Eine besonders vielseitige Art von Messgeräten für die Qualitätssicherung in der Produktion sind die der optischen Messtechnik. Der besondere Vorteil liegt dabei in der hohen Genauigkeit und Messgeschwindigkeit, der berührungslosen Messmethode und der Möglichkeit, je nach Messmethode von kleinsten Strukturen bis hin zu großflächigen Bauteilen eine Qualitätskontrolle zu gewährleisten. Dabei unterscheidet man im Allgemeinen zwischen der Grob- und der Feingestalt eines Werkstücks. Die Grobgestalt umfasst Parameter wie das Maß, die Form und Lage, während die Feingestalt die Oberfläche eines Werkstücks beschreibt und Parameter wie die Welligkeit und Rauheit umfasst.
Optische Technologien werden also häufig verwendet, um die geometrischen Eigenschaften von Produkten zu messen, wie zum Beispiel Größe, Form und Position. Zusätzlich können optische Systeme für die Überwachung der Güte von Oberflächen, wie zum Beispiel eine Rauheitsbestimmung oder auch zur Defekterkennung genutzt werden. Auch möglich ist der Einsatz in der Prozessüberwachung, wie etwa zur Fokusüberwachung und Bestimmung des Arbeitsabstands. Ein besonderer Vorteil liegt in der schnellen und genauen Messung von Produkteigenschaften und der erleichterten Identifizierung von Abweichungen von den Spezifikationen. Dabei umfasst optische Messtechnik je nach Messaufgabe verschiedene Arten von Messgeräten. Dazu gehören beispielsweise Projektionsmessgeräte, interferometrische Messverfahren und hochauflösende Kameras. Im Folgenden sollen einige Beispiele für die Bestimmung von Grob- und Feingestalt mittels unterschiedlicher Messmittel erläutert werden.
Projektionsmessgeräte nutzen Lichtprojektionen, um geometrische Eigenschaften von Produkten aufzunehmen. Sie sind besonders geeignet für die Prüfung großer Produkte oder Produktgruppen und ermöglichen eine schnelle und genaue Messung von großen Oberflächen. Dabei unterscheidet man zwischen einfachen Lasertriangulationsverfahren, bei denen aus der Verformung einer Laserlinie, die über das Objekt fährt, eine Punktwolke erzeugt wird und somit ein hochgenaues 3D-Bild generiert wird und sogenannten Streifenlichtprojektionsverfahren, bei denen Licht codiert wird und das erzeugte Streifenmuster auf dem ruhenden Objekt eine Höhenstruktur erzeugt, aus dem das 3D-Bild errechnet wird.
Neben den Projektionsmessgeräten gibt es eine Vielzahl von Messmethoden, die auf dem Prinzip der Interferometrie beruhen. Bei diesen Verfahren werden zwei oder mehr Wellen miteinander kombiniert, um genaue Messungen von Längen, Abständen, Oberflächenprofilen oder anderen physikalischen Größen durchzuführen. Die optische Kohärenztomographie (OCT) ist zum Beispiel eine bildgebende Technologie. Sie basiert auf dem Prinzip der Interferometrie, die ähnlich wie die Ultraschall-Tomographie arbeitet. Sie nutzt jedoch Licht anstelle von Schallwellen, um dreidimensionale Bilder von Schichten zu erzeugen. In der Produktion kann OCT verwendet werden, um die Schichtdicke und die Qualität von Schichten in transparenten Werkstoffen, wie etwa in der Herstellung von LCD-Panels, Solarzellen, oder für die Vermessung von Mikrolinsenarrays zu überwachen.
OCT misst Oberflächen auch inline
OCT ermöglicht es auch, die Qualität der Schichten in dünnen Filmen zu überprüfen, die in der Produktion von elektronischen Geräten, in der Druckindustrie und in der Medizintechnik verwendet werden. Eine weitere mögliche Anwendung kann auch die topografische Messung von Oberflächen in der Lasermaterialbearbeitung sein. Dabei kann die Untersuchung von Mikrostrukturen bis hin zu Livemessungen des Schmelzbads während des Auftragsschweißens reichen. Durch die Integration solcher Messverfahren direkt in den Produktionsprozess können Fehler in Echtzeit erkannt werden und es kann sofort reagiert werden.
