Optisch, berührungslos und leicht zu integrieren

Jens Haase, Polytec und Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee

Damit Objektoberflächen die gewünschten Anforderungen an Rauheit, Profil oder Textur erfüllen, muss ihre Topografie geprüft werden. Vielfach wird hier noch mit taktilen Verfahren gearbeitet. Dieses Messprinzip, das auch Nicht-Techniker vom Plattenspieler kennen, gilt als bewährt, ist seit Jahrzehnten normiert und praktisch jedem Maschinenbauer vertraut. Allerdings nimmt man damit auch Nachteile in Kauf. Für viele, vor allem weiche, Oberflächen ist eine taktile Abtastung auch deshalb ungeeignet, weil sie durch die Berührung des Tasters beschädigt werden könnten. Dazu kommt außerdem die Trägheit der Taster-Rückstellung, die quasi wie ein integrierter Tiefpass wirkt. All diese Nachteile sind heute jedoch vermeidbar, wenn man bei der Oberflächeninspektion mit berührungslosen Verfahren arbeitet. Auch hier kann man sich mittlerweile auf bewährte Prinzipien verlassen, gleichzeitig aber von zahlreichen Vorteilen profitieren. Die TMS-TopPen-Sensoren aus dem Produktprogramm von Polytec liefern dafür ein gutes Beispiel.

Die Sensoren nutzen ein konfokales, gleichzeitig chromatisches Mess-Prinzip. Dieses Verfahren basiert darauf, dass Linsen für unterschiedliche Wellenlängen des Lichts unterschiedliche Brennpunkte haben. Diese Eigenschaft ermöglicht sehr präzise, schnelle und berührungslose Abstandmessungen. So wird zunächst der Strahl einer Weißlichtquelle durch das Objektiv auf eine Oberfläche abgebildet. Dazu wird der Strahl fokussiert, wobei sich durch chromatische Abweichung der einzelnen Spektralanteile unterschiedliche Brennpunkte bilden.

Das Licht wird von der Oberfläche reflektiert und ebenfalls wieder durch die Linse gebündelt. Anschließend wird es über eine Blende auf einem Spektrometer abgebildet. Die Blende lässt praktisch nur das reflektierte Licht durch, das im Fokus liegt. Da sich der Fokus für die verschiedenen Farben in unterschiedlicher Entfernung befindet, passiert nur das Licht einer bestimmten Farbe die Blende. Diese Farbe wird mit Hilfe des Spektrometers hinter der Blende bestimmt. Das jeweilige Intensitätsmaximum der entsprechenden Wellenlänge entspricht damit einem definierten Abstand zwischen der Linse und der Messoberfläche. Die Abstands- bzw. Höheninformation wird so zur Farbinformation. Dabei wird der Messbereich durch die chromatische Farbaufspaltung des Objektivs bestimmt und liegt im Bereich zwischen 100 µm und 20 mm. Standardmäßig können mit dem Sensor 5.000 Punkte pro Sekunde vermessen werden, eine höherfrequente Version erlaubt allerdings auch 30.000 Punkte pro Sekunde. Selbst sehr kurze Taktzyklen sind damit kein Problem.

Chromatisch konfokale Sensoren können praktisch alle Materialien mit rauen oder spiegelnden Oberflächen messen, eignen sich also für Metalle, Kunststoffe und Keramiken ebenso wie für Glas oder Papier. Im Gegensatz zu fast allen anderen Abstandsensoren sind für die Abstandsmessung keinerlei bewegliche Teile erforderlich und der Abstand wird in Echtzeit zuverlässig, reproduzierbar und sehr genau bestimmt. Dadurch ist der Einsatz des praktisch verschleißfreien Messprinzips auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen problemlos, selbst externe Streulichtquellen stören nicht. Druck- und Temperaturschwankungen beeinträchtigen das Messergebnis ebenfalls nicht; bei Bedarf kann sogar durch ein Schutzglas hindurch gemessen werden.

Typischerweise wird der Sensor in eine Produktionslinie zur Kontrolle von Oberflächen oder Formparametern eingesetzt, eine x-y-Verschiebeeinheit erlaubt allerdings auch den Einsatz als autarkes System in einem Messraum. Dabei können auch 3D-Profile eines Werkstückes gewonnen werden. Daneben ist es möglich, die Dicken von transparenten Schichten zu bestimmen, also den Abstand von zwei auseinander liegenden Oberflächen. Durch die hohe Wiederholgenauigkeit sind die Messergebnisse jederzeit reproduzierbar, Tendenzen in der Fertigung lassen sich erkennen und an unterschiedlichen Fertigungsstandorten sind die Messwerte vergleichbar.

