DE10313888A1

DE10313888A1 - Verfahren und Vorrichtung zur online Materialschichtdickenbestimmung

Info

Publication number: DE10313888A1
Application number: DE2003113888
Authority: DE
Inventors: Christof Dipl.-Ing. Weis; Christof Dipl.-Ing. Bauer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-28

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur online Materialschichtdickenbestimmung einer Materialschicht während ihres Aufbringens auf eine technische Oberfläche mit einem Dosiermodul, aus dem ein viskoses Medium auf die technische Oberfläche zur Ausbildung der Materialschicht ausbringbar ist. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein auf dem optischen Triangulationsverfahren basierender optischer Messsensor mit wenigstens einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor vorgesehen ist, der zur Abstandsmessung beabstandet zur technischen Oberfläche angeordnet ist, dass die Lichtquelle derart angeordnet ist, dass ein von der Lichtquelle emittierter Lichtstrahl im Bereich eines aus dem Dosiermodul auf die technische Oberfläche auftreffenen Materialflusses an der sich ausbildenden Materialschicht reflektiert und von dem Lichtdetektor erfasst wird und dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die auf der Grundlage der von dem optischen Messsensor erfassten Messsignale die Materialschichtdicke der sich ausbildenden Materialschicht bestimmt und unter Zugrundelegung von Referenzdaten eine Regelgröße generiert, die zur Regelung der Materialausbringung durch das Dosiermodul verwendbar ist.

Description

Stand der Technik
Unter Beschichten wird nach DIN 8580 das Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus einem an sich formlosen Stoff auf eine Werkstückoberfläche verstanden. Nach Beendigung des Beschichtungsvorganges bilden die auf die Werkstückoberfläche aufgebrachte Schicht und das Werkstück in aller Regel einen Verbundkörper.
Zum Beschichten sind eine Vielzahl von Beschichtungssystemen bekannt, mit denen unterschiedlichste Medien, vorwiegend flüssige oder zumindest viskose Medien, auf technische Oberflächen aufbringbar sind. Neben den Komponenten, durch die ein Beschichtungsmedium auf die Oberfläche aufgetragen wird, bspw. durch eine Austragsdüse, weisen derartige Systeme Dosiereinheiten auf, die Gewähr leisten, dass eine bestimmte erforderliche Menge des jeweiligen Beschichtungsmediums auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht wird. Zur möglichst exakten Erfassung der Menge des ausgetragenen Mediums auf die Oberfläche sind unterschiedlichste Dosiersysteme mit Messaufnehmern bekannt. Weit verbreitet sind elektromechanisch arbeitender Dosiereinheiten, eher seltener werden zur Mengendosierung sog. Druckluftdosierer eingesetzt.
In den elektromechanischen Dosierern kommen Kolben oder Extruder zum Einsatz, die in den meisten Fällen mit Gleichstrommotoren angetrieben werden. Die abgegebene Menge des für die Beschichtung vorgesehenen Mediums wird beim Extruder über die Drehzahl und beim Kolbensystem über den jeweils zurückgelegten Weg des Kolbens bestimmt.

So ist etwa aus der DE 42 13 359 A1 ein Kolbendosierer bekannt, bei dem ein viskoses, reaktives Medium in einen Mediumzylinder eingebracht und nach einer bestimmten Reaktionszeit aus einer Auströmbohrung ausgestoßen wird. Hierbei ist ein Mediumkolben vorgesehen, der mit einer Kolbenstange verbunden ist, die eine den Kolbenboden des Mediumkolbens durchdringende, axial durchgehende Längsbohrung aufweist, durch die das Medium zu einer Ausströmöffnung förderbar ist. Die Dosierung erfolgt mit Hilfe eines Linearwegmesssystem, das den Verschiebeweg der Kolbenstange erfasst. Das Messsystem ist derart geeicht, dass die Menge des in dem Mediumzylinder verdrängten Mediums in Abhängigkeit des von der Kolbenstange zurückgelegten Verschiebungsweges regelbar ist.

