Präzisionsmessung 101: Essentielle Messtechnik für Fertigungsexzellenz

Ob Sie ein Luftfahrtblatt, einen Automobil-Zylinderkopf oder ein Ventil an einem Beatmungsgerät fertigen – Präzision in der Fertigung ist entscheidend. Hier erfahren Sie, was Sie über Präzisionsmessung in der Fertigung wissen müssen.

Der Bedarf an Präzisionsmessung besteht, solange Menschen Orte erreichen und Dinge bauen. Ohne sie gäbe es keine Möglichkeit, über die Marschstrecke Ihrer Armee, die Höhe Ihrer Pyramide oder die Ausdehnung Ihrer Ackerflächen zu prahlen.

Erst als Menschen begannen, austauschbare Komponenten in Serie zu fertigen – primär Schusswaffen und Maschinenteile –, wurde Genauigkeit (Accuracy) für Hersteller und Nutzer ihrer Produkte genauso wichtig wie Präzision (Precision).

Genauigkeit? Präzision? Was ist der Unterschied? Ein beliebtes Beispiel: Ein präziser Bogenschütze trifft wiederholt denselben Bereich auf der Zielscheibe, auch wenn der weit vom Bullseye entfernt ist. Ein genauer Schuss trifft das Bullseye, egal ob der nächste danebengeht. Der Preis geht an den, der beides erreicht – Präzision und Genauigkeit – ein Qualifikator, der auf dem Bogenschießstand genauso gilt wie auf dem Shopfloor.

Die internationale Sprache der Messung

Solche Diskussionen fallen in den Bereich der Messtechnik (Metrologie), der Wissenschaft des Messens. Messtechniker sagen: Die Bestimmung der Genauigkeit eines Objekts (wie nah am Ziel) und der Präzision des Herstellungsprozesses (wie oft die Leistung wiederholbar ist) erfordert ein System universell anerkannter Standards.

Es erfordert auch Maßeinheiten, die auf unveränderliche, aber gut verstandene physikalische Phänomene zurückführbar sind. Beispiel: Das Internationale Einheitensystem (SI) definiert 1 Meter als die Strecke, die Licht im Vakuum in 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt – mit ähnlichen Standards für Zeit, Temperatur, Masse u. a.

Eine breite Palette solcher Qualitätsstandards und Organisationen existiert. Die American Society of Mechanical Engineers (ASME) fördert amerikanische Nationalstandards in dimensionaler Messtechnik (B89). Ebenso gibt es Standards von ANSI, ASTM International und ISO. Hinzu kommt die imperial vs. metric Diskussion (USA vs. Rest der Welt) – schnell wird klar, warum Messtechnik und Teilevermessung selbst Experten verwirren können.

Diese Standards einzuhalten, erfordert Aufwand. Hersteller aller Größen und Spezialisierungen arbeiten hart, um jährlich ISO 9001:2015 Zertifizierung zu erreichen. In der Luftfahrt gilt zusätzlich AS9100 (SAE & AECMA). Medizintechnikhersteller müssen ISO 13485 erfüllen, Automobilhersteller folgten lange ISO/TS 16949 (jetzt Übergang zu IATF 16949). Keine Zertifizierung/keine Einhaltung = keine Aufträge.

Dramatischer Wandel der Messtechnologie

Wie die meisten Fertigungsaktivitäten ist Messtechnik ein komplexes Feld. Und während Shops etwas Harmonisierung und Vereinfachung begrüßen würden, wird niemand die Wichtigkeit robuster Qualitätsstandards bestreiten. Ohne sie passen Teile nicht, Produkte scheitern, Unternehmenswachstum (und gelegentlich Menschenleben) sind gefährdet. Deshalb sollten Hersteller fleißig daran arbeiten, anwendbare Standards zu verstehen und einzuhalten: Dokumentation lesen, Kurse/Seminare besuchen, eigene Qualitätsrichtlinien erfüllen, Experten konsultieren.

Einer dieser Experten ist Dan Skulan, General Manager Industrial Metrology bei Renishaw Inc. Er sagt: Messtechnologie durchläuft einen dramatischen Wandel, da Hersteller überall versuchen, mehr mit weniger zu erreichen.

