Ziel der Entwicklung

Die industrielle Bauteilfertigung ist durch Funktionsintegration, neue Werkstoffe und Variantenvielfalt geprägt. In Branchen wie der Medizintechnik und dem Automotive-Bereich, rücken additive Fertigungsverfahren wie Drucken, Laserschmelzen und Lasersintern zunehmend in den Fokus, um individuelle Komponenten mit neuen Strukturen wirtschaftlich direkt aus 3D-CAD-Daten herzustellen.
Diese noch zunehmende Trendentwicklung führt die am Markt verfügbaren optischen 3D-Messgeräte an ihre Einsatzgrenze, insbesondere dann, wenn spiegelnde, transparente, transluzente und absorbierende Messoberflächen detektiert werden müssen.
Für das 3D-Digitalisieren mit auf optischer Triangulation basierenden Scannern werden deshalb nicht kooperative Messoberflächen mit beständigen Weißmitteln vorbehandelt, um optimale Messbedingungen zu erzielen. Auf wertintensiven Messobjekten aufgetragene Pigmente müssen nach der Messung wieder vollständig entfernt werden. Bei filigranen Prüflingen gestaltet sich eine Endreinigung kompliziert, weil Materialreste zurückbleiben können. Nicht selten führt der Pigment-Auftrag auf sensiblen Funktionsoberflächen (beispielsweise aus Glas, Kunststoff und offenporösem Gefüge) zu irreversiblen Schädigungen.
Ein Applizieren der Pigmentstoffe mit Spritzpistole oder Spraydose ist nicht homogen und dünn möglich. Dadurch könnnen beträchtliche Messverfälschung auftreten.

Vorteile und Lösungen

Der Lösungsansatz bestand in der Entwicklung eines ultraschallbasierten Zerstäubers, um optisch nicht kooperative Prüflingsoberflächen partiell oder vollständig zu behauchen. Dabei entsteht ein dünner diffus reflektierender Schichtüberzug, der vorübergehend zur Messfähigkeit des Objektes führt.
Der stoffliche Ansatz beruht auf der Verwendung organischer Kristalle als Sprühlösung. Durch ihre ringförmige Struktur aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen reagieren solche Verbindungen nicht mit anderen Stoffen, also auch nicht mit dem Messobjekt. Nach der Messung lösen sie sich nach wenigen Minuten wieder vollständig auf, so dass eine Reinigung der digitalisierten Objekte nicht notwendig ist.
Durch die feinstdosierte Sprühbeschichtung und die selbstständige Auflösung der Beschichtung nach der Messung in einem kalkulierbaren Zeitraum lässt sich die entwickelte Mattierungstechnik für scannende Werkstücke hervorragend mit den Erfordernissen industrieller Produktionsprozesse vereinbaren.
Der entwickelte Ultraschallzerstäuber ermöglicht eine Abscheidung von Filmbildnern aus vorbereiteten temperierten Lösungen. Mit der Einheit können Funktionsschichten auf Freiformflächen von 3D-Werkstücken konturangepasst und dünn beschichtet werden. Die applizierte Schicht ist matt und mit optischen Triangulationsverfahren wie das Laserschnittverfahren und Streifenprojektionsverfahren kompatibel.
Der Vorteil eines Ultraschall-Zerstäubers zur Verarbeitung flüchtiger Filmbildner gegenüber pneumatischen Zweistoffdüsen (zum Beispiel Spritzpistole, Spraydose) liegt in der vollständigen Kontrolle über Tropfengröße, Sprühintensität und Sprühgeschwindigkeit. Bei veränderbarem und relativ geringem Volumenstrom ist ein nahezu konstantes Spektrum feiner Tröpfchen für das reversible Mattieren von Oberflächen generierbar. Im Gegensatz zu pneumatischen Sprühtechniken werden die Aerosole mit geringer Eigengeschwindigkeit < 0,3 Meter pro Sekunde vom Zerstäuberelement abgeführt. Der Wirkbereich des ultraschallerzeugten Tröpfchennebels lässt sich bis auf wenige Millimeter fokussieren und somit gut an die Oberflächengeometrie des jeweiligen Messobjektes adaptieren. Mit einem unter Niederdruck stehenden inerten Gas (zum Beispiel Stickstoff) sind die Aerosole mit niedriger kinetischer Energie effizient auf den Haftgrund (Messoberfläche) übertragbar. Glatte gekrümmte oder nach unten weisenden Oberflächen von Messobjekten (beispielsweise steile Flanken) werden trotz geringer Oberflächenspannung des Substrates (zum Beispiel Kunststoffteile) ohne Abtropfen vollständig benetzt. Durch den kleinen, gleichmäßigen und fein einstellbaren Materialfluss ist es möglich, die Schichtdicke bis in den Nanometerbereich herunter zu skalieren. Somit sind partielle Dünnfilmbeschichtungen ohne Materialverlust präzise und effizient durchführbar.
Mit dem hybriden Ultraschallzerstäuber wird es künftig möglich sein, extrem dünne verfälschungsarme Messüberzüge mit diffuser Lichtreflexion und definierter Verweildauer auf hochwertigen Objekten aus Metall, Glas, Keramik und Kunststoffen aufzutragen, die aufgrund fehlender Oberflächenreflexion nicht oder bedingt mit Licht abtastbar sind. Durch die vollständige Sublimation der dünnen Schichten in wenigen Minuten können aufwändige Reinigungsproze-duren an formkomplizierten Messobjekten entfallen.
Durch seine gleichzeitig konservierende Wirkung kann der temporäre Überzug auch als zeitweise Schutzschicht vor oder nach einer Messung fungieren.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das Zerstäubermodul zielt auf den Markt für klein- bis großvolumige Funktionsbauteile mit Mikrostrukturen und sensiblen Präzisionsoberflächen. Zwei große Märkte sind die: Sensorik / Messtechnik mit Schwerpunkt Optische 3D Profilometrie sowie die Fertigungstechnik mit Anwendungsfeldern der Werkzeugtechnik und Mikrosystemtechnik.
Das ultraschallbasierte Zerstäubermodul ist automatisierbar und ermöglicht eine geführte Sprühbeschichtung an nicht oder schwer messbaren Werkstücken direkt in der Fertigung. Das Modul soll in Prozessketten der Produktentwicklung und Qualitätsüberwachung mit optischer 3D-Messtechnik zum Einsatz kommen, in bzw. an autarken oder integrierten Messstationen für das Erstbemustern sowie das Prüfen von Stichproben und im Produktionstakt.
Ein relevanter Bereich ist die industrielle 3D-Bildverarbeitung mit den Methoden Laser-Triangulation, Streifenlichtprojektion, Stereo-Vision und Time-of-Flight.
Eine Zielgruppe für den Ultraschallzerstäuber zur Oberflächenaufbereitung sind Entwickler bzw. Anbieter von hochauflösenden 3D-Konturmesssystemen sowie Sondermaschinenbauer und Ausrüster von Mess-/Prüfanlagen.
Eine weitere Zielgruppe sind Akteure aus der klassischen und modernen Fertigungstechnik, insbesondere Hersteller von Werkzeugen und Werkstücken mit ur- und umformenden, abtragenden sowie additiven Verfahren. Besonders für die Anwendungsbereiche Automobilbau, Medizintechnik und Optikfertigung, in denen permanent Fertigungsschritte kontrolliert werden müssen, zeigt sich ein großer Bedarf an Anwendungsmöglichkeiten für den Ultraschallzerstäuber in Verbindung mit den flüchtigen Reflexionsmitteln.