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3D-Messtechnik

Baugruppen im Montage-Prozess prüfen

Die Menschen verlangen nach individuellen Produkten. Daraus erwachsen für produzierende Unternehmen Anforderungen wie kleinere Losgrößen oder hohe Variantenvielfalt. Die hierfür benötigte Flexibilität ist auch in der Qualitätssicherung gefordert. Die optische Montageprüfung auf Basis modellbasierter Technologiebausteine bietet hierfür einen möglichen Ansatz.

Bild: Fraunhofer IFF

Der Wunsch nach Individualisierung ist eine gesellschaftliche Entwicklung, die auch die industrielle Montage vor neue Herausforderungen stellt. Dieser Trend geht mit stetig sinkenden Losgrößen, kurzen Produktlebenszyklen und einer hohen Variantenvielfalt einher. Moderne Montageprozesse in der industriellen Fertigung müssen den damit verbundenen Aufgabenstellungen gerecht werden. Dies gilt ebenso für die Qualitätssicherung in der Montage. Hier ist eine hohe Flexibilität erforderlich, ohne erhöhte Aufwendungen in der Arbeitsvorbereitung zu verursachen beziehungsweise Qualitätseinbußen hinzunehmen. Flexibilität solcher Prüfsysteme kann durch einen modellbasierten Lösungsansatz erreicht werden. Dazu werden digitale Geometrie- und physikalische Funktionsmodelle aller interagierenden Komponenten und Funktionsmodule genutzt.

So kann ein Funktionsmodul zur Prüfung zum Beispiel die digitalen 3D-CAD-Modelle des zu prüfenden Bauteils und des Prüfkopfes selbst sowie ein physikalisches Funktionsmodell des Prüfkopfes nutzen, um die Prüfung zu simulieren. Auf dieser Grundlage sind dann Arbeitsschritte wie die Prüfplanung und die Bereitstellung von Soll-Zuständen vollautomatisch und damit effizient durchführbar, auch für eine Stückzahl von Eins. Klassische Prüfsysteme – basierend auf Golden-Sample- oder lernbasierten Ansätzen – sind hierfür meist nicht effizient einsetzbar. Durch die kontinuierliche Veränderung der Prüfaufgabe wäre ein stetiges manuelles Einlernen der zugrunde liegenden Sollvorgaben mit extrem hohem Aufwand verbunden.

Optische Montageprüfung

Die optische Montageprüfung umfasst die Überprüfung verschiedener Montagezustände eines einzelnen Bauteils in Bezug auf eine komplette Montagebaugruppe. Typische zu überprüfende Montagezustände sind Anwesenheit, Richtigkeit und Lage. Der Soll-Montagezustand wird durch ein 3D-CAD-Modell definiert, der Ist-Montagezustand mit optischer Sensorik erfasst. Dazu kommen dreidimensional messende Verfahren, wie die Stereo-Bildverarbeitung, das Lichtschnittverfahren oder die Streifenprojektion zum Einsatz. Die resultierende 3D-Punktwolke kann mit dem 3D-CAD-Modell verglichen werden und gibt Aufschluss über den jeweiligen Montagezustand. Da üblicherweise Kameras in diesen optischen Sensorsystemen zum Einsatz kommen, stehen ebenfalls orientierte Bildinformationen für einen Soll-Ist-Vergleich zur Verfügung. Die dazu erforderlichen Soll-Informationen werden auf der Grundlage von Modellinformationen über das Bauteil und über die Messfunktionalität des Prüfsystems durch die Berechnung synthetischer Prüfdaten berechnet.

Anwendung im Flugzeugbau

Passagierflugzeuge wie der Airbus A380 sind individuelle Einzelstücke. Darin unterscheiden sie sich kaum von anderen Investitionsgütern wie Sondermaschinen oder Anlagen. Jede Fluggesellschaft legt Wert auf eine individuelle Innenausstattung und lässt die Flugzeuge an ihre speziellen Bedürfnisse anpassen. Während die eine Airline möglichst viele Sitzreihen unterbringen möchte, setzt die andere auf Komfort und gestattet den Passagieren etwas mehr Beinfreiheit. Ebenso sieht es etwa mit Monitoren, Gepäckfächern und Lüftungsanlagen aus. All diese Wünsche führen zu einer individualisierten Produktion mit Tausenden Klein- und Kleinstelementen, die an den jeweiligen Großbauteilen stets aufs Neue positioniert und montiert werden müssen.

Das macht die Montage und anschließende Qualitätskontrolle schwierig. Die Werker entnehmen die Vorgaben dafür aus Papierunterlagen und gleichen manuell Stück für Stück ab. Bei einem Flugzeug wie dem A380 beispielsweise ist die Zahl der zu prüfenden Teile gigantisch. Bis zu 40.000 Niete halten jede der zwanzig Rumpfschalen eines Flugzeuges zusammen. Zusätzlich müssen bis zu 2.500 Anbauteile jeweils auf Richtigkeit und korrekte Lage überprüft werden. Die Fehlerkontrolle ist aufwendig, eine nachträgliche Korrektur mitunter extrem teuer.

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