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Ruppex

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Dienstag, 24. August 2010, 08:23

7 Prozessüberwachung

In der Fertigung dient die Prozessüberwachung vorrangig der Qualitätssicherung. Anlagenhersteller und Forschungsinstitute nutzen moderne Diagnostikmethoden zur Optimierung von Spritzbrennern und Prozessparametern (Landes 2007). Der Großteil der am Markt verfügbaren Technologien basiert auf optischen Messungen. Diese ermöglichen vielfältige Aussagen bspw. zur Prozessstabilität, zum Abschmelzverhalten drahtförmiger Zusätze, zur Partikel- und Partikelgeschwindigkeitsverteilung und zum Impactverhalten von Partikeln auf der Oberfläche (Abbildung 41). Taktile Messverfahren dienen bspw. der Überwachung der Bauteiltemperatur oder der Schichtdicke. Zur Überwachung der Prozessstabilität bzw. zur Erfassung von Prozessschwankungen kann eine akustische Datenerfassung hilfreich sein. Berührungslose IR-Punktsensoren und Wärmebildkameras werden ebenfalls zur Bauteiltemperaturüberwachung genutzt.
Besonders wichtig für die Prozessoptimierung ist die Messung von Partikelgeschwindigkeiten und -temperaturen, da diese Parameter wesentlich die Schichteigenschaften bestimmen. Die Herausforderungen ergeben sich dabei aus der sehr hohen Prozesskinetik und den gleichzeitig relativ schwachen Emissionen der Partikel. Neben passiven und notwendigerweise sehr empfindlichen Hochgeschwindigkeits-CCD-Kameras werden daher auch aktive, lasergestützte Systeme verwendet. Die Tabelle 4 zeigt eine Übersicht typischer Messmethoden und die zugehörigen Messgrößen. Bei bildgebenden Verfahren wird die belichtungszeitabhängige Partikelspur bzw. der bildweise Versatz von Partikeln analysiert und als gemittelter Wert bzw. Werteverteilung über den Strahlquerschnitt ausgegeben. Die Temperaturmessung am Partikelfreistrahl erfolgt mittels Pyrometrie bzw. Quotientenpyrometrie. Diese Temperaturmessungen sind jedoch nur von begrenzter Aussagekraft, da lediglich Informationen über der Partikeloberfläche gewonnen werden und der Emmissionsgrad in der Regel nicht bekannt ist. Da PIV-Systeme (Particle Image Velocimetry) aufgrund der eingeschränkten Tiefenschärfe und des begrenzten Bildausschnitts der Hochgeschwindigkeitskameras meist nur einen Teilbereich des Spritzstrahls abbilden, können diese durch eine rotierende Spiegeloptik zum Abscannen verschiedener Strahlabschnitte ergänzt werden. Das modifizierte PIV-Verfahren wird dann als APV-Technik, d.h. A-real Particle Velocimetry bezeichnet. Aktive Systeme besitzen den Vorteil, dass alle Spritzpartikel unabhängig von ihrer Partikeltemperatur bzw. -größe erfasst werden. Als Strahlungsquelle dienen Blitzlampen oder Laser. Mittels Laser-Doppler-Anemometrie lassen sich die Partikelgeschwindigkeiten und deren Verteilung im Spritzstrahl sehr präzise erfassen. Das Messprinzip beruht auf der Detektion und Auswertung des Lichts, welches von Spritzpartikeln gestreut wird, die einen Interferenzbereich zweier Laserstrahlen durchqueren. Um den gesamten Spritzstrahl abzu-bilden, wird das relativ kleine Messvolumen mit Hilfe einer Vorschubeinheit entlang vorgegebener Rasterpunkte verschoben (Wielage 2005).

