Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Heinrich Schwenke, Frank Härtig, Ulrich Neuschaefer-Rube, Otto Jusko, Jürgen Hirsch

Die Koordinatenmesstechnik hat sich zu einer zentralen Technologie für die Qualitätssicherung und für die Steuerung einer modernen mechanischen Produktion entwickelt. Die PTB hat die Entwicklung der Koordinatenmesstechnik von Anfang an begleitet und die Industrie bei der messtechnischen Absicherung, der Erhöhung der Messgenauigkeit, der Entwicklung von neuen Verfahren und bei der Erarbeitung von Normen maßgeblich unterstützt. Im Folgenden werden nach einem kurzen Rückblick die Herausforderungen für die Koordinatenmesstechnik diskutiert und die Aktivitäten der PTB eingeordnet. Zentrale Themengebiete werden in den folgenden Fachbeiträgen dieses Bandes weiter vertieft.

Otto Jusko, Michael Neugebauer

Die Rückführung von Koordinatenmessgeräten (KMG) ist ein metrologisch anspruchsvolles und industriell sehr bedeutendes Feld. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hat in diesem Aufgabenfeld neben ihrer Aufgabe, die Spitze und damit den Bezug der Rückführungskette oder Kalibrierpyramide bereitzustellen (Bild 1), schon seit vielen Jahren Verfahren und Normale entwickelt und in Normen und Richtlinien umgesetzt, die auch von industriellen Anwendern direkt genutzt werden können.

Heinrich Schwenke, Matthias Franke

Richtige und zuverlässige Messungen sind eine wichtige Voraussetzung für eine qualitativ hochwertige Industrieproduktion. Mit Messungen lassen sich arbeitsteilige Produktionsverfahren realisieren, die Funktionszuverlässigkeit von Erzeugnissen garantieren und festgelegte Fertigungstoleranzen überprüfen. Ein Qualitätsmerkmal einer Messung ist deren Messunsicherheit. Sie kennzeichnet die der Messgröße zugeordnete Streuung der Messwerte, die sich aus der immer vorhandenen Unvollkommenheit der Messmittel, der Umgebungsbedingungen und des Messprozesses ergibt. Der Messunsicherheit kommt bei der Auswahl von Messgeräten, bei der Festlegung von geometrischen Produktspezifikationen, bei der Prozesslenkung und bei der Wareneingangs- und -ausgangsprüfung eine besondere Bedeutung zu. Die Unkenntnis der Messunsicherheit führt zur Festlegung zu kleiner Toleranzen, zur Fertigung von fehlerhaften Teilen und Ausschuss sowie zur Freigabe bzw. Annahme von mangelhaften Erzeugnissen. Nur bei Kenntnis der Messunsicherheit kann also das Risiko der Nichtübereinstimmung mit gestellten Forderungen realistisch eingeschätzt werden. Zunehmend wird die Angabe der Messunsicherheit auch in Normen und Richtlinien gefordert. In der DIN EN ISO 9001 in Kapitel 4.11 heißt es beispielsweise hierzu: "Prüfmittel müssen in einer Weise benutzt werden, die sicherstellt, dass die Messunsicherheit bekannt ist."

Karin Kniel, Heinrich Schwenke

Für die Messung einachsiger Verschiebungen ist das stabilisierte Laserinterferometer heute in der Präzisionsmesstechnik nicht mehr wegzudenken. Seine überragende Auflösung, Linearität und Stabilität sowie seine direkte Rückführbarkeit auf Frequenznormale machen es für anspruchsvolle dimensionelle Messaufgaben besonders geeignet. Auch in der Koordinatenmesstechnik wird es seit langem zur Kalibrierung der Positionsabweichungen sowie bei der Kalibrierung von Bezugsnormalen eingesetzt.

Ulrich Neuschaefer-Rube, Klaus Wendt, Wiebke Ehrig

In der Koordinatenmesstechnik gewinnen optische Sensoren immer mehr an Bedeutung. Sie werden anstelle von klassischen taktilen Tastern in Koordinatenmessgeräten, aber auch in Stand-Alone-Messgeräten eingesetzt [1]. Teilweise kommen auch mehrere Sensorprinzipien gemeinsam zum Einsatz (Multisensormessung). Die Hauptvorteile optischer Sensoren sind die berührungslose Messung und die schnelle Erfassung vieler Datenpunkte. Dadurch können auch weiche Objekte und Objekte mit empfindlichen Oberflächen gemessen werden. Die schnelle Erfassung der Datenpunkte ermöglicht es, im Vergleich zur taktilen Messung eine umfassendere Information über das Messobjekt in kurzer Zeit zu gewinnen. Wegen der schnellen Messung eignen sich optische Sensoren auch besonders für Messungen in der Fertigungslinie (Inline-Messungen).