Zusätzlich zu den laserbasierten Messverfahren spielen kamerabasierte Verfahren eine zunehmend wichtigere Rolle. Dabei reichen die Anwendungen von Multikamerasystemen, bei denen komplexe Großbauteile in Sekundenschnelle von allen Seiten betrachtet werden können, über hochauflösende Zeilenkameras, mit denen Defekte im Millimeterbereich am laufenden Band untersucht werden können, bis hin zu High-Speed-Mikroskopen, mit denen kleinste Fehler auf Hochpräzisionsbauteilen sicher detektiert werden. Ein solches High-Speed-Mikroskop ist beispielhaft für die 100-Prozent-Überprüfung von Platinen.
KI erlaubt automatisierte Bildverarbeitung
Durch die Anwendung optischer Messverfahren in der Qualitätskontrolle kann der Schritt von der statistischen Produktionsüberwachung hin zu einer 100-Prozent-Kontrolle erreicht werden und somit die Produktionsqualität nachhaltig verbessert werden. Wichtig ist dabei nicht nur die Auswahl geeigneter Sensoren, sondern auch der Umgang mit den erzeugten Daten bis hin zu einer vollständig automatisierten Bildverarbeitung. Durch die Anwendung komplexer Algorithmen und maschinellen Lernens können mittels Bildverarbeitung selbst die kleinsten Unregelmäßigkeiten oder Abweichungen von den Qualitätsstandards erkannt werden. Dies ermöglicht nicht nur eine konstant hohe Produktqualität, sondern auch die frühzeitige Erkennung von Fehlern und Abweichungen, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Ein Echtzeit-Feedback über den aktuellen Produktionsprozess und damit die Möglichkeit, Anpassungen und Verbesserungen vorzunehmen, wird ermöglicht und trägt damit wesentlich dazu bei, die Wettbewerbsfähigkeit und Effizienz in der Fertigungsindustrie zu steigern.
Die Auswahl geeigneter Messinstrumente und -verfahren stellt für Unternehmen oft eine Herausforderung dar. Messmittelberatung bietet Unterstützung, um bei der Vielzahl der Möglichkeiten den Überblick zu behalten. Dabei werden individuelle Anforderungen und Bedürfnisse detailliert analysiert, um maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln. Das Ziel ist es, sicherzustellen, dass die richtigen Messgeräte ausgewählt, implementiert und effektiv genutzt werden, um die Qualitätsstandards zu erfüllen.
Das Fraunhofer IPT nutzt seine Expertise im Bereich der Produktionsmesstechnik, um produzierende Unternehmen bei der Auswahl und Implementierung neuer Messtechnik zu unterstützen. Die Ziele können hierbei vielfältig sein: Steigerung der Produktqualität, Senkung des Ausschusses oder Stabilisierung des Produktionsprozesses. Die Herangehensweise an diese Problemstellungen folgt dennoch immer einem bewährten System. Zunächst erfolgt eine umfassende Anforderungsanalyse, im Rahmen derer entscheidende Faktoren wie Prüfmerkmale, Taktzeiten und Umgebungsbedingungen erfasst werden.
Daran schließt sich die Definition einer Zielstellung an. Auf deren Basis erfolgt eine Grundauswahl an messtechnischen Technologien, die für die Lösung der Problemstellung in Frage kommen. Diese Technologien werden anschließend auf Basis von definierten Kriterien hinsichtlich ihrer Eignung bewertet und gegenübergestellt. Für die geeignetste Technologie wird anschließend ein Integrationskonzept erstellt, welches auch die bestehende IT-Infrastruktur berücksichtigt. Dabei werden die ausgewählten Hardwarelösungen von Bildverarbeitungssoftware unterstützt. Die Palette von Auswertealgorithmen reicht dabei von automatisierter Schichtdickenerkennung, Echtzeit-Fokusüberwachung bis hin zur Oberflächendefekterkennung mittels maschinellen Lernens.
Bild: Fraunhofer IPTCaroline Girmen
Wissenschaftliche
Mitarbeiterin
Fraunhofer IPT
www.ipt.fraunhofer.de
Video zur HSM
In diesem Video zeigt das Fraunhofer IPT, wie sich die High-Speed-Mikroskopie (HSM) für die Qualitätskontrolle in Labor und
Industrie einsetzen lässt:
