Modellbasierte optische und photothermische Schichtdickenmessung für den prozessnahen und In-Prozess-Einsatz in Fertigungsverfahren

Abstract

Die Gewährleistung einer akzeptablen Fertigungsqualität von miniaturisierten oder korrosionsbeständigen metallischen Bauteilen ist eine große technische Herausforderung. Diese Herausforderung wird durch thermochemische Fertigungsverfahren, wie der laserchemischen Bearbeitung und dem Nitrieren, bewältigt. Aufgrund der komplexen und schwer zugänglichen Prozessumgebungen dieser Verfahren existiert jedoch keine prozessnahe Messtechnik für die erzeugten Mikrostrukturen bzw. Nitrierschichten. Die laserchemisch erzeugten Mikrostrukturen sind von einer Flüssigkeitsschicht bedeckt und können bisher nur unter Laborbedingungen gemessen werden, indem man sie aus der Prozessumgebung herausnimmt. Beim Nitrierprozess kann die Nitridschichtbildung nur indirekt und unzuverlässig durch Gassensoren im 550°C-Nitrierofen vorhergesagt werden. Angesichts der fehlenden Messtechnik für die in beiden Verfahren entstehenden Schichten ist die Entwicklung geeigneter Messverfahren von großer Bedeutung. Für die Anwendung in diesen komplexen Fertigungsumgebungen werden die optischen Schichtdickenmessverfahren der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie und der photothermischen Radiometrie untersucht. Der Fokus lag auf der Entwicklung und Anwendung von Signalmodellen, für die Schichtdickenquantifizierung, sowie auf der Untersuchung beider Messverfahren hinsichtlich ihrer Messbarkeits- und Anwendungsgrenzen. Im Ergebnis wurde trotz der Nichtlinearität der Systeme erstmalig ein messtechnischer Zugang für beide thermochemischen Fertigungsverfahren geschaffen. Quantitative Schichtdickenmessungen der LCM-Fluidschicht und der Nitrierschicht wurden durch die physikalische Modellierung der Messprinzipien selbst in der chaotischen LCM-Fluidumgebung bzw. dem heißen Nitrierofen mit Mikrometerunsicherheit ermöglicht.