Durch den Hexagon Ultraschall-Messtaster mit Zeitgewinn messen

Gewichtsoptimierung, Wärmetausch, gleichmäßige Kühlung, Festigkeitsgarantien und vieles mehr sind bei der Fertigung von Bauteilen und Komponenten mehr und mehr maßgebliche Kriterien, die bereits in der Zerspanung von Werkstücken Berücksichtigung finden. Mehr noch sind sie zunehmend auch wichtige Kontrollgrößen, die protokolliert werden müssen.

Aus Gründen der Gewichtsminimierung werden beispielsweise große Flächenteile in der Luftfahrtindustrie in sogenannter Waben-Bauweise gefertigt. Diese bis zu 4 x 10 m großen Bauteile erhalten auf einer Seite eine Formgebung, die oftmals leicht sphärische Krümmungen aufweist, während in die andere Seite viele wabenförmige Taschen gefräst werden. Bauteile mit bis zu 160 solcher "Pockets" sind nicht selten. Dabei kommt es wegen der geforderten Festigkeit und des eng tolerierten Gewichts darauf an, dass die verbleibende Materialstärke der gefrästen Taschen genau eingehalten wird.

In der üblichen Fertigungsweise werden alle Waben der jeweils ersten Werkstücke nach der Zerspanung aufwendig manuell mit Ultraschall auf die verbliebene Materialdicke hin geprüft. Gelegentlich findet eine solche Prüfung sowohl vor als auch nach dem Schlichten statt. Damit sind meist zwei Prüfer mehrere Stunden beschäftigt. Man geht von mindestens 15 s je Messpunkt aus, was bei 160 Waben, die an zwei Punkten geprüft werden, einem Zeitaufwand von 80 min je Prüfer oder 160 min entspricht. Trotz speziell geschulten Personals kann es außerdem immer wieder zu Fehlern und schwer nachvollziehbaren Prozessunsicherheiten kommen.

Seit mehr als 15 Jahren hat m&h die Technik des Messens in der Werkzeugmaschine immer wieder mit Innovationen vorangetrieben. Viele Patente für Produkte und Verfahren künden ebenso davon, wie die von vielen Kunden bestätigte technische Marktführerschaft in vielen Bereichen.

Diversen Kundenanfragen folgend hat sich Hexagon der beschriebenen Problematik angenommen und nun die Ultraschalltechnik in seine Produktpalette der Messtaster integriert. Basis sind Grundkörper der Messtaster mit der gewohnt sicheren Übertragungstechnik per Funk, wie sie bereits in vielen Werkzeugmaschinen installiert ist. Auch diese Technik wird permanent weiterentwickelt und beinhaltet heutzutage eine bidirektionale Kommunikation, sowie die Fähigkeit, unabhängig voneinander mehrere Taster, etwa auf Mehrspindel-Maschinen, einsetzen zu können.
Hexagon setzt seit Jahren konsequent auf modulare Bauweise seiner Taster. Dadurch können in ein und demselben Tasterkörper aus Edelstahl unterschiedliche Messwerke betrieben werden.

Die Messwerke selbst sind jederzeit austauschbar. Mit der gleichen Basis können entweder Dreibein- oder Halbkugel-Messwerke für das Antasten von Geometrien, Temperaturfühler für die Erfassung und Dokumentation der aktuellen Werkstücktemperatur oder nun auch ein Ultraschall-Messwerk für die Ermittlung der Materialdicke betrieben werden. Diese Messwerke werden einfach aus- und eingeschraubt. Ebenso schnell können Standard-Verlängerungen aus Karbon eingesetzt werden, um schwer zugängliche Messstellen zu erreichen. Statt den Taststift zu verlängern, bleibt so das Messwerk nahe an der Messstelle, wodurch jederzeit gleichhohe Präzision garantiert ist.
Beim Einsatz unterschiedlichster Messmethoden bedarf es keiner zusätzlichen Einrichtungen an der Maschine. Alles funktioniert über die bewährte Empfangstechnik der Hexagon Messtaster.

