Qualitätskontrolle in der Industrie

Funktionelle Schichten und Oberflächen verhelfen Werkstoffen zu verbesserten oder neuartigen Eigenschaften, erschließen neue Materialien für eine ressourcenschonende industrielle Nutzung und erhöhen die Langlebigkeit der Produkte.

Zur Gewährleistung einer kostengünstigen und ressourcenschonenden Produktion kommt der Überwachung bzw. Charakterisierung funktioneller Schichten mit Hilfe einer angepassten Prozessmesstechnik eine zentrale Rolle zu. Die bildgebenden Spektrometer uniSPECx.xHSI sowie uniSPECx.xFOM eröffnen neue Möglichkeiten für inline-fähige, automatisierbare Verfahren zur Werkstoffprüfung, Prozessüberwachung und Qualitätssicherung im UV-, VIS- und NIR-Spektralbereich.

Nachstehende Beispiele im Bereich der Schichtanalyse geben Einblicke in die jeweilige Applikation.
Sollte in den folgenden Anwendungsbeispielen Ihre Problemstellung nicht aufgeführt sein, analysieren wir gerne Ihre Anforderungen und entwickeln eine kundenspezifische Lösung auf Basis unserer Prozessmesstechnik und Analysesoftware.

2D-Spektroskopie zur Qualitätskontrolle optischer Beschichtungen

Analyse funktioneller Beschichtungen
Analyse funktioneller Beschichtungen

In der Optik werden dünne Schichten verwendet, um das Reflexions- bzw. Transmissionsverhalten von Oberflächen und optischen Bauelementen für UV-, VIS- und IR-Strahlung gezielt zu verändern. Typische Einsatzgebiete sind die Herstellung von reflektierenden Elementen (z.B. Spiegel) oder die Entspiegelungen von optischen Oberflächen (z.B. Linsen, Objektive, Prismen, Displays, Platten und OLED´s). Dabei kommen hauptsächlich die beiden Materialgruppen Metalle mit hohem Absorptions- oder Reflexionsvermögen sowie dielektrische Materialien mit hoher Transparenz zum Einsatz.


Mit den bildgebenden NIR Hyperspektralkameras uniSPECx.xHSI können die spektralen Verläufe der Reflexions- u. Transmissionsgrade von optischen Bauteilen im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 2200 nm ortsaufgelöst gemessen werden. Eine typische Anwendung ist die automatisierte ganzflächige Materialprüfung von Brillen- oder Filtergläsern mit dielektrischen Beschichtungen direkt nach dem Aufdampfprozess im UV-, VIS- und NIR-Spektralbereich.

Überwachung funktioneller Schichten zur Oberflächenveredelung

Überwachung von Lackschichten z.B. bei Windkraftanlagen
Überwachung von Lackschichten z.B. bei Windkraftanlagen

Viele technische Bauteile und Konsumgüter werden mit einem abschließenden Schutzlack überzogen, um die Oberflächen widerstandsfähig gegen äußere Umwelteinflüsse zu machen.

Im Rahmen der Qualitätssicherung reicht es oftmals jedoch nicht aus nur das optische Erscheinungsbild nach dem Fertigungsprozess im sichtbaren Spektralbereich zu bewerten, sondern mittels bildgebender NIR-Spektrometer die chemische Homogenität von Lackbeschichtungen zu überwachen.


Darüber lassen sich wichtige Informationen über die:
■ räumliche Verteilung von Füllstoffen (z.B. Polymerkügelchen, Metallpartikel, Spezialpigmente) und
■ der Schichtdicke ableiten sowie
■ Beschichtungsschäden detektieren.

Beispiel

Die linke Abbildung zeigt das Muster einer 50 µm dicken PUR-Lackschicht, die auf einer mit Spachtelmasse geglätteten glasfaserverstärkten Kunstharz-Platte (GFK) aufgerakelt wurde. Solch ein Schichtaufbau wird häufig im Bootsbau verwendet, um den aus GFK-Laminat geformten Bootsrumpf gegen Feuchtigkeit zu schützen. Mit der bildgebenden NIR-Hyperspektralkamera uniSPEC1.9HSI abgetastet, lässt sich die chemische Verteilung der PUR-Lackschicht und der Spachtelmasse räumlich erfassen.

In der rechten Abbildung ist die resultierende Gesamtschichtdicke auf dem GFK-Substrat farblich kodiert dargestellt. Inhomogen beschichtete Bereiche oder Überlagerung von verschiedenen Schichtarten lassen sich visualisieren.
Analyse funktioneller Beschichtungen

Messung des Klebstoffauftrages bei der Herstellung von Materialverbünden

Messung Klebstoffauftrag
Messung Klebstoffauftrag

Klebetechnische Verbindungen nehmen in der Industrie eine zunehmend wichtige Rolle ein. Die Anwendungen reichen von einfachen selbstklebenden Produkten (z.B. Selbstklebefolien, Verpackungen, Briefumschläge, Haftnotizen) bis hin zu komplex geformten Bauteilen aus Verbundwerkstoffen für den Automobil- und Flugzeugbau.

