Polarisationsgoniometer zur Detektion von 3D-Strukturen

Neuartiges, hochauflösendes Polarisationsmessgerät zur Vermessung von 3D-Geometrien, basierend auf Nutzung von Wärmestrahlung des Bearbeitungsprozesses.

• Sehr hohe zeitliche (bis zu 75 kHz) und räumliche (etwa 20 bis 50 µm) Auflösungen
• Temperaturen > 600 °C aufnehmbar
• Pyrometerfunktion integrierbar

• Optische Geometriemessgeräte
• Qualitätskontrolle, z.B. Schnittkantenauswertung beim Laserschneiden
• Wafer-Manufacturing
• Drahtauftragsschweißen
• Schweißnahtkontrolle

Die hochauflösende Betrachtung von infrarotabstrahlenden Oberflächen wird in vielen Bereichen benötigt, z.B. bei der Qualitätskontrolle von Metallbearbeitungs-vorgängen. Wenn dazu eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit herrscht, sind optische Verfahren mit hohen Framerates gefragt.

Bei der Laserbearbeitung, vor allem dem Laserschneiden, korreliert die Schnittqualität mit der Dicke des zu bearbeitenden Blechs. Die Qualität der Schnittkante wird hauptsächlich durch die absorbierte Intensität und den Schmelzfluss beeinflusst. Für die Verbesserung des Prozesses ist die Kenntnis der sich sehr schnell verändernden Oberflächengeometrie notwendig.

Zu diesem Zweck wurde am Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart ein Polarisationsgoniometer entwickelt, das die dreidimensionale Geometrie der Oberfläche des Werkstückes auf Basis der Polarisation der Wärmestrahlung abtastet und rekonstruiert. Der Aufbau des Messgeräts besteht aus einer eigens entwickelten Optik, die mit einer Hochgeschwindigkeitskamera kombiniert wird. Um einen komplexen Brechungsindex für die Messung anzunehmen, ist ein auf die Materialeigenschaften angepasster Bandpassfilter integriert. So können die Schneidfronten mit bis zu 75.000 fps ausgewertet werden. Das Polarisationsgoniometer ist für alle Anwendungen geeignet, bei denen das Werkstück Wärmestrahlung emittiert und hohe Auflösungen benötigt werden.

Michael Sawannia, Peter Berger, Michael Jarwitz, Rudolf Weber, and Thomas Graf, "Thermal emission-based geometry determination of hot surfaces generated during laser material processing", ICALEO 2018, 603 (2018) https://doi.org/10.2351/7.0004014

M. Sawannia, P. Berger, M. Jarwitz, R. Weber, und T. Graf, „Determination of the 3D-Geometry of Cutting Fronts with High Temporal Resolution“, gehalten auf der LiM, Lasers in Manufacturing, München, Bayern, Deutschland, 2019

Michael Sawannia et al 2021 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 1135 012013, “Determination of the geometry of laser-cutting fronts with high spatial and temporal resolution”