Barriereschichten mit Licht bewerten

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 (SiO_x) oder Aluminium­oxid (AlO_x), 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.

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 im Rahmen des Projekts „O-KUBA – Optische Prozess­kontrolle für ultradünne Barriere­schichten“ erarbeiteten Sensor Film-Inspect auf der Surface Technology 2024 vom 04. Juni bis 06. Juni 2024 am Wotech-Gemeinschafts­stand in Halle 1 H 16 „Oberflächen­technik der Zukunft“.

IPM / LK