Der Sensor bd-2 für Dicken- und Abstandsmessungen kann in einem Messbereich von mehreren Millimetern Folien, Walzbänder und andere metallische Halbzeuge mit einer Präzision besser als 100 nm vermessen. Der kleine Sensorkopf und die schnelle Datenverarbeitung erlauben Inline-Messungen in der Produktionslinie.
Der Autor: Dr. Andreas Thoß, Journalist in Berlin, hat den Beitrag im Auftrag des Fraunhofer ILT, Aachen, erstellt
In der Luftfahrt- und Automobilindustrie werden immer höhere Anforderungen an die Material- und Qualitätskontrolle gestellt. Bei der Dickenmessung beispielsweise müssen Sensoren inzwischen bis in den Mikrometerbereich hinein genau sein, und dennoch sollen sie möglichst schnell und wartungsarm in der Produktionslinie funktionieren.
Für diese Anforderungen wurde am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ein in Aachen neuartiger optischer Dicken- und Abstandssensor entwickelt: bd-2 für bidirektionale Messungen. Die Technologie basiert auf der Interferenzfähigkeit von Halbleiterstrahlquellen – sie wurde bislang unter anderem für die Vermessung von Kunststoffbahnen eingesetzt. Dabei wird ein Messstrahl auf die Materialoberfläche geschickt, und aus dem reflektierten Signal wird die Entfernung mit einer Präzision besser als 100 nm bestimmt. Bei teiltransparenten Materialien lassen sich sogar mehrere Schichten simultan vermessen.
Das System wurde speziell für die Metallverarbeitung weiterentwickelt und kann nun zur Dickenmessung bei Walzbändern und Metallfolien eingesetzt werden. Mit dem neuen Sensor lässt sich der Abstand zur Oberfläche bei laufender Fertigung absolut und kontinuierlich messen. Zwei Messköpfe in einem CRahmen messen die Dicke des durchgeführten Produkts.
Der interferometrische Dicken- und Abstandssensor eignet sich für die Dickenmessung von Walzbändern, Blechen und Metallfolien im Bereich 10 µm bis 10 mm. Matte Oberflächen werden ebenso sicher gemessen wie glänzende.
Neuer Messkopf vereinfacht ganze Messung
Im Vergleich zu etablierten Methoden wie der Lasertriangulation bietet das neue Verfahren mehrere Vorteile. So ist nur ein kleiner Messkopf zur Ausstrahlung und Messung der Abstandssignale erforderlich. Das eliminiert Justierprobleme; Sender und Empfänger müssen nicht mehr aufeinander ausgerichtet werden. Auch der Platzbedarf ist geringer als beispielsweise bei der Triangulation: Der einzelne Messkopf sendet und empfängt seinen Messstrahl durch ein kleines Fenster mit nur 2 mm Durchmesser und kann durch einen Luftstrom auch in sehr rauen Umgebungen zuverlässig vor Verunreinigungen geschützt werden. Im direkten Vergleich mit herkömmlichen Triangulationssensoren lässt der neue Sensor etwa beim Linearitätsfehler seine Konkurrenz weit hinter sich.
Prozesse sicher steuern bei 210 km/h
Obwohl er die Präzision interferometrischer Methoden bietet, ist der Sensor bd-2 doch deutlich schneller als etablierte, absolut messende Abstandssensoren. Das komplette System verarbeitet bis zu 70 000 Abstandsmessungen pro Sekunde. Bei ersten Praxistests wurden bewegte Oberflächen mit einer Geschwindigkeit von 3,5 km/min sicher vermessen, umgerechnet sind das 210 km/h. Damit ist eine Inline-Messung auch bei hohen Produktgeschwindigkeiten möglich. Der Messkopf kann damit auch für die aktive Prozessregelung genutzt werden.
Maßstäbe für die industrielle Fertigung
Bei Geschwindigkeit und Integrierbarkeit setzt bd-2 Maßstäbe für die Prozessführung und Qualitätssicherung in verschiedenen Industriebereichen. Das Verfahren erlaubt den Übergang von der laborgestützten Einzelmessung zur kontinuierlichen Inline-Fertigungssteuerung. Die Experten vom Fraunhofer ILT wenden sich damit an Industriekunden, die höhere Genauigkeitsanforderungen in der Serienproduktion umsetzen wollen. Sie bieten Ihnen nicht nur Komplettsysteme an, sondern auch eine umfangreiche Beratung bei der Prozessintegration. Die Sensoren wurden bislang umfangreichen Tests im Technikumsbetrieb unterworfen, erste Industriepartner führen die neue Technologie im Juni 2013 ein. I
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