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Die Messtechnik nimmt in der Industrie und Technik eine wichtige Rolle ein. Entscheidend ist das gewählte Messverfahren, das zum Einsatz kommt. Mithilfe der Messtechnik werden Auskünfte über die Ist-Zustände bestimmter physikalischer Größen gegeben.
Wie funktioniert die Messtechnik im Detail? Die Messtechnik umfasst die Ermittlung bestimmter physikalischer Größen mittels verschiedenster Geräte. Während des Messverfahrens kommen dabei auch Methoden aus der Mathematik, wie Kombinatorik, Stochastik und Fehlerrechnung zum Einsatz. Das Messen selbst kann als experimenteller Vorgang angesehen werden, der den konkreten Wert einer physikalischen Größe als Vielfaches einer Einheit erfasst.
Messtechnik ist ein sehr weitläufiger Begriff. Wir bei Q-Tech beschäftigen uns ausschließlich mit Längenmesstechnik und dimensioneller Messtechnik. Sie wollen mehr zu den einzelnen Daten unserer Maschinen wissen? Dann werfen Sie einen Blick auf unsere Software und unser Equipment.
Grundlagen der Messtechnik
Zunächst sollten Sie wissen, dass alle physikalischen oder chemischen Effekte bzw. Gesetzmäßigkeiten, die bei der Messung vorliegen, als Messprinzip bezeichnet werden.
Die genaue Anwendung von Messgeräten, oder allgemein gesagt technischen Lösungen, bezeichnet man als Messverfahren.
Messmethoden hingegen sind allgemeine Regeln, die der Art und Weise der Ermittlung eines bestimmten Messwerts dienen.
Grundsätzlich unterscheiden die Experten zwischen direkter Messtechnik und indirekter Messtechnik.
Direkte Messung
Bei der direkten Messung vergleichen Sie die Messgröße unmittelbar mit einem Maßstab.
Hierfür können Sie zum Beispiel bekannte Werkzeuge wie ein Maßband, Lineal oder einen Messschieber nutzen. In der hochmodernen Industrie haben diese Werkzeuge zwar etwas an Bedeutung verloren, allerdings sind sie im Alltag immer noch präsent und werden häufig genutzt.
Insbesondere der Messschieber hat heutzutage in der Industrie immer noch einen hohen Stellenwert und fehlt in keiner Werkstatt. Mit diesem kostengünstigen Messmittel führen Sie innerhalb kürzester Zeit direkte Längenmessungen an unterschiedlichen Bauteilen durch.
Indirekte Messung
Die indirekte Messung kommt zum Einsatz, wenn Größen nicht auf direktem Weg messbar sind.
Dabei geht man folgendermaßen vor: Sie nehmen eine andere Größe und bestimmen daraus die gesuchte Messgröße – vorausgesetzt, es besteht ein direkter und eindeutiger Zusammenhang.
Beispielsweise wäre der Abstand zwischen Erde und Mond durch einen direkten Vergleich mit einem Maßstab niemals ermittelbar. Allerdings gibt es bereits seit 30 Jahren die Möglichkeit, mittels Licht- oder Radiowellen den Abstand genau zu bestimmen – und das sogar auf Millimeter genau.
Indirekte Messungen bilden die Mehrzahl der im Alltag eingesetzten Messverfahren.
Simultanmessung
Die Simultanmessung können Sie als Erweiterung der indirekten Messmethoden verstehen. Während des Verfahrens kommt es durch eine gleichzeitige Messung von verschiedenen Punkten zu einer Elimination von Zeitfehlern. Darüber hinaus werden Messabweichungen minimiert und die Quellen systematischer Messfehler aufgedeckt.
Messtechnik und der Einfluss auf die Qualität
Die Messtechnik hat immer schon dazu beigetragen, unbekannte Zusammenhänge im wissenschaftlichen Bereich aufzudecken oder Gesetzmäßigkeiten theoretischer Natur durch ein empirisches Experiment zu bestätigen.
Die Fortschritte in der Messtechnik haben deutlich dazu beigetragen, die Qualität von Erzeugnissen und Produktionsprozessen anzuheben.
Aufgrund der progressiven Qualitätsentwicklung steigen die Anforderungen an die Messtechnik.
Hier einige Beispiele:
- Der Anstieg der Komplexität technischer Systeme
- Die Toleranzen für bestimmte Eigenschaften werden verringert
- Die Geschwindigkeit technischer Prozesse nimmt zu
- Der Automatisierungsgrad industrieller Prozesse nimmt zu
- Die Herstellung von Bauteilen und Baugruppen wird nach und nach spezialisiert
- Die technische Nutzung wissenschaftlicher Erkenntnisse erlangt mehr Bedeutung
- Die Anforderungen an Funktionseigenschaften von Erzeugnissen steigen
- Die Anforderung an Produktionsprozesse steigt.
