Quality Engineering 04.18

Der Holocut-Sensor, eine spezielle, sehr
kompakte Ausführung eines Holographie-Sensors,
kann direkt in Werkzeugmaschinen
integriert werden (blaues
Gehäuse, hier in einer 5-Achs-CNC-
Fräsmaschine). So lässt sich das Bearbeitungsergebnis
schrittweise während
der Bearbeitung überwachen – ohne
das Werkstück ausbauen zu müssen
durch zwei Parameter begrenzt: zum einen durch die
Größe (nicht durch die Pixelzahl) des zur Aufzeichnung
verwendeten Kamerachips und zum anderen durch den
Abstand zum Objekt.
Da Kamerachips aus technischen und wirtschaftlichen
Gründen nicht beliebig groß hergestellt und Prüflinge
in der Praxis nicht beliebig dicht am Chip positioniert
werden können, ist die laterale Auflösung der linsenlosen
Anordnung in der Praxis auf einige Mikrometer
begrenzt. Diese Grenze kann durch eine zusätzliche
Optik, die die Objektwelle vor der holographischen Aufzeichnung
vergrößert, bis in den mikroskopischen Bereich
verschoben werden. Im sichtbaren Spektralbereich
liegt die laterale Auflösungsgrenze dann beugungsbegrenzt
bei rund einem halben Mikrometer.
Eine Besonderheit der digitalen Mehrwellenlängenholographie
ist die Möglichkeit des „nachträglichen
Scharfstellens“. Nach der Auswertung der Messdaten
liegt im Rechner ein vollständiges Modell der Lichtwellen
vor, die vom Objekt auf den Sensor gelangt sind.
Wurde das Objekt oder Teile davon unscharf abgebildet,
so besteht die Möglichkeit, die Daten mithilfe numerischer
Methoden so weiterzuverarbeiten, dass nachträglich
ein scharfes Bild und die 3D-Daten der Objektoberfläche
berechnet werden können. Dazu sind weder mechanische
Bewegung noch eine zusätzliche Datenerfassung
erforderlich.
Datenaufnahme bei Oberflächen
von Dichtflächen dauert nur 60 ms
Metallische Produkte lassen sich mit digitaler Mehrwellenlängenholographie
sehr gut vermessen. Beispielhaft
seien hier die Oberflächen von Dichtflächen genannt.
Die Zeit für die Datenaufnahme für die gesamte Messung
beträgt 60 ms. Die anschließende Rechnung, die
aus den Rohdaten dann die 3D-Daten erzeugt, dauert
abhängig vom eindeutigen Messbereich zwischen 90
und 150 ms. Erreicht wird die schnelle Datenauswertung
durch hochgradig parallele Datenverarbeitung auf
modernen Grafikkarten. Auch feinste Details der Dichtoberfläche
werden so in kürzester Zeit exakt aufgelöst.
Ein weiteres typisches Einsatzgebiet ist die Inspektion
von Aludruckgussteilen in Bezug auf Mikrodefekte
und Grate. Selbst einzelne Mikrodefekte, die in der Regel
nur wenige Mikrometer betragen, können wichtige Eigenschaften
wie zum Beispiel den thermischen Kontakt
eines Aludruckgussgehäuses so verschlechtern, dass die
Qualität des Bauteils nicht akzeptabel ist. Eine Inline-
Überprüfung der Aludruckgussteile mit der digitalen
Mehrwellenlängenholographie garantiert hier die gewünschten
Bauteileigenschaften.
In einer speziellen und besonders kompakten Ausführung
lässt sich der Holocut-Sensor direkt in Werkzeugmaschinen
implementieren. So werden Werkstücke
schon bei der Bearbeitung geprüft, und zwar ohne,
dass diese zur Prüfung aus der Werkzeugmaschine ausgebaut
werden müssten. Das spart Zeit und optimiert
den Produktionsablauf.
Ein letztes, aber nicht minder wichtiges Beispiel, ist
die digital-holographische Verzahnungsmessung. Gerade
an dieser Aufgabe scheiterten bislang alle schnellen
optischen Methoden: Steile Flanken, wenig reflektiertes
Licht, tiefe Strukturen und Mehrfachreflexionen machten
die Messung unmöglich. Auch bei dieser Anwendung
konnte Fraunhofer IPM zeigen, dass ein digital-holographischer
Sensor hier die Lösung ist: Der Hologear
genannte Sensor erfüllt in puncto Messgenauigkeit und
Messzeit sehr hohe Anforderungen und kann die absolute
Geometrie von Zahnrädern direkt in der Fertigung
messen: Dabei wird die komplette Zahnflanke (inklusive
Kopf- und Fußkreis) mit einer einzigen Bildaufnahme erfasst
– ohne zu scannen.
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Das Institut
Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM ent -
wickelt maßgeschneiderte Messtechniken und Systeme für die Industrie.
Langjährige Erfahrungen mit optischen Technologien bilden
die Basis für Hightech-Lösungen in der Produktionskontrolle, der
Objekt- und Formerfassung, der Gas- und Prozesstechnologie sowie
im Bereich Thermische Energiewandler. Am Institut arbeiten rund
200 Mitarbeiter.
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