Industrielle Anwendungen in der Lasermesstechnik für Prozessführung und Qualitätssicherung in der Produktion

Die meisten modernen Produktionsprozesse haben einen hohen Automationsgrad erreicht. Für eine sichere Prozessführung müssen sowohl die einzelnen Prozessschritte als auch die Qualität der hergestellten Halbzeuge und Produkte laufend überwacht und geprüft werden. Berührungsfreie Messverfahren, die auch Online einsetzbar sind, erlauben die kürzest möglichen Reaktionszeiten für eine effiziente Prozessregelung. Lasermessverfahren sind für diese Aufgaben aus folgenden Gründen prädestiniert: a) kein mechanischer Kontakt zum Messobjekt erforderlich, b) hohe Messgeschwindigkeit, c) unabhängig vom Umgebungslicht und der Temperatur des Messobjekts, d) schnelle Anpassung an unterschiedliche Oberflächeneigenschaften des Prüfobjekts. Der Laser ist für optische Messverfahren die vielseitigste Lichtquelle. Typische Abstände zwischen einem Lasersensor und dem Messobjekt liegen je nach Anwendung in der Produktionstechnik im Bereich von wenigen Millimetern bis zu einigen Metern. Dies erlaubt eine flexible Integration von Lasermessanlagen in die Prozesslinie. Lasermessverfahren sind unabhängig vom Umgebungslicht, da die Laserstrahlung eine hohe spektrale Leistungsdichte besitzt (Leistung pro Fläche, pro Raumwinkel, pro Wellenlängenintervall). Laserstrahlung ist in ihrer Intensität trägheitslos modulierbar, d.h. die Intensität kann als Funktion der Zeit schnell variiert werden. Damit kann eine wirksame Anpassung an veränderliche Oberflächen- oder Materialeigenschaften eines Messobjekts erreicht werden. Die Lebensdauer moderner Halbleiterlaser für messtechnische Aufgaben reicht bis über 50 000 Stunden und überschreitet damit bei weitem die Lebensdauer konventioneller thermischer Lichtquellen. Alle Lasermessverfahren beruhen darauf, dass bei der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Messobjekt mindestens ein Parameter der Laserstrahlung verändert wird. Diese Parameter sind: die Amplitude, der Wellenvektor (beschreibt die Richtung des Laserstrahls und die Wellenlänge), die Frequenz und die Polarisation (beschreibt die Richtung des elektrischen Feldes der Laserwelle). Messgrößen sind vor allem geometrische Größen, zeitliche Änderungen geometrischer Größen, Konzentrationen und Teilchendichten, Temperaturen sowie werkstoffliche Kenngrößen. Im Rahmen dieses Beitrags wird insbesondere auf Verfahren zur Messung geometrischer Größen und deren zeitliche Veränderungen eingegangen.