Mikroskopsysteme für automatisierte Partikelmessungen

In der Automobilindustrie wird die technische Sauberkeit funktionskritischer Einzel- und Systemkomponenten als ein entscheidendes Kriterium für Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Systemen immer bedeutender. Mikroskopsysteme mit entsprechender Auswertesoftware ermöglichen mittels automatisierter Partikelmessung eine effiziente und sichere Restschmutzanalyse bei Injektoren, Pumpen, Steuerteilen und weiteren mikromechanischen Komponenten.

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Viele Fahrzeugkomponenten lassen sich, einmal verbaut oder eingesetzt, nicht mehr kontrollieren. Verschmutzungen durch anhaftende Partikel können jedoch im schlechtesten Fall zu einem Totalausfall des Systems führen. Eine effiziente Sauberkeitsbestimmung zur Qualitätssicherung der Fertigungsprozesse kann nicht direkt am komplexen Bauteil erfolgen. Deshalb wird der Verschmutzungsgrad indirekt über die mikroskopische Restschmutzanalyse bestimmt. Dies geschieht in drei Schritten:

• Spülen/Waschen der Bauteile
• Filtration der Spülflüssigkeit
• Optische Analyse des Filters

In enger Zusammenarbeit mit Zulieferern der Automobilindustrie hat Leica Microsystems das Komplettsystem Leica QClean für die Restschmutzanalyse entwickelt. Es besteht aus einem automatisierten Mikroskop (Leica DM4000 M – DM6000 M) mit Scanning-Tisch und Digitalkamera sowie einem leistungsstarken PC mit entsprechender Auswertesoftware, die Größe und Anzahl der Schmutzpartikel auf einem Filter erfasst (s. Abb. 1). Leica QClean analysiert Partikelfilter entsprechend den Vorgaben der VDA Band 19 sowie der ISO-DIS 16232 (Road vehicles – Cleanliness of components of fluid cicuits). Die flexible Software lässt sich einfach und schnell auch an andere Industrienormen oder werksinterne Qualitätsstandards anpassen. Der Prüfer wird durch die Messroutine geleitet, bis die automatische Partikelmessung gestartet wird. Die Ergebnisse werden automatisch dargestellt (s. Abb. 2) und können im integrierten Archivierungssystem gespeichert werden.

Das 10-Pixel-Kriterium

Bei der automatisierten Partikelmessung soll laut ISO-DIS 16232 die Länge der kleinsten Partikel von mindestens zehn Pixel abgebildet werden (s. Abb. 3). Der entsprechende Kalibrierwert für die Partikelgröße ist abhängig von der Vergrößerung des Mikroskops, inklusive des Faktors des Kameraadapters und der Pixelgröße der Kamera. Der Kalibrierwert lässt sich manuell bestimmen oder aus den Systemparametern über die Software errechnen.

Für die Berechnung des Kalibrierwertes wird die Pixelgröße des Kamerachips durch die gesamte optische Vergrößerung geteilt. Eine Pixelgröße von 3,2 µm und eine 5x-Objektivvergrößerung mit einem C-Mount-Faktor von 0,55 ergeben einen Kalibrierwert von 1,16 µm/pixel. Wird die Kameraauflösung dabei auf 2 x 2 Binning reduziert, erhöht sich der Kalibrierwert um den Faktor 2 auf 2,3 µm/pixel. Bei kleinen Werten von beispielsweise 0,3 µm/pixel ist allerdings unbedingt zu beachten, dass 3 µm große Partikel gemäß dem 10-Pixel-Kriterium nur dann korrekt erfasst werden, wenn ein optisches System mit entsprechender Auflösung eingesetzt wird.

Bei manueller Kalibrierung wird der Wert aus einer möglichst pixelgenau vermessenen, definierten Distanz ermittelt. Theoretisch und manuell bestimmter Kalibrierwert weichen bei Festoptiken im Allgemeinen erst in der zweiten Nachkommastelle voneinander ab. Bei Stereomikroskopen und Makroskopen sollte der Wert manuell bestimmt werden, da die Differenz aufgrund der Zoomoptik größer ist.

Das 10-Pixel-Kriterium gilt vor allem bei der Vermessung funktionskritischer Partikel. Für andere Partikelmessungen kann die Anforderung auf den fünffachen Wert der Auflösung abgeschwächt werden.

Für Messungen in kleinen Partikelklassen (CCC-Klassen A-C und größer) empfiehlt sich der Einsatz vollautomatisierter Lichtmikroskope mit hoher Abbildungsqualität. Je nach Partikelgröße können Objektivvergrößerungen von 5x, 10x oder 20x verwendet werden. Für größere Partikelklassen (CCC-Klassen ab D) eignen sich auch manuelle oder motorisierte Makroskopsysteme (Leica Z6 APO oder Z16 APO).

*K. Scheffler, A. Schué, Leica Microsystems, 35578 Wetzlar, Tel. +49 (0) 64 41 / 29 26 57

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