Die Messsysteme lassen sich obendrein leicht in Maschinen oder Anlagen integrieren, zumal es nicht nur einen Standardsensor gibt, sondern sich das Messsystem aufgrund seiner Baukastenstruktur applikationsorientiert zusammenstellen lässt. Arbeitsabstand, Messbereich und Auflösung kann man dadurch perfekt an die Anforderungen der jeweiligen Applikation anpassen. Für Triggerung und Kommunikation steht eine praxisgerechte Software zur Verfügung. Kein Wunder also, dass sich den chromatisch konfokalen Sensoren breitgefächerte Anwendungsfelder erschließen.

Die Hauptanwendungsgebiete für die Sensoren sind sicherlich die Detektion von Oberflächen- und Formparametern, z.B. die berührungslose und rückwirkungsfreie Messung von Rauheiten gemäß ISO 25178. Dichtflächen beispielsweise dürfen weder zu glatt noch zu rau sein, um Adhäsion bzw. zu große Reibung zu vermeiden. Weitere Einsatzbereiche sind die Messung von Stufenhöhen (z.B. bei Schweißnähten), die Höhenverteilung von Noppen sowie die Überprüfung von Texturen, beispielsweise von Armaturenbrettern oder Stahlflächen. Letztere müssen eine gewisse Rauheit bzw. Struktur haben, damit Lackierungen überhaupt haften.

Eine typische Anwendung aus dem Automotivbereich ist die Kontrolle von Lasermarkierungen. Hier muss geprüft werden, ob die Tiefe der Markierung den Vorgaben entspricht. Gleichzeitig erkennt der Sensor überschüssigen Materialauswurf. Dadurch verursachte Grate am Rand der Markierung könnten sich irgendwann lösen, dann z.B. durch den Motor „vagabundieren“ und die Lebensdauer mindern. Ebenfalls aussagekräftige Messergebnisse liefert die Detektion von Kontakten. Bei der Prüfung zeigt sich, ob die Höhentoleranz den jeweiligen Qualitätsrichtlinien entspricht. Solche Messungen sind natürlich bei sehr unterschiedlichen Objekten möglich. Da das Mess-Verfahren auch auf größere Distanzen funktioniert, kann z.B. auch Höhe und Form von Löt-Bumps detektiert werden, selbst in heißem Zustand oder durch die Glaswand einer Temperaturkammer hindurch.

In der Bahntechnik findet das chromatisch konfokale Messverfahren außer in der Qualitätssicherung auch in der Schadensanalyse Anwendung, z.B. bei der Kontrolle von Bremsbelägen. Hier sind sowohl Welligkeits- als auch Rauigkeitsuntersuchungen möglich. Ebenso aussagekräftige Ergebnisse liefern die chromatisch konfokalen Sensoren bei Glasdickenuntersuchungen. Sowohl bei Flaschen als auch bei hochwertigen optischen Gläsern oder Folien können sie die Dicke messen. Anschließend werden die Messwerte dann mit den jeweiligen Gut-Parametern verglichen. Auch präzise Füllstandsmessungen, wie man sie beispielsweise bei Druckerpatronen braucht, sind mit dem optischen Messprinzip praxisgerecht realisierbar.

Derzeit läuft für die chromatisch konfokalen Sensoren das Normierungsverfahren (Entwurf ISO 25178, Blatt 603), was sicherlich dazu beiträgt, das Vertrauen zur optischen Messtechnik zu festigen. Zukünftig wird es deshalb nicht nur in den beschriebenen Anwendungsbereichen das konventionelle taktile Messen verdrängen, zumal die berührungslosen Sensoren in vielen Fällen der Qualitätssicherung und Schadensanalyse neue Möglichkeiten eröffnen. Da sich bis 180 Sensoren in einem Gerät anordnen lassen, sind beispielsweise auch sehr schnelle Flächenuntersuchungen möglich.

Als innovatives Hochtechnologie-Unternehmen entwickelt, produziert und vertreibt Polytec seit über 40 Jahren laserbasierte Messtechnik-Lösungen für Forschung und Industrie. Aufbauend auf dem Erfolg im Distributionsgeschäft begann man bereits in den 70er Jahren mit der Entwicklung und der Fertigung eigener, laserbasierter Messgeräte. Heute nimmt das Unternehmen mit Stammsitz in Waldbronn bei Karlsruhe im Bereich der optischen Schwingungsmessung mit Laservibrometern eine weltweit führende Position ein. Systeme für die Oberflächenmesstechnik, die analytische Messtechnik, die „Noise Analysis“ sowie die Prozessautomation gehören ebenfalls zur mittlerweile breit gefächerter Palette innovativer Eigenprodukte.