Riss oder Kratzer?

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Riss, Verfärbung, Mikroloch,
Oberflächenfehler oder Kratzer?
Wir erkennen kleinste
Beschädigungen in komplexen
Bauteilen!
Riss, Verfärbung, oder Reflektion?
In diesen Fällen schafft nur noch
das OCT- Verfahren Klarheit.
Riss im OCT Bild
OCT- Resultat einer Bauteilprüfung
Mit dem OCT- Verfahren werden Mikrorisse, Materialveränderungen oder Kratzer
eindeutig, schnell und völlig berührungslos unterschieden.

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Mikrorisse in einer thermisch umgeformten Schale
Bei einem Mikroriss tritt Licht von Luft in das Material ein und zeigt dadurch einen
Unterschied im Brechungsindex zwischen der Luft (1) und dem Material (z.B. 1,5). Ist
ein Riss im Innern des Materials, erfolgt der Übergang vom Material zur Luft, d.h. der
Riss wird aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindexes wieder deutlich sichtbar.
Mit der OCT Kamera werden am interessierenden Ort 1 Million zweidimensionale Bilder
mit einem Bildabstand von wenigen Mikrometern als Bilderstapel erfasst.
Gelangt monochromes Licht direkt- oder wie in der Skizze gezeigt – indirekt auf eine
Oberfläche, interferieren die reflektierten Anteile mit dem Licht des Referenzstrahls und
liefern so ein Hell/dunkel Muster, das eine Tiefeninformation beinhaltet. Die folgende
Skizze zeigt den Strahlengang des Lichts auf eine transparente Oberfläche. Auf der
Oberfläche erfolgt die erste-, auf der Rückseite die zweite Reflektion des Messlichts.
Verfärbung oder Riss?
Bei der Prüfung von Bauteilen mit dem OCT- Verfahren auf Lufteinschlüsse oder auf
Risse werden Bilderstapel mit einem Abstand zwischen den einzelnen Bildern von
wenigen Mikrometer erstellt. Weil das OCT Verfahren Unterschiede im Brechungsindex
zeigt, können die gemessenen Signale in ihrer Tiefe bestimmt werden. Kratzer oder
Partikel werden von Rissen, die durch ein Bauteil verlaufen, klar unterschieden.
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Brüche in Molekülketten sind kleinste Kavitäten die sich im Brechungsindex von der
Umgebung unterscheiden und deshalb ein deutliches Signal liefern. Geht das Licht
durch Luft in das Material oder tritt Licht von einem Material an die Luft, entsteht immer
ein ausgeprägtes Signal. Schichtdicken, Hohlräume, Materialveränderungen oder
Mikrolöcher lassen sich deshalb deutlich erkennen.
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Die folgenden Bilder zeigen Ausschnitte aus einem Kavitäten Array in dem chemische
Reaktionen untersucht werden. Die einzelnen Zellen müssen rissfrei sein und dürfen
keine Lufteinschlüsse aufweisen. Eine Inspektion mit dem OCT- Verfahren liefert dazu
die gesuchten Resultate und erlaubt sogar, die Risstiefe mikrometergenau zu
vermessen.
Segmentierter Zellenkopf Riss in der Kavität
Fehlerlose - Kavität
Pipettier- Array mit 80 Zellen
Drei einzelne Kavitäten
Gegenüber konventionellen Kameras liefern OCT– Systeme eine ganz andere
Information. Die Signale entstehen durch Unterschiede im Brechungsindex und nicht
durch reflektiertes oder vom Objekt zurückgestreutes Licht. Deshalb sind beim OCT-
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Verfahren die Signale nicht durch die Farbe, die Oberfläche oder die Neigung des
Bauteils beeinflusst. Nachfolgend ist ein Teil eines Bilderstapels dargestellt. Sind die
Unterschiede im Brechungsindex deutlich, können die Signale klar einer Ursache (Riss,
Deformation, Einschluss, Verspannung) zugewiesen werden.
Bild 59 Aussenseite Bild 58 Tiefe 30 Mikrometer Bild 57 Tiefe 60 Mikrometer
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Bild 56 Tiefe 120 Mikrometer Bild 55 Tiefe 150 Mikrometer Bild 54 Tiefe 180 Mikrometer
Bild 53 Tiefe 210 Mikrometer Bild 52 Tiefe 240 Mikrometer Bild 51 Tiefe 300 Mikrometer
Die Bilder zeigen einen Ausschnitt aus dem Volumenscan mit einem Abstand pro OCT-
Bild im Stapel von 30 Mikrometer. Ob Mikrorisse oder Lufteinschlüsse, Brauen oder
gebrochene Kannten, im OCT- Bild erscheinen solche Fehler unverkennbar deutlich.
