Boreskop oder Laser-Rotationssonde? Innenlochinspektion bei Ø 1,5 mm

Übersicht

Die Innenlochinspektion ist der Teil der Maß- und Fehlerinspektion, der am häufigsten manuell bleibt. Der Grund dafür ist der Zugang: Ein Bohrung ist eine nach innen gerichtete Oberfläche, und die einzigen Möglichkeiten, sie abzubilden, bestehen darin, entlang der Achse mit einem optischen System zu schauen, das klein genug ist, um einzudringen, oder einen Sensor innerhalb der Bohrung zu drehen und das Bild zeilenweise aufzubauen. Beide Ansätze werden in der Produktion eingesetzt und versagen auf unterschiedliche Weise.

Eine optische Sonde im Endoskop-Stil erzeugt ein reales Farbbild, was sie für den Bediener intuitiv verständlich und für visuelle Fehlerklassen wie Kratzer, Dellen und Gussporosität effektiv macht. Eine Laser-Drehsonde misst stattdessen das Profil statt der Farbe, wodurch sie unempfindlich gegenüber Beleuchtungsproblemen ist, die kleine Bohrungsoptiken beeinträchtigen, und zudem eine Kollisionsdetektionsfunktion bietet, die einer optischen Sonde fehlt.

Big Bird Industrial (ehemals Shimada Big Bird Industrial) baut seit 2001 Reinigungs- und Entgratsysteme für Krafttrain-Komponenten der Automobilindustrie; die nachfolgenden Inspektionsdaten stammen aus Produktionsstationen und nicht aus Laboranlagen.

1. Was eine optische Bohrsonde leisten kann – und was nicht

Beim optischen Ansatz wird eine kleine Kamera oder ein Linsen- und Relais-System in die Bohrung eingebracht. Licht wird an das entfernte Ende geleitet, und das Bild wird entweder direkt oder über ein Faserbündel zum Sensor zurückgeführt. Das Ergebnis ist ein Farbbild, das von einem Menschen oder einem trainierten Modell zur Klassifizierung von Fehlern interpretiert werden kann.

Drei optische Konfigurationen

Ein starres, gepanzertes Objektiv ist die gebräuchlichste Anordnung für gerade Bohrungen: ein Edelstahlrohr mit Optik an der Spitze, das entweder einen Frontblick oder einen Seitenblick in einem festen Winkel ermöglicht. Ein 360-Grad-Panoramaobjektiv bildet den gesamten Umfang in einer einzigen Aufnahme ab – effizient bei großen Bohrungen, aber mit eingeschränkter Auflösung pro Flächeneinheit. Eine Fischaugenkonfiguration bietet ein weites Sichtfeld bei kurzer Arbeitsdistanz und eignet sich daher für flache Taschen und Senkungen.

Die drei Konfigurationen sind nicht austauschbar. Eine Panoramaansicht zeigt lediglich an, dass ein Fehler irgendwo am Umfang vorhanden ist, jedoch nicht exakt an welcher Stelle; ein starres Seitenblickobjektiv liefert eine präzise azimutale Position, muss aber gedreht werden, um den gesamten Umfang abzudecken – was Zeit pro Zyklus kostet.

Die Auflösungsgrenze

Die optische Auflösung innerhalb einer Bohrung ist durch die physisch einführbare Blende und durch die Arbeitstiefe begrenzt. Ein System, das für eine Mindestbohrung von 1,5 mm ausgelegt ist, kann bei korrekter Fokussierung der Optik ein Detail von 0,01 mm an der Oberfläche auflösen; dieser Wert wird jedoch nur bei einer bestimmten Arbeitstiefe erreicht und verschlechtert sich, sobald der Sensor zurückgezogen wird. Die Tiefenkapazität im Standardbereich liegt zwischen 50 und 200 mm; kundenspezifische Konfigurationen erreichen bis zu 310 mm.

2. Was sich durch einen Laser-Dreh-Sensor ändert

Ein Laser-Dreh-Sensor projiziert eine Laserlinie auf die Bohrungswand und dreht sich innerhalb der Bohrung, wobei bei jeder Winkelposition ein Profil erfasst wird. Das Ergebnis ist eine Punktwolke der Innenoberfläche statt eines Fotos davon.

Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht

Da die Messung auf der Triangulation einer Laserlinie und nicht auf der Abbildung reflektierten weißen Lichts beruht, ist der Taster unempfindlich gegenüber Umgebungsbeleuchtung oder Oberflächenfarbe. Dadurch entfallen zwei der Hauptursachen für Fehlauslösungen bei der optischen Bohrungsinspektion: Streulicht, das durch die Bohrungsöffnung eindringt, sowie reflektierende oder dunkle Oberflächen, die den scheinbaren Kontrast eines Fehlers verändern.

Kollisionsdetektion und Fremdkörpererkennung

Ein rotierender Taster kann ein Hindernis erkennen, bevor er es berührt, weil sich das gemessene Profil abrupt ändert. In der Praxis ermöglicht dies, dass der Taster Fremdkörper in einer Bohrung identifiziert und anhält – eine Anforderung bei Teilen, bei denen ein Span oder eine Gussnadel eine nachfolgende Bearbeitungsoperation beschädigen könnte. Bei Ventilgehäusen stellt ein Fremdkörper mit einem Profil über 0,25 mm ein detektierbares Ereignis dar; Zykluszeiten von 14 Sekunden für eine Zylinderbohrung und 18 Sekunden für eine Bremskraftverstärkerbohrung sind mit dieser Methode erreichbar.

3. Auswahl nach Öffnung und Tiefe

Das erste Auswahlkriterium ist die Öffnung, weil sie Optionen ausschließt, bevor andere Überlegungen ins Spiel kommen. Bohrungen im Bereich von 5 bis 40 mm sowie im Bereich von 40 bis 120 mm werden routinemäßig untersucht, wobei das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser etwa eins zu eins beträgt. Bei größeren Verhältnissen muss der Prüfkopf im Vergleich zu seinem Durchmesser länger sein, was zu einer stärkeren Durchbiegung und einer geringeren Positionsgenauigkeit an der Spitze führt.

Kompromiss zwischen Tiefe und Durchmesser

Ein langer, dünner Prüfkopf verbiegt sich. Selbst ein starres, gepanzertes Objektiv weist über 300 mm messbare Durchbiegung auf, und diese Durchbiegung verändert den Abstand zur Prüfoberfläche und damit die Fokussierung. Systeme, die in dieser Tiefe arbeiten, verwenden entweder ein Gehäuse mit größerem Durchmesser oder akzeptieren eine geringere Auflösung am entfernten Ende; die Spezifikation sollte daher die Leistung bei der angegebenen Tiefe – nicht die optimale Leistung unter idealen Bedingungen – angeben.

4. Erkennungsgrenzen und was sie verbergen

Eine angegebene Erkennungsgrenze ist üblicherweise eine Bestwertangabe für einen Referenzfehler. Die entscheidende Zahl in der Produktion ist die Grenze an der ungünstigsten Position im Bohrloch – typischerweise am entferntesten Ende und in dem Bereich, in dem sich der Taster am schnellsten bewegt.

Beleuchtung als dominierende Variable

Bei optischen Systemen hängt der Kontrast eines Fehlers von dem Beleuchtungswinkel relativ zur Oberfläche ab. Ein Kratzer auf einer geschliffenen Bohrung ist unter einem bestimmten Winkel sichtbar und unter einem anderen unsichtbar; deshalb verwenden Bohrungsinspektionsstationen häufig mehr als eine Beleuchtungsrichtung und kombinieren die Ergebnisse. Eine Station, die ausschließlich eine Ringlichtquelle nutzt, liefert ein stabiles, aber unvollständiges Bild.

