DE10326992A1 - Transmissionsmessgerät - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Transmissionsmessgerät für mit Lasern zu bearbeitende Kunststoffe, mit einer Lichtquelle, die Licht in Richtung einer Messstrecke emittiert, einem Sensor, der für den Empfang von Licht aus der Lichtquelle eingerichtet ist, wobei die Messstrecke zwischen der Lichtquelle und dem Sensor angeordnet ist, sowie mit einer Anzeigevorrichtung und mit einer Abgleichvorrichtung. Die Messung wird dadurch besonders präzise, dass die Lichtquelle eine Leuchtdiode ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Transmissionsmessgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Mit derartigen Messgeräten wird die Transmission von Kunststoffen bestimmt, die mit Lasern bearbeitet und insbesondere verschweißt werden sollen. Dabei wird ein den vorgegebenen Spezifikationen entsprechendes Muster als Referenz verwendet und das Messgerät darauf kalibriert. Jede Abweichung der Transmissionseigenschaften soll erfasst werden, da sich die Eignung zum Laserverschweißen mit einer Änderung der Transmissionswerte ändern kann. So werden größere Transmissionswerte dazu führen, dass weniger Laserenergie im Werkstoff absorbiert wird und für den Schweißvorgang folglich mehr Energie zur Verfügung steht. Geringere Transmissionswerte zeigen an, dass die Absorption oder Reflexion im Werkstück größer ist als in der Referenzprobe. Dies führt dazu, dass zum einen mehr Laserenergie absorbiert werden kann, zum anderen aber auch die Laserenergie näher an der Oberfläche absorbiert wird und dem darunter liegenden Bereich des Werkstücks dann nur geringere Erwärmung zukommt. Auch dies kann den Schweißvorgang nachteilig beeinflussen.
  • Aus der Praxis ist ein Transmissionsmessgerät bekannt, dass von der Bayer AG veröffentlicht wurde. Bei diesem Transmissionsmessgerät wird eine Glühlampe über eine Linse auf die Referenz oder die Probe fokussiert. Unterhalb der Probe und gegenüber der Glühlampe befindet sich ein Detektor in Form einer Photodiode. Die Photodiode erfasst einen großen Raumwinkel. Die spezifische Absorption in bestimmten Wellenlängenbereichen, die charakteristisch für den zu verwendenden Laser sind, werden über Filter isoliert und der Photodiode zugeführt.
  • In der Praxis sind die Leistungen dieses Transmissionsmessgerätes nicht zufriedenstellend. Andere Transmissionsmessgeräte für die Prüfung von Kunststoffproben sind nicht bekannt.
  • Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Transmissionsmessgerät für die Prüfung von Kunststoffen zur Laserbearbeitung bereitzustellen, dass eine größere Präzision ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird von einem Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Weil die Lichtquelle eine Leuchtdiode ist, kann zum einen eine besondere Emissionscharakteristik gewählt werden, bei der die emittierten Wellenlängen denjenigen des später im Produktionsprozess verwendeten Lasers entspricht. Zum anderen kann die Lichtquelle in schneller Folge gepulst oder anderweitig moduliert werden, um optische Einstreuungen zu unterdrücken. So wird ein für den vorgesehenen Bearbeitungsprozess des Kunst stoffs kennzeichnendes Messergebnis bei gutem Rauschabstand ermöglicht.
  • Eine weitere Präzisierung des Messergebnisses im Hinblick auf den Bearbeitungsprozess wird ermöglicht, wenn die Messstrecke einseitig, insbesondere sensorseitig von einem Tubus begrenzt wird, der eine der Messstrecke zugewandte Öffnung aufweist sowie einen rohrförmigen Innenraum, an dessen der Öffnung gegenüberliegendem Ende der Sensor angeordnet ist, wobei die Öffnung, der Tubus und der Sensor so angeordnet sind, dass von der Lichtquelle emittiertes Licht auf den Sensor fallen kann. Während bei dem Stand der Technik das durch den Kunststoff auf den Sensor fallende Licht über einen großen Raumwinkel integriert wird, kann nach dieser Ausführungsform die Sensorempfindlichkeit auf einen engen Raumwinkel beschrankt werden.
  • Ein besonders aussagekräftiges Messergebnis wird möglich, wenn die Lichtquelle eine Leuchtdiode ist, die Licht mit wenigstens einer Wellenlänge emittiert, welche auch bei kommerziellen Lasern zum Kunststoffschweißen verfügbar ist.
  • Vorzugsweise weist die Öffnung des Tubus an seinem dem Werkstück zugewandten Ende einen Durchmesser zwischen 1 mm und 2 mm auf. Insbesondere kann zwischen der Öffnung des Tubus und dem Detektor eine freie Weglänge von 15 mm bis 100 mm und insbesondere von 40 mm bis 60 mm liegen.
