3D-Inline-Prüfsystem für Zahnräder gibt Auskunft über Mängel im Fertigungsprozess und erlaubt ad hoc-Optimierung

In Kooperation mit verschiedenen Universitäten hat der französische Hersteller Mesure-Systems-3D (MS3D) ein berührungsloses Inline-Prüfsystem speziell für Getriebe entwickelt. Mit der sogenannten GearInspection kann beispielsweise eine Verzahnung mit 23 Zähnen in weniger als 15 Sekunden komplett in 3D vermessen werden. Durch die 3D-Inline-Prüfung erhält der Hersteller bei jeder Änderung der Fertigungsparameter in Echtzeit Informationen darüber, welche Auswirkungen diese haben. Bei einer vergleichbaren Kontrolle mit taktilen Messmaschinen, die mindestens fünf Minuten in Anspruch nimmt, ist das nicht möglich. Die GearInspection erlaubt somit eine Optimierung im laufenden Prozess, was mit entsprechend hohen Einsparungen einhergeht.

Heute werden für die Prüfung von Zahnrädern zwei Verfahren eingesetzt: Zum einen wird das fertige Getriebe mit Hilfe von Masterrädern getestet und das dabei entstehende Geräusch mit den Sollwerten abgeglichen. Dieser Funktionstest gibt jedoch lediglich Auskunft darüber, ob das Teil in Ordnung ist oder nicht, erlaubt hingegen keine Aussage über die Art des Defekts oder gar Mängel im Fertigungsprozess. Für die zweite Kontrolle zur genauen Bestimmung der Geometrie werden spezielle, taktile Messmaschinen zur Getriebeinspektion eingesetzt. Diese untersuchen innerhalb von fünf Minuten nur etwa vier Zähne, indem sie sechs Profile auf der Länge der Seite und drei auf der Länge der Flanke erstellen, so dass insgesamt 18 Quadrate entstehen, aus denen die Evolvente bestimmt werden kann. Da normalerweise keine Krümmung vorhanden sein sollte, wird auf diese Weise die Welligkeit geprüft. Die normale Taktzeit für die Fertigung von Zahnrädern beträgt jedoch etwa 10 bis 20 Sekunden, womit der Prozess deutlich zu lange dauert um wirtschaftlich zu sein.

Herausforderung: Eliminierung des Messrauschens

Mit dem neuartigen Prüfverfahren von MS3D hingegen kann beispielsweise eine Verzahnung mit 23 Zähnen bereits im Werk in weniger als 15 Sekunden komplett in 3D dargestellt und kontrolliert werden, was außerdem Auskunft über Mängel im Prozess gibt. Überprüfen lassen sich parallel sowie schräg verzahnte Getriebe, für deren Vermessung zwei bis vier Sensoren verbaut sind, die je nach Durchmesser des Zahnrades unterschiedlich positioniert werden können. Damit sich die Hochgeschwindigkeits-Linienscanner nicht gegenseitig blenden, werfen sie aus unterschiedlichen Richtungen und aus verschiedenen Winkeln eine Linie auf einen definierten Teilabschnitt. Jeder der Sensoren erzeugt dabei 700 Datenpunkte pro Sechstausendstelsekunde.

Binnen einer Sekunde lassen sich somit Millionen Datenpunkte generieren, aus denen ein 3D-Modell erstellt wird. Anhand dieser Punktewolke werden µm-genau das Profil der Zähne, der Helix-Winkel, die Welligkeit, der Durchmesser der Flanke, die Zahndicke sowie der Abstand zwischen den Zähnen bestimmt. Die besondere Herausforderung bei der Interpretation durch die Software liegt darin, dass die Reflexionen der Laser auf andere Stellen des Bauteils zu einem Messrauschen und damit zu einer Ungenauigkeit führen, die herausgerechnet werden muss. Da diese Hürde erfolgreich genommen wurde, kann über das Prüfverfahren von MS3D erstmals die Frage „Ist das richtige Profil in der richtigen Position?“ korrekt beantwortet werden. Mit den bisher üblichen Verfahren war das nicht möglich – erst recht nicht in 3D. Durch eine entsprechende Optimierung auf Grundlage der in Echtzeit gewonnenen Informationen sinkt die Zahl der Fälle, in denen defekte Teile verbaut werden oder sich der Mangel erst nach der Endmontage herausstellt. Hersteller können dadurch nicht nur den Ausschuss von vornherein reduzieren und erhebliche Kosten einsparen, sondern auch ihren Abnehmern eine Null-Fehler-Garantie geben.

Weiterentwicklung für Inline-Prüfung von Getriebeachsen

Da die Anforderungen an ein Getriebe je nach Anwendungsbereich unterschiedlich sind, wurde die Maschine vor allem für die Bedürfnisse der Automobilhersteller sowie deren Getriebezulieferer ausgelegt. Der Durchmesser der Zahnräder, für die sich die GearInspection aktuell eignet, liegt zwischen 30 und 90 mm. Sehr kleine Getriebe können somit nicht adäquat geprüft werden, wohl aber solche, die in Werkzeugmaschinen Verwendung finden. Die spezielle Software zur Getriebeinspektion wurde im September/Oktober 2015 erfolgreich mit echten Teilen von Kunden, die MS3D bereits beliefert, getestet, so dass die Maschine Ende 2015/Anfang 2016 lieferbereit sein wird. Für die Zukunft ist außerdem eine Weiterentwicklung für die Inline-Prüfung von Getriebeachsen geplant.

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