Inline-Topograhie und -Schichtdickenmessung

OCT für 3D-Druck

High Speed Inline Topographie- und Schichtdickenmessung

Der Flying-Spot-Scanner ist ideal für Inline-Inspektionseinsätze, da er durch die Kombination von OCT und Scannertechnologie flexibel und sehr schnell Inline- Messaufgaben löst.

(Bild: Precitec Optronik GmbH)

 

Ein Messverfahren, dass sich in den letzten Jahren etabliert hat ist die Weisslichtinterferometrie oder die OCT-Technologie. OCT (Optical Coherence Tomography) ist eine Bildgebungstechnik, die auf der Kurzkohärenz-Interferometrie basiert und seit langem ein etabliertes medizinisches Untersuchungsverfahren ist. Dabei wird ein Interferometer mit einer Lichtquelle geringer Kohärenzlänge verwendet, um Abstände und die Zusammensetzung von menschlichem Gewebe, z.B Hornhaut, zu bestimmen. Die geringe Kohärenzlänge wird durch die Verwendung von Lichtquellen erreicht, die ein breites Lichtspektrum emittieren. Die verwendeten Lichtquellen sind typischerweise Superlumineszenzdioden (SLDs) mit einer spektralen Breite von einigen 10nm. Die Weißlichtinterferenz ist für ihre hohe Messgenauigkeit bekannt. So sind die Sensoren der Chrocodile2 IT Serie speziell für die Weißlichtinterferenz im NIR-Spektralbereich optimiert. Die Sensoren arbeiten mit langlebigen SLDs als Lichtquelle und ermöglichen so Dickenmessungen an transparenten Materialien, wie z.B. Glas, Kunststoff und Schutzlacken bzw. Topographiemessungen auf zahlreichen Oberflächen.

Bilder 1+2 | Mögliche Prozessfehler im 3D-Druck mit dem LPBF-Verfahren führen zu Topographieveränderungen und können mittels OCT gemessen werden. Oben: Topographie eines im 3D-Druck generierten Bauteils (u.) das Originalteil. (Bilder: Precitec-Optronik GmbH)

Bilder 1+2 | Mögliche Prozessfehler im 3D-Druck mit dem LPBF-Verfahren führen zu Topographieveränderungen und können mittels OCT gemessen werden. Oben: Topographie eines im 3D-Druck generierten Bauteils (u.) das Originalteil. (Bilder: Precitec-Optronik GmbH)

Überwachung additiver Fertigungsprozesse

In Bezug auf die Forderung nach einer vollständigen Überwachung oder sogar Regelung unterscheiden sich die laserbasierten, additiven Fertigungsprozesse – heutzutage oft als 3D-Druck bezeichnet – wie LMD (Laser Metal Deposition) und LPBF (Laser Powder Bed Fusion) nicht von anderen Laseranwendungen. Precitec Optronik hat bereits in verschiedenen Anwendungen gezeigt, dass OCT eine vielversprechende Sensortechnologie zur Erfassung der wichtigsten Informationen bei diesen Prozessen ist, d.h. der Topologie des Verarbeitungsergebnisses. Aufgrund der Möglichkeit der koaxialen Adaption des Sensors in das Strahlführungssystem des Bearbeitungslasers können Oberflächeninformationen in-situ erfasst werden. Mögliche Prozessfehlersituationen im 3D-Druck mit LPBF, wie z.B. Poren, Verzug, Beschichtungsfehler, Schichtversätze oder auch Balling-Effekte führen zu Topographieveränderungen und sind daher ideal, um sie mittels OCT-Technologie zu messen. Die Integration des Chrocodile Sensors, insbesondere bei LPBF, an einen Galvanometer-Scanner, ist ohne großen Aufwand möglich. Die Messung eines Bauteils in Bild 1 zeigt exemplarisch das Potenzial von OCT im 3D-Druck und insbesondere bei LPBF-Verfahren.

Bilder 3 | Topographie einer mit ­Ultrakurzpuls-Laser strukturierten Metalloberfläche. (Bild: Verbundprojekt eVerest)

Bilder 3 | Topographie einer mit ­Ultrakurzpuls-Laser strukturierten Metalloberfläche. (Bild: Verbundprojekt eVerest)

Verkürzte Messzeiten

Ist eine Adaption des Sensorsystems in den Strahlengang einer Laserbearbeitungsanlage nicht möglich kann eine off-axis Variante verwendet werden. Eine Lösung ist der neu entwickelte Flying- Spot-Scanner. Der aktive Messkopf wurde speziell für den in-line Einsatz entwickelt und ergänzt sich ideal mit den Chrocodile 2 IT zu einem smarten Inspektionssystem. Über einen Lichtleiter wird das Licht vom Chrocodile Sensor in den Messkopf eingekoppelt und über ein ausgeklügeltes Spiegelsystem umgelenkt. Zuletzt durchläuft das Licht ein telezentrisches Objektiv, welches als Fokussiermodul auf dem Hinweg und als Messapertur für das reflektierte Licht dient. Durch das bewegliche Spiegelsystem wird der Messlichtstrahl in unterschiedlichen Winkeln abgelenkt und damit kann der Messfleck innerhalb des Blickfeldes des Objektivs frei positioniert werden. Lange Wege von Linearachsen werden durch kurze Drehbewegungen ersetzt, was zu einer extremen Verkürzung der Mess- bzw. Scanzeit führt. Durch den Einsatz von angepassten Fokussiermodulen kann der Flying Spot Scanner auch bei unterschiedlichen Anwendungsszenarien eingesetzt werden. Die Optiken zeichnen sich durch eine geringe Krümmung der Fokusebene, kleine Telezentriefehler und eine große Tiefenschärfe aus. Das Messystem kann zudem in zwei Betriebsarten genutzt werden, einem Dicken- oder Distanzmodus. Die beiden Betriebsarten können über die digitale Schnittstelle angewählt werden, womit der Umschaltprozess in einem automatischen Messablauf integrierbar ist. Ein mögliches Szenario für den Einsatz der neuen Lösung in der Lasermaterialbearbeitung ist die Messung der Topographie bei der Oberflächenbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern. Auch hier wurde im Rahmen von F&E Verbundprojekten die Fähigkeiten der neuen Messtechnik erfolgreich getestet. Bild 2 zeigt eine mit Pikosekunden Pulsdauer strukturierte Metalloberfläche.

Fazit

Der Flying-Spot-Scanner ermöglicht es, Taktzeiten für Messungen von Schichtdicken und Topographien auf ein Minimum zu reduzieren. Dies gilt nicht nur für ausgewählte Bereiche auf einem Messobjekt, auch bei kompletten Oberflächenscans spielen die Spiegel im Messkopf ihren Geschwindigkeitsvorteil aus und führen zu einer deutlichen Verkürzung der Messzeit.

Precitec-Optronik GmbH
www.precitec-optronik.de

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