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TechnikZahnräder präzise fertigen

Exakte Kontrolle durch Holo­gra­phie

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Jürgen Frisch

Jürgen Frisch

freier Journalist

Damit Zahnräder Energie effizient übertragen können, müssen die einzelnen Zahnflanken auf den Millimeter genau gefertigt sein. Um eine hundertpro­zen­tige Kontrolle der nötigen Zahnradgeo­me­trie zu ermöglichen, entwickelt das Fraunhofer Institut für Physikali­sche Messtechnik (IPM), zusammen mit Partnern „Holomotion“ - ein berührungslos messendes System.

11. Januar 2018

Zahnradge­triebe sind heute in fast jeder Maschine zu finden. In Fahrzeugen, Windkraft­an­lagen und Haushalts­ge­räten sorgen Zahnräder dafür, dass Kraft und Drehzahl an den jeweiligen Bedarf angepasst werden. Die Zahnflanken sind komplexe Freiflächen. Schon Abweichungen von wenigen tausendstel Millimetern reichen aus, um die Verluste bei der Energieüber­tra­gung und die entstehenden Geräusche drastisch zu erhöhen. Im Extremfall kann ein Getriebe gänzlich unbrauchbar werden.

Qualitäts-Kontrollen bisher enorm zeitaufwändig

Um die Geometrie der Zahnflanken mit der nötigen Genauigkeit zu bestimmen, kommen aktuell hauptsäch­lich Koordina­ten­mess­ma­schinen zum Einsatz. Ein hochsensi­bler Tastkopf vermisst dabei bestimmte Punkte der Zahnflanken. Dieses Verfahren dauert allerdings sehr lange und taugt daher nur für Stichproben. Da die Anforderungen an die Präzision der Zahnradfer­ti­gung stetig steigen und Kunden verstärkt einen Nachweis über die Einhaltung der Sollgeome­trie fordern, suchen Fertigungs­mess­tech­niker nach Verfahren, die eine hundertpro­zen­tige Kontrolle der Zahnflanken-Geometrie ermöglichen.

Das Konsortium des Verbundpro­jekts „Holomotion“ hat sich zum Ziel gesetzt, die digitale Holographie so weiterzu­ent­wi­ckeln, dass ein System zur hochgenauen Vermessung von Zahnradflanken entsteht, welches die Vorteile der Interfero­me­trie auch auf bewegten Oberflächen nutzt. Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Physikali­sche Messtechnik IPM als Forschungs­ein­rich­tung mit dem Schwerpunkt optische Messtechnik, das Unternehmen Frenco als Spezialist für Verzahnungs­mess­technik und ZF Friedrichs­hafen, ein Autozulie­ferer in der Antriebs- und Fahrwerk­technik. Die Partner bündeln die technolo­gi­schen und anwendungs­spe­zi­fi­schen Erfahrungen, um ein industrie­fä­higes Messsystem zu entwickeln. Das Projekt läuft bis Januar 2020.

Zeilenweise Aufnahmen mit digitaler Rekonstruk­tion des Gesamtbildes

Die digitale Holographie ermöglicht mikrometer­ge­naue und schnelle Messungen. Das Verfahren ist zwar etabliert, allerdings besteht die Herausfor­de­rung, dass sich das zu vermessende Objekt während des Messvorgangs nicht im Geringsten bewegen darf. Schon eine winzige Verschie­bung um einen tausendstel Millimeter macht das Messergebnis unbrauchbar. Diese Einschrän­kung hat bislang den Einsatz der Holographie bei der Vermessung bewegter Teile verhindert. Im vor kurzem begonnenen Projekt „Holomotion“ umgehen die Wissenschaftler diese Einschrän­kung, indem sie die 3D-Information zeilenweise aufnehmen. „So werden kürzere Belichtungs­zeiten möglich“, berichtet Fraunhofer-IPM-Mitarbeiter Andreas Hofman. „Die vollstän­dige Oberfläche der Zahnflanke rekonstru­ieren wir anschlie­ßend über Algorithmen im Rechner.“ Mit diesem patentierten Ansatz werde es möglich, die Flanken von Zahnrädern auch während einer Drehung vollständig zu erfassen. Künftig könne damit die Vermessung der Geometrie von Zahnrädern enorm vereinfacht werden.

Fraunhofer IPM eröffnet sich mit „Holomotion“ ein neues Forschungs­ge­biet und baut sein Spektrum der Entwicklung optischer Systeme und bildgebender Verfahren zur Analyse von Oberflächen in der Produktion aus. Das Finanzvo­lumen des Projekts beträgt rund 2,3 Millionen Euro. „Holomotion“ steht zwar noch ganz am Anfang, doch Hofmann zeigt sich optimistisch: „Die ersten Versuche waren sehr vielverspre­chend, und wir gehen davon aus, dass die Entwicklung zu einem marktreifen Produkt gelingen wird.“