Messtechnik und der Produktionsprozess
Die Messung der Produktqualität findet in der Fertigung meistens in diesen drei Phasen statt:
- Eingangskontrolle
- Zwischenkontrolle
- Ausgangskontrolle
Diese Punkte können Sie als eine Art Schema verstehen. Dadurch wird garantiert, dass zu jedem Zeitpunkt der Produktion die Qualität der Produkte sichergestellt ist und mögliche Fehler zu jedem Zeitpunkt im Prozess rechtzeitig erkannt werden.
Dimensionelle Messtechnik
Bei Q-Tech haben wir uns auf die dimensionelle Messtechnik spezialisiert. Das bedeutet, dass wir alles messen, was mit der Größe bzw. den Abmaßen von Bauteilen zu tun hat.
Die entsprechende physikalische Größe ist die Länge.
Selbst Oberflächencharakteristiken und Rauheiten sind im Grunde nichts anderes als Längenmaße bzw. Tiefenabstände.
Der passende Unterbegriff in der Messtechnik ist hier die Längenmesstechnik.
Die gemessenen Ist-Werte erlauben eine vollständige und dreidimensionale Beurteilung. Im besten Fall ist das Bauteil so gefertigt worden, wie es ursprünglich konstruiert wurde. Das ermöglicht später eine reibungslose Verwendung (z.B. Montage des Bauteils).
In unserem Unternehmen kommen unterschiedliche Technologien zum Einsatz:
- Computertomographie
- Taktile Messtechnik (Portalmessmaschinen, Konturographen, Rauheitsmessgeräte etc.)
- Optische 2D-Messtechnik (z.B. Videomessmikroskope)
- Optische 3D-Messtechnik (z.B. 3D-Scanner)
Computertomographie
Bei der Computertomographie werden homogene Bauteile, wie z. B. Kunststoffbauteile oder Leichtmetalle, aber auch inhomogene Bauteile (Faserverbundwerkstoffe) untersucht und dreidimensional erfasst.
Die Computertomographie in der Messtechnik ist nicht zu verwechseln mit dem gleichnamigen Prozess aus der Medizin. Während in der Medizin die Untersuchung des menschlichen Körpers im Vordergrund steht, geht es in der Messtechnik ausschließlich um die Untersuchung eines Bauteils.
Bereits vor der Herstellung beginnt man mit der eigentlichen messtechnischen Arbeit und der Vorbereitung der Vermessung der Prüflinge. Als Basis dienen die verwendeten CAD-Daten. Diese werden genutzt, um einen Prüfplan bzw. ein Messprogramm zu erstellen.
In dem Prüfplan sind die einzelnen Bezugs- und Messpunkte des Bauteils genau bestimmt. Nach der Fertigung des ersten seriennahen Bauteils erfolgt ein Scan in der ICT-Anlage. Nach dem Scannen wird das Bauteil in 3D-Volumendaten dargestellt und in die Auswertungssoftware eingelesen.
Nun erfolgt der Abgleich der 3D-Punktewolke mit den CAD-Konstruktionsdaten.
Abweichungen werden mit der Messsoftware in einem Protokoll ausgegeben. Für eine bessere Visualisierung erfolgt auch die Darstellung in Farben, die den Grad der Abweichung verdeutlichen. Diese farblichen 3D-Darstellungen bezeichnet man als Soll-Ist-Vergleiche.
Mithilfe eines CT-Scanners sehen Sie die komplette Innen- und Außengeometrie des Werkstücks. Bereits kleinste Abweichungen und Bauteilfehler können mit dem CT-Scanner lokalisiert werden.
Selbst weiche Materialien, wie Elastomere, lassen sich messtechnisch mit dieser Methode genau untersuchen und prüfen.
Mehr zu CT hier
Industrielle Computertomographie in der Fertigung
Zweidimensionale CT
Bei der zweidimensionalen Methode wird eine einzelne Schicht des Objekts untersucht und rekonstruiert. Das geschieht mit einer Durchstrahlungsprüfung und einer Detektion mit einem Zeilendetektor.
Die Röntgenquelle sendet währenddessen einen Fächerstrahl. Anschließend erfolgt der numerische Schichtaufbau des Objekts mittels der aufgenommenen Röntgenprojektionen.
Vorteile:
- Detaillierte Auflösung
- Geringe Störungen durch Streustrahlung
- Zerstörungsfreie Prüfung des Bauteils
Bei der zweidimensionalen CT wird in der Industrie das zu messende Objekt nicht gedreht. Die Anlagen sind in der Lage, Bauteile in einem einzigen Strahlengang zu messen. Die zweidimensionale CT wird insbesondere bei der Überprüfung von Schadstellen im Inneren der Bauteile und zur Erfassung von zweidimensionalen Maßangaben genutzt.
