Taktile und optische Messtechnik für die Maßprüfung: Vorteile, Unterschiede und Anwendungsbereiche der beiden Messverfahren

Taktile und optische Messtechnik für die Maßprüfung: Vorteile, Unterschiede und Anwendungsbereiche der beiden Messverfahren

Da die Anforderungen an die Bauteilqualität stetig steigen, ist die Prüfung geometrischer Abmessungen – einschließlich nachvollziehbarer Dokumentation – im Fertigungsprozess heutzutage ein Muss. Vor der Beschaffung eines neuen 3D-Messsystems stellt sich jedoch die grundlegende Frage, welche Technologie für die entsprechende Messaufgabe am besten geeignet ist. Braucht man ein taktiles 3D-Messsystem, bei dem relevante Messstellen mit einem Messtaster erfasst werden? Oder ist ein optisches 3D-Messsystem zu bevorzugen, das die komplette Oberfläche berührungslos digitalisiert? Dieser Artikel erklärt die grundlegende Funktionsweise beider Verfahren und beleuchtet die Vorteile, Unterschiede und Anwendungsbereiche am Beispiel der Automobilindustrie.

Taktile Messtechnik: punktuelle Erfassung der Objektoberfläche durch Antasten

Im Bereich der dimensionalen Werkstückprüfung sind Koordinatenmessgeräte (KMGs) die bekanntesten Vertreter der klassischen Messtechnik. Taktile KMGs arbeiten mit einem tastenden oder messenden berührungsaktiven Taster, der zur Messung an den gewünschten Messstellen positioniert wird; optional kann ein gesteuerter Drehtisch eingesetzt werden, der das Werkstück rotatorisch verfährt. Aus den erfassten Einzelpunkten berechnet die angeschlossene Messsoftware die geometrischen Elemente und leitet daraus die Ist-Werte für die zu prüfenden Objektmerkmale ab.

Taktile Messtechnik ist für Hochpräzisionsteile noch die erste Wahl

Die taktile Messtechnik überzeugt vor allem durch ihre sehr hohe Absolutgenauigkeit und ist darum für die Vermessung von Hochpräzisionsbauteilen noch immer die erste Wahl. Ein stationäres KMG kann Messpunkte auf einen tausendstel Millimeter genau erfassen. Eine derart hohe Genauigkeit lässt sich – Stand heute – mit der optischen 3D-Messtechnik noch nicht erreichen.

Liegt die Genauigkeitsanforderung „nur“ im hundertstel Millimeterbereich, ist die optische 3D-Messtechnik sehr gut geeignet. Wer ein neues Messsystem anschaffen möchte und zwischen taktil und optisch schwankt, sollte darum im ersten Schritt prüfen, welche Genauigkeiten zu gewährleisten sind. Eine Faustformel besagt, dass die Systemgenauigkeit des Messmittels immer um den Faktor fünf bis zehn besser sein sollte als die höchste geforderte zu messende Toleranz. Das heißt: Liegt die Toleranz für ein Merkmal z. B. bei 0,1 mm, dann sollte das Messgerät eine Genauigkeit von mindestens 0,02 mm bieten.

Im Automobilbau sind Zahnräder, Kurbelwellen und Zylinderkurbelgehäuse „klassische Kandidaten“ für taktile Messungen: Die für diese Bauteile einzuhaltenden Toleranzen und Genauigkeiten erfordern bei der Messung ein Höchstmaß an Präzision. Für ein Getriebezahnrad aus dem Automobilbau wird im Normalfall eine Genauigkeit von 1 µ oder besser gefordert. Diese Genauigkeit lässt sich mit optischen Messmitteln derzeit kaum abbilden.

