Berührungslose Prozesskontrolle

Damit kann einer Extruderanlage das notwendige Feedbacksignal zur Sicherstellung der einzelnen Schichtdicken geliefert werden. Zum anderen lässt sich Material an und unterhalb der Oberfläche auf Fehlstellen bzw. Oberflächendefekte im Produktionsprozess untersuchen, um in der Wertschöpfungskette zu einem frühen Zeitpunkt eine Unterscheidung zwischen „gut” und „schlecht” herbeiführen zu können. Bei Adaption des Sensorkopfes sind Einsatzgebiete innerhalb von Zylindern mit relativ kleinen Durchmessern (bis in den mm-Bereich) möglich. Generell kann ein zu messendes Objekt mit Oberflächen- bzw. Durchsatzgeschwindigkeiten bis zu 10 m/s abgetastet werden.

Seit mehr als einem Jahrzehnt beschäftigt sich der Gründer und Geschäftsführer der Firma ISIS optronics GmbH, Dr. Alexander Knüttel mit optischen Verfahren, welche „unter die Oberfläche gehen”. Die zu grunde liegende Technologie OCT („Optical Coherence Tomography„) hat er Mitte der 90-iger Jahre von USA kommend bei Roche Diagnostics eingeführt. Nach Entwicklungsarbeit auf dem Gebiet der Hautbildgebung hat Dr. Knüttel sich Ende der 90-iger Jahre mit ISIS selbstständig gemacht, „mit dem Segen von Roche”, wie er betont.

Die von ISIS mit einigen Patenten ausgestattete Technologie wurde bald nach Gründung auf industrielle Aufgabenstellungen erweitert. „Nach Ausstellung unseres Funktionsmusters auf der Hannover-Messe im Jahre 2000 haben wir schnell das Potenzial dieser Technologie für industrielle Einsatzgebiete erkannt” meint Dr. Knüttel. „Wenn wir in die sehr lichtundurchlässige Haut bis zu 1 mm reinschauen können, dann funktioniert dies auch für milchig trübe, semitransparente Folien und sogar Keramik. Nur bei Metallen ist an der Oberfläche Schluß”.

ISIS hat inzwischen ein erstes Scanner-Produkt basierend auf der OCT Technologie für den industriellen Produktionsprozess entwickelt. Dieser Scanner, mit dem Produktnamen StraDex 80, erlaubt die schnelle Bestimmung von Schichtdicken mit dem Ziel diese Daten dem Extruder online für die Konstanthaltung der Schichtdickenparameter bereitzustellen. „Im Gegensatz zu der derzeit etablierten Sensorik – mittels kapazitivem Verfahren – kann StraDex 80 einzelne Schichtdicken auflösen. Dies wird zunehmend zum Vorteil, da der Trend in Richtung Multifolien geht und bestimmte Einzelschichten mit sehr teuren Materialien sehr genau kontrollierbar sein sollen” betont Dr. Knüttel. Ein weiterer Vorteil der optischen Technik ist die Berührungslosigkeit, welche mit der kapazitiven Sensorik nur bedingt durchführbar ist. „So kann die StraDex 80 sogar flatternde Folien messen, was mit anderen Systemen derzeit nicht möglich ist”. Die Abtastrate für die einzelnen Schichtdicken innerhalb der Folie beträgt maximal 5 kHz (5000 Tiefen-Scans / sec), und das bei einem verfügbaren Tiefenbereich von derzeit knapp 200 mm. Die hohe maximale Abtastrate erlaubt Fließgeschwindigkeiten bis 10 m/s. Mit zusätzlicher mathematischer Software können die einzelnen Schichtdicken im sub-Mikrometer Bereich bei etwa 100 Hz abgetastet werden. Zunehmende Genauigkeit lässt sich gegen eine geringere Abtastrate eintauschen. Bis auf wenige Ausnahmen erlaubt das Verfahren auch die Messung von optisch stark streuenden Folien. Damit kann der Anwendungsbereich auch auf Polymerbeschichtungen ausgedehnt werden.

Mit StraDex 80 kann auch eine Material- bzw. Teile-Prüfung im Produktionsprozess durchgeführt werden. Hier sind verschiedene Anwendungsbereiche vorgesehen. Keramikteile für kritische medizinische Anwendungen oder Keramikkugeln in hochwertigen Kugellagern müssen vor Lieferung einer 100% Prüfung unterzogen werden. „Einige Kugellager Hersteller berichten mir, dass derzeit die Kugeln personalintensiv auf Sicht untersucht werden”, erklärt Dr. Knüttel. „Die Fehleranfälligkeit einer solchen Prüfung hängt von der Tagesform der Person ab, des weiteren ist deren Blick auf die Oberfläche begrenzt”. Die Vorteile der objektiven und potenziell sehr schnellen Prüfung bei gleichzeitiger Inspektion unterhalb der Oberfläche sind – zusammen mit dem Einsparpotenzial – attraktive Argumente für das von ISIS entwickelte Gerät. Alternative Verfahren, wie Ultraschall, müssen berührend arbeiten und sind in der Auflösung auf etwa 50 Mikrometer begrenzt. „In Keramik, z.B. Si-Ni, haben wir bereits berührungslos bis zu 200 mm Eindringtiefe erreicht und dabei Fehlstellen mit fast mikroskopischer Auflösung detektiert”, so der Geschäftsführer. Auch hier sind Geschwindigkeiten zum Abtasten der Oberflächen von bis zu 10 m/s vorgesehen.

Weitere Material- bzw. Teile-Prüfungen können mit einem alternativen Sensorkopf in zylindrischen Vertiefungen z.B. aus Metall durchgeführt werden. Prinzipieller Vorteil des Verfahrens ist, dass Erhebungen bzw. Vertiefungen von wenigen Mirkometern nachgewiesen werden können. Diese sind mit Oberflächen CCD-Kameras nicht oder nur schwer sichtbar. „Wir sind nicht von speziellen Beleuchtungen abhängig und können daher extrem platzsparend messen”, betont Dr. Knüttel. ISIS entwickelt derzeit einen besonders kompakten Sensorkopf, welcher das Eintauchen in sehr schmale Vertiefungen mit Durchmessern im mm-Bereich erlaubt. „Durch die sehr enge optische Strahlführung bei unserem Design haben wir die Option sogar bei sub-mm Durchmessern Fehlererkennung durchzuführen”. Bei reflektierenden Materialien kann auch eine komplette Profilometrie der Oberfläche durchgeführt werden, während semitransparente Materialien, wie Kunststoffe bzw. Keramiken eine volle 3-dimensionale Rekonstruktion mit Information unterhalb der Oberfläche zulassen.

Zusammenfassend können mit dem optischen Scanner StraDex 80 von ISIS z.B. folgende industrielle Produktionsprozesse kontrolliert werden:

Die folgenden Eigenschaften zeichnen StraDex 80 aus:

– Berührungslos mit Arbeitsabständen von 1 – 20 mm,

– Tiefenauflösung im Mikrometer-Bereich (mit sub-Mikrometer Genauigkeiten),

– Tiefenbereich bis 200 mm,

– Maximale Abtastrate von 5 kHz,

– Maximale Vorschubgeschwindigkeit des Objektes von 10 m/s.