Schnelle und berührungslose Inline-Überwachung industrieller Prozesse mit Laser-Speckle-Photometrie

Speckle-Muster werden bereits seit den 1960er Jahren für die Bewertung qualitätsrelevanter Werkstoffgrößen und Defekte genutzt. Die am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden entwickelte Laser-Speckle-Photometrie (LSP) kommt im Gegensatz zu anderen speckle-basierten Verfahren ohne Referenzstrahl aus. Dadurch ist ein einfacher und zugleich robuster Aufbau möglich, der in die Prozessleittechnik integriert werden kann. Messung und Berechnung der gewonnenen Daten erfolgen in Echtzeit. Aktuell fokussiert man am Fraunhofer IKTS die Inline-Prozessüberwachung z. B. von additiven Verfahren, Beschichtungs- und biotechnologischen Prozessen. Die Prüfmethode ist jedoch auch für eine Vielzahl weiterer Anwendungen in der Prozessüberwachung und -steuerung geeignet.

Die Laser-Speckle-Photometrie basiert auf der Auswertung der zeitlichen Veränderung von Speckle-Mustern und eignet sich dadurch zur Ermittlung von Porosität und Oberflächendefekten unterschiedlichster Materialien. Ein Speckle-Muster wird sichtbar, wenn eine raue Oberfläche mit einer kohärenten Lichtquelle beleuchtet wird. Dabei entsteht eine räumliche Struktur mit zufällig verteilten Intensitäten, die mittels CMOS-Chip ausgelesen werden können. Wird das untersuchte Objekt zudem thermisch oder mechanisch angeregt, lassen sich aus geringsten Veränderungen der Speckle-Muster Rückschlüsse auf Materialeigenschaften ziehen.

Das am Fraunhofer IKTS entwickelte System besteht aus Sensor, Elektronik, Hard- und Software sowie der Auswerte-Algorithmik. Durch den modularen Aufbau kann es an eine Vielzahl von Problemstellungen angepasst werden. Neben geometrischen Kenngrößen sind auch Werkstoffparameter, wie Porosität und Härte, Spannungsänderungen an der Oberfläche oder spezielle Prozessgrößen zerstörungsfrei bestimmbar. Inzwischen ist es ebenfalls möglich, anhand der Speckle-Temperatur und der Frequenzanalyse Oberflächendefekte in metallischen Werkstoffen, die kleiner als 10 µm sind, nachzuweisen. Aufgrund der kurzen Messzeiten der LSP ist das Verfahren für den Inline-Einsatz in der industriellen Produktion und für in-situ-Messungen bei Wartungs- und Reparaturaufgaben geeignet.

Aufbau des Demonstrators für die Laser-Speckle-Photometrie zur Inline-Prozessüberwachung
© Foto Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

Aufbau des Demonstrators für die Laser-Speckle-Photometrie zur Inline-Prozessüberwachung