Quantitative bildgebende Oberflächenanalyse mittels Multiparameter-Fluorometrie

Holz, Philipp GND

Ziel dieser Arbeit war die Erforschung sowie Entwicklung einer neuen Sensortechnologie zur quantitativen bildgebenden Analyse dünner Schmierstoffschichten auf Metallbauteilen. Der erste Teil der Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Messsystems zur quantitativen bildgebenden Fluoreszenzanalyse. Es wurde sowohl ein 2D Laserscanner zur Anwendung als Laborsystem als auch ein 1D Inline-System entwickelt. Für das Laborsystem konnte eine Nachweisgrenze besser 0,05 g/m 2 für ein in Automobilpresswerken übliches Umformöl nachgewiesen werden. Der Inline-Laserscanner erlaubt die Analyse der Ölverteilung auf 2,2 m breiten Blechbahnen bei einem Bauraum von lediglich 1,52 m oberhalb des Blechs mit einer Zeilenrate von 400 Linien pro Sekunde. Das zweite Themengebiet umfasst die Entwicklung, Anwendung und Bewertung neuer Methoden zur Charakterisierung sowie zur Kalibrierung von Fluoreszenzsensoren. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sich besonders die Analyse des Oberflächenkohlenstoffs sowie das Aufdrucken dünner Schmierstoffschichten zur Untersuchung der Nachweisgrenze in Laborumgebungen eignen. Des Weiteren wurden zwei neuartige Methoden zur Kalibrierung außerhalb sauberer Laborumgebungen vorgestellt. Als erste Möglichkeit konnte die Nutzung eines zuvor kalibrierten Infrarot-Absorptionssensors zur automatischen Kalibrierung von Fluoreszenzsensoren gezeigt werden. Als zweite Möglichkeit wurde erstmalig der Transfer von Kalibrierdaten zwischen verschiedenen optischen Aufbauten mittels eines Feststoff-Fluoreszenzstandards gezeigt. Das dritte Themengebiet beschreibt die theoretische sowie experimentelle Analyse von Einflussfaktoren auf die Fluoreszenzemission dünner Schichten. Untersucht wurden unter anderem der Einfluss der Eigenschaften des Substratmaterials unterhalb der Schicht, der Neigung der Probe sowie des Kontaktwinkels, also der Form der Öltropfen. Die Analyse von mit Öltropfen beschichteten Aluminiumproben zeigt beispielsweise einen Anstieg des detektierten Fluoreszenzsignals um über Faktor vier bei einer Neigung der Probe um 45°. Erst die so gewonnenen Erkenntnisse erlauben die korrekte Interpretation von Fluoreszenzbildern dünner Schichten auf dreidimensionalen industriellen Bauteilen. Die erreichten Ergebnisse stellen einen signifikanten Beitrag zur Weiterentwicklung der verfügbaren Sensorik zur Qualitätssicherung im Bereich der Metallverarbeitung dar.

This work presents the research on the development of a new sensor technology for quantitative imaging analysis of thin lubricant layers on metal components. The first part of the thesis describes the development of a measurement system for quantitative imaging fluorescence analysis. The developed systems are a 2D laser scanner used as laboratory system and a 1D laser scanner for inline applications. The limit of detection of the laboratory system is better than 0.05 g/m² for a lubricant oil typically used in automotive press plants. The inline system can analyze the lubricant distribution on sheet metal coils up to 2.2 m in width, with only requiring an installation space of 1.52 m above the sample. The sampling rate of the 1D system is 400 lines per second. The second topic covers the development, application and evaluation of new methods for the characterization and calibration of fluorescence sensors. The results show that the best ways to determine the limit of detection in lab environments are to use a multiphase carbon analyzer as well as to print thin lubricant layers. In addition, the work presents two new methods for the calibration of fluorescence sensors outside of lab environments. In the first method, a calibrated infrared absorption sensor is used for the auto-calibration of the fluorescence sensor. The second method is the transfer of calibration-data between different optical setups by using a solid material fluorescence standard. The third topic covers the theoretical as well as the experimental study of parameters that influence the fluorescence emission of thin layers. Amongst other results, this work analyzes the influence of the properties of the substrate material, the contact angle that describes the shape of lubricant droplets and the tilt of the sample. For example, the results show a quadruple increase of the detected fluorescence signal, when aluminum samples coated with lubricant droplets are titled by 45°. These findings are essential prerequisites for the quantitative interpretation of fluorescence images of thin layers on three-dimensional industrial components. The presented results make a significant contribution towards the improvement of sensors for quality assurance in the metal processing industries.

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