Schichtdickenmessung an kleinen Bauteilen - OptiSense GmbH ...

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SONDERTHEMA LACKIERTECHNIK
Messfehler vermeiden
Online-Schichtdickenmessung
an kleinen Bauteilgeometrien
Norbert Walter, Bochum
Mit der photothermischen Messtechnik lässt sich die Schichtdicke
auch an kleinen Bauteilen online ermitteln. Das Verfahren arbeitet
berührungslos und erlaubt deshalb das Vermessen trockener und
feuchter Schichten auf bewegten Teilen. Die hohe Messwiederholrate
ermöglicht eine hohe örtliche Auflösung der Schichtstärke.
Viele Bauteile mit komplexen Geometrien
werden zur Oberflächenvergütung beschichtet,
um die Anforderungen an den
Korrosionsschutz und die mechanischen Eigenschaften
zu erfüllen. Das Einhalten einer
definierten Schichtdicke garantiert die
gewünschten Oberflächeneigenschaften.
Nachfolgend wird dargestellt, wie man mit
der photothermischen Schichtdickenmessung
auf kleinen Bauteilgeometrien messen
kann und was beim wirtschaftlichen Einsatz
zu beachten ist. Eine Kostenabschätzung
verdeutlicht, welcher Nutzen mit der prozessnahen
Schichtdickenmessung entsteht.
Falsche Schichtdickenmesswerte
Mit den üblichen Schichtdicken-Messmethoden
wie der Wirbelstrommessung oder
der induktiven Messung lässt sich, ohne den
Einfluss von systematischen Fehlern, nur an
Bauteilen messen, die eine Materialdicke
von mehr als 0,7 mm sowie eine Mindestbreite
von 15 mm aufweisen (Bild 1 und 2).
Diese Randbedingungen sind notwendig,
damit eine gleichmäßige Feldausbreitung
zwischen Sonde und Metall entstehen
kann. Geometrieveränderungen wie zu
dünne Materialdicken und eine zu schmale
Mindestbreite beziehungsweise benachbarte
Kanten verzerren die Feldlinien stark.
Aus diesem Grund ist es nur mit unverhältnismäßig
hohem Aufwand möglich, nah
an Kanten oder Materialausbrüchen zu
messen. Es ist eine geometrieabhängige Kalibrierung
notwendig. Beim Messen muss
der gleiche Abstand zu den Bauteilkanten
eingehalten werden wie beim Kalibrieren.
Die Signalauswertung in einfachen
Handmessgeräten kann diese Feldveränderungen
nicht automatisch berücksichtigen.
Wenn man mit Standardkalibrierungen
arbeitet, entstehen zwangsläufig falsche
Schichtdickenmesswerte. Zur Verdeutlichung
des Problems können aus
Tabelle 1 die Fehler bei Nichteinhaltung der
Randbedingungen entnommen werden.
Der Fehler 1 entsteht bei Standardkalibrierungen
und der kleinere Fehler 2, wenn
beim Kalibrieren die Materialdicke berücksichtigt
wurde. Die Messungen erfolgten
mit einem kombinierten magnetinduktiven
Wirbelstrom-Handmessgerät an einem mit
34 µm Füllerdicke beschichteten Testblech.
Es traten Messfehler von bis zu 20 % auf.
Diese entstehen, wenn man die Randbe-
Bild 1. Messung auf dünnen Blechen (< 1 mm)
Bild 2. Messung an Kanten
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Tabelle 1. Messfehler in Abhängigkeit vom Messort und Materialdicke
dingungen, die bei der Bauteilgeometrie
und der Materialdicke zu beachten sind,
nicht einhält.
In der Praxis bemerkt man die bei falscher
Handhabung auftretenden abweichenden
Schichtdickenmesswerte nicht, da
das Messgerät wie gewohnt weiterhin
Messwerte ausgibt und keine Fehlermeldung
anzeigt. Selbst wenn eine geometrieabhängige
Kalibrierung erfolgt ist, können
trotzdem weitere Messfehler auftreten, da
die Handmessgeräte oftmals mehrere Mitarbeiter
nutzen und vor der Messung die
Kalibrierung meist nicht überprüft wird.
