Maschinen-QC durch kommenden ISO 230-13 Standard aufwerten

Maschinen-QC steht vor einem tiefgreifenden Wandel. Laut Steffen Hailer, Produktmanager und Applikationsingenieur bei AfM Technology in Aalen, Deutschland, wird ein bald zu veröffentlichender ISO-Standard (ISO 230-13) den Prozess definieren, durch den eine Werkzeugmaschine so kalibriert werden kann, dass ihre Tastmessungen von der Qualitätsabteilung akzeptiert werden.

Das bedeutet nicht, dass die Werkzeugmaschine immer so genau ist wie ein typisches KMG (Koordinatenmessgerät). Aber Produktion und QC sprechen dieselbe Sprache, und die Maschinenmessungen sind für QC nutzbar. Das bietet Vorteile: bessere Prozesskontrolle und niedrigere Qualitätskosten.

Volumetrische Fehlerkompensation (VEC) ist vielleicht der wichtigste Faktor, der es einer Werkzeugmaschine ermöglicht, akzeptable QC zu leisten. Aber selbst wenn Sie noch Offline-Geräte für die Endprüfung nutzen (was allgemein der Fall sein wird), bieten die neuesten VEC-Methoden den besten Weg, um hohe Genauigkeit bei der Fertigung komplexer Teile sicherzustellen.

Beispiel: Art Kietlinski, Operations Manager bei Automated Precision Inc. (API) in Rockville, Maryland, sagt, deren Kompensationspaket verbessert die volumetrische Genauigkeit einer Mehrachs-Werkzeugmaschine um das Vier- bis Fünffache, manchmal sogar mehr. „Typischerweise sehen wir eine Maschine mit maximalem volumetrischen Fehler an der Werkzeugspitze von sagen wir 0,3 bis 0,5 Millimeter vor Kalibrierung. Nach Kalibrierung liegen wir bei etwa 0,075. An einer 5-Achs-Maschine betrachten und verbessern wir alle 43 möglichen Fehler.“ [Siehe „Keeping Machines Honest with Advanced Calibration, Optimization“, Manufacturing Engineering, Juni 2019, für Erklärung der 43 möglichen Werkzeugmaschinenabweichungen.]

API macht dies durch Kombination eines Lasertrackers mit ihrem „Active Target“, erklärt Ron Hicks, VP Product Management und Marketing. „Active Target ist ein kleiner motorisierter Reflektor, der in der Spindel montiert wird. Er erlaubt dem Lasertracker, die Werkzeugspitzenposition der Maschine aus einer einzigen Instrumentenposition präzise zu messen.“ Das ist signifikant, so Hicks, weil der VEC-Prozess die Spindel in Echtzeit durch alle Maschinenachsen bewegt während des Messprozesses. Das wäre mit einem Standard-Lasertracker-Reflektor nicht möglich, da der Strahl an verschiedenen Punkten im Maschinenvolumen unterbrochen würde. Hicks fügt hinzu: „Im Gegensatz zu konventionellen Laserprozessen muss unser System nicht an die Hauptachsen einer Werkzeugmaschine ausgerichtet werden. Das hat dramatische Vorteile in Geschwindigkeit und Genauigkeit… Wir konnten zwei Maschinen an einem Tag kompensieren.“

APIs System misst „alle möglichen Maschinenposen“, ergänzt Kietlinski, sodass in großem Maschinenvolumen (z. B. 10 m) bis zu 250 Punkte erfasst werden. Daraus generiert die proprietäre Software Koeffizienten für die Polynome, die die nötigen Fehlerkorrekturen für jede Achse berechnen. Wie Kietlinski erklärt, ist das komplexe Mathematik, weil „die Fehler nicht notwendigerweise linear sind. Man landet vielleicht bei einem Polynom zweiter oder dritter Ordnung, das gelöst werden muss.“

Northrop Grummans Werk in Palmdale, Kalifornien, ist eine von mehreren Erfolgsgeschichten, so Hicks. Das Werk nutzt große 5-Achs-Portalmaschinen für alle Trim- und Lochbohrarbeiten am gesamten F-35-Rumpf, und API besucht jährlich zur VEC an jeder Maschine. Gleichzeitig, so Kietlinski, bearbeiten Lockheed Martin und Israeli Aerospace Flügelabschnitte an Horizontalmaschinen, die API ebenfalls betreut.

Es gibt Grenzen. Ein jüngster Besuch bei einem Michigan-Unternehmen, das hochwertige Werkzeuge, Prototypen und Kleinserienfertigung produziert, führt eine Warnung ein.

