Technologien der optischen Bauteilvermessung
Dieser Artikel zeigt unseren Weg der Verwendung verschiedener Geräte und Technogien über die letzten 30 Jahre hinweg. Die Bilder sind Zeitzeugen einer schnelllebigen Technologie. Viele der gezeigten Geräte sind längst ausgemustert oder stehen in unserem Firmen-Museum.
Laser-Scanning
Bei dieser Technik wird ein Laserstrahl (Linienlaser) systematisch über die Bauteiloberfläche geführt. Das „Wo im Raum“ erledigt der Mehrgelenk Messarm. Mit seinen Drehgebern bestimmt er die Lage Laser-Sensors im Raum.
Die Reflexion wird von Sensoren (Digitalkameras) erfasst und in dreidimensionale Koordinaten umgewandelt, was eine präzise Erfassung komplexer Geometrien ermöglicht. Die räumliche Digitalisierung der Oberflächengeometrie erfolgt flächenhaft.
Die Messunsicherheit ist nicht in der Qualität einer taktilen Messung mit wenigen Messpunkten. Auf dem Bild zu sehen ein Silver-Messarm des amerikanischen Herstellers Faro, aufgesetzt ist ein Scanner Modelmaker. Diese Kombination war für uns in 1998 der Einstieg in die flächenhafte Erfassung von Bauteilen. Die Kombination war keine glückliche Wahl, für dynamische Messungen war dieses Modell nicht geeignet.
Der Vorteil liegt in der einfachen Bedienung, die Erfassung ist vergleichbar mit anstreichen einer Oberfläche. Ein Nachteil ist der eingeschränkte Messbereich, eine Umsetzen des Messgeräts (Bocksprung) war zur damaligen Zeit nicht ausgereift. Das Matchen (Zusammenführen) der Teilbereiche der Punktewolke ein Abenteuer.
Laser-Triangulationssensoren arbeiten punktuell oder linienförmig und bieten einen ausgewogenen Kompromiss aus Geschwindigkeit, Kosten und hoher Genauigkeit, weshalb sie in der industriellen Praxis immer noch weit verbreitet sind.
Für höchste Präzision werden Laserinterferometer genutzt, bei denen die Interferenz von Laserstrahlen zur Messung kleinster Wegänderungen dient; sie liefern punktuelle Messwerte mit extrem hoher Auflösung und werden in Kalibrierung, Maschinenvermessung und Präzisionsfertigung eingesetzt. Ergänzend erwähnt sind weitere Verfahren wie Laser-Tracker, Time-of-Flight (ToF) bzw. Lidar ermöglichen größere Messdistanzen bei geringerer Genauigkeit.
Bildverarbeitung
Hochauflösende Kameras nehmen Bilder des Bauteils auf, die dann durch spezielle Algorithmen analysiert werden. In Kombination mit Koordinatenmessgeräten spricht man von optischer Messtechnik. Sind mehrere Sensoren verbaut, spricht von Multikoordinatenmesstechnik.
In Form eines Profilprojektors oder Messmikroskops ist die Technologie in fast jedem Fertigungsbetrieb zu finden. Die Messung erfolgt meist in 2D oder 2,5D. Die Kombination aus Positionierung des Bauteils und direktes Ablesen der Zählers, ist ein sehr schnelles Messen möglich.
Multisensor-Koordinatenmesstechnik
Die Multisensor-Koordinatenmesstechnik kombiniert verschiedene Messprinzipien innerhalb eines Koordinatenmesssystems, um die jeweiligen Stärken gezielt zu nutzen. Typischerweise werden taktile Sensoren, Laserinterferometer sowie konfokale Sensoren – insbesondere der CFL (Chromatic Line Focus Probe) – in einer gemeinsamen Koordinatenbasis eingesetzt. Dadurch können sowohl hochgenaue Einzelmerkmale als auch empfindliche oder schwer zugängliche Strukturen effizient und ohne Umspannen erfasst werden.
Ein zentraler Vorteil liegt in der abgestuften Messstrategie: Taktile Sensoren liefern normgerechte, hochpräzise Referenzmaße, Laserinterferometer ermöglichen extrem genaue Weg- und Positionsmessungen, während konfokale Sensoren wie der CFL berührungslos selbst auf schwierigen Oberflächen (z. B. glänzend, transparent) hochauflösende Profile erfassen. Die Kombination dieser Verfahren erhöht die Aussagekraft der Messung und ermöglicht eine wirtschaftliche, durchgängige Qualitätssicherung.
