Schnelle, präzise und zerstörungsfreie Prozessüberwachung mit Laser-Speckle-Photometrie

Aufbau Laser-Speckle-Photometrie
© Fraunhofer IKTS
Schematischer Aufbau der Laser-Speckle-Photometrie
Laser-Speckle-Photometrie zur Prozessüberwachung
© Fraunhofer IKTS
Demonstrator für die Laser-Speckle-Photometrie zur Inline-Prozessüberwachung

Bereits seit den 1960er Jahren werden Speckle-Muster für die Bewertung qualitätsrelevanter Werkstoffgrößen und Defekte genutzt. Im Gegensatz zu anderen speckle-basierten Verfahren kommt die am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden, entwickelte Laser-Speckle-Photometrie ohne Referenzstrahl aus, wodurch ein einfacher und zugleich robuster Aufbau möglich ist, der problemlos in die Prozessleittechnik integriert werden kann. Messung und Berechnung der gewonnenen Daten erfolgen in Echtzeit. Der Fokus der Forschung am Fraunhofer IKTS liegt momentan in der Inline-Prozessüberwachung, wie additive Verfahren und Beschichtungs- und biotechnologische Prozesse. Die Prüfmethode ist jedoch für eine Vielzahl weiterer Anwendungen geeignet.

Basis der Laser-Speckle-Photometrie ist die Auswertung der zeitlichen Veränderung von Speckle-Mustern. 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 und es können Porositäten oder Oberflächendefekte unterschiedlichster Materialien ohne großen Aufwand ermittelt werden.

Das vorgestellte LSP-System besteht aus Sensor, Elektronik, Hard- und Software sowie der Auswerte-Algorithmik. Da es modular aufgebaut ist, kann es an eine Vielzahl von Problemstellungen angepasst werden. Zerstörungsfrei bestimmt werden können neben geometrischen Kenngrößen auch Werkstoffparameter, wie Porosität und Härte, Spannungsänderungen an der Oberfläche oder spezielle Prozessgrößen. Mittlerweile ist es möglich, anhand der Speckle-Temperatur und der Frequenzanalyse in metallischen Werkstoffen Oberflächendefekte kleiner 10 µm nachzuweisen. Die extrem kurzen Messzeiten der LSP prädestinieren das Verfahren für den Inline-Einsatz in der industriellen Produktion, aber auch für in-situ-Messungen bei Wartungs- und Reparaturaufgaben.

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Dr.-Ing. Beatrice Bendjus

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