Grundlegende Metrologie:Was Sie über Präzisionsmessungen wissen müssen

Ob Sie eine Luft- und Raumfahrtschaufel, einen Automobil-Zylinderkopf oder ein Ventil an einem Beatmungsgerät herstellen, Präzision in der Fertigung ist entscheidend. Hier ist, was Sie über Präzisionsmessungen in der Fertigung wissen müssen.

Der Bedarf an Präzisionsmessungen besteht, seit Menschen unterwegs sind und Dinge bauen. Ohne sie gäbe es keine Möglichkeit, mit der Entfernung, die Ihre Armee zurückgelegt hat, der Höhe der Pyramide, die Sie gebaut haben, oder der Weite Ihrer Ackerflächen zu prahlen.

Aber erst als Menschen begannen, austauschbare Komponenten in Massenproduktion herzustellen – hauptsächlich Schusswaffen und Teile für Maschinen –, wurde Genauigkeit für Hersteller und diejenigen, die ihre Produkte verwenden, gleichermaßen wichtig.
 

Genauigkeit? Präzision? Was ist der Unterschied? Um einer populären Illustration zu entlehnen, kann ein Präzisionsbogenschütze wiederholt denselben Bereich auf einem Ziel treffen, selbst wenn dieser Punkt nicht in der Nähe des Bull's Eye liegt. Ein genauer Schuss hingegen ist einer, der ins Schwarze trifft, unabhängig davon, ob der nächste Schuss daneben geht. Die Person, die den Preis mit nach Hause nimmt, ist diejenige, die beides erreichen kann – Präzision und Genauigkeit – ein Qualifikationsmerkmal, das für die Bogenschießanlage ebenso gilt wie für die Produktionshalle.

Die internationale Sprache des Messens

Diskussionen wie diese fallen in den Bereich der Metrologie, der Wissenschaft des Messens. Metrologen werden Ihnen sagen, dass die Bestimmung der Genauigkeit eines Objekts (wie nah es an das Ziel kam) und der Präzision des zu seiner Herstellung verwendeten Verfahrens (wie oft es diese Leistung wiederholen kann) ein System allgemein anerkannter Standards erfordert.

Es erfordert auch Maßeinheiten, die auf unveränderliche – aber gut verstandene – physikalische Phänomene rückführbar sind. Beispielsweise definiert das Internationale Einheitensystem (SI) 1 Meter als die Entfernung, die Licht in einem Vakuum in 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt, mit ähnlichen Standards für Zeit, Temperatur, Masse und mehr.

Es existiert ein breites Sortiment solcher Qualitätsstandards und -organisationen. Die American Society of Mechanical Engineers (ASME) beispielsweise fördert die American National Standards in der Dimensionsmesstechnik, auch bekannt als B89. Ebenso gibt es verschiedene Normen des American National Standards Institute (ANSI), ASTM International und der International Organization for Standardization (ISO). Fügen Sie dazu die ganze Diskussion zwischen imperial und metrisch hinzu (auch bekannt als die Vereinigten Staaten und alle anderen), und Sie sehen schnell, warum Metrologie und Teilemessung selbst für Experten etwas verwirrend sein können.

Das Erfüllen dieser Standards erfordert Anstrengung. Hersteller aller Größen und Fachrichtungen arbeiten jedes Jahr hart daran, ihre ISO 9001:2015-Qualitätszertifizierung zu erreichen. Wenn Sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie tätig sind, müssen Sie auch AS9100 einhalten, ein Dokument, das von der Society of Automotive Engineers (SAE) und der European Association of Aerospace Industries (AECMA) veröffentlicht wurde. Hersteller medizinischer Geräte müssen die in ISO 13485 beschriebenen Qualitätsstandards erfüllen, während Automobilhersteller seit langem ISO/TS 16949 befolgen (aber jetzt auf den IATF 16949-Standard der International Automotive Task Force umstellen müssen). Keine Zertifizierung oder Einhaltung dieser Standards, keine Arbeit.

Der dramatische Wandel der Messtechnik

Wie bei den meisten Fertigungsaktivitäten ist die Metrologie ein komplexes Gebiet. Und auch wenn die Geschäfte ein wenig Harmonisierung und Vereinfachung begrüßen, wird keiner bestreiten, wie wichtig es ist, solide Qualitätsstandards einzuhalten. Ohne sie passen Teile nicht, Produkte versagen, das Unternehmenswachstum (und gelegentlich Menschenleben) sind in Gefahr. Aus diesem Grund sollten Hersteller sorgfältig daran arbeiten, alle Standards zu verstehen und einzuhalten, die für die von ihnen hergestellten Teiletypen und Branchen, in denen sie tätig sind, gelten. Dies bedeutet, die relevante Dokumentation zu lesen, Kurse oder Seminare zu besuchen, wenn verfügbar, die selbst auferlegten Qualitätsrichtlinien zu erfüllen und sich bei Bedarf auf Experten zu stützen.