Streifenlichtscanner
Streifenlichtscanner arbeiten nach dem Prinzip der strukturierten Beleuchtung. Ein Projektor wirft definierte Lichtmuster (meist Streifen) auf die Oberfläche eines Bauteils. Eine oder mehrere Kameras erfassen die Verformung dieser Streifen aus unterschiedlichen Blickwinkeln. Aus der bekannten Geometrie von Projektor und Kameras wird mittels Triangulation die dreidimensionale Form berechnet. Das Ergebnis ist eine dichte Punktwolke bzw. ein Flächenmodell, das die komplette Bauteilgeometrie beschreibt. Das Verfahren ist berührungslos und ermöglicht eine sehr schnelle, flächenhafte Erfassung komplexer Strukturen.
Vorteile:
- Flächenhafte Messung mit hoher Punktdichte (vollständige Geometrie)
- Sehr hohe Messgeschwindigkeit
- Berührungslos, daher geeignet für empfindliche oder weiche Bauteile
- Gut geeignet für Freiformflächen, Blechstrukturen und Designgeometrien
Nachteile:
- Abhängig von Oberflächeneigenschaften (glänzend, transparent, dunkel → oft Mattierung erforderlich)
- Eingeschränkte Genauigkeit im Vergleich zu taktilen Verfahren bei hochpräzisen Einzelmaßen
- Empfindlich gegenüber Umgebungslicht und Vibrationen
- Sichtlinienabhängig (Abschattungen erfordern mehrere Aufnahmen und Registrierung)
Wir haben 2001 mit dem System Optigo 100 der Firma Cognitens begonnen. Heute arbeiten wir mit einem Zeiss (ehemals GOM) Atos Q.
Photogrammetrie
Die Photogrammetrie ist ein optisches Messverfahren zur dreidimensionalen Bestimmung von Objektpunkten anhand von Bildern. Dabei werden mehrere Aufnahmen eines Objekts aus unterschiedlichen Perspektiven erstellt. Durch die Auswertung gemeinsamer Bildpunkte (z. B. Targets oder natürliche Merkmale) und die bekannte Kamerageometrie werden deren räumliche Koordinaten mittels Triangulation berechnet. Das Verfahren arbeitet berührungslos und eignet sich besonders für große Messvolumen oder komplexe Geometrien.
Vorteile:
- Hohe Genauigkeit auch über große Distanzen
- Flexibel und mobil einsetzbar
- Geeignet für große Bauteile und Strukturen
- Kombination mit anderen Messsystemen möglich (z. B. zur Referenzierung)
Nachteile:
- Punktbasiert (keine direkte flächenhafte Erfassung ohne zusätzliche Verfahren)
- Vorbereitung notwendig (Targets oder markante Strukturen)
- Abhängig von Bildqualität, Beleuchtung und Kalibrierung
Röntgentomographie in der Messtechnik
Die industrielle Computertomographie (ICT) ermöglicht die vollständige dreidimensionale Erfassung von Bauteilen – einschließlich innerer Strukturen. Dabei werden zahlreiche Röntgenprojektionen aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommen und zu einem volumetrischen 3D-Modell rekonstruiert. Dieses Modell enthält sowohl die äußere Geometrie als auch das Innere des Bauteils mit Materialübergängen, Hohlräumen oder Einschlüssen.
Im Kontext der Messtechnik stellt die CT eine Erweiterung der optischen Verfahren dar: Ähnlich wie bei bildgebenden Systemen entsteht ein 3D-Modell aus Projektionen, jedoch mit dem entscheidenden Vorteil der Volumeninformation. Dadurch können nicht nur Maße geprüft, sondern gleichzeitig innere Fehler analysiert werden. Besonders bei komplexen, verdeckten oder additiv gefertigten Strukturen ist die CT heute ein unverzichtbares Werkzeug innerhalb der Multisensormesstechnik.
CGI – Capture Geometry Inside
Ein interessanter Ansatz war die Kombination aus Scanner und CNC-Fräsmaschine. Dabei wurde das Bauteil schichtweise abgetragen und jede freigelegte Ebene digitalisiert. So entstand schrittweise ein vollständiges Bild der inneren Struktur – gewissermaßen eine mechanisch erzeugte Tomographie.
Der Vorteil lag in der direkten, unverfälschten Sicht auf die Geometrie ohne komplexe Rekonstruktion. In der Praxis erwies sich das Verfahren jedoch als aufwendig: Die Vorbereitung, der zerstörende Charakter und der hohe Zeitbedarf machten es wirtschaftlich unattraktiv. Mit der Einführung moderner Verfahren wie der industriellen Röntgentomographie (CT), die eine schnelle und zerstörungsfreie Volumenerfassung ermöglicht, wurde CGI vollständig verdrängt und spielt heute keine Rolle mehr.
Die Anlage haben wir von 1998 bis 2006 betrieben und wurde von dem ersten industriell verwendbaren Röntgentomografie-Multisensorkoordinatenmessgerät abgelöst. Was für eine Bezeichnung für das TomoScope 200 mit 130 kV 50 Watt Röhrenleistung.
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