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Donnerstag, 14. September 2017, Ausgabe Nr. 37

Donnerstag, 14. September 2017, Ausgabe Nr. 37

Messtechnik

Ein scharfer Lichtblick für die Produktion

Von Dietmar Kippels | 16. Februar 2017 | Ausgabe 07

Hochautomatisierte, selbstüberwachende Fertigungslinien sind auf autonome, flexible Prüftechnik angewiesen. Hier spielt die Lasertechnik ihre Stärken aus.

Laser-Kip-BU
Foto: Leoni Gruppe

Erfasst: Laserstrahlen messen die Form und Ausrichtung von Bauteilen, damit der Roboter sie sicher greifen und an die gewünschte Position bewegen kann.

Geht es um Laser und photonische Lösungen für Produktion und Messtechnik, sind Produkte aus deutscher Entwicklung weltweit gefragt. Ähnliches gilt für Anwendungen des fokussierten Lichtes in der Medizin. Zwischen 15 % und 20 % liegt dabei jeweils der Weltmarktanteil. Gleichzeitig bringen sich internationale Wettbewerber in Position. Die USA haben dazu ein „Integrated Photonics Hub“ aufgebaut und auch in Asien gibt es diverse politische Initiativen, die die Kompetenzen ihres Landes in dieser Zukunftstechnologie stärken sollen.

Agenda Photonik 2020

In Deutschland ist der internationale Erfolg der Photonik stark mit dem Maschinenbau und Produktionsanwendungen verbunden. „Der Laser ist ein sehr vielseitiges Instrument für produzierende Unternehmen. Und neben dem immensen Potenzial für die Materialbearbeitung werden Laser auch in der Mess-, Prüf- und Identifikationstechnik zunehmend geschätzt“, betont Markus Heseding, Geschäftsführer des Fachverbandes Präzisionswerkzeuge im Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) in Frankfurt/M.

Hier öffnet sich ein weites Betätigungsfeld für industrienahe Forschungsinstitute wie etwa das Laserzentrum Hannover (LZH). „Wir arbeiten im Bereich Luftfahrtforschung im Verbundprojekt ‚ReWork‘ mit den Unternehmen Invent, Ovita und Precitec Optronik zusammen. Es geht um die effiziente, präzise Nachbearbeitung von CFK-Bauteilen, also kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, die im Flugzeugbau zum Einsatz kommen“, betont Projektleiter Hagen Dittmar. Laser werden dabei sowohl zum Messen der Oberflächen als auch zu deren Bearbeitung eingesetzt.

Zwar bietet CFK attraktive Vorteile wie etwa geringes Gewicht bei hoher Stabilität. Doch die Produktion entsprechender Bauteile ist aufwendig und kostenintensiv. Um Ausschuss zu vermeiden, ist laut LZH eine präzise Nachbearbeitung im „Schäftungsverfahren“ ein wichtiger Schritt, für den die Lasertechnik großes Potenzial biete. „Beim Schäften geht es um das möglichst präzise Entfernen fehlstellenbehafteter CFK-Lagen, was ein enger Verbund aus Laser, Scanner und interferometrischer Messtechnik inklusive entsprechender Steuerungssoftware übernimmt“, präzisiert Dittmar. Das Interferometriesystem messe dabei schnell und hoch aufgelöst die Tiefe des Abtrags, sodass die Reparaturpatches laut den Forschern nach der Laserbearbeitung passgenau eingesetzt werden können.

Die präzise, hochautomatisierte Fertigung beschäftigt auch die Leoni AG in Hannover. Das Unternehmen hat dazu ein lasergestütztes Kalibriersystem entwickelt. „Wir vermessen damit Werkzeuge bzw. Vorrichtungen in bis zu sechs Freiheitsgraden“, erläutert Johannes Kemp, Leiter Entwicklung Machine Perception bei Leoni. Das Roboterprogramm werde dabei online um die jeweilige Toleranzabweichung korrigiert. Dadurch agiere das Werkzeug stets an der korrekten Position. Zudem vereinfache die kompakte Bauart die Integration in die Fertigungslinien.

 „Das Kalibriersystem ist für fast alle Robotertypen einsetzbar und für die meisten Roboterwerkzeuge verfügbar. Das heißt, es ist herstellerunabhängig“, ergänzt Kemp. Fehlerhafte Teile würden damit schnell identifiziert und erst gar nicht weiterverarbeitet. Breitgefächert sind laut Leoni auch die Anwendungsfelder. Sie reichen von unterschiedlichen Schweißanwendungen bis zum Kleben, Fräsen und Bohren.

Und dass flexible, hochpräzise Fertigung per Laser auch die Wahl von Zahnradkombinationen erleichtert, belegt das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg. „Es ging darum, Zahnräder mit großen Toleranzen zu bearbeiten und die fertigen Zahnräder später passend zu kombinieren“, erläutert Alexander Bertz, Gruppenleiter Inline-Messtechnik am IPM.

Die Geometrie des jeweiligen Zahnrads wird dabei direkt in der Fertigungslinie per Laser gemessen. Entsprechend sind für jedes Bauteil die Maße bekannt, wie etwa Kopf- bzw. Fußkreis, Verzahnungsfehler oder die Flankensteilheit. Das erlaubt laut IPM eine umfassende Kontrolle. Darüber hinaus können die Zahnräder je nach ihrer Passgenauigkeit und Maßhaltigkeit kombiniert werden. „Exakt abgestimmte Zahnräder in einem Getriebe senken nicht nur den Verschleiß, sondern auch den Energieeinsatz und sie mindern gleichzeitig Vibrationen.“

Auch zur Vibrationsanalyse von Maschinen und Anlagen eignen sich Laser, wie Optomet in Darmstadt demonstriert. Per Laser-Doppler-Vibrometer würden Schwingungen über einen weiten Amplituden- und Frequenzbereich erfasst. Dabei trifft der Laserstrahl auf das Messobjekt. Schwingt die Oberfläche, verschiebt sich aufgrund des Doppler-Effektes die Frequenz des reflektierten Lichtstrahls. Über ein Interferometer kombiniert mit entsprechender Signalverarbeitungssoftware wird diese Frequenzverschiebung anschließend ausgewertet.  

Was lasergestützte Messtechnik betrifft, geht Etalon, Braunschweig, mit der Absolute Multiline Technology konsequent in Richtung Fabrikautomation: „Das System bringt die Vorteile von Interferometern wie etwa eine sehr hohe Auflösung und präzise messtechnische Rückführbarkeit auf einen Nenner“, betont Geschäftsführer Heinrich Schwenke. So lasse sich der der Laserstrahl jederzeit unterbrechen ohne dass ein Präzisionsverlust auftrete.

Das bringt laut Schwenke handfeste Vorteile, was Automation in den Fertigungslinien betrifft: „Bei einer Integration dieser Technologie in große Werkzeugmaschinen lässt sich kontinuierlich deren Kalibrierung überwachen und es können zeitnah Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden um die Maßhaltigkeit zu gewährleisten.“ Diese Lasermesstechnik sei ein Schritt in Richtung von Fertigungsstrukturen, die sich selbst überwachen und damit ein Schritt in Richtung Industrie 4.0.

 Den aktuellen Stand der Lasertechnik können Interessierte z. B. auf der diesjährigen Messe Laser World of Photonics vom 26. bis zum 29. Juni in München begutachten. Dort werden Beispiele aus unterschiedlichen Branchen gezeigt.

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