04.06.2019

Für noch mehr Qualität im Produktionsprozess

Automatisierung, Flexibilisierung und Visualisierung von Oberflächenmessungen

Oberflächenmesstechniken werden in immer mehr Branchen benötigt. Auch die Einsatzbereiche sind vielfältig. In der Automobilindustrie etwa werden entsprechende Messgeräte bei der Vermessung von Zylinderbuchsen, Kopfdichtungen, Slush-Häuten, Kunstleder und Beschleunigungssensoren eingesetzt. Durch schnellere Messungen und automatische Auswertungen können sehr komplexe Prozessparameter überwacht werden. So kann der Ausschuss weiter reduziert werden. Auch große Proben können heute unmittelbar in der Produktionsumgebung analysiert werden. Bei der Gummi-Produktion werden Oberflächenmessegräte beispielsweise zur Messung von Füllstoffdispersionen eingesetzt. Hersteller von Zylinderkopfdichtungen vermessen sowohl die Produktqualität ihrer Erzeugnisse als auch die Abnutzung und Einstellparameter der Abformwerkzeuge - und zwar prozessbegleitend und automatisiert. Mit fortlaufendem Automatisierungs- und Flexibilisierungsprozess ergeben sich immer mehr Einsatzbereiche für die Oberflächenmesstechnik und auch die Anzahl der Branchen nimmt weiter zu.

Oberflächen und produktbestimmende Strukturen von Bauteilen werden immer kleiner und komplexer. Nehmen wir ein Beispiel aus der Halbleiterindustrie: die erzeugten Strukturen auf den Wafern liegen bereits heute im Nanometerbereich. Das heißt, sie sind bis zu 70.000mal dünner als ein menschliches Haar. Der Trend setzt sich auch in anderen Branchen fort. Man benötigt daher Messgeräte, die zugleich berührungslos, zerstörungsfreie und hochpräzise Messungen ermöglichen. Dies ist besonders wichtig, wenn in Bereichen vermessen wird, in denen die Oberflächen sehr empfindlich sind. Diesem Anforderungsspektrum ist nur die optische Oberflächenmesstechnik gewachsen. Ein weiteres Plus ist der Zeitfaktor. Optische Oberflächenmesstechniken liefern die Messergebnisse in wenigen Minuten. Zum Vergleich: Taktile Systeme benötigen für dieselbe Messaufgabe oft mehrere Stunden.

Auch Produktionsabläufe werden zunehmend komplexer. Gleichzeitig steigt der Druck an, Zeit und Kosten zu reduzieren. Automatisierung und Flexibilisierung der Applikationen bestimmen die Richtung für Weiterentwicklungen. Die Vorteile der Automatisierung liegen auf der Hand – Effizienz, kürzere Durchlaufzeiten und Kosteneinsparungen. Dieser Aufgabe müssen sich alle Unternehmen stellen. Gleichzeitig müssen Oberflächenmessungen in verschiedenen Branchen wie Automotive, MEMS oder Halbleiter zur Qualitätskontrolle im Produktionsprozess eingesetzt werden. Die komplexeren und automatisierteren Produktionsabläufe stellen neue Anforderungen an die Oberflächenmesstechnik. Alles muss noch schneller und genauer werden. Häufig besteht aber zwischen eben diesen beiden Parametern ein Widerspruch. Die Lösung bieten multisensorfähige Messgeräte in Kombination mit leistungsfähiger Software. Sie eröffnen heute schon die Möglichkeit, unterschiedliche und komplexe Messungen vollautomatisch durchzuführen. Das heißt, mit ihnen ist der Anwender in der Lage, diverse Parameter zu messen, die Ergebnisse zu kombinieren und zu analysieren. So erhält man in einem Messdurchgang viele Informationen über das Produkt und auch solche die mit einem Sensor alleine nicht zugänglich sind. Zudem können moderne Oberflächenmessgeräte in bestehende Fertigungsanlagen integriert werden.

Das große Plus von Multisensor-Messsystemen ist das Mehr an Informationen. Mit ihnen kann man Oberflächen von Bauteilen und Materialien auf eine Vielzahl von Parametern mit verschiedenen Messtechniken überprüfen. Multisensor Messtechnik bietet die Möglichkeit, mehrere Messaufgaben mit nur einem Gerät und einer Software durchzuführen. Ein zweiter Vorteil ist der flexible Automatisierungsgrad dieser Messtechnik. Von der Stichprobe bis zur 100%- und Inlinekontrolle, manuell oder als One-Button-Lösung ist alles möglich. Die meisten Messgeräte verfügen über entsprechende Schnittstellen, um die Informationen in ERP- oder PPS-Systemen weiterzuverarbeiten. Die Halbleiterindustrie setzt da auf proprietäre SECS/GEM-Schnittstellen, andere Branchen auf offene XML-Standards.

