Schichtdickenmessung für große Oberflächen und bewegte Bauteile

Ein neu entwickeltes scannendes photothermisches Schichtdicken-Messverfahren ermöglicht die Oberflächen-Prüfung von endlos langen Flächen und bewegten Objekten, ohne dabei mit den Bauteilen mitfahren zu müssen.

Das neue, scannende Schichtdickenmessverfahren PaintChecker Move des Messsystemherstellers OptiSense ist komplett modular aufgebaut, um das Messgerät stets optimal an die jeweilige Anwendung anzupassen: Anregungs- und Detektionsmodul sind eigenständig und lassen sich unabhängig voneinander modifizieren. Das innovative Messsystem kann endlos lange Flächen und bewegte Objekte prüfen, ohne dabei mit den Bauteilen mitfahren zu müssen. Die neue Technologie nutzt aktiv die Bewegung zwischen Werkstück und Sensor statt sie, wie bei herkömmlichen Geräten, aufwendig zu kompensieren.

Wirtschaftlichkeit, Präzision und auch Oberflächenqualität gehören nicht erst seit gestern zu den dominierenden Anforderungen in der Beschichtungsindustrie. Gleichzeitig ist es aber bis heute in vielen Unternehmen kaum möglich, eine in diesem Zusammenhang sehr entscheidende Größe frühzeitig und permanent zu überwachen: die aufgetragene Lackmenge. Sinnvollerweise wird dabei die Schichtdicke als relevanter Parameter bereits vor dem Aushärten, also in noch flüssigem bzw. weichem Zustand, geprüft, da zu diesem Zeitpunkt Fehlbeschichtungen noch leicht korrigiert werden können.

Ein typisches Beispiel ist die Beschichtung von Flachsubstraten wie Folien für die Batterieherstellung. Die Bandbeschichtung erfolgt mit flüssigem, sogenannten „Slurry“ auf einer Kupfer- bzw. Aluminiumfolie. Die Prüfung muss hier berührungsfrei und lückenlos erfolgen, da die Produktion und spätere Nutzung von Batteriemodulen bzw. -packs mit zahlreichen Sicherheitsrisiken verbunden sind, die besondere Schutzmaßnahmen erfordern.

Bis dato ist die Schichtdickenprüfung von bewegten Objekten problematisch, da sich das Objekt nach kurzer Zeit nicht mehr innerhalb des Blickfelds des Detektors befindet. Natürlich ist es möglich, den gesamten Messaufbau mitzubewegen, allerdings ist dieser Ansatz oftmals technisch aufwändig und bei limitierten Platzverhältnissen nicht zielführend. Zudem können keine Überprüfungen erfolgen, während das Schichtdickenprüfsystem wieder zum Ausgangspunkt zurückfährt, um weitere, sich bewegende Objekte zu erfassen. Dieser „Rückfahr-Gap“ erlaubt also keine lückenlose Messung.

Um diesem Dilemma zu entgehen, wird bei Messungen in Bewegung das Erwärmungsareal vergrößert. So erhält das bewegte Bauteil ausreichend Zeit, um die notwendige Wärmemenge aufzunehmen. Während der Prüfzeit läuft das erwärmte Werkstück durch das Blickfeld des Detektors und der Temperaturverlauf wird detektiert. Das Ergebnis ist ein Schichtdickenwert − allerdings entspricht die Ortsauflösung dann nicht mehr der Größe des Detektorblickfeldes, sondern der während der Messzeit zurückgelegten Strecke. Schon bei relativ geringen Geschwindigkeiten sind dies bereits mehrere Zentimeter. Die ermittelte Schichtdicke entspricht dann dem Mittelwert über diesen Bereich, aber kleine Fehlstellen lassen sich so nicht mehr erkennen.

