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Optimierte Sonden zur Schichtdickenmessung

Komplizierte Messaufgaben sicher lösenDie moderne Welt ist geprägt von technischen Ober�ächen. Die aufgebrachten Beschichtungen sind

maßgeblich für die optimale Funktion eines Gegenstandes. So vielfältig wie die Messaufgaben im

industriellen Umfeld ist auch das Angebot an Sonden zur Schichtdickenmessung, selbst für komplexe

Teilegeometrien oder dünnste Schichten im Mikrometerbereich.

Immer wieder tauchen besonders he-rausfordernde Messaufgaben auf,

für die nur eine spezielle Sondenlö-sung präzise Messergebnisse liefern kann. Deshalb werden bei der Helmut Fischer GmbH je nach Bedarf indivi-duelle Messsonden entwickelt, um ein Maximum an Wiederholpräzision und Richtigkeit bieten zu können.

Ein Beispiel dafür ist die Hohl-raumsonde V3GFA06H, die speziell für die Messung von KTL-Beschichtun-gen in schwer zugänglichen Hohlräu-men entwickelt wurde. Mit ihrem klei-nen, �exibel aufgehängten, sich selbst ausrichtenden Sondenkopf mit Drei-punktau�age kann die Sonde auch oh-ne Sichtkontakt stets sicher und repro-duzierbar selbst an gekrümmten In-nen�ächen aufgesetzt werden. Dadurch wird die Zerstörung von Karosserietei-len für die Qualitätsprüfung hinfällig.

Besondere Messaufgaben an AutomobilteilenGerade in der Automobilindustrie gibt es immer wieder neue Anforderungen, die nach speziellen Sonden verlangen. Ein weiteres Beispiel dafür ist der Ein-satz von spritzbarer Akustikdämm-masse, sogenannter SAM-Schichten, die neben dem Schallschutz auch der Gewichtsreduzierung im Fahrzeugin-nenraum dienen, denn diese nur lokal aufgebrachten Schichten ersetzen groß-�ächige und schwere Schallschutzmat-ten. Die typische Schichtdicke einer solchen SAM-Schicht beträgt circa 2 bis 4,5 mm und wird auf unterschied-lichem Grundmaterial (Stahl oder Alu-minium) eingesetzt.

Speziell für diese Messaufgabe wurde die Sonde FA14 entwickelt, die

nach dem Wirbelstromverfahren ar-beitet. Dabei waren neben dem Mess-bereich weitere Rahmenbedingungen zu erfüllen: Die schallabsorbierenden SAM-Schichten werden o� an schwer zugänglichen Stellen aufgetragen, was ein kompaktes Sondendesign und ei-nen möglichst geringen Randein�uss erfordert. Zudem muss der Einsatz auf den verschiedenen Grundmaterialien möglich sein.

Die Sonde FA14 ist so ausgelegt, dass damit nicht-leitende Schichten

bis mindestens 5 mm Dicke auf Alu-minium (leitfähiger, nicht-magneti-sierbarer Grundwerkstoff) und auch auf Stahl (magnetisierbarer Grund-werksto�) gemessen werden können. Die Winkelausführung der Sonde er-laubt eine präzise Messung auch in schwer zugänglichen Bereichen. Der äußere Gehäusedurchmesser beträgt 20 mm, die Feldfokussierung ist dabei so optimiert, dass bereits bei gleich-großen Messf lächen ohne Randein-�uss gemessen werden kann. Die Son-de ist leitfähigkeitskompensiert – die Unterschiede in der Leitfähigkeit des Grundwerksto�s, zum Beispiel bei un-terschiedlichen Aluminiumlegierun-gen, beeinf lussen die Schichtdicken-messung also nicht.

Enge ToleranzenEin weiteres Anwendungsbeispiel kommt ebenfalls aus der Automobilin-dustrie, wo für Magnetventile von Pkw-Automatikgetrieben sogenannte An-ker eingesetzt werden. Um die Funk-tionsfähigkeit dieser Magnetventile sicherzustellen, müssen die Anker bis auf wenige µm genau in eine Zylinder-form passen (Hüllforderung), um nicht durch Pendelbewegungen zu verkanten oder zu verklemmen und dementspre-chend sehr gleichmäßig beschichtet werden. Dies erfordert wiederum eine strenge Qualitätsüberwachung. We-gen dieser geforderten hohen Maßhal-tigkeit werden immer häu�ger strom-los aufgetragene Metallschichten, wie zum Beispiel chemisch Nickel verwen-det, da diese eine sehr gleichmäßige Be-schichtung ermöglichen.

