Schichtdickenmessung im industriellen Umfeld mittels Terahertz

Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern arbeitet unter anderem im Bereich der Terahertz-Messtechnik und hat ein Mehrkanal-Schichtdickenmessgerät entwickelt, das eine zerstörungsfreie Schichtdickenmessung im industriellen Umfeld ermöglicht. Der Schwerpunkt liegt auf der Dickenmessung einzelner Schichten innerhalb eines Mehrschichtsystems. Die Schichtdickenmessung kann dabei auf beliebigen Materialien erfolgen, einschließlich feuchter, klebriger und weicher Beschichtungen sowie gekrümmter Oberflächen.

Analog zur Ultraschallmessung werden bei dem eingesetzten Kurzpuls-Terahertz-System kurze Terahertz-Lichtpulse auf die Probe geschickt. Im Gegensatz zur Ultraschallprüfung kommen Terahertz-Messungen ohne Koppelmedium aus, wodurch eine berührungslose Schichtdickenmessung ermöglicht wird. An jeder Grenzfläche wird ein Teil des Lichts reflektiert und die reflektierten Signale werden zeitaufgelöst von einem Terahertz-Empfänger registriert. Diese zeitaufgelösten Echosignale enthalten die Tiefeninformationen der Probe, aus denen die Schichtdicken bestimmt werden können.

Schichtdickenmessung bei dünnen Schichten

Für dünne Schichten erfolgt die Schichtdickenbestimmung durch den Vergleich von gemessenem und simuliertem Signalverlauf. Hierfür werden die Materialparameter der eingesetzten Beschichtungsmaterialien und der Signalverlauf des einfallenden Terahertz-Pulses benötigt. Mit dieser Kenntnis werden die Dicken der Einzelschichten solange variiert, bis eine optimale Übereinstimmung von Messung und Simulation erreicht ist. Eine Messzeit deutlich unter einer Sekunde ist möglich, wobei die Auswertung der Messung bereits während der Aufnahme des nächsten Messsignals erfolgt.

Zuverlässige Schichtdickenmessung unter widrigen Bedingungen

In vielen industriellen Umgebungen können Vibrationen und Schwingungen auftreten, die die Messungen beeinträchtigen. Eine speziell angepasste Auswertesoftware gleicht diese Störungen aus und ermöglicht so zuverlässige Schichtdickenmessungen, selbst unter widrigen Bedingungen.

Einsatzbereiche der Schichtdickenmessung mit Terahertz

Das vorgestellte System ist besonders für Hersteller von Automobilen, Flugzeugen und Schiffen von Interesse. Hier kann das Messsystem in der Endkontrolle des Lackierprozesses zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Aufgrund der großen Wellenlänge der Terahertz-Wellen is es zudem möglich, das Gerät während des Lackierprozesses zur Online- bzw. Inline-Kontrolle einzusetzen, da die Terahertz-Wellen den Sprühnebel nahezu ungehindert durchdringen.

Darüber hinaus kann dieses Messsystem in verschiedenen Branchen eingesetzt werden, in denen die berührungslose Schichtdickenmessung an nichtmetallischen Objekten von besonderer Bedeutung ist, wie beispielsweise bei Herstellern von Folien, Flaschen und Kunststoffrohren.