Koordinatenmessmaschinen – Präzise 3D-Messtechnik für Qualitätssicherung und Produktentwicklung
Koordinatenmessmaschinen (KMM) sind das Rückgrat der geometrischen Qualitätssicherung, indem sie hochpräzise 3D-Daten von Bauteilen erfassen und einen objektiven Abgleich mit CAD-Vorgaben ermöglichen. Sie verbinden höchste Messgenauigkeit mit Flexibilität und Reproduzierbarkeit – essentiell in Fertigung, Entwicklung und Prozessoptimierung.
Definition
Koordinatenmessmaschinen (KMM) sind hochpräzise Messgeräte zur Bestimmung räumlicher Koordinaten von Punkten auf Bauteiloberflächen. Sie erfassen Lage, Form und Abstände von Merkmalen und bilden die Basis für geometrische Toleranzbewertungen und Prozessfreigaben [1|.
Moderne KMM realisieren sowohl taktile als auch optische Messverfahren. Dadurch eignen sie sich auch für komplexe Freiformflächen und anspruchsvolle Produktgeometrien.
Nutzen & Ziele
- Nachweis der Maß- und Formtreue gegenüber Konstruktionsvorgaben (CAD-to-Part).
- Stabilisierung und Optimierung von Fertigungsprozessen durch regelmäßige Rückkopplung (First Part Inspection, In-Process-Checks, Final Inspection).
- Reduktion von Fehlern, Ausschuss und Nacharbeit – messbar durch verbesserte First Pass Yield (FPY) und reduzierte Reklamationskosten [1|.
- Beschleunigte Produktentwicklung durch schnelle Prototypenvermessung und präzisen CAD-Abgleich.
Ablauf / Wie KMM messen — Schritt-für-Schritt (How-To)
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Schritt 1 — Prüfplanung
Auswahl der Messmerkmale, Festlegung der Referenzen, Erstellung eines Messprogramms anhand der CAD-Daten und Definition der Toleranzkriterien [2|.
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Schritt 2 — Bauteilspannung & Ausrichtung
Präzises Spannen des Bauteils auf der Messfläche und Ausrichtung des Koordinatensystems (Festlegung von Nullpunkt und Orientierungselementen).
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Schritt 3 — Geräte- & Sondenkalibrierung
Kalibrierung der Sonde(n) und ggf. Durchführung einer Volumenkalibrierung; Kontrolle der Temperaturstabilität und der Maschinenreferenzpunkte [1|.
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Schritt 4 — Messdurchführung
Automatisiertes Scannen oder taktiles Abtasten der definierten Messpunkte unter Überwachung relevanter Messparameter (z. B. Kontaktkraft, Scan-Auflösung).
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Schritt 5 — Auswertung & Vergleich
Vergleich der Messergebnisse mit CAD-Daten bzw. Zeichnungen, Toleranzbewertung sowie Erstellung von Prüfprotokollen und 3D-Abweichungsdarstellungen.
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Schritt 6 — Maßnahmen & Dokumentation
Ableitung notwendiger Maßnahmen bei Abweichungen (z. B. Prozessanpassungen, Nacharbeit) sowie revisionssichere Dokumentation der Messergebnisse im QM-System inklusive SPC-Integration.
Vorteile & Nachteile
Vorteile
- Hohe Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit [1|.
- Flexibel einsetzbar für unterschiedlichste Bauteilgeometrien.
- Direkte digitale Anbindung an CAD- und PLM-Systeme für effiziente Auswertung.
Nachteile
- Hoher Investitions- und Unterhaltsaufwand, insbesondere Raum-, Klimatisierungs- und Kalibrierungsbedarf.
- Abhängigkeit von qualifiziertem Bedienpersonal und komplexer Programmierung.
- Begrenzte Messfähigkeit bei hochreflektierenden oder transparenten Oberflächen, abhängig vom Messprinzip.
Herausforderungen & Typische Stolperfallen
- Temperaturdrift: Werkstoffe dehnen sich bei Erwärmung aus (thermischer Längenausdehnungskoeffizient). Bereits geringe Abweichungen von der Referenztemperatur von 20 °C verfälschen Messergebnisse. Eine Umgebungsstabilität von ±0,5 K, wie in VDI/VDE 2627 gefordert, ist für Präzisionsmessungen unerlässlich [2|.
- Falsche Referenzierung: Ungenau gespannte oder falsch orientierte Bauteile führen zu systematischen Messabweichungen.
- Sonden- und Scannerfehler: Einsatz unpassender Sonden oder nicht kalibrierter Scanner resultiert in fehlerhaften Punktwolken.
- Messprogramm-Fehler: CAD-Abgleich ohne Berücksichtigung von Fertigungsmerkmalen kann zu falsch interpretierten Abweichungen führen.
Praxisbeispiel / Fallstudie
Fall: Serienfreigabe eines Aluminium-Druckgussgehäuses (Automotive)
Ausgangslage: Bei der Erstbemusterung eines Aluminium-Druckgussgehäuses für ein Automotive-Steuergerät wurden an den Dichtflächen Verzüge gemessen, die die geforderte Ebenheitstoleranz von 0,05 mm überschritten.
