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5-2021

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Detektion von Ölschichten auf metallischen Oberflächen: Ein Vergleich der Messverfahren telt werden, um die Gewichtsdifferenz zu bestimmen. Um nun vom Flächen gewicht auf die Schichtdicke schließen zu können ist die Information über die Dichte des jeweiligen Öles sowie die Fläche des jeweiligen Bauteils erforderlich. Nachteilig sind hierbei der erhebliche Gewichts unterschied zwischen der Ölschicht des Bauteils sowie die Gewichtsdifferenz der Bauteile (geölt und nicht geölt). Oberflächenspannung Sensor Instruments Entwicklungsund Vertriebs GmbH info@sensorinstruments.de www.ensorinstruments.de Bei der Bearbeitung von Metallen während des Umformprozesses ist der Einsatz von Ölen unerlässlich. Beispielsweise sorgen Schneidöle, aufgebracht auf Metallbänder, für einen geringen Verschleiß an den Stanzwerkzeugen. Aber auch während der zerspanenden Bearbeitung leisten Bohröle einen unverzichtbaren Beitrag zum Schutz der Bohr- und Fräswerkzeuge. Des Weiteren dienen Öle als Korrosionsschutz von Halbprodukten wie Blechen aber auch Metallfolien. Nach der Weiterverarbeitung hingegen ist es erforderlich, Ölrückstände von den Fertigprodukten möglichst rückstandsfrei zu entfernen. Hierzu dienen spezielle Reinigungsanlagen, in denen die Metallteile gewaschen und abgeblasen werden. Ölauftrag Damit während des Aufbringens von Öl (Bild 1) umweltschutztechnische Richtlinien eingehalten werden können und auch wirtschaftliche Aspekte Beachtung finden, ist es ratsam, die Menge des Ölauftrages zu ermitteln. Mittlerweile kann eine Ermittlung der jeweiligen Ölmenge auch INLINE erfolgen. Gleich mehrere Messverfahren stehen hierfür zur Verfügung, auf die in den folgenden Abschnitten noch genauer eingegangen werden soll. Reinigung Ein Überwachen des Reinigungsprozesses kann mittels der gleichen Sensorik erfolgen. Die Herausforderung ist hierbei, möglichst geringe Mengen an Ölrückständen, vorzugsweise INLINE, sicher zu erfassen. Gerade bei elektrisch leitenden Komponenten, wie beispielsweise Kupferschienen oder Starkstromleitungen, wird ein möglichst geringer Übergangswiderstand gefordert. Eine Restölschicht würde aber diesbezüglich ein Problem darstellen, weil sie die Leistungseffizienz stark beeinträchtigt. Wie wird bislang in der Praxis kontrolliert? Spricht man von Ölschichten, denkt man in erster Linie an eine bestimmte Schichtdicke, gemessen beispielsweise in µm. Gewichtsermittlung Eine gängige Methode ist die Ermittlung des Flächengewichtes des Ölfilms. Um das zu ermitteln, muss das Gewicht des gesamten Bauteils und eines identischen ölfreien Referenzbauteils ermit- Der Mangel an einfachen Alternativen zur direkten Schichtdickenermittlung dürfte der Grund dafür sein, dass sich in der Praxis die Methode zur Ermittlung der Oberflächenspannung des Bauteils steigender Beliebtheit erfreut. Hierbei ist bei Vorhandensein einer dünnen Ölschicht auf einer metallischen Oberfläche eine Reduzierung der Oberflächenspannung von mehr als 50 mN/m im nicht benetzten Zustand auf unter 40 mN/m im be ölten Zustand (je nach Schichtdicke und Art des Öles) zu beobachten. Zum Nachweis der jeweiligen Oberflächenspannung dienen sog. Testtinten, die insgesamt einen Bereich von 30 mN/m bis 50 mN/m in Zweier schritten abdecken (30 mN/m, 32 mN/m, 34 mN/m, …). Die Testtinte wird dabei an die zu unter suchende Stelle mit dem mitgelieferten Pinsel strichförmig aufgetragen. Perlt die Testtinte von der Ober fläche ab (Bild 2), wird die nächstniedrigere Testtinte in gleicher Weise verwen- Bild 1: Aufbringen des Öls 8 PC & Industrie 5/2021

