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Messtechnik

Ein Überblick



Die Lasermesstechnik hat am Laserinstitut der Hochschule Mittweida eine fast 30jährige Tradition. Waren es am Anfang allein Untersuchungen zur laserinduzierten Zerstörschwelle von optischen Bauelementen für das damalige Kombinat Carl Zeiss Jena bzw. das Institut für Optik und Spektroskopie, so sind in den später Jahren ortsaufgelöste Absorptionsmessverfahren, die Laserkalorimetrie und in jüngster Vergangenheit Verfahren zur 3D-Messung an technologischen Oberflächen hinzugekommen. Im Rahmen mehrerer Projekte, gefördert durch das BMFT / BMFB und die Europäische Union (EUREKA), wurden Beiträge zur Normung der Messverfahren zur Bestimmung der laserinduzierten Zerstörschwelle sowie zur Bestimmung des Absorptionsgrades optischer Bauelemente geleistet. Heute liegen die Schwerpunkte bei der Erarbeitung praxisnaher 3D-Messverfahren zur Unterstützung der Qualitätssicherung. Projekte dazu wurden von der AIF bzw. werden von der Sächsischen Aufbaubank (SAB) gefördert.


Messung der laserinduzierten Zerstörschwelle

Die rasante Entwicklung der Lasertechnik für den industriellen Einsatz in den 80er und 90er Jahren im Zusammenspiel mit der unentbehrlichen Zuverlässigkeit und Sicherheit erforderten standardisierte Messmethoden hinsichtlich der Laserstrahlresistenz der optischen Bauelemente. Im Rahmen des EUREKA-Verbund-projektes CHOCLAB wurde hierzu Grundlagenuntersuchungen durchgeführt und an mehreren internationalen Round-Robin-Experimenten teilgenommen. Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen dieses Verbundprojektes finden sich im Normenvorschlag zu Messmethoden für die laserinduzierten Zerstörschwelle optischer Oberflächen ISO/DIS 11 254 in 3 Teilen wieder.
Diese drei Teile sind notwendig, um die spezifischen Probleme bei unterschiedlichen Bestrahlungsregimes berücksichtigen zu können.
In Mittweida wurden entsprechende Messapparaturen für 10,6 µm, 1064 nm und die Wellenlängen des Excimerlasers geschaffen, die eine normgerechte Messung erlauben. Darüber hinaus können kleinerer Bestrahlfleckdurchmesser bis 20 µm an Stelle der in der Norm bevorzugten 800 µm bei den Messungen genutzt werden. Das ist vorteilhaft, da meist nur eine Probe zum Zerstörungstest herangezogen werden muss.
So wurden Messungen an unterschiedlichen Polarisatoren bei 1064 nm, Pulslängen von ca. 12 ns und einem Einfallswinkel von 45 - 50° mit dem Ziel durchgeführt, die Bauart mit der prinzipiell höchsten Laserfestigkeit für die zwei Polarisationszustände zu finden.


Bestimmung des Absorptionsgrades

Abb.1: Absorptionsgrad von CaF2 bei 193 nm in Abhängigkeit von der Energiedichte, der Pulswiederholfrequenz und der Dicke

Ein wichtiger Punkt im EUREKA-Projekt CHOCLAB war die Verifizierung der ISO 11 551 zur Bestimmung des Absorptionsgrades. Hierzu waren Laserkalorimetriemessplätze aufzubauen, die bei allen industrierelevanten Wellenlängen die Messung des Absorptionsgrades an ausgewählten Bauelementen ermöglichten. Die theoretischen Arbeiten und die Round-Robin-Experimente in diesem Verbundprojekt ergaben die Notwendigkeit der Revision der zu diesem Zeitpunkt schon verbindlichen Norm. Dieser Prozess ist z. Z. aber noch nicht vollständig abgeschlossen.
Die Laserkalorimetrie ist ein absolutes Messverfahren mit dem eine Empfindlichkeit von weniger als 1 ppm erreicht werden kann. Nachteilig ist die geringe Ortsauflösung bei Untersuchungen der Homogenität von optischen Schichten. In Mittweida wird deshalb auch die Absorptionsmessung nach dem Prinzip der "photothermal deflection spectroscopy" mit einer Empfindlichkeit von 1 ppm bei einer Ortsauflösung von 20 µm gepflegt. Dieses Messverfahren liefert keine Absolutwerte, macht aber örtliche Schwankungen oder punktuelle Inhomogenitäten erkennbar. Damit verbunden ist eine bessere Möglichkeit der Zuordnung von absorbierenden Defekten als Ursache von laserinduzierten Zerstörungen.


3D-Erfassung von technologischen Oberflächen

Die Umsetzung von Qualitätssicherungsmaßnahmen führt zu einem immer größer werdenden Bedarf an geeigneten Messmitteln. Die Randbedingungen sind meist so vielfältig, dass universelle Lösungen nicht vorhanden, zu expansiv bzw. industriell nicht effizient einsetzbar sind. Hier werden Punktlösungen für die konkreten Probleme benötigt.
Ein Teil der Qualitätskontrolle im produzierenden Bereich umfasst die Maßhaltigkeit der hergestellten Werkstücke. Bei komplizierten dreidimensionalen Formen ist eine Vermessung mehrerer Merkmale nur mit einem großen Zeitaufwand möglich. In der Normteileproduktion können in diesem Fall nur relativ wenige Teile als Stichproben erfasst werden. Hier wird in Zukunft ein sehr großer Bedarf an automatisierten und intelligenten Messmitteln erwartet.
Am LaserInstitut werden zur Zeit in Zusammenarbeit mit Firmen unternehmensspezifische Lösungen für die 3D-Erfassung von Drehteilen, Blech-, Kunststoff- und hochglänzenden Oberflächen mittels Lasertriangulation erarbeit. Es wurden umfangreiche Fallstudien durchgeführt, um eine optimale Messstrategie für die interessierenden Oberflächengeometrien und Werkstoffe zu finden. Im Ergebnis wurde ein einfaches Messsystem für rotationssymmetrische bzw. kreisringförmige Bauteile aufgebaut, das in alle drei Koordinatenrichtungen eine Genauigkeit von weniger als 0,01 mm aufweist. Es können Zylinderlöcher bis ca. 100 µm Durchmesser erfasst werden.



Kontakt: Prof. Dr. rer. nat. B. Steiger

 
 
Erstellt: 07.02.2012 16:48 | Letzte Änderung: 27.09.2001 14:16 | Autor: B. Steiger
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