Industriell eingesetzte Online-Schichtdickenmessung OC³

Dr. Jochen Zierhut: Zierhut Messtechnik GmbH
Alexander Gindorf, Andreas Kähny, Dr. Achim Meier: MTU Aero Engines München
Prof. Dr. Jochen Schein: UniBw- München
Qualitätssicherung durch Online-Schichtdickenmessung OC³
(OC³ = Optical Coating Characteristics Control)
1 Einleitung
2 Messobjekt
Die thermische Beschichtung ermöglicht das Aufbringen
einer funktionalen, keramischen und/oder metallischen
Schicht auf einem Grundwerkstoff. Die Eigenschaften der
erzeugten Schicht bestimmen dabei die Qualität des Endprodukts
und müssen daher laufend kontrolliert werden [Fau].
Als eine gute Kontroll-Kenngröße hat sich die Vermessung
des Schichtauftrags herausgestellt [Sch]. Aufgrund der ungünstigen
Bedingungen während der Beschichtung (Störungen
durch den Brenner, Staub, Wärmeeinflüsse) wird derzeit
auf die konventionelle, manuelle Messmethode - nach der
Beschichtung messen - zurückgegriffen. Wenn die Geometrien
jedoch ein direktes Messen am Bauteil nicht zulassen,
werden meist kleine Probeplättchen in einer Hilfsapparatur in
unmittelbarer Nähe des Bauteils montiert, um möglichst wie
das Bauteil beschichtet zu werden. Nach der Beschichtung
können diese dann anstelle des Bauteils vermessen werden.
Die Nachteile der Messmethoden liegen auf der Hand:
Bei dem hier verwendeten Messobjekt handelt es sich um
ein Serienbauteil der Firma MTU Aero Engines München aus
dem Flugzeugturbinenbereich. Es ist ein dünnwandiger metallischer
Ring mit einem Durchmesser von ca. 50cm. Auf der
Außenseite des stark konturierten Rings befinden sich zwei
ca. 300µm breite Stege die zu beschichten sind
(=Beschichtungsbereiche). Eine Maskierung, die vor der
Beschichtung aufgebracht wird, deckt die nicht zu beschichtenden
Bereiche ab. In Bild 1 ist ein Schatten- Schnittbild der
Kontur des verwendeten Bauteils dargestellt.
- manuelles Messen
- Messunsicherheit
- relativ lange Messdauer
- Messung nur mit Prozessunterbrechung möglich
- Messung am Probeplättchen und nicht am Bauteil selbst
In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt,
das es ermöglicht, den Schichtauftrag während der laufenden
Beschichtung direkt an einem Bauteil zu vermessen, das
aufgrund seiner Geometrien normalerweise nur mittels Probeplättchen
vermessen werden kann [EPA]. Es handelt sich
hierbei um ein Verfahren, das in Zusammenarbeit mit der
Firma MTU Aero Engines München entwickelt und aufgebaut
wurde. Als besondere Herausforderung sind dabei die hohe
geforderte Genauigkeit sowie die schnelle Ergebnisausgabe
unter der Maßgabe der industriellen Verwendung anzuführen.
Diese Messmethode bietet den weiteren Vorteil, eine
Maßbeschichtung realisieren zu können. Maßbeschichtung
bedeutet, dass unmittelbar nach Erreichen einer geforderten
Schichtdicke der Prozess beendet wird. Damit lassen sich
aufwändige Nacharbeiten, wie das Abschleifen von zuviel
Schicht vermeiden, wodurch Kosten und Zeit eingespart
werden können.
