Ziel der Entwicklung
Ziel war es, streulichtoptische Sensoren zu entwickeln, die zur genauen Positionsbestimmung anhand der Mikrotopographie von rauen bevorzugt metallischen Oberflächen eingesetzt werden können. Dazu sollten langwellige und hochfrequente Oberflächenstrukturanteile genutzt werden, die als Positionsmarker verwendet werden sollen. Als Verfahrensgrundlage dienten die Deflexionsmethode und die Specklekorrelationsmessung.
Wesentliche gerätetechnische Grundlagen und Messstrategien wurden entwickelt, um schnelle Deflexions- und Specklekorrelationsmessungen durchzuführen. Es entstanden zwei Mustergeräte.
Ein Prototyp wurde für die Deflexionsmessung realisiert, der erstmals zweidimensionale Mikrotopographiemessungen nach dem Deflexionsmessverfahren für technisch raue Oberflächen ermöglicht. Die PSD-basierte Detektierung erfasst die Strukturen mit einer Abtastfrequenz von bis zu hundert Kilohertz. Durch echtzeitfähige PLC und TwinCAT Automatisierungslösungen werden genaue und schnelle Messwerterfassungen möglich.
Mit dem neu entwickelten Speckle-Trecking-Verfahren ist es erstmals möglich, eine echtzeitfähige Korrelationsauswertung der Speckle an bewegten rauen Oberflächen durchzuführen. Damit sind Geschwindigkeits- und Positionsbestimmungen an rauen Oberflächen realisierbar.
Vorteile und Lösungen
Nach dem heutigen Erkenntnisstand gibt es nur relativ wenige Anbieter von Messtechnik, die eine schnelle in-prozess Charakterisierung des 2-dim. Oberflächenprofils mit gleichzeitiger Geschwindigkeitskontrolle zulassen. Teure optischen Oberflächenprüfgeräte basieren meist auf der optischen Profilometrie und können bei hoher lateraler Auflösung nur niedrigere Messgeschwindigkeit realisieren. Herkömmliche preiswerte und einfache Oberflächensensorik eignet sich nur unzureichend, um Oberflächen mit ausgeprägten Texturen (fast alle spanend hergestellten Oberflächen) einer zweidimensionalen Qualitätskontrolle zu unterziehen.
Eine schnelle Kontrolle der Oberflächenqualität (Rauheit) und Form (Rundheit, Welligkeit) unmittelbar in der Fertigung hilft Kosten zu sparen durch Prozessoptimierung und verbesserte Standzeiten der Werkzeuge. In der modernen Fertigung werden immer höhere Anforderungen an die Funktion von Oberflächen gestellt. Dies betrifft vor allem die Zerspanungstechnologien, aber der gleiche Trend ist auch bei der Erzeugung von Folien oder Blechen sowie bei der Herstellung hochbeanspruchter Teile im Automobilbau zu beobachten.
Die entwickelten Geräte sind zur echtzeitfähigen Vermessung des Oberflächenprofils, der Welligkeit und der Rauheit geeignet, mit gleichzeitiger Kontrolle der Prüflingsbewegung. Darüber hinaus wird es ermöglicht, Informationen über der vertikalen Lage des Prüflings zu gewinnen, wodurch die optimale Messbedingungen jeweils garantiert werden können (Oberfläche liegt im Brennpunkt des Deflexionssensors).
Die Oberflächenqualität kann damit jeweils im Anschluss an einen Prozessschritt kontrolliert werden, um die Fehlerquote gering zu halten und eventuelle Mängel im Produktionsablauf rechtzeitig erkennen und beheben zu können. Die bisher verwendeten Profilometer-Verfahren sind bei bewegten Werkstücken nicht einsatzfähig. Alle industriellen Produzenten können als Zielgruppe angesehen werden, die unter moderner Fertigungsumgebung hohe Anforderungen an die Funktion von Oberflächen stellen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die beiden entwickelten Verfahren und Vorrichtungen sind wesentliche Neuerungen in der Streulichtmesstechnik und werden Anwendung finden in der optischen Drall- und Rauheitsanalyse. Dabei verdient das Speckle-Trecking-Verfahren besondere Aufmerksamkeit, da mit dieser Methode die Entwicklung handgeführter Streulicht-Sensoren zur Beurteilung großer Bauteile möglich werden. Besonders in diesem Anwendungssegment werden nachhaltige wirtschaftliche Impulse für die Streulichtmesstechnik erwartet.
Der Einsatz von Inprozess-fähigen Qualitätsprüfverfahren bei der spanenden Herstellung von Oberflächen ist wesentlicher Bestandteil für hochwertige Produkte der Maschinenbau- und Automobilindustrie Made in Germany. Allein durch den Einsatz von Streulichtsensoren zur optischen Drallprüfung können Getriebe- und Motorkomponenten wirtschaftlich und mit hoher Qualität hergestellt werden. Indirekt sichert somit der Einsatz solcher Prüfgeräte für die Automobil- und Maschinenbaubranche Umsätze im mehrstelligen Millionenbereich. Die in diesem Projekt erreichten Forschungsergebnisse fließen ein in die Entwicklung eines Inprozessmessverfahrens zur Qualitätskontrolle der zweidimensionalen Oberflächenmikrotopographie.