Die Mikroskopie in der industriellen Anwendung

Wie Mikroskope bei Materialprüfung und Qualitätssicherung helfen können

  • Abb. 1: Beispiel für eine hochentwickeltes Industriemikroskop: Das Olympus CIX90 ist ein vorkonfiguriertes, sofort einsetzbares, komplettes Mikroskopsystem für die sichere, schnelle  und normgerechte Sauberkeitsanalyse.Abb. 1: Beispiel für eine hochentwickeltes Industriemikroskop: Das Olympus CIX90 ist ein vorkonfiguriertes, sofort einsetzbares, komplettes Mikroskopsystem für die sichere, schnelle und normgerechte Sauberkeitsanalyse.
  • Abb. 1: Beispiel für eine hochentwickeltes Industriemikroskop: Das Olympus CIX90 ist ein vorkonfiguriertes, sofort einsetzbares, komplettes Mikroskopsystem für die sichere, schnelle  und normgerechte Sauberkeitsanalyse.
  • Abb. 2: Bei der Sauberkeitsanalyse ist das Reporting meist zeitaufwändiger als die eigentliche Untersuchung. Vordefinierte Templates, in dem zahlreiche Parameter automatisch eingetragen werden, vereinfachen und beschleunigen die Arbeit deutlich.
  • Abb. 3: Im Report werden die größten erkannten Partikel eines Scans automatisch mit einem Thumbnail sowie ihren Parametern und der Partikelklasse dargestellt.
  • Abb. 4: Beispiel für einen Allrounder in der traditionellen Industrie-Mikroskopie: Mit ihrem modularen Konzept sind die vielseitigen Modelle der Serie BX3M für ein breites Anwendungsspektrum in Industrie und Materialforschung konzipiert.
  • Abb. 5: Die Funktion „MIX Observation“ist ein neuartiges Kontrastverfahren, bei dem zwei verschiedene Beobachtungsmethoden gleichzeitig eingesetzt werden.
  • Abb. 6: Stereomikroskop bei der hochauflösenden Sichtprüfung von Turbinenschaufeln.

Mikroskope sind nicht nur in Medizin und Biologie unerlässliche Werkzeuge, auch aus der industriellen Materialprüfung und Qualitätssicherung sind sie nicht mehr wegzudenken. Die Verbindung von erstklassigen Optiken, Digitalkameras, umfangreichem Zubehör und intelligenter Software erlaubt es, die Qualität von Produkten während laufender Produktionsprozesse zu prüfen, sowie Fehler zu finden und deren Ursachen abzustellen. Routineuntersuchungen und visuelle Inspektionen gehören darüber hinaus längst zum Alltag.

Von Höhen- und 3D-Profilen über Querschnitts-, Schichtdicken- und Rauheitsmessungen bis hin zur Partikelanalyse: Hochentwickelte Industrie-Mikroskope liefern detailgenaue, farbechte und kontrastreiche Bilder sowie exakte Messungen bis in den zweistelligen Nanometerbereich. Je nach Anforderung – ob für die Routineinspektion im Produktionsprozess oder als flexible Einheit für Forschungs- und  Entwicklungsapplikationen – lassen sich einzelne Komponenten passgenau auf die individuellen Anwendervorgaben zu maßgeschneiderten Systemen kombinieren.

In der Automobilindustrie beispielsweise spielen Mikroskope bei der optischen Werkstoffprüfung eine wichtige Rolle. So finden sie Anwendung bei der Inspektion von metallografischen Schliffen, von Motorteilen, Kolben, Zylindern sowie zur mikroskopisch genauen Untersuchung von Lacken und Lackschichten. Stereomikroskopische Bilder helfen bei der Inspektion von Einspritzdüsen, Leiterplatten und elektronischen Bauteilen rund um den Motor und das Armaturenbrett sowie von Achsteilen und Schraubverbindungen an der Karosserie.

Ein weiteres wichtiges Beispiel für den Einsatz von Mikroskopen in der Materialprüfung ist die Luftfahrtindustrie. Hier kommen die hochwertigen optischen Systeme unter anderem zur Beurteilung und Analyse der Faserorientierung sowie des Gefüges in Werkstoffen und Bauteilen, für die hochauflösende Sichtprüfung auf winzigste Schäden an Turbinenschaufeln sowie bei Gefügeuntersuchungen und Konstruktionsanalysen an Fahrwerkskomponenten zum Einsatz.

Technisch sauber durch den Fertigungsprozess

Bei der Produktion von Bauteilen und Komponenten, zum Beispiel für die Automobil- und Luftfahrtindustrie oder die Elektrotechnik, ist deren technische Sauberkeit von höchster Bedeutung.

