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Messen und Prüfen - Optische 3-D-Messtechnik

Lasermesstechnik

Einführung

Die meisten modernen Produktionsprozesse haben einen hohen Automatisierungsgrad erreicht. Für eine sichere Prozessführung müssen sowohl der Ablauf der einzelnen Prozess-Schritte als auch die Qualität der hergestellten Halbzeuge und Produkte laufend überwacht und geprüft werden. Berührungsfreie Messverfahren mit Lasern erlauben die kürzest möglichen Reaktionszeiten für eine effiziente Prozessregelung. Sie sind außerdem unabhängig vom Umgebungslicht und der Temperatur des Messobjekts und können sich an unterschiedliche Oberflächeneigenschaften des Prüfobjekts anpassen.

Der Laser ist für optische Messverfahren die vielseitigste Lichtquelle. Typische Abstände zwischen einem Lasersensor und dem Messobjekt liegen je nach Anwendung in der Produktionstechnik im Bereich von wenigen Millimetern bis zu einigen Metern. Dies erlaubt eine flexible Integration von Lasermessanlagen in die Prozesslinie. Da die Laserstrahlung eine hohe spektrale Leistungsdichte besitzt (Leistung pro Fläche, pro Raumwinkel, pro Wellenlängenintervall), sind Lasermessverfahren unabhängig vom Umgebungslicht. Laserstrahlung ist in ihrer Intensität trägheitslos modulierbar, d. h. die Intensität kann als Funktion der Zeit schnell variiert werden. Damit kann eine wirksame Anpassung an veränderliche Oberflächen- oder Materialeigenschaften eines Messobjekts erreicht werden. Die Lebensdauer moderner Halbleiterlaser für messtechnische Aufgaben beträgt bis zu 50 000 Stunden und übertrifft damit die Lebensdauer konventioneller thermischer Lichtquellen bei weitem. Alle Lasermessverfahren beruhen darauf, dass bei der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Messobjekt mindestens ein Parameter der Laserstrahlung verändert wird (siehe Bild 1) [1]. Diese Parameter sind: die Amplitude, der Wellenvektor (beschreibt die Richtung des Laserstrahls und die Wellenlänge), die Frequenz und die Polarisation (beschreibt die Ausrichtung des elektrischen Feldes der Laserwelle). Messgrößen sind vor allem geometrische Größen, zeitliche Änderungen geometrischer Größen, Konzentrationen und Teilchendichten, Temperaturen sowie werkstoffliche Kenngrößen. Im Rahmen dieses Beitrags wird insbesondere auf Verfahren zur Messung geometrischer Größen und deren zeitlicher Veränderungen eingegangen.

Bild 1. Schematische Darstellung eines Lasermessverfahrens. Laserlicht wird durch folgende physikalische Größen beschrieben: Amplitude, Wellenvektor, Frequenz und Polarisation. Änderungen dieser Parameter durch die Wechselwirkung mit dem Messobjekt erlauben die Bestimmung verschiedener geometrischer, dynamischer, chemischer und werkstofflicher Messgrößen (Quelle: Fraunhofer ILT)

Bild 1. Schematische Darstellung eines Lasermessverfahrens. Laserlicht wird durch folgende physikalische Größen beschrieben: Amplitude, Wellenvektor, Frequenz und Polarisation. Änderungen dieser Parameter durch die Wechselwirkung mit dem Messobjekt erlauben die Bestimmung verschiedener geometrischer, dynamischer, chemischer und werkstofflicher Messgrößen (Quelle: Fraunhofer ILT)

Lasermess-Systeme können prozess- und produktrelevante geometrische Größen online messen. Das Messobjekt muss nicht aus dem Fertigungsablauf ausgeschleust und in einen separaten Messraum transportiert werden, sondern bleibt in der Produktionslinie und wird unter Produktionsbedingungen geprüft. Bild 2 zeigt schematisch die Einbettung eines Lasermess-Systems in die Produktionslinie und in die IT-Umgebung. Die online gewonnenen Daten werden in Echtzeit ausgewertet und zur Dokumentation, zur Führung vorgelagerter Prozess-Schritte und für Sortieraufgaben sowie zur Qualitätssicherung verwendet.

Bild 2. Schematische Darstellung der Einbettung eines Lasermess-Systems in eine Produktionslinie und in die IT-Umgebung (Quelle: Fraunhofer ILT)

Bild 2. Schematische Darstellung der Einbettung eines Lasermess-Systems in eine Produktionslinie und in die IT-Umgebung (Quelle: Fraunhofer ILT)

Messung geometrischer Größen

Bild 3. Prinzip der Lasertriangulationsverfahren. Links: Abstandsmessung mit einem kollimierten Laserstrahl, rechts: Laserlichtschnitt zur Messung einer Kontur bzw. eines Profils, unten: Projektion mehrerer Linien zur Formmessung (Quelle: Fraunhofer ILT)

Bild 3. Prinzip der Lasertriangulationsverfahren. Links: Abstandsmessung mit einem kollimierten Laserstrahl, rechts: Laserlichtschnitt zur Messung einer Kontur bzw. eines Profils, unten: Projektion mehrerer Linien zur Formmessung (Quelle: Fraunhofer ILT)

Bei der Abstandsmessung beleuchtet ein kollimierter Laserstrahl das Messobjekt. Das gestreute Licht wird unter einem bekannten Winkel mit einer Optik auf einen ortsauflösenden Detektor abgebildet. Der Bildpunkt verschiebt sich, wenn der Laserstrahl in einem anderen Abstand auf das Objekt trifft. Ausgehend von der bekannten Einstrahlrichtung des Laserstrahls kann anhand der Lage des Bildpunkts der Abstand des Leuchtflecks auf dem Messobjekt von einer bestimmten Bezugsebene ermittelt werden. Bei der Profilmessung wird der Laserstrahl als Lichtlinie geformt. Trifft dieser Strahl auf das Messobjekt, entsteht ein sogenannter Lichtschnitt, der unter einem Winkel auf einen zweidimensional ortsauflösenden Detektor abgebildet wird.