Es existiert eine Vielzahl möglicher Fehlerquellen im Fertigungsprozess, die zu ungenügendem Klebstoffauftrag oder Fehlverklebungen führen können. Meistenteils bildet das bei Verbundwerkstoffen eingesetzte Material den größten Kostenfaktor. Daher bietet es sich zum Erhalt und zur Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit an, die Effizienz beim Materialeinsatz zu verbessern und dadurch die Kosten zu senken.


Beispiel

Mit den bildgebenden NIR-Spektrometern uniSPEC1.9HSI und uniSPEC2.2HSI steht ein preisgünstiges inlinefähiges Messsystem zur Verfügung, mit dem die An- bzw. Abwesenheit sowie die Dicke einer aufgetragenen Klebstoffschicht auf Bauteiloberflächen zur Qualitätssicherung bestimmt werden kann.
Bestimmung von Kleberauftragsgewichten auf Rohpapier
Abbildung: Bestimmung des Kleberauftraggewichtes dreier Klebespuren auf einer Papier-Haftnotiz

Schichtdicke und Härtungsgrad von UV-härtenden Lackschichten

Montage eines NIR-Messkopfes & Bogenerkennungsensors in einem Einschub in der Auslage einer Bogenoffset-Druckmaschine
Montage eines NIR-Messkopfes & Bogenerkennungsensors in einem Einschub in der Auslage einer Bogenoffset-Druckmaschine

Beim Härten oder Trocknen von UV-vernetzenden Farbmitteln und Beschichtungen bestimmen die Reaktivität der einzelnen Komponenten, die Intensität der UV-Strahlung, die Bahngeschwindigkeit sowie andere Prozessparameter den Härtungsgrad des Endproduktes. Unbemerkte Änderungen dieser Prozessbedingungen können zu erheblichen Qualitätsmängeln und Ausschuss führen.

Bei der Bedruckung von Lebensmittelverpackungen mit UV-härtenden Druckfarbmitteln besteht ferner das Risiko, dass bei unzureichender Aushärtung Farbmittelbestandteile durch Abklatsch im Auslegerstapel oder durch eine Rolle der Druckmaschine auf die Rückseite des Substrates übertragen werden. Bei unzureichender Aushärtung können ferner durch Migration Bestandteile mit niedrigem Molekulargewicht (z.B. Acrylat-Monomere und Fotoinitiatoren) durch den Bedruckstoff in das Lebensmittel gelangen. Eine gesundheitliche Gefährdung ist dann nicht auszuschließen.

Eine Inline-Kontrolle des Umsatzes kann auftretende Veränderungen schon in einem frühen Stadium registrieren und alle notwendigen Maßnahmen zur Regelung relevanter Prozessparameter einleiten.

Vorteile NIR-spektroskopischer Bewertungsmethoden:
■ Quantitativer Nachweis des Umsetzungsgrades bzw. der Aushärtung
■ Anwendbar auch für radikalisch trocknende Lacksysteme
■ Anwendbar für unterschiedliche Beschichtungsträger wie Folien, Papier, Karton, Kunststoffe
■ Anwendbar bei Schichtdicken von einigen Mikrometern
■ Hohe Messgeschwindigkeit ermöglicht Inline-Messungen unmittelbar am industriellen Druck- und Beschichtungsprozess
■ Schnelle Ergebnisbereitstellung für die Prozesssteuerung


Beispiel

Verfolgung des Umsatzes in Schichten der Druckfarbe Uvalux gelb in Abhängigkeit von der Druckgeschwindigkeit. In-line-Daten sind schwarz dargestellt, zum Vergleich sind die Daten der Referenzmethode angegeben (grau).
Umsatzkontrolle in Schichten

Funktionelle Bewertung von Industrietextilien

Qualitätssicherung von textilen Waren
Qualitätssicherung von textilen Waren

Die Oberflächen von Textilien lassen sich durch zahlreiche physikalische und chemische Prozesse gezielt verändern, um deren Materialeigenschaften und den Gebrauchswert im Sinne des gewünschten Einsatzzweckes zu optimieren. Diese Verfahrensschritte umfassen neben dem Ausrüsten, dem Beschichten auch das Laminieren und Kaschieren. Für diese Anwendungen existierte bisher kein praktisches Prozessüberwachungsverfahren.