„Die Zeiten, in denen jemand an der Maschine stand, Mikrometer in der Hand, gehen zu Ende“, sagt Skulan. „Immer mehr Shops stellen KMG (Koordinatenmessgeräte) und Multifunktions-Messsysteme wie unser Equator auf den Shopfloor oder nutzen Tastsysteme in CNC-Werkzeugmaschinen als integralen Teil des Bearbeitungsprozesses.“

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Diese automatisierten Inspektionstechnologien erhöhen Flexibilität bei Kostensenkung, fügt er hinzu. Da ein einzelnes Gerät mehrere Messungen durchführen kann, entfällt der Bedarf an dedizierten Hartlehren, die lange Branchenstandard waren. Und da diese Systeme keine menschlichen Fehler machen (Vergessen, ein Feature zu prüfen oder eine Dimension zu protokollieren), ist der Qualitätsprozess konsistenter und zuverlässiger. Dimensionsrückmeldung ist automatisch und sofort. Menschen können alarmiert werden, wenn Werte vom Nennmaß abweichen, oder das Gerät kann die Werkzeugmaschine notfalls abschalten.

Patrick Sullivan, Strategic Distribution Sales Specialist bei Mitutoyo America Corp., sieht es etwas anders.

„Automation ist ein langjähriger Trend, aber diese Fertigungsart passt nicht für jeden und jedes Teil“, sagt er. „Es gibt sehr wohl einen Platz für versierte Zerspaner, die eine Werkzeugmaschine bedienen und mit manuellen Messwerkzeugen präzise Messwerte nehmen – was ihnen erlaubt, Entscheidungen on the fly zu treffen, die kein Roboter kann. Nicht nur kann der heutige Zerspaner Prozesse auf dem Shopfloor verbessern, mit Datenerfassungssendern kann die Qualitätsabteilung auch gute, zuverlässige Daten erhalten und proaktiver auf Fertigungsherausforderungen reagieren.“

Messtechnik: Die neuesten digitalen Entwicklungen

Mehr automatisierte Inspektionsgeräte sind nicht der einzige dramatische Wandel – Teile ändern sich auch.

„Automotive schwenkt auf E-Fahrzeuge mit Batterien, Motoren, Sensoren, die wir noch nie messen mussten“, sagt Mitutoyos VP of Sales, Michael Creney.

„Gleichzeitig verschärfen mehrere Schlüsselindustrien ihre Anforderungen. Medizintechnikhersteller brauchen z. B. elektronische Signaturen, Audit-Trails und spezifische Login-Credentials für FDA-Richtlinien“, fährt Creney fort. „Und die Luftfahrt drückt stark auf Digital Twins und Model-Based Engineering. Deswegen enthalten immer mehr CAD-Modelle Product Manufacturing Information (PMI), die wir in unserer MeasurLink, MiCAT Planner und anderer Qualitätssoftware nutzen können.“

Ein weiteres Akronym: QIF – Quality Information Framework. Creney schlägt vor, QIF als Nachfolger von DMIS (Dimensional Measuring Interface Standard) zu sehen, dem Quasi-Standard, unter dem KMG und andere automatisierte Messgeräte lange operierten. Doch diese jahrzehntealte Sprache entwickelt sich weiter, da a) Messsysteme automatisierter werden und b) mehr digitale Informationen verfügbar werden.

„DMIS ist eine Spezifikation, die jeder anders interpretiert, und der die Robustheit für eine digitale Fertigungsumgebung fehlt“, sagt er. „Aber QIF ist eine ganz andere Welt. Die Fähigkeit, eine CAD-Datei zu importieren und die Qualitätssoftware relevante Dimensions- und Toleranzdaten extrahieren zu lassen, um eine automatisierte Messroutine zu erstellen – das ist eine riesige Entwicklung, die wir voll unterstützen. QIF wird alles verändern.“

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Ohne präzise Messungen in der Fertigung passen Teile nicht, Produkte scheitern, Kunden können gefährdet sein.

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