So wird die Bauteilsauberkeit inline gemessen

Mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie des Fraunhofer IFAM lässt sich die Sauberkeit von Oberflächen automatisiert im Fertigungsprozess messen.

Um die technische Sauberkeit von Bauteile schon während des Fertigungsprozessen – etwa bei Faserverbundkunststoffen – zu erkennen, gilt eine digitalisierte Inline-Messung als Schlüssel für eine hocheffiziente Prozesssteuerung. Im Forschungsprojekt Alaska hat das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen nun die laserinduzierten Plasmaspektroskopie, kurz Libs (engl. laser-induced breackdown spectroscopy), genutzt und in eine vollständig automatisierte Einheit für komplexe Prozessketten überführt.

Libs ist ein laserspektroskopisches Verfahren, mit dem die elementspezifische Zusammensetzung einer Probe bestimmt werden kann. Die hohe Energiedichte des Lasers – standardmäßig mit der Wellenlänge von 1.064 nm – erzeugt eine extreme Anregung der Atome, sodass an der Oberfläche ein Plasma entsteht. Beim Abkühlen, wenn die Atome wieder in ihren Grundzustand wechseln, gibt es dann Lichtstrahlung ab. Diese ist dabei für jedes Element spezifisch und einzigartig. Die Strahlung wird anschließend von einem speziellen Lichtleiter aufgenommen und in ein Spektrometer geleitet, das die Elementverteilung in Echtzeit auswertet. Mithilfe des Libs-Systems lassen sich so ein Großteil der Elemente in und auf Oberflächen qualitativ und quantitativ analysieren, ohne dass die Proben einer speziellen Vorbereitung bedürfen.

Nach heutigem Stand der Technik bestehen die Aufbauten zur Oberflächenanalytik mithilfe der Libs-Technologie aus einem stationären, fest installierten Messkopf zur Materialanalyse, vor dem die Proben präzise beweget werden müssen. Eine flexible und robotergeführte Inline-Oberflächenanalytik konnte für dieses System bislang nicht realisiert werden, da sich die Messköpfe aufgrund ihres hohes Gewichtes und ihrer Konstruktion nicht an vorhandene Robotersysteme montieren lassen.Daher wurde in Zusammenarbeit mit der LTB Lasertechnik Berlin ein kompakter Libs-Messkopf zur Montage an vorhandenen Robotersystemen entwickelt. Wichtiges Ziel innerhalb des Projektes war es, ein kleines und leichtes System zu konstruieren, das zugleich mit robusten Komponenten ausgestattet ist, um der Bewegung am Roboter standzuhalten und dadurch keine Veränderungen der Messqualität hervorzurufen. Eingesetzt wurde hierbei ein Laser mit der Wellenlänge von 1064 nm. Als Ergebnis dieser Entwicklung können die Libs-Messungen nun vollständig automatisiert in komplexe Prozessketten eingebunden werden.

Konkrete Anwendungsszenarien sind zum Beispiel in der Fertigung von Faserverbundkunststoffen oder bei der Vermeidung von Lackbenetzungsstörungen denkbar. Liegen die Messwerte außerhalb des Toleranzbereichs, kann der Prozess direkt und unkompliziert nachgeregelt werden.Weiterentwicklung der Libs-Technologie für KunststoffeMit ihrem extrem geringen Materialabtrag im Nanogramm-Bereich oder weniger kann die Libs-Technologie mit einem 1064 nm Laser in vielen Anwendungsfällen eingesetzt werden. Bei den Nachfolgebehandlungen der Bauteile stören die Mikrodefekte in der Regel nicht oder die Messungen werden an unkritischen Stellen durchgeführt. Allerdings sind nicht nur die Folgeprozesse, sondern auch die Oberflächenbeschaffenheit und das zu prüfende Material ausschlaggebend für den Einsatz dieser Technologie. So benötigt eine minimalinvasive Oberflächenanalytik von Faserverbundkunststoffen eine andere Wellenlänge und eine andere Energiemenge im Vergleich zu Metallen, Glas oder Kunststoffen.

Um die Beeinträchtigungen des Materials so gering wie möglich zu halten, kann der Einsatz eines Lasers mit der Wellenlänge von nur 532 nm oder 266 nm mit jeweils angepasster Energiemenge in bestimmten Anwendungsfällen notwendig sein. Laborversuche am Fraunhofer IFAM haben gezeigt, dass die Libs-Technik mit 266 nm im Vergleich zu 1064 nm die Materialbeeinträchtigungen in Durchmesser und Tiefe um 95 % verringert – bei gleichbleibender Qualität der Messdaten. So kann in jedem Fertigungsbereich, in dem Oberflächen- und Materialbeschaffenheit eine wichtige Rolle spielet, das Libs-System individuell angepasst und eingesetzt werden.

Die Analyse beschränkt sich dabei nicht nur auf Festkörper, vielmehr können auch pastöse oder flüssige Substanzen auf ihre elementare Zusammensetzung untersucht werden.

Befinden sich partikuläre, chemische oder filmische Verunreinigungen auf Werkstoffoberflächen, so beeinflussen diese nachfolgende Fertigungsschritte wie beispielsweise Kleben oder Lackieren ganz erheblich. Insbesondere bei klebtechnischen Fertigungsprozessen ist die Erkennung von Oberflächenkontaminationen wichtig, da nur saubere Oberflächen sicher verklebt werden können.

Das Fraunhofer IFAM in Bremen bildet seit mehr als 25 Jahren im klebtechnischen Bereich weiter. Dazu findet alljährlich die "Bremer Klebtage" statt – in diesem Jahr online am 23. und 24. Juni 2021. Hier ein Bericht zur letzten Präsenz-Veranstaltung 2019:

sk