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Die Erfindung betrifft ein Kalibrierhilfsmittel der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zum Kalibrieren einer optischen oder taktilen Mess- oder Prüfvorrichtung, insbesondere einer optischen Bohrungsinspektionsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit Rundumsicht aufweist, die mit einem Bildsensor und einer nachgeordneten Auswertungseinrichtung in Bildübertragungsverbindung steht, wobei die Abbildungsoptik an einem als Endoskop ausgebildeten Messkopf angeordnet ist.
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Bei Präzisionsmessgeräten ist es erforderlich, diese vor der Verwendung zu justieren. Dies betrifft sowohl ihre Herstellung als auch die Justage nach einer Wartung oder Reparatur. Auch im Einsatz im Rahmen der Fertigungsmesstechnik müssen entsprechende Messgeräte laufend überwacht bzw. kalibriert werden. Hierbei soll die Kalibrierung vorzugsweise mit Kalibrierhilfsmitteln in Form von rückgeführten Normalen durchgeführt werden.
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Zur Untersuchung von Hohlräumen in Bauteilen werden aufgrund ihrer hohen Messgenauigkeit und -geschwindigkeit häufig optische Mess- oder Prüfvorrichtungen verwendet. So werden beispielsweise zur Untersuchung von Zylinderbohrungen von Hochleistungs-Verbrennungsmotoren Bohrungsinspektionsvorrichtungen verwendet, wie sie beispielsweise durch
DE 10 2007 031 358A1 ,
DE 10 2008 009 975 B4 ,
DE 10 2011 117 618 A1 ,
DE 10 2014 118 844 B4 und
DE 10 2015 010 225 B4 bekannt sind. Entsprechende Bohrungsinspektionsvorrichtungen werden auch als Prüfsensoren bezeichnet.
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WO 2016/ 138 043 A1 offenbart ein Verfahren zur Kalibrierung eines Kamerasystems zur 360°-Erfassung einer Szene unter Verwendung eines Kalibrierkörpers, der mittels 3D-Druck hergestellt werden kann.
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WO 2018/ 234 558 A1 zeigt und beschreibt einen Kalibrierkörper, der ein Trägersubstrat und eine auf das Trägersubstrat aufgebrachte Kalibrierstruktur aufweist, die mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf das Trägersubstrat aufgebracht werden kann.
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Durch
WO 2022/ 013 853 A1 ist ein Verfahren zur Durchführung des Weißabgleichs für ein Kamerasystem unter Verwendung eines mittels 3D-Druckes hergestellten Kalibrierkörpers bekannt.
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Durch
DE 10 2019 106 851 A1 ist ein Kalibrierhilfsmittel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kalibrierhilfsmittel anzugeben, das gegenüber dem bekannten Kalibrierhilfsmittel weiter verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Erfindungsgemäß ist die Kalibrierstruktur mittels eines 3D-Druckverfahrens einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet. Die Erfindung stellt damit ein Kalibrierhilfsmittel bereit, dessen Makro- und Mikrostrukturierung in einem Arbeitsgang, nämlich unter Verwendung eines 3D-Druckverfahrens, gebildet wird.
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Auf diese Weise lässt sich das erfindungsgemäße Kalibrierhilfsmittel hochpräzise und mit vertretbarem Aufwand und dementsprechend kostengünstig fertigen. Die Erfindung ermöglicht die Fertigung von Normalen, die sich mit herkömmlichen Fertigungsmethoden wie Drehen, Fräsen, Schleifen etc. unter Einhaltung der erforderlichen Toleranzen in der Regel nicht oder nur mit unverhältnismäßig langen Fertigungszeiten fertigen lassen.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie Kalibrierhilfsmittel als Topographietargets auch für Innenprüfsensoren bereitstellt, die für eine Untersuchung von Bohrungen mit sehr kleinen Durchmessern bis hinunter zu wenigen Millimetern zulässt.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch entsprechende Ausgestaltung der Kalibrierstruktur des Kalibrierhilfsmittels eine gleichzeitige Kalibrierung in Bezug auf Makro- und Mikrokonturen eines Werkstücks ermöglicht ist.
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Durch eine determinierte Geometrie der Kalibrierstruktur ist eine inhärente Kalibrierung ermöglicht.
