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Beschichtungsmessung

Schichtdickenmessung wird durch Simulation handlich

| Autor/ Redakteur: Stéphane Itasse / Stéphane Itasse

Die Coatmaster AG, früher Winterthur Instruments, wollte den Erfolg ihres Beschichtungsdicken-Messgeräts mit einem Handheld fortsetzen. Einige knifflige Anforderungen ließen sich dabei mittels Simulation lösen.

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Bei der Entwicklung des Coatmaster-Handhelds konnte die Entwicklungszeit mittels Simulation deutlich verkürzt werden.
Bei der Entwicklung des Coatmaster-Handhelds konnte die Entwicklungszeit mittels Simulation deutlich verkürzt werden.
(Bild: Coatmaster)
  • Mit dem Coatmaster-Gerät konnte bei der Markteinführung die Schichtdickenmessung revolutioniert werden.
  • Die Entwicklung einer Handheld-Variante des Coatmasters brachte durch den reduzierten Bauraum mehrere technische Herausforderungen mit sich.
  • Durch Simulation statt aufwendiger Versuchsreihen ließ sich die Entwicklungszeit deutlich verkürzen.

Der Coatmaster bietet den Vorteil, dass er die Beschichtungsdicke unmittelbar nach dem Beschichtungsvorgang berührungslos messen kann. Das Gerät basiert auf der ATO-Technologie (Advanced Thermal Optics), bei der die zu vermessende Schicht über eine computergesteuerte Lichtquelle impulsartig erwärmt wird. Anschließend klingt die Oberflächentemperatur mit einer charakteristischen Dynamik ab, die von der Schichtdicke und den thermischen Eigenschaften der Beschichtung abhängt. Der Verlauf der Oberflächentemperatur wird aus der Distanz mit einem Hochgeschwindigkeits-Infrarotdetektor in der ATO-Optik aufgezeichnet.

Handgerät für Beschichtungsmessung mit Simulation schneller entwickelt

Mit dem Erfolg des Coatmasters kam aus dem Markt der Wunsch nach einem Handgerät. Diese Entwicklung sollte aber nicht – wie beim ersten Coatmaster-Produkt - wieder sechs Jahre von der Idee bis zum industriereifen Produkt in Anspruch nehmen. Als Unterstützer bei der Simulation der thermischen und mechanischen Belastung wählten die Schweizer Cadfem aus, wie Prof. Nils A. Reinke, CEO und Mitbegründer der Coatmaster AG, berichtet. Für das Coatmaster-Projekt wurde die Strömungssimulations-Software Ansys Fluent für den CHT-Bereich (conjugate heat transfer – verbundene Wärmeübertragung) verwendet und Ansys Mechanical (Strukturmechanik) für die Abschätzung der Strahlungsleistung, wie ein Cadfem-Sprecher auf Anfrage von MM Maschinenmarkt erläuterte.

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Im Gegensatz zum stationären Gerät sollte die Wasserkühlung durch eine Luftkühlung ersetzt werden. Aber damit gestaltete sich das thermische Management erheblich schwieriger. Trotzdem war keine Zeit für langwierige Tests und Modifikationen eines Prototyps. Ansys ermöglicht es nach Angaben des Cadfem-Sprechers, die verschiedenen physikalischen Aspekte des Produktverhaltens einfach zu koppeln und gemeinsam zu betrachten. Die Idee war, ein komplexeres Modell mit transienter multiphysikalischer Kopplung zu erstellen. Dies lässt sich über das stationäre Modell einfach umsetzen.

Beim Coatmaster dient eine Gasentladungslampe, kurz Donut genannt, als Lichtquelle. Sie ist vorne im Gerät positioniert und erzeugt große Abwärme. Weiter hinten wurde der Sensor platziert, der die Oberflächentemperatur der Beschichtung misst. Der Donut kann sich bis auf einige Hundert Grad Celsius erwärmen, dagegen muss der Sensor auf -60 °C heruntergekühlt werden. Im Betrieb sollte seine Temperatur 30 bis 40 °C nicht übersteigen, obwohl die Elektroden der Lampe und die des Sensors nur wenige Zentimeter voneinander entfernt liegen.

Messungen verfeinern Berechnungsmodell und kalibrieren Simulation weiter

Werden diese Temperaturgrenzen nicht eingehalten, besteht die große Gefahr, dass die Lebensdauer des Gerätes erheblich verringert oder seine Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird. Folglich wurde die Wärmeableitung durch Simulationen analysiert, bewertet und entsprechend optimiert. Beispielsweise erfolgte eine Änderung an der Gerätegeometrie, um die Kühlung der Elektronik zu verbessern und die Temperaturentwicklung am Sensor zu begrenzen. Eine weitere wichtige Modifikation betraf die Lampenposition, damit der Reflektor besser gekühlt wird. Die anschließend durchgeführten Messungen am Prototyp dienten auch zur Verfeinerung des Berechnungsmodells sowie zur weiteren Kalibrierung der Simulation, um deren Aussagekraft zu erhöhen.

„Insgesamt wurde unser Grundkonzept von den Simulationen bestätigt“, berichtet Reinke. „Zusätzlich wurden an einigen Komponenten thermische Schwachpunkte aufgedeckt, die wir vorher so nicht erwartet hätten. Diese konnten wir anhand der Ergebnisse aus weiteren Simulationen beheben. Somit besteht keine Gefahr mehr, dass der reibungslose Einsatz des Gerätes durch Überhitzung beeinträchtigt werden könnte.“ Er geht davon aus, dass durch die Simulationen etwa drei Prototypen-Iterationen gespart werden konnten, sodass nur 18 statt 24 Monate für die Entwicklung des neuen mobilen Gerätes benötigt wurden. Außerdem wurde mit Simulationen sehr schnell eine hohe Stufe der Produktreife erreicht. „Grundsätzlich hilft uns die Simulation dabei, das Systemverhalten besser zu verstehen, was unsere Lernkurve erheblich erhöht“, erläutert Reinke. Für die Simulation wurden laut Cadfem-Sprecher insgesamt etwa zwei Wochen Arbeitszeit benötigt, bis die Fachleute von Coatmaster und Cadfem das gemeinsame Projekt abschließen konnten. Für dieses Projekt war keine Anpassung erforderlich, die Ansys-Tools sind flexibel genug, um solche Projekte nativ abzuwickeln.

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