Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPMHugo-Geiger-Preis an Mitarbeiterin von Fraunhofer IPM
Digitale Holographie an bewegten Objekten: Auf dem Weg in die industrielle Anwendung
Die digitale Holographie hat in den vergangenen Jahren Fahrt aufgenommen. Inzwischen nutzt auch die Industrie die Technologie, um die Topographie von Objekten bis auf wenige Mikrometer genau zu vermessen. Dr. Annelie Schiller vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM hat in ihrer Promotion gezeigt, dass das Verfahren auch an bewegten Objekten funktioniert. Für ihre Arbeit wurde sie nun mit dem Hugo-Geiger-Preis für herausragende Promotionsleistungen im Bereich der angewandten Forschung ausgezeichnet.
Digital-holographische Messungen liefern extrem genaue 3D-Daten von Oberflächen und sind damit geeignet, die Qualität von Bauteilen in der industriellen Herstellung zu prüfen. Moderne Lasertechnik, exzellente Kameras und besonders schnelle parallele Datenverarbeitung auf Graphik-Prozessoren ermöglichen es mittlerweile, Bilder mit 10 Millionen 3D-Punkten innerhalb von 100 Millisekunden aufzunehmen und zu prozessieren. Damit ist das Verfahren ausreichend schnell für den Einsatz direkt in der Fertigungslinie.
Bei der holographischen Vermessung wird die Oberfläche eines Objekts mit Laserlicht beleuchtet. Überlagert man das reflektierte bzw. gestreute Licht mit Referenzlicht, so entsteht ein Interferenzbild, das die nötigen 3D-Daten liefert. Bislang zerstörten jedoch schon kleinste Bewegungen die darin enthaltene 3D-Information, sodass die Messungen in der Praxis nur für stillstehende Objekte möglich waren. Dieses Problem hat Annelie Schiller in ihrer Dissertation »Messung der Topographie bewegter Objekte mittels digitaler Holographie« gelöst: Sie konnte zeigen, dass sich sowohl linear bewegte als auch rotierende Objekte digital-holographisch vermessen lassen. Besonders bemerkenswert sind Schillers Lösungen für rotierende Objekte: Sie nutzt dabei aus, dass die nötige Geschwindigkeit zum Verstimmen der Referenzphase des Laserstrahls – eine Voraussetzung, um den durch die Rotationsbewegung hervorgerufenen kritischen axialen Geschwindigkeitsvektor zu kompensieren – nicht vom Radius des rotierenden Objekts abhängt. Stattdessen hängt der Anteil der kritischen Bewegung am Geschwindigkeitsvektor linear von der Winkelgeschwindigkeit und der Sensorposition ab.
Für die Industrie eröffnet die holographische Vermessung bewegter Objekte neue Anwendungsfelder und nicht zuletzt die Möglichkeit einer verbesserten und schnelleren Qualitätskontrolle in der Fertigung. Das Fraunhofer IPM will die Technologie zum Beispiel zur Prüfung von Zahnrädern für sehr sparsame Flugzeugtriebwerke oder für Getriebe von Elektrofahrzeugen einsetzen. Bei beiden Anwendungen kommt es auf eine mikrometergenaue Verarbeitung an, die nun in Bewegung und damit schneller geprüft werden kann.
Weitere Preisträger
Neben Dr. Annelie Schiller (zweiter Preis) wurden Dr. Simon Fichtner (erster Preis) vom Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT und Dr. Christian Kalupka vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT (dritter Preis) ausgezeichnet. Fichtner entwickelte das piezoelektrische Dünnfilmmaterial Aluminiumscandiumnitrid (AIScN), das ferroelektrische Eigenschaften besitzt und dessen atomare Struktur schaltbar ist. AIScN verspricht Fortschritte bei Halbleiterelementen im Bereich Next Generation Computing. Kalupka erarbeitete in seiner Promotion ein Präzisionsverfahren zur mikrometergenauen Bearbeitung von Glas und anderen transparenten Materialien mit einem Ultrakurzpuls-Laser. Auf Basis des Verfahrens lassen sich maßgeschneiderte Prozesse für die Bearbeitung unterschiedlicher Glassorten konzipieren. Es könnte in Zukunft zur Erzeugung von Komponenten für die 5G-Technik oder bei der Entwicklung von Quantencomputern zum Einsatz kommen.