  • Für das Kunststoffschweißen wird vorzugsweise die Lichtquelle in einem Wellenlängenbereich von 700 nm bis 1000 nm und insbesondere zwischen 930 nm und 970 nm emittierend ausgewählt. Auch andere Wellenlängen sind möglich, z.B. im Bereich von 2 μm. Mit "Lichtquelle" ist im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung eine Quelle elektromagnetischer Strahlung gemeint, die im sichtbaren, im Infraroten oder im ultravioletten Wellenlängenbereich emittiert.
  • Ein verbesserter Störabstand beispielsweise bei großer Umgebungshelligkeit wird erreicht, wenn die Lichtemission von der Lichtquelle codiert ist und eine Auswertung des Sensorsignals nur dann ein Messergebnis ausgibt, wenn die Codierung in dem Sensorsignal erkannt wird. Die Codierung kann ein gepulstes Signal enthalten.
  • Eine einfache Bedienung ist möglich, wenn die Abgleichvorrichtung dazu eingerichtet ist, für ein Referenzmaterial einen gewünschten Anzeigenwert auf der Anzeige einstellbar zu machen.
  • Die Auswertung des Sensorsignals kann sowohl mit einer hohen zeitlichen Auflösung als auch in einem sehr langwelligen Messbereich erfolgen, wenn der Sensor eine Photodiode ist.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
  • 1: ein erfindungsgemäßes Messgerät in einem Querschnitt von der Seite; sowie
  • 2: einen Schaltplan für das Messgerät aus 1 in einer vereinfachten Darstellung.
  • In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Transmissionsmessgeräts in einem schematischen Querschnitt von der Seite dargestellt. Das Messgerät weist ein Gehäuse 1 auf, dass in der 1 rechts eine Leuchtdiode 2 und eine Photodiode 3 umschließt. Die Leuchtdiode 2 emittiert Licht in einen ersten Tubus 4 und durch ein Fenster 5. Die Photodiode 3 empfängt Licht durch ein Fenster 6 und einen zweiten Tubus 7. Zwischen den Fenstern 5 und 6 ist eine Messstrecke 8 gebildet, die von der Leuchtdiode 2 in Richtung auf die Photodiode 3 durchstrahlt wird. Die Leuchtdiode 2 und die Photodiode 3 sind über elektrische Leitungen 10,11 mit einer in dem Gehäuse 1 angeordneten elektronischen Schaltung verbunden. An der Außenseite des Gehäuses 1 ist ein Drehregler 12 vorgesehen. Ebenso trägt die Außenseite des Gehäuses 1 eine numerische Anzeige 13.
  • In der Messstrecke 8 ist in der Darstellung gemäß 1 ein Kunststoffteil 15 angeordnet. Die Transmission dieses Kunststoffteils 15 soll im Betrieb ermittelt werden. Die hierzu vorgesehene Betriebsweise des insoweit beschriebenen Messgeräts wird nachfolgend erläutert.
  • Zunächst ist als technischer Hintergrund vorauszuschicken, dass Kunststoffe zur Bearbeitung mit Lasern geeignet sind, wenn sie bestimmte genau definierte Absorptionseigenschaften für die Laserstrahlung aufweisen. Die Kunststoffe werden so ausgerüstet, dass die Laserstrahlung einer vorgegebenen Wellenlänge, beispielsweise 970 nm, in einem bestimmten Umfang absorbiert wird. Zu diesem Zweck werden sogenannte NIR-Absorber entweder homogen oder oberflächennah in die Kunststoffe eingebracht. Bei Kunststoffen, die im Produktionsprozess ganz oder teilweise durchstrahlt werden, tritt ein Teil der Laserstrahlung an der gegenüberliegenden Seite des Werkstücks wieder aus. Diese Kunststoffe müssen innerhalb einer zulässigen Toleranz um einen Sollwert liegende Transmissionseigenschaften aufweisen, um im Produktionsprozess das vorgesehene Verhalten zu zeigen. Nun sind Kunststoffe, die im Infrarotbereich absorbieren, optisch nicht von solchen Kunststoffen zu unterscheiden, die infrarottransparent sind. Geringfügig erscheinende Veränderungen in den Komponenten des Kunststoffs oder im Herstellungsprozess können die Absorptionseigenschaften soweit verändern, dass eine vorgesehene Be- oder Verarbeitung nicht mehr möglich ist.
