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Messtechnik

Prüfung dünner Schichten in der Fertigungslinie

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Systematische Fehler durch Prozessregelung vermeiden

Die Anzahl der Messpunkte pro Fläche ergibt sich beim Inline-System aus der Wiederholrate des Lasers von bis zu 100 Pulsen pro Sekunde und der Vorschubgeschwindigkeit des Bandes in der Größenordnung von wenigen Metern pro Sekunde. Bei einer Geschwindigkeit von 2 m/s sind 50 Messpunkte pro Meter möglich.

Weil kleinräumige Unterschiede in der Beschichtungsdicke nicht immer eine Rolle spielen, kann die Messung als Integration über einige Messpunkte ausgeführt werden. Damit ist die Bestimmung der Schichtdicke trotzdem innerhalb weniger als einer Sekunde abgeschlossen. Die Messdaten werden automatisiert gespeichert und können sowohl als Regelungsparameter ausgegeben als auch im Sinne einer Industrie-4.0-Datenerfassung für prozessübergreifende Optimierungen genutzt werden.

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Bei der Anwendung in der Fertigung werden in einem zuvor definierten Zeittakt Laserpulse ausgesendet. Die Auswertung des Spektrums erfolgt in der Frequenz, in der die Laserpulse abgegeben werden, sodass das Ergebnis der Schichtdickenmessung unmittelbar und fast ohne Zeitverzögerung zur Verfügung steht. Liegen die Messwerte außerhalb des Toleranzbereichs, kann der Beschichtungsprozess direkt nachgeregelt werden, beispielsweise durch Änderung des Walzendrucks beim Materialauftrag.

Bisher übliche Qualitätskontrollen erkennen systematische Normabweichungen erst im Nachhinein anhand von Blechelementen, die im Anschluss an die Beschichtung aus dem Material ausgestanzt werden. Das führt heute bei Fehlern der Beschichtung zu großem Ausschuss. Mit Analize-Single werden systematische Fehler frühzeitig erkannt, sodass zeitnah korrigiert werden kann. Produktqualität und Prozessstabilität bei der industriellen Fertigung dünner Schichten werden so verbessert.

Anwendungen: Korrosionsschutz-Schichten und Trennmittel auf Kunststoffen

Durch den rückläufigen Einsatz von Chrom als Beschichtungsmaterial kommen vermehrt andere Materialien zum Einsatz. Gängige Alternativen sind Titan-, Zirkon- oder Siliziumbeschichtungen, die durch pH-Wert-kontrollierte Fällungsreaktionen hergestellt werden. Diese bieten einen guten Korrosionsschutz und eine gute Lackhaftung, sind aber leider sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Blech. Weil diese Schichten extrem dünn und optisch unsichtbar sind, ist hier eine neue Messtechnik gefragt. Nur mit dem an dieser Stellt beschriebenen Verfahren ist es möglich, solche Schichtdicken in der Produktion zu messen.

Eine weitere Anwendung betrifft die „Trennmittel auf Kunststoffen“: Außer den genannten typischen Anwendungen kann Analize-Single auch andere dünne Beschichtungen messen. Ein Beispiel ist die Restverunreinigung von silanhaltigen Trennmitteln an Klebeverbindungen. Selbst geringste Mengen Trennmittel nach dem Reinigungsprozess können nachgewiesen werden. Dies ist sowohl auf metallischen Oberflächen als auch auf Kunststoff oder Gummiteilen möglich – gerade bei kritischen oder sicherheitsrelevanten Klebeverbindungen.

Mit dem Aufbau des Analize-Single-Systems ist es gelungen, das Prinzip der laserinduzierten Plasma­spektroskopie erstmals für die quantitative Inline-­Schichtdickenmessung zu nutzen. Alternative Verfahren zur Bestimmung der Elementzusammensetzung sind nicht für die Untersuchung sehr dünner Schichten in der Linie geeignet. Analize-Single hingegen arbeitet berührungslos und schnell und hat zudem Vorteile bei der Detektion leichter chemischer Elemente. Für weitergehende Untersuchungen an Mehrfachbeschichtungen steht Analize-Multi zur Verfügung. Es arbeitet mit vielen Einzelpulsen pro Messpunkt und kann auf diese Weise komplexe Tiefenprofile der vorhandenen Elemente erstellen. MM

* Dr. Albrecht Brandenburg ist Gruppenleiter optische Oberflächenanalytik am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Freiburg/Brsg.; Dr. Carl Basler ist dort Projektleiter. Weitere Informationen: albrecht.brandenburg@ipm.fraunhofer.de, carl.basler@ipm.fraunhofer.de, www.ipm.fraunhofer.de

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