Optischer Sensor ermöglicht 100-Prozent-Qualitätskontrolle ultradünner Barriereschichten
Ein neuartiger Sensor ermöglicht es erstmals, funktionale
Barriereschichten auf Kunststoffprodukten in Produktionsgeschwindigkeit zu
prüfen. Entwickelt wurde das Prüfsystem Film-Inspect vom Fraunhofer-
Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Kooperation mit dem
Plasmaanlagen-Spezialisten Plasma Electronic GmbH. Der Sensor nutzt
Infrarotmesstechnik, um dünne Beschichtungen mit einer Stärke von unter 10
nm bis 200 nm inline zu erfassen.
Plasma-Beschichtungen werden beispielsweise auf Kunststoffverpackungen
aufgebracht, um Lebensmittel zu schützen. Hier bewahrt eine
diffusionsdichte Schicht, z. B. aus Siliziumoxid (SiOx) oder Aluminiumoxid
(AlOx), Produkte wie Kaffee oder Nüsse vor schädlichen äußeren Einflüssen
oder Aromaverlust. Vergleichbare Dünnschichten kommen aber auch in völlig
anderen Bereichen zum Einsatz – beispielsweise bei Pharmaprodukten, in
Haushaltsgeräten, in Brennstoffzellen, auf Fahrzeugteilen und in vielen
weiteren Branchen. Sie können eingesetzt werden, um die Benetzbarkeit, die
Haftungseigenschaften oder die Oberflächenchemie zu optimieren, oder um
vor Korrosion zu schützen. Bis heute gab es keine Möglichkeit, die
Qualität von Plasma-Beschichtungen inline und zerstörungsfrei zu
überprüfen. Stand der Technik ist die stichprobenartige Qualitätsprüfung
mit zeitaufwändigen Laborverfahren. Der von Fraunhofer IPM entwickelte
neuartige Sensor ermöglicht nun eine prozessintegrierte 100-Prozent
Einzelteilprüfung im Produktionstakt – auch für dreidimensional geformte,
komplexe Oberflächen wie sie beispielsweise für Verpackungen typisch sind.
Kompakte Bauform ermöglicht einfache Integration in die Linie
Die Forschenden nutzen die infrarotoptischen Eigenschaften der
Beschichtungen für die Qualitätskontrolle: Die chemische Bindung zwischen
Atomen kann durch Infrarotlicht der passenden Wellenlänge resonant
angeregt werden. Aus der Intensität des reflektierten Lichts lässt sich
die Schichtdicke bestimmen. Die Wahl der Wellenlänge hängt vom
Beschichtungsmaterial ab und ist materialspezifisch konfigurierbar. Der
kompakte Sensor ist nur ca. 20 × 40 × 80 mm3 groß und kann somit
problemlos in die Produktionslinie integriert werden. In
Produktionsprozessen können mehrere Sensoren gekoppelt werden und via
Profinet und OPC-UA mit der Anlagensteuerung kommunizieren. Für einfachere
Anwendungen mit Einzelsensoren steht eine USB-Schnittstelle und eine
Auswertesoftware zur Verfügung.
Ein Array von acht Sensoren wurde beim Projektpartner Plasma Electronic
GmbH erfolgreich in eine Plasma-Beschichtungsanlage integriert und
getestet. Neben der dort gezeigten Anwendung in einem Batch-Prozess kann
Film-Inspect auch in kontinuierlichen Verfahren eingesetzt werden. Auch
die Überwachung einer Rolle-zu-Rolle Beschichtungsanlage ist somit
möglich.
Fraunhofer IPM präsentiert den Sensor Film-Inspect auf der Surface
Technology 2024 vom 04. Juni bis 06. Juni 2024 (WOTECH-Gemeinschaftsstand
in Halle 1 H 16 »Oberflächentechnik der Zukunft«).
Projekt »O-KUBA – Optische Prozesskontrolle für ultradünne
Barriereschichten«
Die Forschungs und Entwicklungsarbeiten fanden im Rahmen des Projekts
»O-KUBA – Optische Prozesskontrolle für ultradünne Barriereschichten«
statt. O-KUBA wird im Rahmen des Förderprogramms Invest BW – Innovation II
durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-
Württemberg gefördert (BW1_1002/02). Laufzeit: 01.04.2022 – 31.07.2024;
Projektpartner: Fraunhofer IPM, Plasma Electronic GmbH
