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Basierend auf Lasertriangulation ist die Laseroptische Dickenmessungen eine weit verbreitete Technologie für die zerstörungsfreie Prüfung von Flachprodukten.

Das F5500 Messsystem ist eine interessente Alternative zu den radiometrischen Messsystemen. Die Vorteile liegen unteranderem in der einfachen und kompakten Bauweise, der Legierungsunabhängigkeit vom Messgut, sowie den vergleichsweise geringen Anschaffungskosten und Wartungsaufwand. Weiterhin entfallen Themen wie Strahlenschutz und Zulassungsgenehmigungen für den Umgang mit radiometrischen Messsystemen.
Was auf den ersten Blick wie eine einfache Lösung der der Messaufgabe zu sein scheint, birgt jedoch einige messtechnische Herausforderungen.

F5500 Laser Dickenmessung als O-Rahmen

Die Lasertriangulation basiert auf der Reflexion und Streuung des Laserstrahls von der zu messenden Oberfläche. Über die Position des Reflexionspeaks auf dem linearen CCD-Element kann der Abstand zwischen der Oberfläche und dem Lasertriangulationssensor anhand der Geometrie bestimmt werden (siehe Abb. 1).

Abb. 1

Daher sind die Reflexions- und Streueigenschaften der Oberfläche des Messguts entscheidend für die Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit. Ein bekanntes Problem ist der sogenannte Speckle-Effekt, der aufgrund von Interferenzen bei diffus reflektierenden (rauen) Oberflächen die Erkennbarkeit eines Reflexionspeaks stark beeinträchtigt und somit die Lasertriangulationsmessung ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen stark verzerrt.

Folgend konzentrieren wir uns auf ein weiteres Problem in Bezug auf die Reflexionseigenschaften, nämlich die Messung von transluzenten (halbtransparenten) Materialien mit strukturierten Oberflächen. Diese Messaufgabe ergibt sich häufig in der Kunststoffindustrie, z.B. bei einer online Dickenmessung in einer Kalander-Anlage. Das Kalandrieren bezeichnet ein Verfahren, bei dem rotierende Walzen einen dünnen Film aus Kunststoffmaterial erzeugen, der direkt auf verschiedene bahnartige Substrate laminiert wird. Aus diesem Produktionsverfahren gehen eine Reihe von täglich verwendeten Produkten hervor, beispielsweise PVC-Bodenbeläge, Abdeckungen für Transport- und Nutzfahrzeuge, Kunstleder, Klebebänder und vieles mehr.

Abb. 2

Durch eine Inline-Dickenmessung wird der Walzprozess gesteuert, wodurch die Homogenität des produzierten Materials sichergestellt und der Rohmaterialeinsatz minimiert wird. Dabei ist die Farbgebung der Materialien vielfältig, die Oberflächen können strukturiert sein und das Material selbst kann durchscheinend oder nahezu transparent sein.

Die Herausforderung besteht also darin, eine zuverlässige und genaue Laseroptische Dickenmessung einzurichten, die diese vielfältigen Materialeigenschaften beherrscht. Um das Problem zu veranschaulichen, zeigt die Abbildung 2 den Querschnitt eines solchen transluzenten und strukturierten Materials bei einer Messung mit einem roten Laserstrahl. Es ist erkennbar, dass der Laserstrahl nicht nur von der Oberfläche reflektiert wird. Stattdessen wird durch das gestreute Licht eine ziemlich große Fläche beleuchtet und mehrere Schichten sind aufgrund der Lichtbrechung zwischen diesen einzelnen Grenzflächen sichtbar. Solche Reflexions- und Streueigenschaften in Kombination mit dem roten Laserstrahl führen zu einem recht breiten Intensitätsmuster auf dem CCD-Sensor mit mehr als einem einzelnen Peak und einem breiten Hintergrund.

Abb. 3

Abb. 4

In den Abbildungen 3 und 4 sind zwei Phänomene zu erkennen, aufgrund der rauen Oberfläche und anderer Einflüsse variieren die Anzahl und Intensität der Maxima, ebenso wie die Breite des Intensitätspeaks stark von Position zu Position.

Somit besteht die Schwierigkeit in der genauen Zuordnung der Messspitze, was die Genauigkeit der  Dickenmessung stark beeinflusst.

Beispielhaft dargestellt ist dies in Abbildung 5, wo aufgrund der ungenauen Zuordnung  der Messspitzen große Sprünge im Dickenprofil erkennbar sind.

Die hier gezeigte Messung spiegelt somit nicht das tatsächliche Dickenprofil des Materials wider. Ein weiteres Problem liegt außerdem in der schlechten Reproduzierbarkeit der Messung.

Abb. 5

Das MESACON F5500 Laserdickenmesssystem verwendet dafür eine spezielle Anordnung der Laser-Abstandssensoren in Kombination mit mathematischen Korrekturen, um die genannten Störeinflüsse weitestgehend zu eliminieren. Das Resultat ist ein nahezu idealer und scharfer Intensitätspeak auf dem CCD-Sensor der eine eindeutige Zuordnung der Messspitze zulässt, dargestellt gemäß Abbildung 4. Der geringe Hintergrund der gestreuten Intensität hat keinen Einfluss auf die Messung, da der Abstand über das Intensitätsmaximum bestimmt wird.

Abb. 6

Somit spiegelt das gemessene Dickenprofil das tatsächliche geometrische Dickenprofil der untersuchten Probe wider. (siehe Abbildung 6) Dies wurde unabhängig durch eine taktile Referenzmessung bestätigt.

Aufgrund der Vielfalt der zu messenden Materialien ist in der MESACON Software eine Messrezeptverwaltung etabliert, die per Drop-down Menü ausgewählt werden kann. Das Setting kann für jedes Produkt individuell adaptiert und optimiert werden.

Abgesehen von der Sensorgenauigkeit selbst, unterliegt die Systemgenauigkeit aller Laseroptischen Dickenmessungen der statischen oder dynamischen Verformung des Messaufbaus. Grund dafür ist der anfängliche Abstand der beiden Laser-Sensoren der in die Kalkulation der Dicke eingeht. Eine Änderung des Sensorabstandes von wenigen Mikrometern, z.B. durch Verformung der Mechanik, führt zu einer direkten Verzerrung des erhaltenen Dickenwertes.

Kostenintensive selbstreferenzierende Systeme können eingesetzt werden, um diese äußeren Einflüsse auszugleichen. Im Gegensatz dazu ist das MESACON F5500 Messsystem dank seines innovativen Designs der Mechanik und durch ein automatisiertes  Kalibrierverfahren weitgehend unabhängig von Wärmeausdehnungen oder -kontraktionen. Dies ermöglicht Messungen in rauen Industrieumgebungen sowie Scananwendungen für große Materialbreiten.

Mit dem neuen Laseroptischen F5500-System von MESACON sind zuverlässige Dickenmessungen auch bei durchscheinenden und strukturierten Materialien möglich, unabhängig von der Materialzusammensetzung. Das ermöglicht völlig neue Anwendungsmöglichkeiten der zerstörungsfreien Prüfung und Prozesskontrolle von bahnförmigen Materialien in der Kunststoffindustrie.

 

Autoren: Dr. Robert Johne, Martin Kuß

 

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