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Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer Oberflächeneigenschaft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zu Oberflächeneigenschaften gehören beispielsweise die Oberflächenrauheit, die Schickdicke bzw. die Schichtdickenverteilung und Strahlmitteleinschlüsse in der Oberfläche eines Bauteils. Es gibt verschiedene Verfahren, um diese Parameter zu ermitteln.
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Zur Messung der Oberflächenrauheit werden üblicherweise taktile Systeme verwendet. Der Nachteil von herkömmlichen taktilen Systemen ist die Notwendigkeit einer Mindestmessstrecke und die fehlende Möglichkeit der Flächenrauheitsbestimmung. Ein weiterer Nachteil besteht darin dass für die anderen Parameter weitere Messsysteme erforderlich sind. Bei taktilen Systemen kommen oftmals Messschieber, Bügelmessschrauben, Wirbelstrom oder Koordinatenmessmaschinen zum Einsatz. Der Nachteil von taktilen Systemen besteht im Wesentlichen darin, dass oft nur eine punktuelle Messung der Rauheitsspitzen möglich ist, eine Ermittlung des Schichtdickenverlaufes über den gesamten Beschichtungsbereiches ist nur mittels aufwendiger Konturschriebe möglich. Ebenso sind die manuellen Messungen (z.B. Messschieber, Bügelmessschraube), insbesondere bei komplexeren Geometrien, oft zu ungenau. Zur Messung von Schichtdicke und Oberflächenrauheit sind zwei unterschiedliche taktile Messverfahren erforderlich, und Strahlmitteleinschlüsse können mit taktilen Systemen bisher nicht detektiert werden.
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Bei einer metallografischen Prüfung wird das Bauteil durchgeschnitten. Dabei kann die Oberflächenaufrauhung auf einer Schnittebene qualitativ betrachtet werden. In der Schnittebene kann ferner die Schichtdicke ausgemessen werden. Strahlmitteleinschlüsse sind in der Schnittebene auch erkennbar. Eine Ra-Wert Bestimmung ist prinzipiell denkbar wird aber in der Praxis nicht angewendet, da dies sehr aufwendig wäre. In jedem Fall ist eine zeitnahe Messung mit diesem Verfahren nicht möglich. Ein weiterer Nachteil ist hier die fehlende Möglichkeit der Flächenrauheitsbestimmung, d.h. um das Ergebnis abzusichern muss entweder eine entsprechend lange, oder es müssen mehrere Schnittebenen erstellt werden. Eine zeitnahe Messung ist mit diesem Verfahren nicht möglich. Eine schnelle Fehlerkorrektur bei Abweichung kann in einem Serienbeschichtungsbetrieb mit einem solchen Verfahren nicht erfolgen. Werden Bauteile zur Prüfung verwendet, entstehen zusätzliche Kosten, da diese nach der metallografischen Prüfung zerstört sind.
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Optische Systeme haben den Vorteil, dass das Bauteil zerstörungsfrei ausgemessen werden kann.
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In der Druckschrift
US 7,574,586 wird mittels Streifenlichtprojektion vor und nach dem Beschichten ein 3D-Modell gebildet. Allerdings können damit keine Strahlmitteleinschlüsse erfasst werden. Durch den Vergleich der beiden 3D-Modelle wird dann die Schichtdickenverteilung ermittelt.
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Thermografie Verfahren eignen sich zur optischen Detektion von Strahlmittel. Hierzu wird die Oberfläche durch eine Wärmequelle/ Blitzlicht bestrahlt. Es wird der Wärmefluss mittels einer Infrarotkamera beobachtet. Da die Einschlüsse einen unterschiedlichen Wärmefluss als das Grundmaterial aufweisen, können diese durch dieses Messverfahren gut detektiert werden. Eine punktuelle Schichtdickenmessung ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 197 52 574 A1 bekannt, allerdings hat dieses Verfahren den Nachteil, dass damit keine Oberflächenrauheiten ermittelt werden können.
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In der Druckschrift
WO 2008/109908 A1 wird ein optisches Verfahren zur Ermittlung der Topografie und der Oberflächenrauheit einer Probe mittels Fokusvariation beschrieben. Allerdings beschreibt dieses Verfahren keine Schichtdickenverteilung und nicht die Ermittlung von Strahlmitteleinschlüssen.