Bei der Schichtdickenüberprüfung ausgedehnter Flächen sieht es nicht besser aus: Eine aktuelle Überlegung, um große Flächen ortsaufgelöst zu prüfen, klingt zunächst einfach: Man vergrößert für diese Messaufgabe die Erwärmungsregion und verwendet eine IR-Wärmebildkamera als Detektor. Dieser Ansatz wird jedoch schnell sehr aufwändig. Je größer die Fläche, desto größer auch die benötigte Anregungsleistung, die oft mehrere energieintensive Lichtquellen erfordert. Zudem steigen mit zunehmender Fläche die Anforderungen an die Kamera und damit wiederum die Kosten. Als weitere, rechtliche Hürde kommt hinzu, das hochauflösende IR-Kameras oftmals zu den Dual-Use-Gütern zählen, wodurch es zu Handelsbeschränkungen kommt.

Das bedeutet: die Schichtdicke von großen Flächen oder bewegten Objekten zuverlässig und kontinuierlich vor dem Aushärten zu überwachen, ist mit den bisherigen Ansätzen nur mit enormem Aufwand realisierbar.

Dr. Fabian Gaußmann aus der Entwicklungsabteilung des Messsystemherstellers OptiSense suchte deshalb nach einer Lösung, die gleichzeitig großflächige als auch bewegte Objekte berührungslos, präzise, kontinuierlich und noch vor dem Aushärten auf korrekte Beschichtung prüfen kann.

Das Ergebnis ist ein scannendes Messverfahren, dass sich die Bewegung zwischen Bauteil und Sensor zu Nutze macht, statt sie aufwändig zu kompensieren. Das Objekt wird dabei nicht einmalig als Ganzes erfasst, sondern kontinuierlich abgetastet während es die Messeinrichtung passiert. „Die Bewegung des Werkstücks stellt also kein Hindernis mehr dar, sondern ist elementarer Bestandteil des Verfahrens. Dabei kann das Prüfsystem am ortsfesten Werkstück entlang geführt werden, das Werkstück am fest montierten Sensor vorbei fahren, oder sich auch beide, Sensor und Bauteil, relativ zueinander bewegen.“, erläutert Dr. Gaußmann die Grundlagen des neuen Messprinzips: „Das Verfahren ist zum Patent angemeldet und stellt einen Meilenstein in der Messung von bewegten und großflächigen Werkstücken dar.“

Das neue, scannende OptiSense-System heißt PaintChecker Move und ist komplett modular aufgebaut, um das Messgerät stets optimal an die jeweilige Anwendung anzupassen:

Anregungs- und Detektionsmodul sind eigenständig und lassen sich unabhängig voneinander modifizieren. Verbunden werden sie über ein Element, das auch den Anschluss der Datenleitung beinhaltet und auch für die mechanische Verbindung zur Kundenanlage sorgt. Der Winkel des Verbindungselements ist an die jeweilige Prüfsituation angepasst.

Das Anregungsmodul beinhaltet die optischen Komponenten zur Strahlformung. Abhängig von der Messsituation sind dabei verschiedene Formen des Anregungsbereichs auf der Werkstückoberfläche möglich. In einer Standardkonfiguration wird ein homogen ausgeleuchtetes Rechteck mit Kantenlänge von bis zu 100 x 10 mm² erzeugt. Die Kantenlängen sind unabhängig voneinander konfigurierbar.

Als Anregungsquelle werden Laser unterschiedlicher Leistungsklassen und Wellenlängen genutzt. Allen Varianten ist gemeinsam, dass der Laser selbst im externen Controllergehäuse, verbaut ist und über eine Glasfaser an das Anregungsmodul angeschlossen wird. Somit kann das Anregungsmodul auf eine Kühlung verzichten, da es nur passive, optische Komponenten enthält. Die Glasfaser ist durch einen 5 Meter langen Metallschlauch mit Kunststoffummantelung vor mechanischen Einflüssen geschützt und schleppkettentauglich.

Das Detektionsmodul beinhaltet im Wesentlichen die IR-Sensor Matrix inklusive Abbildungsoptik. Die Datenkommunikation erfolgt per Kabel. Stromversorgung und Kommunikation erfolgen über ein 5 Meter langes Kabel.

