Nicht oval, sondern möglichst kreisrund müssen Glasfasern und feine Drähte sein, wenn sie optimal funktionieren sollen. Um Ovalitäten und kleinste Abweichungen vom Sollmaß zu erkennen, prüfen die Hersteller schon während der laufenden Produktion stets die Durchmesser der Fasern und Drähte - mithilfe von Röntgen- oder Laserstrahlen. In einer als beispielhaft ausgezeichneten Forschungskooperation haben das Institut für Mikroelektronik, Mikromechanik und Mikrooptik (I3M) an der Hochschule Bremen und die Bremer SIKORA AG ein optisches Messsystem entwickelt, das um ein zehnfaches genauer arbeitet als die herkömmlichen. Auch in anderer Hinsicht ist das System weltweit einzigartig.
"Weiterentwicklung eines laseroptischen Messverfahrens für die kontinuierliche Durchmesserüberwachung von Glasfasern und Feinstdrähten während des Ziehprozesses" hieß das Vorhaben. Gefördert von der Bremer Investitionsgesellschaft mbH (BIG) lief es 2008 aus, und seine Beteiligten wurden im April dieses Jahres "in Würdigung herausragender Leistung" mit dem "Bernd-Artin Wessels Innovationspreis" ausgezeichnet. Geehrt wurden I3M-Leiter Prof. Dr.-Ing. Gerhard Wenke, der SIKORA Gruppenleiter Dr.-Ing. Werner Blohm, die wissenschaftlichen Mitarbeiter des I3M Dipl.-Ing. Wilhelm Pieper und M.Sc. Ufuk Ceyhan sowie der SIKORA-Gründer und Vorstandsvorsitzende Dipl.-Ing. Harald Sikora.
Unvorstellbar genau
Hier geht es um Größenordnungen, die sich der menschlichen Vorstellungskraft entziehen. Mit den herkömmlichen Messsystemen lassen sich die Durchmesser von Drähten, Fasern und Schläuchen bislang auf 0,5 Mikrometer genau messen. Ein Mikrometer ist der tausendste Teil eines Millimeters. Das heißt, dass man die Stärke der Fasern und Drähte auf einen Zweitausendstel Millimeter genau bestimmen kann. Für Fasern und Drähte, die dicker als einen halben Millimeter sind, reicht diese Genauigkeit auch aus. Aber bei der Herstellung von Glasfasern und Feinstdrähten mit einem Durchmesser von weniger als 300 Mikrometern (0,3 Millimeter) muss noch genauer gemessen werden - jedenfalls dann, wenn den höchsten und künftigen Anforderungen genügt werden soll wie zum Beispiel bei der Produktion von Datenkabeln. Immer mehr Daten sollen immer schneller und über möglichst lange Strecken zuverlässig transportiert werden. Für die derzeit angestrebten Übertragungsraten von einem bis zehn Gigabit pro Sekunde braucht es zum Beispiel LAN-Kabel der Kategorie 7 und höher (LAN, Local Area Network, lokale Computer- und Telekom-Netze). Damit steigen auch die Anforderungen an Messgeräte zur Qualitätssicherung während der Fertigung der Kabel.
Eines der Anwendungsfelder für das höchstpräzise Messsystem sind die Glasfasern. Sie haben eine Stärke von nur rund 100 Mikrometern, also einem Zehntel Millimeter. Das entspricht ungefähr der Größenordnung eines Haares. Hergestellt werden die Fasern in einem Ziehprozess: Geschmolzenes Glas wird in einige Meter hohen, so genannten Ziehtürmen zu hauchdünnen Fäden gezogen. Ungefähr so wie der Honig, den man langsam vom Löffel laufen lässt, damit er dann im hauchdünnen Strahl auf dem Brötchen landet. Dieses Bild passt zwar nicht so ganz, denn der Honig ist weder heiß, noch erstarrt der Honigfaden zu einer festen Faser, aber an dem Beispiel wird das Prinzip des Ziehens deutlich.
Das heiße Glas läuft als Faden aus dem Hochtemperaturziehofen heraus, mehrere Meter pro Sekunde und 2.200 Grad Celsius heiß. Dann passiert der Glasfaden eine Kühlstrecke. In diese ist das erste Messgerät zur Durchmesserprüfung integriert. Danach wird die Glasfaser mit einer Schutzhülle versehen (Coating). Es folgt ein weiterer Schutzmantel, dann in einem separaten Produktionsschritt die Bündelung mehrerer, ummantelter Glasfasern beziehungsweise Adern zu einem Kabel (Tubing) und schließlich die Ummantelung des Kabels. Während aller Produktionsschritte wird immer wieder der Durchmesser geprüft.
