Messtechnik - Qualitätskontrolle durch Messverfahren

In der industriellen Fertigung ist Messtechnik als grundlegender Baustein für die Überwachung und Qualitätskontrolle unverzichtbar. Industrielle Messtechniken ermöglichen es, präzise Daten und Informationen über Größen, Eigenschaften und Merkmale von Objekten zu sammeln und zu quantifizieren. Im nachfolgenden Artikel wird auf die Bedeutung der Messtechnik für die Qualitätssicherung eingegangen und es werden einige Methoden aus der Messtechnik vorgestellt.

Bedeutung von Messtechniken in der Qualitätsprüfung und Qualitätslenkung

Messtechnik bezeichnet die systematische Anwendung von Messinstrumenten, Messmethoden und Messverfahren zur Erfassung und Analyse quantitativ erfassbarer Größen.

Dies können beispielsweise physikalische Größen, Eigenschaften von Objekten und Substanzen sowie Prozesse oder Systeme sein. Ein möglicher Schwerpunkt für den Einsatz von Messtechnik ist die Überprüfung von Produktstandards und -Spezifikationen. Mängel und Abweichungen können so rechtzeitig erkannt und behoben werden, noch bevor die Produkte auf den Markt kommen.

Folgende Vorteile ergeben sich aus der Verwendung verschiedener Messtechniken:

• Gewährleistung der Produktqualität: Durch Messtechniken werden Eigenschaften und Merkmale von Produkten quantifiziert und mit den zugrunde gelegten Anforderungen verglichen (z.B. Normen- oder Kundenanforderungen). Dadurch werden Mängel und Abweichungen rechtzeitig erkannt und Präventivmaßnahmen können eingeleitet werden. Die Kosten für Nacharbeiten senken sich.
• Prozesskontrolle und Prozessoptimierung: Messtechniken ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung von Produktionsprozessen. Abweichungen können in Echtzeit erkannt und durch frühzeitiges Eingreifen korrigiert werden.
• Datengestützte Entscheidungsfindung: Die gelieferten Daten sind präzise und verlässlich. Sie können z.B. als Grundlage für Prozessverbesserungen und Designänderungen dienen und bei der Entscheidungsfindung unterstützen.
• Rückverfolgbarkeit und Dokumentation: In der Regel werden Messungen für eine lückenlose Rückverfolgbarkeit dokumentiert. Vor allem in stark regulierten Branchen ist dieses Vorgehen von Vorteil.
• Kontinuierliche Verbesserung: Dank der Analyse von Messdaten können kontinuierlich Verbesserungsprozesse ausgearbeitet und umgesetzt werden.

DIN 1319 für Messtechniken

Die für die Messtechnik grundlegende Norm ist in Deutschland die DIN 1319. Dabei werden festgelegt:

• Teil 1: Grundbegriffe (1/1995)
• Teil 2: Begriffe für Messmittel (10/2005)
• Teil 3: Auswertung von Messungen einer einzelnen Messgröße; Messunsicherheit (5/1996)
• Teil 4: Auswertung von Messungen; Messunsicherheit (2/1999)

In den Teilen der Norm werden unter anderem Begriffe für Messmittel, Auswertung und die Messunsicherheit definiert. Dazu zählen die folgenden Mittel:

• Messgerät
• Messeinrichtung
• Normale
• Hilfsmittel
• Referenzmaterialien
• Geräte zur Kalibrierung oder Justierung

Software zählt zu den Hilfsmitteln. Sie wird z.B. eingesetzt werden, um Messungen anhand von CAD-Modellen von Prüfstücken vorzunehmen. Zur Gewährleistung der Qualität müssen Prüfmittel in regelmäßigen Abständen überwacht werden.

Messbare Größen

Die nachfolgende Tabelle gibt einen beispielhaften Überblick über messbare Größen und geeignete Messgeräte:

Industrielle Messtechnik

Für präzise Messungen und Qualitätskontrollen gibt es unterschiedliche Arten von Messtechniken, sowohl mechanische als auch berührungslose:

• Mechanische Messtechnik, zum Beispiel Längenmessung mit Linealen, Schieblehren oder Mikrometern, Winkelmessung mit Goniometern oder Winkelmessgeräten
• Elektrische Messtechnik, zum Beispiel Spannungsmessung mit Voltmetern oder Strommessung mit Amperemetern.
• Optische Messtechnik, zum Beispiel Kameras
• Temperaturmesstechnik, zum Beispiel Thermometer

Auf einige Messtechniken und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie wird nachfolgend näher eingegangen.

Mechanische und taktile Messtechniken

Mechanischen Messinstrumente werden in verschiedenen Anwendungen und Industrien verwendet, um Längen, Winkel, Druck, Temperatur und andere physikalische Größen zu messen. MISUMI bietet ein breites Sortiment an mechanischen Messtechniken, beispielsweise:

• Innendurchmesser-Messwerkzeuge
• Lehren
• Messschieber

Taktile Messtechniken sind ein Teilbereich der mechanischen Messtechniken. Taktile Messsensoren wie Taststifte oder Taktilsonden können verwendet werden, um Längen, Breiten und Höhen von Bauteilen oder Werkstücken zu messen. Dies wird häufig in der Fertigung eingesetzt, um sicherzustellen, dass Teile die richtigen Abmessungen haben.