Grenzen verstehen

Kietlinski berichtet, dass das Michigan-Unternehmen API einlud, ihre Ausrüstung an einer 5-Achs-Maschine zu demonstrieren, die bereits VEC basierend auf einer 21-Fehlerkarte durchlaufen hatte, „was die Norm für die meisten Maschinen und KMGs ist“. Wie Kietlinski erklärt: „All diese Kalibrierungen setzen voraus, die Maschine hat einen starren Körper, was bedeutet, alle Winkel- und Fehler wären gleich über den Achsenverlauf durch das Volumen. Also egal, wo ich die X-Achse durch das Volumen fahre, wenn ich Nicken, Gieren und Rollen messe, erhalte ich dieselben Winkeldaten. Aber das ist auf diesen größeren Maschinen nicht immer der Fall.“ Das liegt meist an nicht parallelen Führungen, sagt er. Das erzeugt Spannung in Maschine und Antrieb, was „Lastströme ansteigen lässt und diverse andere Probleme.“

Als Erstes prüfte Kietlinski die Geradheit der Linearschienen, was mit dem Lasertracker unter einer Stunde dauert. Er fügt hinzu, dass es meist einen direkten Zusammenhang zwischen Geradheit und anderen geometrischen Fehlern wie Nicken, Gieren, Rollen und Rechtwinkligkeit gibt, „weil man Rechtwinkligkeit nicht einmal bewerten kann, wenn man nicht gerade ist.“ In diesem Fall fand er Fehler bis 200 bis 250 Mikrometer (0,010 Zoll). API führte eine vollständige Ausrichtung durch, „sogar den Brückenrahmen lösen und mechanisch rechtwinklig ausrichten. Dann wandten wir die 21-Fehler-Korrekturkarte an. An diesem Punkt… waren die Winkel- und Fehler über die Maschine gleich, und wir konnten die Maschine zehnfach gegenüber der vorherigen Kalibrierung verbessern.“

Das ist largely auf die verbesserte mechanische Ausrichtung zurückzuführen, betont Kietlinski. „Je besser die Maschine mechanisch ausgerichtet ist, desto besser die Kalibrierungsergebnisse.“ Umgekehrt: „Man kann eine Maschine, die nicht mechanisch ausgerichtet ist, nicht nehmen und versuchen, alles mit Software zu reparieren.“

In-Prozess-Fehler korrigieren

Innerhalb der besprochenen Grenzen kann VEC bemerkenswerte Verbesserungen an geometrischen Ungenauigkeiten einer Maschine bewirken. Aber was ist mit „arbeitsbedingten Ungenauigkeiten“, den zusätzlichen Fehlern, die während der Bearbeitung durch Betriebsspannungen, thermische Instabilität und andere Faktoren entstehen? Bill Malanche, COO von Mitsui Seiki (USA) in Franklin Lakes, New Jersey, listet die Hauptursachen für Ungenauigkeit als „verlorene Bewegung, Wärme und Design. Verlorene Bewegung arbeitet sich in viele Aspekte ein, lässt sich aber durch geometrische Ausrichtung und Passung zusammenfassen.“ Mit VEC, das die anderen Faktoren adressiert, tritt thermische Instabilität als vielleicht primäre Quelle von In-Prozess-Fehlern hervor. Und je größer die Maschine, desto mehr Variation könnte man in tatsächlicher versus nomineller Werkzeugposition sehen.

Ein Ansatz: die interne Tastsonde der Maschine nutzen, um die Abweichung zu berechnen und zu kompensieren. Doug Schulte, Business Development Manager bei Select Machining Technologies in Windsor, Connecticut, sagt, deren Soraluce-Maschinen „tasten eine Qualifikationskugel an mehreren voreingestellten Punkten an. Das tun sie für viele Kopf- und Achsenpositionen. Software vergleicht die gemessenen Punkte mit dem kinematischen Modell der Maschine und nimmt nötige Kompensation vor, um den Werkzeugmittelpunkt in der Maschinengeometrie sicherzustellen.“ Soraluce nennt dies Dynamic Head Calibration (DHC), und Schulte sagt, es ist ein gängiges Feature in 5-Achs-Maschinen. [Manufacturing Engineering behandelte Okumas Version im Juni-2019-Artikel.]

Soraluce-Maschinen sind generell mit mehreren 2-Achs-Köpfen ausgestattet, und DHC dauert 25 bis 30 Minuten für den gesamten Messzyklus. Es ist für periodische Vor-Bearbeitungskompensation ausgelegt, wie VEC. Aber Soraluce hat ein zusätzliches Feature namens Accura Heads, das mögliche In-Prozess-Fehler adressiert und nur ein bis zwei Minuten dauert. Diese Option nutzt dieselbe Sonde und Messkugel, läuft aber im Bearbeitungsprogramm, erklärt Schulte.