Einzigartig hinsichtlich Messgenauigkeit, Größe des Messfensters und Schnelligkeit
Den Wissenschaftlern und Entwicklern von Hochschule Bremen und SIKORA ging es um die erste Durchmesserprüfung in der Produktionskette, die Messung der nackten Glasfaser, denn hier ist die höchste Präzision gefordert. Alle folgenden Messungen können die herkömmlichen Messsysteme mit der erforderlichen Genauigkeit durchführen. Im Rahmen der Forschungskooperation wurde nun ein Messverfahren derart weiterentwickelt, so dass es nun zehnfach genauer messen kann als zuvor: Mit ihm lässt sich der Durchmesser einer Glasfaser bis auf +/- 0,05 Mikrometer genau bestimmen. Oder anders ausgedrückt: Die Messfehler nach oben oder nach unten betragen jeweils nur einen Zwanzigtausendstel Millimeter. Weltweit einmalig ist auch die Größe des Messfeldes. Das ist der Bereich, in dem die Glasfaser mit der festgelegten Präzision erfasst werden kann. Es misst fünf mal fünf Millimeter, was zunächst zwar recht klein erscheint, aber angesichts des extrem kleinen Messgutes enorm groß ist.
Und so funktioniert das System - vereinfacht dargestellt: Von oben läuft der Draht oder die Glasfaser durch das ungefähr taschenbuchgroße Messgerät, auch Messkopf genannt. Im Herzen des Gerätes befindet sich das einen Viertel Quadratzentimeter große Messfeld. In diesem Bereich wird der Draht- oder Faserdurchmesser gemessen. Dafür wird das Messgut von zwei Seiten mit sich fächerförmig ausbreitenden Laserstrahlen beleuchtet. Auf den lichtempfindlichen Flächen, die den Lichtquellen (Laserdioden) gegenüber liegen, zeichnen sich Schatten ab: Entscheidend für die Durchmesserprüfung ist das auf diese Flächen projizierte Schattenbild. Nur ein Streifen davon wird analysiert. Fachleute erklären den nun folgenden Messvorgang auch so: Ein zeilenförmiger CMOS-Lichtsensor registriert die Schattenverläufe und Beugungsmuster und ein digitaler Signalprozessor im Messkopf berechnet daraus die Durchmesserwerte. Der Vorgang wiederholt sich mehr als 1.000 Mal pro Sekunde.
Das Messverfahren basiert auf dem von SIKORA patentierten "Laser-Schattenprojektionsprinzip". Mit der Messung von Rundteilen nach diesem einzigartigen Prinzip ist die SIKORA AG zum weltweiten Technologieführer geworden. Es ermöglicht die berührungslose, optische Messung von Durchmessern und das System braucht im Gegensatz zu anderen keine bewegten Teile. So gibt es auch keinen mechanischen Verschleiß, was sich positiv auf die Ausfallsicherheit und die Wartungskosten auswirkt. Entscheidend jedoch ist: Während der laufenden Produktion können die Glasfaserhersteller nun mehr als 1000 Mal pro Sekunde Durchmesserprüfungen mit der derzeit höchstmöglichen Präzision vornehmen und bei Bedarf auch korrigierend in den laufenden Produktionsprozess eingreifen. Das in Kooperation zwischen Wissenschaft und Wirtschaft entwickelte Messsystem ist weltweit einzigartig hinsichtlich der Messgenauigkeit, der Größe des Messfensters und seiner Schnelligkeit.
Erfolgsrezept: Wissenschaftliches und industrielles Wissen ergänzen sich
Die I3M-Forscher sind Experten unter anderem im Bereich der Lasertechnologie und der Optoelektronik, und der Messgerätehersteller SIKORA verfügt über das Wissen zur kontinuierlichen Online-Messung von lang gestreckten, runden Produkten. "Durch die Forschungskooperation wurde nun das Know-how im Bereich der industriellen Messtechnik mit der Kompetenz auf dem Gebiet der Optoelektronik zusammengebracht", sagt I3M-Leiter Wenke. "Das hat die Entwicklung dieses äußerst genauen Messgerätes ermöglicht, was letztlich zur Schaffung und Sicherung von Arbeitsplätzen bei der SIKORA AG beiträgt", ergänzt SIKORA-Gruppenleiter Blohm. Mit dem neuen System habe das Produktspektrum entscheidend erweitert und die Technologieführerschaft behauptet werden können. "Und wir können nun neue Märkte im Bereich der Glasfaserindustrie erschließen, denn mit der Entwicklung haben wir unsere Serie der Durchmesserprüfgeräte vervollständigt."