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Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren vorzustellen, dass die obigen Nachteile überwindet.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer Oberflächeneigenschaft von zu beschichtenden Bauteilen mit den folgenden Schritten. In Schritt a) wird mindestens ein Bauteils mit einem ersten zu beschichtenden Bereich und einem zweiten nicht zu beschichtenden Bereich bereitgestellt. In Schritt b) wird das Bauteil unter einer bestimmten Lage in eine Halteeinrichtung positioniert. In Schritt c) wird mindestens der erste Bereich und mindestens eine Referenzfläche optisch erfasst. In Schritt d) wird mindestens der erste Bereich beschichtet. In Schritt e) wird das Bauteil unter der gleichen Lage wie in Schritt a), insbesondere in der Halteeinrichtung, positioniert. In Schritt f) wird mindestens der erste Bereich und die Referenzfläche erfasst.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil an komplexe Bauteilgeometrien sehr schnell und zerstörungsfrei Oberflächenparameter bestimmen zu können. Damit kann ein Messbereich erfasst werden, indem mehrere Messungen vorgenommen werden können. Aus diesen Messwerten können dann typische statistische Werte, wie Mittelwert, maximale und minimale Werte und Abweichungen etc. des Parameters bzw. der Parameter berechnet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bleibt die Referenzfläche unbearbeitet. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Referenzfläche im zweiten Bereich und/oder auf einer Oberfläche eines Objekts angeordnet, der in der Nähe des Bauteils angeordnet ist. Diese räumliche Anordnung der Referenzfläche bietet den Vorteil, dass die Referenzfläche beim optischen Erfassen zeitgleich mit dem ersten Bereich erfasst werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in Schritt b) die Halteeinrichtung drehbar gelagert. Dies bietet die Möglichkeit an das Bauteil automatisch konkret auszurichten. So kann beispielsweise nur die Vorderseite des Bauteils unter einem bestimmten Winkel erfasst werden. In einem nächsten Schritt wird das Bauteil um 180° gedreht, um die Rückseite des Bauteils erfassen zu können. Es ist anzumerken, dass beliebige Winkel einstellbar sind. Die Halteeinrichtung kann um eine x-Achse und/oder um eine senkrecht dazu verlaufenden y-Achse und/oder um eine zu den beiden Achsen senkrecht verlaufenden z-Achse drehbar und/oder entlang mindestens einer dieser Achsen verschiebbar gelagert sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Schritte b) bis c) wiederholt bis alle relevanten Oberflächen des Bauteils erfasst sind. So können die Vorder- und Rückseite des Bauteils, wie oben beschrieben, relevante Oberflächen darstellen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach Schritt a) und vor Schritt b) die Oberfläche des ersten Bereichs aufgeraut. Dies hat den Vorteil, dass die Oberfläche vergrößert und damit aktiviert wird. An einer solchen aufgerauten Oberfläche haftet die spätere Beschichtung besser. Vorzugsweise erfolgt das Aufrauen durch Strahlen mit Strahlmittel. Insbesondere wird Al2O3 als Strahlmittel verwendet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach Schritt c) und vor Schritt d) die Verunreinigung auf der Oberfläche und/oder auf dem Substrat, insbesondere durch Strahlmittel, ermittelt, wobei der prozentuale Anteil der Strahlmitteleinschlüsse bestimmt wird, indem in einer Bildanalyse der prozentuale Flächenanteil der hellen Pixel im ersten Bereich ausgewertet wird. Dies ist möglich da das Strahlmittel und der Grundwerkstoff des Bauteils bzw. der Werkstoff, auf dem das Strahlmittel auftrifft, unterschiedliche Reflektionseigenschaften aufweisen. Ferner kann ein Polarisationsfilter verwendet werden, um Reflektionen von der Bauteiloberfläche nahezu herauszufiltern. Verbleibende Reflektionen können bei der Auswertung zusätzlich herausgefiltert werden, indem die Lichtintensität der zu zählenden Pixel über Grenzwerte eingeschränkt wird. Empirisch müssen in Abhängigkeit des verwendeten Strahlmittels und des Werkstoffs die Belichtungszeit, der Kontrast, der geeignete Helligkeitsschwellwert, ab welcher Helligkeit ein Pixel überhaupt als Strahlmittel gewertet werden kann, und die minimale Pixelanzahl von helleren Pixeln, ab wann diese als Strahlmittel gewertet werden, angepasst werden. Zur Kalibrierung des Verfahrens und zur Festlegung der obigen Parameter können vergleichende Messungen mit dem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt werden. Dafür eigentlich sich insbesondere die sogenannte EDX-Analyse.