Weil das OCT-Verfahren Unterschiede im Brechungsindex darstellt und dieser
Unterschied zwischen Luft und Material immer gross ist, liefert das Verfahren
gegenüber Standardkameras viel deutlichere Signale!
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Bei der Herstellung von Schalen für Tabletten oder andere Güter entstehen zum Teil
Schäden an den Kavitäten durch Temperaturfehler oder ungünstige Krafteinleitungen
im Tiefziehprozess, durch beschädigte Werkzeuge oder durch eingeklemmte Partikel.
Solche Fehler müssen vor dem Verpacken erkannt werden.
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Beschädigungen, Risse oder Kratzer lassen sich mit dem OCT Verfahren klar
lokalisieren und identifizieren. OCT- Systeme liefern deutliche Signale im Einsatz an
transparenten Bauteilen, wie z.B. bei der Prüfung von Blisterschalen.
Während Standard- Kamerasystemen bei der Prüfung an transparenten Teilen „Kratzer
oder Fasern“ respektive „Partikel oder Mikrolöcher“, kaum unterscheiden können liefern
OCT- Systeme deutliche Signale.
Kratzer im OCT- Bild Tiefe 1
Dicke der Schale
Kratzer im OCT- Bild Tiefe 2
Kratzer im OCT- Bild Tiefe 3
Mit dem OCT- Verfahren wird erkannt, ob ein Loch durchgehend ist. Gleichzeitig wird
auch die Dicke jeder Schicht gemessen, auch wenn diese aus mehreren Lagen besteht.
Beschädigte Kavität
Durchgehendes Loch
Neue Werkzeuge bei Kunststoff-Spritzanlagen erfordern viele exakte Messungen mit
Systemen, welche höchst genau und schnell arbeiten. Weil die Produktionsgrössen bei
höherer Lieferbereitschaft und höherem Kostendruck sinken, sind gerade deshalb neue
Verfahren gefragt, welche Geschwindigkeit, Genauigkeit und Flexibilität vereinen. Das
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OCT- Verfahren vereint die hohe geometrische Auflösung, eine hohe
Messgeschwindigkeit und Präzision. Mit dem Verfahren werden Bauteile in Sekunden
vermessen.
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Lufteinschlüsse in Kunststofffolien Kontur und Dickenvermessung
Offene Siegelnaht
Stand der Technik
Die geometrische Auflösung von OCT- Systemen liegt im Sub-Mikrometerbereich und
die Eindringtiefe in streuendes Material kann auch 1 mm Dicke überschreiten. Das OCT-
Verfahren erschliesst neue Wege in der industriellen Messtechnik.
Aus den zeitlichen Unterschieden der Signale von reflektiertem Licht aus einer Probe
werden zum Beispiel dreidimensionale Bilder erstellt und mit den Vorgaben von CAD-
Daten abgeglichen, so dass Fehler in Werkzeugen sofort erkannt werden. Komplexe
3D-Bilder werden durch Stitching über eine ganze Probenoberfläche erstellt.
Ein OCT- Bilderstapel besteht aus bis zu 2000
Bildern in einem Abstand von wenigen
Mikrometer (oder nm).
In den OCT- Signalen werden optische
Unterschiede im Betrachtungsraum sichtbar,
wie zum Beispiel im nebenstehenden Bild, in
dem Lufteinschlüsse weiss erscheinen und
Schichtübergänge violett.
In einem Messvorgang erkennt man die Dicke
einzelner Schichten, Trennstellen zwischen
Schichten sowie Einschlüsse zwischen den
Schichten oder Schichtablösungen.
Durch den Einsatz der OCT- Technologie werden die Kosten für die Vermessung von
Bauteilen oder deren Prüfung bei höchster geometrischer Auflösung und kürzester
Messzeit erheblich verkleinert.