Weiterhin ist aus der DE 197 38 572 A1 ein druckluftbetriebenes Dosierventil bekannt, das über eine verschiebbare Membran verfügt, mit der das Ventil zu öffnen bzw. zu schliessen ist. Das Verschieben der Membran, wird durch eine Stellvorrichtung, die mit einem druckbeaufschlagten Regelelement verbunden ist, bewirkt. Als Regelelement wird ein Stellzylinder mit einem druckbeaufschlagten Kolben, etwa einer Gasfeder, verwendet, der die Membran des Dosierventils in den Schließzustand drückt. Zum Öffnen des Ventils wird der Kolben mit einem pneumatischen Antrieb gegen die Wirkung der Gasfeder bewegt. Um eine präzise Regelung des Öffnungsgrades des Dosierventils zu realisieren, wird die Druckluftzufuhr elektronisch gesteuert.

Zur Messung der durch die bekannten Dosiersysteme abgegebenen Fluidmengen wird grundsätzlich zwischen einer indirekten und einer direkten Durchflussmessung unterschieden. Bei der indirekten Messung wird eine Wegmessung des Kolbens bzw. des Dosierkopfes durchgeführt und durch Interpolation die abgegebene Mediummenge bestimmt. Bei der direkten Messung wird hingegen ein Zählrohr von der für die Beschichtung benötigten Flüssigkeit durchströmt, wobei mit Hilfe bekannter Messverfahren, wie bspw. Ultraschallsensoren oder integrierten Zahnrädern, eine Messung der jeweils durch die Vorrichtung geströmten Mediummenge erfolgt.

Neben den zwei vorgenannten Verfahren zur Bestimmung der durch ein Dosierelement abgegebenen Mediummenge sind Messmethoden bekannt, die sog. digitale Zeitgeber nutzen. Bei diesen Verfahren werden zunächst in verschiedenen Messreihen die jeweiligen Mengen eines Fluids ermittelt, die in einem vorher festgelegten Zeitraum mit Hilfe der Dosiervorrichtung abgegeben werden. Die auf diese Weise ermittelten Referenzwerte werden in einer Referenzdatenbank gespeichert und stehen zur Mengenermittlung für ein im Betrieb befindlichen Dosiersystems entsprechend zur Verfügung.

Sämtliche, aus dem Stand der Technik bekannte Messmethoden arbeiten somit proportional, die Messung erfolgt also über einen bestimmten, festgelegten Zeitraum oder über den jeweiligen Pumpen- oder Kolbenvortrieb. Die bekannten Systeme verfügen damit nicht über eine Sensorik, die in der Lage ist, den Ort sowie die Güte eines Beschichtungsvorganges einer Oberfläche mit einem Fluid direkt auf der Bauteiloberfläche zu detektieren. Es werden somit keine „in-situ-Messungen" durchgeführt.

Annähernd vergleichbare „in-situ-Messungen" sind lediglich aus der DE 197 48 317 C1 bekannt. In dieser Druckschrift wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erfassen des Berührungsereignisses eines Fluids mit einer Oberfläche beschrieben. Das Medium wird mittels einer Dispenservorrichtung, die sich zum Materialauftrag auf die Objektoberfläche zubewegt, aufgebracht, wobei gleichzeitig ein Ultraschallwellenfeld durch das zu dispensende fluide Medium geleitet wird. Das Dämpfungs- und/oder Reflexionsverhalten der sich im fluiden Medium ausbreitenden Ultraschallwellen wird erfasst und bei entsprechender Änderung ein Stoppsignal generiert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Dispenservorrichtung nicht die Objektoberfläche berührt. Damit beschreibt diese Druckschrift zwar ein Messverfahren, das während eines Beschichtungsvorganges durchgeführt wird, jedoch ermöglicht das beschriebene Verfahren ebenfalls nicht, die exakte Menge des bereits auf die Oberfläche aufgebrachten Fluids zu bestimmen.

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren anzugeben, bei dem während des Dosierprozesses die exakte Menge eines auf eine Oberfläche aufgebrachten Fluids ermittelbar ist. Insbesondere soll sich die Vorrichtung durch einen einfachen Aufbau auszeichnen, so dass diese mit verhältnismäßig einfachen Mitteln in bekannte Fertigungssysteme zu integrieren ist.

Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterhin ist im Anspruch 6 eine Vorrichtung angegeben mit der die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe gelöst wird. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie aus dem nachfolgenden Beschreibungstext unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Verfahren zur On-line Materialschichtdickenbestimmung einer Materialschicht während ihres Aufbringens auf eine technische Oberfläche durch folgende Verfahrensschritte aus:
Zunächst wird wenigstens ein, auf dem optischen Triangulationsverfahren basierender optischer Messsensor in einem konstanten Abstand zur technischen Oberfläche, auf die der Auftrag der Materialschicht erfolgen soll, vorgesehen und ein Referenzabstand zu dieser technischen Oberfläche bestimmt. Bei unverändertem Abstand zwischen dem Messsensor und der technischen Oberfläche erfolgt ein Abscheiden der Materialschicht auf die technische Oberfläche, wobei der Abstand zwischen der sich ausbildenden, der technischen Oberfläche abgewandten Oberfläche der Materialschicht zum optischen Messsensor gemessen wird und unter Zugrundelegung des Referenzabstandes die Materialschichtdicke ermittelt wird. Durch Vergleich des erfassten Abstandes oder der ermittelten Materialschichtdicke mit Referenzdaten wird eine Regelgröße generiert, durch die der Vorgang der Materialschichtaufbringung zum Erhalt einer Sollschichtdicke geregelt wird.

Zur Durchführung der optischen Triangulationsverfahrens weist der optische Messsensor wenigstens eine Lichtquelle auf, die Licht vorzugsweise im sichtbaren Spektralbereich emittiert und von der wenigstens ein Lichtstrahl ausgeht, der auf die Oberfläche gerichtet ist, die von der Materialbeschichtung erfasst wird. Durch den durch den Beschichtungsvorgang verursachten Materialauftrag bildet sich eine oberste Materialschichtoberfläche aus, an der der Lichtstrahl reflektiert wird und von einem geeignet angebrachten Positionsdetektor detektiert wird. Um einen möglichst hohen Reflexionsgrad am Ort des Reflexionsereignisses zu erhalten, wird die Lichtwellenlänge der Lichtquelle geeignet an die optischen Werkstoffeigenschaften des Beschichtungsmaterials angepasst.

Der Messsensor weist neben der Lichtquelle und einen auf die Emissionswellenlänge der Lichtquelle abgestimmten Positionsdetektor überdies ein optisches Abbildungssystem auf, durch das der an der Materialschichtoberfläche reflektierte Lichtstrahl als Lichtpunkt auf dem Positionsdetektor zur eindeutigen Lagebestimmung abbildbar ist. Durch die punktuelle Abbildung des an der Oberfläche reflektierten Lichtstrahls ist im Wege des an sich bekannten Triangulationsverfahrens eine eindeutige und exakte Abstandsbestimmung zwischen dem Messsensor und dem Reflexionsereignisses möglich.

Da in einem ersten Schritt der Abstand zwischen dem Messsensor und der unbeschichteten technischen Oberfläche erfasst und nachfolgend Abstandsbestimmungen zwischen dem Messsensor und der auf die technische Oberfläche aufgebrachten Materialschicht vorgenommen werden, kann in situ, d.h. während des Beschichtungsvorganges, die zum Zeitpunkt der Messung aktuell, vorhandene Materialschichtdicke durch Differenzbildung der erhaltenen Messwerte mit dem Ausgangsabstand bestimmt werden.

Desweiteren ist es möglich unter Zugrundelegung der ermittelten Materialschichtdicke sowie unter Berücksichtigung physikalischer Eigenschaften des Beschichtungsmaterials sowie der Geometrie der zu beschichtenden technischen Oberfläche das Volumen der aufgetragenen Materialschicht zu berechnen. Die für die Berechnung erforderlichen Stoffparameter und Geometriedaten werden vorzugsweise in einer Referenzdatenbank hinterlegt, in der gleichzeitig Sollwerte abgespeichert sind, so dass durch ständigen Vergleich zwischen den gemessenen Istwerten und vorgebbaren Sollwerten der Materialabscheidevorgang überwacht und insbesondere zum Erhalt einer gewünschten Materialschichtdicke geregelt wird.

Mit Hilfe des vorbeschriebenen Verfahrens ist eine exakte Materialaufbringung, im Sinne einer geregelten Materialabscheidung zum Erhalt einer exakt vorgegebenen Materialschichtdicke, vorzugsweise in Form eines hochviskosen Fluids auf einer technischen Oberfläche realisierbar. Die in den Beschichtungsprozess integrierte Messwerterfassung sowie eine an den Messsensor angeschlossene dezentrale Datenverarbeitung ermöglichen die Überwachung und letztlich die Regelung des Beschichtungsprozesses, indem Regelgrößen generiert werden, die als Betriebsgrößen an die Dosiereinheit weitergegeben werden, durch die der Materialabscheideprozess bestimmt wird.