Elektrische Messtechnik

In der elektrischen Messtechnik werden vor allem elektrische Größen wie Spannung, Stromstärke, Widerstand, Leistung und andere elektrische Parameter gemessen. Eine elektrische Messung kann z.B. wie folgt ablaufen: Zunächst muss ein ausreichend dimensioniertes Messgerät ausgewählt werden. Anschließend werden die Messleitungen des Messgeräts mit der zu prüfenden Schaltung oder dem zu prüfenden Gerät verbunden. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, sollten Messspitzen keinen Kontakt zu anderen Teilen der Schaltung haben. Bei digitalen Geräten muss die Anzeige ggf. vor der Messung auf null kalibriert werden. Das erhaltene Ergebnis wird anschließend mit den zu erwartenden Spannungen verglichen und ausgewertet, ob es sich im Normbereich befindet.

Optische Messtechnik

Zu optischen Messtechniken zählen z.B. Industriekameras, die auf das Prüfobjekt gerichtet werden und über einen PC verbunden sind. Die Kamera nimmt hochauflösende Fotos auf anhand derer anschließend am PC Kenngrößen wie z.B. Durchmesser berechnet werden. Die Auflösung reicht bis in den Mikrometerbereich. Optische Messtechniken sind sehr flexibel, sie eignen sich für verschiedenste Werkstücke. Das Prinzip funktioniert über die Schattenkanten der Objekte: Alles, was im Schatten abbildbar ist, lässt sich über optische Messtechnik ausmessen. Dennoch sind der optischen Messtechnik auch Grenzen gesetzt: Besonderheiten wie Nuten, Bohrungen oder Verzahnungen bei Wellen lassen sich so nicht abbilden. In diesen Fällen bietet es sich an, die optischen Messtechniken durch taktile Messtechniken zu ergänzen. Ein Messtaster kann z.B. eine Verzahnung abtasten und ausmessen.

Akustische Messtechnik

Akustische Messtechniken nutzen verschiedene Größen wie die Laufzeit von Ultraschallwellen oder Reflexionsmuster zur Identifikation von Defekten, Unregelmäßigkeiten oder Materialveränderungen. Sie agieren komplett zerstörungsfrei. Ultraschallsensoren z.B. arbeiten mit der Ausbreitung und Reflexion von Schallwellen. Der Sensor wird an einer Seite an das Werkstück gehalten, die Kontaktfläche ggf. über ein Koppelmittel wie Gel vergrößert, und dann werden die Schallwellen in das Werkstück geleitet. Am anderen Ende werden sie entweder von einem angebrachten Anschlag oder auch ohne diesen reflektiert und zum Ausgangspunkt zurückgesendet. Der Sender wird dann zum Empfänger. Befinden sich nun Hohlräume im Werkstück, würden diese das Reflexionsecho viel zeitiger zurücksenden und als sogenanntes Fehlerecho in der Auswertung aufgezeichnet werden. Ultraschallsensoren können auch in schwer zugänglichen Stellen, wie z.B. Bohrungen eingesetzt werden.

3D-Messtechnik

In der 3D-Messtechnik werden präzise dreidimensionale Messungen von Objekten durchgeführt. Sie ermöglicht die Erfassung von Daten über die geometrischen Merkmale und die räumliche Struktur von dreidimensionalen Objekten. Die 3D-Messtechnik kann verschiedene Techniken wie Laserscanning, Streifenprojektion, Stereovision, Koordinatenmessmaschinen (CMMs) und viele andere umfassen.

Ein Koordinatenmessgerät funktioniert z.B. wie folgt: Ein CAD-Modell des zu prüfenden Werkstücks wird erstellt und in eine spezielle Software eingegeben. Das Werkstück wird anschließend im Koordinatenmessgerät platziert und seine Position mittels Vorabmessungen an die Software übertragen. Anschließend fährt das Gerät die Konturen anhand des CAD-Modells am realen Werkstück ab und gibt diese Informationen direkt in die Software weiter. Dort werden die realen Maße direkt mit den geforderten Maßen verglichen. An dieser Stelle werden auch gefundene Abweichungen, wie z.B. Toleranzüberschreitungen, direkt markiert. Voraussetzung für die 3D-Messtechnik ist natürlich ein gut aufbereitetes CAD-Modell.

Digitalisierung der Messtechnik

Die Digitalisierung der Messtechnik hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Dadurch konnten Effizienz, Genauigkeit und Flexibilität verbessert und die Integration in hochentwickelte automatisierte Fertigungsumgebungen ermöglich werden.

Folgende Vorteile ergeben sich aus der Digitalisierung:

• Vernetzung und Integration: Messtechnik wird immer häufiger in vernetzte Systeme und Industrie-4.0-Umgebungen integriert. Dies ermöglicht die Übertragung von Messdaten über das Internet der Dinge (IoT) und die nahtlose Integration von Messtechnik in Produktionsprozesse.
• Datenverarbeitung und -analyse: Durch die digitale Erfassung der Messdaten lassen sich komplexere Berechnungen sowie statistische Auswertungen leichter erstellen und für fundierte Entscheidungen herangeziehen.
• Automatisierung: Messprozesse können automatisiert werden (z.B. Messgeräte automatisch gesteuert werden).
• 3D- und Bildverarbeitung: Komplexere 3D-Modelle und Oberflächenanalysen sind möglich.
• Fernüberwachung und Fernsteuerung: Messungen können aus der Ferne durchgeführt werden, was vor allem in gefährlichen oder schwer zugängigen Umgebungen eine Erleichterung bietet.