Die OCT- Bilder auf der nächsten Seite zeigen einige OCT- Resultate, die in Sekunden
(Oder Sekundenbruchteilen) erzeugt und ausgewertet sind. Gegenüber konventionellen
Prüf- oder Messverfahren ist das OCT- Verfahren schneller und kaum anfällig auf
verschiedene Farben oder auf die örtlichen Lichtverhältnisse. Das OCT- Verfahren steht
in vielen Unternehmen schon als robustes Werkzeug im täglichen Einsatz für die
Sicherung der höchstmöglichen Qualität.
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Wabenstruktur (Wabenwanddicke etwa 140 µm) Filtergewebe Maschenweite von 200 µm
Feinste Braue auf einem Spritzgussteil
Mikrokanäle in einem Microfluidic Chip
Spezifikation einer OCT- Messanlage:
Pixelgrösse (Laterale Auflösung)
Bildgrösse
Lichtquelle
Anzahl Bildpunkte 300 * 300
Anzahl Bilder pro Stack 500
Anzahl Frames per Second 1’000’000
Kohärenzlänge
8 Mikrometer
10 Mikrometer (Pro Bildpunkt)
2820 * 2920 Mikrometer
830 nm (+/- 10 nm)
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Formbauteile und Volumen gleichzeitig vermessen.
Das OCT-Verfahren erlaubt „Volumenscans“ und erreicht eine Tiefenauflösung (Achse
senkrecht zur Oberfläche) im Submikrometer-Bereich. Es wird eingesetzt zur
Feststellung von „Materialverdünnungen“ beim Umformen von Kunststoffen.
Dickenabweichungen im Submikrometerbereich werden mit dem Verfahren sicherer
festgestellt. Soft- und Hardware sind in der Standardkonfiguration vorhanden und
dienen zur Weiterentwicklung des Systems für die flächenmässige
Schichtdickenmessung und Oberflächenanalyse.
Dicke 2 in µm
Dicke 2
Vorderseite 2
Rückseite 2
Dicke 1
Dicke 1 in µm
Vorderseite 1
Rückseite 1
Die Vermessung der Oberflächengeometrie (Signale der Vorderseite oder der
Rückseite), der Volumen (Differenz der Geometriesignale) oder der Schichtdicke erfolgt
in einem einzigen Messvorgang. Gleichzeitig werden auch Inhomogenitäten im Innern
des verarbeiteten Materials (Materialverdünnung, Partikel, Delamination) festgestellt.
In Bauteilen aus mehrschichtigen Folien, lassen sich mit der OCT- Methode gleichzeitig
Lufteinschlüsse oder Delaminationen in ihrer Tiefenlage lokalisieren. Die zwei OCT
Bilder zeigen eine grosse Delamination (> 1500 in µm, Bild links) in der Tiefe 95 und
Mikrolöcher mit einem Durchmesser von 100 in µm (Bild rechts) in der Tiefe 141.
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OCT Messungen vor dem eloxieren
Bereits in der Interface- Schicht zwischen dem reinen Aluminium und der ersten, sehr
dünnen Oxidschicht, (OCT- Bild 1) lässt sich der Fehler im Substrat lokalisieren. Der
Fehler liegt wenige nm über der reinen Aluminiumoberfläche in der ersten, dünnen
Oxidschicht. Im unteren Teil der Oxidschicht (OCT- Bild 2) wird der Fehler bereits
deutlicher. Er liegt weniger als 1 Mikrometer über der reinen Alu- Oberfläche, wird im
oberen Teil der Barriereschicht (OCT- Bild 3) besser sichtbar und zeigt sich unterhalb
der porösen Eloxal- Schicht am deutlichsten (OCT- Bild 4).
Pore
Barriere Layer
Alu- Substrat
Die OCT-Messungen auf der eloxierten Platte zeigen der Fehlerverlauf in der
Korrosionsschicht, ausgehend von der Substratoberfläche bis zur Aussenseite der
Eloxalschicht. Eine kleine Gefügeveränderung auf dem Träger ist der Ausgangspunkt
des Fehlers, der nach dem eloxieren, also nach erbrachter Arbeit, auf dem Bauteil
zurück bleibt.
Vom Ausgangspunkt auf dem nicht eloxierten Bauteil aus wächst die Störung in der
Eloxalschicht und bleibt als störender Fehler auf dem fertigen Produkt zurück.
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Für den technisch interessierten Leser
Die Lichtlaufzeitmessung – kurz erklärt!