  • Die laufende Produktion von Kunststoffen wird nun unter Verwendung des oben beschriebenen Messgeräts derart geprüft, dass zunächst ein den Anforderungen entsprechendes Referenzstück 15 in die Messstrecke 8 eingebracht wird. Das erwähnte Referenzstück 15 wird mit Infrarotlicht der vorgesehenen Wellenlänge aus der Leuchtdiode 2 beaufschlagt. Dieses Infrarotlicht durchtritt das Referenzstück 15 und fällt auf die Photodiode 3. Bei diesem Referenzstück wird dann mit dem Regler 12 die numerische Anzeige 13 auf einen vorgesehenen Standardwert, beispielsweise 1,000 eingeregelt. Ein Werkstück oder eine produzierte Charge soll nun in jedem Fall in den Transmissionseigenschaften nicht wesentlich von dem Referenzwerkstück abweichen. Deshalb werden zu prüfende Kunststoffteile von gleicher Dicke wie das Referenzstück 15 in die Messstrecke 8 eingesetzt. Diese werden wiederum mit Infrarotlicht aus der LED 2 beaufschlagt und die an der Photodiode 3 ankommende Lichtmenge gemessen. Die Elektronik wertet die Intensität der ankommenden Strahlung aus und gibt diese in der numerischen Anzeige 13 aus. Der gezeigte Wert kann und wird in den meisten Fällen von 1,000 abweichen und in einer Betriebsvorschrift für den produzierten Kunststoff wird angegeben, bis zu welcher Abweichung nach oben oder nach unten ein Werkstück beziehungsweise eine Charge noch verarbeitbar ist und ab welchen Abweichungen die Charge zu verwerfen ist.
  • Die numerische Anzeige 13 gibt das Messergebnis in willkürlichen Einheiten aus. Wesentlich für die Kontrolle des Produktionsvorganges oder für die Qualitätskontrolle von Kunststoffwerkstücken im weiterverarbeitenden Betrieb ist lediglich die Abweichung des Messwertes vom vorgegebenen Sollwert.
  • In der 2 ist als Blockschaltbild eine elektronische Schaltung für das Messgerät nach 1 veranschaulicht. Die Schaltung umfasst einen mit einer Frequenz von 1 kHz arbeitenden Taktgenerator 20, der sein Signal an eine gesteuerte Stromquelle 21 einerseits und an einen Synchrongleichrichter 22 andererseits abgibt. Die Stromquelle 21 wird über den Regler 12 als Spitzenwertregler geregelt um die bereits beschriebene Einstellung auf das Referenzwerkstück 15 vornehmen zu können. Die so gesteuerte Stromquelle gibt ihre Versorgungsspannung an die Infrarot-Sendediode 2 ab, die wiederum in bereits beschriebener Weise das Material 15 durchstrahlt. Der Infrarotdetektor 3 empfängt als Sensor das von dem Material 15 nicht absorbierte und nicht gestreute Licht und gibt ein entsprechendes Spannungssignal an einen Verstärker 23 ab. Dieser Verstärker 23 wiederum gibt ein Ausgangssignal an den Syn chrongleichrichter 22, der das Signal, soweit es mit dem Taktgenerator 20 synchron verläuft, als Spannungswert an die numerische Anzeige 13 abgibt.
  • Bei dem insoweit beschriebenen Blockschaltbild handelt es sich um eine relativ einfache Ausführungsform. Andere Ausführungen hinsichtlich Auswertung der Codierung und Anzeigemöglichkeiten sind denkbar.
  • Die Anordnung der optischen Elemente in 1, insbesondere die Länge des zweiten Tubus 7 von der Öffnung 6 bis zur Photodiode 3 hat einen weiteren in der Praxis vorteilhaften Effekt. Bei den Messgeräten nach dem Stand der Technik wurde über einen großen Raumwinkel integriert. Mit diesen Messgeräten konnte deshalb eine Verunreinigung der Kunststoffe nur dann detektiert werden, wenn die Verunreinigung tatsächlich zu einer größeren Absorption der bestimmten Wellenlänge im Kunststoff oder zu einer Rückwärtsstreuung geführt hat. Verunreinigungen, die hauptsächlich zu einer Vorwärtsstreuung führen, bei der das Licht von der geraden optischen Bahn um einige Grad abgelenkt wird, sind mit dem bekannten Messgerät nicht zu detektieren, da das vorwärtsgestreute Licht ebenfalls zu der Transmissionsintensität hinzugerechnet wird.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 1 wird aufgrund der geometrischen Verhältnisse in dem Tubus 7 nur ein sehr enger Raumwinkel um die optische Achse des von der LED 2 emittierten Lichts betrachtet. Vorwärtsstreuende Verunreinigungen führen bei dieser Anordnung dazu, dass das um mehrere Grad aus der – optischen Achse abgelenkte Licht nicht auf die Photodiode 3, sondern auf innere schwarz ausgerüstete Wandung des Tubus 7 fällt. Dieses Licht wird bei der Integration der auftreffenden Intensität der Photodiode 3 nicht berücksichtigt. Es wird also in diesem speziellen Fall eine Schwächung der Transmission detektiert, die mit Geräten nach dem Stand der Technik nicht zu ermitteln gewesen ist. Dieser Effekt tritt auch ein, wenn die LED 2 unmittelbar bei der Öffnung 5 angeordnet ist und nicht, wie in 1 dargestellt, an dem der Öffnung 5 abgewandten Ende des Tubus 4.