Taktile Messung: langwierig und nicht flächenhaft

Gegen die taktile Messtechnik spricht der hohe Zeiteinsatz, wenn eine hohe Datendichte gewünscht ist: Das Abtasten hunderter Messstellen an einem Werkstück dauert sehr lange, manchmal mehrere Stunden. Eine 100-%-Prüfung im laufenden Produktionsprozess ist so kaum möglich – einerseits aus den vorgenannten Zeitgründen, andererseits weil viele KMGs meist nicht direkt in der Produktion eingesetzt werden können. Um Zeit zu sparen, kann man die Anzahl der Messstellen reduzieren – das geht allerdings zu Lasten der Datendichte. Hier muss immer das Verhältnis von Zeitaufwand zu Informationsgehalt sorgsam abgewägt werden.

Egal, wie viele Messstellen unter höchster Sorgfalt taktil erfasst werden: Man wird nie die komplette Oberfläche des Messobjekts erfassen können – und genau das ist die Überlegenheit der optischen Messtechnik: Sie ist nicht nur schneller, sondern erzeugt ein digitales Abbild des gesamten Messobjekts und liefert somit auch detailliertere Qualitätsinformationen als die taktile Messtechnik.

Optische Messtechnik: vollflächige Erfassung der Objektoberfläche ohne Berührung

Optische Messsysteme (z. B. Laserscanner, Photogrammetrie- oder Streifenprojektionssysteme) erfassen das Messobjekt mithilfe von optischen Sensoren. Die Messung geschieht kontaktlos; der Messsensor berührt die Oberfläche des Messobjekts zu keiner Zeit. Bei sensiblen Objektoberflächen bietet das berührungslose Messprinzip einen entscheidenden Vorteil: Beschädigungen des Messobjekts können sicher vermieden werden. Verschleißerscheinungen, wie man sie von Tastern taktiler Messsysteme kennt, können ebenfalls nicht auftreten.

Optische Messung: schnell mit hoher Datendichte

Der Messvorgang mit einem optischen 3D-Messsystem ist denkbar einfach: Das Messobjekt wird vor dem Sensor platziert – entweder manuell oder per Roboterunterstützung. Dann beginnt die Bildaufnahme: Der Messsensor nimmt das Messobjekt Schritt für Schritt von allen Seiten auf. Um alle Oberflächenbereiche zu erfassen, wird entweder das Werkstück bewegt, sodass immer neue Bereiche in das Blickfeld des Sensors vordringen, oder aber der Sensor wird um das Werkstück herum bewegt. Die angeschlossene Messsoftware transformiert dann alle Einzelmessungen automatisch in ein gemeinsames Koordinatensystem. Daraus ergibt sich eine vollständige 3D-Punktewolke der Objektoberfläche. Die gewonnenen Messdaten erlauben vielfältige Inspektionen, z. B. flächenhafte Soll-Ist-Vergleiche der Objektgeometrie oder die Prüfung von Form- und Lageelementen. Anhand farbiger Abweichungsdarstellungen zum CAD sind problematische Bereiche leicht zu erkennen, sodass der Herstellungsprozess zielgerichtet verbessert werden kann. Dadurch lassen sich überflüssige Iterationsschleifen vermeiden.

Ein weiteres Plus der optischen 3D-Messtechnik: Der Messvorgang ist extrem schnell. Die Digitalisierung komplexer Werkstücke ist nach wenigen Minuten – manchmal sogar schon innerhalb von Sekunden – erledigt.

Beispiele für den Einsatz der optischen 3D-Messtechnik im Automobilumfeld sind zuhauf zu finden: von der Prozessplanung für die Maschinenfähigkeitsuntersuchung über die automatisierte Qualitätskontrolle im Presswerk und Karosseriebau sowie die Prüfung von Guss-, Schmiede- und Kunststoffteilen bis hin zur Prozessoptimierung in der Endmontage. 