Ulrich Neuschaefer-Rube, Mark Wissmann

In vielen Industriebereichen werden zunehmend Mikro-Bauteile mit Abmessungen von deutlich kleiner als 1 mm und Toleranzen im μm-Bereich eingesetzt. Beispiele hierfur sind Einspritzdusen, Mikrozahnrader und mikrooptische Komponenten. Fur Messungen an diesen Mikro-Bauteilen steht eine Vielzahl hochauflosender optischer Messverfahren zu Verfugung [1]. Allerdings sind einige kleine Geometrien (z. B. senkrechte Flachen wie Mantelflachen von Mikrobohrungen) fur optische Sensoren nicht zuganglich. Daher wurde Ende der 90er Jahre in der PTB der taktil-optische Taster [2, 3], der so genannte Fasertaster, realisiert, mit dem erstmals taktile Koordinatenmessungen an Mikro-Bauteilen moglich wurden. Die Technologie wurde erfolgreich in die Industrie transferiert. Der in ein kommerzielles optisches Koordinatenmessgerat integrierte Taster ist derzeit der am weitesten industriell verbreitete taktile Mikrotaster.

Markus Bartscher, Uwe Hilpert, Ulrich Neuschaefer-Rube

Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte die nach ihm benannten hochenergetischen Strahlen im November 1895. Schon zu Beginn des letzten Jahrhunderts wurden Röntgenstrahlen neben medizinischen Anwendungen auch zur zerstörungsfreien Durchstrahlungsprüfung technischer Bauteile eingesetzt. Die Durchstrahlungsprüfung mit Röntgenstrahlung weist jedoch den großen Mangel des Verlusts von Tiefeninformation auf. Zudem ist der Kontrast von kleinen, gestörten Strukturen wie Einschlüssen und Lunkern in einem massiven Bauteil in vielen Fällen so gering, dass diese teilweise unentdeckt bleiben. Es dauerte bis Ende der Sechziger Jahre des letzten Jahrhunderts, bis Versuche, Information über innere Strukturen mittels der durchdringenden Röntgenstrahlung zu gewinnen, Erfolge zeigten. Hierbei wurde im Folgenden eine vorher wenig beachtete Endeckung des Mathematikers Johann Radon aus dem Jahr 1917 angewandt [1]. Radon fand heraus, dass es – umgangssprachlich formuliert – möglich ist, die unbekannte innere Geometrie und Struktur eines Körpers allein aus der Kenntnis von zahlreichen äußeren Abbildungen zu bestimmen. Voraussetzung ist, dass diese Abbildungen Information über die innere Struktur beinhalten. Aus diesem Grund wird für die Abbildung häufig der Begriff Projektion verwendet. Projektionen können z.B. Röntgendurchstrahlungsbilder (Radiographien) sein. Die technische Umsetzung dieses Messprinzips wird als Tomographie bezeichnet. Durch die geringe Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem untersuchten Körper kann die Tomographie als zerstörungsfreies Verfahren angesehen werden. Die Umsetzung des Tomographieprinzips in ein bildgebendes Verfahren fand erst in den 60er und 70er Jahre des vorherigen Jahrhunderts durch Allan M. Cormack und Godfrey N. Hounsfield statt, für die beide gemeinsam 1979 den Nobelpreis in Physiologie und Medizin erhielten. Das von ihnen entwickelte axiale Tomographieverfahren wird heute als Computertomographie (CT) mit Röntgenstrahlen bezeichnet. Der Kontrast der medizinischen CT entsteht durch die Schwächung von Röntgenstrahlung im menschlichen Körper (Intensitätskontrast). Während bei dem Tomographieprinzip nach Radon die Kenntnis unendlich vieler Projektionen notwendig ist, um eine unbekannte Geometrie und Struktur exakt berechnen zu können, werden in der Umsetzung als bildgebendes Verfahren nur einige hundert bis wenige tausend Projektionen bestimmt, um daraus approximativ das Körperinnererekonstruieren zu können.

Frank Härtig, Karin Kniel

Zahnrader gehoren zu den wichtigsten Komponenten der Antriebstechnik. Als zentrales Element unserer mobilen Gesellschaft finden sie sich in nahezu allen Bereichen, in denen Drehbewegungen mit hoher Prazision oder mit hohem Drehmoment ubertragen werden [1]. Die dimensionellen Abmessungen der Zahnrader sind daher hochst unterschiedlich. Das Spektrum reicht von Mikrozahnradern mit Ausendurchmessern von weniger als 500 ƒÊm [2] bis hin zu Zahnradern, die in der Schwerindustrie eingesetzt werden und bei denen Raddurchmesser von mehr als 10 m keine Seltenheit sind. Von wirtschaftlich auserordentlicher Bedeutung sind die Zahnrader fur deutsche Schlusseltechnolo-gien, wie beispielsweise der Automobilindustrie, dem Maschinenbau oder der Medizintechnik. So werden alleine in Deutschland jahrlich ca. 140 Millionen Zahnrader in Kraftfahrzeuggetrieben verbaut [3]. Mit dem Trend von Funf- zu Siebenganggetrieben ist alleine fur diesen Bereich in den kommenden Jahren mit einem erheblichen Zuwachs an Zahnradern zu rechnen.

Klaus Wendt, Christian Keck, Heinrich Schwenke

Bei der Fertigung von Karosseriebauteilen werden seit etwa zehn Jahren Inline-Messstationen zur Überwachung des Produktionsprozesses eingesetzt. Inline-Messstationen sind direkt in die Produktionslinie integriert.

Franz Wäldele zum Abschied