Geprüfte Oberflächen

Geprüfte Oberflächen

Sub-µm Inline-3D-Oberflächenprüfung im Sekundentakt

Metallische Produkte, die durch Tiefziehen oder andere Kaltumformungsprozesse entstehen, müssen sehr exakte
3D-Oberflächeneigenschaften aufweisen – z.B. auf Dichtflächen oder an Graten. Mit der digitalen Mehrwellenlängen-Holographie lassen sich Oberflächen direkt in der Fertigungslinie 3D vermessen – sub-µm-genau und extrem schnell. Spiegelnde und raue Metalloberflächen können dabei genauso geprüft werden wie auch viele Verbundwerkstoffe.
Bei der digitalen Mehrwellenlängen-Holographie wird der zu vermessende Prüfling mit Laserlicht bestrahlt. Dieser streut das Licht teilweise zurück zum Sensor. Dort wird es mit unbeeinflusstem Laserlicht zu einem Interferenzbild überlagert, was die Information über die Form des Objekts in sich trägt. Durch numerische Berechnungen lassen sich die 3D-Daten errechnen und visualisieren. Wiederholt man die Messung mit mehreren leicht unterschiedlichen Laserwellenlängen, können Messgenauigkeit und Messbereich gesteigert werden. Durch die Wahl der Laserwellenlängen und des optischen Aufbaus lässt sich das Verfahren an verschiedene Einsatzbereiche individuell anpassen. Die Entwicklung bezahlbarer Lasersysteme, die schnell zwischen verschiedenen, sehr dicht beieinanderliegenden Wellenlängen umschalten bzw. durchstimmen können, macht das Verfahren für die industrielle Messtechnik interessant. Seit kurzem wird das HoloTop-System direkt in der Produktionslinie eingesetzt.

Digitale Mehrwellenlängen- Holographie

Mit aktuellen Messsystemen, die auf der digitalen Mehrwellenlängen-Holographie basieren, lassen sich mehr als 100 Millionen 3D-Punkte pro Sekunde messen. Das grenzt das Verfahren hinsichtlich Mess- und Auswertegeschwindigkeit deutlich gegen eine Vielzahl anderer optischer 3D-Messverfahren ab. Ein im Sensorkopf integriertes kalibriertes Normal erlaubt es, die Messung permanent auf das Normal zurückzuführen und quasi in Echtzeit zu kalibrieren. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Einzelwellenlängen mit einem hochauflösenden Spektrometer oder Wavemeter zu messen und damit das Messsystem zu kalibrieren. Im Gegensatz zu allen anderen bildgebenden 3D-Messverfahren kommt die digitale Holographie ohne ein abbildendes System aus. Das hat den Vorteil, dass keine Abbildungsfehler wie z.B. Verzeichnungen in die Messung eingebracht werden. Die laterale Auflösung wird auch bei der linsenlosen Anordnung durch die numerische Apertur und damit maßgeblich durch die Größe (nicht die Pixelzahl) des zur Aufzeichnung verwendeten Kamerachips und den Abstand zum Objekt, begrenzt. Da Kamerachips aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht beliebig groß hergestellt und Prüflinge in der Praxis nicht beliebig dicht am Chip positioniert werden können, ist die laterale Auflösung der linsenlosen Anordnung in der Praxis auf einige Mikrometer begrenzt. Diese Grenze kann durch eine zusätzliche Optik, die die Objektwelle vor der holographischen Aufzeichnung vergrößert, bis in den mikroskopischen Bereich verschoben werden. Im sichtbaren Spektralbereich liegt die laterale Auflösungsgrenze dann beugungsbegrenzt bei ca. 0,5µm.

Nachträgliches Scharfstellen

Metallische Produkte, wie sie etwa beim Tiefziehen, (Präzisions-)Drehen oder anderen Kaltumformungsprozessen entstehen, lassen sich mit digitaler Mehrwellenlängen-Holographie sehr gut vermessen. Beispielhaft seien hier die Oberflächen von Dichtflächen genannt. Das Messfeld besteht aus 3.072×3.072 Messpunkten. Die Zeit für die Datenaufnahme für die gesamte Messung beträgt 60ms. Die anschließende Rechnung, die aus den Rohdaten echte 3D-Daten erzeugt, dauert abhängig vom eindeutigen Messbereich zwischen 90 und 150ms. Erreicht wird die schnelle Datenauswertung durch hochgradig parallele Datenverarbeitung auf modernen Grafikkarten. Auch feinste Details der Dichtoberfläche werden so exakt aufgelöst. Die erreichbare laterale Auflösung ist dabei nur durch die Abbildungsqualität des verwendeten Objektivs begrenzt. Ein weiteres typisches Einsatzgebiet der digitalen Mehrwellen-Holographie ist die Inspektion von Aludruckgussteilen in Bezug auf Mikrodefekte und Grate. Selbst einzelne Mikrodefekte, die in der Regel nur wenige Mikrometer betragen, können wichtige Eigenschaften wie z.B. den thermischen Kontakt eines Aludruckgussgehäuses so verschlechtern, dass die Qualität des Bauteils nicht akzeptabel ist. Eine Inline-Überprüfung der Aludruckgussteile garantiert hier die gewünschten Bauteileigenschaften. Eine Besonderheit der digitalen Mehrwellenlängen-Holographie ist die Möglichkeit des ’nachträglichen Scharfstellens‘. Nach der Auswertung der Messdaten liegt im Rechner ein vollständiges Modell der Lichtwellen vor, die vom Objekt auf den Sensor gelangt sind. Wurden das Objekt oder Teile davon unscharf abgebildet, so besteht die Möglichkeit, die Daten mithilfe numerischer Methoden so weiterzuverarbeiten, dass nachträglich ein scharfes Bild des Objekts berechnet werden kann. Dazu sind weder mechanische Bewegung noch eine zusätzliche Datenerfassung erforderlich.

Thematik: Allgemein
Fraunhofer-Institut IPM
www.ipm.fhg.de

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