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Bei der Prüfung von Werkstücken liegen wichtige Messstellen häufig im Inneren des Werkstücks, beispielsweise in einer Bohrung oder einer Hohlwelle. Diese Messstellen können je nach Aufgabe mit einem Innenprüfsensor optisch erfasst werden oder mit einem optischen oder taktilen Taster in Form einer Rundheits- oder Konturmessung gemessen werden.
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Mangels geeigneter Kalibrierhilfsmittel, die eine Kalibrierung in einem Hohlraum ermöglichen, werden gemäß dem Stand der Technik entsprechende Innenprüfsensoren im Rahmen einer Außenmessung außerhalb eines Hohlraumes justiert bzw. kalibriert, und es wird angenommen, dass die daraus resultierende Justage bzw. Kalibrierung auch für Innenmessungen gilt. Aufgrund des unterschiedlichen Vorzeichens der Krümmung beispielsweise einer zu vermessen-Hohlwelle auf ihrer Außen- und Innenseite ist die Richtigkeit dieser Annahme aber zumeist nicht nachgewiesen.
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Die Erfindung stellt ein Kalibrierhilfsmittel bereit, das als Hohlkörper mit einer seiner Innenfläche angeordneten hochpräzisen Kalibrierstruktur ausgebildet sein kann und es damit ermöglicht, eine Kalibrierung in dem Hohlraum auszuführen. Auf diese Weise ist die Kalibrierung bzw. Justage und damit im Ergebnis auch die Messgenauigkeit der justierten bzw. kalibrierten Mess- oder Prüfvorrichtung verbessert.
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Durch erfindungsgemäße Kalibrierhilfsmittel gebildete Normale sind für optische und taktile Taster geeignet.
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Besonders vorteilhaft sind erfindungsgemäße Kalibrierhilfsmittel bei der Kalibrierung von Innenprüfsensoren für Bohrungen sehr kleinen Durchmessers einsetzbar. Beispielsweise und insbesondere ermöglicht die Erfindung aber beispielsweise auch die Fertigung anspruchsvoller Normale für die Innenantastung mit FT-Formastern.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung des erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittels unter Verwendung eines 3D-Druckverfahrens. Dies ermöglicht insbesondere die präzise Ausbildung von Kalibrierstrukturen in Form von Mikro- oder Nanostrukturen, die einen exakten geometrischen Bezug zu der sie tragenden Makrostruktur, nämlich dem Grundkörper des Kalibrierhilfsmittels, haben.
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Entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten und Anforderungen können erfindungsgemäß beliebige geeignete 3D-Druckverfahren verwendet werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass die Kalibrierstruktur mittels eines 3D-Nano-Druckverfahrens einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet ist.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Kalibrierhilfsmittel mittels eines nach dem Prinzip der badbasierten Photopolymerisation arbeitenden 3D-Druckverfahren hergestellt ist. Entsprechende Verfahren, beispielsweise nach dem Prinzip der 2-Photonen-Polymerisation (2PP), genügen den an Auflösung und Genauigkeit bei der Bildung der Kalibrierungsstruktur zu stellenden Anforderungen und ermöglichen eine Fertigung von Normalen für Präzisionsmessgeräte mit vertretbarem Aufwand.
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Die Kalibrierstruktur kann bei dem erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittel grundsätzlich an der Außenfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass der Grundkörper als insbesondere rotationssymmetrischer Hohlkörper und die Kalibrierstruktur an der Innenfläche des Hohlkörpers ausgebildet ist. Diese Ausführungsform ermöglicht die Ausbildung von hochpräzisen Kalibrierungsstrukturen an der Innenfläche und damit eine Kalibrierung bzw. Justage durch eine Innenmessung. Mögliche Kalibrierungsfehler, die dadurch verursacht werden, dass das Ergebnis einer mittels einer Außenmessung durchgeführten Kalibrierung auf eine Innenmessung übertragen wird, sind damit vermieden. Dies erhöht die Messgenauigkeit von unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittels kalibrierten Präzisionsmessgeräten.
