Berührungslose Schichtcharakterisierung durch Hochgeschwindigkeits-Infrarotsensorik

Fraunhofer -Allianz Vision

Die berührungs- und zerstörungsfreie Charakterisierung von Schichtsystemen auf nicht-metallischen Substraten wie Kunststoffen und Keramiken ist ein kaum gelöstes Messproblem der Industrie. Die School of Engineering (SoE) der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) und die Fa. Flo-IR entwickeln ein Messverfahren, welches die Charakterisierung von Mehrschichtsystemen durch Hochgeschwindigkeits-Infrarotsensorik erlaubt. Dazu gehören die Bestimmung von Schichtdicken, thermophysikalischer Parameter, chemische Zusammensetzungen der Schichten sowie das Erkennen von Haftungsproblemen.

Im vorgestellten Messverfahren wird die untersuchte Probe pulsartig durch einen Lichtblitz aufgeheizt und das zeitliche Verhalten der Oberflächentemperatur mit einem Hochgeschwindigkeits-Infrarotsensor gemessen. Das zeitliche Verhalten der Oberflächentemperatur wird durch die Filmdicke, die Absorptivität sowie die Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Schichten dominiert. Das Absorptionsverhalten und das thermische Verhalten des gesamten Schichtsystems werden mathematisch beschrieben. Aus dem ermittelten Verlauf der Oberflächentemperatur werden numerisch die physikalischen Parameter des zugrunde liegenden Schichtsystems bestimmt.

Das vorgestellte Messsystem bestimmt Schichtdicken in vier nebeneinander-liegenden Punkten von je vier Quadratmillimetern Größe. Es lassen sich Schichtdicken im Bereich von 5 μm bis hin zu einigen 1000 μm bestimmen. Die Messqualität ist unempfindlich gegenüber Verkippung und eignet sich damit auch für unförmige Messobjekte. Die Messdauer beträgt je nach Art der Beschichtung etwa 40 ms bis 400 ms. Die Genauigkeit der Messung verbessert sich mit zunehmendem Kontrast zwischen den thermophysikalischen Parametern der einzelnen Schichten des Messobjekts. Das Messverfahren wurde bereits erfolgreich für unterschiedliche Lack- und Pulverbeschichtungen auf Kunststoff-, Metall und Holzsubstraten getestet.

An der School of Engineering arbeiten das Institute of Computational Physics (ICP) und das Institut für Datenanalyse und Prozessdesign (IDP) gemeinsam an der Entwicklung des Messprototypen und der statistischen Signalanalyse.

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Aktualisierungsdatum

23.12.2009

Anlass

Sonderschau Berührungslose Messtechnik bei der Control 2010