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Oberflächentechnik Rauheitsmessung spiegelnder Oberflächen

| Redakteur: Beate Christmann

Das Verbundprojekt Optochar sucht nach Wegen, die Rauheit technischer Oberflächen direkt im Fertigungsprozess zu optimieren. Zur Anwendung kommt ein Laserstreulicht-Messverfahren im Nanometerbereich des Bremer Instituts für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft, das einen Messtakt von 600Hz erreicht. Ziel ist eine möglichst vollständige Charakterisierung von großen, schnell bewegten Oberflächen.

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Erster Einsatzort des neuen Sensorsystems: Bereits während des Polierprozesses der Arbeitswalzen soll die Rauheit der Oberfläche ermittelt werden können.
Erster Einsatzort des neuen Sensorsystems: Bereits während des Polierprozesses der Arbeitswalzen soll die Rauheit der Oberfläche ermittelt werden können.
(Bild: Tata Steel Plating)

Das Überwachen der Rauheit technischer Oberflächen direkt während des Fertigungsprozesses stellt hohe Anforderungen an Verfahren und Datenverarbeitung. Aufgrund der immensen Auswirkung auf die Qualität des Gesamtergebnisses ist der Bedarf an Lösungen für eine schnelle Rauheitsmessung jedoch sehr hoch. Rauheit wird nach DIN-Standard taktil gemessen, was mit einigen Nachteilen einhergeht. Dazu zählen ein großer Zeitaufwand sowie die Beschädigung der Oberfläche. Und alternative optische Messverfahren erfordern einen ruhigen Messort, insbesondere bei spiegelnden Oberflächen.

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt Optochar beschäftigt sich mit einem neuartigen Verfahren für die flächenhafte optische Rauheitsmessung direkt im Produktionsprozess, das alle genannten Nachteile vermeidet. Nun wurde der erste Labordemonstrator vorgestellt.

Aufnahme von Digitalbildern in unruhiger Umgebung

Das im Rahmen des Projekts bereits erforschte Laserstreulicht-Messverfahren des Bremer Instituts für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft erschien den Wissenschaftler als geradezu prädestiniert für die flächenhafte Charakterisierung von metallischen, spiegelnden Oberflächen. Die Auswertung analysiert Digitalbilder von Laserreflexionen, die auch in unruhiger Umgebung, etwa im Fertigungsprozess, aufgenommen werden können. Das Verfahren nutzt dabei besondere Eigenschaften des Laserlichts aus, um Rauheiten im Nanometerbereich zu erkennen. Ziel ist eine möglichst vollständige Charakterisierung von großen, schnell bewegten Oberflächen.

Mit dem Demonstrator wurde die grundsätzliche Machbarkeit des Verfahrens gezeigt, vor allem aber wurden auch wichtige Meilensteine bezüglich der Kennzahlen des Sensorsystems erreicht. Mit über 600 Bildern pro Sekunde verarbeitet die bei Co-Synth entwickelte FPGA-Auswerteeinheit bereits weit mehr Daten als ursprünglich geplant und hat noch Potenzial nach oben. Die so verarbeitete Fläche liegt bei über 40.000 mm²/s. Das System eignet sich so hervorragend für die vorgesehenen Anwendungsfälle großer und schnell bewegter Oberflächen. Auf hoch spiegelnden Metalloberflächen mit Rauheiten im Bereich um Ra = 20 nm konnten Auflösungen von 2 nm im Ra-Wert-Äquivalent erreicht werden. Unter Wiederholbedingungen ist die Messunsicherheit Ra deutlich geringer als 1 nm.

Vorbereitung des Labordemonstrators auf die Fertigung

Für die beiden Anwendungsfälle des Projekts wird der Labordemonstrator in den nächsten Monaten auf den Einsatz im Fertigungsprozess vorbereitet. Beim assoziierten Partner Tata Steel Plating Hille & Müller wird das System an polierten Walzen und direkt in der Stahlblechveredelung evaluiert. Für die schnelle, flächenhafte Analyse von Oberflächen in stationären Messgeräten wird das System bei FRT vorbereitet.

Durch die Robustheit und Schnelligkeit bei gleichzeitig extrem hoher Auflösung bietet sich das Verfahren für viele Bereiche an. Im Projekt werden unter anderem die Halbleiterindustrie, die Solarindustrie, die Medizintechnik, die Stahlproduktion und die metallverarbeitende Industrie adressiert. Nach Projektende werden die Verbundpartner den Sensor zur Serienreife und in unterschiedlichen Konfigurationen auf den Markt bringen. Das mit knapp 1,4 Mio. Euro durch die BMBF-Initiative KMU-innovativ: Photonik/Optische Technologien geförderte Projekt läuft seit März 2015. Die Verbundpartner Co-Synth aus Oldenburg, FRT aus Bergisch Gladbach, das Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft der Universität Bremen und als assoziierter Anwendungspartner Tata Steel Plating Hille & Müller aus Düsseldorf forschen insgesamt drei Jahre an dem Thema und werden Anfang 2018 die Ergebnisse präsentieren.

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