Der Verschmutzung auf der Spur – Bauteilsauberkeit und Qualitätssicherung

Versuchsaufbau zur Charakterisierung der entstehenden Fluoreszenz unterschiedlicher Öl- und Schmierstoffe. Darstellung mit aktiv beleuchteter Öl-Probe.

Der fettige Fingerabdruck auf dem Edelstahlkühlschrank, die Spritzer vom Frittierfett auf der Arbeitsplatte, das Fahrradöl am Hosenbein – was im Haushalt oft nur ein ärgerliches und hartnäckiges optisches Problem darstellt, ist in der Industrie ein wichtiges Kriterium für reibungslose Fertigungsprozesse. Verschmutzungen wie Öle, Fette, Schmierstoffe oder Rückstände von Konservierungsstoffen und Trennmitteln auf Bauteilen können nachfolgende Fertigungsschritte wie Schweißen, Kleben, Beschichten oder Lackieren behindern und sogar die Funktion der Bauteile beeinträchtigen. Deshalb ist die Sauberkeit von Bauteiloberflächen heute in fast allen Branchen ein wichtiges Qualitätsmerkmal.

Gutes Beispiel für die Bedeutung von Sauberkeitsanalysen ist die deutsche Automobilindustrie: 2017 lag die Ausschussquote durchschnittlich bei 300 ppm (Parts per Million), wovon 10 bis 15 Prozent auf Verschmutzungen zurückzuführen waren. Zur Erfassung dieser Verunreinigungen auf qualitätssensitiven Automobil-Bauteilen wie Zylindern, Einspritzdüsen oder Getriebelagern stehen bisher vor allem aufwendige, teure und gleichzeitig langsame Messverfahren zur Verfügung. Darüber hinaus können diese Geräte häufig die unterschiedlichen Arten von Verschmutzungen (in Kombination mit dem dazugehörigen Verschmutzungsgrad) nicht ermitteln (z.B. Lagerfett, Kühlmittel oder Hautfett), was aber für eine schnelle Ursachenbeseitigung zwingend notwendig ist.

Im Labor für Radartechnologie und optische Systeme (LaROS) beschäftigt sich das Team um Andreas Werledaher mit der Entwicklung eines kostengünstigen, schnellen und gleichzeitig differenziert messenden Fluoreszenz-Sensors. Dieser basiert auf einem Monochromator (Strahlteiler) und einem sCMOS-Bildsensor und kann filmische Verschmutzungen auf metallischen Bauteilen nicht nur sicher erkennen, sondern diese auch der Herkunft nach bestimmen.

Berührungslose Fluoreszenz-Messgeräte sind seit langem bekannt und basieren auf der Eigenschaft organischer Substanzen wie z.B. Ölen oder Fetten, bei Anregung mit UV-Licht zu fluoreszieren. Die Intensität der Fluoreszenz ist dabei abhängig von der Schmutzmenge auf der Oberfläche. Neu am geplanten Sensor-Konzept ist, dass es nicht nur die Schichtdicke bestimmen kann, sondern über das detektierte Emissionsspektrum auch Aufschluss über den Stoff bzw. die Stoffgruppe der filmischen Verschmutzung gibt. So wäre es beispielsweise möglich, Leckagen in einem bestimmten Kühlmittel-Kreislauf sofort zu identifizieren oder eine unsachgemäße Handhabung der Bauteile durch Mitarbeiter (Hautfett) nachzuweisen. Genau hier liegt der Schlüssel zu einer wirksameren Qualitätssicherung. Durch zielgerichtete Reinigungsprozesse und die schnelle Beseitigung von Verschmutzungsursachen können sowohl Ausschussquoten als auch Stillstandzeiten bei der Fertigung anspruchsvoller mechanischer Bauteile wirksam reduziert werden. 

Auftretende Fluoreszenz eines Schneidöls angeregt durch eine 365 nm UV-Beleuchtung.

Versuchsaufbau zur Charakterisierung von entstehenden Fluoreszenz. Die beiden System-Hauptkomponenten bestehen dabei aus einer UV-Beleuchtung („Herzstück“ zur Anregung der Fluoreszenz) und einer hyperspektral messenden Kamera („Auge“ des Systems, dient zur Aufzeichnung der entstehenden Fluoreszenz).

Inspektion eines Probenträgers vor der Vermessung.

Spektralaufgelöste Fluoreszenz von 4 verschiedenen Öl-Proben je 50 ul Tropfen. Von links nach rechts: Motoröl; Hydrauliköl; Bohröl; Schneidöl.