Steile Kanten sind messbar

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

Der Trend in Richtung Fertigung von komplexen Komponenten setzt sich fort. Da bei kleinen Dimensionen das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen immer größer wird, kommt der Präzision mit der gefertigt wird, zunehmende Bedeutung zu. So müssen z.B. im Automotive Bereich Zahnräder reproduzierbar mit mikrometer Toleranzen gefertigt werden. Besonders bei kleinen Bauteilen werden die Anforderungen an Maß-Toleranzen immer höher. In der Mikrosystemtechnik kommen primär nichtmetallische Körper zum Einsatz, welche mehrere Schichten auf den Innenwänden aufweisen können, deren Schichtdicken genau kontrolliert werden müssen.

Mit zunehmender Präzision in der Produktion müssen auch Störgrößen in der Produktionsumgebung berücksichtigt werden. Vibrationen und weitere Variationen bei den Messbedingungen erfordern daher 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. 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 Oberflächen-Inspektion wurde unser Scanner StraDex 80 p entwickelt. Das Gerät kann die Oberfläche von frei zugänglichen Stellen aber auch in Innenräumen ab 20 mm Durchmesser mit Mikrometer Genauigkeit optisch berührungslos abtasten. Abhängig von der Oberflächenrauigkeit können Flanken bis 70 ° gemessen werden. Evtl. vorhandene Beschichtungen auf der Oberfläche lassen sich derzeit ab 5 mm – zukünftig ab 2 mm – auflösen. Dies gilt für voll transparente als auch stark streuende Schichten, wie z.B. Keramik. Die Genauigkeit mit der topografische Defekte bzw. Toleranzabweichungen festgestellt werden können, liegt – auch abhängig von der Oberflächenqualität – im Bereich zwischen 0.2 und 1 Mikrometer. Bei einer Abtastrate von 16.000 Tiefenscans pro Sekunde können Höhenunterschiede bis maximal 20 mm erfasst werden. 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. Bei dem Steuerungsteil wird die Messsonde mittels mechanischer Aktorik über das Objekt bewegt. Alternativ können rotationssymmetrische Objekten auch selbst gedreht werden. Visualisiert wird in der Regel ein Soll-Ist Vergleich aus CAD und gemessenen Daten. Die Abweichungen können in Falschfarben dargestellt werden. Ebenso können einzelne Schnitt-Profile für die Quantifizierung herangezogen werden.

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. Mit unserem patentierten Verfahren basierend auf der SCI („Spectral Coherence Interferometry“) Methode lassen sich auch noch sehr schwach von der Probe reflektierende Signale mit hoher Positionsgenauigkeit 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. Besonders eingeschränkt ist die Aufnahmegeschwindigkeit bei steilen Flanken und in kleinen Innenräumen.

StraDex 80 p 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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