Paradigmenwechsel in der Qualitätsprüfung

Fachartikel 01.10.2008 | QUALITY ENGINEERING | Ausgabe: 2008/010 Paradigmenwechsel in der Qualitätsprüfung Dank der Fortschritte im Bereich der berührungslosen Messtechnik und -verfahren gewinnt die digitale Formerfassungs- und Verarbeitungstechnologie (DSSP, digital shape sampling and processing) an Bedeutung, denn sie verschafft produzierenden Unternehmen einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil. Unter DSSP wird die 3D-Erfassung und anschließende digitale Verarbeitung der Koordinatenpunkte eines Objekts verstanden. Im Folgenden soll dargelegt werden, wie sich DSSP sehr wohl mit der konventionellen Art Bild 1: der Prüfung kombinieren lässt. Zudem wird erläutert, wie sich die Ablaufdiagramm des Prüftechnik durch die Integration verschiedener Verfahren herkömmlichen weiterentwickelt und so höhere Effizienz bei der Herstellung und Messverfahrens erheblich verbesserte Produktqualität ermöglicht. Überblick über Prüfverfahren Als Leonardo da Vinci seine für damalige Verhältnisse modernen Maschinen entwarf, waren Fertigungstoleranzen und Messungen zwecks Qualitätsprüfung noch kein Thema. Noch im 19. Jahrhundert unterschied sich die Herangehensweise nicht von derjenigen zu Zeiten Da Vincis: „grob gefertigte Bauteile solange zurechtfeilen, bis sie passen“. Zu Beginn des vorigen Jahrhunderts wurde das Konzept der Toleranzen, also der akzeptablen Unter- oder Überschreitung von Sollmaßen, entwickelt. Um 1920 wurde der „Taylorsche Grundsatz“ vorgestellt, der die funktionalen Konstruktionsanforderungen definierte. Während des Zweiten Weltkriegs begann die Arbeit an der Symbolsprache GD&T (Geometrical Dimensioning and Tolerancing) und kurz darauf im Jahre 1957 wurde der Standards Y14.5 der American Society of Mechanical Engineers („ASME“, Verband der Maschinenbauingeneure) ins Leben gerufen, dessen aktuelle Version Y14.5- 1994 heute nicht mehr wegzudenken ist. Eine der Säulen der Messtechnik stellen seit jeher manuelle Lehren dar, von Grenzlehren zur Maßhaltigkeitsprüfung (beispielsweise einem einfachen Stift bekannten Durchmessers zur Prüfung der Passgenauigkeit) bis hin zu beweglichen manuellen Messschiebern, die eine Abstandsmessung zwischen zwei Punkten erlauben. Lehren zur Maßhaltigkeitsprüfung sind in unterschiedlichsten Größen für eine breite Palette an Anwendungen verfügbar, z. B. für die Prüfung von kleinen Turbinenschaufeln oder Auto-und Flugzeugtüren. Dabei wird der Prüfling zuerst unter Verwendung eines Bezugssystems positioniert und anschließend mittels geeigneter Hardware wie Grenzlehren (Stiften, Kontakten etc.) auf die entscheidenden Merkmale geprüft. Lehren zur Maßhaltigkeitsprüfung zeichnen sich zwar durch einfache Bedienbarkeit aus, jedoch können sie nicht an Entwurfsänderungen angepasst werden. Zudem liefern sie i. d. R. nur qualitative Informationen (Gutteil / Ausschuss), aber keine quantitativen Daten (Zahlenwerte). In den vergangenen 30 Jahren haben sich so genannte Koordinatenmessgeräte (KMG) etabliert, die inzwischen als Standardwerkzeug zum Messen und Prüfen im Produktionsbereich gelten. Bei einem KMG handelt es sich um eine 3– oder 4–achsige Maschine zur Prüfung eines Bauteils an vorgegebenen Messpunkten. Hierzu wird ein berührungsempfindlicher Messtaster auf einer bestimmten Bahn über den Prüfling geführt. Dank ihrer Vorzüge wie der im Allgemeinen sehr hohen Genauigkeit, der Reproduzierbarkeit, der Automatisierbarkeit sowie der Flexibilität werden KMG zur Vermessung kleiner wie großer Bauteile gleichermaßen eingesetzt. Trotz des hohen Anschaffungspreises zahlen sich diese Systeme aus, denn sie lassen sich über eine entsprechende Programmierung zur Prüfung praktisch beliebiger Bauteile verwenden. Beim Einsatz eines KMG wird normalerweise eine Reihe zu prüfender Merkmale ausgewählt und dann ein Programm zur Prüfung besagter Merkmale erstellt. Der Nachteil von KMG besteht darin, dass sich der Gesamtmessvorgang aufgrund der seriellen punktweisen Datenerfassung relativ langsam gestaltet. Wegen des systembedingten Zeitaufwands beim Einsatz von KMG werden nicht selten nur ausgewählte, kritische Eigenschaften erfasst. Somit nimmt man bei der Qualitätssicherung ein gewisses Restrisiko in Kauf, um das gewünschte Produktionsvolumen aufrecht erhalten zu können. Photogrammetrie wurde traditionall eingesetzt, um Gelände und Abstände für geografische Informationssysteme (GIS) und Innenräume von Gebäuden zu messen – sowohl in der Architektur als auch in der Archäologie. Diese Technologie basiert auf der Vermessung von Objekten anhand von Fotogrammen und eignet sich dank der stetigen Weiterentwicklung – insbesondere im Bereich der Messgenauigkeit – auch zur Vermessung großer Objekte wie etwa von Schiffen und Flugzeugen. Im Bereich der Qualitätssicherung jedoch, wo Messgenauigkeit das A und O ist, sind Messverfahren, die nur unzureichende Präzision