Oberflächenmesstechnik: Mehr sehen durch präzises Positionieren

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Das Sichtfeld von Messmaschinen zur optischen Vermessung von Oberflächen ist in der Regel eingeschränkt. Wie Aerotech als Integrator und Spezialist für Positioniertechnik die Anforderungen von Herstellern und Anwendern erfüllt, zeigt dieser Bericht. Von Norbert Ludwig

Die meisten optischen Sensoren zur Vermessung der Oberflächenbeschaffenheit von Objekten haben ein Problem: Sie verfügen lediglich über ein eingeschränktes Sichtfeld. Bei einer Oberflächenvermessung außerhalb dieses eingeschränkten Bereiches muss entweder der Sensor oder das Objekt bewegt und positioniert werden, wobei die Positionierung möglichst keinen Einfluss auf das Messergebnis haben soll. Hohe Anforderungen an die Oberflächenmesstechnik.

Dabei gilt: je höher Sensorauflösung und Genauigkeit, desto präziser muss das Bewegungssystem arbeiten. Neben der Präzision gilt zudem die Automatisierung der Messprozesse als weitere wichtige Anforderung in vielen Anwendungen.

Präzise und kontrolliert positionieren

Oberflächenanalyse integriert sich als Qualitätssicherungsprozess oft unmittelbar in die Produktionskette. Gute Beispiele sind die Inspektion von Wafern in der Halbleiterherstellung oder die Inline-Prüfung von Flachbildschirmen. Die Inprozess-Prüfung mit Objektzuführung, Vermessung und Abtransport zu folgenden Verarbeitungsschritten sichert hier nach fast jedem Prozessschritt die Qualität.

Mit der Steuerung der Bewegungssysteme und der Synchronisation der Sensoren beschäftigt sich die „Disziplin“ Motion Control, dabei geht es um die präzise Positionierung auf der einen und der kontrollierten Steuerung auf der anderen Seite – genau das ist das Metier von Aerotech seit 50 Jahren. Das Unternehmen liefert passgenaue Lösungen unter anderem für die automatisierte Oberflächenmesstechnik. Anwender profitieren beispielsweise von leistungsfähigen Linear- und Rotationstischen sowie von Steuerungen mit positionssynchronem Triggersystemen.

Oberflächenmesstechnik mit nanometergenaue Drehtischen

Eine Besonderheit der neuen ABRX-Drehtische sind die Luftlager zur Minimierung von radialen und axialen Fehlern, die in einem Bereich von weniger als 25 Nanometern liegen. Die Fehler lassen sich dabei in synchrone und asynchrone Fehler unterteilen: Synchron sind jene, die periodisch mit der Achsdrehung auftreten. Werksseitig kann Aerotech diese Abweichungen ausmessen, abspeichern und über eine Z-Achse in axialer Richtung oder X-Achse in radialer Richtung kompensieren. Diese synchronen Messfehler sind also werkseitig korrigiert.

Asynchrone Fehler lassen sich nicht ohne weiteres kompensieren. Aber bereits durch die Kompensation der Synchronfehler lassen sich die radialen und axialen Fehler auf deutlich unter 10 Nanometer drücken. Dadurch eignen sich die neuen Drehtische besonders für Oberflächenvermessungen im Nanometerbereich. Mit luftgelagerten Rotationsachsen sind sie je nach Objektgröße und erwarteter Belastung in drei Durchmessern zu 100, 150 oder 250 Millimetern erhältlich. Sie sind direkt betrieben und erreichen Rotationsgeschwindigkeiten von bis zu 300 rpm.

Integration in Keyence-Messsysteme

Für die Integration dieser präzisen Antriebstechnik in Messsysteme hat Aerotech eine eigene Applikationsgruppe aufgebaut. Bei einem aktuellen Projekt ging es um die Integration eines 3D-Profilometers von Keyence. Die Oberflächenmessung in dem Gerät übernimmt ein Lichtschnittverfahren (Lasertriangulation), das Konturen, Unebenheiten und Rauheiten von Bauteilen mit einer Auflösung von bis zu einem Mikrometer misst.