Es können unter anderem chromatische Weißlichtsensoren, Infrarot-Schichtdickensensoren, Dünnschichtsensoren, Rasterkraftmikroskope oder Konfokalmikroskope eingesetzt werden – um nur eine Auswahl zu nennen. Das hängt natürlich von den Parametern ab, die für den Kunden interessant sind. Durch die Kombination der Sensoren kann fast jede Aussage über Schichtdicken, Ebenheit, Dickenvariation, Rauheit, Kontur, Topographie, Verschleiß und andere verifiziert werden. Damit ist der Anwender wirklich und unmittelbar dran am Design und den Eigenschaften der Oberflächen und Schichten. Chromatische Weißlichtsensoren beispielsweise arbeiten nach dem Prinzip der chromatischen Abstandsmessung. Das Licht wird in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge in verschiedenen Abständen vor dem Messkopf fokussiert. Durch die Auswertung des reflektierten Lichtspektrums oder der überlagerten Teilstrahlen lassen sich so Oberflächen berührungslos und zerstörungsfrei analysieren.

Welche Komplexität und Funktionalität in Oberflächenstrukturen stecken, ist für das menschliche Auge im Grunde unsichtbar. Oberflächenstrukturen bewegen sich in der Regel im Mikro- und Nanometerbereich, deshalb ist eine Bild gebende Auswertesoftware unverzichtbar. Sie ermöglicht die Analyse und Visualisierung von Messergebnissen beispielsweise zu Rauheit, Profil und 3D-Messdaten. Dank 3D-Ansichten können Details noch genauer analysiert werden, zum Beispiel durch die perspektivische Darstellung unter beliebigen Winkeln. Auch die Auswertung lateraler und vertikaler Abstände, von Histogrammen oder Traglastkurven ist ein leichtes. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die flexible Einsetzbarkeit. Offene Applikationen haben den Vorteil, dass Sie für verschiedene Messgeräte eingesetzt werden und mehrere Formate verarbeiten können, d. h. eine maximale Kompatibilität aufweisen. So können auch Daten von bereits vorhandenen oder später angeschafften Messgeräten von einer Software verarbeitet werden und man spart Kosten.

Viele Unternehmen aus der Oberflächenmesstechnik bieten zu ihren Messgeräten selbst entwickelte Software an. Häufig sind diese nur speziell für das jeweilige Messgerät einsetzbar. Sinnvoller ist hier natürlich eine universelle Software, die Modifikationen sowie andere Datenformate zulässt.

Die eigens von FRT entwickelte Auswertesoftware Mark III ist eine universelle Standardsoftware zur Analyse von Profil- und 3D-Messdaten. Mit Mark III können eine Vielzahl verschiedener Daten in unterschiedlichen Dateiformaten ausgewertet werden.

Die umfangreichen Programmfunktionen machen ausführliche Auswertungen der Geometrie und zahlreicher Oberflächenparameter möglich. So können Primärkennwerte wie Rauheit, Welligkeit, Ebenheit und Koplanarität nach DIN EN ISO und auch nach der MOTIF-Methode bestimmt werden. Ebenso sind Berechnung von Flächen, Volumen, Frequenz, Leistungsspektrum, Autokorrelation, fraktale Dimension, Histogramm und der Traglastkurve, sowie Teilchenzählverfahren in das Programm integriert. Es steht eine Stapelverarbeitung zur Verfügung, welche die Auswertung festgelegter Oberflächenparameter auf mehrere Messungen anwendet.

Neben der Draufsicht steht im Programm eine komfortable 3D-Ansicht zur Verfügung, die die perspektivische Darstellung der Daten unter beliebigen Winkeln erlaubt. Eine zuschaltbare virtuelle Lichtquelle „beleuchtet” die Oberfläche und verdeutlicht so Strukturdetails. Auch ist im Programm  eine Zoomfunktion integriert, welche es erlaubt gewünschte Bereiche zur selektieren und zu vergrößern. Zur präsentationsgerechten Aufbereitung können alle Darstellungen beschriftet werden. Alle Diagramme und Analyseergebnisse können in den gängigen Grafikformaten oder im ASCII-Format exportiert werden. Mittels benutzerdefinierter Messprotokolle hat der Anwender zahlreiche Möglichkeiten der Druckausgabe. Verschiedene Filterfunktionen stehen zur Verfügung, um die Messdaten präsentationsgerecht zu bearbeiten.

Die 3D-Daten können mit beliebigen Profilschnitten versehen und diese u.a. durch Polynome und Asphärenfunktionen angefittet werden. So können Form und Kontur von Bauteilen (z.B. Krümmungsradien) einfach bestimmt werden. Die Vergleichsfunktion ermöglicht eine detaillierte Analyse von Soll- und Ist-Daten. Bei Bedarf kann Mark III durch einen Importfilter zum Einlesen jedes speziellen Bildformates erweitert werden. Das bedeutet, dass auch die Daten von bereits vorhandenen oder später angeschafften Messgeräten von der Software verarbeitet werden können.

Zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren, wenn Sie Fragen haben. Unsere Experten helfen Ihnen gerne bei der Lösung Ihrer Messaufgaben, indem sie für Sie die bestmögliche Systemkonfiguration zusammenstellen.

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