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Industrielle Automation 3/2015

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Industrielle Automation 3/2015

SENSOR+TEST

SENSOR+TEST 2015 I SPECIAL Optische Charakterisierung von Oberflächen mithilfe interferometrischer Verfahren Wilfried Bauer, Benjamin Erler Die Forderung, kleine Toleranzen in der Qualitätskontrolle zu überprüfen, stellt eine Herausfor-derung für die Messtechnik dar: Neben der Genauigkeit muss gleichzeitig sichergestellt sein, dass der Sensor keine relevanten Informationen übersieht. Deshalb muss die gesamte Funktionsfläche charakterisiert werden. Berührende Messverfahren benötigen dazu jedoch viel Zeit. Die bessere Wahl sind optische Oberflächenmessgeräte, die schnell eine komplette Fläche charakterisieren. Dr. rer. nat. Wilfried Bauer, Dipl.-Ing. Benjamin Erler, beide Polytec GmbH In der optischen Oberflächenmesstechnik wirkt jedes Pixel einer Kamera als Sensor – zwei Millionen Pixel bedeuten zwei Millionen Messungen. Interferometrische Verfahren bieten dabei eine hohe Messgenauigkeit in vertikaler Richtung unabhängig von der Messfläche, dem sogenannten Gesichtsfeld. Daher bestimmt ein Weißlicht-Interferometer z. B. Ebenheiten, Parallelitäten oder flächige Stufen schnell und zuverlässig. Im Folgenden stellen wir Ihnen Ergebnisse von zwei verschiedenen Typen von Weißlicht-Interferometern vor, nämlich einen großflächig messenden Weißlicht-Interferometer für Formmessungen und ein Weißlicht-Interferometer-Mikroskop für feine Strukturen. Das Mikroskop bestimmt zusätzlich Texturparameter wie Rauheiten oder Strukturparameter. Flächenprofile vs. Linienprofile Im Vergleich zu Linienmessungen liefern Flächenmessungen etwa bei der Ebenheitsbestimmung mehr Informationen. Dadurch ist sichergestellt, dass sowohl der höchste als auch der niedrigste Punkt berücksichtigt und auch lokale Unebenheiten sicher erfasst werden. Diese lokalen Unebenheiten können zum Beispiel bei Kontaktflächen zu lokalen Belastungen führen, die wiederum die Lebensdauer eines Bauteils beeinflussen. Bild 1 zeigt eine solche Messung mit einem Weißlicht- Interferometer, wobei die Farben die Höheninformation repräsentieren. Bei ringförmigen Oberflächen kann das Instrument Kreisprofile erstellen. Bild 2 zeigt ein solches Profil, welches zwischen den Kanten exakt in der Mitte verläuft und eine Ebenheitsabweichung von ± 100 nm aufweist, wobei die Ausrichtung an Ankerpunkten bzw. Kantenlinien eine hohe Reproduzierbarkeit gewährleistet. Dies gilt natürlich auch, wenn zwei Flächen miteinander in Beziehung gesetzt werden. Betrachtet man die beiden Flächen getrennt, so erkennt man, dass die untere (äußere) Höhenunterschiede von einigen µm aufweist und die obere (innere) 425 µm höher liegende Fläche konisch ist (Bild 3). Stufenhöhenmessungen zwischen zwei Punkten weisen größere Schwankungen auf, je nachdem welche Punkte auf den beiden Flächen jeweils ausgewählt wurden. Mithilfe der Flächenmessung können die Schwerpunkte von beiden Flächen sowie deren Parallelität bestimmt werden. Bei einem sogenannten telezen trischen Aufbau, wie er z. B. im TMS-100 oder TMS- 500 verwirklicht ist, treten keine Abschattierungen auf. Dadurch ist es möglich, sehr weit auseinander- oder tiefliegende Bodenflächen zu charakterisieren. Ein Beispiel ist die Messung einer leicht gewölbten 40 mm tiefliegenden Oberfläche in einem Hohlzylinder, die zudem noch schief liegt. Die großflächig messenden Weißlicht-Interferometer TMS-100 und TMS-500 von Polytec haben einen Scanbereich von bis zu 70 mm, um auch Flächen mit größeren Höhendifferenzen charakterisieren zu können. Neben 01 Ebenheitsmessung einer Kontaktfläche (gemessen mit TMS-100 TopMap Metro.Lab) 02 Flächen- und Linienprofil einer ringförmigen Fläche (gemessen mit TMS-300 TopMap in.Line) 03 Details der Ringflächen. Links: Flächenmessung mit einem Taster; rechts: Flächenmes sung mit einem Interferometer 24 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2015