In diesem Beispiel werden Stahl-Anker für Magnetventile mit einer cir-

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Einführung der Sonde zur Messung der KTL-Schicht in einem Karosserieteil

Messung lokal aufgebrachter SAM-Schichten im Beifahrer-Fußraum

MESSEN & PRÜFEN J O U R N A L F Ü R O B E R F L Ä C H E N T E C H N I K

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ca 60 bis 70 µm dicken NiP-Schicht mit einem Phosphorgehalt von mindestens 10 Prozent überzogen und anschlie-ßend passgenau geschli�en. Die Dicke der geschli�enen Schicht beträgt circa 50 µm und muss innerhalb eines Tole-ranzbereichs von +/- 4 µm liegen. Die Beschichtung selbst ist unmagnetisch und kann zur Wareneingangskontrol-le und/oder nach dem Schleifen mit der Sonde FGAB1.3 nach dem magnetin-duktiven Verfahren gemessen werden.

Die Sonde wird mit Hilfe eines Stativs aufgesetzt, um eine gleichmä-ßige Sondenpositionierung ohne Ver-kippen zu ermöglichen. Dadurch wird der Bedienerein�uss minimiert und es können äußerst wiederholgenaue Mes-sungen erzielt werden. Die Standard-abweichung beträgt bei Messung der geschli�enen Schicht durchschnittlich 0,3 µm, wobei die Messgerätestreuung mit 0,03 µm zu vernachlässigen ist. Für die geforderten Toleranzen ist damit die Messmittelfähigkeit sicher erfüllt.

Unterschiedliche GeometrienAber auch für andere Branchen und In-dustrien wurden eigene Sonden entwi-ckelt, so zum Beispiel für die Messung von lackierten Aluminium-Jalousien. Hier ist die Geometrie der Jalousie-La-mellen die Herausforderung, die es zu meistern gilt, denn die Lackdicke soll sowohl auf der konvexen als auch auf der der konkaven Seite bestimmt wer-den, ohne jedes Mal neu kalibrieren zu

müssen. Dabei ist gerade das hier ein-gesetzte Wirbelstrom-Verfahren äu-ßerst emp�ndlich gegenüber Geomet-rie-Änderungen. Schichten auf konvex gekrümmtem Grundmaterial werden überhöht gemessen, bei einer konkaven Krümmung des Grundmaterials wird eine zu kleine Schichtdicke ermittelt.

Um mit einer konventionellen Son-de präzise messen zu können, müsste für jeden Krümmungsradius eine ei-gene Kalibrierung auf einem unbe-schichteten Werkstück durchgeführt werden, etwa eine Kalibrierung auf ei-ner unbeschichteten Lamelle. Spezi-ell für solche Anwendungen wurde ei-ne krümmungskompensierte Sonde (Typ FTD3.3) entwickelt, mit welcher auf einem �achen Blech kalibriert wer-den kann, ohne dass das spätere Mess-ergebnis durch die Krümmung ver-fälscht wird.

Raue Ober�ächenUnregelmäßige Oberf lächenstruktu-ren – die sogenannte Rauheit – wie sie zum Beispiel bei Gusseisen oder sand-gestrahlten Stahlober�ächen vorkom-men, erschweren die Schichtdicken-messung der darüber liegenden Lack-schicht. Durch die Unebenheit des

Grundwerkstoffes kommt es zu gro-ßen Schwankungen der Messwerte. Ei-ne quantitative Aussage über den Grad der Beeinf lussung ist jedoch schwie-rig, da diese von mehreren Parame-tern, wie beispielsweise der Rauigkeits-struktur und der Schichtdicke abhängt. Misst man mit einer normalen einpo-ligen Sonde, ergibt die Messung auf ei-ner Rauigkeitsspitze oder im Tal unter-schiedliche Messwerte bei tatsächlich gleicher Schichtdicke. Die Feldlinien des Sonden-Magnetfelds werden da-bei unterschiedlich von Tal und Spit-ze beein�usst. Bei Sonden mit großem Sondenpol und bei Zweipolsonden wird dieser E�ekt und somit der Ein-f luss der Rauheit deutlich minimiert und die Anzahl der nötigen Messun-gen zur Absicherung von Mittelwert und Standardabweichung kann redu-ziert werden.

Die Zweipolsonde (Typ V7FKB4) wurde speziell für die präzise Mes-sung von Lackschichten auf rauen Oberf lächen entwickelt. Gegenüber einpoligen Sonden mit kleinem Son-denpoldurchmesser werden deutlich geringere Streuungen und sehr gu-te Wiederholpräzision erreicht, wobei die Richtigkeit der Messung vor allem von einer sorgfältigen Kalibrierung ab-hängt. Mit der neu entwickelten Son-de reduziert sich der Kalibrieraufwand auf Originalteilen deutlich, da zur Ab-sicherung der Messwerte weniger Mes-sungen notwendig sind.

Die Lackdicke auf Jalousien soll sowohl auf der konvexen als auch auf der konkaven Lamellenseite bestimmt werden, ohne jedes Mal neu kalibrieren zu müssen – diese Aufgabe stellt besondere Ansprüche an die Messtechnik

Vergleichsmessung mit einer konventionellen Sonde im Vergleich zu einer krümmungskompensierten Sonde

Lackdickenmessung auf rauer Ober�äche

Kontakt:Helmut Fischer GmbH, Sindelfingen-Maichingen, Tel. 07031 3030, mail@helmut-fischer.de, www.helmut-fischer.de