Laserstreulicht: Neues Verfahren erfasst Rauheit flächenhaft, schnell und im Prozess

Spiegelnde Oberflächen im Griff

Unterschiedlich raue Oberflächen liefern verschiedene Lasermuster, die im neuen Verfahren analysiert werden Bild: BIMAQ, Universität Bremen
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Um die Rauheit spiegelnder Oberflächen in der Fertigung zu erfassen, arbeiten Bremer Forscher mit Industriepartnern an einem laserbasierten Messverfahren im Nanometerbereich. Anwenden lässt es sich in der Metallbearbeitung, der Halbleiterindustrie – und in der Medizintechnik.

Wie gut die Oberfläche gelingt, ist in vielen Anwendungen mitentscheidend für die Gesamtqualität eines Produktes. Nach DIN-Standard wird die Rauheit einer Fläche taktil mit einer sehr feinen Messspitze bis in den Nanometerbereich gemessen. Dazu muss das Messobjekt jedoch absolut ruhig liegen, was gerade bei großen Flächen nur mit viel Zeitaufwand zu erreichen ist. Zudem wird die Oberfläche berührt, was oft das Messobjekt beschädigt. Auch alternative optische Messverfahren erfordern in der Regel einen ruhigen Messort. Dies gilt insbesondere bei spiegelnden Oberflächen, für die sich viele Verfahren wegen der speziellen optischen Eigenschaften grundsätzlich nicht eignen.

Ein neuartiges Verfahren, mit dem sich die optische Rauheit flächenhaft messen lässt, wird nun im Verbundprojekt Optochar konzipiert, welches das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert. Zum Verfahren gehört eine spezielle Analyse von Laserreflexionen, die sich für den Einsatz direkt im Produktionsprozess eignet. Das zu erforschende Laserstreulicht-Messverfahren der Universität Bremen ist nach Angaben der Forscher prädestiniert für die flächenhafte Charakterisierung von metallischen, spiegelnden Oberflächen. Die zu prüfende Oberfläche wird dafür mit Laserlicht beleuchtet. Analysiert werden dann einzelne, digital aufgenommene Reflexionsbilder. Diese müssen nicht exakt fokussiert sein, so dass das Messobjekt auch in unruhiger Umgebung, etwa direkt im Fertigungsprozess, geprüft werden kann. Das Verfahren nutzt die besonderen Eigenschaften des Laserlichts aus, das an den besonders kleinen Unebenheiten markante Muster generiert. Diese werden durch eine ausgeklügelte Bildverarbeitung erfasst und ausgewertet.
Mit einer ausreichend hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit könnten im Vergleich zu anderen optischen Inline-Sensoren vollständige Prüfungen des gesamten Erzeugnisses direkt im Fertigungsprozess erfolgen. Dazu ist aber noch eine beträchtliche Geschwindigkeitssteigerung erforderlich, die im Projekt durch spezielle FPGA-Bildverarbeitungssysteme der Oldenburger Cosynth GmbH & Co. KG erreicht werden soll.
Im Projekt wird ein Demonstrator konzipiert, der im Fertigungsprozess verwendet werden kann und für eine maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit optimiert ist. Der Sensor-Demonstrator wird dann in unterschiedlichen Szenarien eingesetzt. Beim assoziierten Partner, der Düsseldorfer Tata Steel Plating Hille & Müller GmbH, wird das System im Walzprozess evaluiert. Die Eignung des Systems für die schnelle, flächenhafte Analyse von Oberflächen in dedizierten Messgeräten wird bei der Fries Research and Technology GmbH, Bergisch-Gladbach, untersucht.
Nach Projektende werden die Verbundpartner den Sensor zur Serienreife bringen und in unterschiedlichen Konfigurationen auf den Markt bringen. Angedacht sind Anwendungen in der Halbleiterindustrie, der Solarindustrie, der Medizintechnik, der Stahlproduktion und der metallverarbeitenden Industrie.
Die Verbundpartner werden für drei Jahre an dem Thema forschen und Anfang 2018 die Ergebnisse präsentieren. op
Weitere Informationen Das Verbundprojekt läuft im Rahmen der BMBF-Initiative „KMU-innovativ: Photonik / Optische Technologien“ seit März 2015. www.photonikforschung.de
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