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Laserprofilsensoren messen mehrdimensional, schnell, genau und in Echtzeit : Ausgabe 09/2017, 23.05.2017

Höchste Präzision bis ins kleinste Detail

Der Trend der Miniaturisierung hält an – auch im Maschinen- und Anlagenbau. Daher müssen auch die verbauten Komponenten kleiner werden, wie die Laserprofilscanner der Produktfamilie scanCONTROL. Ihre kompakte Baugrösse kombiniert mit hoher Auflösung bei kleiner Laserlinie machen neue Dimensionen in der Qualitätskontrolle möglich.

Autor: Dipl.-Ing. Christian Kämmerer, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Bilder: Micro-Epsilon

Gemäss Hersteller zählen Laserscanner der Produktfamilie scanCONTROL zu den leistungsfähigsten Profilsensoren weltweit im Hinblick auf Baugrösse, Genauigkeit und Messrate. Ihre Arbeitsweise basiert auf dem Triangulationsprinzip zur zweidimensionalen Profilerfassung. Sie erfassen, messen und bewerten Profile auf unterschiedlichsten Objekt­oberflächen. Auf dem Messobjekt wird, durch Aufweitung über eine Spezialoptik, statt eines Punktes eine statische Laserlinie abgebildet. Das Licht der Laserlinie, das nun diffus reflektiert wird, erfasst eine Empfangsoptik, die es auf einer hochempfindlichen Sensormatrix abbildet. Der im Sensor integrierte Controller berechnet aus diesem Matrixbild neben den Abstandsinformationen (z-Achse) auch die Position entlang der Laserlinie (x-Achse). Diese Messwerte werden dann in einem sensorfesten, zweidimensionalen Koordinatensystem ausgegeben. Bei bewegten Objekten oder bei Traversierung des Sensors können somit auch 3D-Messwerte ermittelt werden.

Compact-, Highspeed-, Smart- und GAP-Klasse

Laserprofilscanner sind in verschiedenen Klassen erhältlich. Die Modelle der Compact-Klasse werden zur Übermittlung kalibrierter Profile für die externe Datenaufbereitung, z. B. auf einem PC, eingesetzt. Sie eignen sich für statische und dynamische Messaufgaben. Scanner der Klasse Highspeed mit einer Profilfrequenz von bis zu 4000 Hz eignen sich für fortgeschrittene Hochgeschwindigkeits- und 3D-Anwendungen. Modelle der Smart-Klasse bieten eine Plug-and-Play-Lösung für einfache bis komplexe Messaufgaben und kommen ohne externen Controller oder PC aus. Und die Modelle der GAP-Klasse bieten eine Plug-and-Play-Lösung speziell für die Spaltmessung. Mit der gapCONTROL-Setup-Software werden alle erforderlichen Einstellungen für die verschiedenen Spalttypen vorgenommen und auf den Sensor gespeichert.

Einen neuen Massstab in der Profilauflösung will der scanCONTROL 29xx-10/BL setzen. Dieser Laserprofilscanner ist mit der Blue-Laser-Technologie ausgestattet und verfügt über einen effektiven Messbereich von nur 10 mm bei einer Profilauflösung von 1280 Punkten. Daraus ergibt sich ein Punktabstand von nur 7,8 µm, wodurch dieser Laserprofilscanner mehr als doppelt so hoch auflöst, wie die bisherigen Laserscanner mit 25 mm Messbereich. Die eingesetzte blaue Laserlinie lässt sich zudem wesentlich schärfer abbilden, als es mit einer roten möglich wäre. Das Licht dringt nicht in das Messobjekt ein und weist somit eine deutlich bessere Stabilität auf. Dadurch können glühende, aber auch organische Objekte zuverlässiger vermessen werden. Durch diese besonderen Eigenschaften ist dieser Laserscanner in der Lage, kleinste Teile mit höchster Präzision zu erfassen.

Absolute Zuverlässigkeit und Kontrolle bei feinen Konturen

Anwendung findet der Laserprofilscanner überall dort, wo höchste Präzision und Auflösung gefragt sind, wie in der Feinmechanik, im Elektronikbereich, in der Medizin und der Fertigung von Präzisionsteilen. Wenn beispielsweise Elektronikbauteile auf Lagetoleranzen geprüft werden, Rasierklingen auf ihre Position zueinander oder Laserschweissnähte auf Vollständigkeit, spielt das neue Modell seine Stärken aus. Die komplette Elektronik ist im kompakten Sensorgehäuse untergebracht. Darin erfolgt die gesamte Signalaufbereitung und -verarbeitung, wodurch kein externer Controller benötigt wird.