„Wenn Sie ein Merkmal an einem Teil bearbeiten, das in einem spezifischen Winkel liegt und dieser Winkel sehr kritisch ist, können Sie die Accura-Heads-Routine nutzen, um den Winkel und die Werkzeugspitzenposition für diese spezielle Orientierung zu verifizieren. Dann macht es den Offset für dieses eine Werkzeug. Sie führen diesen Tastzyklus unmittelbar vor dem Ausführen jenes Vorgangs durch.“

Schulte deutet auch an, dass für engere Toleranzen bei bestimmten Maschinendesigns der Nutzer die Kugel näher an den Bearbeitungsbereich montieren sollte, abhängig von der Maschinengröße. „Soraluce hat Maschinen mit Längsweg von über 60 Metern gebaut“, fügt er hinzu. Man kann sich leicht vorstellen, dass äußere Einflüsse eine Abweichung zwischen tatsächlicher und nomineller Positionierung so weit draußen verursachen könnten.

Der Bearbeitungs/QC-Handshake

Eine „kompensierte Maschine“ als gegeben, können Bediener die Möglichkeit in Betracht ziehen, die Tastsonde der Werkzeugmaschine für QC-Funktionen zu nutzen. Der neue ISO 230-13 Standard wird die Anforderungen definieren und dies in Bezug auf ISO 10360 tun, den Standard für KMGs. Die Schlüsselspezifikation, an der KMGs beurteilt werden, ist ihr maximaler zulässiger Fehler (MPE) Wert. Ein Abnahmetest misst sieben Orientierungen (vier Raumdiagonalen, plus je eine entlang X, Y und Z) mit entweder einem Stufenlehrdorn oder Laser in Kombination mit einer Messkugel. Um den Test zu bestehen, darf die maximale Abweichung (E0) nicht größer sein als der MPE.

Wie Hailer erklärt, definiert der neue ISO-Standard das Abnahmeverfahren und die benötigten Werte genauso klar für Werkzeugmaschinen, aber es ist ein neues Konzept für Maschinenbauer. „Momentan kennt kein Werkzeugmaschinenbauer die Größe ihres MPE. Sie müssen das Verfahren zur Bestimmung eines solchen Werts lernen und dann herausfinden, was es ist. Das ist einer der Services, die wir OEMs anbieten.“ Sobald ein Builder diesen Wert für eine gegebene Maschine bestimmt hat – und er vor Ort verifiziert wurde, genau wie bei einer KMG-Installation – könnte ein Anwender eine Endteilprüfung an der Maschine durchführen, sie nie auf ein KMG legen, und das Teil mit einem Bericht ausliefern, der die Messgenauigkeit dokumentiert.

Ob der MPE einer Werkzeugmaschine für den Endanwender akzeptabel ist, ist eine andere Frage. Aber es scheint wahrscheinlich, dass höherpräzise Maschinen für mindestens einige Anwendungen zufriedenstellende QC erfüllen. Das gilt besonders für sehr große Teile, beobachtet Béat Ries, Grinding Products Manager bei Mitsui Seiki. „Man zahlt viel Geld für ein großes KMG, besonders wenn man Ultra-Hochgenauigkeit will. Die Zahlen sind astronomisch. Es scheint, niemand kann eine wirtschaftliche Lösung bieten.“

Es gibt mehr, sagt Ries. Nur den MPE eines KMG oder einer Werkzeugmaschine zu kennen, reicht nicht, um Luftfahrt- oder Automobilstandards zu erfüllen. Denn die verlangen „einen Unsicherheitswert neben jeder Messung oder Validierung an Teilen.“ Während viele den MPE allein als „Genauigkeit“ einer Maschine betrachten, erfasst die Zahl nicht die Messvariationen – und zusätzlichen Ungenauigkeiten – die in der realen Welt auftreten. Beispiel: „Temperaturschwankungen in der Werkstatt erzeugen unterschiedliche Messungen. Wenn ein KMG einen MPE von 1,9 plus L/250 Mikrometer hat, könnte die berechnete Unsicherheit 3 Mikrometer pro Meter betragen. Misst man über einen Meter, suggeriert der MPE-Wert Genauigkeit innerhalb von 5,9 Mikrometer. Addiert man den Unsicherheitswert, sieht man, dass man tatsächlich innerhalb von plus/minus 8,9 Mikrometer misst.“

Den Mikrometer spalten

Ein Shop, der Messung extrem ernst nimmt, ist der treffend benannte Precision Grinding Solutions (PGS) in Hamden, Connecticut. Inhaber Curt Reed hält es für essenziell, festen Griff auf ihr QC zu haben, inklusive Unsicherheitsmessungen, weil sie rotierende Strahltriebwerksteile für große OEMs wie Pratt & Whitney sowie Tier-1- und -2-Luftfahrtlieferanten schleifen. PGS hat sogar einen Vertrag, Lehren für mehrere Pratt-Standorte zu kalibrieren.

