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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Schichtdicken,
insbesondere zur Messung von Schichtdicken eines Bauteils während oder
nach einem Beschichtungsvorgang, mit mindestens einem ersten und
einem zweiten Weglängenmessgerät, wobei
mittels des ersten Weglängenmessgerätes eine
erste Weglänge
zu einer Oberfläche
einer auf das Bauteil aufzutragenden Schicht und mittels des zweiten
Weglängenmessgerätes eine
zweite Weglänge
zu einer unbeschichteten Oberfläche
des Bauteils kontinuierlich oder zu vordefinierten Zeitpunkten gemessen
wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Messen
von Schichtdicken, insbesondere zur Messung von Schichtdicken eines
Bauteils während
oder nach einem Beschichtungsvorgang, wobei mittels eines ersten
Weglängenmessgerätes eine
erste Weglänge
zu einer Oberfläche
einer auf das Bauteil aufzutragenden Schicht und mittels eines zweiten
Weglängenmessgerätes eine
zweite Weglänge
zu einer unbeschichteten Oberfläche
des Bauteils kontinuierlich oder zu vordefinierten Zeitpunkten gemessen
wird.
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Bei
der Beschichtung von Bauteilen, insbesondere mittels thermischer
Beschichtungsverfahren wie Flammspritzen, Plasmaspritzen, etc. wird
in der Praxis die Dicke der aufgetragenen Schicht nach Beendigung
des Beschichtungsverfahrens ermittelt. Dabei wird die Schichtdickenverteilung
und das Schichtgefüge
derartiger Schichten durch eine Schliffanalyse einer Prozesskontrollprobe
ermittelt. Nachteilig dabei ist, dass die Schichtdicke immer nur
an der genannten Prozesskontrollprobe und nicht an dem eigentlichen
Bauteil ermittelt wird. Dies führt
zu Ungenauigkeiten bei der Schichtdickenbestimmung. Wird zudem festgestellt,
dass zum Beispiel die Schichtdicke zu niedrig ist, so muss die entsprechende
Schicht nachgespritzt werden. Bei manchen Anwendungen ist dies nicht
möglich,
so dass die komplette Beschichtung wieder von dem Bauteil entfernt
und neu aufgetragen werden muss. Diese Verfahren sind natürlich aufwändig und
teuer und stellen zudem eine Verlängerung der Herstellungsdauer
der beschichteten Bauteile dar.
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Um
diese Nachteile zu überwinden,
schlägt die
DE 44 25 187 A1 eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Schichtdicken der eingangs
genannten Art vor. Dabei wird die Schichtdicke bzw. die Schichtdickenverteilung
unmittelbar während
oder nach der Beschichtung direkt am Bauteil gemessen. Hierzu werden
zwei Weglängenmessgeräte verwendet,
die mittels Lasertriangulation einerseits den sich verringernden
Abstand zwischen der Oberfläche
der aufgetragenen Schicht und einem ersten Weglängenmessgerät misst. Andererseits wird
mit einem zweiten Weglängenmessgerät der Abstand
dieses Geräts
zu einer unbeschichteten Referenzfläche des Bauteils ermittelt.
Dadurch können
Messungenauigkeiten, die zum Beispiel durch Ausdehnung des Bauteils
durch die Beschichtungswärme
verursacht werden, berücksichtigt
werden. Bei der Referenzfläche kann
es sich zum Beispiel um die unbeschichtete Rückseite des Bauteils handeln.
Durch die bekannte Vorrichtung und das entsprechende bekannte Verfahren
ist es möglich,
die Dicke der Spritzschicht mit einer Genauigkeit im μm-Bereich
zu vermessen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art bereitzustellen, die zu einer weiteren Verbesserung
der Messgenauigkeit gegenüber
den bekannten Vorrichtungen führt.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein eingangs genanntes
Verfahren bereitzustellen, dass gegenüber den bekannten Messverfahren
eine erhöhte
Messgenauigkeit aufweist.