Beispielsweise ist bei modernen technischen Geräten, wie Handys oder Laptops, absolute Präzision gefordert. So ist eine zuverlässige Qualitätskontrolle erforderlich, die die einzelnen Produktionsschritte überwacht. Dazu wird der Laserprofilscanner eingesetzt, der für die Vermessung winziger Objekte konzipiert ist. Eine typische Anwendung ist die Prüfung von Kleberaupen in Smartphonegehäusen. Die Herausforderung sind die besonders feinen Konturen im Inneren des Smartphones und nur sehr dünne, teilweise semitransparente Kleberaupen. Hier ist absolute Zuverlässigkeit und eine 100-%-Kontrolle, unter anderem auf Vollständigkeit der Raupe oder auf Höhe und Breite des Klebeauftrags, gefragt. Dies gilt auch für Logos von Tablets oder Laptops: In die Aluminiumgehäuse werden Nuten eingefräst, in die anschliessend die Logoelemente eingeklebt werden. Diese müssen bündig zum Gehäuse sein. Die Haptik ist entscheidend, denn der Kunde würde das abstehende Logo oder die hervorstehende Vertiefung sofort fühlen. Mittels Laserlinienscannern misst man diese Vertiefungen, um damit die Ebenheit und auch die Tiefe festzustellen. Die Teile, die eingeklebt werden, vermisst man ebenfalls, um eine perfekte Passung zu realisieren.

Genauigkeit als Lebensversicherung

Um Perfektion geht es auch ganz besonders im medizinischen Bereich. So ist nicht nur bei der Montage von Insulinpens eine 100-%-Kontrolle notwendig: Sind Pens nicht richtig eingerastet, würde die Insulinmenge nicht richtig dosiert, was zu einem lebensbedrohlichen Unter- oder Überzucker führen kann. Daher muss bei der Fertigung der Insulinpens geprüft werden, ob die beiden Teile, aus denen die Pens bestehen, richtig eingerastet sind. Das stellt für herkömmliche Messsysteme eine grosse Herausforderung dar, denn neben der hohen Taktzahl sind die zur Messung verfügbaren Spalte sehr klein und der Unterschied zwischen eingerastet und nicht eingerastet beträgt nur etwa 50 µm. Für diese anspruchsvolle Überwachungsaufgabe werden Laserprofilsensoren mit blauer Laserlinie erfolgreich eingesetzt. Durch die extrem hohe Auflösung kann der Verschlussspalt sicher detektiert werden.

In Deutschland erhalten rund 80 000 Patienten pro Jahr einen Herzschrittmacher. Die kleinen elektrischen Taktgeber helfen, wenn die natürlichen Rhythmusgeber des Herzens nicht mehr richtig arbeiten, sie normalisieren den Alltag für Patienten und steigern die Leistungs- und Belastungsfähigkeit. Die Geräte an sich sind gerade einmal so gross wie eine Zweieuromünze. Wesentlich kleiner sind die Schweissnähte, mit denen unter anderem die Gehäusehälften der Schrittmacher verbunden werden. Auf diesen Nähten befinden sich winzige Poren mit Abmessungen von nur 40 µm. Genau diese müssen geometrisch überprüft werden, um Undichtigkeiten zu erkennen, die die Funktionsfähigkeit der Geräte beeinträchtigen. Erhebungen der Schweissnaht könnten im Extremfall zu Mikroverletzungen führen. Hier kommen ebenfalls Laserprofilscanner von Micro-Epsilon zum Einsatz.

Weitere Anwendungsbereiche aus der Medizintechnik sind die Herstellung von Nadeln, bei denen es auf den exakten Spitzenwinkel ankommt, die Spaltmessung an Prothesen und Implantaten oder auch die Messung des Klingenwinkels und der Schneidenlänge bei medizinischen Klingen.

Präzise Messungen sind der Garant für Qualität

Auch bei modernen Rasierern ist Genauigkeit das A und O. Hier zielt man auf ein optimales Rasierergebnis, auf glatte Haut, Vermeidung von Irritationen und perfekten Anwendungskomfort ab. Bei der Fertigung von Mehrklingenrasierern ist es daher wichtig, den idealen Winkel der drei oder fünf einzelnen Klingen in Relation zum Kopf zu schaffen. Denn dieser ist massgeblich entscheidend für das Endergebnis. Des Weiteren gilt es sicherzustellen, dass alle Klingenspitzen in einer Flucht liegen und keine der Klingen hervorsteht. Die besondere Herausforderung bei dieser Messaufgabe besteht in der geringen Grösse der Messobjekte, also der Klingenspitzen, die lediglich eine geringe Referenzfläche für die Winkelmessung zulassen. Nur 1 mm der Breite ist überhaupt pro Klinge sichtbar. Die Klingenspitze beträgt weniger als 150 µm. Eine winzig kleine Fläche also, auf der die Messungen in der Fertigungsüberwachung erfolgen müssen.

In automatisierten Abläufen ist eine präzise Messung von grosser Bedeutung. Laserprofilsensoren können mehrdimensional vermessen, sind in der Messpunktaufnahme sehr schnell und Messdaten stehen in der Regel in Echtzeit in sehr hoher Genauigkeit zur Verfügung. Dies gestattet eine automatische Korrektur und Regelung und Qualitätssicherung in laufenden Prozessen. 

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Fertigungsüberwachung bei Smartphones, Laptops oder Tablets


scanCONTROL 29xx-10/BL eignet sich für präzise Messungen auf winzigen Objekten

Micro-Epsilon im swissT.net

Sektion 10: Sensoren