Dreidimensionale CT
Bei der dreidimensionalen CT kommt es zu einer Drehung des zu vermessenden Bauteils. Das ermöglicht eine Erstellung von komplexen 3D-Modellen. In dem Verlauf des Messvorgangs entstehen Datenmodelle, die aus verschiedenen Punkten bestehen. Diese 3D-Modelle dienen als wichtiges Fundament für die Durchführung einer genauen Qualitätsprüfung.
Vorteile:
- Prüfung komplexer Geometrien
- Vollständiges Sammeln von komplexen Volumendaten
- Zerstörungsfreie Prüfung des Bauteils
Nachteile:
- Es werden Computer mit hoher Rechenleistung und viel Speicherplatz benötigt
- Dreidimensionale Messanlagen sind teurer als zweidimensionale Varianten
Die dreidimensionale CT wird häufig als Methode für das Reverse Engineering eingesetzt. Hinzu kommen umfassende Schadensanalysen und Geometrievermessungen für komplexe Bauteile.
Taktile Messtechnik
Im Maschinenbau nimmt die taktile Messung einen wichtigen Platz ein. Sie kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn optische Verfahren an ihre Grenzen stoßen.
Exakte Toleranzbestimmungen im Mikrometerbereich und großflächige Erfassungen von Werkstückoberflächen sind möglich.
Mittels einer Antastung durch mechanische Tastelemente werden die Punktkoordinaten bestimmt. Diese Taster bestehen aus Hartmetall, Industrierubin oder Siliziumnitrid.
Selbst große und schwere Werkstücke können im Maschinenbau mit dieser Methode vermessen werden.
Im Anschluss erhält der Prüfer die gewünschten Informationen und Ergebnisse. Mögliche Prüfelemente und Charakteristiken sind beispielsweise:
- Geometrie
- Ebenheit
- Geradheit
- Rundheit
Diese Daten sind für den Messtechniker von entscheidender Bedeutung. Er kann so Abstände, Winkel, Formabweichungen, Maße und Lagebeziehungen genau prüfen und eine aussagekräftige Qualitätsbestimmung abgeben.
Für das Verfahren werden hauptsächlich Portalmessmaschinen, aber auch Rauheitsmessgeräte und Konturographen zählen zur taktilen Messtechnik.
Einsatzbereiche der taktilen Messtechnik
Die taktile Messtechnik kommt vor allem im Maschinenbau vor, wo die Toleranzen sehr klein sind.
Daher hat sich dieses Verfahren insbesondere in folgenden Industriebereichen bewährt:
- Formenbau
- Luft- und Raumfahrt
- Automobilindustrie
- Gießereien
- Werkzeugbau
- Eisenbahnindustrie
- Medizintechnik
- Schwerindustrie
- Kunststofftechnik
- Maschinenwerkstätten
Im Vorfeld gibt es einige Dinge zu beachten: Trotz der geringen Kraft, den der Messfühler auf die Werkstoffoberfläche ausübt, kommt es manchmal bei weichen Materialien zu minimalen Verformungen.
Insbesondere für dünne oder flexible Bauteile sollten dementsprechend alternative Messverfahren genutzt werden.
Optische Messtechnik
Im Gegensatz zur taktilen Messung vermessen optische Messsysteme Objekte mithilfe von optischen Sensoren. Das können Laserscanner, Projektionssysteme oder Photogrammetriesysteme sein.
Der große Vorteil ist, dass bei sensiblen Objekten Oberflächenbeschädigungen des Messobjekts sicher vermieden werden. Verschleißerscheinungen treten hier ebenfalls nicht auf.
Transparente, aber auch glänzende Bauteile stellen besonders hohe Anforderungen an die optischen Sensoren. Der Grund ist relativ einfach: Eine Messung mit Licht auf reflektierendem oder sogar lichtdurchlässigen Material gestaltet sich als schwierig oder ist bis auf Weiteres nicht möglich.
Hier kommt dann oftmals ein Scanningspray vor der Messung zum Einsatz. Dadurch haben die Sensoren es leichter, die Konturen zu erfassen.
Mehr zur optischen Messtechnik
Optische Messtechnik - Funktionsweise in der Industrie
Fazit: Die Messtechnik ist unabdingbar für die Aufrechterhaltung der Qualität.
Es steht fest, dass die Messtechnik einen entscheidenden Faktor zur Prüfung und Aufrechterhaltung der Qualität beisteuert.
Da in Zukunft, die technischen Bauteile immer anspruchsvoller werden, muss auch die Messtechnik immer härteren Anforderungen genügen.
Mittlerweile ist es auch möglich einzelne Messtechniken wie Taktile Messungen mit optischen Methoden zu kombinieren, um die Vor- und Nachteile der jeweiligen Techniken auszugleichen.
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