Kosten sparen mit Digital-Mikroskopen

Die Digital-Mikroskopie entwickelte sich parallel zur Digitalfotografie. Ein aufwändiges optisches Linsensystem bündelt die Lichtstrahlen, die vom betrachteten Objekt reflektiert werden, und sendet sie auf einen CCD-Mikrochip. Im Vergleich zu optischen Mikroskopen bieten Digital-Mikroskope hohe Vergrößerungsfaktoren, sehr große Auflösung bei einem sehr schnellen Videobild (bis zu 28 Bilder/s) und große Tiefenschärfe. Die Objekte lassen sich direkt betrachten, und umfangreiche dreidimensionale Darstellungen machen diese Vorteile noch wertvoller.

Für zahlreiche Anwender aus der Industrie extrem wichtig ist jedoch der Unterschied zum optischen Mikroskop, da die zu betrachtenden Objekte nicht präpariert werden müssen. Selbst größere Objekte brauchen nicht zerlegt oder zerschnitten zu werden, um die Probe auf dem Objekthalter zu platzieren, wie bei optischen Mikroskopen notwendig. Mit einer geeigneten Optik lassen sich sehr große Bauteile betrachten und aufnehmen, ohne dass dafür ein Stativ nötig wäre. Der Bediener hält den Kamerakopf mit Optik lediglich an das zu betrachtende Bauteil heran. Voraussetzung ist jedoch, dass das Digital-Mikroskop über eine vollautomatische Verwackelungskorrektur verfügt.

Keyence entwickelt und baut optische Digital-Mikroskope seit 1990. Mehrere 100 000 dieser Geräte werden weltweit in verschiedensten Industriebranchen eingesetzt. Das neue optische Digital-Mikroskop VHX-500 zeichnet sich nun vor allem durch umfangreiche 3D-Darstellungsmöglichkeiten aus.

Die maximale Auflösung des VHX-500 beträgt 18 Mio. Pixel. Bezogen auf den integrierten Bildschirm liegt die Vergrößerung inklusive Digitalzoom beim 10 000fachen. Ein solch hoher Vergrößerungsfaktor lässt sich mit herkömmlichen optischen Mikroskopen nicht erreichen. Die Tiefenschärfe ist 20mal besser als bei optischen Mikroskopen. In Kombination mit dem so genannten D.F.D.-Verfahren (Tiefenschärfe durch Defokussierung) wird eine dreidimensionale Bilddarstellung möglich. Messfunktionen erlauben auch eine quantitative Analyse: Neben den üblichen Messwerten wie Abstand, Mittenabstand, Radius, Winkel, Flächen-/Zählmessung lassen sich mit dem VHX-500 Volumen- sowie 3D-Messungen zwischen Ebenen durchführen – inklusive Winkel.

Dank des großen 15-Zoll Farb-LCD (TFT)-Monitors können mehrere Personen gemeinsam die mikroskopierten Objekte betrachten, was optische Mikroskope nur bei zusätzlichem Aufwand zulassen (Kamera plus Aufsatz plus Monitor). Zudem lassen sich zwei 3D-Bilder auf einmal darstellen und animierte Sequenzen aufzeichnen. Für die hohe 3D-Funktionalität dieses Digital-Mikroskops sorgen zahlreiche Innovationen, die in die Entwicklung eingeflossen sind: Durch einen speziellen Algorithmus stellt das VHX-500 dunkle und helle Bereiche automatisch auf einen optimalen Kontrast ein, ohne Bereiche mit korrekter Empfindlichkeit zu verändern. Selbst feinste Werkstoffstrukturen, die mit bisherigen Methoden nicht erkennbar wären, lassen sich durch die richtige Beleuchtungseinstellung scharf sichtbar machen.

