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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 die 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.

Taktil oder optisch messen?

Viele Bauteile erfordern heute ein Höchstmaß an Präzision. Für ein Getriebezahnrad aus dem Automobilbau wird im Normalfall eine Genauigkeit von 1 µ oder besser gefordert. Im Automobilbau sind Zahnräder, Kurbelwellen und Zylinderkurbelgehäuse oft „klassische Kandidaten“ für taktile Messungen, denn die taktile Messtechnik bietet sehr hohe Absolutgenauigkeit. Aber auch optische Messsysteme der neusten Generation überzeugen durch hohe Genauigkeiten. Sie liefern zudem vollflächige Daten bei kurzen Messzeiten. Besonders bei Bauteilen mit Freiformflächen oder bei Komponenten, die im weiteren Prozess passgenau verbaut werden, bietet die vollständige Digitalisierung des Bauteils entscheidende Vorteile: Die generierten Daten können für den digitalen Zusammenbau oder zur Ermittlung von Form- und Lagetoleranzen direkt weiterverwendet werden. Wer ein neues Messsystem anschaffen möchte und zwischen taktil und optisch schwankt, sollte darum im ersten Schritt die Anforderungen des zu messenden Bauteils an Genauigkeiten, Performance und Ergebnisdarstellung prüfen.

Taktile Messung: langwierig und nicht flächenhaft

Gegen die taktile Messtechnik spricht der hohe Zeiteinsatz, wenn eine hohe Datendichte gewünscht ist: Das Abtasten hunderter Messpunkte 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 Messgeräte: Sie sind nicht nur schneller, sondern erzeugen ein digitales Abbild des gesamten Messobjekts und liefern somit auch detailliertere Qualitätsinformationen als taktile Messgeräte.

Optische Messtechnik: vollflächige Erfassung der Objektoberfläche ohne Berührung

Optische Messsysteme (z. B. Laserscanner, Photogrammetrie- oder Streifenprojektionssysteme) vermessen Objekte mit Hilfe 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-Messgerät ist denkbar einfach: Das Messobjekt wird vor dem Sensor platziert – entweder manuell oder automatisiert. 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.

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 zahlreich: 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.

Bauteile durch Oberflächenvorbehandlung messbar machen

Transparente oder transluzente Bauteile aus Glas, Kunstharz oder sehr hellem Kunststoff stellen hohe Anforderungen an optische Sensoren. Der Grund ist simpel: Eine Messung mit Licht auf lichtdurchlässigem, reflektierendem oder spiegelndem Material ist nicht ohne Weiteres möglich. Das Einsprühen des Messobjekts mit einem speziellen Scanningspray vor der Messung oder das Anrauhen der Oberfläche (z. B. durch Strahlen oder Gleitschleifen) bringt den gewünschten Effekt. Diese Vorbereitung lässt sich auch gut in einen automatisierten Prozess integrieren, sodass die optische Messung einschließlich Oberflächenvorbereitung 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 damit an komplexen Strukturen jedoch 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
 
Eigenschaften des Messprinzips    
Geeignet für transparente und transluzente Oberflächen After preparing the measuring object
Exakte Vermessung bei Toleranzen im eintausendstel Millimeter-Bereich
Hohe Messgeschwindigkeit
Berührungslose Messung
Verschleißfreie Messung
Geeignet für hochsensible Oberflächen
Measurement data and evaluations    
Punktuelle Messdaten
Ermittlung funktionaler Maße wie Parallelität, Winkel, Symmetrien, Abstände
Vollflächige Messdaten
Flächenhafte Form- und Lageauswertungen wie Flächenprofil, Ebenheit, Linienprofil, Rundheit Only conditionally
Vollständige Oberflächenerfassung
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 Highendlösung 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