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Gelöst werden
diese Aufgaben durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des
Anspruchs 9.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Messen von Schichtdicken, insbesondere zur Messung von Schichtdicken
eines Bauteils während
oder nach einem Beschichtungsvorgang weist mindestes ein erstes
und ein zweites Weglängenmessgerät auf, wobei
mittels des ersten Weglängenmessgeräts eine erste
Weglänge
(a) zu einer Oberfläche
einer auf das Bauteil aufzutragenden Schicht und mittels des zweiten
Weglängenmessgeräts eine
zweite Weglänge
(b) zu einer unbeschichteten Oberfläche des Bauteils kontinuierlich
oder zu vordefinierten Zeitpunkten gemessen wird. Erfindungsgemäß umfasst
die Vorrichtung mindestens ein drittes Weglängenmessgerät zur Messung und Überwachung
der Position des ersten Weglängenmessgeräts relativ
zum Bauteil, wobei mittels des dritten Weglängenmessgeräts eine dritte Weglänge (c)
zur Bestimmung der Position des Bauteils kontinuierlich oder zu
vordefinierten Zeitpunkten gemessen wird. Damit kann mit sehr großer Genauigkeit
festgestellt werden, wo das erste Weglängenmessgerät gerade misst. Insbesondere
bei rotationssymmetrisch ausgebildeten Bauteilen kann es zu entsprechenden
Bewegungen des Bauteils relativ zum ersten Weglängenmess gerät kommen, so dass es zu Ungenauigkeiten
bei der Positionsbestimmung des ersten Weglängenmessgeräts und damit zu Ungenauigkeiten
bei der Bestimmung der Dicke einer Schicht an einem entsprechenden
Punkt des Bauteils kommen kann. Vorteilhafterweise wird also neben
einer sehr großen
Genauigkeit der Schichtdickenbestimmung bzw. Schichtdickenverteilung
auch eine sehr hohe Messgenauigkeit bezüglich der Bestimmung der Position
der gemessenen Schichtdicke ermöglicht.
Es können
somit exakte Aussagen über die
Schichtdickenverteilung über
die gesamte auf das Bauteil aufgetragene Schicht hinweg getroffen werden.
Das erste, zweite und dritte Weglängenmessgerät kann dabei als optisches
und/oder akustisches Weglängenmessgerät ausgestaltet
sein. Insbesondere werden als erste, zweite und dritte Weglängenmessgeräte Laser-Weglängenmessgeräte eingesetzt.
Es ist aber auch möglich,
die Weglängen mittels
Ultraschall oder vergleichbaren Methoden zu messen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest
das erste Weglängenmessgerät verschwenkbar
ausgebildet. Dadurch ist es möglich,
Hinterschneidungen auf dem Bauteil bzw. der auf das Bauteil aufgetragenen
Schicht zu vermessen. Das erste Weglängenmessgerät kann dabei in definierten
Winkeln α bzw. α' verstellbar sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das
erste, zweite und dritte Weglängenmessgerät auf einem
Schienensystem angeordnet. Dadurch ist es möglich, dass die Weglängenmessgeräte in vordefinierten
Abständen
und Winkeln zueinander positioniert sind. Die Weglängenmessgeräte können dabei
auf dem Schienensystem verfahrbar angeordnet sein. Zudem ist es
möglich,
dass das Schienensystem selbst verfahrbar ausgebildet ist. Des Weiteren
ist es möglich,
dass gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Messung der
ersten und zweiten Weglänge
(a, b) ungefähr
senkrecht zur Messung der dritten Weglänge (c) erfolgt. Dadurch ist
es möglich,
dass Bewegungen des Bauteils selbst in zwei Richtungen (x, y) vermessen
und damit bei der Ermittlung der Schichtdicke berücksichtigt
werden können.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Messen von Schichtdicken, insbesondere zur Messung von Schichtdicken
eines Bauteils während
oder nach einem Beschichtungsvorgang, umfasst die Messung einer
ersten Weglänge
(a) zu einer Oberfläche
einer auf das Bauteil aufzutragenden Schicht mittels eines ersten
Weglängenmessgeräts und die
Messung einer zweiten Weglänge
(b) zu einer unbeschichteten Oberfläche des Bauteils mittels eines
zweiten Weglängenmessgeräts. Die
Messungen können
dabei kontinuierlich und zu vordefinierten Zeitpunkten erfolgen.