Bild 1: Bauteil mit Schatten- Schnittbild der Beschichtungsbereiche
(ohne Maskierung)
Beschichtet wird das Bauteil mit einer metallischen Haftschicht
und einer keramischen Deckschicht auf einem horizontalen
Drehteller. Somit ergeben sich für die Schichtdickenmessung
drei Phasen, die alle am sich drehenden Bauteil
durchgeführt werden müssen:
- Vor der Beschichtung, Nullschicht (Oberfläche ist für Beschichtung
vorbereitet)

- Haftschicht
- Deckschicht
3 Messprinzip und Bildauswertung
Die Vorgabe für das zu entwickelnde Messsystem lautet:
Soll nicht nur eine Höhe sondern ein ganzes Höhenprofil
vermessen werden (Übergang 1D → 2D) muss anstelle des
Laserpunkts eine Laserlinie und anstelle des Zeilensensors
ein 2-dimensionales CCD- Array verwendet werden. In Bild 3
ist ein typisches 2D Triangulationsbild für das Bauteil dargestellt.
Man erkennt die an der Bauteilkontur reflektierte Laserlinie
(vgl. Schattenbild aus Bild 1)
- Messbereich für den Gesamt-Schichtauftrag: ≤ 500µm
- Drehzahl Drehteller: ≤ 100 U/min
- Messtauglich für alle drei Beschichtungsbereiche
- Messgenauigkeit: ± 20µm
- Online-Messung
Von den bekannten hochauflösenden, optischen Messverfahren
[Hen] wie z.B. Schattenbild, Streifenlichtprojektion,
Laufzeitmessung oder Linien- Lasertriangulation wurde das
letzte Verfahren gewählt. Es erfüllt am besten die oben genannten
Forderungen. Das Prinzip ermöglicht unter Verwendung
einer geeigneten Kameratechnik eine sehr schnelle
Erfassung des gesamten Höhenprofils und bietet die Möglichkeit
einer Echtzeit- Triggerung, die wegen der Rotation
des Bauteils notwendig ist. Gleichzeitig lässt sich der Aufbau
so gestalten, dass die gesamte Sensorik in einem robusten
staubgeschützten Industriegehäuse untergebracht werden
kann. In Bild 2 ist das Prinzip der Lasertriangulation dargestellt.
Bild 3: typisches Triangulationsbild des verwendeten
Bauteils (ohne Schicht)
Bild 2: Prinzip der Lasertriangulation mit Δh: Objekthöhe,
c: Triangulationsfaktor
Der senkrecht auf der Oberfläche des Messobjekts diffus
reflektierte Laserstrahl wird vom Zeilen- CCD- Sensor der
Kamera aufgenommen. Verändert sich die Höhe der Oberfläche
(Δh) führt dies zu einer Positionsänderung des reflektierten
Laserstrahls (Δh·c) auf dem Sensor. Damit lässt sich die
Höhedifferenz berechnen.
Aus dem Triangulationsbild wählt die neu entwickelte
Software den zu vermessenden Bereich aus (hier die zwei
markierten Bereiche). Ein Schichtauftrag zeigt sich im Bild
durch die Positionsänderung der markierten Bereiche nach
rechts. Da nur der Schichtauftrag an der Spitze der Kontur
gemessen werden soll, muss die Bilderkennung einige störende
Einflüsse erkennen und automatisch beheben. Dazu
zählen unter anderem ein Taumeln des sich drehenden Rings
(Höhenschlag/ Seitenschlag) ein sich veränderndes Reflexionsverhalten
der Oberfläche durch die Übergänge Nullschicht
→ Haftschicht → Deckschicht (Intensitätsänderung) und die
Störung durch den Beschichtungsprozesses selbst (Ver-

schmutzung, intensive Strahlung durch das Plasma bzw. den
Gasstrahl). Als weitere Herausforderung ist die Formänderung
des Beschichtungsbereichs aufgrund des Schichtauftrags
anzuführen. In der Abbildung 4 ist ein typisches Bild für
eine derartige Änderung dargestellt. Die ursprünglich deutlich
zu erkennende „gerade“ Reflexion (oberes Bild) wird zu einer
„sichelförmigen“ Reflexion (unteres Bild).
4 Ergebnisdarstellung und Diskussion
Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse wurden an
serienähnlichen Bauteilen ermittelt. Hierzu wurde das Messsystem
in der Beschichtungskabine so montiert, dass der
normale Beschichtungsbetrieb nahezu nicht gestört wurde.