Durch die Forschungskooperation ist das Unternehmen jetzt in der Lage, auch die nackten Glasfasern hochgenau zu prüfen. Damit verfügt es über Messgeräte für alle Schritte in der Glasfaserproduktionskette. "Die Kunden möchten ihre gesamte Produktionstechnik möglichst mit Messsystemen nur eines Herstellers ausstatten", erklärt Blohm. Mittlerweile seien nicht nur ein gutes Dutzend der neuen Systeme ausgeliefert worden, sondern auch die Nachfrage für die anderen Messgeräte sei gestiegen, was zu Neueinstellungen im Unternehmen geführt habe.
Von einem Gewinn ganz anderer Art berichtet I3M-Leiter Wenke: "Durch das Projekt konnte die Mess- und Entwicklungskompetenz des Institutes im Bereich kürzerer Wellenlängen deutlich verbessert werden. Wir konnten unsere Labor-Ausstattung weiter ausbauen, und - das ist besonders wichtig - der praxisnahe Technologietransfer fließt auch unmittelbar in die Lehre ein." Durch die Förderung war es auch möglich, für das Projekt einen Mitarbeiter einzustellen", sagt Wenke. Er konnte nach dem Abschluss seiner vom I3M betreuten und bei der SIKORA AG durchgeführten Masterarbeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter die Durchführung des Projektes erfolgreich unterstützen: Ceyhan arbeitete zu 60 Prozent bei dem Unternehmen und zu 40 Prozent im Institut.
"Durch die Aufteilung seiner Arbeitszeit war der Informationsaustausch zwischen der Hochschule und dem Unternehmen in ausgezeichneter Weise gegeben", sagt Wenke, und dass er eine solche Lösung auch für künftige Kooperationen immer wieder anstreben würde. Inzwischen planen das I3M und der Bremer Mittelständler auch schon das nächste gemeinsame Vorhaben. So ist es noch immer eine Schwierigkeit, die Durchmesser transparenter Rohre und Schläuche mithilfe des Laser-Schattenprojektionsprinzips zu messen. Da das Messgut teilweise lichtdurchlässig ist, müssen die Wissenschaftler bei der Analyse der Schattenbilder nicht nur die Beugung des Lichtes am Messgut, sondern auch die Brechung des Lichtes durch das Messgut hindurch berücksichtigen.
Weitere Informationen:
www.i3m.hs-bremen.de
www.sikora.com
"Weiterentwicklung eines laseroptischen Messverfahrens für die kontinuierliche Durchmesserüberwachung von Glasfasern und Feinstdrähten während des Ziehprozesses" hieß das Vorhaben. Gefördert von der Bremer Investitionsgesellschaft mbH (BIG) lief es 2008 aus, und seine Beteiligten wurden im April dieses Jahres "in Würdigung herausragender Leistung" mit dem "Bernd-Artin Wessels Innovationspreis" ausgezeichnet. Geehrt wurden I3M-Leiter Prof. Dr.-Ing. Gerhard Wenke, der SIKORA Gruppenleiter Dr.-Ing. Werner Blohm, die wissenschaftlichen Mitarbeiter des I3M Dipl.-Ing. Wilhelm Pieper und M.Sc. Ufuk Ceyhan sowie der SIKORA-Gründer und Vorstandsvorsitzende Dipl.-Ing. Harald Sikora.
Unvorstellbar genau
Hier geht es um Größenordnungen, die sich der menschlichen Vorstellungskraft entziehen. Mit den herkömmlichen Messsystemen lassen sich die Durchmesser von Drähten, Fasern und Schläuchen bislang auf 0,5 Mikrometer genau messen. Ein Mikrometer ist der tausendste Teil eines Millimeters. Das heißt, dass man die Stärke der Fasern und Drähte auf einen Zweitausendstel Millimeter genau bestimmen kann. Für Fasern und Drähte, die dicker als einen halben Millimeter sind, reicht diese Genauigkeit auch aus. Aber bei der Herstellung von Glasfasern und Feinstdrähten mit einem Durchmesser von weniger als 300 Mikrometern (0,3 Millimeter) muss noch genauer gemessen werden - jedenfalls dann, wenn den höchsten und künftigen Anforderungen genügt werden soll wie zum Beispiel bei der Produktion von Datenkabeln. Immer mehr Daten sollen immer schneller und über möglichst lange Strecken zuverlässig transportiert werden. Für die derzeit angestrebten Übertragungsraten von einem bis zehn Gigabit pro Sekunde braucht es zum Beispiel LAN-Kabel der Kategorie 7 und höher (LAN, Local Area Network, lokale Computer- und Telekom-Netze). Damit steigen auch die Anforderungen an Messgeräte zur Qualitätssicherung während der Fertigung der Kabel.