Vorzugsweise erfolgt das Abscheiden der Materialschicht im Wege eines Auftragvorganges, bei dem ein viskoses Medium mittels einer Dosiermoduls auf eine technische Oberfläche zur Ausbildung der Materialschicht aufgebracht wird. Zwar eignet sich das beschriebene Verfahren grundsätzlich auch zur Vermessung von Materialschichten, die im Wege einer Abscheidung aus einer Flüssigphase hergestellt werden, jedoch beschränken sich die weiteren Ausführungen zur vereinfachten Darstellung auf einen Auftragvorgang eines viskosen Medium aus einem Dosiermodul auf eine technischen Oberfläche, wodurch jedoch der allgemeine Erfindungsgedanke nicht eingeschränkt werden soll.

Das viskose Medium strömt typischerweise aus einer Austrittsöffnung eines Dosiermoduls auf die zu beschichtende technische Oberfläche. In diesem Zusammenhang ist es sowohl denkbar, dass der Ausströmvorgang des Mediums durch die Austrittsöffnung ausschließlich durch die Schwerkraft bewirkt wird, als auch dass im Dosiermodul zusätzliche Mittel vorgesehen sind, durch die das Medium aktiv gesteuert durch die Austrittsöffnung auf die technische Oberfläche ausgetragen wird. Vorzugsweise eignen sich als derartige Mittel Pumpen, insbesondere Verdrängerpumpen und/oder Verdichter, durch die innerhalb des Dosiermoduls zumindest lokale Druckerhöhungen bewirkt werden können. Auch eignen sich Druckluftsysteme oder Schneckenextruder für einen gesteuerten, dosierbaren Austrag eines Mediums auf eine zu beschichtende Oberfläche.

Bei der Durchführung eines flächigen Beschichtungsvorgangs lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Materialschichtdickenbestimmung der Beschichtung insofern vorteilhaft ausführen, indem der vertikale Abstand zwischen der technischen Oberfläche und dem optischen Messsensor während der Vermessung unterschiedlicher Oberflächenbereiche konstant gehalten wird. Auf diese Weise ist nach einem parallel zur Oberfläche gerichteten Verfahrvorgang des Dosiermoduls eine erneute Bestimmung des Abstandes zwischen der zu beschichtenden technischen Oberfläche und dem Messsensor nicht notwendig, um die Dicke der Beschichtung zu ermitteln.

In einer besonderen Ausführungsform wird der Auftragvorgang mit Hilfe einer Dosiernadel vorgenommen, wobei vorzugsweise Schichten mit einer Materialdicke von 0,6 – 1,5 mm erzeugbar sind. Die Dosiernadel wird bspw. zur Herstellung sogenannter Beschichtungsraupen, die je nach verwendeten Beschichtungsmaterial aus Klebstoff oder einer Lötpaste bestehen, längs der technischen Oberfläche verfahren.

Außer zur Aufbringung von Klebstoffen oder Lötpasten eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur On-line Materialschichtdickenbestimmung aber selbstverständlich auch für Beschichtungsprozesse mit jedem anderen Beschichtungsmaterial, das für den Beschichtungsvorgang zumindest zeitweise in einen viskosem Zustand vorliegt.

