Innen so gut wie außen

Dr. Alexander Knüttel, Geschäftsführer, ISIS optronics GmbH, Mannheim

Der Trend in Richtung der Fertigung von miniaturisierten Komponenten mit hoher Funktionalität der Innenräume setzt sich fort. Da bei kleinen Dimensionen das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen immer größer wird, kommt der Präzision mit der die Innenwände gefertigt werden zunehmende Bedeutung zu. So müssen z.B. im Automotive oder Luftfahrt Bereich kleine Kanäle für Luft oder Flüssigkeitszufuhr reproduzierbar so gefertigt werden, dass die Strömungseigenschaften durch Oberflächendefekte nicht negativ beeinflusst werden. Ebenso werden bei kleinen Bauteilen die Anforderungen an Maß-Toleranzen immer höher. In der Mikrosystemtechnik kommen primär nichtmetallische Körper zum Einsatz, welche unter anderem auch mehrere Schichten auf den Innenwänden aufweisen, deren Schichtdicke genau kontrolliert werden muss.

Mit zunehmender Präzision in der Produktion müssen auch die Messgenauigkeiten in der Produktionsumgebung vorgehalten werden. Dies funktioniert in Umgebungen wo Vibrationen, Temperatur oder Staubentwicklung nicht genau kontrolliert werden können. Besonders Vibrationen und weitere Variationen bei den Messbedingungen erfordern eine sehr schnelle Datenaufnahme. Nur bei der Kombination aus Messgenauigkeit und Geschwindigkeit lassen sich Toleranzabweichungen in dem zu prüfenden Bauteil zu einem frühen Zeitpunkt in der Wertschöpfungskette erkennen um entweder solche Teile gleich auszuschließen oder über ein Feedbacksignal den Prozess entsprechend wieder zu stabilisieren. Die 100%-ige Qualitätssicherung während der Produktion ist heute ein „Muss“ für Komponenten-Hersteller.

Dabei muss das Mess-System in übersichtlicher Weise die Informationen darstellen und für Feedback-Prozesse auch weiterverarbeiten. Bei einem Störfall in der Produktion sollen dem Mitarbeiter klare Entscheidungsgrundlagen gegeben werden.

Im Hinblick auf die automatisierte Innenraum-Inspektion wurde unser Scanner StraDex 80 i entwickelt. Das Gerät kann die Oberfläche von Innenräumen mit Mikrometer Genauigkeit optisch berührungslos abtasten. Evtl. vorhandene Einzelschichten können derzeit bis 5 _m zukünftig bis 2 _m aufgelöst werden. Dabei können die Schichten auch optisch streuende Eigenschaften besitzen. Die Genauigkeit mit der topografische Defekte bzw. Toleranzabweichungen festgestellt werden können, liegt – auch abhängig von der Oberflächenqualität – bis in dem 100 nm Bereich. Ein weiterer wichtiger Spezifikationspunkt ist die hohe Abtastrate von mehreren 1000 Tiefenscans pro Sekunde. Kleinere Objekte lassen sich damit in Sekundenschnelle abtasten und das weitgehend insensitiv gegenüber Vibrationen in Produktionshallen.

Die Software ist aufgeteilt in einen Steuerungsteil und Ergebnis-Visualisierung. Die von dem Scanner gemessenen Daten lassen sich über verschiedene Schnittstellen wie RS232, CAN und LAN ausgeben. Protokolle wie QS-Stat lassen sich definieren, um eine optimale und standardisierte Anbindung an die bestehende Prozesstechnik des Herstellers zu gewährleisten.

Der Scanner funktioniert über ein berührungsloses, optisches Laufzeitverfahren. Dabei wird Infrarotlicht ausgesendet und die Zeit „gemessen“ bis die „Lichtpulse“ wieder auf dem Sensor auftreffen. Je länger die „Lichtpulse“ benötigen, desto größer muss der Abstand bzw. die Schichtdicke gewesen sein. Da Licht sich mit extrem hoher Geschwindigkeit ausbreitet, ist die Laufzeit nicht direkt, sondern nur indirekt über einen interferometrischen Ansatz zu messen. Damit lassen sich auch noch sehr schwach von der Probe reflektierende Signale deutlich nachweisen, so dass Objektoberflächen von sehr glatt bis sehr rau detektiert werden können.

Mechanische Tastverfahren sind inzwischen zwar sehr etabliert, aber die Kombination aus Genauigkeit und Aufnahmegeschwindigkeit setzt den Systemen Grenzen. Zusätzlich ist die Vermessung von sehr kleinen Innenräumen mit mechanischen Tastern nicht mehr praktikabel.

StraDex 80 i besteht aus einem miniaturisierten Sensorkopf, welcher über ein optisches Faserkabel an eine Auswerte-Einheit gekoppelt ist. Im Sensorkopf wird die Abstands- bzw. Tiefeninformation optisch kodiert. Die Auswerte-Einheit wertet die kodierten Signale aus und wandelt sie in elektrische um. Die Trennung von Sensorkopf und Auswerteeinheit erlaubt auch den Einsatz des Sensorkopfs bei hohen Temperaturen bis etwa 80 °C, ohne dass dies die etwas kritischere Auswerteeinheit in ihrer Funktion beeinträchtigt.

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