Einer von ihnen ist Dan Skulan. Der General Manager für industrielle Messtechnik bei Renishaw Inc. sagt, dass die Messtechnik einen dramatischen Wandel erfährt, da Hersteller überall versuchen, mit weniger mehr zu erreichen.

„Die Zeiten, in denen jemand mit einem Mikrometer in der Hand an der Maschine stand, sind vorbei“, sagt Skulan. „Immer mehr Betriebe stellen KMGs (Koordinatenmessgeräte) und Mehrzweck-Messsysteme wie unseren Equator auf den Boden oder verwenden Messtaster in CNC-Werkzeugmaschinen als integralen Bestandteil des Bearbeitungsprozesses.“
 

Sehen Sie sich dieses Video an, um zu erfahren, wie Fortschritte in den Bereichen Maschinen- und Fabrikautomatisierung, 3D-Druck, Werkzeugbau sowie maschinenbasierte Messtechnik und Analytik zur Steigerung der Produktionsleistung beitragen:

Diese Arten von automatisierten Inspektionstechnologien erhöhen die Flexibilität und senken gleichzeitig die Kosten, fügt er hinzu. Da ein einzelnes Gerät mehrere Messungen durchführen kann, besteht weniger Bedarf für die dedizierte harte Messung, die seit langem in der gesamten Branche verwendet wird. Und da diese Systeme keine menschlichen Fehler machen, wie z. B. das Vergessen, ein Teilemerkmal zu prüfen oder eine Abmessung aufzuzeichnen, ist der Qualitätskontrollprozess konsistenter und zuverlässiger. Darüber hinaus erfolgt die dimensionale Rückmeldung automatisch und unmittelbar. Menschen können auch gewarnt werden, Maßnahmen zu ergreifen, wenn Werte vom Nennwert abweichen, oder das Gerät kann bei Bedarf sogar die Werkzeugmaschine abschalten.

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

„Automatisierung ist seit Jahren ein anhaltender Trend, aber diese Art der Fertigung ist nicht für alle oder jedes Teil geeignet“, sagt er. „Es gibt viel Platz für erfahrene Maschinisten, die eine Werkzeugmaschine bedienen und mit manuellen Messwerkzeugen genaue Messwerte erfassen können, wodurch sie in der Lage sind, im Handumdrehen die richtigen Entscheidungen zu treffen, die kein Roboter kann. Der Maschinist von heute kann nicht nur daran arbeiten, die Prozesse in der Fertigung zu verbessern, mit Hilfe von Datenerfassungssendern kann die Qualitätsabteilung auch gute, zuverlässige Daten erhalten und proaktiver auf Fertigungsherausforderungen reagieren.“

Messtechnik:Die neuesten digitalen Entwicklungen

Mehr automatisierte Inspektionsgeräte sind nicht die einzige dramatische Veränderung; Teile ändern sich ebenfalls.

„Die Automobilindustrie verlagert sich auf Elektrofahrzeuge mit Batterien, Motoren und Sensoren, die wir noch nie zuvor messen mussten“, sagt Michael Creney, Vice President of Sales bei Mitutoyo.

„Gleichzeitig verschärfen mehrere Schlüsselindustrien ihre Anforderungen. Medizinische Hersteller benötigen beispielsweise elektronische Signaturen, Audit-Trails und spezifische Anmeldeinformationen, um die FDA-Richtlinien zu erfüllen“, fährt Creney fort. „Und die Luft- und Raumfahrtindustrie drängt stark auf digitale Zwillinge und modellbasiertes Engineering. Aus diesem Grund enthalten jetzt immer mehr CAD-Modelle Produktherstellungsinformationen (PMI), die wir in unserem MeasurLink, MiCAT Planner und anderen Arten von Qualitätssoftware nutzen können.“

Hier kommt noch ein weiteres Akronym:QIF, kurz für Quality Information Framework. Creney schlägt vor, dass QIF als Nachfolger von DMIS (Dimensional Measuring Interface Standard) angesehen werden kann, dem Quasi-Standard, unter dem KMGs und andere automatisierte Messeinrichtungen lange Zeit betrieben wurden. Doch diese jahrzehntealte Sprache beginnt sich weiterzuentwickeln, da a) Messsysteme zunehmend automatisiert werden und b) eine größere Fülle digitaler Informationen verfügbar wird.

„DMIS ist eine Spezifikation, die jeder anders interpretiert und der es an Robustheit mangelt, die in einer digitalen Fertigungsumgebung benötigt wird“, sagt er. „Aber QIF ist eine ganz andere Welt. Die Möglichkeit, eine CAD-Datei zu importieren und Ihre Qualitätssoftware relevante Maß- und Toleranzdaten extrahieren zu lassen, um dann eine automatisierte Messroutine zu erstellen – das ist eine enorme Entwicklung, die wir voll und ganz unterstützen. QIF wird alles verändern.“

Quick Poll:Gewährleistung präziser Messungen

Ohne genaue Messungen in der Fertigung passen Teile nicht, Produkte versagen und Kunden können gefährdet werden.

Welche Schritte unternehmen Sie, um sicherzustellen, dass Ihr Unternehmen die Standards für Präzisionsmessungen einhält?