Wie bereits vorstehend erwähnt eignet sich das Verfahren auch zur Schichtdickenbestimmung bei Beschichtungen, bei denen auf eine Oberfläche im Wege eines Aufdampfprozesses oder mittels Abscheidetechnik in einem Tauchbad Materialschichten aufgebracht werden. Letztere Verfahrensvariante erfordert jedoch das Einbringen des optisches Messsensors in das Tauchbad, um zu gewährleitsen, dass sich der Messstrahl ohne Brechungseffekte zwischen dem Messsensor und der zu beschichtenden Oberfläche ausbreitet kann.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient eine Vorrichtung zur Online Materialschichtdickenbestimmung einer Materialschicht während ihres Aufbringens auf eine technische Oberfläche mit einem Dosiermodul, aus dem ein viskoses Medium auf die technische Oberfläche zur Ausbildung der Materialschicht ausbringbar ist, die sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass ein auf dem optischen Triangulationsverfahren basierender optischer Messsensor mit wenigstens einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor vorgesehen ist, der zur Abstandsmessung beabstandet zur technischen Oberfläche angeordnet ist. Ferner ist die Lichtquelle derart angeordnet, dass ein von der Lichtquelle emittierter Lichtstrahl im Bereich eines aus dem Dosiermodul auf die technische Oberfläche auftreffenden Materialflusses an der sich ausbildenden Materialschicht reflektiert und von dem Lichtdetektor erfasst wird. Schließlich ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die auf der Grundlage der von dem optischen Messsensor erfassten Messsignale die Materialschichtdicke der sich ausbildenden Materialschicht bestimmt und unter Zugrundelegung von Referenzdaten eine Regelgröße generiert, die zur Regelung der Materialausbringung durch das Dosiermodul verwendbar ist.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem optischen Messsensor um einen Lasertriangulationssensor, der wenigstens eine Laserlichtquelle und einen Positionsdetektor aufweist. Mit der Laserlichtquelle wird ein Lichtstrahl auf den zu vermessenden Bereich einer technischen Oberfläche gerichtet und der von dort reflektierte Lichtstrahl mit Hilfe eines Positionsdetektors detektiert. Vorzugsweise ist die Wellenlänge des von der Laserlichtquelle ausgesandten Lichts in Abhängigkeit des für die Beschichtung der technischen Oberfläche vorgesehenen Materials wählbar. Die Wellenlänge des Lichts ist hierbei derart zu wählen, dass ein Lichtstrahl zumindest teilweise sowohl von dem Beschichtungsmaterial als auch von dem Bauteilwerkstoff reflektiert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Dosiermodul wenigstens eine Dosiernadeleinheit auf, durch die das viskose Medium auf eine technische Oberfläche ausbringbar ist. Die Länge und Form der Dosiernadeleinheit wird in Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften des für die Beschichtung vorgesehenen Materials gewählt. Vorzugsweise verfügt die Dosiernadeleinheit, die bevorzugt eine Länge von 5 – 45 mm vorsieht, über einen Luer-Lock-Verschluss, mit dem die Dosiernadeleinheit lösbar fest mit dem Dosiermodul verbindbar ist und je nach Beschichtungsfall beliebig austauschbar ist. Für Beschichtungsverfahren besonders geeignet ist die Verwendung von Dosiernadeleinheiten, die an ihrer Austrittsöffnung einen Durchmesser von 0,1 – 5 mm aufweisen.

Die Dosiernadeleinheiten werden vorzugsweise aus Kunststoff oder Blech gefertigt. Darüber hinaus ist es aber selbstverständlich auch denkbar, die Dosiernadeleinheiten unter Berücksichtigung des für eine Beschichtung vorgesehenen Materials aus anderen Materialien, bspw. Keramiken, zu fertigen.