Erfindungsgemäß wird mittels
eines dritten Weglängenmessgeräts die Position
des ersten Weglängenmessgeräts relativ
zum Bauteil gemessen und überwacht,
wobei hierzu eine dritte Weglänge
(c) zur Bestimmung der Position des Bauteils kontinuierlich oder
zu vordefinierten Zeitpunkten gemessen wird. Dadurch ist es vorteilhafterweise
möglich,
festzustellen, wo das erste Weglängenmessgerät gerade misst.
Die Kenntnis des exakten Messpunktes führt zu einer sehr hohen Genauigkeit
bei der Ermittlung der Schichtdickenverteilung der auf das Bauteil
aufgetragenen Schicht. Zudem können
Bewegungen des Bauteils selbst während
oder nach dem Beschichtungsvorgang bei der Ermittlung bzw. Berechnung
der exakten Schichtdicke berücksichtigt
werden. Auch dies führt
zu einer Erhöhung
der Messgenauigkeit bei der Bestimmung von Schichtdicken. Mit den
synchron bestimmten Messwerten der drei Weglängenmessgeräte können vor und nach der Beschichtung
Querschnittsprofile des Bauteils bestimmt werden, die zueinander
ins Verhältnis
gesetzt eine Bestimmung der Schichtdickenverteilung mit sehr hoher
Genauigkeit ermöglichen.
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Zur
Ermittlung der ersten, zweiten und dritten Weglänge (a, b, c) werden dabei
optische und/oder akustische Weglängenmessverfahren verwendet. Insbesondere
kann ein Lasertriangulationsverfahren, wie dies zum Beispiel in
der
DE 44 25 187 A1 beschrieben
ist, Verwendung finden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist zur Vermessung von Hinterschneidungen auf der zu vermessenden
Oberfläche
der Schicht das erste Weglängenmessgerät verschwenkbar
ausgebildet. Durch die Möglichkeit
der Verschwenkung des zumindest ersten Weglängenmessgeräts können bei speziellen Bauteilen,
bei denen es zu Schichtdickenverteilungen kommt, die bedingt durch
Hinterschneidungen mit einer starren Befestigung eines Weglängenmessgeräts keine
korrekte Vermessung zulassen, exakte Schichtdicken bzw. Schichtdickenverteilungen
bestimmt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt die Messung der ersten und zweiten Weglänge (a, b) ungefähr senkrecht
zur Messung der dritten Weglänge
(c). Dadurch ist es möglich,
auch Bewegungen des Bauteils selbst während oder nach der Beschichtung
bei der Ermittlung bzw. Berechnung der Schichtdicke bzw. Schichtdickenverteilung
zu berücksichtigen,
daher in zwei zueinander ungefähr
senkrecht verlaufenden Bewegungsrichtungen gemessen wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Dicken der Schicht bzw. die Schichtdickenverteilung aus
den gemessenen Weglängen
(a, b, c) mittels einer Datenverarbeitungs anlage errechnet und ermittelt.
Dabei werden die von den drei Weglängenmessgeräten ermittelten Abstandsdaten
zueinander in Beziehung gesetzt, so dass eine Schichtdicke bezüglich eines
einzelnen Messpunkts bzw. eine Schichtdickenverteilung der aufgetragenen
Schicht mit sehr hoher Genauigkeit im μm-Bereich ermittelt werden kann.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten
Ausführungsbeispiels.
Dabei zeigt
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1 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
schematische Darstellung der beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer Detailansicht; und
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3 eine
beispielhafte, modifizierte Gestaltung des Ausführungsbeispiels gemäß den 1 und 2 in
teilweiser Ansicht.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum
Messen von Schichtdicken, insbesondere zur Messung von Schichtdicken
eines Bauteils 18 während
oder nach einem Beschichtungsvorgang. Man erkennt, dass die Vorrichtung 10 ein
erstes und ein zweites Weglängenmessgerät 12, 14 aufweist.