Oberflächenvorbehandlung in einigen Fällen notwendig

Hochglanzbauteile im Motorenbau (z. B. Zahnräder, Kurbelgehäuse, Zylinderköpfe), spiegelnde Fräsbauteile oder transluzente Bauteile aus Glas, Kunstharz oder sehr hellem Kunststoff stellen eine Herausforderung für optische Sensoren dar. Der Grund ist simpel: Eine Messung mit Licht funktioniert auf lichtdurchlässigem, reflektierendem oder spiegelndem Material nicht oder nur eingeschränkt – es sei denn, man nutzt einen Workaround: das Einsprühen des Messobjekts mit einem speziellen Scanningspray vor der Messung. Das Spray legt sich auf die Objektoberfläche und macht diese auch für optische Messsysteme messbar. Dieser Kunstgriff sorgt dafür, dass die optische Messtechnik auch bei diesen anspruchsvollen Oberflächen eine valide Alternative zur taktilen Welt darstellt – sogar in der Serienfertigung: Vielerorts haben Anwendungsbeispiele gezeigt, dass die optische Messung inklusive automatisiertem Sprühen per Roboter und anschließender Reinigung des Messobjekts immer noch schneller zu bewerkstelligen ist als die Werkstückmessung mit einem taktilen Messgerät.

Kombination beider Verfahren

Inzwischen kommen immer mehr Messsysteme auf den Markt, die beide Messprinzipien miteinander verbinden: KMGs können mit optischen Messköpfen ausgestattet werden, um die Messung zu beschleunigen und berührungsempfindliche Oberflächen messbar zu machen. Optische Messsysteme können wiederum um einen Taster erweitert werden, um „in die Tiefe zu schauen“ und zusätzlich verdeckte, optisch schwer messbare Stellen des Werkstücks zu erfassen – z. B. tiefe Bohrungen, Taschen oder Hinterschnitte. Dabei ist ein wichtiger Aspekt zu beachten: Die Systemgenauigkeit von optischen 3D-Messsystemen lässt sich nicht durch den ergänzenden Einsatz des Tasters erhöhen – es können „nur“ an komplexen Strukturen zusätzliche Objektmerkmale erfasst werden.

Optische Messtechnik von GOM

Für die optische 3D-Maßprüfung hat GOM die industriellen 3D-Scanner der Serie ATOS entwickelt: Die optischen 3D-Scanner arbeiten berührungslos und liefern schnell ein präzises digitales Abbild des Werkstücks mit hoher Bildauflösung. Hierfür kombiniert ATOS modernste Hardware mit intelligenter Software.

Optische Messsysteme Taktile Messsysteme
 
Merkmale    
Exakte Vermessung bei Toleranzen im eintausendstel Millimeterbereich
Hohe Messgeschwindigkeit
Berührungslose Messung
Verschleißfreie Messung
Geeignet für hochsensible Oberflächen
Geeignet für spiegelnde, hochglänzende und transluzente Oberflächen After preparing the measuring object
Vollflächige Messdaten
Flächenhafte Form- und Lageauswertungen wie Flächenprofil, Ebenheit, Linienprofil, Rundheit Only conditionally
Vollständige Oberflächenerfassung
Punktbasierte Messdaten
Ermittlung funktionaler Maße wie Parallelität, Winkel, Symmetrien, Abstände
Flächenvergleich mit CAD-Daten

Weiterführende Informationen zur ATOS Serie

Die ATOS 3D-Scan-Technologie steht auch als automatisierte Komplettlösung zur Verfügung: Einen einfachen Einstieg in die messtechnische Automatisierung bietet der mobile GOM ScanCobot, der einen ATOS 3D-Scanner mit einem kollaborierenden Roboter und einem motorisierten Drehtisch kombiniert. Als High-End-Lösung steht die ATOS ScanBox in elf Varianten zur Verfügung, darunter eine Inline-Lösung, die fest in den Fertigungsprozess integriert wird und eine hocheffiziente Qualitätssicherung im Fertigungstakt bietet.

GOM ScanCobot

Flexible Messstation, die sich für die effiziente Qualitätskontrolle von kleinen und mittelgroßen Bauteilen eignet

GOM ScanCobot

ATOS ScanBox

Komplette optische 3D-Messmaschine für die effiziente Qualitätskontrolle im Produktions- und Fertigungsprozess

3D-Messmaschinen