Der optische Messsensor ist vorzugsweise lösbarfest an dem Dosiermodul anbringbar, so dass sichergestellt ist, dass der Messsensor bei Wartungs- oder Reperaturarbeiten leicht und zügig zu wechseln ist. Vorzugsweise ist der optische Messsensor derart ausgeführt, dass die Lichtquelle und der Positionsdetektor getrennt oder auch als ein Bauteil vom Dosiermodul demontierbar sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur On-line Materialschichtdickenbestimmung ist an dem Dosiermodul wenigstens ein weiteres Sensorsystem vorgesehen. Vorzugsweise sind an dem Dosiermodul Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren derart befestigt, dass mit Hilfe der Auswertung der durch diese Sensoren erfassten Messdaten eine Bestimmung der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Dosiermoduls ermöglicht wird. Auf diese Weise kann die Beschichtungsdynamik überwacht und geregelt werden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 Dosiermodul mit einer Messvorrichtung zur online Materialschichtdickenbestimmung einer Materialschicht und
2 Schematische Darstellung des Verfahrens zur On-line Materialschichtdickenbestimmung unter Einsatz des Lasertriangulationsverfahrens.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In den 1 und 2 ist jeweils ein Dosiermodul 1 dargestellt, mit dem ein viskoses Medium 10 auf eine technische Oberfläche 9 aufbringbar ist. Das Dosiermodul 1 ist lösbarfest mit der Manipulatoreinheit 2 verbunden und weist eine Lichtquelle 3, eine Dosiernadeleinheit 5 und eine Sensorplatte 6 auf. Die Sensorplatte 6 ist wiederum lösbarfest mit dem Dosiermodul 1 verbunden und sieht sowohl einen Lichtdetektor 4, vorzugsweise in Form eines Positionsdetektors, als auch einen Geschwindigkeitssensor 7 vor. Die Dosiernadeleinheit 5 ist über einen Luer-Lock-Verschluss mit dem Dosiermodul 1 verbunden, so dass die Dosiernadeleinheit 5 ohne Einsatz von Werkzeug zu wechseln ist und daher das Dosiermodul 1 ohne lange Rüstzeiten an den jeweiligen Beschichtungsvorgang anpassbar ist. Die Ausgangsöffnung der Dosiernadeleinheit 5 ist fluiddicht mit einem Reservoir (nicht dargestellt) verbunden, in dem das für die Beschichtung vorgesehene Medium bevorratet ist.
Als Lichtquelle 3 eignet sich ein Halbleiterlaser, dessen Lichtstrahl auf eine zu untersuchende Oberfläche 9 gerichtet ist. Der von der zu untersuchenden Oberfläche 9 am Ort 8 reflektierte Lichtstrahl wird mit Hilfe des Lichtdetektors 4 detektiert, das Messsignal in einer dezentralen Auswerteeinheit (nicht dargestellt) ausgewertet und der Abstand zwischen dem untersuchten Oberflächenbereich und dem Messsensor ermittelt. Die Lichtquelle 3 und der Lichtdetektor 4 werden jeweils derart angeordnet, dass der Brennpunkt der Optik stets mit dem zu beschichtenden Oberflächenbereich 11 zusammenfällt.
Zur Vorbereitung der Materialschichtdickenmessung wird zunächst ein Referenzabstand zwischen dem Messsensor, insbesondere zwischen dem Lichtdetektor 4 und der zu beschichtenden technischen Oberfläche bestimmt. Anschließend erfolgt die Beschichtung der technischen Oberfläche 9, indem durch die Dosiernadeleinheit 5 austretendes Beschichtungsmaterial 10 auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird. Vorzugsweise während des Beschichtungsvorganges wird die sich auf der Materialoberfläche ausbildende Materialüberhöhung 11 über der unbeschichteten Oberfläche messtechnisch erfasst. Aus der Differenz der Abstandswerte zwischen Messsensor und unbeschichteten Oberfläche sowie zwischen Messsensor und Oberfläche der aufgebrachten Beschichtung wird die Höhe bzw. die Dicke der Materialbeschichtung ermittelt.
Mit Hilfe der Manipulatoreinheit 2 ist das Dosiermodul 1 gegenüber der technischen Oberfläche bewegbar. Durch Verfahren des Dosiermoduls 1 während eines Beschichtungsvorgangs ist auch ein flächiger Auftrag von Beschichtungsmaterial bei gleichzeitiger Ermittlung der Materialschichtdicke des Beschichtungsmaterials durchführbar. Werden bei einem flächigen Auftrag von Beschichtungsmaterial Messungen der Beschichtungsdicke an unterschiedlichen Stellen der technischen Oberfläche vorgenommen, so gilt es den vertikalen Abstand zwischen dem Messsensor und der unbeschichteten technischen Oberfläche konstant zu lassen. In vorteilhafter Weise eignet sich als Manipulatoreinheit eine CNC-gesteuerte Maschine, mit der eine exakte Trajektorienführung des Dosiermoduls über die zu beschichtende Oberfläche möglich ist.
Mit Hilfe des in 2 schematisch dargestellten Verfahrens ist es möglich, bereits während eines Beschichtungsvorganges die exakte Materialschichtdicke einer Beschichtung zu ermitteln und den Beschichtungsvorgang zu überwachen und zu regeln. Das Messverfahren bietet gegenüber bisherigen Systemen den Vorteil, dass durch die direkte Vermessung des applizierten Mediums eine hoch exakte kontinuierliche Dosierung möglich ist. Somit wird einerseits durch die Prozessregelung und andererseits durch die Anordnung der Sensoren ein hohes Maß an Genauigkeit erreicht. Durch die zyklische Abtastung der Bauteiloberfläche und des applizierten Mediums kann zu jeder Zeit die aufgebrachte Fluidmenge überwacht und über den Regelkreis einer Sollgröße angeglichen werden.
Die Sensoren und das Linsensystem sind in dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel flexibel integriert, so dass die Messmethode jederzeit an das jeweilige Umfeld angepasst werden kann. Alle bisher auf dem Markt erhältlichen Dosiersysteme verfügen über keine Messkette zur direkten Bestimmung der aufgetragenen Menge. Da die Daten der Messkette digital verarbeitet werden, ist eine Parametrisierung und somit ein flexibler Einsatz in bestehenden Industrieanlagen jederzeit möglich.
Das Messsystem lässt sich zudem durch weitere Lichtquellen oder durch die Verwendung eines Laserscanners ergänzen, um die gesamte Oberfläche eines zu beschichtenden Werkstückes zweidimensional abzutasten. Auf diese Weise lässt sich die gesamte Oberflächengeometrie sowie die bereits beschichteten Oberflächenbereiche exakt erfassen. Hierdurch können Geometriedaten gewonnen werden, auf deren Grundlage in Verbindung mit der erfassten Schichtdicke auf das Volumen der abgeschiedenen Materialschicht geschlossen werden kann. Auch die Volumeninformation lässt sich als Regelgröße für den Materialabscheidevorgang einsetzen.