Die Messergebnisse des Schichtauftrags und der Bauteiltemperatur
einer typischen Deckschicht-Beschichtung sind in Bild
5 dargestellt.
Bild 4: Formänderung des reflektierten Laserstrahls
durch den Schichtauftrag (Bild oben: gerade Reflexion,
Bild unten: sichelförmige Reflexion)
Eine weitere Störgröße ist die Wärmeausdehnung des
Bauteils. Trotz intensiver Kühlung lässt es sich nicht vermeiden,
dass sich das Bauteil während dem Beschichtungsvorgang
um bis zu 150°C erwärmt. Umgerechnet auf den Radius
ergibt sich bei dem hier verwendeten Grundwerkstoff eine
Materialausdehnung die einem Schichtauftrag von ca. 400µm
entspräche [Bei]. Da eine der Vorgaben die Online-Messung
ist, kann man nicht auf ein Abkühlen des Bauteils warten, die
Wärmeausdehnung des Bauteils muss erfasst und berücksichtigt
werden.
Grundsätzlich gilt, dass die Wärmeausdehnung eines Materials
direkt proportional zu dessen Temperatur ist. Meist
werden Temperaturen an bewegten Teilen von außen, pyrometrisch
gemessen (=Oberflächentemperatur). Im vorliegenden
Fall entfällt aber diese Möglichkeit, da die Außenseite
(=Beschichtungsseite) die für die Wärmeausdehnung entscheidende
Kerntemperatur des Bauteils nicht wiederspiegelt.
Eine Korrektur mit dieser Temperatur wäre zu ungenau.
Gemessen wurde daher mit einem kleinen Temperatursensor
im Inneren des sich drehenden Bauteils. Für die Übermittlung
der Temperaturwerte nach außen wurde eine telemetrische
Datenübertragung aufgebaut.
Zeitlicher Ablauf des Testzyklus:
----------------------------------------------------------------------------------
0-25s:
Pulver aus, Startphase Brenner, Systeminitialisierung
----------------------------------------------------------------------------------
25-50s: Pulver aus, Brenner fährt über das Bauteil,
Bauteilkühlung an
----------------------------------------------------------------------------------
50-65s: Pulver an, Brenner fährt über das Bauteil
Richtung nach unten (Lage1)
----------------------------------------------------------------------------------
65-80s: Pulver an, Brenner fährt über das Bauteil
Richtung nach oben (Lage2)
----------------------------------------------------------------------------------
80-370s: weitere 8 Beschichtungszyklen, wie im
Zeitbereich 50s-80s (Lage3 – Lage18)
----------------------------------------------------------------------------------
370-380s: Brenner in Parkposition, Bauteilkühlung
aus, Ausgabe Zwischenergebnis Schichtauftrag mit Angabe
der noch fehlenden Beschichtungsphasen zum Erreichen der
Zielschicht (hier im Beispiel noch weitere 5 Lagen)
----------------------------------------------------------------------------------
380-390s: Brenner in Parkposition, Bauteilkühlung an
----------------------------------------------------------------------------------
390-460s: 2 Beschichtungszyklen (Lage19 – Lage22)
----------------------------------------------------------------------------------
460-475s: Beschichtung (Lage23)
----------------------------------------------------------------------------------
475-480s: Brenner aus, Ende der Beschichtung
----------------------------------------------------------------------------------
480-490s: Bauteilkühlung aus, Ausgabe des Schichtergebnisses
(Zielschicht erreicht)
----------------------------------------------------------------------------------
490-520s: Bauteilkühlung an – Prozess Ende
----------------------------------------------------------------------------------

400
100
relative Abweichung, relative deviation [%]
Schichtauftrag, layering process [µm]
350
300
250
200
150
90
80
70
60
50
40
Temperatur, temperature [°C]
20
15
10
5
30
100
20
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
50
10
-5
0
0
0 100 200 300 400 500
Zeit, time [s]
-10
rel. Abweichung manuelle Messung zur Referenz,
rel. deviation manual methode to reference
Bild 5: Typischer Messverlauf für einen Beschichtungsbereich
bei entsprechender Bauteiltemperatur
-15
rel. Abweichung OC3 zur Referenz
rel. deviation OC3 to reference
sample number
Die Wärmeausdehnung des Bauteils ist in der Darstellung
des Schichtauftrags bereits berücksichtigt.