Wie hoch die Kosteneinsparungen sein können, die ein optisches Digital-Mikroskop in der Praxis bewirkt, zeigen zwei Anwendungsbeispiele. Ein Automobilzulieferer machte die Einsatzzeit aller Zerspanwerkzeuge von der errechneten Verschleißzeit abhängig. Das hatte zur Folge, dass die Werkzeuge nicht bis zu ihrer tatsächlichen, maximalen Lebensdauer eingesetzt wurden. Schließlich bestand stets die Gefahr einer schlechten Werkstückbearbeitung oder die eines Werkzeugbruchs. Obwohl unterschiedliche Werkzeuge verwendet wurden, orientierte man sich sicherheitshalber an dem Werkzeug mit der kürzesten Lebensdauer. Nach Einführung des digitalen Mikroskops VHX in der Fertigung konnten alle Werkzeuge an Ort und Stelle begutachtet werden. Heute lässt sich jedes einzelne Werkzeug bis zu seiner maximalen Lebensdauer einsetzen. Dadurch konnte der Zulieferer seine Kosten um etwa 15 000 Euro pro Jahr und Abteilung reduzieren. Das entspricht immerhin 10 % der jährlichen Werkzeugkosten.

Ein Zulieferer von Elektronikteilen für Flachbildschirme verwendete bisher nur optische Mikroskope bei der Reparatur fehlerhafter Substrate. Dieses Verfahren machte es sehr schwer, dünne Brücken und Rippen in einem vertieften Bereich zu erkennen. Die Kontrollen haben daher sehr viel Zeit gekostet. Die Folge war meist, dass einige Substrate ohne Reparatur sofort weggeworfen wurden. Der Einsatz des Digital-Mikroskops VHX senkte dann die Reparaturdauer für ein Substrat um durchschnittlich 20 %. Die Ausfallkosten der Substrate ließen sich so um durchschnittlich 1500 Euro pro Monat senken. Insgesamt sparte dieser Elektronikteilzulieferer dadurch jährlich rund 50 000 Euro ein.

Das mobile Mikroskop VHX-500 ist mit guten Objektiven und einer handlichen Digital-Kamera ausgerüstet. Alle lieferbaren Objektive sind mit leistungsstarken Real-Zoom(RZ)-Linsen ausgestattet, die jegliche chromatische Aberration korrigieren. Die meisten Objektive verfügen über ein eingebautes Beleuchtungssystem und können das zu betrachtende Objekt sehr gut ausleuchten. Ein Tastendruck genügt, um zwischen surjektiver und bijektiver Beleuchtung (zur besseren Ausleuchtung von Kanten, Vorsprüngen und Vertiefungen) umzuschalten. Trotzdem kann es bei Objekten mit glänzenden Oberflächen (wie CD/DVD, Kunststofflinsen, -prismen oder -spiegel) zu störenden Reflexionen und einer Lichthofbildung kommen. Derartige störende Lichteffekte eliminiert eine neu entwickelte Lichthofbeseitigungsfunktion und ermöglicht dadurch ein jederzeit klares, kontrastreiches Betrachten. Diese Funktion verkürzt deutlich die zur Beleuchtungseinstellung erforderliche Zeit.

Das Digital-Mikroskop VHX-500 verfügt außerdem über eine 160-GB-Festplatte, ein eingebautes 24-CD-R/RW-Laufwerk sowie USB-2.0- und LAN-Schnittstellen (RJ-45; 10BASE-T/100 BASE-TX/1000 BASE-T). Eine Vielzahl an Objektiven vom Makro- über diverse Telezoomobjektive (mit maximal 5000facher Vergrößerung) bis hin zu Boreskope-Objektiven sind lieferbar, ebenso wie flexible Endoskope und verschiedene Zubehörartikel inklusive Motorstativ.

Robert Ruthenberg Pressereferent der Keyence Deutschland GmbH, Neu-Isenburg

Kosteneffizienz

Mit Hilfe eines Digital-Mikroskops lassen sich Fertigungskosten senken: Zum Beispiel wechselt ein Zulieferer seine Werkzeuge erst dann aus, wenn eine Digi-Aufnahme das Lebensdauer-Ende anzeigt – und nicht früher. Oder ein Elektronikhersteller erkennt mehr auf der 3D-Aufnahme seiner Substrate als unter dem Lichtmikroskop und kann dadurch Reparaturen besser und schneller durchführen.