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Oberflächenrauheitsmessungen im Takt der Produktion

Weißlicht-Interferometrie
Oberflächenrauheitsmessungen im Takt der Produktion

Weißlicht-Interferometer bieten kurze Messzeiten und eine hohe Reproduzierbarkeit. Sie arbeiten zudem berührungslos. Diese Vorteile lassen sich jetzt auch bei Messungen der Oberflächenrauheit direkt in der laufenden Fertigung nutzen, etwa für die Qualitätskontrolle oder Prozessüberwachung.

Die Interferometrie ist eine sehr genaue Messmethode, die je nach Konfiguration ganz unterschiedliche Aufgaben lösen kann. Der Abstand von der Erde zum Mond beispielsweise lässt sich ebenso mit hoher Genauigkeit bestimmen wie die Oberflächenrauheit industrieller Produkte mit Auflösungen im Nanometerbereich. Letztere spielt bei vielen Produkten eine wichtige Rolle, da sie sowohl mechanisches als auch elektrisches oder chemisches Verhalten beeinflussen können. Informationen über die Ebenheit oder Rauheit bilden deshalb eine wichtige Grundlage für Optimierungen und geben Auskunft über die Produktqualität. Mit ihrer Hilfe lassen sich zum Beispiel Reibung erhöhen oder vermindern, Verschleiß minimieren, die Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen steigern oder die Leitfähigkeit verbessern. Sie kann sogar zur Prozessüberwachung genutzt werden, denn geometrische Oberflächeneigenschaften liefern auch Hinweise auf Werkzeugverschleiß, optimierungsbedürftige Maschinenparameter oder Vibrationen.

Die Produktoberfläche wird dadurch quasi zum „Fingerabdruck“ des Herstellungsprozesses. Dabei lässt sich eine Höhenauflösung bis zu 0,1 nm realisieren. Das ist deutlich besser als bei anderen optischen Messmethoden. Im Gegensatz zu Verfahren mit Fokus-Variation oder konfokaler Mikroskopie bleibt bei Weißlicht-Interferometern die hohe laterale Auflösung auch bei Messfeldern von einigen Quadratzentimetern Größe erhalten.

Moderne Weißlicht-Interferometer nutzen die Interferenzeffekte, die bei der Überlagerung des vom Messobjekt reflektierten Lichts mit einem Referenzsignal auftreten. Das Messverfahren basiert auf dem Prinzip des Michelson-Interferometers, wobei der optische Aufbau eine Lichtquelle mit einer Kohärenzlänge im Mikrometer-Bereich enthält. An einem Strahlteiler wird der kollimierte – also gerade gerichtete beziehungsweise parallelisierte – Lichtstrahl in Mess- und Referenzstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl trifft das Messobjekt, der Referenzstrahl einen Spiegel. Das vom Spiegel und Messobjekt jeweils zurückgeworfene Licht wird am Strahlteiler überlagert und auf eine Kamera abgebildet. Stimmt der optische Weg für einen Objektpunkt im Messarm mit dem Weg im Referenzarm überein, kommt es für alle Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle zu einer konstruktiven Interferenz. Das Kamerapixel des betreffenden Objektpunkts hat dann die maximale Intensität. Für Objektpunkte, die diese Bedingung nicht erfüllen, hat das zugeordnete Kamerapixel eine niedrigere Intensität.

Geräte mit telezentrischem Aufbau erlauben damit eine simultane Vermessung mehrerer Punkte und erfassen so die Topografie großer Flächen in einem einzigen Messvorgang und innerhalb einer kurzen Messzeit. Wenn dagegen eine hohe laterale Auflösung gefordert ist, bieten sich mikroskopbasierte Systeme an, bei denen der optische Aufbau samt dem Referenzarm in das Objektiv integriert ist.