  • Weiter können bei dem Messgerät nach der vorliegenden Erfindung die Emission der Leuchtdiode 2 gepulst oder sonst wie moduliert sein. Diese Modulation kann dann in dem von der Photodiode 3 empfangenen Signal herausgefiltert werden und so nur die Transmission des tatsächlich von der LED 2 gesendeten Lichts ausgewertet werden. Streulicht, dass bei transparenten Kunststoffen durch die Kannten oder Stirnseiten eintreten kann, wird auf diese Weise zuverlässig unterdrückt.
  • Besonders hervorzuheben ist, dass bei der abgeschlossenen Geometrie um die optische Achse zwischen der LED 2 und der Photodiode 3 geringe Leistungen der LED 2 ausreichen, um gut auszuwertende Signale zu bekommen. Deshalb wird die Verwendung von Leuchtdioden als Emitter möglich. Solche Leuchtdioden sind für zahlreiche auch von kommerziellen Lasern emittierte Infrarotwellenlängen verfügbar, so dass die Messung der Transmission mit genau der Wellenlänge erfolgen kann, die auch später im Produktionsprozess von dem Laser abgegeben wird. Die Messung an den erwähnten Kunststoffchargen wird dadurch besonders repräsentativ die vorgesehene Anwendung.
  • Eine weitere, in der 1 nicht dargestellte Ausgestaltung sieht vor, dass der Tubus 7 in seiner Längsrichtung beweglich ist und durch manuelle Einwirkung von dem Werkstück 15 abgehoben werden kann. Der Tubus 7 wird dann zum Wechsel eines zu prüfenden Werkstücks 15 abgehoben, so dass die Messstrecke 8 vergrößert wird. Bei einem Fortfall der manuellen Einwirkung wird der Tubus 7 dann durch eine Rückstellfeder auf das Werkstück 15 aufgesetzt, so dass die Öffnungen 5 und 6 unmittelbar an der Oberfläche des Werkstücks 15 anliegen. Auf diese Weise wird der Einfall von weiterem Streulicht verringert.

Claims (11)

  1. Transmissionsmessgerät für mit Lasern zu bearbeitende Kunststoffe, mit einer Lichtquelle (2), die Licht in Richtung einer Messstrecke (8) emittiert, einem Sensor (3), der für den Empfang von Licht aus der Lichtquelle (2) eingerichtet ist, wobei die Messstrecke (8) zwischen der Lichtquelle (2) und dem Sensor (3) angeordnet ist, sowie mit einer Anzeigevorrichtung (13) und mit einer Abgleichvorrichtung (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) eine Leuchtdiode ist.
  2. Transmissionsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke (8) einseitig, insbesondere sensorseitig von einem Tubus (7) begrenzt wird, der eine der Messstrecke (8) zugewandte Öffnung (6) aufweist sowie einen rohrförmigen Innenraum, an dessen der Öffnung (6) gegenüberliegendem Ende der Sensor (3) angeordnet ist, wobei die Öffnung (6), der Tubus (7) und der Sensor (3) so angeordnet sind, dass von der Lichtquelle (2) emittiertes Licht auf den Sensor (3) fallen kann.
  3. Transmissionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) eine Leuchtdiode ist, die Licht mit wenigstens einer Wellenlänge emittiert, welche auch bei kommerziellen Lasern zum Kunststoffschweißen verfügbar ist.
  4. Transmissionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (6) des Tubus (7) an seinem dem Werkstück (15) zugewandten Ende einen Durchmesser zwischen 1 mm und 2 mm aufweist.
  5. Transmissionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Öffnung (6) des Tubus (7) und dem Detektor (3) eine freie Weglänge von 15 mm bis 100 mm und insbesondere von 40 mm bis 60 mm liegt.
  6. Transmissionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) in einem Wellenlängenbereich von 700 nm bis 1000 nm und insbesondere zwischen 930 nm und 970 nm emittiert.
  7. Transmissionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) in einem Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 2000 nm emittiert.
  8. Transmissionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemission von der Lichtquelle (2) codiert ist und dass eine Auswertung des Sensorsignals nur dann ein Messergebnis ausgibt, wenn die Codierung in dem Sensorsignal erkannt wird.
  9. Transmissionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierung ein gepulstes Signal enthält.
  10. Transmissionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgleichvorrichtung (12) dazu eingerichtet ist, für ein Referenzmaterial (15) einen gewünschten Anzeigenwert auf der Anzeige (13) einstellbar zu machen.
  11. Transmissionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) eine Photodiode ist.
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