Von Ferdinand Seitz
Die Qualitätssicherung direkt an den Entstehungsort des Produktes zu bringen ist wünschenswert und wird soweit möglich auch angewandt. In der Produktionslinie direkt zu prüfen ist die ideale Lösung. Durch diese Technologie kann beispielsweise die Beschichtung von Endlosprodukten wie Stahlband durch Verzinken zur Erhöhung der Qualität und Senkung der Kosten beitragen.
1 Einführung
Qualitätskriterien wie die Schichtdicke, zum Beispiel an verzinkten Stahlbändern, werden meist mit stationären Messeinrichtungen im Prüflabor kontrolliert. Der Transport des Prüfguts nimmt dabei Zeit in Anspruch, ebenso wie die Prüfung selbst. Bei der galvanischen Beschichtung von Stahl-Coils bleibt nur die Möglichkeit, nach dem Beschichtungsprozess eine Probe vom Ende des Bandes zu nehmen.
Die Beschichtungsstärke, beginnend vom Anfang bis Ende des Bandes, bleibt damit weitestgehend ungeprüft. Anlagenparameter wie Bandgeschwindigkeit, Stromstärke und andere Regelgrößen geben zwar Sicherheit, aber trotzdem keine verbindliche Auskunft über die aufgetragene Schichtdicke. Eine effektive Verbesserung der Qualitätssicherung kann daher nur während des Fertigungsprozesses stattfinden. Die Integration einer kontinuierlich messenden Schichtdickenprüfanlage ist die Lösung für diese Aufgabenstellung.
2 Messverfahren
Die Prüfung einer Schichtdicke lässt verschiedene Messverfahren zu. Überwiegend sind dies berührende oder gar zerstörende Methoden. Magnetinduktive oder Wirbelstromsysteme sind zwar leicht bedienbar, aber wegen der berührenden Messmethode für bewegliche Güter wenig geeignet. Zerstörende Methoden wie das coulometrische Verfahren oder ein Querschliff scheiden als kontinuierliches Verfahren ebenfalls aus. Thermische und optische Verfahren sind für metallische Beschichtungen auf unterschiedlichem Trägermaterial ebenfalls kaum geeignet.
Da im kontinuierlichen Prüfvorgang vorzugsweise berührungslos gemessen werden muss, bietet sich das Röntgenfluoreszenzverfahren (RFA), bevorzugt an. Weitere Vorteile dieses Verfahrens liegen in den abstandsunkritischen Eigenschaften. Diese werden über besondere mathematische Berechnungen, der Intensitätsverhältnismethode, wie in DIN 50987 Abs. 3.3 beschrieben, ermöglicht. Der Vorteil liegt darin, dass Bandschwingungen kaum Einfluss auf das Messergebnis haben. Die anwendungstechnischen Vorteile der RFA-Methode sind damit gegenüber den anderen Verfahren klar herausgestellt.
3 Röntgenfluoreszenzanalyse
Die Röntgenfluoreszenzanalyse nimmt seit mehr als 30 Jahren in der Qualitätssicherung einen festen Platz ein. Für die Messung werden Atome im Messobjekt angeregt. Die Anregung erfolgt über die Röntgenröhre, die fest im Messkopf integriert ist. Die am Röhrengehäuse angebrachte Blende begrenzt den Primär-Röntgenstrahl auf eine definierte Anregungsfläche. Die im Schichtsystem enthaltenen Elemente werden vom Primärstrahl angeregt und senden eine charakteristische Fluoreszenzstrahlung aus. Diese Strahlung wird von einem Proportionalzählrohr oder Halbleiterdetektor (PIN/SDD) aufgenommen und mit einer nachgeschalteten Messelektronik in ein Energiespektrum umgewandelt. Über die Energielage der einzelnen Spektrallinien können die Elemente, die in der Probe enthalten sind, zugeordnet werden. Die zugehörenden Spektrenflächen stehen im direkten Bezug zur Schichtdicke. Abbildung 1 zeigt das Prinzip des RFA Schichtdickenanalysators.
