Zerstörungsfrei prüfen mit der optischen Kohärenztomografie

Präzise Vermessung von feinsten Bauteilen mit Licht

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Das OCT-Verfahren (optical coherence tomography) steht am Anfang der Integration in die industrielle Produktion. Grundlage des Verfahrens ist die Messung der Lichtlaufzeit, aufgebaut auf einer neuen Sensorgeneration.

flo-ir, Oberdorf (Schweiz)

Ein Bild der Lichtlaufzeitmessung besteht aus 300 * 300 axialen Interferogrammen, die einander seitlich berühren. Jeder Bildpunkt ist mit einer eigenen Linse versehen und mit einer eigenen Signalvorverarbeitung. Mit dem Verfahren wird die Flugzeit reflektierter oder gestreuter Photonen von einer Schicht mit der eines Referenzstrahls verglichen. Die Interferogramme aus den zwei Armen (Messarm und Referenzarm) ergeben ein lineares Muster von Strukturen unterschiedlicher Helligkeit. Daraus wird die relative optische Wegstrecke als Tiefenprofil abgebildet. Anders als bei der konventionellen Lichtmikroskopie ist bei der Lichtlaufzeitmessung nach dem OCT-Verfahren die transversale Auflösung von der lateralen Auflösung entkoppelt. Die laterale Auflösung wird durch die numerische Apertur der Optik bestimmt, die Auflösung in z-Richtung hängt dagegen von der spektralen Breite des verwendeten Lichts ab.
Das OCT-Verfahren stößt auf großes Interesse in der Industrie, weil es berührungslos, sehr genau und mit Lichtgeschwindigkeit arbeitet und wenig Platz beansprucht. Besonders vorteilhaft ist beim OCT-Verfahren, dass in einem Arbeitsgang verschiedene Aussagen aus den erfassten Daten abgeleitet werden können. Man weiß sofort, wie ein Bauteil nach der Fertigung aussieht oder wie groß die Abweichungen zu einem Sollmaß sind, wie Bindenähte im Bauteil liegen oder wie Fasern orientiert sind, Vorteile, die zur Erhöhung der Wertschöpfung moderner Produktionsprozesse genutzt werden können.
Unterschiede der einzelnen Verfahren
Zur Prüfung der Oberflächentopographie gehören taktile Messsysteme heute noch zum „Stand der Technik“, sie werden aber zunehmend durch CT-Verfahren, durch das OCT-Verfahren oder durch andere optische Messsysteme ergänzt oder ersetzt.
Taktile Messverfahren berücksichtigen nur wenige Bildpunkte und brauchen pro Bildpunkt relativ viel Zeit. Die taktile Vermessung von Bauteilen begrenzt sich auf wenige Messpunkte und erfordert viel Zeit.
Die Computertomografie (CT) ist ein Hilfsmittel, um Prozesse in der Phase der Produktentstehung, in der Fertigungsvorbereitung und oder in der Qualitätssicherung zu beschleunigen. Die Genauigkeit von CT-Anlagen erreicht 0,2 µm bei einem Messfeld der Größe zwischen 1 mm2 bis 2 mm2. Die Aufnahmezeit beträgt für kleine Bauteile mehrere Minuten und erreicht ja nach gestellten Anforderungen auch Stunden.
Zu konventionellen CT-Anlagen stellt das Phasenkontrast-x-ray-Verfahren eine hoch-wertige Option dar. Mit dem Phasenkontrast-x-ray-Verfahren werden gleichzeitig Brechungs- und Absorptionsunterschiede in einem Bauteil tomografisch dargestellt und ausgewertet.
Das OCT-Verfahren erlaubt die geometrische Vermessung von Bauteilen (Aussen- oder Innenkonturen) und erlaubt auch zuverlässige Aussagen über eine Wanddicke, die Oberflächenbeschaffenheit, die Ebenheit von Flächen, deren Parallelität zueinander oder über Haftungsungänzen. Die laterale Auflösung von OCT-Systemen liegt unter 1 µm beim kleinstmöglichen Messfeld von 0,5 mm2. Die Aufnahmezeit für kleinere Bauteile beträgt nur Sekunden oder Bruchteile davon. Mit dem OCT-Verfahren werden in kurzer Zeit mehrere tausend Punkte vermessen, was neue Perspektiven in der Prozessführung öffnet.
Geometrievermessung und Detektion von Oberflächenmerkmalen