1: Dosiermodul
2: Manipulatoreinheit
3: Lichtquelle
4: Lichtdetektor
5: Dosiernadeleinheit
6: Sensorplatte
7: Geschwindigkeitssensor
8: Ort der Reflexion
9: Technische Oberfläche
10: Beschichtungsmaterial
11: Materialschicht

Claims

Verfahren zur online Materialschichtdickenbestimmung einer Materialschicht während ihres Aufbringens auf eine technische Oberfläche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Vorsehen wenigstens eines, auf dem optischen Triangulationsverfahren basierenden optischen Messsensors in einem konstanten Abstand zur technischen Oberfläche und Bestimmen eines Referenzabstandes zur technischen Oberfläche, – Abscheiden der Materialschicht auf die technische Oberfläche und – Erfassen des Abstandes zwischen der sich ausbildenden, der technischen Oberfläche abgewandten Oberfläche der Materialschicht zum optischen Messsensor und Ermitteln der Materialschichtdicke unter Zugrundelegung des Referenzabstandes, – Vergleichen des erfassten Abstandes oder der ermittelten Materialschichtdicke mit Referenzdaten sowie – Regeln der Materialschichtaufbringung zum Erhalt einer Sollschichtdicke.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Materialschicht im Wege eines Auftragvorganges erfolgt, bei dem ein viskoses Medium dosiert auf die technische Oberfläche zur Ausbildung der Materialschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen des Abstandes zwischen der sich ausbildenden, der technischen Oberfläche abgewandten Oberfläche der Materialschicht zum optischen Messsensor während des Abscheidens zyklisch oder kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage der ermittelten Materialschichtdicke das im Wege des Abscheidevorganges auf die technische Oberfläche abgeschiedene Materialvolumen unter Einbeziehung der von der Materialschicht benetzten Fläche der technischen Oberfläche ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Vergleich des ermittelten abgeschiedenen Materialvolumens mit einem Referenzvolumen eine Regelgröße abgeleitet wird, die zur Regelung der Materialschichtaufbringung verwendet wird.
Vorrichtung zur On-line Materialschichtdickenbestimmung einer Materialschicht während ihres Aufbringens auf eine technische Oberfläche mit einem Dosiermodul, aus dem ein viskoses Medium auf die technische Oberfläche zur Ausbildung der Materialschicht ausbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf dem optischen Triangulationsverfahren basierender optischer Messsensor mit wenigstens einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor vorgesehen ist, der zur Abstandsmessung beabstandet zur technischen Oberfläche angeordnet ist, dass die Lichtquelle derart angeordnet ist, dass ein von der Lichtquelle emittierter Lichtstrahl im Bereich eines aus dem Dosiermodul auf die technische Oberfläche auftreffenden Materialflusses an der sich ausbildenden Materialschicht reflektiert und von dem Lichtdetektor erfasst wird, und dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die auf der Grundlage der von dem optischen Messsensor erfassten Messsignale die Materialschichtdicke der sich ausbildenden Materialschicht bestimmt und unter Zugrundelegung von Referenzdaten eine Regelgröße generiert, die zur Regelung der Materialausbringung durch das Dosiermodul verwendbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Messsensor ein Lasertriangulationssensor ist, der wenigstens eine Laserlichtquelle und einen Positionsdetektor aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiermodul wenigstens eine Dosiernadeleinheit aufweist, durch die das viskose Medium ausbringbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Messsensor lösbar fest an dem Dosiermodul anbringbar ist.