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus der optischen Erfassung in Schritt b) und/oder der optischen Erfassung in Schritt e) ein erstes und/oder ein zweites dreidimensionales Modell mittels der Fokusvariation erstellt. Bei der Fokusvariation wird das Licht einer Beleuchtungseinrichtung auf das zu messende Bauteil gestrahlt und von dem Bauteil abgestrahlte Licht mit einer eine limitierenden Tiefenschärfe aufweisenden Optik aufgefangen. Damit sind nur die Oberflächenpunkte des Bauteils scharf abgebildet, die sich in der Fokalebene befinden. Die Dicke der Fokalebene ist wegen der geringen Tiefenschärfe klein. Die Optik wird verschoben, so dass sukzessive alle Oberflächenpunkte des Bauteils einmal scharf abgebildet wurden. Einzelne Bilder werden von jeder Fokalebene erfasst. Mit einer Auswerteeinheit werden dann aus diesen Einzelbildern ein 3D-Modell gebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung folgt nach Schritt f) ein weiterer Schritt f1), bei dem eine zweite Oberflächeneigenschaft ermittelt wird, indem die Differenz zwischen dem zweiten 3D-Modell und dem ersten 3D-Modell gebildet wird. Vorzugsweise ist die zweite Oberflächeneigenschaft die Schichtdickenverteilung der Beschichtung aus Schritt d) auf dem Bauteil. Dabei werden die Referenzfläche aus Schritt f) und die Referenzfläche aus Schritt f) in Deckung gebracht. Zur genauen Ausrichtung der beiden Referenzflächen ist es vorteilhaft, wenn die Referenzflächen eine eindeutige Struktur und/oder einen guten Kontrast zur Beschichtung aufweisen.
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Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Im Weiteren werden anhand der schematischen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1: eine Messvorrichtung zur Erfassung der Oberflächeneigen schaften und
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2: eine Draufsicht auf einen Belichtungsbereich der Vorrichtung.
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Die 1 zeigt eine Messvorrichtung 2 mit einer Halteeinrichtung 4, einer Belichtungsquelle 6, einer Optik 8, einem Bildsensor 10 und einer Recheneinheit 12. Im unteren Abschnitt der 1 ist die Halteeinrichtung 4 für ein Bauteil 14 abgebildet. Diese Halteeinrichtung 4 ist in der xy-Ebene angeordnet. Sie weist eine zur xy-Ebene schrägverlaufende Auflagefläche 16 auf. Die Auflagefläche 16 bildet mit der xy-Ebene einen Winkel α. Dieser liegt vorzugsweise zwischen 40° und 60°. Durch den günstigen Messwinkel werden in einem Messvorgang möglichst viele relevante Oberflächen eines Bauteils 14 erfasst. Das Bauteil 14 weist einen unbeschichteten bzw. nicht zu beschichtenden Bereich 28, der einen zweiten Referenzbereich 38 darstellen kann, und einen beschichteten Bereich 30 mit einer Flanke 32 und einer Spitze 34 auf. Das Bauteil 14 wird gegen die Auflagefläche 16 fixiert. Damit ist eine genaue und reproduzierbare Positionierung des Bauteils möglich. Das Bauteil 14 ragt auf der rechten Seite über der Auflagefläche 16 hervor. In der 1 rechts im Anschluss an die Halteeinrichtung 4 ist ein quaderförmiges Objekt 24 mit einer ersten Referenzfläche 26 angeordnet, die hier im Wesentlichen parallel zur xy Ebene verläuft. Dabei befindet sich die erste Referenzfläche 26 unterhalb des beschichteten Bereichs 30 und wird von ihr zum Teil abgedeckt. Es ist anzumerken, dass die Halteeinrichtung 4 samt Objekt 24 um die x-, y- und/oder z-Achse drehbar gelagert und/oder entlang mindestens einer dieser Achsen verschiebbar sein kann. Vorzugsweise ist das Bauteil 14 um die in der xy-Ebene verlaufenden Achse D drehbar gelagert. Damit kann das Bauteil 14 auf der linke Seite in 1 (gestrichelt dargestellt) positioniert werden, so dass die Unterseite 58 aufgenommen werden kann. Die beiden Bereiche 28 und 30, sowie ein Teil der ersten Referenzfläche 26 befinden sich in einem gestrichelt dargestellten Belichtungsbereich 36. Dieser Belichtungsbereich 36 wird von der Belichtungsquelle 6 angestrahlt. Das von dem Bauteil 14 abgestrahlte Licht wird mit der eine limitierenden Tiefenschärfe aufweisenden Optik 8 aufgefangen. Das Licht 40 wird dann vom Bildsensor 10, insbesondere eine CCD-Kamera, aufgefangen. Die Recheneinheit 12 wertet die Signale des Bildsensors 10 aus. Die Recheneinheit 12 kann bei Bedarf die Optik 8 in z-Richtung verschieben. Die Halteeinrichtung 4 ist ebenfalls an die Recheneinheit 12 angeschlossen, so dass diese die Halteeinheit 4 samt Bauteil 14 entsprechend bewegen kann.