Eines der Anwendungsfelder für das höchstpräzise Messsystem sind die Glasfasern. Sie haben eine Stärke von nur rund 100 Mikrometern, also einem Zehntel Millimeter. Das entspricht ungefähr der Größenordnung eines Haares. Hergestellt werden die Fasern in einem Ziehprozess: Geschmolzenes Glas wird in einige Meter hohen, so genannten Ziehtürmen zu hauchdünnen Fäden gezogen. Ungefähr so wie der Honig, den man langsam vom Löffel laufen lässt, damit er dann im hauchdünnen Strahl auf dem Brötchen landet. Dieses Bild passt zwar nicht so ganz, denn der Honig ist weder heiß, noch erstarrt der Honigfaden zu einer festen Faser, aber an dem Beispiel wird das Prinzip des Ziehens deutlich.
Das heiße Glas läuft als Faden aus dem Hochtemperaturziehofen heraus, mehrere Meter pro Sekunde und 2.200 Grad Celsius heiß. Dann passiert der Glasfaden eine Kühlstrecke. In diese ist das erste Messgerät zur Durchmesserprüfung integriert. Danach wird die Glasfaser mit einer Schutzhülle versehen (Coating). Es folgt ein weiterer Schutzmantel, dann in einem separaten Produktionsschritt die Bündelung mehrerer, ummantelter Glasfasern beziehungsweise Adern zu einem Kabel (Tubing) und schließlich die Ummantelung des Kabels. Während aller Produktionsschritte wird immer wieder der Durchmesser geprüft.
Einzigartig hinsichtlich Messgenauigkeit, Größe des Messfensters und Schnelligkeit
Den Wissenschaftlern und Entwicklern von Hochschule Bremen und SIKORA ging es um die erste Durchmesserprüfung in der Produktionskette, die Messung der nackten Glasfaser, denn hier ist die höchste Präzision gefordert. Alle folgenden Messungen können die herkömmlichen Messsysteme mit der erforderlichen Genauigkeit durchführen. Im Rahmen der Forschungskooperation wurde nun ein Messverfahren derart weiterentwickelt, so dass es nun zehnfach genauer messen kann als zuvor: Mit ihm lässt sich der Durchmesser einer Glasfaser bis auf +/- 0,05 Mikrometer genau bestimmen. Oder anders ausgedrückt: Die Messfehler nach oben oder nach unten betragen jeweils nur einen Zwanzigtausendstel Millimeter. Weltweit einmalig ist auch die Größe des Messfeldes. Das ist der Bereich, in dem die Glasfaser mit der festgelegten Präzision erfasst werden kann. Es misst fünf mal fünf Millimeter, was zunächst zwar recht klein erscheint, aber angesichts des extrem kleinen Messgutes enorm groß ist.
Und so funktioniert das System - vereinfacht dargestellt: Von oben läuft der Draht oder die Glasfaser durch das ungefähr taschenbuchgroße Messgerät, auch Messkopf genannt. Im Herzen des Gerätes befindet sich das einen Viertel Quadratzentimeter große Messfeld. In diesem Bereich wird der Draht- oder Faserdurchmesser gemessen. Dafür wird das Messgut von zwei Seiten mit sich fächerförmig ausbreitenden Laserstrahlen beleuchtet. Auf den lichtempfindlichen Flächen, die den Lichtquellen (Laserdioden) gegenüber liegen, zeichnen sich Schatten ab: Entscheidend für die Durchmesserprüfung ist das auf diese Flächen projizierte Schattenbild. Nur ein Streifen davon wird analysiert. Fachleute erklären den nun folgenden Messvorgang auch so: Ein zeilenförmiger CMOS-Lichtsensor registriert die Schattenverläufe und Beugungsmuster und ein digitaler Signalprozessor im Messkopf berechnet daraus die Durchmesserwerte. Der Vorgang wiederholt sich mehr als 1.000 Mal pro Sekunde.
