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Innere Werte ermitteln

3D-Inline-Analyse an gehonten Zylinderoberflächen

Die Motoren im Automobilbau werden immer leistungsfähiger. Neben Leistung sind geringer Verbrauch, niedrige Schadstoffemissionen und eine lange Lebensdauer wichtige Auswahlkriterien. Entscheidend ist hier die Qualität der Zylinder. Durch gezielte Mikrostrukturierung der Laufflächen, z.B. durch Honen, wird Platz für einen Öl-Schmierfilm geschaffen, der die Verschleißfestigkeit des Motors erhöht und die Laufeigenschaften verbessert. Die Mikrostruktur muss auf der Nanometerskala so optimiert werden, dass nicht zu viel Öl in den Zwischenraum eindringen kann, da überschüssiges Öl verbrennt und so die Emissionswerte des Motors verschlechtert.
Ein wichtiger Arbeitsschritt der Motorenfertigung ist daher die Qualitätsprüfung der Oberflächenbeschaffenheit. Da die Zylinderinnenfläche der Bohrungen für mikroskopische Aufnahmen schwer zugänglich ist, wird meist das Bauteil zerstört oder ein Abdruck der Zylinderoberfläche erstellt und die Probe anschließend im Labor untersucht. Gesucht wird daher ein Designwerkzeug für die Entwicklung von Verbrennungsmotoren, das mit der Optimierung der QS bei der Herstellung von Kurbelgehäusen bzw. Laufbuchsen einhergeht. Ziel ist die Qualifizierung und Quantifizierung von Reibeigenschaften, dem tribologischen Verhalten im Einsatz, sowie eine ‚Closed loop‘-Werteermittlung und Oberflächen-Bewertung mit integrierter Dokumentation und Archivierung. Mit den CylinderInspector-Systemen, die auch als Borescope oder Persikope bezeichnet werden, stehen seit einiger Zeit bereits Mikroskope zur Zylinderinspektion zur Verfügung. Hierbei wird ein motorgesteuertes Winkelmikroskop in die Zylinderbohrung eingeführt, das fertigungsnah die Oberflächen zerstörungsfrei im Zylinder visualisiert und mikroskopische Analysen und 3D-Messungen ermöglicht. Somit können an allen Stellen des Zylinders Aufnahmen unterschiedlicher Größen erzeugt und Z-Messungen mit einer Höhenauflösung von ca.20nm gemacht werden. Idealerweise könnte man die Hauptfunktionsmerkmale eines Zylinderkurbelgehäuses bereits während der Fertigung erfassen und bewerten, um so den Fertigungsprozess optimiert zu steuern. Hier sind allerdings neue integrierte Lösungsansätze in allen Etappen des Fertigungsprozesses gefragt. Diese sollen das Handling der Proben und Systeme, die Visualisierung und Messung der Oberflächenstruktur, als auch die Auswertung und Analyse der Messergebnisse beinhalten. Herausforderung ist eine zeitnahe Datenanalyse und Kostenoptimierung durch standardisierte Kontrollabläufe. Dagegen sprechen die sich immer häufiger ändernden Herstellungsverfahren für Oberflächen, welche die Optik an ihre physikalischen Grenzen stoßen lässt. Um Reibung, Verschleiß, Leistung, und Abgasverhalten über existierende Kennwerte wie Ölrückhaltevolumen, mittlere Freilegungstiefe oder Zerstörungsanteil zu ermitteln, bedarf es daher einer Nanometer-genauen Erfassung, um z.B. über Weisslicht-Interferometrie, unabhängige und wiederholbare Messergebnisse zu erzielen. Andere optische Verfahren müssen individuell an die Reflexeigenschaften der einzelnen Oberfläche angepasst werden, was einen universellen Einsatz erschwert. Die kleinen Messfelder und die derzeit noch langen Taktzeiten sind eine weitere Herausforderung. Um diese Untersuchungen effektiv zu gestalten, ist es von Vorteil diese nur an den relevanten Stellen des Zylinders durchzuführen. Dabei ist es sinnvoll, so früh als möglich, die Bereiche einzugrenzen. So kann man über die Röntgentomographie schon frühzeitig feststellen, ob Einschlüsse oder störende Verdichtungen in der Tiefe des Gusses später zu fehlerhaften Oberflächen führen können. Rundheitsmessungen und die visuelle 360°-Analyse der Oberflächen ermöglichen die automatische Bestimmung der ROIs (Regions of Interest). Diese Bereiche werden mit hochvergrößernden 90°-Sensoren auf Unregelmäßigkeiten und Anomalien überprüft und bewertet. So lassen sich kritische Flächen von ca.20mm² ermitteln, an denen dann mittels 3D-Verfahren die Topographie bestimmt wird und zweifelsfrei eine Katalogisierung der Eigenschaften erlaubt. Somit wäre der komplette Messzyklus und eine wichtige Anforderung der QS von Automobilzylindern bedient.

Fazit

Die lange gewünschte Realisierung dieser Vision scheint näher zu kommen. Neue preisgünstige Sensoren auf dem Markt ermöglichen eine schnellere Bildverarbeitung und zeitnahe Ergebnisse im Fertigungstakt. Ebenfalls konzentrieren sich Systemintegratoren, durch günstigere und genauere Automatisierungslösungen und neuer Robotergenerationen auf auflösungskritische Applikationen.

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