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Qualitätsprüfung von Platten aus technischer Keramik

Qualitätsprüfung von Platten aus technischer Keramik
Qualitätsprüfung von Platten aus technischer Keramik
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1- Einleitung

2- Optisches Messsystem

3- Verwendete Messtechnik

4- Prüfablauf

5- Weitere Anwendungen

6- Fazit und Ausblick

 

Einleitung

Technische Keramik hat sich aufgrund ihrer hohen Festigkeit, ihrer Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit sowie ihrer exzellenten Materialeigenschaften in zahlreichen Anwendungsfeldern etabliert. Vor allem großflächige Keramikplatten mit geringer Stärke kommen in Bereichen wie der Halbleiterindustrie, in Filtertechnologien oder in der biologischen und chemischen Analytik zum Einsatz. Eine besondere Herausforderung stellt jedoch die Qualitätssicherung dar, da bereits geringe Material- oder Verarbeitungsfehler zu Fehlfunktionen, Instabilitäten oder Passungenauigkeiten führen können. Im Folgenden wird ein neuartiges Mess- und Prüfsystem vorgestellt, das speziell auf die hochpräzise Qualitätsprüfung keramischer Platten und Verbundbauteile zugeschnitten ist.

 

optische Messzelle

 

Der Brennprozess ist bei Erzeugnissen aus technischer Keramik ein besonders kritischer Schritt. Für die Erzielung der gewünschten Materialeigenschaften und einer einwandfreien dimensionsgenauen Form ist sowohl die präzise Steuerung des zeitlichen Temperaturprofils als auch eine homogene Temperaturverteilung während des Sinterns essenziell. Kommt es infolge ungleichmäßiger Temperaturverteilung oder inhomogener Zusammensetzung zu lokal unterschiedlichen Schrumpfungen, treten häufig Verformungen, Spannungen oder sogar Risse und Brüche auf.

Solche Defekte bleiben oftmals lange unentdeckt und machen sich erst in nachfolgenden Bearbeitungsschritten bemerkbar, beispielsweise beim Zuschnitt, Schleifen oder bei der Montage zu passgenauen Verbundkomponenten. Um diesen Risiken frühzeitig zu begegnen und Ausschuss zu minimieren, hat Dimensionics ein flexibles und leistungsfähiges Mess- und Prüfsystem entwickelt. Dieses System ermöglicht sowohl eine prozessbegleitende Prüfung einzelner Keramikplatten als auch eine End-of-Line-Qualitätskontrolle komplett zusammengesetzter Komponenten (z.B. Keramik-Metall- oder Keramik-Kunststoff-Verbundbauteile).

 

Optisches Messsystem

Kern des vorgestellten Systems ist ein modulares, optisches Messkonzept, das sich flexibel an unterschiedliche Prüfaufgaben anpassen lässt. Die Kombination aus 2D- und 3D-Sensorik, ergänzt durch hochauflösende 1D-Positionssensoren, erlaubt eine ganzheitliche Erfassung relevanter Merkmale. Neben einer umfassenden Erkennung von Material- und Dimensionsfehlern bietet das System zudem die Möglichkeit, Montagefehler bei Verbundkomponenten automatisch zu detektieren. Die Qualitätsprüfung deckt insbesondere folgende Fehlerklassen ab:

  1. Materialfehler:
    • Verformungen der Keramikfilter (z.B. Bögen oder Wellen), hervorgerufen durch inhomogene Sinterprozesse
    • Randausbrüche, Poren und Risse in der Keramik
    • Materialeinschlüsse und Verunreinigungen

  2. Dimensionale Abweichungen:
    • Prüfungen von Länge, Breite, Dicke und Durchmessern an verschiedenen, definierbaren Positionen
    • Winkelmessungen zur Detektion von Abweichungen zwischen einzelnen Komponenten

  3. Montagefehler:
    • Fehlende oder falsch positionierte Bauteile bei Verbundkomponenten
    • Unzureichender oder falsch applizierter Klebstoff bei Fügeverbindungen

    optische Messzelle_2-1

 

Verwendete Messtechnik

Das Mess- und Prüfsystem setzt auf mehrere hochpräzise Sensoren, die die Erfassung sämtlicher prüfrelevanter Merkmale ermöglichen:

  • 2 Laser-Profilsensoren (Hersteller: LMI)
    Die Laser-Profilsensoren messen das Bauteil im Durchlauf sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite. Mithilfe des optischen Triangulationsverfahrens lassen sich zwei- und dreidimensionale Geometrieabweichungen präzise erfassen.
  • 2 Lichtbandmikrometer (Hersteller: Keyence)
    Diese hochauflösenden 1D-Sensoren untersuchen besonders kritische Außenkanten hinsichtlich Kantenposition, Breite und Durchmessern. Auf diese Weise können kleinste Geometriefehler an den Rändern der Keramikplatte schnell und zuverlässig detektiert werden.
  • 4 Zeilenkameras (Hersteller: Keyence, System: XG-X)
    Die zeilenbasierte Bildverarbeitung prüft in einem Durchlauf die Deck- und Seitenflächen der Werkstücke. Zur Detektion verschiedener Fehlertypen werden mehrere Beleuchtungsmodi genutzt:
    1. Auflicht – Zur Identifikation oberflächlicher Verunreinigungen und Kantenausbrüche.
    2. Durchleuchtung – Zum Auffinden von Rissen und innenliegenden Materialfehlern (z.B. Poren oder Einschlüsse).
    3. Fluoreszenzbildgebung unter UV-Licht – Zur Sichtbarmachung von Kleberrückständen, unvollständigen Klebungen oder unregelmäßigem Materialauftrag.

optische Messzelle_3

 

Diese Sensorik lässt sich mittels Standard-Systemen zur technischen Bildverarbeitung (Keyence, LMI) über eine grafische Benutzeroberfläche konfigurieren. Änderungen an Prüfmerkmalen oder Anpassungen an neue Bauteilgeometrien sind damit ohne tiefgreifende Programmierkenntnisse durchführbar. Zudem besteht die Möglichkeit, zusätzliche Sensoren oder Aktoren einzubinden, etwa Beschriftungssysteme oder taktile Messmodule.

 

Prüfablauf

Der Prüfprozess ist weitestgehend automatisiert und gliedert sich in die folgenden Schritte:

  1. Auftragsdaten laden
    Nach dem Scannen der Auftragsnummer werden alle relevanten Messvorgaben (Prüfgrenzen, Toleranzen, Bauteilparameter) automatisch aus dem MES-System des Kunden übernommen.
  2. Werkstückpositionierung
    Der Anwender legt das Bauteil auf den dafür vorgesehenen Träger im Messsystem. Sobald die Sicherheitstür geschlossen ist, startet der Messzyklus.
  3. Optische Vermessung
    Mit Hilfe einer Linearachse wird das Werkstück unter den Sensoren durch das System transportiert. Die Taktzeit liegt je nach Prüfaufgabe und erforderlicher Auflösung zwischen ca. 10 und 30 Sekunden.
  4. Datenverarbeitung und -auswertung
    Alle erfassten Geometriedaten und Bildinformationen werden in Echtzeit analysiert. Basierend auf den vorgegebenen Prüfgrenzen generiert das System ein OK/NiO-Ergebnis (Gutteil/NiO-Teil).
  5. Ergebnisrückmeldung
    Nach Abschluss des Prüfzyklus bewegt sich die Linearachse in die Ausgangsposition zurück. Der Anwender kann das geprüfte Werkstück entnehmen, während die Messergebnisse automatisch in das MES-System übertragen werden.

Das Gesamtsystem ist in unterschiedlichen Ausbaustufen verfügbar: von einer kompakten, manuell zu beladenden End-of-Line-Prüfstation bis hin zu einer vollautomatischen In-Line-Anlage mit direkter Einbindung in Fertigungsstraßen. Durch entsprechende Skalierung lassen sich verschiedene Bauteilgrößen und Massen flexibel abbilden.


optische Messzelle_4

 

Weitere Anwendungen

Obwohl das vorgestellte Mess- und Prüfsystem insbesondere auf die Anforderungen bei der Fertigung keramischer Platten optimiert ist, bietet es darüber hinaus vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Grundsätzlich kann jede Anwendung, bei der im Durchlauf eine rundum optische Zugänglichkeit des Werkstücks gewährleistet ist, von diesem System profitieren. Spiegelnd reflektierende Oberflächen bedürfen allerdings einer vorab durchzuführenden Machbarkeitsanalyse, um mögliche Messunsicherheiten auszuschließen. Abgesehen davon gibt es keine grundsätzlichen Einschränkungen hinsichtlich des Materials oder der Bauform.


Fazit und Ausblick

Die Sicherstellung eines konstant hohen Qualitätsniveaus ist in der keramischen Fertigung essenziell, da bereits geringe Struktur- und Materialfehler zu erheblichen Funktions- und Stabilitätsproblemen führen können. Das von Dimensionics entwickelte optische Mess- und Prüfsystem gewährleistet eine vollautomatische, umfassende Inspektion und Vermessung keramischer Bauteile. Dank der flexiblen Kombination aus unterschiedlichen Sensorprinzipien (2D-, 3D- und 1D-Sensorik) sowie verschiedener Beleuchtungsmodi lassen sich sowohl Dimensionstoleranzen als auch Oberflächen- und Materialfehler zuverlässig erkennen. Zusätzlich eröffnet die modulare Systemarchitektur Perspektiven für die schnelle Anpassung an neue Prüfaufgaben und bietet somit eine zukunftssichere Lösung für eine wachsende Bandbreite an Anwendungen in der Technischen Keramik und darüber hinaus.