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Erfindungsgemäß ist grundsätzlich ausreichend, wenn an dem Grundkörper eine einzelne räumlich zusammenhängende Kalibrierstruktur ausgebildet ist. Geometrische Ausgestaltung, Größe und Anzahl der an dem Grundkörper angeordneten und erfindungsgemäß einstückig mit demselben ausgebildeten Kalibrierungsstruktur bzw. Kalibrierungsstrukturen sind jedoch entsprechend den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten innerhalb weiter Grenzen wählbar. Insbesondere kann an dem Grundkörper eine Mehrzahl von Kalibrierungsstrukturen ausgebildet sein. In diesem Sinne sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Kalibrierstruktur wenigstens zwei entlang des Grundkörpers zueinander beabstandete Teilstrukturen aufweist, die unterschiedliche Topographien aufweisen, derart, dass die Mess- oder Prüfvorrichtung anhand der Teilstrukturen in Bezug auf unterschiedliche Parameter kalibrierbar ist oder kalibriert wird. Diese Ausführungsform ermöglicht es, beispielsweise für dreidimensional messende Messgeräte mit Innenprüfsensoren Normale bereitzustellen, die sowohl laterale als auch radiale Merkmale in Form von Kalibrierstrukturen aufweisen. Hierzu kann beispielsweise die Innenwandung eines Hohlzylinders an mindestens einer Stelle oder einer axialen Ringzone mit einer Kalibrierstruktur in Form eines Auflösungsmusters versehen sein, anhand dessen die laterale Auflösung eines Innenprüfsensors überprüft werden kann. Hierzu räumlich beabstandet kann an einer anderen Stelle des Grundkörpers oder einer anderen axialen Position als Kalibrierstruktur eine dreidimensionale Topographie vorgesehen sein, mit der die radiale Auflösung des Innenprüfsensors überprüft werden kann. Aufgrund der weitgehenden geometrischen Gestaltungsfreiheit, die die Verwendung eines 3D-Druckverfahrens bietet, können entsprechende Kalibrierstrukturen auch kombiniert werden. Dadurch ist beispielsweise auch eine absolute Radienauswertung bzw. Auswertung von Radiensprüngen möglich.
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Vergrößerungsnormale für Rundheitsmessgeräte werden häufig als sogenannte Flick-Normale ausgeführt. Bei einem Flick-Normal handelt es sich um einen Zylinder, der an seiner Außenfläche eine Abflachung aufweist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass die Kalibrierstruktur wenigstens einen Vorsprung aufweist, der eine axial verlaufende Radienabweichung bildet, derart, dass das Kalibrierhilfsmittel nach Art eines Flick-Normals ausgebildet ist. Diese Ausführungsform stellt ein Kalibrierhilfsmittel bereit, mit dem die Kalibrierung von Messgeräten für eine Rundheitsmessung an Innenflächen so ausgeführt werden kann, wie dies von der Rundheitsmessung an Außenflächen unter Verwendung eines Flick-Normals bekannt ist. Die Erfindung stellt damit eine Negativform eines Flick-Normales bereit. Auf diese Weise ist aufgrund einer verbesserten Kalibrierung die Messgenauigkeit von Rundheitsmessgeräten bei Innenmessungen erhöht.
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Rundheitsmessgeräte bzw. Formtester prüfen das Werkstück üblicherweise nur in Bezug auf eine Formabweichung, wobei die absolute Auslenkung des Tasters nicht berücksichtigt wird und dementsprechend auch eine Radien- oder Durchmessermessung nicht möglich ist. Das Gleiche gilt in ähnlicher Form für Innenprüfsensoren, die Abstandsinformation aus einer Stereobildauswertung ableiten. Sollen mit entsprechenden Messgeräten Konturmerkmale oder beispielsweise absolute Radien gemessen werden, wird die Kalibrierung bzw. Justage vorzugsweise unter Verwendung von Normalen ausgeführt, die im abgedeckten radialen Messbereich eine oder mehrere Radienstufen aufweisen. So sind beispielsweise zur absoluten Durchmesserkalibrierung von Schattenprojektionsgeräten Stufenwellen bekannt, die von außen zugängliche Radien- bzw. Durchmesserstufen haben. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass der Grundkörper an seiner Innenfläche wenigstens eine, vorzugsweise eine Mehrzahl von in Axialrichtung des Grundkörpers aufeinanderfolgenden Stufen unterschiedlichen Durchmessers aufweist, derart, dass die Kalibrierstruktur als Stufenprofil ausgebildet ist. Diese Ausführungsform stellt eine Negativform eines Normals in Form einer Stufenwelle bereit.
