Berührungslose Oberflächenkontrolle mit Weißlicht-Interferometrie

Halbleiterindustrie, Sensortechnik oder Automobilbau - Oberflächenprüfung ohne Berührung

  • Abb. 1: Unterschiedliche Reflektivitäten, wie z.B. bei einer Münze, sind kein Problem. Hier hilft das sog. Smart Surface Scanning zuverlässig weiter.Abb. 1: Unterschiedliche Reflektivitäten, wie z.B. bei einer Münze, sind kein Problem. Hier hilft das sog. Smart Surface Scanning zuverlässig weiter.
  • Abb. 1: Unterschiedliche Reflektivitäten, wie z.B. bei einer Münze, sind kein Problem. Hier hilft das sog. Smart Surface Scanning zuverlässig weiter.
  • Abb. 2: Die in die Bildverarbeitung integrierte Gut/Schlecht-Erkennung mit frei definierbaren Toleranzbereichen vereinfacht die Qualitätskontrolle.
  • Abb. 3: Die Software ermöglicht eine übersichtliche und intuitive Bedienung.
  • Abb. 4: Das neue TopMap 500 MS: Berührungslose, hochpräzise, großflächige Oberflächenmessung mit Licht. Als Zubehör gibt es eine aktive Schwingungsdämpfung, einschließlich Granitplatte mit passenden Bohrungen.
  • Abb. 5: 3D-Profil der Flächen im Kolbeninnenraum
  • Abb. 6: Spiegelhalter für die Geometrie-Scaneinheit eines Scanning-Vibrometers

Für Oberflächenmessungen werden vornehmlich noch taktile Messgeräte eingesetzt, allerdings setzen sich mittlerweile in etlichen Anwendungen optische Verfahren wie die Weißlicht-Interferometrie durch. Sie ermöglicht kurze Messzeiten, bietet eine hohe Reproduzierbarkeit und arbeitet berührungslos.

Quer durch alle Branchen, angefangen von Halbleiterindustrie und Sensortechnik bis hin zu Komponenten für den Maschinen- und Automobilbau oder die Feinmechanikindustrie wird die Weißlicht-Interferometrie eingesetzt. Mit diesem Verfahren lassen sich weiche Materialien, die durch taktile Verfahren beschädigt werden könnten, sowie Oberflächen mit unterschiedlicher Beschaffenheit berührungslos messen. Mit neuesten Systemen können auch Höhen-, Ebenheits- und Parallelitätswerte mit Messunsicherheiten im Nanometerbereich schnell und sehr präzise überprüft werden, und das bei einem Messbereich bis zu mehreren Zentimetern.
Die Weißlicht-Interferometrie wird typischerweise für die Messungen mikroskopischer Strukturen innerhalb kleiner Gesichtsfelder von wenigen Quadratmillimetern angewendet. Dabei sind vertikale Verfahrwege von maximal etwa 500 µm bis 2 mm üblich. Bei vielen Anwendungen im Bereich der Qualitätskontrolle ist die flächenhafte, mikroskopisch hohe Auflösung allerdings nicht notwendig, da hier Ebenheiten, Parallelitäten und Winkel zwischen mehreren Flächen oder Stufenhöhen geprüft werden müssen. Hohe Genauigkeiten in vertikaler Richtung bei gleichzeitig großem Messfeld sind dagegen durchaus gefordert. Dabei ist die Messunsicherheit der Weißlicht-Interferometrie in vertikaler Richtung nahezu unabhängig von der Messfeldgröße.

Gesichtsfeld und Höhenmessbereich

Die Topographie-Messsysteme TopMap von Polytec eignen sich zur schnellen und einfachen Messung ganz unterschiedlicher präzisionsgefertigter Oberflächen in der industriellen Qualitätskontrolle sowie für Anwendungen in Forschung und Entwicklung.

Mit ihnen lassen sich Messungen mit großen Gesichtsfeldern bei gleichzeitig interferometrischer Genauigkeit in vertikaler Richtung durchführen. Dabei können auch tief liegende Flächen erreicht und fast bis zum Rand charakterisiert werden. Wegen der großen vertikalen Messbereiche sind auch die Messvolumina entsprechend groß.
Das neueste Messsystem TMS-500 TopMap arbeitet mit einem vertikalen Messbereich von bis zu 70 mm bei einem Gesichtsfeld von standardmäßig ca. 43 auf 32 mm. Mit der Stitching-Funktion und einem optionalen xy-Positioniertisch lässt sich das Messfeld sogar auf knapp 230 auf 220 mm erweitern. Innerhalb des Messfeldes werden Stufenhöhen von bis zu 70 mm mit einer Wiederholgenauigkeit im Nanometerbereich gemessen. Bei einer nominellen Stufenhöhe von 5 µm liegt diese bei 0,008 µm, bei 50 mm immer noch bei beachtlichen 0,18 µm. Anders als bei den konventionellen taktilen Verfahren werden bei der flächenhaften Messung keine wichtigen Details übersehen. Statt durch punktweises Abtasten und zeitaufwendige Einzelmessungen mit einem taktilen Sensor erfasst der optische Sensor flächenmäßig Millionen von Messpunkten in einer einzigen Messung. Das große Messfeld begünstigt zudem kurze Messzeiten und die gleichzeitige Prüfung mehrerer kleiner Objekte, wie z.B. Zahnräder für mechanische Präzisionsuhren.