Photothermisches
Messverfahren
Das photothermische Messverfahren (Bild
3) bietet Vorteile gegenüber dem Wirbelstrom-
und dem magnetinduktiven Messverfahren
beim Vermessen kleiner Bauteilgeometrien,
da ein anderes physikalisches
Messprinzip zu Grunde liegt. Beim
photothermischen Messprinzip wird ein Laserpuls
auf den Lack ausgesendet, der diesen
minimal erwärmt. Eine Empfangsoptik
registriert den zeitlichen Verlauf der Temperaturänderungen,
die Auswerteeinheit
errechnet daraus die Schichtdicke.
Dünne Lackschichten lassen sich mit
dem Laser schneller aufheizen als dicke.
Der zeitliche Verlauf dient als Maß für die
Schichtdicke. Da keine Temperaturamplituden
gemessen werden, sondern nur das
thermische Zeitverhalten, ist das Messverfahren
unempfindlich gegenüber Abstandsschwankungen
im Bereich von
+/-10 mm und gegen Verkippungen des
Messkopfes von +/-30 °.
Kontakt
OptiSense GmbH & Co. KG
44799 Bochum
Tel. 02 34 / 709 90-0
Fax 02 34 / 709 90-11
E-Mail: walter@optisense.com
www.optisense.com
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Das Messverfahren arbeitet berührungslos
und besitzt eine Messwiederholrate
von 10 Hz. Die Berührungslosigkeit ermöglicht
das Vermessen trockener und
feuchter Schichten von bewegten Bauteilen.
Die große Messwiederholrate erlaubt eine
hohe örtliche Auflösung der Schichtdicke.
Mit dem kleinen Messfleck (Durchmesser
3 mm) und der hohen Winkeltoleranz von
+/- 30 ° lassen sich auch sehr kleine Teile
oder stark unebene Teile vermessen.
Der Messabstand von 200 mm zum
Messobjekt und die große Abstandstoleranz
erleichtern den Einsatz in automatisierten
Umgebungen. Mit Spiegeloptiken kann
man Hohlräume oder schwer zugängliche
Bild 3. Photothermisches Schichtdickenmessgerät PaintChecker modular
Orte vermessen. Es ist auch eine Messung
auf warmen Bauteilen möglich, da nur Temperaturänderungen
in der Schichtdickenbestimmung
berücksichtigt werden. Auf
Grund des Funktionsprinzips können auch
Messungen auf nicht metallischen Substraten
erfolgen.
Praxisbeispiel: Bandstahl-
Profilleisten beschichten
Bandstahl-Profilleisten werden im Automobilzulieferbereich
zu Funktionsbauteilen
im Biege-, Stanz- oder Tiefziehverfah-
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ren weiterverarbeitet. Aus Gründen des
Korrosionsschutzes und der besseren Verarbeitungsfähigkeit
beschichtet man die
Profilleisten mit einer Schichtdicke von
80 µm. Um die mechanischen Eigenschaften
einzuhalten, ist ein Toleranzfenster von
60 bis 100 µm vorgegeben.
Der Beschichtungsprozess ist ein kontinuierlicher
Vorgang, der bei einer Coillänge
von 10 km und einer Beschichtungsgeschwindigkeit
von 15 m/min bei einer zweioder
dreischichtigen Produktion 11 h dauert.
Das Überprüfen der Schichtdicke erfolgt
meistens mit einem Stichproben-
Messverfahren zum Beginn und am Ende
eines Coils oder nach dem Beschichten am
fertigen Coil. Das Bedienpersonal kontrolliert
die Schichtdicke im Produktionsprozesses
oft nur visuell über den Reflektionsgrad
oder die Deckkraft.