Anregungs- und Detektionsmodul haben eine Grundfläche von 55 x 55 mm². Die Höhe beträgt ca. 150 mm (Anregungsmodul) und 115 mm (Detektionsmodul). Der Sensor wiegt rund 1,5 kg. Das externe Controllergehäuse entspricht in den Abmessungen und Typ den auch aktuell bereits von OptiSense für industrielle Anwendungen verwendeten Modellen. Gesteuert wird das System über einen per Netzwerkkabel mit dem Controller verbundenen PC.

Der PaintChecker Move ist flexibel und kann auch nachträglich einfach in bestehende Produktionslinien integriert werden. Insbesondere spielt der Zustand der Beschichtung (nass, feucht, weich, trocken, eingebrannt) sowie die Dimension des Werkstücks kaum eine Rolle. Es ist sogar möglich, bei mehreren nebeneinander montierten Messsystemen beliebig große Objekte berührungslos und wiederholbar exakt zu prüfen.

Die wirtschaftlichen Vorteile des OptiSense-Messsystems sind erheblich. Der PaintChecker Move reduziert Materialausschuss, optimiert die Produktionsprozesse und steigert die Produktqualität. Zudem können Beschichtungsunternehmen signifikante Kosteneinsparungen erzielen. Beispielsweise spart eine um nur 0,5 Prozent reduzierte Ausschussquote bei einem mittelständischen Lohnbeschichter jährliche Kosten in fünfstelliger Höhe. Diese Einsparungen resultieren nicht nur aus dem reduzierten Materialverbrauch, sondern auch aus den geringeren Nacharbeiten bzw. reduziertem Ausschuss und der damit verbundenen Einsparung von Arbeitskosten.

Gleichzeitig trägt das System zur Steigerung der Produktionseffizienz bei. Die kontinuierliche Überwachung garantiert eine stabilere und sowie effizientere Fertigung, was Stillstandzeiten minimiert und die Gesamtproduktivität der Anlagen erhöht. Zudem reduziert der PaintChecker Move das Risiko von Reklamationen erheblich.

Weiterhin ermöglicht die kontinuierliche Datenerfassung und -analyse des PaintChecker Move eine umfassende Prozess- und Qualitätsüberwachung. Die gewonnenen Daten können genutzt werden, um Schwachstellen im Produktionsprozess zu identifizieren und gezielte Verbesserungsmaßnahmen zu ergreifen. Das Interesse im Markt ist jetzt schon sehr groß. Die Evaluierungsphase mit mehreren Pilotkunden ist bereits sehr gut angelaufen und das Messsystem wird in Kürze verfügbar sein.

Der PaintChecker Move markiert als scannendes 3D-Schichtdickenprüfverfahren einen bedeutenden Fortschritt für die Beschichtungsindustrie. Durch die präzise und kontinuierliche Messung der Schichtstärke werden sowohl Produktionsqualität als auch Effizienz erheblich gesteigert. Die daraus resultierenden Material- und Kosteneinsparungen sowie der Qualitätsgewinn machen diese Technologie zu einer lohnenden Investition.

Durch die permanente und reproduzierbare Überwachung der Applikation kann eine gleichmäßige und konsistente Beschichtung sichergestellt werden. Dies ist besonders wichtig, um die Beständigkeit und die optischen Eigenschaften der Produkte zu verbessern und die immer anspruchsvolleren Qualitätsstandards sowie alle erforderlichen Sicherheitsbestimmungen zu erfüllen. Letztere sind besonders entscheidend für Produkte, die haftungsrelevant sind, wie zum Beispiel Batteriemodule oder hochbelastete Teile aus dem Transportwesen, wie in der Flugzug- und Automobilindustrie, Bahn und Fahrradproduktion.

Der neue, scannende 3D PaintChecker Move ist flexibel und benutzerfreundlich. Er ist einfach in bestehende Beschichtungslinien zu integrieren − selbst in schwierigsten Produktionsumgebungen. Das Prüfsystem bietet den Beschichtungsbetrieben damit eine leistungsfähige Lösung, um ihre Produktionsprozesse zu optimieren und ihre Produktqualität zu sichern und zu erhöhen. (OM-10/24)