Mit dem patentierten Verfahren zur Wandstärkenmessung in der Werkzeugmaschine per Ultraschall zeigt Hexagon neue Wege, um Wandstärken automatisch auf der Maschine zu messen. Der Messtaster hat einen Sensorkopf mit einem Durchmesser von nur 15 mm, der in Z-Richtung in die Werkstücktaschen eintaucht, beziehungsweise auf das zu messende Werkstück aufgesetzt wird.
Mit dem Aufsetzen des Sensors auf das Werkstück wird automatisch die Position ausgelesen und protokolliert. Zuvor wurde der Ultraschallsensor an einem Meisterstück kalibriert. Dann werden an der Aufsetzstelle Ultraschallwellen ausgesandt und in das Werkstück eingeleitet. Anders als bei der manuellen Ultraschall-Messung bedarf es zur Einleitung des Ultraschallsignals keines zusätzlichen Kopplungsmediums, wie dies sonst mittels Gel oder Wasser üblich ist. Weil kein Kontaktmedium für die Einleitung der Ultraschall-Signale benötigt wird, findet auch keine Kontamination des Werkstücks statt, die anschließend wieder aufwendig beseitigt werden müsste.

Ähnlich der Totalreflektion in der Optik werden die eingeleiteten Ultraschall-Signale an der nächsten Grenzfläche des Werkstücks zurückgeworfen. Der Messzyklus ermittelt die Responsezeit zwischen Aussendung des Signals und dessen Rückwurf. Daraus lässt sich die Materialstärke mit einer Genauigkeit von nur 10 µm bestimmen. Diese wird mit dem Positionswert automatisch an die Steuerung gemeldet und protokolliert, bevor der Taster zur nächsten Messstelle verfahren wird.
Im Programmablauf auf der Maschine können so beliebig viele Punkte angefahren, gemessen und protokolliert werden. Dies bedeutet nicht nur einen enormen Zeitgewinn, sondern gleichzeitig auch jederzeit wiederholbare Messergebnisse, die gleichzeitig vollständig und fehlerfrei protokolliert werden. Die Messwerte können an PPS Systeme weitergegeben und in Datenbanken, Tabellenwerken und Statistiksoftwares verarbeitet werden. Somit ist jederzeit eine gezielte Korrektur der Bearbeitungsparameter möglich, was die Einhaltung von Fertigungstoleranzen sichert. Gleichzeitig entsteht eine vollständige Fertigungsdokumentation des Werkstücks.

Mit dem RWP20.50-G-UTP genannten System steht nun erstmalig ein Ultraschall-Messtaster als industrieller Standard für das Messen in Werkzeugmaschinen zur Verfügung, der wie üblich im automatischen Programmablauf aus dem Werkzeugmagazin abgerufen und eingesetzt werden kann. Wie die übrigen Messtaster von Hexagon besteht auch der Ultraschall-Messtaster weitgehend aus Edelstahl und ist nach IP68 Standard abgedichtet. Somit ist er für die schwierigen Umfeldbedingungen in der Werkzeugmaschine bestens geeignet. Alle benötigten Zyklen werden von Hexagon entwickelt und passen zu den Steuerungen von Siemens 840D, Heidenhain TNC6x0 oder iTNC530 und Fanuc FAN. Der Messtaster kommuniziert mit dem neuen Funk-Empfänger RWR95.51 von Hexagon. Der Standard-Sensorkopf des UTP47.10 von Hexagon ist für alle metallischen Werkstoffe geeignet und kann Wandstärken verschiedenster Größen messen.
Mit dem innovativen Ultraschall-Messsystem kommt Hexagon einem vielfach gehegten Wunsch vieler Kunden, vor allem aus der Luftfahrtindustrie und dem Automobilumfeld, nach. Sie können aufwendige, und häufig fehlerbehaftete manuelle Kontrolltätigkeiten nun automatisieren und prozesssicher durchführen. Gleichzeitig entstehen Protokolle und Qualitätszertifikate, die keine Zweifel lassen. Rückkopplungen von Korrekturwerten in den Prozess können auf jede Position bezogen erfolgen und sichern die Fertigungsqualität der folgenden Werkstücke. Auch Maschinenhersteller zeigen starkes Interesse, bringt der Ultraschall-Messtaster von Hexagon doch völlig neue Möglichkeiten auf die Maschinen.
Die Wandstärkenmessung vor dem Schlichtspan wird bei vielen Werkstücken nicht nur in der Luftfahrtindustrie bald zum Standard werden. vg