Die Oberflächenmesstechnik spielt bei der Qualitätskontrolle eine wichtige Rolle. Typische Anwendungen sind die Inspektion von Leiterplatten oder die Überprüfung der Ebenheit von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Wann immer die Geometrie, Form oder Oberflächen matter Objekte überprüft werden sollen, sind 3D-Snapshot-Sensoren eine gute Wahl. Deshalb hat ein Hersteller sein Portfolio für die 3D-Oberflächeninspektion ausgebaut.

Die Vermessung von Oberflächen lässt sich mit verschiedenen Messprinzipien realisieren. Micro-Epsilon setzt bei seinen Lösungen generell auf berührungslose Messtechnik mit optischen Methoden. Bei den verschiedenen Sensoren der Serie Surfacecontrol kommt die Triangulation zum Einsatz, bei der über eine Dreiecks-Geometrie der Abstand zwischen Sensor und jedem Punkt der Oberfläche vermessen wird.

Die 3D-Snapshot-Sensoren der Reihe Surfacecontrol eignen sich für die Geometrie-, Form- und Oberflächenprüfung matter Objekte. Die Sensoren der neuesten Generation bieten eine Z-Wiederholpräzision von 0,25 µm bei einer XY-Auflösung bis zu 8 µm. Dadurch können auch feine Details auf Oberflächen erfasst und hochauflösende Messungen durchgeführt werden.
 

Optische Triangulation mit Streifenlichtprojektion

Dazu projiziert ein sogenannter Matrixprojektor im Sensor ein Streifenmuster auf die Oberfläche. Zwei Kameras, die im gleichen Sensorgehäuse untergebracht sind, nehmen das diffus reflektierte Licht dieses Streifenmusters auf. Die integrierte Signalverarbeitung ermittelt dann mit trigonometrischen Berechnungen den Abstand zum Sensor für jeden Punkt der Oberfläche. Das Verfahren ist für alle diffus reflektierenden Oberflächen geeignet.

Gegenüber taktilen Messmethoden hat die optische Triangulation mit Streifenlichtprojektion entscheidende Vorteile. So ist zum Beispiel die Berührung der Oberfläche durch einen Taster nicht notwendig, was vor allem bei empfindlichen Oberflächen eine Rolle spielt. Zudem kann in kurzer Zeit ein Abbild der gesamten Oberfläche mit hoher Auflösung erstellt werden.
 

Präzise Messergebnisse

Micro-Epsilon hat sein Portfolio zur 3D-Oberflächeninspektion um zwei Messbereiche erweitert. Bei dem Surfacecontrol SC3XX0-240 handelt es sich um einen schnellen 3D-Snapshot-Sensor. Das Bauteil, welches vermessen werden soll, muss während der Messung nicht bewegt werden. Je nach Abstand zwischen Sensor und Bauteil, der zwischen 340 mm und 540 mm betragen darf, kann eine Gesamtfläche von bis zu 245 x 180 mm erfasst werden. Die Präzision, mit der Oberflächenstrukturen vermessen werden können, ist in Z-Richtung mit 4 µm sehr hoch, die Wiederholgenauigkeit liegt bei 1,4 µm. Die Aufnahmezeit beträgt je nach Anwendung zwischen 0,2 und 0,4 Sekunden. Damit lassen sich Inline-Qualitätskontrollen auch bei hohen Taktraten durchführen.

Ähnliche Eigenschaften in Bezug auf Genauigkeit und Auflösung hat der Surfacecontrol SC35X0-30, der für kleinere Objekte mit einer maximalen Abmessung von 31 mm x 19,5 mm geeignet ist. Der Arbeitsabstand zwischen Sensor und Objekt beträgt hier 130 mm. Der Sensor bietet neben einer Auflösung von 0,7 µm in Z-Richtung auch eine präzise horizontale Messung mit einer Auflösung von 8 µm. Beide Varianten sind in einem stabilen Aluminiumgehäuse integriert, das die hohe Schutzart IP67 erfüllt. Damit lassen sich die Sensoren der Surfacecontrol-Reihe auch in rauen Produktionsumgebungen einsetzen.
 

Für Inline-Qualitätssicherung geeignet

Bei der Integration in ein System zur Qualitätssicherung hat der Anwender oder Systemintegrator zwei Möglichkeiten:

Die Daten können in Form einer 3D-Punktewolke komplett ausgegeben werden. Für die schnelle Datenausgabe steht eine Gigabit-Ethernet-Schnittstelle zur Verfügung. Damit lassen sich die Daten zur Auswertung in eine 3D-Bildauswertesoftware übertragen. Alternativ stehen auch SDKs zur Verfügung, um selbst eine Software zu entwickeln oder die Funktionalitäten in eine bereits vorhandene Software zu integrieren.

Eine einfachere Integration ergibt sich mit der Verwendung der Software 3Dinspect, die Micro-Epsilon speziell an die Anforderungen der typischen Anwendungen angepasst hat. Über ein übersichtlich gestaltetes GUI kann die Parametrierung ohne Programmierkenntnisse erfolgen. In der Software gibt es zahlreiche vorgefertigte Messprogramme, die zur Erkennung und Auswertung verschiedenster Eigenschaften der Oberfläche dienen. Die genaue Messaufgabe kann der Anwender dann mit wenigen Klicks parametrieren. So lassen sich zum Beispiel Extrempunkte, Vertiefungen, rechteckige und runde Löcher oder Kanten erkennen. Das Messprogramm wertet jede Aufnahme automatisiert aus, die Ausgabe erfolgt über die integrierten Ausgänge des Sensors. Auch ein Vergleich mit einer vorgegebenen Geometrie ist möglich, das Ergebnis ist dann ein IO / NIO-Signal. Auf diese Weise lässt sich ein Surfacecontrol-Sensor gut in eine Inline-Qualitätssicherung integrieren.
 

Typische Anwendungsbeispiele

Der 3D-Sensor SC3XX0-240 kann in verschiedenen Anwendungen die Ebenheit von Oberflächen überprüfen. Durch die hohe Auflösung ist der Sensor auch für Bauteile geeignet, bei der hohe Anforderungen in Bezug auf die Ebenheit gestellt werden. Ein Beispiel hierfür sind Bipolarplatten, die in Brennstoffzellen benötigt werden. Dichtflächen von Ventilen, Bremsbeläge oder Smartphone-Gehäusen, in denen Defekte erkannt werden müssen, sind weitere Bereiche, deren Qualität durch den Einsatz des Surfacecontrol verifiziert werden kann.

Auch in der Elektronikfertigung spielt die Oberflächeninspektion eine wichtige Rolle. So werden Leiterplatten in vielen Fällen einer Qualitätskontrolle unterzogen, um sicherzustellen, dass die Qualität der Leiterbahnen, Lötstellen oder Oberflächenbeschichtungen den Vorgaben entspricht. Fehler, wie Kurzschlüsse, Unterbrechungen oder fehlerhafte Lötverbindungen können so erkannt werden. Gerade bei der Überprüfung kleiner Strukturen auf bestückten Elektronik-Baugruppen kommt der SC35X0-30 zum Einsatz. Mit ihm lassen sich beispielsweise die richtige Platzierung von winzigen SMD-Bauteilen auf der Leiterplatte kontrollieren. Hierbei ist neben der Höhenmessung in Z-Richtung auch die horizontale Genauigkeit der Messung entscheidend.

Autor
Thomas Penski, Produktmanager 3D-Sensorik