Das Messverfahren basiert auf dem von SIKORA patentierten "Laser-Schattenprojektionsprinzip". Mit der Messung von Rundteilen nach diesem einzigartigen Prinzip ist die SIKORA AG zum weltweiten Technologieführer geworden. Es ermöglicht die berührungslose, optische Messung von Durchmessern und das System braucht im Gegensatz zu anderen keine bewegten Teile. So gibt es auch keinen mechanischen Verschleiß, was sich positiv auf die Ausfallsicherheit und die Wartungskosten auswirkt. Entscheidend jedoch ist: Während der laufenden Produktion können die Glasfaserhersteller nun mehr als 1000 Mal pro Sekunde Durchmesserprüfungen mit der derzeit höchstmöglichen Präzision vornehmen und bei Bedarf auch korrigierend in den laufenden Produktionsprozess eingreifen. Das in Kooperation zwischen Wissenschaft und Wirtschaft entwickelte Messsystem ist weltweit einzigartig hinsichtlich der Messgenauigkeit, der Größe des Messfensters und seiner Schnelligkeit.
Erfolgsrezept: Wissenschaftliches und industrielles Wissen ergänzen sich
Die I3M-Forscher sind Experten unter anderem im Bereich der Lasertechnologie und der Optoelektronik, und der Messgerätehersteller SIKORA verfügt über das Wissen zur kontinuierlichen Online-Messung von lang gestreckten, runden Produkten. "Durch die Forschungskooperation wurde nun das Know-how im Bereich der industriellen Messtechnik mit der Kompetenz auf dem Gebiet der Optoelektronik zusammengebracht", sagt I3M-Leiter Wenke. "Das hat die Entwicklung dieses äußerst genauen Messgerätes ermöglicht, was letztlich zur Schaffung und Sicherung von Arbeitsplätzen bei der SIKORA AG beiträgt", ergänzt SIKORA-Gruppenleiter Blohm. Mit dem neuen System habe das Produktspektrum entscheidend erweitert und die Technologieführerschaft behauptet werden können. "Und wir können nun neue Märkte im Bereich der Glasfaserindustrie erschließen, denn mit der Entwicklung haben wir unsere Serie der Durchmesserprüfgeräte vervollständigt."
Durch die Forschungskooperation ist das Unternehmen jetzt in der Lage, auch die nackten Glasfasern hochgenau zu prüfen. Damit verfügt es über Messgeräte für alle Schritte in der Glasfaserproduktionskette. "Die Kunden möchten ihre gesamte Produktionstechnik möglichst mit Messsystemen nur eines Herstellers ausstatten", erklärt Blohm. Mittlerweile seien nicht nur ein gutes Dutzend der neuen Systeme ausgeliefert worden, sondern auch die Nachfrage für die anderen Messgeräte sei gestiegen, was zu Neueinstellungen im Unternehmen geführt habe.
Von einem Gewinn ganz anderer Art berichtet I3M-Leiter Wenke: "Durch das Projekt konnte die Mess- und Entwicklungskompetenz des Institutes im Bereich kürzerer Wellenlängen deutlich verbessert werden. Wir konnten unsere Labor-Ausstattung weiter ausbauen, und - das ist besonders wichtig - der praxisnahe Technologietransfer fließt auch unmittelbar in die Lehre ein." Durch die Förderung war es auch möglich, für das Projekt einen Mitarbeiter einzustellen", sagt Wenke. Er konnte nach dem Abschluss seiner vom I3M betreuten und bei der SIKORA AG durchgeführten Masterarbeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter die Durchführung des Projektes erfolgreich unterstützen: Ceyhan arbeitete zu 60 Prozent bei dem Unternehmen und zu 40 Prozent im Institut.
"Durch die Aufteilung seiner Arbeitszeit war der Informationsaustausch zwischen der Hochschule und dem Unternehmen in ausgezeichneter Weise gegeben", sagt Wenke, und dass er eine solche Lösung auch für künftige Kooperationen immer wieder anstreben würde. Inzwischen planen das I3M und der Bremer Mittelständler auch schon das nächste gemeinsame Vorhaben. So ist es noch immer eine Schwierigkeit, die Durchmesser transparenter Rohre und Schläuche mithilfe des Laser-Schattenprojektionsprinzips zu messen. Da das Messgut teilweise lichtdurchlässig ist, müssen die Wissenschaftler bei der Analyse der Schattenbilder nicht nur die Beugung des Lichtes am Messgut, sondern auch die Brechung des Lichtes durch das Messgut hindurch berücksichtigen.
Weitere Informationen:
www.i3m.hs-bremen.de
www.sikora.com