PGS besitzt ein Zeiss PRISMO ultra KMG, das Reed als „Referenzklasse“-Maschine bezeichnet. Das KMG weist einen E0 von 0,5 + L/500 µm auf, und PGS bestimmt den Unsicherheitsbudget „auf die altmodische Art. Man nimmt ein bekanntes Artefakt, sagen wir eine der Pratt-Lehren, die wir kalibrieren, und misst ein kritisches Merkmal 50-mal. Dann untersucht man diese Datenstreuung, berücksichtigt Faktoren wie Raumtemperaturänderungen, steckt all das in eine langjährige Formel und kommt auf eine Unsicherheitszahl.“

Jetzt implementiert PGS eine neue Methode für noch besseren Griff auf Messunsicherheit: Virtual CMM (VCMM). Reed erklärt, VCMM ist ein Plug-in-Modul für Zeiss‘ Calypso Executive Softwarepaket, das „ermöglicht, eine weitere Spalte in Ihren Berichten einzufügen, die die Unsicherheit jeder einzelnen Messung anzeigt.“ Darüber hinaus erfasst es all die anderen Fehler, die Laserkalibrierung nicht berücksichtigt, fügt Reed hinzu.

PGS arbeitet mit AfM zusammen, um die dafür nötigen Daten zu erfassen, was Reed sagt, über Temperaturschwankungen und Vibrationen hinausgeht. „Zum Beispiel berücksichtigt es, ob Sie einen langen Taster mit dünnem Schaft oder einen kurzen stämmigen nutzen. Wie ist die Biegesignatur der Maschine? Wenn Sie die Maschine messen, wie sieht die tatsächliche Geometrie aus, die Skalen, die Führungen… Wie sieht all das aus?“ AfM wird all das durch eine Reihe spezieller Messungen mit einem Satz Artefakte bestimmen, die diverse Kugeln und Stufen enthalten. Dann laufen Fehlerdateien im Hintergrund, um die Unsicherheit zu bestimmen.

Zusammenfassend, sagt Reed: „VCMM ist ein viel modernerer, umfassenderer Weg, Unsicherheit für das Gesamtsystem und das Labor zu untersuchen. Es basiert nicht nur auf einem Artefakt. Es qualifiziert durch all die Messungen, die AfM macht, und es qualifiziert das gesamte Messvolumen des KMG, nicht nur einen lokalen Bereich, wo Sie eine Lehre testeten.“

Einmal fertig, kommentiert Reed, werden die neuen Berichte das Qualitätsbild schlechter aussehen lassen, „weil es einen besseren Job macht, Merkmal für Merkmal. Wenn Sie diese Funktion einschalten, sehen Sie die Unsicherheit jedes einzelnen Merkmals, das auf jedem Programm läuft. Wenn Sie etwas messen, das ‚auf den Mikrometer‘ gewesen wäre, und Sie addieren die Unsicherheit, vielleicht sind es 1,15 Mikrometer. Aber es liefert eine echte, wahrheitsgetreue Untersuchung der Unsicherheit des Gesamtsystems.“

Reeds System ist bereits exzellent. PGS hat ein Top-KMG und sein Labor ist temperaturstabil auf ein Drittel Grad Fahrenheit. Aber sie haben weitere Investitionen getätigt, um Unsicherheit zu begrenzen: „Wir kauften AfMs Software und Messartefakte für bessere Kontrolle der Maschinengenauigkeit. Wir kauften auch einen 700-Millimeter-Stufenlehrdorn, identisch mit dem, den Zeiss Service nutzt. Unsere Absicht: verstehen, wo die Maschine jederzeit steht.“

PGS wird sich nicht mehr allein auf jährliche Kalibrierungen vom OEM verlassen, da diese nur einen Momentaufnahme darstellen. Reed sagt, diese Besuche kosten signifikant Geld und lassen einen immer noch fragen, wie die Maschine das restliche Jahr performt. „Wenn der OEM in einem Jahr zurückkommt und die ‚as-found‘-Kalibrierung nicht in Spec ist, stellt das jedes Produkt infrage, das Sie mit der Maschine akzeptiert haben. Wir sind nicht mehr bereit, dieses Risiko einzugehen. Wir versuchen, wöchentliche, sogar tägliche Untersuchungen unserer KMGs durchzuführen.“