Anwendungsbeispiel: Qualitätskontrolle an Spritzgussteilen

Anwendungsbeispiel: Qualitätskontrolle an Spritzgussteilen

Anwendungsbeispiel: Qualitätskontrolle an
Spritzgussteilen
Messsysteme: ATOS
Keywords: Optische 3D-Messtechnik, Abmusterung, Erstmusterprüfung, Formund 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.
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Qualitätskontrolle
Heute werden Formen für die Herstellung von Spritzgussteilen oft nach modifizierten 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. Standardprodukte 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 Werkzeuges 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 ausgerichtet 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 Qualitätskontrollstelle 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
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Abb. 2: Schattierte Punktewolke der
ATOS-Messdaten einer BlackberryAbdeckung und vergrößertes Detail mit
krümmungs- und genauigkeitsabhängig
optimierten STL-Daten
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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 Verzuganalyse
Verzug und Schwindung eines Spritzgussteiles können durch den vollflächigen
Vergleich gegen CAD-Daten (oder Daten eines Musterteiles) in der ATOSInspektionssoftware 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 ATOSInspektionssoftware 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 die
flächige Datenbasis ausreichend Messpunkte für verschiedene PunktSelektionen 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.
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Abb. 4: Eine Ebenheitsprüfung in der
Software zeigt, dass die Fläche am
Kopf des Bohrmaschinengehäuses
stark verzogen ist.
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Erstmusterprüfung
Für die 2D-Analyse zur klassischen Erstmusterprüfung und Kontrolle von Funktionsmaßen bietet die ATOS-Inspektionssoftware ein ausgefeiltes skalares CMMInspektionstool (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 ermöglicht 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 Materialanhäufungen (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 Erstbemusterung und die periodischen Messungen zur Gewährleistung der Produktqualität
ergeben so einen Datensatz für eine durchgängige Kontrolle über den ganzen
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Lebenszyklus des Produktes. Abnutzung und Änderungen im Produktionsprozess 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 Stereokamerasystem
Digitalisiersysteme, 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 Gültigkeit 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 Spritzgussteile zu ihren entsprechenden Soll-Daten
(CAD-Daten), ATOS Messvolumen
30 x 20 mm
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Abb. 10: Verzugsanalyse einer
Instrumententafel und einer Türinnenverkleidung, ATOS-Messvolumen
500 x 400 mm
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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 TrackingSystem für den freihändig geführten Taster zum schnellen Messen von Regelgeeometrien, punktuellen Messungen gegen CAD, etc. (Abb. 12)
Abb. 12: Getasteter Zylinder
Abb. 11: GOM-Taster
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-AchsenVerfahreinheit für kleine und mittlere Bauteile ebenso automatisieren wie die
Auswertung der Messdaten in der GOM Inspektionssoftware. Wegen des parametrischen 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 ermöglicht 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 ermöglichen die Messzellen eine höhere Reproduzierbarkeit und damit Prozesssicherheit,
da die Mess- und Inspektionsprozesse unabhängig vom Bediener und an verschiedenen Standorten angewandt werden.
Abb. 14: Benutzerdefinierter Prüfbericht
Abb. 13: In den standardisierten
Messzellen der ATOS ScanBoxReihe laufen die gesamten Messund Inspektionsprozesse bis hin
zum Prüfbericht automatisiert.
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Zusammenfassung
Gute 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 gemessenen Teiles und der Abweichungen von der Sollform und sind jederzeit verfügbar für zusätzliche Datenauswertung und die Datenweiterverarbeitung.
Immer mehr Firmen verwenden zertifizierte Digitalisiersysteme in ihren Messabteilungen 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 Verformungsanalyse ermöglicht, welche die Werkzeugoptimierung bei der Abmusterung
erheblich beschleunigt.
Mit freundlicher Unterstützung von Braun, Bosch/Scintilla, Nokia, Bang &
Olufsen, Volkswagen.
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