Zu erkennen ist ein Zeitversatz zwischen Schichterhöhung/
-erniedrigung und Temperaturerhöhung/ -erniedrigung.
Dies lässt sich mit der Wärmeleitung des Bauteils erklären.
Bei jedem Übergang wird durch den Brenner dem Bauteil von
außen sehr viel Wärme zugeführt und es dehnt sich aus, in
der Grafik zu erkennen an einer Zunahme des Schichtauftrags.
Gleichzeitig wird die Wärme ins Innere des Bauteils
geleitet. Da die Wärmeleitung aber vergleichsweise langsam
erfolgt, misst der Temperatursensor die Wärmezunahme
zeitlich versetzt. Sobald der Wärmeeintrag durch Brenner
beendet ist, führt die, ebenfalls von außen wirkende, intensive
Kühlung zuerst zu einer Verringerung des Schichtauftrags
und anschließend, wiederum zeitlich versetzt, zu einer Erniedrigung
der Temperatur.
Die Kompensation der Wärmeausdehnung erfolgt daher
immer zeitlich versetzt. Für eine genaue Angabe des
Schichtauftrags darf der Brenner daher nicht Beschichten und
die Kühlung nicht aktiv sein (vgl. Grafik Zeitraum 370-380s
und 480-490s).
Die Verifizierung der Ergebnisse erfolgte mittels eines
Hochauflösenden mechanischen 3-Achsen Vermessungssystems
(Referenz). Hierfür wurde für jedes Bauteil der Schichtauftrag
vor und nach der Beschichtung an 3 Messzonen, die
sich jeweils über einen Bereich von 20mm erstreckten, gemessen.
Die Nulllinie der Grafik (Bild 6) entspricht dem Mittelwert
aus diesen Stützpunkten.
Als Vergleich ist die übliche manuelle Messung mit Probeplättchen
ebenfalls in der Grafik dargestellt. Diese Probeplättchen
wurden zusammen mit dem Bauteil unter bauteilähnlichen
Bedingungen beschichtet.
Bild 6: Gegenüberstellung der Mittelwerte der
Messergebnisse aus den Beschichtungsvorgängen
(Nulllinie = Referenzmessung)
Die Ergebnisse zeigen für das OC³ Messsystem eine
Schwankung bei der Bestimmung der Schichtstärke von

6 Schlusswort
Das vorliegende Messsystem wurde im Rahmen eines bilateralen
Projekts zwischen der MTU Aero Engines München
und der Zierhut Messtechnik GmbH mit Unterstützung von
Prof. Schein (UniBw- München) gemeinsam entwickelt.
7 Literaturverzeichnis
[Fau] Fauchais P. et al: Quo Vadis Thermal Spraying?:
Thermal Spray 2001: New Surface for a Millennium, ASM
International, OH, USA 2001
[Sch] Scheer C. et al: Entwicklung einer Online-
Schichtdickenmessung für das Plasmaspritzen von Keramik
auf Basis einer Wirbelstromsensorik: Dach-Jahrestagung
2008 – Poster 55; St. Gallen 2008
[EPA] Messverfahren und Vorrichtung zur Schichtdickenmessung
sowie Herstellungsverfahren und Beschichtungsanlage:
Europäische Patentanmeldung 12167767.8;
München 2012
[Hen] Henzler T.: Verfahren und Komponenten für die 3D-
Bildverarbeitung: Inspect 8/2011 GIT Verlag Weinheim 2011
[Bei] Beitz W. et al: Taschenbuch Maschinenbau, Springerverlag
Heidelberg, Berlin, New York 1997