Optisches Inline-Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung keramischer Hochleistungsbauteile

Bauteile aus technischer Keramik werden in vielen Industriebereichen erfolgreich eingesetzt. Für schnelle, inlinefähige Prozessüberwachungen im Fertigungsprozess gibt es bisher keine befriedigenden industrietauglichen Lösungen. Gängige Verfahren sind in der Regel aufwendig und die Geräte können nur schlecht oder gar nicht in den Produktionsprozess eingebunden werden.

Die zeitaufgelöste Laser-Speckle-Photometrie (LSP) ist ein junges Verfahren, das sich für die optische Defektkontrolle eignet. Es eröffnet die Möglichkeit, Porosität und Oberflächendefekte verschiedener Art und Größe inline zu ermitteln. Im Vergleich zu konkurrierenden Messmethoden zeichnet sich die LSP durch einen einfachen, robusten Aufbau und geringe Kosten aus.

Das Verfahren basiert auf der Auswertung der zeitlichen Veränderung von Speckle-Mustern. Dafür wird eine optisch raue Oberfläche mit einem Laserstrahl beleuchtet. Durch Reflexion an der Oberfläche entstehen Interferenzmuster, die sogenannten Speckles. Eine kurze thermische Anregung führt zu Veränderungen der Speckle-Muster, die mit einer Kamera aufgenommen werden.

Im Rahmen des IGF-Vorhabens OptiKer wurde ein auf der LSP basierendes Konzept für die Qualitätsüberwachung von keramischen Werkstoffen entwickelt.

In einem ersten Schritt wurden Proben in Form von dichten Al₂O₃-Bauteilen (z. B. Na-β‘‘-Aluminat) sowie poröse oxidische, silikatische und nichtoxidische Keramiken hergestellt und charakterisiert. Parallel entstand ein robotergeführter Demonstrator. Dieser bestimmt die Porosität und detektiert Defekte von minimal 70 µm an ungesinterter und gesinterter Keramik. Durch die Änderung der Speckle-Amplitude können zudem Porositätsabweichungen in gesinterter Keramik nachgewiesen werden. Die Mess- und Auswertezeit für eine Flachprobe mit ø 30 mm beträgt vier Minuten und kann durch Einsatz leistungsstarker Rechentechnik noch deutlich verkürzt werden.  

Projektzeitraum: 01.03.2018 bis 31.12.2020

Projektträger: Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)