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Donnerstag, 19. Oktober 2017, Ausgabe Nr. 42

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Automation

Per Laser exakt vermessen

Von Dietmar Kippels | 12. Oktober 2017 | Ausgabe 41

Präzise nach Industrie-4.0-Vorgaben zu produzieren, ist keine ferne Utopie mehr. Genaue Lasermesstechnik und Interferometrie drängen in Fertigungshallen.

EMO-Etalon_Bu
Foto: ESO/S. Brunier

Präzise Teleskope: In der Astronomie sorgt Interferometrie längst für scharfe Bilder, z. B. bei den Anlagen in der Atacama-Wüste.

Eine hochautomatisierte Fertigung von präzisen Großbauteilen, Werkstücken und Komponenten stellt die Produktion vor besondere Herausforderungen. Ausschuss darf hier auf keinen Fall produziert werden: „Das erlauben die hohen Kosten, lange Bearbeitungszeiten und das Einbinden in straffe Zeitpläne schon von vornherein nicht“, betont Heinrich Schwenke, Geschäftsführer des Messtechnikunternehmens Etalon aus Braunschweig. Zudem sei eine zeitaufwendige, präzise Korrektur von Fertigungsfehlern meist nicht möglich.

Interferometrie

Um die geforderte Bauteilqualität zu erreichen, waren bislang die geschulten Sinne erfahrener Mitarbeiter an den Werkzeugmaschinen wichtig. „Sie spüren kritische Temperaturänderungen in der Werkhalle und hören, wenn sich die Schnittbedingungen am Werkzeug ändern, sehen der Bauteiloberfläche an, was am Prozess nicht stimmt“, so Schwenke. Damit seien sie Stellglied in dem komplexen Regelkreis aus Maschine, Werkzeug, Betriebsumgebung und Fertigungsprozess.

Oft stoßen aber auch die „altbewährten“ technischen Ansätze zum Erhöhen der Fertigungspräzision an ihre Grenzen. Benötigt werden dann hochgenaue und teure Werkzeugmaschinen auf separaten Fundamenten, Messtechnik in klimatisierten Räumen, präventive Wartung und häufige manuelle Inspektionen. „Natürlich zielen alle diese Maßnahmen darauf, die Produktion präzise und konstant zu halten. Die daraus entstehenden Zusatzkosten und Durchlaufzeiten sind allerdings enorm“, warnt der Messtechnikspezialist. Gerade im zunehmenden internationalen Wettbewerb sei das ein Manko.

Ein Ansatz aus der Astronomie könnte nun neue Impulse für die bodenständig automatisierte Produktion bringen. Dort waren die Herausforderungen ähnlich. Während Teleskopentwickler früher versuchten, durch immer stabilere Konstruktionen und ständig präzisere Spiegel die Leistung der Teleskope zu erhöhen, kommen bei neueren Anlagen interferometrische Sensoren zum Einsatz. Sie analysieren kontinuierlich das Gesamtsystem und Aktuatoren passen unmittelbar die Position der Spiegel an. So werden Abbildungsleistungen erreicht, die mit starren Ansätzen kaum zu realisieren sind.

„Wir haben diese Strategie mit unserer bereits in der Großforschung bewährten ,Absolute Multiline Technology‘ in die hochautomatisierte Produktion eingebracht“, betont Schwenke. Dabei würden präzise, interferometrische Messstrahlen per Lichtleitfaser in die Werkzeugmaschinen bzw. zu den Montageplätzen übertragen. Dort erfassen sie kleinste geometrische Abweichungen – verursacht etwa durch Fundamentabsenkungen, Temperaturänderungen oder Verschleiß. Aus den Abweichungen lassen sich dann automatisch Kompensationsmaßnahmen errechnen und an die Steuerung der Werkzeugmaschine übertragen.

Das Potenzial für Industrie 4.0 reicht hier weit. „Es wird nicht nur die Bearbeitungsgenauigkeit erhöht und stabilisiert; die Maschine kann sich mit diesem System selbst zur Messmaschine wandeln und die Qualitätssicherung des Bauteils ,in process‘ vornehmen. Das schließt Regelkreise für die Produktion von hochpräzisen Bauteilen direkt – ohne zeitraubende Zwischenschritte“, ergänzt der Messtechnikspezialist.

Foto: Etalon

Normalerweise unsichtbar: Um zu zeigen wie das Messsystem in der Produktionszelle arbeitet, wurden die Laserstrahlen in diesem Fall zum Leuchten gebracht.

Die Fertigungslinie kann schnell und flexibel auf Temperaturschwankungen reagieren. Dazu werden die Messergebnisse des Lasersystems sowie die Daten von funkbasierten Fühlern in der Maschinensteuerung verarbeitet. Schwenke: „Damit wird die Anlage nicht nur zum Baustein für selbstregelnde Produktion nach 4.0-Vorgaben, sondern sie senkt gleichzeitig den Aufwand für Temperaturstabilität bzw. Klimatisierung und erhöht so die Energieeffizienz.“ Eine solches System kann laut Etalon mit acht bis über hundert Messkanälen ausgestattet sein.

Vorteilhaft kommt hinzu: Die Elektronik zum Auswerten der Ergebnisse kann viele Kilometer entfernt erfolgen, was präzise Onlineprüfungen auch in weit entfernten Produktionsanlagen erlaubt. Das spart Bauraum in der Anlage.

Die messtechnische Rückführung erfolgt im System über das molekulare Absorptionsspektrum einer Gaszelle. Dieses bleibt laut Schwenke über Jahrzehnte stabil, wodurch die Messunsicherheit bei Entfernungen bis 30 m bei nur 0,5 µm/m liege, was höchsten Ansprüchen genüge.

Für den Spezialisten ist klar: „Hier tun sich attraktive, produktionsnahe Ansätze auf – ob es nun um Maßhaltigkeit der Produkte, messtechnische Roboterüberwachung, Geometriekontrollen oder die Formstabilität von Bauteilen und Systemen geht“. Die Entwicklung habe viel Erfolgspotenzial und fordere die Sensorikunternehmen heraus. Hier komme dann auch Datamining – also die Nutzung umfangreicher Datenanalysen – ins Spiel.

Nach einer Pilotinstallation in einer Musterfabrik in Großbritannien, dem Nuclear Advanced Manufacturing Center, wurde das System inzwischen erstmals in einem europäischen Gas- und Dampfturbinenwerk eines großen amerikanischen Konzerns installiert. Dort soll es alle Vertikaldrehmaschinen kontinuierlich überwachen. Installationen in der Werkzeugfertigung bei Automobilbauern sind mit der gleichen Zielsetzung in Planung.

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