Inline-Messtechnik ist schnell, präzise und flexibel integrierbar

Mit den Weißlicht-Interferometern der Topmap-Familie bietet Polytec für unterschiedliche Anwendungsfelder bereits seit etlichen Jahren passende Messsysteme an. Typische Anwendungen sind Ebenheits- oder Wölbungsmessungen oder die Detektion von Formabweichungen. Die mikroskopbasierten Ausführungen Micro View und Micro View+ bieten eine besonders hohe laterale Auflösung und das dank spezieller Scanning-Technologie (Continous Scanning Technology) über den gesamten vertikalen Messbereich von 100 mm. Damit sind sehr detaillierte Messungen möglich, etwa um Mikrostrukturen auf Waferoberflächen zu detektieren, die Mikrostrukturen bei Druckverfahren zu analysieren oder um Oberflächenrauheiten optischer Komponenten zu bestimmen.

Insbesondere für die Anwendungen in der laufenden Fertigung, wo hohe Genauigkeit und möglichst kurze Messzeiten gefordert sind, hat Polytec die Produktfamilie um Topmap Rapid View erweitert. Je nach Aufgabe und Messbereich sind Messzeiten im Sekundenbereich realisierba. Bei einem Höhenmessbereich von 400 µm eignet sich das mikroskopbasierte System mit seiner hohen lateralen Auflösung für präzise Inline-Rauheitsmessungen. Gescannt wird in Echtzeit unter Nutzung komplexer Algorithmen auf Grafikkarten. Verkleinert man das Bildfeld, kann die Bildwiederholungsfrequenz bis auf 3 kHz beschleunigt werden. Das Weißlicht-Interferometer erkennt feinste Oberflächenstrukturen und hält mit schnellen Fertigungstakten Schritt. Da es sehr kompakt baut, lässt es sich gut in die Fertigungslinie integrieren. Der Messkopf kann zudem wie ein Sensor separat montiert und damit flexibel positioniert werden.

Dank vieler Exportmöglichkeiten können die 3D-Messdaten der Weißlicht-Interferometer mit jeder geeigneten Auswertesoftware bearbeitet werden. Besonders einfach und praxisgerecht wird der Umgang allerdings mit der speziell für diese Polytec-Topografie-Messsysteme entwickelten TMS Software, die zahlreiche Möglichkeiten bietet, um die Messergebnisse zügig und ISO-konform auszuwerten. „Messrezepte“ beispielsweise erleichtern Routineaufgaben. Hier lassen sich die Einstellungen für die Datenaufnahme – zum Beispiel Messposition, Beleuchtungseinstellungen, Kameraparameter – zusammen mit Auswerteparametern (wie etwa Nachbearbeitungsschritte, Visualisierungs- oder Exportmöglichkeiten) für spezielle Messaufgaben definieren und abspeichern. Somit werden aus komplexen Oberflächenanalysen einfache Ein-Klick-Lösungen. Das spart besonders im Produktionsumfeld Zeit, vermeidet Bedienfehler und auch Nicht-Fachleute können mit den Messsystemen arbeiten. Die Bauteillage innerhalb des Messfelds wird automatisch erfasst und der Bediener kann die Messung mit einem einfachen Mausklick starten. Darüber hinaus sind Änderungen innerhalb eines vorhandenen Rezepts mit einem zusätzlichen Tool einfach zu überwachen. So lassen sich erwünschte und unerwünschte Änderungen leicht nachvollziehen, was einen wesentlichen Beitrag zur Nachverfolgbarkeit der Produktion leisten kann.

Polytec GmbH
Polytecplatz 1–7
76333 Waldbronn
www.polytec.com


Bild: Polytec

Dr. Özgür Tan
strategisches Produktmarketing optische Messsysteme
Polytec
www.polytec.com


Webhinweis

Zu den Hintergründen der Entwicklung der Topmap-Produktfamilie und warum ein Friseur für die Produkteinführung notwendig war, berichtet Özgür Tan in diesem Video von Polytec:



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