In der Fertigung dient die Prozessüberwachung vorrangig der Qualitätssicherung. Anlagenhersteller und Forschungsinstitute nutzen moderne Diagnostikmethoden zur Optimierung von Spritzbrennern und Prozessparametern (Landes 2007). Der Groß-teil der am Markt verfügbaren Technologien basiert auf optischen Messungen. Diese ermöglichen vielfältige Aussagen bspw. zur Prozessstabilität, zum Abschmelzverhal-ten drahtförmiger Zusätze, zur Partikel- und Partikelgeschwindigkeitsverteilung und zum Impactverhalten von Partikeln auf der Oberfläche (Abbildung 41). Taktile Mess-verfahren dienen bspw. der Überwachung der Bauteiltemperatur oder der Schichtdi-cke. Zur Überwachung der Prozessstabilität bzw. zur Erfassung von Prozessschwan-kungen kann eine akustische Datenerfassung hilfreich sein. Berührungslose IR-Punktsensoren und Wärmebildkameras werden ebenfalls zur Bauteiltemperatur-überwachung genutzt.
Besonders wichtig für die Prozessoptimierung ist die Messung von Partikelgeschwin-digkeiten und -temperaturen, da diese Parameter wesentlich die Schichteigenschaf-ten bestimmen. Die Herausforderungen ergeben sich dabei aus der sehr hohen Pro-zesskinetik und den gleichzeitig relativ schwachen Emissionen der Partikel. Neben passiven und notwendigerweise sehr empfindlichen Hochgeschwindigkeits-CCD-Kameras werden daher auch aktive, lasergestützte Systeme verwendet. Die Tabelle 4 zeigt eine Übersicht typischer Messmethoden und die zugehörigen Messgrößen. Bei bildgebenden Verfahren wird die belichtungszeitabhängige Partikelspur bzw. der bildweise Versatz von Partikeln analysiert und als gemittelter Wert bzw. Wertevertei-lung über den Strahlquerschnitt ausgegeben. Die Temperaturmessung am Partikel-freistrahl erfolgt mittels Pyrometrie bzw. Quotientenpyrometrie. Diese Temperatur-messungen sind jedoch nur von begrenzter Aussagekraft, da lediglich Informationen über der Partikeloberfläche gewonnen werden und der Emmissionsgrad in der Regel nicht bekannt ist. Da PIV-Systeme (Particle Image Velocimetry) aufgrund der einge-schränkten Tiefenschärfe und des begrenzten Bildausschnitts der Hochgeschwindig-keitskameras meist nur einen Teilbereich des Spritzstrahls abbilden, können diese durch eine rotierende Spiegeloptik zum Abscannen verschiedener Strahlabschnitte ergänzt werden. Das modifizierte PIV-Verfahren wird dann als APV-Technik, d.h. A-real Particle Velocimetry bezeichnet. Aktive Systeme besitzen den Vorteil, dass alle Spritzpartikel unabhängig von ihrer Partikeltemperatur bzw. -größe erfasst werden. Als Strahlungsquelle dienen Blitzlampen oder Laser. Mittels Laser-Doppler-Anemometrie lassen sich die Partikelgeschwindigkeiten und deren Verteilung im Spritzstrahl sehr präzise erfassen. Das Messprinzip beruht auf der Detektion und Auswertung des Lichts, welches von Spritzpartikeln gestreut wird, die einen Interfe-renzbereich zweier Laserstrahlen durchqueren. Um den gesamten Spritzstrahl abzu-bilden, wird das relativ kleine Messvolumen mit Hilfe einer Vorschubeinheit entlang vorgegebener Rasterpunkte verschoben (Wielage 05).


Abb. 41: Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen der Drahtspitzen beim Lichtbogenspritzen (links), des Spritzstrahls (Mitte) und der Spritzpartikel beim Auftreffen auf das Substrat (rechts)

Tabelle 4: Auswahl geeigneter Diagnostikverfahren für das Thermische Spritzen



(c) Dr.-Ing. Christian Rupprecht (Verwendung von Text- und Bildmaterial nur mit ausdrücklicher Erlaubnis)