Die Ergebnisse sind sehr subjektiv und
hängen im großen Maße vom Erfahrungsund
Wissensstand des Bedieners ab. Zudem
muss er andere Aufgaben wahrnehmen und
kann den Beschichtungsprozess nicht lü-
ckenlos überwachen. Zusätzlich findet durch
den Schichtwechsel ein Personalaustausch
statt, bei dem der neue Anlagenbediener unter
Umständen eine andere Beurteilung der
Beschichtungsqualität vornimmt.
Mit dem „PaintChecker“-Schichtdickenmesssystem
ist man in der Lage, die Beschichtungsqualität
kontinuierlich zu überwachen.
Bei Prozessveränderungen wird
der Anlagenbediener unverzüglich alarmiert.
Bei einer Messwiederholrate von
10 Hz und einer Bandgeschwindigkeit von
15 m/min lassen sich im Abstand von
16 mm Schichtdickenmesswerte aufneh-
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men (Anlaufbild; der rote Punkt auf dem
schwarzen Bandstahl ist der Messfleck).
Die Anordnung des Messkopfes erfolgt
statisch an einem Befestigungsflansch. Die
Auswerteeinheit kann man beim „Paint-
Checker modular – Standard“ in einem Abstand
von bis zu 40 m vom Messkopf installieren.
Durch den einfachen Aufbau entstehen
nur geringe zusätzliche Hardwarekosten.
Die Standardsoftware ermöglicht
eine kontinuierliche Darstellung der Messergebnisse
in grafischer Form über Verlaufsplots
mit Verteilungsfunktion sowie
als Zahlenwerte.
Über die Eingabe von Grenzwerten lassen
sich prozessabhängig verschiedene
Alarmsignale aktivieren. Zur Ausgabe der
Messergebnisse stehen zwei analoge
Schnittstellen als Strom- oder Spannungswert
und acht digitale Ein- und Ausgänge
zur Verfügung. Das LCD-Display der
Auswerteeinheit zeigt die Messergebnisse
in Zahlenform an. Ebenso ist eine Bedienung
über vier Tasten direkt am Gerät
möglich.
Zur grafischen Visualisierung können
an die Auswerteeinheit auch ein Monitor
mit Tastatur und eine Maus angeschlossen
werden. Die internetfähige Software ermöglicht
das Bedienen über ein Netzwerk
mit einem Web-Browser. Die Messdaten lassen
sich in einer Datenbank oder in einem
Dateiverzeichnis ablegen. Der Zugriff auf
die gespeicherten Messdaten ist ebenfalls
über das Netzwerk möglich. Die Standardsoftware
ist mehrsprachenfähig und verfügt
über eine Benutzerverwaltung mit Zugriffsrechtvergabe.
Nutzenanalyse und Folgekostenabschätzung
Im Automobilzulieferbereich werden Ausschussraten
kleiner 0,1 % gefordert. Diese
Vorgaben lassen sich mit der herkömmlichen
Stichprobenmessung und einer visuellen
Kontrolle nicht erfüllen. Eine Fehlerquote
von 0,1 % bedeutet, dass ein Coil
mit 10 km Länge nur 10 m fehlerhaft beschichtet
sein darf. Diese Fehler entstehen
bereits, wenn man 60 s außerhalb des Prozessfensters
produziert.
Bei der produktionsbegleitenden Qualitätsüberwachung
mit Offline-Messmethoden
ist der Anlagenbediener nicht in der Lage,
diese Qualitätsanforderung zu erfüllen.
Typischerweise erreicht man mit visuellen
und stichprobenartigen Offline-Messmethoden
im günstigsten Fall Ausschussmengen
von 3 bis 9 %.
