Terahertz-Schichtdickenmessung im industriellen Umfeld

Am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, Kaiserslautern, werden Terahertz-Messtechnik-Systeme entwickelt, mit denen unter anderem im industriellen Umfeld Schichtdicken gemessen werden können. Als neueste Version des Terahertz-Schichtdickenmesssystems steht nun eine robotergestützte Variante zur Verfügung, d.h. zur vereinfachten Integration in das Arbeitsumfeld wird ein kollaborativer Roboter, kurz »Cobot«, eingesetzt. Das System des Fraunhofer ITWM eignet sich vor allem für die Dickenmessung einzelner Schichten innerhalb eines Mehrschichtsystems, wobei die Beschichtung auf beliebigem Material aufgetragen sein kann. Daneben können auch feuchte, klebrige und weiche Beschichtungen und Schichten auf gekrümmten Oberflächen gemessen werden.

Analog zur Ultraschallmessung werden bei der eingesetzten Technologie kurze Terahertz-Lichtpulse auf die Probe geschickt. Terahertz-Messungen kommen jedoch, anders als Ultraschall ohne Koppelmedium aus und arbeiten somit berührungslos. An jeder Grenzfläche wird ein Teil des Lichts reflektiert und diese reflektierten Signale werden vom Terahertz-Empfänger zeitaufgelöst registriert. Die zeitaufgelösten Echosignale enthalten die Tiefeninformationen der Probe, woraus die Schichtdicken bestimmt werden können.

Auf Cobot montiertes Terahertz-Messsystem zur Inline-Kontrolle von Lackierungen
© Fraunhofer ITWM
Auf Cobot montiertes Terahertz-Messsystem zur Inline-Kontrolle von Lackierungen

Für dünne Schichten erfolgt die Schichtdickenbestimmung durch einen Vergleich zwischen gemessenen und simulierten Signalverläufen. Zur Simulation benötigt man die Materialparameter der eingesetzten Beschichtungsmaterialien und den Signalverlauf des einfallenden Terahertz-Pulses. Mit dieser Kenntnis werden die Dicken der Einzelschichten solange variiert, bis eine optimale Übereinstimmung von Messung und Simulation erreicht ist. Messzeiten im Millisekundenbereich pro Messpunkt sind möglich, da die Auswertung der Messung erfolgt, während gleichzeitig schon das nächste Messsignal aufgenommen wird. Die Auswertezeit für die Messung von bis zu fünf Schichten ist damit vernachlässigbar kurz.

Die in vielen industriellen Umgebungen vorhandenen Vibrationen und Schwingungen werden durch eine speziell angepasste Auswertesoftware ausgeglichen, welche damit auch unter widrigen Bedingungen zuverlässige Dickenmessungen ermöglicht.

Das Terahertz-System ist insbesondere für Hersteller von Automobilen, Flugzeugen und Schiffen interessant. Hier kann das Messsystem zur Qualitätskontrolle in der Endkontrolle des Lackierprozesses eingesetzt werden. Es ist jedoch aufgrund der großen Wellenlänge der Terahertz-Wellen ebenso möglich, das Gerät unmittelbar während des Lackierprozesses zur Online- bzw. Inline-Kontrolle einzusetzen, da die Terahertz-Wellen den Sprühnebel fast ungehindert durchdringen. Weiterhin ist der Einsatz in allen Branchen möglich, in denen die Dickenmessung an nichtmetallischen Objekten von besonderer Bedeutung ist. Zu nennen sind hier die Hersteller von Folien, Flaschen und Kunststoffrohren.

Robotergestütztes Terahertz-System zur Schichtdickenmessung an Freiformflächen
© Fraunhofer ITWM
Robotergestütztes Terahertz-System zur Schichtdickenmessung an Freiformflächen

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Dr. Joachim Jonuscheit

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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