Typische technische Daten von Triangulationssensoren für die Abstands- (1-D) und Profilmessung (2-D) sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1. Technische Daten von Triangulationssensoren für die Abstands- und Profilmessung (Quelle: Fraunhofer ILT)

Tabelle 1. Technische Daten von Triangulationssensoren für die Abstands- und Profilmessung (Quelle: Fraunhofer ILT)

Messung der Dicke von Metallbändern

Bei der Messung der Dicke eines Werkstücks handelt es sich um eine eindimensionale Messaufgabe. Konventionelle Verfahren für die Messung der Dicke von bewegten bandförmigen Materialien, wie z.B. Blechen, basieren auf der Messung der Transmission von Röntgen- oder Gammastrahlung. Diese Methoden setzen jedoch die Kenntnis des Absorptionskoeffizienten voraus, der von der chemischen Zusammensetzung des Prüfobjekts und von der spezifischen Materialdichte abhängt. Die Laserdickenmessung sorgt nicht nur für eine hohe Messfrequenz und -präzision, sondern bringt als weitere Vorteile mit sich, dass die Materialzusammensetzung nicht bekannt sein muss, dass der erforderliche Wartungsaufwand minimal ist und dass einfache Sicherheitsmaßnahmen (kein radioaktives Material und keine Hochspannung erforderlich) ausreichen.

Bild 4. Prinzip der Dickenmessung mit Lasertriangulationssensoren. S = Metallband, R = Walzgerüst, LS1, LS2 = Lasertriangulationssensoren (Quelle: Fraunhofer ILT)

Bild 4. Prinzip der Dickenmessung mit Lasertriangulationssensoren. S = Metallband, R = Walzgerüst, LS1, LS2 = Lasertriangulationssensoren (Quelle: Fraunhofer ILT)

Bild 5. Ansicht des C-Rahmens mit den beiden Lasersensoren für die Online-Messung der Dicke von Metallbändern unmittelbar im Anschluss an ein Walzgerüst (rechts hinten) (Quelle: Fraunhofer ILT)

Bild 5. Ansicht des C-Rahmens mit den beiden Lasersensoren für die Online-Messung der Dicke von Metallbändern unmittelbar im Anschluss an ein Walzgerüst (rechts hinten) (Quelle: Fraunhofer ILT)

Im industriellen Routinebetrieb wird eine Präzision der Dickenmessung am bewegten Kaltband von 2,2 µm erreicht. Bild 5 zeigt eine Ansicht des C-Rahmens mit den beiden Lasersensoren bei der Online-Messung der Dicke von Metallbändern unmittelbar im Anschluss an ein Walzgerüst (rechts hinten im Bild). Bild 6 zeigt die Anzeige der Dickenmesswerte als Funktion der Zeit im Leitstand. Im gezeigten Beispiel werden Bleche mit variabler Dicke gewalzt. Dieses sogenannte flexible Walzen erlaubt die Herstellung von Blechen mit definierten Blechdickenverläufen und gleichmäßigen Blechübergängen. Aus diesen “Tailored Rolled Blanks” werden im Weiteren durch Tiefziehprozesse Strukturelemente für Kraftfahrzeuge wie z.B. Anschlussträger, Querträger und Ladeboden hergestellt. Konventionelle Dickenmessverfahren sind aufgrund der hohen Anforderungen an die Dynamik und die Präzision nicht für eine Online-Erfassung der Dicke beim flexiblen Walzen geeignet.

Bild 6. Echtzeit-Darstellung der gemessenen Metallbanddicke als Funktion der Zeit (Quelle: Fraunhofer ILT)

Bild 6. Echtzeit-Darstellung der gemessenen Metallbanddicke als Funktion der Zeit (Quelle: Fraunhofer ILT)

Literaturhinweis

[1] A. Donges, R. Noll, Lasermesstechnik - Grundlagen und Anwendungen, Hüthig Buch Verlag, Heidelberg, ISBN 3-7785-2216-7, 1993, 318 S.

[2] DIN 32 877, Optoelektronische Abstands-, Profil- und Formmessung, August 2000.

[3] R. Noll, M. Krauhausen, Online thickness measurement of flat products, Industrial Laser Solutions, 9-11 (July 2002).
[4] Patent Triangulationsverfahren, DE 195 32 767.

Dr. Reinhard Noll. Lasermesstechnik. In: Norbert Bauer (Hrsg.). Leitfaden zu Grundlagen und Anwendungen der optischen 3-D-Messtechnik, Erlangen 2003, S. 17-19. Mit freundlicher Genehmigung der Fraunhofer-Allianz Vision, Erlangen.

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