SPECIAL I SENSOR+TEST 2015 der Ebenheit und Parallelität bestimmen sie damit auch Radien, Neigungswinkel und laterale Abstände. Die Beispiele zeigen, dass Sie mit einer optischen Flächenmessung wesentlich mehr Informationen gewinnen als mit traditionellen taktilen Methoden. Das Beispiel einer Münze in Bild 4 verdeutlicht dies: Hier ist eine Flächenmessung mit einem Taster dargestellt, bei der die Fläche aus Einzellinien zusammengesetzt ist. Daneben sieht man eine Flächenmessung mit einem Interferometer. Die Tastermessung benötigt 30 Minuten, die Flächenmessung weniger als eine. Kurze Messzeiten sind gefordert In der Qualitätssicherung spielen häufig nicht nur Messzeiten, sondern auch Reproduzierbarkeit, Rückführbarkeit und Vergleichbarkeit eine große Rolle. Die Vergleichbarkeit der Ergebnisse an verschiedenen Standorten muss dabei unabhängig vom Bediener gewährleistet sein. Auch sollten die Messungen automatisierbar sein und dies nicht nur für Routinemessungen, sondern auch für die Integration in die Fertigungslinie. Das folgende Beispiel einer Messung an kleinen Rädern soll dies erläutern: Um die Taktrate zu erhöhen, werden mehrere Räder im Gesichtsfeld platziert und gleichzeitig vermessen (Bild 5). Die Ersteinrichtung wird an einem Bauteil vorgenommen und Messablauf und Auswerte- Algorithmen festgelegt. Gleichzeitig erkennt der Sensor auch die Form des Erstbauteils und anhand dieser Informationen erkennt und vermisst er automatisch die anderen Bauteile. Im vorliegenden Fall dauerte diese Ersteinrichtung weniger als zwei Minuten. Diese kann gespeichert werden und steht dann benutzerunabhängig für alle folgenden Messungen zur Verfügung. Nach der Messung werden die Ergebnisse entweder exportiert oder als Gut-/Schlecht- Tabelle angezeigt. Wenn gewünscht, können schlechte Teile noch einmal in Augenschein genommen werden (Bild 6). Auch wenn die optionale Formerkennung nicht vorhanden ist, können Messung und Auswertung festgelegt und abgerufen werden. Damit sind benutzer- und ortsunabhängige Ergebnisse erzielbar. Bisher werden vornehmlich taktile Metho den für die Oberflächenmessungen eingesetzt. Daher beziehen sich fast alle internationalen Normen auf taktile Messungen. Mittlerweile finden optische Messinstrumente eine wachsende Verbreitung. Daher ist es nur konsequent, dass die internationale Normung die Flächenmessung und -auswertung beachtet und die optischen Messmethoden einbezieht. Wie die Beispiele zeigen, messen Weißlicht-Interferometer mit einer großen Präzision. Die Auflösungen (kleinste trennbare Stufenhöhe) liegen im Subnanometer­ Bereich, Texturparameter wie Rauheiten, Ebenheiten oder Stufenhöhen können mit nm-Genauigkeiten bestimmt werden. www.polytec.de 04 Vergleich einer taktilen mit einer optischen Messung (TMS-100 TopMap Metro.Lab) am Beispiel einer Münze 05 Gleichzeitige Messung von mehreren Rädchen; das umrahmte Rädchen wurde zum Einrichten verwendet (Messung mit TMS-500 TopMap) 06 Eine in Augenschein genommene Einzelmessung Folgen Sie uns auch online! www.industrielle-automation.net www.facebook.com/inautomation www.twitter.com/INAUTOMATION google.com/+Industrielle-automationNet hält Sie stets auf dem Laufenden