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Anwendungsbeispiel: Qualitätskontrolle an Spritzgussteilen

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Messsysteme: ATOSKeywords: Optische 3D-Messtechnik, Abmusterung, Erstmusterprüfung, Form- und Maßkontrolle von Kunststoffteilen, Produktionskontrolle, Verzug- & Schwundanalyse, Wandstärkeninspektion, Form- und Lagetoleranzen (GD&T)

Der flächenhaft messende ATOS 3D-Digitalisierer wird weltweit in der Spritzgießerei-und kunststoffverarbeitenden Industrie für die Form- und Maßkontrolle an Spritzgussteilen eingesetzt. Die Auswertung über einen 3D-Abweichungsfarbplot ermöglicht eine wesentlich schnellere und effizientere Analyse der Teile, als mit herkömmlichen Messmethoden. Besonders übersichtlich können Verzug und Schwindung des Spritzgussteiles bei der Abmusterung und bei der Produktionskontrolle sichtbar gemacht werden. Dadurch kann besonders auch bei der Qualitätskontrolle den immer kürzeren Produktzykluszeiten Rechnung getragen werden.


QualitätskontrolleHeute werden Formen für die Herstellung von Spritzgussteilen oft nach modifi-zierten CAD-Daten gefertigt. Die voraussehbaren Formänderungen, bedingt durch die Materialeigenschaften von Kunststoff in der Produktion, wie z.B. die Schwindung beim Abkühlen der heiß gespritzten Teile, werden kompensiert. Zudem werden Auszugsschrägen korrigiert, Materialanhäufungen eliminiert und zusätzliche Rippen eingebaut, um ein Verbiegen und Verwinden des Bauteils zu reduzieren. So können Formen für einfache und unkritische Teile berechnet und gefertigt werden, die auf Anhieb akzeptable Teile produzieren.Einfache Teile sind heute aber nicht mehr die Regel, da die Komplexität der Teile ständig zunimmt, um Montagezeiten zu reduzieren. Die Miniaturisierung und die gehobenen Ansprüche an das Aussehen, das Tastempfinden und die Passgenauigkeit verlangen außerdem kleine Fertigungstoleranzen. Standard-produkte werden zunehmend durch modische Produkte ersetzt, die sehr schnell auf dem Markt sein müssen. Darum sind eine effiziente Erstbemusterung und Produktionskontrolle bei Spritzgussprodukten heute unerlässlich.Die Qualitätskontrollstelle muss, basierend auf den Vorserienmustern, eine Erstbemusterung durchführen und auch während der Produktion die Qualität der Produkte sicherstellen. Für die Erstbemusterung sollen die Teile möglichst schnell und umfassend geprüft werden, so dass die Produktionsfreigabe sicher und zeitgerecht erfolgen kann und ein umfassender Datensatz bereitsteht, an dem zukünftige Produktänderungen validiert werden können. Für die Gewährleistung der Produktqualität müssen der Verschleiß des Werk-zeuges und mögliche Änderungen im Fertigungsprozess möglichst früh erfasst und visualisiert werden und dies bei möglichst geringem Prüfaufwand.

Für die herkömmliche Formprüfung auf der taktilen Messmaschine muss das zu messende Objekt in einer individuellen Aufspannung auf dem Messtisch ausge-richtet werden. Meist wird es dann nur mit wenigen hundert Messpunkten erfasst, so dass große Flächen des Bauteiles völlig „blind“, also ungeprüft bleiben. Auf Grund dieser wenigen gesammelten Messdaten muss dann über die Produktqualität und über die Produktionsfreigabe entschieden werden.Entspricht ein Spritzgussteil nicht den Erwartungen, muss die Qualitätskontroll-stelle die Ursache des Problems finden. Oft müssen dazu aus Messdaten von mehreren Einzelteilen Rückschlüsse auf die Form und die Funktion der Teile im zusammengebauten Zustand abgeleitet werden. Daher kann es mehrere Tage dauern, bis exakte Korrekturanweisungen an den Formenbauer abgegeben werden können.

Abb. 1: Digitalisierung mit dem ATOS SO-System

Abb. 2: Schattierte Punktewolke der ATOS-Messdaten einer Blackberry-Abdeckung und vergrößertes Detail mit krümmungs- und genauigkeitsabhängig optimierten STL-Daten


Um die Erstbemusterung zu beschleunigen und den Aufwand für die Sicherstellung der Produktqualität zu minimieren, setzen innovative Firmen heute optische Digitalisiersysteme ein. Mit diesen Systemen lassen sich eigenstabile Teile komplett vollflächig, sehr effizient und mit hoher Auflösung (mehrere Millionen Messpunkte) flächenhaft vermessen, ohne dass individuelle Aufspannvorrichtung hergestellt und verwaltet werden müssen (Abb. 1, 2). Die Teile lassen sich sowohl im ausgebauten als auch im eingebauten Zustand und unter Last digitalisieren, so dass auch Verschiebungen und Verformungen durch Einbau und Betrieb messbar werden.