Erst die Online-Schichtdickenmessung
mit der Überwachung der Prozessfähigkeit
ermöglicht eine rechtzeitige Korrektur von
Prozessabweichungen, bevor die Toleranz-
Tabelle 2. Darstellung der Wirtschaftlichkeit
grenzen überschritten werden. Außerdem
entlastet diese Vorgehensweise den Anlagenbediener
von Routineaufgaben. Er muss
nur noch einschreiten, wenn Handlungs-
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edarf besteht. Gewährleistungsansprüche
werden vermieden.
Das Problem ist nicht die Ausschussmenge,
sondern die Möglichkeit, nachgelagerte
Arbeitsprozesse stabil zu halten.
Wenn zum Beispiel eine Störung in einem
weiteren Produktionsprozess auf Grund
von fehlerhaften Schichtdicken auftritt, entstehen
hohe Folgekosten durch Ursachenermittlung,
Fehlerbeseitigung und zusätzliche
Qualitätsüberwachung.
Im ungünstigsten Fall wird die Produktion
abgebrochen und erst mit fehlerfreiem
Ausgangsmaterial fortgesetzt, weil der Kunde
keine qualitätsüberwachenden Messgeräte
für die Produktion besitzt und auf fehlerfreies
Material angewiesen ist. Das kann
bedeuten, dass eine komplette Lieferung
zurückgewiesen wird und umgehend Ersatz
erforderlich ist. Nachkontrollen zurückgewiesener
Lieferungen sind für den
Lieferanten in jedem Fall aufwändiger als
Online-Qualitätsüberwachungen im Beschichtungsprozess,
da sie keine zusätzlichen
Ressourcen binden und keine Kosten
für Mehrarbeit verursachen.
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Zusätzlich zum Vermeiden von Gewährleistungsansprüchen
lässt sich die
Ausschussrate von Beschichtungsfehlern
mit Online-Schichtdickenmessgeräten um
5 bis 8 % senken.
In Tabelle 2 ist eine Wirtschaftlichkeitsrechnung
dargestellt, bei der ein Bandstahl
aus Edelstahl mit den Abmessungen
6x1mm 2 mit und ohne Online-Schichtdickenmessung
beschichtet wird. Bei den derzeitigen
Edelstahlpreisen von etwa
4500,- Euro/t kostet der Meter Bandstahl inklusive
Beschichtung ungefähr 0,25 Euro/m.
Das Einsparpotenzial liegt bei 8,3 %.
Zum Bestimmen der Amortisationszeit
wird angenommen, dass das Online-
Schichtdickenmessgerät 35 000 Euro kostet
und weitere 12 000 Euro für Zusatzkosten
und Personalschulung anfallen,
so dass eine Investitionssumme von
47 000 Euro notwendig ist. Geht man von
einer 80%igen Anlagenauslastung aus, so
erreicht man nach knapp 9 Monaten die
Amortisationsgrenze.
Wenn der Stahlpreis auf 2 250,- Euro/t
sinken sollte, verlängert sich die Amorti-
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sationszeit um 3 auf 12 Monate. Die Kosten-
Nutzen-Rechnung geht aber nur auf, wenn
das Bedienpersonal zeitlich in der Lage ist,
auf Prozessabweichungen reagieren zu
können. Deshalb ist ein Qualitätskonzept,
bei dem der gesamte Produktionsprozess
und die personellen Ressourcen berücksichtigt
werden, von größter Wichtigkeit.
Fazit
Wie die Wirtschaftlichkeitsberechnung
zeigt, bedeutet der Einsatz von Online-
Schichtdickenmesstechnik nicht zwangsläufig
eine Verteuerung der Herstellungskosten,
sondern führt zu signifikanten Kosteneinsparungen
mit sehr kurzen Amortisationszeiten.
Der Autor dieses Beitrags
Dipl.-Ing. Norbert Walter, Jahrgang 1967, studierte
Elektrotechnik und ist seit der Gründung
von OptiSense im Jahre 1998 dort tätig. Er war
maßgeblich an der Entwicklung photothermischer
Schichtdickenmessgeräte beteiligt und arbeitet
derzeit im Vertrieb.
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