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Optische Messtechnik Digital-holographischer Sensor erstmals in einem Koordinatenmessgerät

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Physikalische Meßtechnik IPM
Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
ROHM Semiconductor GmbH
Vogt AG Verbindungstechnik

Die Koordinatenmesstechnik entwickelt sich von rein taktilen Geräten in Richtung Multisensorsysteme. Fraunhofer-Forscher haben nun weltweit erstmalig einen hochpräzise messenden digital-holographischen Sensor vollständig in ein Koordinatenmessgerät integriert.

Das Koordinatenmessgerät Leitz Infinity von Hexagon ist mit HoloTop NX des Fraunhofer IPM ausgestattet. Durch die Erweiterung um einen optischen Sensor ist eine flächige, hochauflösende Qualitätsprüfung kritischer Bauteilbereiche wirtschaftlich möglich.(Bild: Fraunhofer IPM)
Das Koordinatenmessgerät Leitz Infinity von Hexagon ist mit HoloTop NX des Fraunhofer IPM ausgestattet. Durch die Erweiterung um einen optischen Sensor ist eine flächige, hochauflösende Qualitätsprüfung kritischer Bauteilbereiche wirtschaftlich möglich.
(Bild: Fraunhofer IPM)

In der Fertigung, wie der Herstellung hochpräziser Elektronikkomponenten oder mikromechanischer Bauteile, stoßen herkömmliche Messverfahren oft an ihre Grenzen. Taktile Systeme liefern zwar Referenzwerte, benötigen für flächige Scans jedoch Minuten oder gar Stunden. Herkömmliche optische Sensoren haben Schwierigkeiten mit glänzenden Metalloberflächen oder erreichen nicht die geforderte Tiefenauflösung.

Multi-Wellenlängen-Holographie als Schlüssel

Der am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM entwickelte Sensor mit dem Namen „Holotop“ setzt auf das Prinzip der Multi-Wellenlängen-Digital-Holographie. Im Gegensatz zur klassischen Fotografie wird hier nicht nur die Intensität, sondern auch die Phase des vom Objekt zurückgestreuten Lichts erfasst.

Durch den Einsatz mehrerer Laserwellenlängen lässt sich die Phasenlage eindeutig bestimmen, woraus ein präzises 3D-Abbild der Oberfläche entsteht. Das System kommt ohne bewegliche Teile im Sensorkopf aus. Ein einziger Lichtpuls genügt, um eine Fläche von beispielsweise 10 mm x 10 mm topographisch zu erfassen. Die Messzeit liegt laut Forschern im Millisekundenbereich.

Systemintegration in die industrielle Praxis

Ein technologischer Durchbruch allein reicht für die Industrie nicht aus, die es kommt auf die Prozessintegration an. In Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Zeiss wurde der Sensor in ein Standard-Koordinatenmessgerät, dem ZEISS PRISMO, integriert.

Dabei arbeitet der Holotop-Sensor als ein auswechselbares Messkopf-System. Das Koordinatenmessgerät (KMG) fährt die Zielposition an, und statt eines einzelnen Punktes nimmt der Sensor ein komplettes Flächen-Hologramm auf.

  • Datendichte: Pro Aufnahme werden Millionen von 3D-Stützpunkten generiert.
  • Präzision: Die Messunsicherheit bewegt sich im Bereich von weniger als einem Mikrometer.
  • Robustheit: Das Verfahren ist unempfindlich gegenüber Vibrationen in der Werkhalle, da die Belichtungszeiten extrem kurz sind.

Nutzwert für die Qualitätssicherung

Mit diesen Eigenschaften ist das Koordinatenmessgerät für Anwender interessant, wenn sich die Messzyklen verkürzen sollen. Wo früher Stichproben das Maximum des Machbaren darstellten, rückt eine 100-prozentige-Prüfung komplexer Geometrien in greifbare Nähe. Besonders bei Bauteilen mit hoher Merkmalsdichte, wie es etwa bei Steckverbinder-Arrays, Gehäusestrukturen für Sensoren oder metallischen Präzisionsteilen der Fall ist, spielt das System seine Geschwindigkeitsvorteile voll aus.

Die Kombination aus der Flexibilität eines Koordinatenmessgeräts und der Geschwindigkeit der Digital-Holographie markiert einen wichtigen Schritt in Richtung „Quality 4.0“, bei der die Messtechnik unmittelbar mit dem Produktionstakt Schritt hält. (heh)

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