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, 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 zerstörungsfreie Prüfmethode ist zudem für eine Vielzahl weiterer Anwendungen in der Prozessüberwachung und -steuerung geeignet.

Aufbau des Demonstrators für die Laser-Speckle-Photometrie
© Fraunhofer IKTS

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

Die Laser-Speckle-Photometrie basiert auf der Auswertung der zeitlichen Veränderung von Speckle-Mustern und eröffnet die Möglichkeit, ohne großen Aufwand, Porosität und Oberflächendefekte unterschiedlichster Materialien zu ermitteln. 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 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 auch möglich, anhand der Speckle-Temperatur und der Frequenzanalyse Oberflächendefekte in metallischen Werkstoffen, die kleiner als 10 µm sind, nachzuweisen. Aufgrund der extrem 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.