Abb. 1: Prinzip einer RFA-Schichtdickenmessung mit Röntgenröhre (1), Primärstrahl (2), Proportionalzählrohr (3), Blende (4), Videosystem (5), Sekundärstrahlung (6), Signalverstärker (7), Analog-Digital-Wandler (8) und Messwertauswertung (9)
4 Anwendungsumgebung
Eine Durchzugsanlage, wie in Abbildung 2 gezeigt, wird für die Beschichtung von kontinuierlich fortbewegten Bändern eingesetzt. Beschichtungsstärke und die Beschichtungsmaterialien können dabei vielseitig sein, ebenso wie Dicke und Breite der Bänder. Je nach Anforderung können gleichzeitig Bandober- und -unterseite vermessen werden. Erforderlich ist lediglich Platz für zwei Messköpfe mit Zubehör, wie Kabel, PC und Monitor, im Bereich der gewünschten Messung an der Produktionsanlage. Meist reichen 50 Zentimeter bis 70 Zentimeter an Einbauplatz in Banddurchzugsrichtung aus.
Abb. 2: Beispiel einer Durchzugsanlage mit Röntgenfluoreszenz-Schichtdickenmessanlage
5 Aufbau einer Messanlage
Der Produktionsprozess einer Bandbeschichtung beginnt mit dem Ablaufhaspel und endet mit dem Aufwickelhaspel. Dazwischen befinden sich neben der Beschichtung, zum Beispiel in Form der elektrolytischen Abscheidung, noch eine Reihe weiterer Arbeitsprozesse. Ein Teil einer Durchzugsanlage, wie er in Abbildung 2 schematisch dargestellt ist, wird mit einem Röntgenfluoreszenz-Schichtdickenanalysa-
tor (Abb. 3) ausgestattet. In dieser Art kommt die Messeinrichtung beispielsweise beim Bandverzinker H. D. Lenzen GmbH & Co. KG in Hagen zum Einsatz. In diesem Fall sind die Rahmenbedingungen für die Bearbeitung die folgenden:
- Banddicke: 0,1 mm–2,5 mm
- Bandbereite: 3,0 mm–720,0 mm
- Bandmaterial: Stahl
- Beschichtung: zum Beispiel Zink
6 Qualitätsanforderung
Entsprechend den kundenspezifischen Vorgaben sind bestimmte Qualitätskriterien einzuhalten. Diese Anforderungen resultieren meist aus dem im QS-Labor festgelegten Werten des Abnehmers und müssen vom Zulieferanten bestätigt werden. Ein Abnehmer hat die Möglichkeit, dem bereits in der Endverarbeitung befindlichen Coil, Proben zu entnehmen. Der Zulieferer hingegen hat diese Möglichkeit in der Regel nicht. Er wird also Ware unter der Voraussetzung liefern, dass alle entsprechend eingestellten Prozessparameter stimmen.
Sicherheit bietet eine in den Fertigungsprozess integrierte Prüfeinrichtung. Die in den Produktionsprozess verlagerte Messeinrichtung muss die gleichen Anforderungen an Messgenauigkeit und Dokumentation erfüllen wie eine nachgeschaltete Laborprüfung. Langjährige Erfahrungen mit solchen RFA-Prüfanlagen können dies bestätigen. Zweckmäßigerweise befindet sich eine kontinuierliche Prüfeinrichtung, wie sie zum Beispiel von Roentgenanalytik Systeme GmbH & Co. KG hergestellt wird, kurz vor dem Aufwickelhaspel (Abb. 2).
