Saubere Oberflächen sind wichtige Qualitätsmerkmale. Sie beeinflussen die Weiterverarbeitung von Bauteile und deren zuverlässige Funktion. Mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie kann die elementare Zusammensetzung einer Oberfläche spezifisch analysiert werden. So erhält man Aufschluss über Kontaminationen. Verunreinigungen lassen sich schon während des Fertigungsprozessen erkennen, wobei eine digitalisierte Inline-Messung als Schlüssel gilt. Sie ermöglich eine sehr effiziente Prozesssteuerung. Innerhalb des vom BMWi geförderten Projektes Alaska wurde diese Technologie genutzt und in eine vollständig automatisierte Einheit für komplexe Prozessketten überführt.
Saubere Oberfläche – sehr wichtig beim Kleben
Partikuläre, chemische oder filmische Verunreinigungen auf Werkstoffoberflächen beeinflussen beispielsweise das Kleben oder Lackieren ganz erheblich. Der prozessabsichernden, begleitenden Qualitätssicherung kommt in diesem Fall eine große Bedeutung zu. Hierzu setzt das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen die laserinduzierte Plasmaspektroskopie – abgekürzt Lips oder Libs (engl. laser-induced breackdown spectroscopy) – ein.
So funktioniert die Libs-Laserspektroskopie
Mit dem laserspektroskopischen Verfahren lässt sich die elementspezifische Zusammensetzung einer Probe bestimmen. Die hohe Energiedichte des Lasers – standardmäßig mit der Wellenlänge von 1064 nm – erzeugt eine extreme Anregung der Atome, sodass an der Oberfläche ein Plasma entsteht, welches beim Abkühlen – wenn die Atome wieder in ihren Grundzustand wechseln – Lichtstrahlung abgibt. Diese ist dabei für jedes Element spezifisch und einzigartig. Die Strahlung wird 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 speziell vorbereitet werden müssen.
Nach heutigem Stand der Technik wurde zur Oberflächenanalytik mithilfe von Libs ein stationärer, fest installierter Messkopf zur Materialanalyse gebraucht, vor dem die Proben präzise beweget werden. Eine flexible und robotergeführte Inline-Oberflächenanalytik konnte für dieses System bislang nicht realisiert werden, da die Messköpfe sehr schwer sind und sich deshalb sowie wegen ihrer Konstruktion nicht an vorhandene Robotersysteme montieren lassen.
Kompakter Libs-Messkopf ist am Roboter einsetzbar
Um die Libs-Technologie in bestehende Produktionsabläufe zu integrieren, wurde in Zusammenarbeit mit der LTB Lasertechnik Berlin GmbH ein kompakter Libs-Messkopf entwickelt, das sich an vorhandenen Robotersystemen anbringen lässt. Das kleine und leichte System wurde mit robusten Komponenten ausgestattet, um der Bewegung am Roboter standzuhalten, ohne 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.
Mit 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.
Wellenlänge entsprechend dem Material auswählen
Allerdings sind nicht nur die Folgeprozesse, sondern auch die Oberflächenbeschaffenheit und das zu prüfende Material ausschlaggebend für den Einsatz dieser Technologie. So benötigt eine minimal-invasive Oberflächenanalytik von Faserverbundkunststoffen eine andere Wellenlänge und eine andere Energiemenge als Metall, Glas oder Kunststoffe. Um das Material so wenig wie möglich zu beeinträchtige, 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.
Video zur Libs-Technologie
Kontakt zu den Forschern:
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Wiener Straße 12
28359 Bremen
Dr. René Neuholz
E-Mail: rene.neuholz@ifam.fraunhofer.de
www.ifam.fraunhofer.de