Schwund- und VerzuganalyseVerzug und Schwindung eines Spritzgussteiles können durch den vollflächigen Vergleich gegen CAD-Daten (oder Daten eines Musterteiles) in der ATOS-Inspektionssoftware anschließend als Falschfarbenabweichung dargestellt werden und sind somit sofort zu lokalisieren und leicht verständlich (Abb. 3). Durch die vollflächige ATOS 3D-Vermessung werden auch Problemstellen sichtbar, die bei einer punktuellen, taktilen Messung leicht übersehen werden können

Lokaler und globaler Verzug und Formabweichung kann in der ATOS-Inspektionssoftware durch verschiedene Ausrichtestrategien zum CAD wie 3-2-1, RPS, Best-Fit, etc. visualisiert werden. Hierbei spielt die flächige Datenbasis des optischen 3D-Digitalisierers ATOS eine entscheidende Rolle, da nur durch dieflächige Datenbasis ausreichend Messpunkte für verschiedene Punkt-Selektionen zur lokalen oder globalen Ausrichtung zur Verfügung stehen. (Abb. 4).

Abb. 3: Abweichungen der digitalisierten Daten des Musterteils von den CAD-Daten (Soll-Daten). Die ATOS-Inspektionssoftware macht Verzug und Durchbiegung des Gehäusedeckels sofort sichtbar.

Abb. 4: Eine Ebenheitsprüfung in der Software zeigt, dass die Fläche am Kopf des Bohrmaschinengehäuses stark verzogen ist.


ErstmusterprüfungFür die 2D-Analyse zur klassischen Erstmusterprüfung und Kontrolle von Funkti-onsmaßen bietet die ATOS-Inspektionssoftware ein ausgefeiltes skalares CMM-Inspektionstool (Abb. 5), sowie die Analyse von Form- und Lagetoleranzen (Geometric Dimensioning and Tolerancing, kurz GD&T) (Abb. 6). Die Grundsätze der Form- und Lagetoleranzen wie Symbole, Regeln und Definitionen sind nach EN ISO 1101 und ASME Y14.5 international festgelegt, so dass die Prüfung eines mit GD&T bemaßten Bauteils global und unabhängig von der jeweiligen Landessprache erfolgen kann. Geometric Dimensioning and Tolerancing ermög-licht die durchgängige QS eines Bauteils vom Design bis zur Produktion, da es die Funktion eines Teils oder einer Baugruppe hinsichtlich Maße, Form und Position exakt beschreibt. Das GD&T – Modul ermöglicht beispielsweise die Kontrolle von Ebenheiten, Zylindrizität, Parallelität, Positionen, etc. in spezieller Abhängigkeit des jeweiligen geometrischen Bezugs.

Abb. 5: 2D-Analyse mit dem ATOS CMM-Inspektionstool

Abb. 6: Bauteilanalyse mit ATOS Form- und Lagetoleranzen (GD&T)

Die vollflächige Bauteilerfassung durch die optische 3D-Messtechnik erlaubt mit der ATOS-Inspektionssoftware durch die Funktion der Wandstärkenbestimmung die Kontrolle des Spritzgussteiles hinsichtlich Einfallstellen und Materialanhäu-fungen (Abb. 7). Inspektionsschnitte ermöglichen eine zusätzliche Detailanalyse (Abb. 8).

Abb. 7: Wandstärkenvermessung in der ATOS-Inspektionssoftware

Abb. 8: 2D-Detailanalyse mit Inspektionsschnitten

Da sich die digitalisierten Daten einfach speichern und wieder abrufen lassen, ist es nun jederzeit möglich, an beliebigen Positionen einzelne Messwerte abzugreifen oder Schnitte zu generieren und zu analysieren. Die Erstbemuste-rung und die periodischen Messungen zur Gewährleistung der Produktqualität ergeben so einen Datensatz für eine durchgängige Kontrolle über den ganzen


Lebenszyklus des Produktes. Abnutzung und Änderungen im Produktionspro-zess können dadurch sofort entdeckt und verifiziert werden. Wenn die Abweichungen in ihrem Kontext auf die Funktionalität und die Qualität des Teils verstanden worden sind, können mit der ATOS Software aus den digitalisierten Daten genaue Korrekturwerte herausgezogen und an den Formenbauer abgeben werden.