Qualitätssicherung Bild 2: Die Testtinte perlt von der mit Öl benetzten Metalloberfläche ab, was auf eine Oberflächenspannung hindeutet, die kleiner ist als der auf der Testtinte ausgewiesene Wert. Bild 3: Bei dieser Abbildung bleibt die Testtinte an der mit Öl benetzten oder aber entfetteten Metalloberfläche haften. Die Oberflächenspannung der Metalloberfläche ist demnach höher als der angegebene Wert der Testtinte. det, bis die Testtinte über einen längeren Zeitraum auf der Oberfläche haften bleibt (Bild 3). Die Oberflächenspannung liegt dann zwischen den beiden zuletzt verwendeten Testtinten. Zu beobachten ist, dass eine Abnahme der Oberflächenspannung mit der Zunahme der Ölschichtdicke einhergeht. Die drei verschiedenen Messverfahren Messverfahren 1: Absorption von UVC-Strahlung Als Sensoreinheit wird hierbei ein Lichtleitersensor (SPECTRO-1-FIO- UVC/UVC) (Bild 4) im Reflexlichtbetrieb eingesetzt. Als Lichtquelle dient eine UV-LED mit einer Zentralwellenlänge von 265 nm. Mittels Quarzfaserlichtleiter (R-S-A3.0-(3.0)-1200- 22°-UV) wird das UVC-Licht auf den zu vermessenden Abschnitt der Metalloberfläche gerichtet und von dieser teils diffus, teils direkt reflektiert. Ein Teil der reflektierten Strahlung wird mit Hilfe des Reflexlichtleiterbündels auf den im Sensor integrierten Detektor gerichtet. Eine entfettete Metalloberfläche dient dabei als Referenz. Befindet sich nun eine Ölschicht zwischen der Lichtleiterstirnfläche und der Metalloberfläche, so wird ein Teil des UVC-Lichtes sowohl auf dem Hinweg als auch auf dem Rückweg von dieser absorbiert. Detektor seitig kann somit ein Signalrückgang beobachtet werden. Wird die Sensorik zur INLINE-Messung benutzt, empfiehlt sich ein Arbeitsabstand der Lichtleiterstirnfläche von der Metalloberfläche von ca. 5 mm. Die Strahldivergenz liegt dabei bei 22° und der Lichtspot nimmt hierbei auf der zu untersuchenden Metalloberfläche einen Durchmesser von in etwa 5 mm ein. Bei OFFLINE- Messungen wird zusätzlich ein Abstandshalter (A3.0-OFL) verwendet, der am Lichtleiterkopf be festigt werden kann. Messverfahren 2: Anregung einer Ölschicht zur Fluoreszenz im sichtbaren Wellenlängenbereich Dazu wird ein Farbsensor (SPEC- TRO-3-30-UV/BL-MSM-ANA) (Bild 5) verwendet, dessen Sendeeinheit aus UV-LEDs (365 nm Zentralwellenlänge) besteht. Bei INLINE-Messungen empfiehlt sich ein Arbeitsabstand von 15 mm, mit dem Abstandshalter (SPECTRO-3- 15-d65-OFL) kann aber auch OFF- LINE gearbeitet werden (auch hierbei beträgt der Sensorabstand zum Objekt 15 mm). Der Detektionsbereich nimmt bei diesem Abstand einen Durchmesser von in etwa 12 mm ein. Die UV-LEDs sind hierbei ringförmig angeordnet, in der Mitte der Sensorik befindet sich der Empfängerteil, der mittels vorgeschalteter optischer Filter im sichtbaren Wellenlängenbereich detektieren kann, während UV-Licht abgeblockt wird. Bei dieser Messmethode sollte beachtet werden, dass die Intensität der gemessenen Fluoreszenz u. a. auch Bild 4: Lichtleitersensor SPECTRO-1-FIO-UVC/UVC Bild 5: SPECTRO-3-30-UV/BL-MSM-ANA PC & Industrie 5/2021 9

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