Die Aufrechterhaltung der richtigen Materialstärke ist bei der Präzisionsfertigung von entscheidender Bedeutung. Micro-Epsilon stellt sich dieser Herausforderung und präsentiert die Komplexität und Lösungen für die Inline-Dickenmessung. Entdecken Sie, wie ihre fortschrittlichen Sensoren und Systeme die Genauigkeit und Effizienz von Produktionsprozessen verbessern können.
Bei der Auswahl eines In-Prozess-Systems zur Messung der Dicke von Film-, Platten- oder Blattmaterialien müssen eine Reihe von Herausforderungen berücksichtigt werden, darunter Sensorausrichtung, Linearität und die Auswirkungen thermischer Veränderungen, sagt Glenn Wedgbrow, Business Development Manager bei Micro- Epsilon UK.
Es gibt viele Gründe, warum wir die Dicke messen müssen. Bei allen Materialien gibt es in der Produktion Toleranzen, sodass zu dünne oder zu dicke Materialien später in der Produktionslinie oder beim Endkunden zu Problemen führen können. Dickenänderungen während der Produktion können ein Hinweis auf Verschleiß von Bauteilen sein, beispielsweise in Extrusionsdüsen oder an Walzgerüsten. Überwachungstrends können auf Frühwarnzeichen hinweisen.
Die herkömmliche Methode zur Überprüfung der Dicke besteht oft darin, eine Messprobe zu Beginn des Produktionslaufs und dann noch einmal am Ende zu entnehmen. Aber was geschah in der Mitte? Wenn Sie feststellen, dass das Material außerhalb der Toleranz liegt, ist das eine Menge Ausschuss, den Sie berücksichtigen müssen. Daher können Sie während des Vorgangs weitere Messungen vornehmen. Wenn diese Kontrollen manuell durchgeführt werden, ist häufig ein Stopp der Produktionslinie erforderlich. Die meisten Prozessschwankungen treten in den Start- und Stoppphasen auf, daher ist die Aufrechterhaltung einer Linie im Allgemeinen der Schlüssel zur Verbesserung der Konsistenz. Letztendlich stellt die Überprüfung der Produktdicke während der Produktion sicher, dass der Endkunde die erwartete Produktqualität erhält.
Die Art des Zielmaterials und die verwendeten Produktionsprozesse haben Einfluss darauf, wie die Dicke eines Produkts gemessen werden kann. Manchmal basiert es auf der Einstellung eines Spalts an einer Walze oder der Einstellung von Düsen in einem Extrusionskopf. Es kann eine gegossene und ausgehärtete Flüssigkeit sein, beispielsweise Glas, Gummi oder Metall. Es könnte auch Teil eines sekundären Prozesses sein, bei dem das Grundmaterial bereits hergestellt wird, dann aber mit ähnlichen oder unterschiedlichen Materialien in Form mehrerer Schichten oder sogar gewebter Stränge kombiniert wird, die dann miteinander verbunden werden, wie beispielsweise Kohlefaser.
Betrachten wir nun einige der Herausforderungen bei der Dickenmessung.
Einseitige Messungen
Die vielleicht einfachste Dickenmessung ist eine einseitige Messung gegenüber einer Referenz- oder Bezugsoberfläche. Zunächst wird der Sensor auf der Bezugsfläche auf Null gesetzt und das zu messende Ziel eingeführt. Der Messwert des Sensors wird durch die Materialdicke verändert bzw. verschoben. Bei dieser Methode gibt es eine Reihe von Unsicherheiten. Wenn sich die Referenz oder der Bezugspunkt nach dem Mastern verschiebt, ist der Messwert falsch. Wenn das Ziel nicht richtig auf der Bezugsfläche sitzt, wird auch der Luftspalt in die Messung einbezogen. Das gleiche Problem kann auch bei geneigten Zielen auftreten.
