Wandstärke, Schichtdicke und Höhe an transparenten Medizinteilen berührungslos messen

Transparente und empfindliche Werkstoffe gehören in der Medizintechnik zum Alltag, etwa klare Kunststoffröhrchen für Infusion und Dosierung, dünne Membranen, im Reinraum aufgebrachte Beschichtungen oder Kleberaupen auf Trägern. Gerade an diesen Materialien versagen viele naheliegende Messverfahren. Ein Taster darf nicht aufsetzen, weil er das Teil zerkratzt oder eindrückt, und eine 2D Kamera zeigt zwar Konturen, liefert aber keine Höhen- oder Dickeninformation. Gefragt sind Verfahren, die Wandstärke, Schichtdicke und Höhe berührungslos erfassen.

Dieser Beitrag richtet sich an Mess- und Qualitätsverantwortliche in der Medizin- und Pharmafertigung, die solche Merkmale prüfen müssen. Er erläutert, warum taktile und kamerabasierte Verfahren an transparenten Teilen an ihre Grenzen stoßen, wie konfokale Wegmessung Innen- und Außenfläche in einem Aufbau erfasst, worauf es bei transparenten Beschichtungen ankommt und wie der Weg vom Labor Stichprobentest zur Inline Überwachung geplant werden sollte.

Wichtige Punkte im Überblick

An transparenten, dünnwandigen und empfindlichen Teilen versagen die naheliegenden Verfahren: der Taster drückt die Wand ein, und die 2D-Kamera erfasst keine Höhe, Wandstärke oder Schichtdicke.
Konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 erkennen vordere und hintere Grenzfläche eines transparenten Teils und bestimmen daraus Wandstärke sowie Innen- und Außendurchmesser in einem einzigen Aufbau.
Bei Beschichtungen entscheidet die Trennbarkeit der Grenzflächen über die Messbarkeit und hängt von Schichtdicke, Brechungsindex und Reflexionsverhalten ab.
Reinraum und schnell verdampfende Schichten setzen enge Randbedingungen: berührungslose Messung ohne Abrieb und ein Messfenster von oft nur wenigen Minuten.
Die Sensorwahl folgt der Aufgabe: konfokale Messung für Wandstärke an transparentem Material, Laser-Profilsensor für ein Höhen- und Breitenprofil, Laser-Wegmesssensor für schnelle Einzelpunkthöhen.

Warum taktile und kamerabasierte Verfahren an transparenten und empfindlichen Teilen scheitern

Ein taktiler Taster misst per Kontakt. Bei einem klaren, dünnwandigen Röhrchen verfälscht schon geringe Kraft den Messwert, weil die Wand eindringt. Bei frisch aufgesprühten oder noch feuchten Schichten zerstört die Antastung die Oberfläche, die eigentlich beurteilt werden soll. In dokumentierten Anwendungen ist die taktile Prüfung solcher Teile daher keine Option.

Die 2D Kamera hat das umgekehrte Problem. Sie liefert ein exzellentes Kantenbild und misst Konturen, Durchmesser und Abstände in der Bildebene, Höhe, Wandstärke und Schichtdicke liegen jedoch quer zur Bildebene und bleiben unsichtbar. Hinzu kommt bei manchen Anwendungen die Zeitkritik: Schnell verdampfende Schichten müssen innerhalb weniger Minuten gemessen werden, bevor sie sich verändern. Ein Verfahren, das erst aufwendig eingerichtet werden muss, kommt dann zu spät.

Taktiler Kontakt verformt oder zerstört klare, dünnwandige und frisch beschichtete Teile.
2D-Kameras erfassen die Kontur, aber keine Höhen- und Dickeninformation.
Verdampfende oder frisch aufgesprühte Schichten lassen nur ein kurzes Messfenster.
Transparenz und Spiegelung stören einfache optische Abstandsverfahren.

Konfokale Wegmessung: Innen- und Außendurchmesser und Wandstärke in einem Aufbau

Die konfokale Wegmessung ist auf transparente und spiegelnde Oberflächen ausgelegt. Sie arbeitet koaxial, das heißt das Messlicht trifft senkrecht auf die Oberfläche und wird dort erfasst, wo es scharf abgebildet wird. Trifft der Messstrahl auf ein transparentes Röhrchen, erkennt der Sensor sowohl die vordere als auch die hintere Grenzfläche. Aus dem Abstand beider Flächen ergibt sich die Wandstärke, und aus Innen- und Außenlage lassen sich in einem Messaufbau Innen- und Außendurchmesser sowie die daraus resultierende Wandstärke bestimmen.