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Bei der Bearbeitung von Drehteilen im Rahmen eines Schleifprozesses treten sogenannte Drallstrukturen auf, die beispielsweise und insbesondere bei Drehdurchführungen unerwünscht sind und deshalb bei der Fertigung entsprechender Werkstücke überwacht werden müssen. Zur Definition einer gerichteten Feinstruktur auf einem Drehteil sind Drallnormale bekannt, die üblicherweise aus Metall gefertigt werden und auf ihrer Außenseite eine Drallstruktur aufweisen. In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Kalibrierstruktur eine Drallstruktur aufweist. Erfindungsgemäß kann die Drallstruktur mit hoher Präzision an dem Grundkörper gebildet werden. Insbesondere kann die Drallstruktur an einer Innenfläche eines als Hohlkörper ausgebildeten Grundkörpers ausgebildet sein. In diesem Falle bildet die Drallstruktur wiederum eine Negativform eines herkömmlichen Drallnormals. Besonders vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsform, dass die Abmessungen des Kalibrierhilfsmittels zur Kalibrierung von taktilen Formtastern oder Innenprüfsensoren im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich reduziert werden können. Aufgrund des erfindungsgemäß verwendeten Herstellungsverfahrens, bei dem die gewünschte Kalibrierungsstruktur hochpräzise an dem Grundkörper und einstückig mit demselben ausgebildet wird, lassen sich eine hohe Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit einfach erreichen. Aufgrund der nahezu völligen Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Geometrie der Kalibrierungsstruktur bei Fertigung des Kalibrierhilfsmittels mittels eines 3D-Druckverfahrens lassen sich erfindungsgemäß nahezu beliebige Drallstrukturen realisieren.
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Für die Kalibrierung von Mess- oder Prüfvorrichtungen für Zylinder werden Mehr- oder Einwellennormale verwendet, die eine im wesentlichen runde Querschnittsfläche aufweisen, der eine flache sinusförmige Wellenstruktur als Profilierung überlagert ist. Bei spektraler Auswertung der Rundheitsmessung bilden sich die entsprechenden Wellen auf der Oberfläche als Spektrallinien ab. In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Kalibrierstruktur eine wellenförmige Profilierung aufweist. Dabei kann die wellenförmige Profilierung insbesondere an der Innenwandung eines als Hohlkörper ausgebildeten Grundkörpers ausgebildet sein. Bei dieser bildet das erfindungsgemäße Kalibrierhilfsmittel wiederum eine Negativform eines vorgenannten Normals aus dem Stand der Technik. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass aufgrund der hohen räumlichen Auflösung beispielsweise eines 2-Photonen-Polymerisationsverfahrens auch bei einem Grundkörper mit einem relativ geringen Durchmesser von bis zu wenigen Millimetern Wellenzahlen von mehr als 500 Wellen am (inneren) Umfang möglich sind.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist im Anspruch 10 angegeben und sieht ein Verfahren zur Herstellung eines Kalibrierhilfsmittels zum Kalibrieren einer optischen oder taktilen Mess- oder Prüfvorrichtung vor, insbesondere einer optischen Bohrungsinspektionsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit Rundumsicht aufweist, die mit einem Bildsensor und einer nachgeordneten Auswertungseinrichtung in Bildübertragungsverbindung steht, wobei die Abbildungsoptik an einem als Endoskop ausgebildeten Messkopf angeordnet ist, wobei das Kalibrierhilfsmittel einen Grundkörper und wenigstens eine an dem Grundkörper angeordnete dreidimensionale Kalibrierstruktur aufweist, wobei die Kalibrierstruktur mittels eines 3D-Druckverfahrens einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet wird.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 11 und 12 angegeben.
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Es ergeben sich sinnentsprechend die gleichen Vorteile und Eigenschaften wie bei dem erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittel und dessen Weiterbildungen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte, stark schematisierte Zeichnung näher erläutert, in der Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittels dargestellt sind.
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Es zeigt:
- 1 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung der Funktionsweise eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittels,
- 2 stark schematisiert einen Radialschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittels in Form eines Flicknormales in Negativform,
- 3 stark schematisiert einen Axialschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittels in Form einer Stufenwelle in Negativform und
- 4 in gleicher Darstellung wie 2 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittels in Form eines Drallnormales in Negativform.