Einfache Handhabung

Dank des sog. Smart Surface Scanning sind auch unterschiedliche Oberflächenreflektivitäten, wie z.B. bei einer Münze, für das Messverfahren kein Problem. Dies funktioniert ähnlich wie die HDR-Fotografie (High Dynamic Range): Messungen mit unterschiedlichen Belichtungszeiten werden so kombiniert, dass für alle Bereiche des Messobjektes ein optimales Messsignal erreicht wird. Mit den Interferometrie-Messgeräten lässt sich auf diese Weise trotz großer Intensitätsunterschiede des zurückreflektierten Lichts die Oberfläche des Messobjektes genau überprüfen (Abb. 1). Zudem ermöglicht ein Filterrad mit drei Graufiltern (100%, 12,5% und 2%) eine komfortable Anpassung an unterschiedlich reflektierende Objektoberflächen.
In der industriellen Fertigung muss die Einhaltung vorgegebener Toleranzen möglichst zeitnah kontrolliert werden. So lassen sich bei 100%-Kontrollen mangelhafte Teile vor jedem Weiterverarbeitungsschritt aussortieren und damit unnötige Kosten vermeiden. Oftmals genügen auch Stichpunkt-Kontrollen, um unerwünschte Trends im Fertigungsprozess frühzeitig zu erkennen. Mit Bildverarbeitungsverfahren kann der Prozess der Gut/Schlecht-Erkennung weiter vereinfacht werden. Die Bildverarbeitung erkennt zu Beginn der Messung, wie die Probe liegt. Bei vielen Objekten kommt man so ohne aufwendige Probenhalterung aus, da die hinterlegten Masken oder Profilschnitte automatisch positioniert werden. Für die Qualitätsbeurteilung ist damit kein Spezialwissen erforderlich (Abb. 2).
Bei Proben mit unterschiedlichen Höhenwerten steuert der hardwareseitig integrierte und patentierte „Fokusfinder" den für die Messungen relevanten Interferenzbereich innerhalb des kompletten Verfahrbereiches automatisch an. Die Bedienung der Messsysteme ist dabei einfach: Die Mess- und Auswertesoftware (Abb. 3) ist intuitiv zu bedienen und erlaubt eine DIN/ISO konforme Messdatenauswertung.

Flexibler Einsatz

Das Messsystem (Abb. 4) eignet sich für eine produktionsnahe Stichprobenkontrolle ebenso wie für den Einsatz direkt in der Linie. In diesem Fall können Messkopf, Controller und PC getrennt voneinander montiert werden. Beim Einsatz direkt in der Produktionslinie profitiert der Anwender von der offenen Software-Architektur. Die TopMap-Systeme sind über Standard-Schnittstellen aus anderen Applikationen steuerbar und lassen sich mit Hilfe einfach zu erstellender Add-Ins (beispielsweise Programmiersprache C#) leicht in automatische Prozessabläufe integrieren. Die Messdaten stehen über offene Datenformate für die Weiterverarbeitung oder den Export in hauseigene Datenbanken zur Verfügung.
Ein typisches Anwendungsbeispiel aus dem Automobilbereich ist die Herstellung von Arbeitskolben für Pkw-Stoßdämpfer (Abb. 5). Hier müssen trotz hohen Durchsatzes kleine Toleranzen bei Form und Oberflächenparametern eingehalten werden. Für taktile Messsysteme ist es aufgrund der unterbrochenen Form des Werkstücks und der tiefen Lage der zu messenden Flächen schwierig, die notwendige Reproduzierbarkeit zu erreichen. Die Weißlicht-Interferometrie liefert hingegen mit hoher Wiederholgenauigkeit in wenigen Sekunden die Topographie der gesamten Flächen.
Ähnliche Vorteile bringt die Qualitätskontrolle mit Hilfe der großflächig messenden Weißlicht-Interferometer in vielen anderen Bereichen, bei denen Ebenheiten, Welligkeiten, Stufenhöhen oder Winkel zwischen mehreren Flächen geprüft werden müssen. Polytec setzt die Messsysteme in der Fertigung von Spiegelhaltern für die Geometrie-Scaneinheit von Scanning-Vibrometern auch selbst ein (Abb. 6).

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