Bei der Herstellung von Getrieben stellen sich immer wieder Fragen zur Oberfläche der Bauteile oder über deren Ebenheit respektive deren Parallelität zueinander. Nicht zuletzt wird die Kundenzufriedenheit dann erreicht, wenn das erzeugte Produkt ohne Nachbearbeitung verwendet werden kann. Gerade bei Klein- oder Kleinstbauteilen sind mikrometergenaue Inspektionen anspruchsvoll, vor allem wenn die Bauteile noch in verschiedenen Höhenlagen angebracht sind. Um kleinste lokale Abweichungen auf Oberflächen noch sicher festzustellen, kommen heute ASP-Arrays (Active Sensor Pixel Arrays) zum Einsatz. Auf diesen Arrays sind mehrere Funktionen direkt auf der Chip-Ebene implementiert. Die Systeme haben Bildfolgeraten bis 1 million fps (frames per second) und sind dann vorteilhaft, wenn die Geschwindigkeit und die Präzision gleichzeitig von Bedeutung sind.
Die OCT- Systeme vermessen den Raum zwischen den zwei Kameras in horizontaler und/oder in vertikaler Lage Richtung sehr vermessen. Die im Lichtraum eingebrachten Bauteile werden unabhängig vom Material berührungslos, schnell und geometrische exakt vermessen.
Bauteile vermessen
Bauteile werden vermessen, um in der ganzen Kette der Wertschöpfung die Effizienz zu steigern. Mit der OCT- Prüfzelle werden komplexe Bauteile exakt vermessen. Bei der Batch- Prüfung stehen 2 Prüfteller mit den Kavitäten für die Bauteile zur Verfügung. Die eigentliche Prüfung respektive die Vermessung der Bauteile verläuft automatisch. Ist der Messvorgang abgeschlossen, leuchtet die die Betriebszustands- Anzeige. Die Mess- und Auswertekriterien werden durch den Auftraggeber bestimmt. Es können beliebige Auswertungen aus den Signalen vorgenommen und protokolliert werden. In der Prüfzelle können verschiedene Bauteile vermessen werden. Zu jedem Bauteil gehört ein Prüfteller, damit die Vermessung automatisch und reproduzierbar durchgeführt werden kann.
Beim Spritzgießen interessieren die Maßhaltigkeit der hergestellten Produkte und der Zustand nach dem Entformen. Nach der Entnahme der Kunststoffteile aus der Form muss sichergestellt sein, dass auf dem Bauteil keine „Brauen“ haften, weil sonst in der Weiterverarbeitung Probleme entstehen können.
Mit dem OCT-Verfahren werden kleinste Fehler sicher erkannt, weil nur Daten aus der gerade anvisierten Ebene erfasst und scharf abgebildet werden. Das Bild vor dem aufzunehmenden Datensatz und das Bild dahinter sind ausgeblendet. Sie beeinflussen die Messwerte nicht, ein besonderer Vorteil des OCT- Verfahrens.
Geometrische Bauteilvermessung
Nahrungsmittelschalen, Kanister, Kapseln oder Cups bestehen aus mehrlagigen Kunststoff-Folien. Die teuerste Schicht in einer solchen Folie ist die Gassperrschicht, welche die Sauerstoffdiffusion verhindert und dadurch das Produkt länger haltbar macht. Der Gassperrschicht folgen Haftvermittlerschichten, welche noch immer 5-mal teurer sind als die Aussen- oder Innenschichten aus PE oder PP. Zudem sind an Produkte die nach der Herstellung weiter verarbeitet werden, besondere Anforderungen an die Maßhaltigkeit gestellt.
Die Bauteilvermessung mit dem OCT- Verfahren ist hochgenau und über lange Zeiträume hinweg gleichbleibend. Umgeformte Kapseln werden mit der Lichtlaufzeitmessung in wenigen Sekunden vermessen. Aus den OCT- Messdaten werden geometrische Abmessungen, die Ebenheit von Flächen oder deren Parallelität geprüft und Schichtdicken abgeleitet. Durch die farbliche Codierung werden Unterschiede in der Dicke eines Bauteils oder in der Höhe sofort sichtbar.
Im OCT-Verfahren steckt das Potential für die Inline-Prüfung, weil Licht sehr schnell ist und mikrometergenaue Aussagen in kürzester Zeit erlaubt. Nicht zuletzt zeichnen sich OCT-Systeme durch eine hohe Flexibilität und die Robustheit im industriellen Umfeld aus und es scheint, dass die Zeit angebrochen ist, wo die Werkzeuge unserer Vorfahren durch Licht als modernstes Werkzeuge ergänzt oder ausgetauscht werden. Immer dann, wenn die Genauigkeit sowie die Geschwindigkeit wichtig sind, bietet das OCT- Verfahren eine wirtschaftlich sehr interessante Lösung.
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