7 Messmerkmal
Wesentliches Prüfkriterium eines mit Zink beschichteten Stahlbandes ist die aufgebrachte Masse. Diese lässt sich als Flächengewicht in Gramm/m² oder umgerechnet als Schichtdicke – meist in der Maßeinheit µm – messen. Sofern es sich um Legierungsbeschichtungen, zum Beispiel Zink-Nickel, handelt, kann zusätzlich die Konzentration bestimmt werden. Die Messgenauigkeit wird durch die vom Röntgenstrahl überstrichene Messfläche und die Messzeit bestimmt. Der Messwert selbst wird aus den Einzelmessungen an einer abgefahrenen Strecke des vorbeilaufenden Bandes bestimmt. Bei einer Bandgeschwindigkeit von 6 Metern/Minute und einer Messzeit von 10 Sekunden wird die Schichtdicke aus der Länge von 1 Meter Band ermittelt. Kürzere Messzeiten sind in der Praxis realisierbar und verkürzen damit die gemessene Bandlänge pro Messintervall.
8 Prüfmitteleigenschaften
Unterschiedliche Bandbreiten erfordern eine flexible Positionierung der Prüfeinrichtung. Sie ergeben sich beispielsweise daraus, ob eine selektive Beschichtung durchgeführt oder die Ober- oder Unterseite des Bandes kontrolliert werden muss. Ferner ist zu entscheiden, an welcher Position – Bandmitte oder Bandkante – die Beschichtungsdicke oder in welche Laufrichtung – beispielsweise quer zur Laufrichtung – die Messung erfolgen soll. Hieraus wird eine individuelle Konstruktion der Prüfeinrichtung vorgenommen.
Im einfachsten Falle wird ein Xray-Messkopf verwendet, der mechanisch fixiert an einer Stelle über oder unter dem Band angebracht ist. Mehr Aufwand wird notwendig, wenn beide Bandseiten gemessen werden sollen. Eine zusätzliche Herausforderung ist dann die Traversierung bis hin zu programmierbaren Messabläufen mit variablen Messpositionen.
In Abbildung 3 (Titelbild) ist eine Messanlage für Bandober- und -unterseite mit fixierter Messposition dargestellt.
Die Messköpfe sind das Kernstück der Anlage. Damit wird über die Röntgenröhre das Anregungsspektrum erzeugt und mit Hilfe eines Proportionalzählrohrs oder Halbleiterdetektors das aus der Beschichtung charakteristische Röntgenfluoreszenzsignal aufgenommen. Über eine Auswertesoftware wird die Berechnung des Flächengewichts oder der Schichtdicke durchgeführt. Je nach Ausstattung werden die Messwerte dokumentiert und gespeichert. Ist die Anlage mit einer Traversiereinrichtung ausgestattet, lassen sich vorgegebene Positionen, beispielsweise Bandkante links und rechts und/oder Bandmitte, innerhalb frei wählbarer Zeitintervalle programmieren. Für jede Position steht eine eigene Messreihe mit entsprechenden Statistikauswertungen zur Verfügung.
9 Integration in den Prozess
Eine für den kontinuierlichen Messbetrieb geeignete Ausstattung wird, wie in Abbildung 2 angedeutet, am Ende des Prozessablaufs angebracht. Dies ist bei neu zu erstellenden Durchzugsanlagen meist unproblematisch, da in der Konstruktionsphase zusätzlicher Platz mit einkalkuliert werden kann.
Bei bereits vorhandenen Produktionseinrichtungen steht dieser Platz nicht immer zur Verfügung. Roentgenanalytik Systeme GmbH & Co. KG hat sich dieser Problematik gestellt und verwendet seit fast 30 Jahren spezielle Messköpfe mit geringen Abmaßen und Gewicht. Ein nachträglicher Einbau ist deshalb meist möglich.
Die ermittelten Werte für die Schichtdicke können neben der Dokumentation auch für die Regel-Steuerungs-Technik der Durchzugsanlage genutzt werden. Entsprechend der Prozesscharakteristik können beispielsweise die Durchzugsgeschwindigkeit oder die Abscheideparameter kontrolliert und geregelt werden. Darüber hinaus sind auch andere anlagenspezifische Regelungen denkbar.
Roentgenanalytik Systeme GmbH & Co.KG
Georg-Ohm-Straße 6
D-65232 Taunusstein
- www.roentgenanalytik.de
Text zum Titelbild: Anlage zur Schichtdickenmessung bei Bandober- und -unterseite