Das Bild der Lichtlaufzeitmessung besteht aus 300 x 300 axialen Interferogrammen die
einander seitlich berühren. Mit dem Verfahren wird die Flugzeit reflektierter oder
gestreuter Photonen von der Objektoberfläche oder von Trennschichten zwischen zwei
Flächen mit der Reflektion eines Referenzstrahls verglichen. Die Interferogramme aus
dem Messarm und aus dem Referenzarm ergeben ein lineares Muster unterschiedlicher
Helligkeit. Die relative optische Wegstrecke wird als axiales Tiefenprofil abgebildet.
Bei der Lichtlaufzeitmessung ist die transversale Auflösung von der Auflösung in z-
Richtung entkoppelt. Die laterale Auflösung im Mikrometerbereich ist durch die Apertur
der Optik bestimmt, die Auflösung in z- Richtung jedoch von der spektralen Breite des
verwendeten Lichts. Aus einem Datensatz ergibt sich ein tiefenabhängiges, flächiges
Interferogram oder - zusammen mit der z- Richtung - ein Tomogram mit höchster
Auflösung.
Auf dem ASP Chip (Active Sensor Pixel) sind 300 x 300 „Interferometer“ aufgebaut.
Jeder Bildpunkt auf dem Chip ist mit einer Optik und mit der Signalvorverarbeitung
ausgerüstet.
OCT- Messkopf mit Missionsrechner
OCT- Tomogramm
OCT- 3D- Vermessung
OCT- Bilderstapel und Einzelbilder
Die Signale die mit der OCT- Kamera aufgenommen sind, werden als flächige Interferogramme
(Bilder links) oder als Tomogramme (Bild rechts) ausgewertet.
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Grundlagen der OCT Messung:
Licht, das eine optisch transparente Schicht durchdringt, erscheint nach der Reflektion
farbig. Das einfallende Licht wird an jeder Grenzfläche reflektiert. Je nach Dicke der
Schicht löschen sich bestimmte Frequenzen aus (Destruktive Interferenz) oder sie
ergänzen sich (Konstruktive Interferenz). Ansicht der optischen Zusammenhänge an
einer dünnen Schicht.
Das Licht wird an der ersten Oberfläche reflektiert und - nach dem Durchlaufen der
Aussenschicht - auch von deren Rückseite. Es erscheinen nahe beieinanderliegende
Signale. Diese Signale lassen sich analytisch exakt unterscheiden.
Schicht 4, 11 µm
Schicht 3, 7,5 µm
Schicht 2, 5,5 µm
Schicht 1, 1,9 µm
Mit interferometrischen Verfahren werden Schichten die nur weniger Nanometer dick
sind, exakt gemessen, auch wenn die Brechungsindices nicht bekannt sind.
Die Vermessung von Bauteilen mit „Licht“ erfolgt mikrometergenau. Licht ist fast eine
Million mal schneller und genauer als Schall. Licht ist robust genug für den industriellen
Einsatz und öffnet neue Wege zur automatisierten Produktion. Das OCT-Verfahren mit
integriertem ASP Array ermöglicht die Vermessung der Bauteilgeometrie, der Dicke
einzelner Schichten in einer Folienkonstruktion, oder die Detektion einer
Haftungsschwäche oder die Charakterisierung der Porosität respektive die Vermessung
einer Oberflächentopografie. Mit der OCT-Technik wird die Wettbewerbsfähigkeit,
verbunden mit moderner Produktionstechnologie, deutlich erhöht.
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Zur Datenerfassung:
Bei der Erfassung der Signale wird ein Stapel von mehreren Bildern mit einer Dynamik
von 10 Mio fps aufgenommen (z.B. 500 Bilder). Der Abstand der Bilder ist durch die
Auslenkung des Referenzspiegels oder durch den Hub des Linearantriebes bestimmt.
Die Standardauflösung in z- Richtung beträgt 100 nm. Linearantriebe mit einer z-
Achsen- Auflösung von 1 nm zur Messung dünnster Schichten können eingesetzt
werden. Die Dickenmessung ist robust und liefert reproduzierbare Daten.
Austauschbare optische Bank
Pro Bild in einem Stack
entstehen 90000 Signale.
Bilderstapel bestehend aus bis
zu 500 Bildern
Einzelereignis
Das patentierte Kameramodul
erfasst 1 Mio fps
\\WDMYCLOUD\Public\Server\flo-ir\Broschüren\Broschüren fertig korrigiert\Risserkennung_Bericht_01_korr_IH.docx
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