Diese Fähigkeit, mehrere Grenzflächen in einer Messung zu trennen, ist der entscheidende Vorteil gegenüber einfachen Abstandssensoren. In dokumentierten Anwendungen werden auf diese Weise klare Kunststoffröhrchen mit Wandstärken im Zehntelmillimeterbereich geprüft, ohne dass das Teil berührt oder beschädigt wird. Für dünne Schichten sind Genauigkeiten von 1 µm oder besser erreichbar. Die tatsächlich erzielbare Auflösung hängt jedoch vom Material, der Schichtdicke und der Oberflächenbeschaffenheit ab und muss am realen Bauteil verifiziert werden.

Schichtdicke und transparente Beschichtungen: einzelne und mehrere Grenzflächen sicher erfassen

Bei Beschichtungen kommt es darauf an, wie viele Grenzflächen der Sensor sauber trennen kann. Eine einzelne transparente Schicht auf einem Träger erzeugt zwei Grenzflächen, deren Abstand die Schichtdicke ergibt. Bei mehreren übereinanderliegenden Schichten, etwa einer Folie mit zusätzlicher Beschichtung, entstehen entsprechend mehr Grenzflächen. Ob sich diese getrennt auflösen lassen, hängt von Schichtdicke, Brechungsindex und Reflexionsverhalten ab.

Genau hier liegt die Kunst der Auslegung. Sehr dünne oder schwach reflektierende Schichten liefern nur ein schwaches Signal und die Peaks der einzelnen Grenzflächen können dicht beieinanderliegen. Ob der Sensor diese als einen Peak oder als mehrere Peaks erkennt, entscheidet über die Messbarkeit. Für die jeweilige Schicht und Umgebung wird deshalb ein geeigneter Messkopf gewählt, und die Trennbarkeit der Grenzflächen gehört an das reale Muster, nicht in eine Annahme im Lastenheft. Bei mehrschichtigen Aufbauten ist ein Machbarkeitstest am Originalteil der verlässlichste Weg zu einer belastbaren Aussage.

Reinraum, verdampfende und temperaturkritische Medien: Randbedingungen der Messung

Viele dieser Messaufgaben finden nicht auf einer ruhigen Laborbank statt, sondern unter speziellen Umgebungsbedingungen. Im Reinraum muss die Integration reinraumtauglich erfolgen, und häufig soll ein ganzer Warenträger in kurzer Zeit vermessen werden, was kurze Messzeiten pro Position erfordert. Die berührungslose optische Messung passt zu dieser Umgebung, weil sie keine mechanischen Kontaktstellen und keinen Abrieb erzeugt.

Verdampfende Vermittler- und Beschichtungsschichten stellen eine weitere Randbedingung dar. Das Messfenster beträgt manchmal nur wenige Minuten, in denen die Schicht ihren Zustand beibehält. Die Messung muss daher schnell erfolgen und ohne aufwändiges Einrichten. Ebenso sind Temperatureinflüsse und sonstige Umgebungsbedingungen vorab zu klären, etwa wenn unter Schutzgas gearbeitet oder die Oberfläche temperiert wird.

Für anspruchsvolle Einsatzbedingungen stehen spezielle Messköpfe zur Verfügung, die auf solche Umgebungen ausgelegt sind. Welcher Messkopf passt, ergibt sich aus Arbeitsabstand, Messbereich und den konkreten Randbedingungen des Einsatzortes.

Sensorwahl: Modellreihe CL-3000, Laser-Profilsensor LJ-X8000, Laser-Wegmesssensor LK-G5000

Für die berührungslose Dicken- und Höhenmessung an Medizinteilen bieten sich je nach Aufgabe unterschiedliche Sensoren an.

Modellreihe CL-3000: Die konfokalen Wegmesssensoren sind die erste Wahl, wenn höchste Genauigkeit an transparenten und spiegelnden Flächen gefragt ist und wenn Wandstärke oder Schichtdicke über mehrere Grenzflächen erfasst werden sollen. Für unterschiedliche Einbausituationen und Umgebungen stehen verschiedene Messköpfe bereit.
Modellreihe LJ-X8000: Der 2D/3D Laser-Profilsensor ist sinnvoll, wenn zusätzlich zur Höhe ein Breiten- oder Querschnittsprofil benötigt wird, etwa um Kontur und Höhe eines Teils in einer Messung zu erfassen.
Modellreihe LK-G5000: Der Laser-Wegmesssensor eignet sich für schnelle berührungslose Einzelpunkt-Höhenmessungen an gut zugänglichen, ausreichend streuenden Oberflächen.