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Die Optik 8 bildet nur die Oberflächenpunkte des Bauteils 14 in einem Belichtungsbereich 36 scharf ab, die sich in der Fokalebene befinden. Die Dicke, hier in z-Richtung, der Fokalebene ist wegen der geringen Tiefenschärfe klein. Die Optik 8 wird hier in z-Richtung, verschoben, so dass sukzessive alle Oberflächenpunkte des Bauteils 14 einmal scharf abgebildet wurden. Einzelne Bilder werden von jeder Fokalebene erfasst. Mit einer Auswerteeinheit werden dann aus diesen Einzelbilder ein 3D-Modell gebildet.
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Die 2 zeigt eine Draufsicht auf den Belichtungsbereich 36. Dies entspricht in etwa, was der Bildsensor 10 aufnimmt. Rechts von oben nach unten verlaufend ist die erste Referenzfläche des Objektes 24 zu sehen. Senkrecht dazu verläuft das Bauteil 14 mit dem unbeschichteten Bereich 28 und dem beschichteten Bereich 30 des Bauteils 14, wobei hier ein Teil der ersten Referenzfläche 26 vom beschichteten Bereich 30 abgedeckt wird. Der beschichtete Bereich 30 umfasst eine Flanke 32 und eine Spitze 34 des Bauteils 14. In der 2 sind beispielhaft vier Messbereiche gestrichelt eingezeichnet. So sind der erste Messbereich 46 auf dem unbeschichteten Bereich 28, der zweite Messbereich 48 auf der Flanke 32, der dritte Messbereich 50 auf der Spitze 34 und der vierte Messbereich 52 auf der ersten Referenzfläche 26 angeordnet. Die Anzahl und die Anordnung der Messbereiche sind frei auswählbar. Dabei ist anzumerken, dass der erste Messbereich 46 die zweite Referenzfläche 38 darstellen kann. Der vierte Messbereich 52 kann dabei die erste Referenzfläche 26 darstellen.
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Im Folgende wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
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Als erstes wird in Schritt a) ein Bauteil 14 bereit gestellt. Dann kann die Oberfläche 32 und 34 des Bauteils 14 durch Strahlen mittels Al2O3 aktiviert und aufgeraut werden. Vor dem Beschichten wird in Schritt b) das Bauteil 14 in einem möglichst günstigen Messwinkel von α = 45°–50° unter der Optik 8 in die möglichst genaue Halteeinrichtung 4 gespannt (1). Durch den günstigen Messwinkel werden mit einem Messvorgang möglichst viele relevante Oberflächen des Bauteils 14 erfasst, sodass die erforderliche Anzahl von Messvorgängen auf ein Minimum reduziert wird. Alternativ zu dieser Halteeinrichtung 4 kann auch eine Rotationseinheit verwendet werden, in dem das Bauteil 14 eingespannt wird. Durch das automatische Verfahren der Rotationseinheit können dann alle relevanten Körperflächen des Bauteils 14 erfasst werden.
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Anschließend wird in Schritt c) nach dem Prinzip der Fokusvariation ein 3D Modell des Bauteils 14 erstellt. Dabei wird nicht nur von dem Beschichtungsbereich 30 ein 3D Modell erstellt, sondern auch von mindestens einer der beiden Referenzflächen 26 und 38, die vor und nach dem Beschichten unberührt bleiben. An dem ersten 3D Modell kann neben der Oberflächenrauheit auch der Grad der Verschmutzung durch Strahlmitteleinschlüsse ermittelt werden. Auf der gestrahlten Oberfläche kann durch das unterschiedliche Reflektionsverhalten von Strahlmittel und Substrat des Bauteils 14 eine Auswertung über den prozentualen Anteil der Strahlmitteleinschlüsse erfolgen. Hierzu wird in einer Bildanalyse der prozentuale Flächenanteil der helleren Pixel im Messbereich ausgewertet.