Wenn wir ein Ziel nur von einer Seite betrachten dürfen, müssen wir überlegen, ob wir Technologien kombinieren können, um genaue Messungen zu ermöglichen. Wenn wir eine Mischung verschiedener Materialarten haben, können wir diese unterschiedlichen Materialeigenschaften zu unserem Vorteil nutzen. Beispielsweise kann ein Wirbelstromsensor in Kombination mit einem Lasertriangulationssensor verwendet werden, um die Dicke der besprühten Haut zu messen. Der Wirbelstromsensor misst den Abstand zur vernickelten Spritzform und verfügt in der Mitte über eine Öffnung, durch die der Lasersensor den Abstand zum Spritzteil misst. Wirbelstromsensoren messen nur gegen metallische Ziele und sehen daher direkt durch die nichtmetallische Spritzschicht hindurch. Der Einsatz einer Luftspule in Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon macht diese Kombination möglich, da der Lasersensor durch den Wirbelstromsensor auf den gleichen Messpunkt blicken kann. Durch Subtrahieren beider Signale wird die Dicke der aufgetragenen Sprühhaut gemessen.
Eine weitere häufig verwendete Sensorkombination wird mit Wirbelstrom- und kapazitiven Sensoren für nichtmetallische Materialien erreicht, die über eine Walze laufen. Die Bewegung der Metallwalze wird vom Wirbelstromsensor erfasst und der kapazitive Sensor misst die Material- oder Beschichtungsdicke.
Einseitige Messungen – Sonderfall
Wenn das Ziel transparent ist, ist eine absolute Messung der Materialdicke von einer Seite mit nur einem Sensor mit Interferometer oder Konfokal möglich Technologie.
Durch die Lichtbrechung entstehen „Kanten“ oder Rücksignale, die den Übergang zwischen Luft und Material anzeigen. Die Kenntnis des Brechungsindex eines Materials ermöglicht die genaue Messung der Materialdicke, sofern diese innerhalb des Mess- oder Arbeitsbereichs des Sensors bleibt.
Von beiden Seiten messen
Wenn eine einseitige Messung nicht geeignet ist oder die Herausforderungen nicht gemeistert werden können, möchten Kunden in vielen Fällen die tatsächliche Materialdicke durch Messung des Materials im „freien Raum“ ermitteln, was erfordert, dass auf beiden Seiten des Materials Platz vorhanden ist, damit eine Messung erfolgen kann kann von beiden Oberflächen entnommen werden.
Wenn Sie über diese Konstellation nachdenken, gibt es eine Reihe von Herausforderungen, die berücksichtigt und entweder bewältigt oder akzeptiert werden müssen.
Sensorausrichtung
Die Sensoren müssen so positioniert werden, dass die Messpunkte „über“ den gesamten Messbereich des Sensors zusammenfallen. Es darf kein Versatz, keine Neigung oder Neigung der Sensoren zum Messobjekt auftreten. Bei einem Sensorversatz von 1 mm und einer Neigung von 2° beträgt der effektive Fehler beispielsweise 35 µm und bei 10 mm Zieldicke steigt er auf 41 µm.
Insbesondere bei Lasertriangulationssensoren sollte die Lage des Strahlflecks zum Sensorgehäuse beachtet werden. Es ist nicht davon auszugehen, dass zwei scheinbar identische Sensoren den Punkt an der gleichen Stelle positionieren. Standard-Sensorgehäuse sind für präzise Dickenmessungen normalerweise nicht präzise genug, es sei denn, es wird Zeit für die korrekte Ausrichtung benötigt. Um Kunden bei der Erstellung ihrer eigenen Dickeneinstellungen zu unterstützen, verwendet der ILD1900-Sensor von Micro-Epsilon eine innovative Hülsenmontageanordnung, um den Punktabstand von Gehäuse zu Gehäuse zu verkleinern.