Dabei wird mittels des ersten Weglängenmessgeräts 12 eine erste Weglänge (a)
zu einer Oberfläche 20 einer
auf das Bauteil 18 aufgetragenen Schicht 22 gemessen. Mittels
des zweiten Weglängenmessgeräts 14 wird eine
zweite Weglänge
(b) zu einer unbeschichteten Oberfläche 24 des Bauteils 18 ermittelt.
Die Messungen können
dabei kontinuierlich oder zu vordefinierten Zeitpunkten erfolgen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die unbeschichtete Oberfläche 24,
die als Referenzfläche
bei der Ermittlung der exakten Schichtdickenverteilung dient, auf
der Rückseite
des Bauteils 18 angeordnet. Es ist aber auch möglich, dass
eine entsprechend unbeschichtete Oberfläche 24 auf der Schichtseite
des Bauteils 18 angeordnet ist. Zudem ist es möglich, eine
unbeschichtete Referenzfläche
auf einem separaten Bauteil, welches neben dem eigentlichen zu beschichtenden Bauteil
zu liegen kommt, anzuordnen.
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Des
Weiteren erkennt man, dass die Vorrichtung 10 ein drittes
Weglängenmessgerät 16 zur
Messung und Überwachung
der Position des ersten Weglängenmessgeräts 12 relativ
zum Bauteil 18 umfasst. Das dritte Weglängenmessgerät misst dabei eine dritte Weglänge (c)
zur Bestimmung der Position des Bauteils 18. Auch diese
Messung kann kontinuierlich oder zu vorde finierten Zeitpunkten erfolgen.
Dadurch ist es möglich,
die exakte Messposition des ersten Weglängenmessgeräts 12 zu bestimmen.
Messungenauigkeiten, die zum Beispiel durch Bewegungen des Bauteils 18 selbst
erfolgen, können
somit ausgeglichen werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Bauteil 18 rotationssymmetrisch ausgebildet. Mit
Hilfe des dritten Weglängenmessgeräts 16 ist
es möglich,
die exakte axiale Position einer Achse 36 des Bauteils 18 festzustellen.
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In
1 sind
die Weglängenmessgeräte
12,
14,
16 nur
schematisch dargestellt. Dabei können
die Weglängenmessgeräte
12,
14,
16 als
optische und/oder akustische Weglängenmessgeräte ausgebildet sein. Insbesondere
können
die Weglängenmessgeräte
12,
14,
16 als
Laser-Weglängenmessgeräte, wie
dies zum Beispiel auch in der
DE 44 25 187 A1 beschrieben ist, ausgebildet
sein.
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Aus 1 wird
zudem deutlich, dass das erste Weglängenmessgerät 12 verschwenkbar
ausgebildet ist. Dabei ist das erste Weglängenmessgerät 12 in definierten
Winkeln α bzw. α' verstellbar. Durch die
Verstellbarkeit des ersten Weglängenmessgeräts 12 ist
es möglich
Hinterschneidungen, die durch die Ausgestaltung des Bauteils 18 selbst
oder durch einen entsprechenden Schichtdickenauftrag gebildet werden,
exakt zu vermessen. Die Verschwenkbarkeit des ersten Weglängenmessgeräts 12 um
die Winkel α bzw. α' ist in 2 im
Detail dargestellt. Man erkennt, dass durch die Ausgestaltung des
in 2 dargestellten Bauteils 18 sich Hinterschneidungen
in der aufzutragenden Schicht 22 ergeben, die nur durch
die Verschwenkbarkeit des ersten Weglängenmessgeräts 12 exakt zu vermessen
sind.
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Des
Weiteren erkennt man aus 1, dass die Vorrichtung 10 aus
einem Schienensystem 26 bestehend aus zwei parallel zueinander
verlaufenden Schienen 28, 30 und einer die beiden
Schienen 28, 30 miteinander verbindenden Schiene 32 besteht. Dabei
ist das erste Weglängenmessgerät 12 an
der Schiene 28 und das zweite Weglängenmessgerät an der Schiene 30 angeordnet.
