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Defekte zuverlässig erkennen

Qualitätssicherung
Defekte zuverlässig erkennen

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Eine hochpräzise Kontrolle bei der Herstellung von Kugellagerteilen ist unabdingbar, sonst verkürzt sich nicht nur ihre Lebensdauer, sondern es kommt womöglich zu einem gefährlichen und teuren Funktionsdefekt. Einen verbesserten Qualitätsstandard bietet die neue berührungslose RollerInspection-Maschine des französischen Herstellers MS3D. Es kann direkt in die Produktionslinie integriert werden und erfasst Oberflächenfehler von einer Tiefe bis zu 0,5 µm.

Die Autorin: Bettine Kuhnert, freie Journalistin, München

Da Rollenlager einen höheren Druck tragen können als Kugellager, werden sie in vielen Werkzeugmaschinen, in Automobillagern und in Flugzeugen eingesetzt. Schon kleinste Kratzer in der Oberfläche einer Rolle können jedoch Vibrationen und Stöße verursachen, die früher oder später zu Beeinträchtigungen der Funktionsweise führen. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem Ausfall der entsprechenden Maschine, was mit hohen Kosten und großen Gefahren verbunden sein kann.
Die Bildverarbeitungsmaschinen, mit denen herkömmlicherweise gearbeitet wird, um Fehler auf der Oberfläche der Wälzkörper zu entdecken, sind allerdings nicht in der Lage zu unterscheiden, ob es sich um einen echten Defekt in der Tiefe handelt, um Staub, einen Wasserfleck oder einen Fingerabdruck. Dementsprechend muss jedes Teil vom Personal nachkontrolliert werden. Da die Fehler derart winzig sind, werden optische Verfahren zur Vergrößerung benötigt, etwa eine Art Lupe mit Beleuchtung. Doch dieses Verfahren ist für den Prüfer körperlich anstrengend und das Ergebnis weist nicht die erforderliche Zuverlässigkeit und Genauigkeit auf.
Unterscheiden zwischen echten und falschen Defekten
Da eine automatische Lösung diese Anforderungen nicht nur besser erfüllt, sondern damit auf lange Sicht erhebliche Einsparungen ermöglicht, wurde von einem großen Automobilzulieferer bei Mesure-Systems-3D (MS3D) eine spezielle RollerInspection-Maschine in Auftrag gegeben. Diese lässt nicht nur „falsche“ Defekte unberücksichtigt, sondern kann auch die genaue Tiefe der echten Defekte angeben. Der einzuhaltende Grenzwert lag im Fall der ausgelieferten Maschine bei einer maximalen Tiefe des Fehlers von 0,8 µm. Dafür wurden, basierend auf der standardisierten RingInspection-Maschine von MS3D – über die darin verbauten Laser-Sensoren hinaus – zusätzliche Weißlicht-Sensoren installiert, um die erforderliche Genauigkeit gewährleisten zu können.
Für die eigentliche Messung müssen die Teile nicht genau positioniert werden, vielmehr ruhen sie nur aufgrund ihres Eigengewichts auf einer Art Stativ, das um 360° gedreht wird. Jeder Sensor generiert dabei 10 000 bis 70 000 Datenpunkte pro Sekunde. Dementsprechend ergibt sich in wenigen Sekunden eine Punktewolke aus Millionen Datenpunkten, die mit der Drehung synchronisiert werden. Während ein Roboter das Teil zurück zur Palette bringt, führt eine spezielle Software die Informationen in einem 3D-Modell zusammen und sortiert unbrauchbare Messwerte aus. Auf dieser Grundlage werden die erforderlichen Features errechnet und auf Abweichungen von den Referenzvorgaben hin untersucht.
Bestimmung von Formdefekten mit einer Genauigkeit von 0,1 bis 0,3 µm
Statt der für die RingInspection-Maschine üblichen ein- bis anderthalbfachen Drehung wird das Teil so oft gedreht wie nötig, um genügend Daten für die Erkennung von Fehlern mit bis zu 0,5 beziehungsweise in diesem Fall bis zu 0,8 µm Tiefe zu sammeln, was an der Oberfläche nur einigen hundertstel Mikrometern entspricht. Die Ungenauigkeit der reproduzierbaren Ergebnisse liegt bei etwa 0,1 µm. Je nach Anforderung werden dafür 20 bis 40 Sekunden benötigt – was deutlich schneller ist als eine Prüfung mit Bildverarbeitungsmaschinen. Außerdem können diese nicht die genaue Tiefe feststellen. Die neue RollerInspection-Maschine von MS3D bietet dagegen die Möglichkeit, eine sehr niedrige Schwelle anzusetzen, die mit bloßem Auge unmöglich zu bestimmen ist, und Teile, die diesem Kriterium nicht genügen, automatisiert zu erkennen.
Hinzu kommt die Option, mit der RollerInspection- Maschine die komplette Oberfläche dreidimensional zu vermessen, so dass sich zusätzlich Formdefekte wie Zylindrizität und Zirkularität sowie mit einem zusätzlichen Sensor auch die Länge bestimmen lassen. Dort, wo es relevant ist, kann eine Genauigkeit von 0,1 bis 0,3 µm erreicht werden. Sofern die längere Taktzeit kein Problem für die Fertigung darstellt, macht es möglicherweise Sinn, die Oberflächendefekte mit einer RollerInspection-Maschine zu untersuchen und mit einem zweiten Modell der gleichen Bauart Durchmesser und Höhe.
In der Flugzeugindustrie etwa sind die Qualitätsanforderungen so hoch, dass eine entsprechende Verzögerung in Anbetracht des Zugewinns an Sicherheit unproblematisch ist. In der Automobilproduktion sinkt allein durch die automatisierte Kontrolle auf Oberflächenfehler die Zahl der Fälle, in denen verkratzte Teile verbaut werden. Das erlaubt es Lieferanten, bei der Produktion Kosten zu senken, den Ausschuss von vornherein zu reduzieren und den Abnehmern eine Null-Fehler-Garantie zu geben. I
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