugsvorhersage angeht. „Daher bauen wir die Werkzeuge heute leicht verzogen“, erläutert Wacker. „Und damit wir sukzessive immer besser werden, haben wir einen internen Regelkreis geschaffen.“ Zunächst gibt der für die Simulation zuständige Mitarbeiter die Prozessparameter in das Simulationssystem ein. Der Werker an der Spritzgussmaschine übernimmt die Daten, führt gegebenenfalls Parameterkorrekturen durch oder stellt das Werkzeug nach eigenen Erfahrungswerten ein. In jedem Fall prüft er den produzierten Kunststoffartikel mithilfe des 3D-Messsystems und gibt die Ergebnisse zurück an die Simulationsabteilung. Wacker ergänzt: „Damit erhält der Simulationsexperte erstens das Ergebnis, wie gut seine Vorhersage war, und zweitens, wie der Prozess nach Meinung der Fachexperten gegebenenfalls anders eingestellt sein muss. Auf Basis dieser Rückmeldungen kann er sein Modell verbessern und lernt daraus für die nächsten Simulationen.“ Birgit Hauf, Mitarbeiterin der Entwicklungsabteilung und für das Messsystem zuständig, ergänzt: „Schritt für Schritt lassen sich so die Erfahrungswerte wie eine Bibliothek aufbauen – und auf diese Weise schließlich die wiederkehrenden Messaufgaben vereinfachen. Für diesen internen Regelkreis ist das Messsystem ein wichtiger Baustein.“

Dr. Marco Wacker, Vorstandsmitglied bei Oechsler für den Bereich Technologie und Innovation: „Während wir uns früher Stück für Stück an die Werkzeugkorrekturen herangetastet haben, um nicht aufschweißen zu müssen, sehen wir die Bauteile jetzt vollumfänglich und trauen uns damit wesentlich mehr zu. Dadurch lassen sich die Korrekturschleifen deutlich verringern.“ (Bildquelle: GOM)

Ziel: eine Regelschleife bis zur nötigen Genauigkeit

Die Konstruktionsabteilung, der Werkzeugbau und die Fertigung besprechen dann auf Basis der Messergebnisse mögliche Korrekturvarianten. Hauf erläutert: „In Zusammenarbeit mit dem Werkzeugkonstrukteur erstelle ich schließlich einen Korrekturbericht, der im CAD umgesetzt wird. Das Werkzeug wird entsprechend korrigiert und wieder abgemustert.“ Dann beginnt die Schleife von vorn, bis die gewünschte Genauigkeit erreicht ist.

Entwicklungsleiter Krauß ergänzt: „Mit der taktilen Vermessung haben wir uns oft iterativ mit mehreren Schleifen aufwendig an die Endkontur des Werkzeugs angenähert. Durch die wesentlich besseren Informationen mit dem System benötigen wir derzeit bei neuen Teilen im Durchschnitt noch drei Schleifen. Bei Teilen, die in ähnlicher Form immer wieder vorkommen, benötigen wir noch eine große und eine kleinere Schleife.“ Vorstand Wacker hängt die Messlatte noch höher: „Unser Ziel ist eine Korrekturschleife.“

Das 3D-Messsystem eignet sich auch dazu, Werkstoffe miteinander zu vergleichen. (Bildquelle: Oechsler)

3D-Scanner eignet sich auch für Materialvergleich

Das Unternehmen nutzt das 3D-Messsystem auch zum Vergleichen verschiedener Materialien. „Ein PBT GF 30 des einen Herstellers verhält sich nicht zwingend gleich wie das PBT GF 30 des anderen Herstellers“, sagt Wacker. Mit dem Messsystem lässt sich im Bemusterungszeitraum schnell feststellen, ob sich das jeweilige Material ähnlich wie das Referenzmaterial verhält, und welche Anpassungen gegebenenfalls vorgenommen werden müssen. Bei Gehäuseteilen befindet sich die kritische Stelle oft am Stecker, dort ist die Bauteilwand am dünnsten. „Da kann es bei einem anderen Werkstofflieferanten enorme Abweichungen im Zehntelbereich geben, die wir im schlimmsten Fall mit Parameteränderungen nicht mehr abfangen können“, schildert Wacker das Problem. „Notfalls geht das dann nur noch mit einer Werkzeugkorrektur.“ Diese Arbeiten am Werkzeug lassen sich allerdings vermeiden, wenn bei der Werkzeugfreigabe mehrere Materialalternativen mitbemustert werden. Das Messsystem hilft dabei den Aufwand gering zu halten und liefert schnell Ergebnisse, was vor allem während der Bemusterungsphase ein entscheidender Faktor ist.

Software für die Auswertung

Für das Auswerten und Betrachten der Messdaten setzt das Unternehmen auch die Software GOM Inspect ein. Damit lassen sich 3D-Daten aus Streifenscannern, Laserscannern, CTs und anderen Quellen bearbeiten und auswerten. Die Software eignet sich außerdem als 3D-Viewer, um Messergebnisse gemeinsam den an Messung, Konstruktion, Analyse und Entwicklung beteiligten Abteilungen zu bewerten. Hauf fügt hinzu: „Die Software ist nicht nur auf das GOM-System beschränkt. Wir können damit beliebige Auswertungen machen, etwa CAD-Daten vergleichen, Maße abfragen oder 2D-Schnitte machen.“

Automatisierte Messung zukünftig im Fokus

Rund 80 Werkzeuge baute das Unternehmen im vergangenen Jahr – 35 davon wurden über das 3D-Messsystem validiert. Die Verantwortung für das ganze Projekt liegt derzeit noch bei der Entwicklungsabteilung, doch nun will Wacker sie sukzessive in die Fachabteilungen transferieren. Denn inzwischen ist in den Abteilungen eine breite Akzeptanz für das Thema entstanden. „Wir haben den Prozess nun so weit entwickelt, dass die Abteilungen damit gut arbeiten können“, meint Krauß. Damit käme Vorstandsmitglied Marco Wacker seinem Ziel einen weiteren Schritt entgegen: „Mittelfristig wollen wir die Vermessung mithilfe des Unternehmens GOM semi-automatisieren, vielleicht irgendwann sogar komplett automatisieren. Damit würden wir weitere Zeit- und Prozessvorteile im Unternehmen gewinnen.“