Verunreinigungen durch oberflächlich anhaftende Partikel können nicht nur die Lebensdauer der Werkstücke verkürzen, sondern weitaus größere Schäden verursachen.

Um dies zu verhindern, werden im Rahmen von Sauberkeitsanalysen während des Fertigungsprozesses zum Beispiel einzelne Bauteile als Proben zur Untersuchung auf Verunreinigung entnommen und die analysierten Werte dann mit internationalen beziehungsweise herstellerspezifischen Normen und Standards verglichen.

Die Sauberkeitsanalyse umfasst in der Regel sechs Schritte. Zunächst werden die Partikel mit Flüssigkeit vom Bauteil gelöst (Extraktion) und auf einer Filtermembran, beispielsweise aus Zellulose, Polyester, Glasfaser oder Nylongewebe, gesammelt. Nach der Trocknung erfolgt die gravimetrische Gewichtsbestimmung. Zur genaueren Analyse wird die Filtermembran anschließend in den Filterhalter und dann auf einen Mikroskoptisch, wie den des Olympus CIX90, gespannt, um zunächst ein Übersichtsbild der Membran zu erstellen (Abb.1).

Neue Technologien für effizienteres, präziseres Arbeiten

Normalerweise erscheinen Partikel auf der Filtermembran im Bild immer dunkel vor hellem Hintergrund. Deshalb sind reflektierende Partikel, also Metalle, nicht als solche erkennbar. Dank einer zum Einsatz kommenden neuen, innovativen Beleuchtungsmethode von Olympus, bei der das einfallende Licht gleichzeitig polarisiert wird, werden nichtreflektierende sowie reflektierende Partikel und Fasern während eines einzigen Scans erkannt. Das verdoppelt den Durchsatz und ein zusätzlicher Eingriff durch den Anwender ist nicht erforderlich. Ganz im Gegenteil: Die Teile des Mikroskopsystems, wie Kamera und Detektionseinheit, befinden sich unter Abdeckungen. So ist sichergestellt, dass sich die werksseitige Kalibrierung der empfindlichen Komponenten nicht verändert. Es gibt auch keine Schieber oder Drehknöpfe. Die Steuerung des Mikroskops erfolgt ausschließlich über die mit einem Touchscreen-Monitor ausgestattete Workstation. Hierbei wird der Anwender durch eine moderne, übersichtliche und aussagekräftige Benutzeroberfläche unterstützt.

Der Anwender wählt zunächst die für die Analyse zutreffende Norm aus und kann je nach Bedarf weitere Einstellungen wie die Zahl der Fokuspunkte oder die Schwellenwerte für reflektierende und nichtreflektierende Partikel vornehmen, daraufhin startet er die Inspektion. Zunächst kalibriert das Mikroskop an mehreren Stellen den Autofokus, da die Filtermembran durch das Spülen und Trocknen möglicherweise nicht mehr völlig plan ist. Dann erfolgt der Scan der Filtermembran. Bei einer typischen Filtermembran mit einem Durchmesser von 47 mm und einem Objektiv mit 10-facher Vergrößerung werden circa 1700 Einzelbilder aufgenommen und anschließend zu einem Gesamtbild zusammengefügt. Nach etwa 10 Minuten sind dieser Prozess sowie die auf die spezifische Norm bezogene Analyse inklusive Zählung und Klassifizierung der Partikel abgeschlossen.

Während der Analyse kann der Anwender den Fortschritt am Monitor beobachten, die Aktualisierung der Daten erfolgt in Echtzeit. Ein Übersichtsbild zeigt die Lage der analysierten Partikel auf der Filtermembran an. Dabei erkennt der Anwender sofort, ob Handlungsbedarf besteht. In einer Tabelle werden die Partikel automatisch je nach der gewählten Norm klassifiziert und der Anwender stellt fest, ob die Norm eingehalten oder überschritten wurde. Nach Abschluss des Scans werden in einem anderen Bereich des Bildschirms die erkannten Partikel der Größe nach dargestellt. Auf Klick wird die Position des angewählten Partikels auf der Filtermembran angezeigt und der Mikroskoptisch bewegt sich gleichzeitig zu dieser Stelle, was eine Live-Beobachtung des Partikels ermöglicht. Auf dem Screen erscheint ebenfalls der Component Cleanliness Code (Bauteilsauberkeitscode) beziehungsweise der im jeweiligen Standard verwendete Sauberkeitscode. Darüber hinaus erlaubt das System eine einfache Reklassifizierung: Dazu wählt der Anwender aus dem Drop-down-Menü lediglich einen anderen Standard. Das System  klassifiziert daraufhin die Partikel dementsprechend neu und aktualisiert den Sauberkeitscode.