ATOS StereokamerasystemDigitalisiersysteme, die in der Qualitätskontrolle eingesetzt werden, müssen exakte und zuverlässige Daten liefern. Systeme mit zwei Kameras, die in einer Stereoanordnung Bilder aufnehmen, erfüllen diese Anforderungen perfekt. Das selbstüberwachende ATOS-System kann so Bewegungen des Objektes während der Messaufnahme sicher erkennen und kontrolliert auch die Gültig-keit der Kalibrierung.Das Stereokamerasystem ermöglicht auch die automatische Überführung von Einzelmessungen in ein gemeinsames Objektkoordinatensystem mit Hilfe einfach aufzubringender Referenzpunkte. Dadurch entfällt eine ständige Unterbrechung und manuelle Interaktion des Benutzers für das Ausrichten der Einzelansichten nach jeder neuen Messung.

Durch den Austausch voreingestellter Objektivsätze kann das ATOS-System schnell an andere Messaufgaben und Messfelder mit anderen Auflösungen angepasst werden. So können durch schnelles Umrüsten des Systems große Teile schnell mit einem größeren Messfeld digitalisiert oder kleine Details mit hoher Auflösung erfasst werden. Auf diese Weise kann das gesamte Teilespektrum von kleinen bis großen Bauteilen mit einem System vermessen werden (Abb. 9, 10).

Abb. 9: Abweichung kleiner Spritzguss- teile zu ihren entsprechenden Soll-Daten (CAD-Daten), ATOS Messvolumen 30 x 20 mm

Abb. 10: Verzugsanalyse einer Instrumententafel und einer Tür- innenverkleidung, ATOS-Messvolumen 500 x 400 mm


Darüber hinaus verbindet der GOM Taster die Möglichkeit der Messung optisch schwer zugänglicher Bereiche mit der Messung von komplexen Bauteilen mit Freiformflächen (Abb. 11). Der ATOS-Sensor dient dabei als optisches Tracking-System für den freihändig geführten Taster zum schnellen Messen von Regelge-eometrien, punktuellen Messungen gegen CAD, etc. (Abb. 12)

Abb. 11: GOM-Taster Abb. 12: Getasteter Zylinder

Bei der Abmusterung kann, gerade auch bei Mehrkavitätenwerkzeugen, schnell eine erhebliche Anzahl von zu prüfenden Musterteilen zusammenkommen. Um Zeit und Ressourcen zu sparen, bietet sich hier die Automatisierung sowohl des Messvorganges als auch der Datenauswertung an. Die Messdatenerfassung lässt sich mit Hilfe von Robotern, aber auch mit Drehtellern oder einer Multi-Achsen-Verfahreinheit für kleine und mittlere Bauteile ebenso automatisieren wie die Auswertung der Messdaten in der GOM Inspektionssoftware. Wegen des parame-trischen Softwarekerns gibt es keinen Unterschied mehr zwischen einer Einzel- oder Mehrfachauswertung, da das Programmieren mit Makros und Skripten entfällt.

In den standardisierten Messzellen der ATOS ScanBox-Reihe laufen die gesamten Mess- und Inspektionsprozesse bis hin zum Prüfbericht automatisiert. Das ermögli-cht die mannlose Qualitätskontrolle im Produktionsumfeld. Dabei eignen sich die insgesamt vier verschiedenen Modelle der Serie für unterschiedlich große Bauteile. In der industriellen Fertigung erzielen die Messzellen einen höheren Durchsatz, da größere Stückzahlen in geringerer Zeit analysiert werden können. Zudem ermögli-chen die Messzellen eine höhere Reproduzierbarkeit und damit Prozesssicherheit, da die Mess- und Inspektionsprozesse unabhängig vom Bediener und an verschie-denen Standorten angewandt werden.

Abb. 13: In den standardisierten Messzellen der ATOS ScanBox-Reihe laufen die gesamten Mess- und Inspektionsprozesse bis hin zum Prüfbericht automatisiert.

Abb. 14: Benutzerdefinierter Prüfbericht


ZusammenfassungGute Digitalisiersysteme haben eine den herkömmlichen Messmaschinen vergleichbare Genauigkeit. Der Vorteil der Digitalisiersysteme ist jedoch die schnelle und flächenhafte Messwerterfassung und ihr flexibler Einsatz. Zudem zeigen die digitalisierten Messdaten eine anschauliche 3D-Ansicht des gemes-senen Teiles und der Abweichungen von der Sollform und sind jederzeit verfüg-bar für zusätzliche Datenauswertung und die Datenweiterverarbeitung.

Immer mehr Firmen verwenden zertifizierte Digitalisiersysteme in ihren Mess-abteilungen nicht in erster Linie um genauer zu messen, sondern auch um die Messtechnik näher an die Produktion zu bringen und durch die vollflächige Bauteilanalyse eine umfassendere QS zu garantieren. Durch den übersichtlichen Abweichungsfarbplot wird zudem eine schnelle Verzugs- und Verformungs-analyse ermöglicht, welche die Werkzeugoptimierung bei der Abmusterung erheblich beschleunigt.

Mit freundlicher Unterstützung von Braun, Bosch/Scintilla, Nokia, Bang & Olufsen, Volkswagen.

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