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1 zeigt eine Schemaskizze zur Verdeutlichung der grundsätzlichen Funktionsweise eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittels, das bei diesem Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip der 2-Photonen-Polymerisation arbeitet.
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In einem Behälter befindet sich ein Bad 2 eines flüssigen Polymerlackes. Der Laserstrahl 4 eines Lasers 6 wird auf das Bad 2 gerichtet, wobei eine Licht-Materie-Wechselwirkung nur innerhalb des Volumens des fokussierten Laserstrahls 4 stattfindet. Die simultane Absorption von zwei Photonen im Brennpunkt 7 des Lasers 6 löst eine lokal begrenzte Polymerisation des so belichteten Polymerlackes aus.
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Der Brennpunkt 7 des Laserstrahls 4 wird durch das Volumen des Polymerlackes entlang aller drei Raumrichtungen bewegt, wobei durch Polymerisation 3D-Strukturen gebildet werden. Durch die nichtlineare Absorption kann eine Druckauflösung besser als die Beugungsgrenze im Bereich von 100 nm erreicht werden. Derartig feine Strukturen sind insbesondere für Messgeräte zur Messung der Oberflächenrauheit und die dafür benötigten Normale wesentlich.
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Durch entsprechende räumliche Steuerung des Brennpunktes 7 des Laserstrahls 4 lassen sich nahezu beliebige dreidimensionale Topographien erzeugen.
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Das Verfahren der 2-Photonen-Polymerisation und ähnliche nach dem Prinzip der badbasierten Photopolymerisation arbeitende 3D-Druckverfahren sind dem Fachmann allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
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In 2 zeigt stark schematisiert einen Radialschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittels 8, das bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen Hohlkörper gebildet ist. Das Kalibrierhilfsmittel 8 weist einen Grundkörper 10 und eine dreidimensionale Kalibrierstruktur 12 auf, mittels derer eine Mess- oder Prüfvorrichtung kalibriert werden kann. Erfindungsgemäß ist die Kalibrierstruktur 12 mittels des oben anhand von 1 erläuterten 2-Photonen-Verfahrens einstückig mit dem Grundkörper 10 ausgebildet.
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Der Grundkörper 10 kann insbesondere einen Innendurchmesser von nur wenigen Millimetern aufweisen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Kalibrierstruktur 12 einen radial nach innen vorstehenden Vorsprung 14 auf, der eine axial, also in 2 in die Zeichenebene hinein verlaufende Radienabweichung bildet, sodass das dargestellte Ausführungsbeispiel nach Art eines Flick-Normals ausgebildet ist. Während bei einem herkömmlichen Flick-Normal der Grundkörper ein Zylinder ist, der eine Abflachung aufweist, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Grundkörper 10 ein zylindrischer Hohlkörper, an dessen radialer Innenfläche der Vorsprung 14 ausgebildet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das Kalibrierhilfsmittel 8 eine Negativform eines aus dem Stand der Technik bekannten Flick-Normales.
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3 zeigt stark schematisiert einen Axialschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittels 8, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass der Grundkörper 10 an seiner Innenfläche eine Mehrzahl von in Axialrichtung des Grundkörpers 10 aufeinanderfolgenden Stufen unterschiedlichen Durchmessers aufweist, derart, dass die Kalibrierstruktur als Stufenprofil ausgebildet ist. Rein exemplarisch sind in 3 lediglich zwei Stufen dargestellt und mit den Bezugszeichen 16, 18 versehen. Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 bildet damit eine Negativform einer aus dem Stand der Technik bekannten Stufenwelle.
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4 zeigt in gleicher Darstellung wie 2 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierhilfsmittels 8, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass die Kalibrierstruktur eine Drallstruktur aufweist, die in dem Schnitt gemäß 4 erkennbar und mit den Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 bildet damit eine Negativform eines aus dem Stand der Technik bekannten Drallnormales.
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In den Zeichnungen sind die Kalibrierstrukturen rein schematisch dargestellt. Geometrische Form, Größe und Anzahl der Kalibrierstruktur bzw. Kalibrierstrukturen sind entsprechend den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten innerhalb weiter Grenzen wählbar. Aufgrund des angewendeten Herstellungsverfahrens lassen sich Kalibrierstrukturen erzeugen, deren Größe im Bereich von 100 nm oder sogar darunter liegt.