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Nach der Messung der Oberseite 56 des Bauteil 14 wird die Unterseite 58 des Bauteils 14 vermessen. Dabei wird die Oberseite 46 auf die Auflagefläche 16 gelegt, so dass die Unterseite 58 in Richtung der Optik 8 zeigt. Die Unterseite 58 wird auf die gleiche Art und Weise vermessen wie Oberseite 56. Der Messvorgang wird anschließend so oft wiederholt bis alle relevanten Oberflächen des Bauteils 14 vollständig erfasst sind.
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Anschließend wird in Schritt d) das Bauteil 14 beschichtet. Nach dem Beschichten wird in Schritt e) das Bauteil 14 in einem möglichst günstigen Messwinkel von α = 45°–50° unter der Optik 8 in die möglichst genaue Halteeinrichtung 4 gespannt (1). Anschließend wird in Schritt f) nach dem Prinzip der Fokusvariation ein 3D Modell des Bauteils 14 erstellt. Dabei wird nicht nur von dem Beschichtungsbereich 30 ein 3D Modell erstellt, sondern auch von mindestens einer der beiden Referenzflächen 26 und 38, die nach dem Beschichten unberührt geblieben sind.
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Neben der Bestimmung der Oberflächenrauheit der Beschichtung kann durch genaues Ausrichten der unbeschichteten und beschichteten 3D Modelle des Bauteils die Schichtdickenverteilung bestimmt werden. Dabei wird die Referenzfläche 26 und/oder 38 aus Schritt c) (Messung vor der Beschichtung) mit der Referenzfläche 26 und/oder 38 aus Schritt f) (Messung nach der Beschichtung) vorzugsweise zu 100% in Deckung gebracht. Zur genauen Ausrichtung sollte die Referenzfläche eine eindeutige Struktur aufweisen, und einen guten Kontrast zur Beschichtung aufweisen. Wird nun das 3D Modell des unbeschichteten Körpers von dem 3D Modell des beschichteten Körpers subtrahiert, so ist es möglich die Schichtdickenverteilung im zweiten und dritten Messbereich 48 und 50 zu ermitteln.
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Dabei ist eine Mittelwertbildung, sowie eine Minimal-, als auch Maximal-Wert Betrachtung über die Messvolumina möglich. Durch die Fusionierung der 3D Modelle von Ober- 56 und Unterseite 58 kann ein Querschnittsbild der Schichtdickenverteilung auf dem Bauteil 14 erstellt werden. Unterschiedliche Bereiche sind dabei bei Bedarf getrennt auswertbar. So können Strahlmitteleinschlüsse oder die Schichtdicke nur an der Spitze 34 oder nur an der Flanke 32 ausgewertet werden. Der Auswertebereich kann dabei frei definiert werden. (Soll-Beschichtungslänge von der Spitze gemessen, Bauteilspitze, Flankenober- 56 oder Flankenunterseite 58, ...), und kann vor der Messung in einem Parameterdatensatz festgelegt werden. Falls erforderlich können auch Mehrschichtsysteme nach dem gleichen Prinzip vermessen werden (z.B. Haftschicht und Deckschicht). Dabei kann im Parameterdatensatz festgelegt werden, ob die Schichtdicke im Vergleich zur gestrahlten Oberfläche (Gesamtschichtdicke) oder im Vergleich zu einer beschichteten Oberfläche erfolgen soll.
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Somit lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren schnell die Qualität und Quantität einer Beschichtung bestimmen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Messvorichtung
- 4
- Halteeinrichtung
- 6
- Belichtungsquelle
- 8
- Optik
- 10
- Bildsensor
- 12
- Recheneinheit
- 14
- Bauteil
- 16
- Auflagefläche von 4
- 24
- Objekt
- 26
- erste Referenzfläche von 24
- 28
- unbeschichteter Bereich von 14
- 30
- beschichteter Bereich von 14
- 32
- Flanke von 14
- 34
- Spitze von 14
- 36
- Belichtungsbereich
- 38
- zweiter Referenzfläche
- 40
- Licht
- 46
- erster Messbereich
- 48
- zweiter Messbereich
- 50
- dritter Messbereich
- 52
- vierter Messbereich
- 56
- Oberseite von 14
- 58
- Unterseite von 14
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7574586 [0006]
- DE 19752574 A1 [0007]
- WO 2008/109908 A1 [0008]