ermöglichen, problematisch. In der letzten Zeit kommen vermehrt berührungslose Messverfahren zum Zuge, die mithilfe entsprechender Hardware zur Abtastung und Software zur Datenverarbeitung die digitale Erfassung physischer Objekte sowie die automatisierte Erstellung präziser 3D-Modelle erlauben. Derartige Verfahren, die stark vom Fortschritt im Bereich der Software zur Datenverarbeitung und Modellierung anhand von Koordinatenpunkten profitieren, werden unter dem Begriff DSSP (Digital Shape Sampling and Processing, zu Deutsch digitale Formerfassungs- und Verarbeitungstechnologie) zusammengefasst. Die der DSSP- Technologie zugrunde liegende Objekterfassung beruht auf der Verwendung von Laserstrahlen oder Weißlicht zur Berechnung der Position der jeweiligen Punkte. Das Ergebnis einer Abtastung ist eine Punktwolke, bestehend aus Millionen von XYZ- Koordinatenpunkten, welche die Form des erfassten Objekts widerspiegeln. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht in seiner Schnelligkeit – binnen weniger Minuten lassen sich Objekte vollständig und mit einer für die allermeisten Messanwendungen ausreichenden Genauigkeit erfassen. Herkömmliche Messverfahren Der Ablauf des herkömmlichen Messverfahrens, z. B. beim Einsatz eines KMG, umfasst laut den Ergebnissen des vom NIST (US-Pendant einer Physikalisch-Technischen Bundesanstalt) ausgerichteten Messtechnikkongresses „International Metrology Interoperability Summit“ (28. bis 30. März 2006) zusammengefasst folgende Schritte: Definition des Produkts • Entwicklung einer Bauteilform • Festlegung der Details und Toleranzen. Ergebnis ist ein 3D-CAD-Modell samt lückenloser GD&T-Informationen. Definition des Messverfahrens • Bestimmung der zu verwendenden Prüfausrüstung • Festlegung der Einrichtungsinformationen • Festlegung der Sensorinformationen • Bestimmung der zu messenden Eigenschaften (GD&T oder Maßhaltigkeitstoleranzen) • Erstellung eines Prüfplans. Ergebnis ist ein Prüfplan (Textdokument oder dergleichen). Beim Einsatz eines programmierbaren KMG wird zudem ein Prüfprogramm erstellt. Durchführung des Messverfahrens • Positionierung des Bauteils auf Prüfgerät • Ausführung des Prüfplans • Beim Einsatz eines programmierbaren KMG wird zudem ein Prüfprogramm ausgeführt. • Datenerfassung durch Sensor. Ergebnis sind XYZ-Koordinatenpunkte zu den vermessenen Details Analyse und Berichterstellung • Abfrage der gewonnenen Punktdaten • Analyse der erfassten Merkmale • Entscheidung, ob Gutteil oder Ausschuss • Erstellung eines Messberichts • Bei Mehrfachprüfungen Erstellung einer statistischen Analyse. Ergebnis ist ein Messbericht. Bei einer statistischen Analyse ist das Ergebnis ein Bericht zur statistischen Prozesslenkung (SPC-Bericht). Die voran beschriebenen Schritte werden in Bild 1 in Form eines Ablaufdiagramms zusammengefasst. Trotz schwankender Anzahl zu erfassender Hauptmerkmale umfasst der Ablauf im Wesentlichen folgende drei Schritte: a) die Bestimmung der Hauptmerkmale des zu vermessenden Bauteils, b) deren Messung und schließlich c) die Erstellung eines Berichts zur Analyse der Messdaten. Unter Erstmusterprüfung versteht man die Prüfung sämtlicher Abmessungen, die sich in der technischen Zeichnung bestimmen lassen. Sie erfolgt üblicherweise zu Beginn der Serienproduktion und dient zur Prüfung des Herstellungsprozesses auf seine Eignung, unabhängig von der Stückzahl konsistent identische Bauteile zu liefern. Dies trifft insbesondere auf Herstellungsverfahren wie Gießen, Formpressen, Stanzen und Zerspanen zu. Das traditionell eingesetzte Messverfahren ist wegen der erforderlichen Durchführung einer hohen Anzahl an Einzelmessungen mit erheblichem Aufwand verbunden. Infolge dieser Gründlichkeit ist die Erstmusterprüfung zwangsläufig sehr kostspielig. Während der regulären Serienproduktion hingegen gilt es, den Herstellungsprozess zu überwachen und nur auf die entscheidenden und somit deutlich weniger Hauptmerkmale zu prüfen. In beiden Fällen von zentraler Bedeutung ist jedoch die Bestimmung der zu messenden und zu analysierenden Merkmale. Im Kontext der Messung der Hauptmerkmale gilt es, mehrere Aspekte zu berücksichtigen. Bei einem Prüfplan, der die Erfassung ausnahmslos aller Hauptmerkmale vorsieht, ergeben sich folgende Fragen: 1. Wozu sollte man mit großem Zeitaufwand mithilfe eines KMG auf Merkmale prüfen, die innerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegen? 2. Wozu sollte man mit großem Zeitaufwand sämtliche erfassten Messwerte analysieren, um herauszufinden, welche Merkmale innerhalb und welche außerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegen? 3. Wie lässt sich die Prüfung trotz Vermessung des gesamten Bauteils beschleunigen? Bei einem Prüfplan, der die Messung nur einer bestimmten Auswahl aller Hauptmerkmale vorsieht, ergeben sich folgende Fragen: 1. Wie lässt sich bestimmen, welche Merkmale zu erfassen sind und welche nicht? 2.