Kalibrierung und Drift

Beide Methoden benötigen ein Referenzartefakt. Bei einem optischen Taster ist dies ein Zielobjekt mit bekannten Merkmalsgrößen in der Arbeitsentfernung; bei einem Lasertaster ist es ein Kalibrierzylinder mit bekanntem Durchmesser und bekannter Stufe. Die Überprüfung des Artefakts zu Beginn jeder Schicht ist die kostengünstigste Methode, um eine langsame Drift zu erkennen, die andernfalls als Änderung der Fehlalarmrate statt als Fehlermeldung erscheint. Ein aus dem Fokus geratener Taster liefert trotzdem ein Bild, und ein Taster mit verlorener Kalibrierung liefert trotzdem ein Profil; keiner von beiden meldet einen Fehler, bis jemand das Ergebnis mit einem bekannten Teil vergleicht.

5. Integration in eine Produktionslinie

Ein Bohrungstaster ist im Vergleich zu einer Flächenkamera ein langsamer Sensor; daher wird er normalerweise zu den Merkmalen bewegt, nicht umgekehrt. Das bedeutet einen Roboter oder einen Zweiachsenmechanismus, der den Taster zwischen den Bohrungen bewegt, und dass die Inspektionsstation wissen muss, wo sich jede Bohrung am Werkstück befindet.

Die praktische Konsequenz ist, dass die Zykluszeit mit der Anzahl der inspizierten Bohrungen skaliert, nicht mit der Bauteilgröße. Ein Bauteil mit vier kritischen Bohrungen benötigt etwa viermal so viel Inspektionszeit wie ein Bauteil mit einer einzigen Bohrung; diese Rechnung muss bereits vor der Festlegung der Station im Taktbudget berücksichtigt werden. Wo die Anzahl hoch ist, ist es oft die einzige Möglichkeit, die Linie zu realisieren, pro Bauteil lediglich eine Teilmenge der Bohrungen zu beproben, anstatt jede einzelne zu inspizieren.

Häufig gestellte Fragen

Kann ein Endoskop für eine 100-Prozent-Inspektion eingesetzt werden?

Ja, sofern Mechanik und Zykluszeit dies zulassen. Der übliche Kompromiss besteht darin, bei jedem Bauteil die zwei oder drei Bohrungen mit dem höchsten Risiko vollständig zu inspizieren und die übrigen stichprobenartig zu auditieren.

Welche kleinste Bohrung kann inspiziert werden?

Bis hinab zu 1,5 mm mit spezieller Optik. Darunter begrenzt der Sonden-Durchmesser Beleuchtung und Auflösung; alternative Verfahren wie die Luftdurchmessermessung sind in der Regel praktikabler.

Welches Verfahren bewältigt eine dunkle oder spiegelnde Bohrung besser?

Die Laser-Drehsonde, da sie nicht von reflektiertem weißem Licht abhängt. Eine optische Sonde auf einer dunklen Oberfläche benötigt mehr Beleuchtung und erzeugt einen geringeren Kontrast, was sowohl die Auslassrate als auch die Fehlauslöserate erhöht.

Wie oft sollte die Sonde kalibriert werden?

Eine Referenzprüfung zu Beginn jeder Schicht sowie eine vollständige Neukalibrierung nach einem vom Hersteller festgelegten Zeitplan. Die Schichtprüfung erfasst mechanische Beschädigungen und Fokussierungsdrift – also die Fehler, die zwischen den geplanten Kalibrierungen auftreten.

Fazit

Die Wahl zwischen einer optischen Bohrungssonde und einer Laser-Drehsonde hängt von der Defektklasse und der Oberfläche ab, nicht von Auflösungswerten. Wenn das Kriterium ein visueller Defekt in einer zugänglichen Bohrung unter kontrollierter Beleuchtung ist, liefert die Optik ein detaillierteres Bild. Wenn das Kriterium jedoch Geometrie, Position oder das Vorhandensein von Fremdstoffen in einer Bohrung ist, die dunkel oder spiegelnd sein kann, ist ein Laserprofil robuster.

Beide werden vor allem durch Blende und Tiefe begrenzt, daher sollte die Spezifikation an dieser Stelle beginnen. Eine angegebene Erkennungsgrenze ohne Angabe des Bohrungsdurchmessers, der Tiefe und des Oberflächenzustands, unter dem sie erreicht wurde, ist keine Spezifikation.