Spiegelnde Oberflächen | Laserbasierte Messverfahren im Nanometerbereich, mit denen sich die Rauheit spiegelnder Oberflächen bestimmen lässt, werden im Projekt Optochar erforscht. Sie lassen sich in der Metallbearbeitung und der Halbleiterindustrie einsetzen, können aber auch für die Medizintechnik interessant sein.
Wenn die Rauheit technischer Oberflächen nicht zu den Anforderungen passt, wirkt sich das negativ auf die Qualität eines Produktes aus. Daher sollte die Rauheit am besten direkt im Fertigungsprozess erfasst werden, und am besten schnell. Das stellt hohe Anforderungen an Verfahren und Datenverarbeitung. Nach DIN-Standard wird die Rauheit taktil gemessen, was Zeitaufwand bedeutet und Beschädigungen der Oberfläche mit sich bringt. Auch optische Messverfahren, die alternativ eingesetzt werden können, erfordern einen ruhigen Messort, insbesondere bei spiegelnden Oberflächen.
Ein neuartiges Laserstreulicht-Messverfahren für die flächenhafte optische Rauheitsmessung soll alle genannten Nachteile vermeiden und sich direkt in der Fertigung einsetzen lassen. Konzipiert wird es im Verbundprojekt Optochar, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Einer der Partner ist das Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (Bimaq) der Universität Bremen.
Am Bimaq wurde das Laserstreulicht-Messverfahren entwickelt. Nach Angaben der Forscher ist es prädestiniert dafür, metallische, spiegelnde Oberflächen zu charakterisieren. Das Verfahren nutzt besondere Eigenschaften des Laserlichts, so dass auch Rauheiten im Nanometerbereich erkannt werden. So sollen auch große, schnell bewegte Oberflächen vollständig beschrieben werden können. Beim Auswerten werden Digitalbilder von Laserreflexionen analysiert. Diese können in unruhiger Umgebung, etwa im Fertigungsprozess, aufgenommen werden.
Das Projekt startete 2015. Zur Projekthalbzeit wurde der Labordemonstrator vorgestellt und die grundsätzliche Machbarkeit des Verfahrens gezeigt. Mit über 600 Bildern pro Sekunde verarbeitet die bei der Oldenburger Cosynth GmbH & Co. KG entwickelte FPGA-Auswerteeinheit sogar schon weit mehr Daten als ursprünglich geplant – weitere Verbesserungen sollen möglich sein.
Große Oberflächen erfassen
Die so untersuchte Fläche liegt bei über 40 000 mm²*s-1, so dass sich mit dem System große und schnell bewegte Oberflächen erfassen lassen. Auf hoch spiegelnden Metalloberflächen mit Rauheiten im Bereich um Ra = 20 nm konnten Auflösungen von 2 nm im Ra-Wert-Äquivalent erreicht werden. Unter Wiederholbedingungen ist die Messunsicherheit σRa deutlich geringer als 1 nm.
Der Labordemonstrator wird in den kommenden Monaten auf den Einsatz im Fertigungsprozess vorbereitet – wobei für das Projekt zwei Anwendungsfälle vorgesehen sind. Beim assoziierten Partner Tata Steel Plating Hille & Müller GmbH, Düsseldorf, wird das System an polierten Walzen und direkt in der Stahlblechveredelung evaluiert. Bei der FRT GmbH in Bergisch-Gladbach wird das System auf die schnelle, flächenhafte Analyse von Oberflächen in stationären Messgeräten vorbereitet.
Nach Angaben der Partner eignet sich das System für die Halbleiterindustrie, die Solarindustrie, die Medizintechnik, die Stahlproduktion und die metallverarbeitende Industrie. Nach Projektende werden die Verbundpartner den Sensor zur Serienreife bringen und in unterschiedlichen Konfigurationen auf den Markt bringen. Anfang 2018 werden die Partner die Ergebnisse abschließend präsentieren. (op) ■
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