Das Ganze bringt Keyence in einem kompakten Tischgerät unter, das mit einem manuellen oder optional mit einem schrittmotorbetriebenen XY-Tisch ausgestattet ist. Für die aktuelle Version hat der Hersteller den Messbereich bereits auf 200×100×50 Millimeter vergrößert. Aber auch diese Erweiterung reichte einigen Anwendern, auch wegen der Belastbarkeit des Tisches, noch nicht aus. Keyence fragte an, ob Aerotech eine Lösung anbieten kann – mit erweiterten Verstellwegen, einer größeren Z-Achse und einer Granitbasis mit Tischuntergestell für eine höhere Belastbarkeit.

Die Basis bildet ein Granitsockel, auf dem Aerotech eine Z-Achse mit bis zu 300 Millimetern Verstellweg an einem stabilen Granitportal montiert hat (Titelbild). Ein Adapterwinkel trägt den Messkopf und für die Bauteil-Justage ist zudem ein Kreuztisch auf der Granitbasis montiert. Ein optional von Keyence erhältlicher Schrittmotorcontroller steuert die X- und Y-Achsen an. Der Nutzer kann die Höhe der Z-Achse entweder manuell über ein Handrad oder per Joystick einstellen.

Projektbeispiel 2

Eine weitere Integration hat Aerotech mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop VK-X1000 von Keyence ausgeführt. Auch dieses Laborsystem dient der Höhenprofilierung und Rauheitsmessung, bietet aber durch eine höhere Auflösung Messmöglichkeiten im Submikrometerbereich. Dies führt jedoch zu höheren Anforderungen an das Positioniersystem. Die Aufgabe war aber die gleiche: Verstellwege erweitern und Belastbarkeit erhöhen.

Das Unternehmen Aerotech hat bei solchen Anfragen den Vorteil, dass sich seine Laborsysteme an beliebige Stellwege, Lasten und Achskonfigurationen anpassen lassen. Über einen Z-Achsensensor können die Ingenieure zudem einen Kollisionsschutz implementieren.

Eine wichtige Aufgabe übernimmt in diesem Beispiel Software: Denn das Gesamtbild der gemessen Oberfläche wird über die Aerotech-Software LMA (Laser Microscope Automation) abgebildet. Auch die meisten anderen Funktionen lassen sich über diese Software steuern: das Bewegen und Positionieren der Achsen, der Link zum Keyence-Viewer, ein Teaching-Verfahren für Messpunkte und auch ein Stitching-Verfahren, um die Messergebnisse anschließend aneinanderzusetzen. Auf diese Weise kann Aerotech mit der LMA-Software Messaufgaben voll automatisiert über beliebig große Bauteildimensionen realisieren.

Projektbeispiel 3

Bei einer jüngst vorgenommenen kundenindividuellen Realisation wurde als Sensor ein Laser-Linescanner verwendet. Die Messdaten werden erfasst und über Software mit den CAD-Daten verglichen. Spezielle Prüfmaße lassen sich in der Auswertung direkt visualisieren. Der Anwendungsfall ist bereits vom TÜV abgenommen und gewährleistet damit die Einhaltung aller Maschinenrichtlinien sowie national und international geltender Sicherheitsanforderungen.

Integrator aber kein Hersteller für Oberflächenmesstechnik

Zwar kann Aerotech heute komplette Prüfmaschinen realisieren, aber das Unternehmen hat nicht vor, in den Markt für Messmaschinen für Oberflächenmesstechnik einzusteigen, sondern betreibt dort Integration, wo ein Messtechnikhersteller keine Komplettlösung anbieten kann. Auch sind die Motion-Control-Spezialisten dabei nicht auf einen Messmaschinenhersteller beschränkt.

Diplom-Physiker Norbert Ludwig ist Geschäftsführer der Aerotech GmbH in Fürth.

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