Die Wahl richtet sich danach, ob es um Wandstärke und Schichtdicke an transparentem Material (konfokal), um ein Höhen- und Breitenprofil (Laser-Profil) oder um eine schnelle Einzelpunkthöhe (Laser-Weg) geht. Nicht selten deckt eine Produktfamilie mehrere dieser Fälle ab, sodass sich die Systeme ergänzen.

Vom Labor-Stichprobentest zur Inline-Überwachung

Der typische Ablauf beginnt im Labor. Zunächst wird das Verfahren stichprobenhaft am realen, transparenten Muster erprobt, um die Machbarkeit zu bestätigen. Erst wenn der Sensor die Grenzflächen sauber trennt und die geforderte Genauigkeit erreicht, folgt die Integration in die Anlage oder in eine Drehstation, in der das Teil kontinuierlich oder getaktet gemessen wird.

Dieser stufenweise Übergang reduziert das Risiko. Die manuelle oder stichprobenhafte Prüfung wird durch eine dokumentierte, automatisierte Messung ersetzt, deren Grundlage bereits am Muster nachgewiesen wurde. Für den Nachweis gilt dieselbe Regel wie bei allen Messverfahren in diesem Umfeld: Verifizieren Sie am Originalteil, legen Sie Grenzmuster an und klären Sie die Umgebungsbedingungen, bevor Sie die Anlage planen. So wird aus der Herausforderung, die Wandstärke eines transparenten Röhrchens berührungslos zu messen, ein belastbarer und dokumentierter Prüfschritt.

Häufige Fragen

F Warum kann ich die Wandstärke eines klaren Kunststoffröhrchens nicht taktil messen?

Ein taktiler Taster misst über den Kontakt, und schon eine geringe Kraft drückt die dünne, klare Wand ein und verfälscht den Wert. An frisch beschichteten oder feuchten Oberflächen zerstört die Antastung zudem genau die Schicht, die beurteilt werden soll. Die berührungslose konfokale Messung erfasst vordere und hintere Grenzfläche des Röhrchens optisch und bestimmt die Wandstärke aus deren Abstand, ohne das Teil zu berühren.

F Wie misst ein konfokaler Sensor Wandstärke und Schichtdicke?

Der konfokale Sensor arbeitet koaxial und erkennt die Grenzflächen dort, wo das Messlicht scharf abgebildet wird. Bei einem transparenten Teil erfasst er die vordere und die hintere Grenzfläche in einer Messung; deren Abstand ist die Wandstärke beziehungsweise die Schichtdicke. Auf diese Weise lassen sich Innen- und Außenlage und die daraus resultierende Wandstärke in einem einzigen Aufbau bestimmen.

F Kann ich mehrere Schichten getrennt messen?

Das hängt von Schichtdicke, Brechungsindex und Reflexionsverhalten der Materialien ab. Liegen die Grenzflächen weit genug auseinander und reflektieren ausreichend, kann der Sensor sie als getrennte Peaks auflösen. Bei sehr dünnen oder schwach reflektierenden Schichten ist die Trennbarkeit nicht garantiert, weshalb sie im Machbarkeitstest am Originalmuster geprüft werden sollte.

F Welche Genauigkeit ist an transparenten Teilen erreichbar?

Für dünne Schichten sind in dokumentierten Anwendungen Genauigkeiten von 1 µm oder besser erreichbar. Die tatsächlich erreichbare Auflösung hängt jedoch von Material, Schichtdicke, Oberfläche und Umgebung ab. Deshalb wird die Genauigkeit am realen Teil verifiziert, bevor sie in einer Spezifikation zugesichert wird.

F Eignet sich die Messung auch für den Reinraum?

Ja. Die berührungslose optische Messung erzeugt keine mechanischen Kontaktstellen und keinen Abrieb und passt damit gut zu Reinraumbedingungen. Häufig soll ein ganzer Warenträger in kurzer Zeit gemessen werden, was eine kurze Messzeit je Position erfordert. Für anspruchsvolle Umgebungen und Arbeitsabstände stehen passende Messköpfe zur Verfügung, die vorab auf die konkrete Bedingung ausgelegt werden.

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