Das dritte Weglängenmessgerät 16 ist
an der senkrecht zu den beiden Schienen 28, 30 verlaufenden
Schiene 32 befestigt. Die Weglängenmessgeräte 12, 14, 16 können dabei auf
den jeweiligen Schienen 28, 30, 32 verfahrbar ausgebildet
sein. Es ist aber auch möglich,
dass das gesamte Schienensystem 26 an einer weiteren Schiene 34,
die parallel zu den Schienen 28 und 30 verläuft, verfahrbar
befestigt ist. Durch das Schienensystem 26 ergibt sich
eine vordefinierte Position der Weglängenmessgerate 12, 14, 16 zueinander. Über die
Schiene 34 kann das gesamte Schie nensystem 26 und
damit die drei Weglängenmessgeräte 12, 14, 16 ohne
eine Verschiebung der einzelnen Relativpositionen der Weglängenmessgeräte 12, 14, 16 verfahren
werden, d. h. entlang der zu messenden Schicht bzw. Rückseite
des Bauteils verfahren werden. Durch die in 1 dargestellte
beispielhafte Anordnung der drei Weglängenmessgeräte 12, 14, 16 ergibt
es sich zudem, dass die Messung der ersten und zweiten Weglänge (a,
b) ungefähr
senkrecht zur Messung der dritten Weglänge (c) erfolgt (x-, y-Richtung). Mit den
synchron bestimmten Messungen der drei Weglängenmessgeräte 12, 14, 16 können somit vor
und nach der Beschichtung Querschnittsprofile des Bauteils 18 bestimmt
werden, die zueinander ins Verhältnis
gesetzt eine Bestimmung der Schichtdickenverteilung der Schicht 22 mit
sehr hoher Genauigkeit ermöglichen.
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3 zeigt
eine beispielhafte, modifizierte Gestaltung des Ausführungsbeispiels
gemäß den 1 und 2 in
teilweiser Ansicht. Dargestellt ist dort insbesondere ein Weglängenmessgerät 38,
welches insbesondere das zweite Weglängenmessgerät 14 oder das dritte
Weglängenmessgerät 16 aus 2 bzw.
aus 2 sein kann. Ferner ist in 3 ein Abschnitt
des Bauteils 18 dargestellt, sowie – abweichend von den 1 und 2 – ein Positionsblock 40.
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Um
eine Messung des Geräts 12 in
Umfangrichtung reproduzierbar an (im Wesentlichen) derselben Bauteilstelle
durchführen
zu können
und so eine direkte Vergleichbarkeit der Messwerte zu garantieren
bzw. zu verbessern, wird ein Positionsblock 40 auf dem
Bauteil 18 befestigt. Dieser besitzt eine Nut bzw. einen
Schlitz mit einer Referenzfläche
(schraffierte Fläche
siehe Zeichnung). Der Positionsblock 40 wird so an dem
Bauteil 18 befestigt, dass der Abstand zur Referenzfläche entweder
vom Gerät 14 oder 16 gemessen
werden kann. Der Positionsblock 40 muss so konstruiert
sein bzw. ist vorteilhafter Weise so konstruiert, dass der Abstand
zur Referenzfläche
sich deutlich vom Abstand zur Bauteiloberfläche bzw. der Blockoberfläche unterscheidet.
Die Schlitzbreite a ist entscheidend für die Genauigkeit der Position.
Sie darf jedoch nicht kleiner sein als der Messstrahl des Lasers.
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- 10
- Vorrichtung
zum Messen von Schichtdicken
- 12
- erstes
Weglängenmessgerät
- 14
- zweites
Weglängenmessgerät
- 16
- drittes
Weglängenmessgerät
- 18
- Bauteil
- 20
- Oberfläche von 22
- 22
- auf 18 aufzutragende
Schicht
- 24
- unbeschichtete
Oberfläche
von 18
- 26
- Schienensystem
- 28
- Schiene
von 26
- 30
- Schiene
von 26
- 32
- 28 und 30 verbindende
Schiene
- 34
- weitere
Schiene
- 36
- Achse
von 18
- 38
- Weglängenmessgerät
- 40
- Positionsblock
- 42
- Nut
bzw. Schlitz in 40
- a
- Schlitzbreite