Intervention: Anstelle einer rein taktilen Messung wurde eine Portal-KMM mit kombiniertem Laserscanner und taktiler Sonde eingesetzt. Der Scanner erfasste die gesamte Gehäuseoberfläche in einer dichten Punktwolke zur Analyse des Verzugs mittels Falschfarbendarstellung, während die taktile Sonde kritische Passungsbohrungen mit höchster Wiederholgenauigkeit prüfte.
Ergebnis: Die 3D-Visualisierung identifizierte systematische Materialanhäufungen an den Spannpunkten der Fertigungsvorrichtung als Ursache. Nach Anpassung der Vorrichtung konnte der Ausschuss von 4 % auf unter 0,5 % gesenkt werden. Die Prüfzeit für die Erstbemusterung wurde durch den automatisierten Hybrid-Messablauf um 30 % reduziert (Beispiel: 3 Wochen Prüfzeit auf 2 Wochen).
Die entscheidende Rolle der Messunsicherheit
Ein reiner Messwert ist ohne Angabe seiner Messunsicherheit unvollständig. Die Messunsicherheit (definiert im „Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement“ – GUM) quantifiziert den Zweifel am Messergebnis und ist entscheidend für eine verlässliche Toleranzbewertung. Sie setzt sich aus verschiedenen Einflussfaktoren zusammen:
- Das Messgerät selbst (U_cal, U_p): Kalibrierunsicherheit und systematische Abweichungen der Maschine.
- Die Umgebung (U_env): Temperatur- und Vibrationsschwankungen.
- Das Werkstück (U_w): Formabweichungen, Rauheit und Materialeigenschaften.
- Die Messstrategie (U_pr): Anzahl und Verteilung der Messpunkte, Antastparameter.
- Der Bediener (U_o): Einfluss durch Positionierung und Programmierung (wird durch Automatisierung minimiert).
Software & Auswertung: Vom Messpunkt zum Prozessergebnis
Die Leistungsfähigkeit einer KMM wird maßgeblich durch die eingesetzte Software bestimmt. Sie steuert nicht nur die Maschine, sondern ist vor allem für die intelligente Auswertung der Daten zuständig.
- CAD-basierte Prüfung
- Messprogramme werden direkt auf Basis von CAD-Modellen erstellt. Die Software vergleicht die gemessene Punktwolke (IST) mit dem CAD-Datensatz (SOLL) und visualisiert Abweichungen häufig mittels Falschfarbendarstellungen.
- Toleranzanalyse und GD&T
- Die Software wertet komplexe Form- und Lagetoleranzen (GD&T) gemäß ISO- und ASME-Normen aus und führt Berechnungen wie Best-Fit-Analysen durch, um Bauteile optimal im Toleranzfeld zu positionieren.
- Reporting und Dokumentation
- Automatisierte Erstellung aussagekräftiger, revisionssicherer Messprotokolle ist Standard. Die Daten werden oft direkt an SPC- (Statistische Prozesskontrolle) oder PLM-Systeme zur Langzeitanalyse und nachhaltigen Prozessverbesserung weitergeleitet.
Vergleichstabelle: Typen von Koordinatenmessmaschinen
| Typ | Messprinzip | Typische Anwendungen |
|---|---|---|
| Portal-/Brücken-KMM | Taktil / optisch kombinierbar | Präzisionswerkstücke, Serienmessung |
| Gantry-KMM | Taktil, großer Messbereich | Großbauteile (Maschinenbau, Formteile) |
| Portabel (Tastarm / Lasertracker) | Portables taktil/lasergestützt | Montageaufnahme, Feldvermessung |
Pro / Contra — Entscheidungscheck
Pro
- Exakte Geometrieprüfung
- Wiederholbare Prüfabläufe
- Daten zur Prozessoptimierung
Contra
- Investitionskosten
- Raum- und Umweltanforderungen
- Kompetenzbedarf
Entscheidungskriterien
- Messanforderung (Genauigkeit und Reichweite)
- Stückzahl und Prüfzeiten
- Integration in Qualitätsprozesse (SPC, PLM)
Glossar
- FPY
- First Pass Yield — Anteil fehlerfreier Einheiten beim ersten Durchlauf.
- Cp/Cpk
- Indikatoren zur Prozessfähigkeit und Lage im Toleranzfeld.
- Punktwolke
- Digitale Darstellung gescannter Oberflächenpunkte.
Weitere Begriffe
Abweichungen, Messunsicherheit (U), Toleranzketten und Referenzierung sind zentrale Begriffe im KMM-Umfeld.
Quellenverzeichnis
- DIN EN ISO 10360-2: Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Annahmeprüfung und Bestätigungsprüfung für Koordinatenmessgeräte (KMG) – Teil 2: KMG zur Messung von Längenmaßen.
- VDI/VDE 2627: Richtlinien zur messtechnischen Prüfung und Überwachung von Koordinatenmessgeräten.
- Schmitt, Robert; Leitner, H.; Kordt, M.: Messtechnik für Ingenieure: Grundlagen, Verfahren, Anwendung. Springer Vieweg, 2021.
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