Wenn Sie zwei Sensoren haben, die auf dasselbe Ziel blicken, müssen Sie berücksichtigen, dass jeder Sensor seine eigene Zykluszeit hat. Wenn Ihr Ziel im Spalt zwischen den Sensoren vibriert oder sich bewegt, kann es sehr leicht zu einem Fehler kommen. Stellen Sie sich ein Ziel vor, das mit 1 Hz (mal pro Sekunde) um 20 mm auf und ab schwingt. Ein Unterschied in der Erfassungszeit von 1 ms zwischen Ihren Sensoren würde einem Fehler von 125 µm entsprechen.
Positionierung der Sensoren/Messbereich
Die nächste Herausforderung ist die relative Position der Sensoren und deren Messbereiche.
Je nach Anordnung der Sensoren muss die Position der Zielkanten innerhalb des Messfeldes bleiben. Wenn die Sensoren so eingestellt sind, dass sich die Messzonen nicht überlappen, kann es vorkommen, dass ein Sensor das Ziel nicht erkennt. Auch die „Start“- und „Stopp“-Bedingungen des Prozesses sollten berücksichtigt werden. Wird beispielsweise das Material jederzeit unter Spannung gehalten? Geschwindigkeitsänderungen in der Leitung können eine Aufwärts- oder Abwärtsbewegung bewirken. Ist das Setup in der Lage, diese Ereignisse bei Bedarf zu erfassen? Idealerweise sollten sich die Sensorbereiche überlappen und den gesamten Bereich der Materialbewegung abdecken oder zumindest die Bewegung steuern.
Linearität
Die Genauigkeit eines Sensors wird oft als seine Linearität bezeichnet. Der Linearitätswert beschreibt die Abweichung von der idealen, geraden Kennlinie. Jeder Messsensor hat seine eigene Messunsicherheit oder Nichtlinearität. Das bedeutet, dass an jedem Punkt im Messbereich der tatsächliche Messwert eines Sensors um einen Prozentsatz seines Messbereichs variieren kann. Die Verwendung von nur zwei Sensoren ohne zusätzliche Verarbeitung bedeutet also, dass die Unsicherheiten beider Sensoren im Hinblick auf die zu erreichende Genauigkeit berücksichtigt werden müssen. Ohne Anpassung kann beispielsweise das bloße Verschieben eines Ziels um 200 Mikrometer nach oben oder unten zu Fehlern von 8 Mikrometern führen. Auch die Position innerhalb des Bereichs kann den wahren Wert beeinflussen. Um dieses Problem zu lösen, müssen die Sensoren als Ganzes gemeinsam kalibriert werden.
Auswirkungen thermischer Veränderungen
Selbst wenn die Sensoren ausgerichtet und synchronisiert sind, gibt es noch eine weitere Herausforderung, die sich auf alles auswirken kann – thermische Veränderungen. Bei der Messung einer Zieldicke im freien Raum ist der Abstand zwischen Sensor und gegenüberliegendem Sensor entscheidend, da dieser die Konstante ist, die der Differenzmessung zugrunde liegt. Nimmt man einen mechanischen Rahmen mit einem Paar Sensoren und zyklisch die Temperatur, zeigt sich, dass die effektive Änderung bei nur einer 5°C-Schwankung bis zu 20 Mikrometer beträgt.
Systemfähigkeit
Die letzte Herausforderung besteht – wenn die vorherigen überwunden oder die damit verbundenen Fehler akzeptiert wurden – im Nachweis der Fähigkeit. Wie genau überprüfen oder bestätigen Sie die Leistung Ihrer Lösung? Dabei sind zwei Faktoren zu berücksichtigen: die Systemwiederholbarkeit, also wie viel Variabilität im Messsystem durch das Messgerät verursacht wird, und Reproduzierbarkeit – wie viel Variabilität durch verschiedene Bediener verursacht wird.
Für weitere Informationen besuchen Sie bitte www.micro-epsilon.co.uk oder rufen Sie die Vertriebsabteilung von Micro-Epsilon unter +44 (0)151 355 6070 an oder senden Sie eine E-Mail an info@micro-epsilon.co.uk.