INSPIRE

Interferometrische Abstandssensorik mit autonomen Subsystemen für Präzisions-Inline-Messungen zur Regelung automatisierter Fertigungsprozesse (INSPIRE)

Präzise und effizient fertigen

Die Toleranzen metallischer Halbzeuge und Bauteile liegen für hochpräzise Werkstücke heute im Bereich einiger Mikrometer. Im Sinne einer energie- und ressourcensparenden Fertigung, die praktisch keinen Ausschuss mehr produziert, ist es erforderlich, die Maßhaltigkeit nicht nur zuverlässig, sondern direkt im Fertigungsprozess inline zu prüfen. Einem Driftverhalten im Maschinengerüst oder dem Verschleiß von Werkzeugen kann so durch automatisierte Anlagenregelungen unmittelbar entgegengewirkt werden. Inline-Messverfahren, die heute zur Regelung der Fertigung genutzt werden, erreichen allerdings noch nicht die zur Qualitätssicherung erforderliche Genauigkeit.

Abstandssensoren messen dimensionelle Spezifikationen metallischer Präzisionswerkstücke wie Längen, Dicken, Durchmesser, Tiefen, Profile, Rauheit usw. Optische Verfahren sind für Inline-Abstandsmessungen prädestiniert, da sie flexibel einsetzbar sind und das zu vermessende Werkstück nicht berühren.

Digitale Optik misst mit Submikrometer-Genauigkeit

Interferometrische Methoden messen Abstände mit höchster Genauigkeit. In Vorversuchen zur Vermessung von Metallbändern, Einschweißtiefen und Nockenwellen wurden die Parameter einer absolut-messenden interferometrischen Abstandssensorik von erfahrenen Mitarbeitern entsprechend der jeweiligen Messaufgabe optimal eingestellt, aber es bestand keine Möglichkeit, die Parametrierung während der Messung innerhalb von Millisekunden oder sogar Mikrosekunden an sich dynamisch ändernde Werkstückeigenschaften anzupassen.

Im Mittelpunkt des geplanten Förderprojekts zur „Digitalen Optik“ steht die Wechselbeziehung zwischen der Messstrahlung der interferometrischen Sensorik und den Rückstreueigenschaften der Werkstücke mit technischen Oberflächen. In die interferometrische Sensorik werden drei autonom arbeitende Subsysteme integriert, deren Regelzeitkonstanten sich um ca. sechs Größenordnungen unterscheiden, um auf verschiedene Oberflächenbeschaffenheiten (Rauheit, Absorptionsvermögen), komplexe geometrische Werkstückformen (Stufen), Relativbewegungen zwischen Sensorik und Werkstück (Schwärmbewegung) und Änderungen der Neigung der Oberfläche (Schrägen) zu reagieren.

Ziel der Arbeiten des Projekts INSPIRE ist die Bereitstellung einer absolut-messenden interferometrischen Abstandssensorik zur gleichzeitigen Erfassung makroskopischer und mikroskopischer geometrischer Werkstückeigenschaften metallischer Halbzeuge im Fertigungsprozess. Zur Steigerung des Dynamikumfangs um das 20-fache werden erstmals drei Subsysteme in die Sensorik integriert, die ihre Parameter in Echtzeit an die oben genannten Eigenschaften des zu vermessenden Werkstücks in einer Fertigungslinie anpassen. Diese drei optoelektronischen Regelkreise reagieren auf verschiedene Ursachen sich dynamisch ändernder Rückstreueigenschaften des Messobjekts, so dass innerhalb eines Messbereichs von mindestens 20 mm zukünftig nicht nur unter Laborbedingungen, sondern auch unter Produktionsbedingungen eine Messunsicherheit von 250 nm erreicht wird.

Ansprechpartner

Dr.Nikolas Knake
+49 211 6214-570

Projektdetails

Koordinator

Dr. rer. nat.Stefan Hölters
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)
Steinbachstr. 15, 52074Aachen
+49 241 8906-436

Projektvolumen

ca. 1,1 Mio. € (Förderquote 53,5%)

Projektdauer

01.04.2017 - 30.06.2020

Projektpartner

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)Aachen
Beratron GmbHAachen
Friedrich Vollmer Feinmeßgerätebau GmbHHagen
LSA - Laser Analytical Systems & Automation GmbHAachen
HIGHYAG Lasertechnologie GmbHKleinmachnow