Neben hochentwickelten Speziallösungen,  gibt es aber natürlich auch zahlreiche Unternehmen, Labore und Institute, die allein schon aus Kostengründen ein Mikroskop für mehrere Anwender und verschiedene Applikationen benötigen. Hier sind leistungsstarke, flexible Systeme gefragt, die vergleichsweise einfach zu handhaben sind, sich  auch unter ergonomischen Gesichtspunkten vergleichsweise einfach umbauen lassen und die im Idealfall alle relevanten Mikroskopeinstellungen zu einem Bild speichern.

Solche Allrounder, wie die Modelle der Serie BX3M von Olympus (Abb. 4), sind für die traditionelle Industriemikroskopie konzipiert. Gleichzeitig verfügen sie jedoch über zahlreiche zusätzliche Funktionen für ein noch größeres Spektrum an Anwendungen und Inspektionstechniken.

Im anderen Licht betrachtet: Mehr sehen als zuvor

Eine Herausforderung bei der Betrachtung verschiedenster Untersuchungsgegenstände liegt darin, dass unterschiedliche Proben unterschiedliche Beleuchtungen erfordern. Hellfeld, Dunkelfeld, Polarisation, Differentieller Interferenzkontrast (DIC) und Fluoreszenz sind dazu die allgemein gängigen Kontrastverfahren konventioneller Mikroskope.

Die Dunkelfeldmikroskopie zum Beispiel ermöglicht die Beobachtung des vom Objekt gestreuten oder gebeugten Lichts. Alle nicht völlig glatten Gegenstände lenken eingestrahltes Licht ab, glatte dagegen erscheinen dunkel, sodass selbst kleinste Kratzer oder Risse, zum Beispiel auf Wafern, deutlich hervorgehoben werden.

DIC dagegen ist ein mikroskopisches Kontrastverfahren, bei dem Höhenunterschiede innerhalb einer Probe in ein reliefartig oder dreidimensional wirkendes Bild mit verbessertem Kontrast umgesetzt werden. Es eignet sich ideal für die Untersuchung von Objekten mit sehr geringen Höhenunterschieden, wie Strukturen in der Materialforschung, Minerale, Magnetköpfe, Festplatten und polierte Wafer-Oberflächen.

Doch immer häufiger stoßen diese Methoden an ihre Grenzen, zum Beispiel bei der Inspektion von Materialien mit stark reflektierenden Oberflächen, dem Nachweis einzelner Probenkomponenten im selben Bild oder von Strukturen mit unterschiedlicher Orientierung.

Die Modelle der BX3M-Serie verfügen daher mit der direktionalen Dunkelfeldbeleuchtung und der Mix-Beleuchtung über zusätzliche neuartige Kontrastverfahren, die diese Aufgaben meistern (Abb. 5). Die direktionale Dunkelfeldbeleuchtung beispielsweise bietet eine hohe Flexibilität bei der Anpassung der Beleuchtung aus verschiedenen Winkeln. Mix dagegen erlaubt den gleichzeitigen Einsatz verschiedener Beobachtungsmethoden. Auf diese Weise lässt sich unter anderem der Kontrast verschiedener Strukturen gleichzeitig hochpräzise anpassen oder stark unterschiedliche Probenkomponenten, wie Polymerstrukturen und Metalle, simultan darstellen.

Weitere fortschrittliche Funktionen, wie „Extended Focal Imaging“ (EFI) für vollständig durchfokussierte 3D-Aufnahmen inklusive Höhenkarte oder „Instant Multiple Image Alignment“ (Instant MIA) für die automatische Generierung von Panoramaansichten vereinfachen mikroskopische Inspektionen bei der Qualitätsüberprüfung zusätzlich. Zudem sparen sie dem Anwender viel Zeit beim Messen und Analysieren.
Eine weitere im industriellen Einsatz stark verbreitete Gruppe von optischen Systemen sind die vielfältigen Modellvarianten der Stereomikroskope. Sie verfügen über getrennte Strahlengänge für beide Augen und vermitteln so einen natürlichen, räumlichen Eindruck von der zu untersuchenden Probe. Mit ihnen lassen sich zum Beispiel verhältnismäßig einfach Untersuchungen direkt an einem größeren Objekt realisieren. So enthüllen sie dem Anwender bei der hochauflösenden Sichtprüfung von Turbinenschaufeln selbst kleinste Fehler im Werkstück (Abb. 6).

Mit über 90 Jahren Erfahrung in opto-mechanischen, elektronischen, digitalen und Präzisionstechnologien bietet Olympus zuverlässige und akkurate optische Systeme für den allgemeinen Markt, auf Wunsch aber auch maßgeschneidert auf die ganz spezifischen eigenen Anforderungen.

 

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