Ob zur Beschichtungsprüfung von Blechteilen im Presswerk oder zur Reinheitsprüfung an großen und 
komplex ­geformten Bauteilen: Fluoreszenzmesstechnik mittels Laserscannern ist inline-fähig und ermöglicht eine 100-Prozent-Kontrolle.

Bei der Herstellung, Bearbeitung und Weiterverarbeitung metallischer Bauteile und Bahnwaren sind fehlerhafte Beschichtungen mit Prozesshilfsstoffen ein großes Problem. Ist zum Beispiel die Ölbelegung vor einem Umformprozess zu gering beziehungsweise nicht bedarfsgerecht, führt dies nicht selten zu erhöhtem Werkzeugverschleiß, Ausschuss durch Materialrisse und Stillstandszeiten der Anlage. Aber auch ein Zuviel an Prozesshilfsstoffen ist nicht nur Ressourcenverschwendung, sondern auch problematisch für eine hohe Prozessqualität: Die Folge können zum Beispiel Oberflächendeformationen sein oder auch eine Verschleppung des Hilfsstoffs in in andere Produktions- sowie Reinigungs­anlagen. Diese Folgen einer unzureichenden Beschichtungsqualität lassen sich durch eine Inline-Beschichtungsprüfung mittels Fluoreszenzmesstechnik oft vermeiden.

Eine ähnliche Problematik gibt es auch, wenn Oberflächen für nachfolgende Prozesse nicht ausreichend gereinigt wurden: versagende Klebestellen, defekte Schweißnähte oder Lackschäden sind die Folge. Auch diese durch Verschmutzungen verursachten Qualitätsprobleme kann man oft schon frühzeitig in den Griff bekommen – mit einer geeigneten lückenlosen Reinheitsprüfung mittels Fluoreszenzmesstechnik.

Fluoreszenz macht geringste Belegungen sichtbar und quantifizierbar

Mithilfe von Fluoreszenzmessungen lassen sich organische Schichten und selbst geringste Rückstände auf metallischen Oberflächen sichtbar und quantifizierbar machen. Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) entwickelt dafür einerseits flächig prüfende Geräte, den sogenannten F-Scanner 2D, und andererseits sehr schnelle Linienscanner, sogenannte F-Scanner-1D-Systeme, die mit einer bis zu rund zwei Meter breiten Linie die Bauteiloberfläche abtasten.

Die Laserlinie besteht dabei aus 500 bis 1.000 Messpunkten. Die gewünschte vollflächige Information über die Oberfläche wird durch die Bewegung des Bauteils am Scanner vorbei gewonnen – wie beispielsweise an einer Bandförderanlage. 

Auflösung im Millimeterbereich – auch bei schneller Bewegung

Alternativ zur Bewegung des Bauteils kann auch der Scanner selbst bewegt werden und mithilfe eines Roboters oder einer Linearachse große Flächen abfahren. Entscheidend für einen solchen Aufbau ist die Scangeschwindigkeit von typischerweise 200 bis 800 projizierten Linien pro Sekunde. Erst diese hohe Abtastrate ermöglicht eine Auflösung im Millimeterbereich – auch bei schneller Bewegung. Ist der Verlauf einer Bewegung bekannt, so lassen sich die einzelnen Zeilen zu einer hochaufgelösten Gesamtmessung zusammensetzen. Diese spiegelt die Beschichtungs- beziehungsweise Verschmutzungslandschaft auf der Bauteiloberfläche wider und ist die Grundlage für die Prozessoptimierung und Qualitätskontrolle.

Kontrollieren, Optimieren und Dokumentieren
Anhand von Irregularitäten im Fluoreszenzbild lassen sich Prozessfehler schnell aufspüren. Beispielsweise hinterlässt eine ausfallende Düse im Sprühbeöler eine deutliche Lücke in der Beschichtungslandschaft und auch der zeitlich schlecht abgestimmte Einsatz der Beölung ist im Fluoreszenzbild zu erkennen.

Auch bei Reinigungsprozessen kann die Bildinformation wichtige Hinweise geben: Hier hinterlässt der verpasste Wechsel des Reinigungsmediums in der Nasschemiestraße Spuren, ebenso wie unsachgemäßes Handling. Auch störende Tropfränder lassen sich schnell erkennen und mit einfachen Methoden vermeiden, etwa mit einer geänderten Aufhängung bei der Trocknung.

Ferner kann in Kombination mit einer automatisierten Bildauswertung zum Beispiel auch eine angepasste Sprühbeölung realisiert werden. Dies ist vor allem relevant, wenn die Grundbeölung des Ausgangsmaterials variiert und somit der Bedarf an zusätzlichem Prozesshilfsstoff schwankt. Solch ein bedarfsgerechter Beölungsprozess kann Prozesshilfsstoff einsparen und Ausschuss reduzieren, da die optimale Schmierung beim Umformprozess immer gewährleistet ist und somit zum Beispiel Risse beim Tiefziehprozess verhindert werden können. Das gleiche Prinzip eignet sich für die Validierung von Reinigungsprozessen. Auch hier kann, zum Beispiel durch selektive Reinigungs­prozesse, wie Schneestrahlreinigung, das Bauteil auf Basis der ermittelten Verschmutzungslandschaft bei Bedarf adaptiv nachgereinigt werden.

Im Falle einer Reklamation können die Fluoreszenzinformationen zur Kommunikation mit dem Kunden herangezogen werden und leisten zur Dokumentation des Produktionsprozesses einen wichtigen Beitrag.

Bereit für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen

F-Scanner-1D-Systeme sind für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen ausgelegt. Zur Ausstattung gehören ein wasser- und öldichtes Gehäuse (entsprechend IP65), eine Schwingungsdämpfung, eine Kühlvorrichtung (Wasser oder thermoelektrisch) und eine Schutzscheibe mit Schnellwechselsystem. Ein externer Interlockeingang, Warnleuchten und Schlüsselschalter sorgen dafür, dass die Lasersicherheit der Gesamtanlage ohne großen Zusatzaufwand sichergestellt werden kann. Für die Ansteuerung der Geräte und Verarbeitung der Messdaten wird ein Industrie-PC mit der F-Scanner-Software bereitgestellt. Die Kommunikation zur Anlage oder zur Datenverarbeitung kann über Schnittstellen wie TCP/IP oder MQTT und verschiedene Datenformate realisiert werden. Sicherheitsrelevante Funktionen werden über die Interlock-Logik der Anlage direkt am Gerät gesteuert. Alle Schnittstellen (mechanisch, elektrisch, Software) können den Wünschen des Anwenders entsprechend angepasst werden.

Autoren
Vivien Behrendt, Projektleiterin Optische Oberflächenanalyse
Dr. Dominic Buchta, Projektleiter Optische Oberflächenanalyse
Dr. Alexander Blättermann, Gruppenleiter Optische Oberflächenanalyse