Mit den bildgebenden NIR-Spektrometern uniSPEC1.9HSI und uniSPEC2.2HSI und leistungsfähigen chemometrischen Analysemethoden steht ein preisgünstiges inlinefähiges Messsystem zur Warenschau zur Verfügung, mit dem zum Beispiel folgende Materialeigenschaften überwacht werden können:

■ Unterscheidung chemisch unterschiedlicher Materialien (z.B. Textil / Textil aus verschiedenen Fasern bzw. Kunststoffen, Textil / Klebstoff u.ä.),
■ Beurteilung der Qualität der Oberflächenvorbehandlung in Vorbereitung auf nachfolgende Arbeitsschritte (z.B. Bedrucken),
■ Feuchtigkeit der Textilien vor dem Veredlungsprozess,
■ Gleichmäßigkeit und die Dicke des Klebstoffauftrages zwischen laminierten Materialien,
■ Identifizierung von bei der Verarbeitung heruntergetropftem Kleber (der gegebenenfalls zu einer Verschmutzung der Textilbahn und somit zu Ausschuss führen kann) sowie der
■ Nachweis von Laminierfehlern.

Beispiele

Konventionelle RGB Farbkameras können nur die Oberfläche von Textil-Schaum-Laminaten optisch erfassen. Mögliche unter der Oberfläche befindlichen Fremdstoffe werden dabei nicht detektiert.

Mit der bildgebenden NIR Hyperspektralkamera uniSPEC1.9HSI werden größere Eindringtiefen in das Laminat erzielt. In Verbindung mit chemometrischen Methoden sind weitreichende Analysen auch der darunter liegenden Schichten dadurch möglich.

Fremdstofferkennung in Textillaminaten

In der linken Abbildung ist das Farbfoto eines schwarzen Textil-Schaum-Laminates zu sehen. Die bildlich erfasste Oberfläche des Textils erscheint fehlerfrei.

Aufgrund der größeren Eindringtiefe der NIR Strahlung wird mit der NIR Hyperspektralkamera uniSPEC1.9HSI die chemische Zusammensetzung der einzelnen Laminatschichten bestimmt. Die rechte Abbildung zeigt das zugehörige Ergebnis einer solchen Analyse als Falschfarbendarstellung. Der im Textil-Schaum-Laminat versehentlich eingebrachte Klebebandstreifen (rot) hebt sich deutlich vom darüberliegendem schwarzem Textil (dunkelgrün) ab.

Farbfoto schwarzes Textil-Schaum-Laminat NIR Erkennung eingebrachter Klebestreifen zwischen Textil und Schaum

Messung der Schichtdicke von Klebstoffauftrag

Das Farbfoto (linke Abbildung) zeigt die Schaumseite einer laminierten Rundstrickware. Die dünne Schicht des aufgebrachten transparenten Klebstoffes ist visuell nicht zu erkennen.

Mit der NIR Hyperspektralkamera uniSPEC1.9HSI sind Messungen von Schichtdickenschwankungen des Klebstoffauftrages realisierbar. In der rechten Abbildung ist das zugehörige Ergebnis einer solchen Analyse als Falschfarbendarstellung zu sehen. Ungleichmäßiger Klebstoffauftrag ist als diagonales Streifenbild (rot) auf dem Schaum (grün) zu erkennen.

Schichtdickenmessung Rundstrickware mit Schaum und Klebstoffauftrag Schichtdickenmessung Rundstrickware mit Schaum und Klebstoffauftrag

Funktionelle Bewertung von Prepregs

Online-Prozessüberwachungssystem
Online-Prozessüberwachungssystem

Prepregs sind mit Reaktionsharzen vorimprägnierte Halbzeuge, die zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen unter Temperatur und Druck ausgehärtet werden. Sie sind maschinell gut zu verarbeiten und werden daher hauptsächlich in automatisierten Fertigungsprozessen eingesetzt. Die Hauptanwendung liegt in der Luftfahrtindustrie, wo Bauteile aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) für Kleinflugzeuge und der kostenintensivere kohlefaserverstärkte Kunststoff (CFK) für Verkehrsflugzeuge und Militärtechnik zum Einsatz kommen.

Bei der Fertigung von Prepregs werden die flächigen Verstärkungsgewebe mit einem hochviskosen reaktionsfähigen Harzgemisch durchtränkt und unter Hitzeeinwirkung die Verkettungsreaktion kurzzeitig eingeleitet. Durch Abkühlung wird die Reaktion wieder abgebrochen. Die Prepregs sind dann mehrere Monate lagerfähig. Für die Eigenschaften der Fertigteile ist die Prozesssteuerung besonders wichtig.

Mit den bildgebenden NIR-Spektrometern uniSPEC1.9HSI und uniSPEC2.2HSI und leistungsfähigen chemometrischen Analysemethoden steht ein preisgünstiges inlinefähiges Messsystem zur Qualitätssicherung  zur Verfügung, mit dem zum Beispiel die Harz- und Gewebe-Zusammensetzung, der Lösemittelanteil, die Viskosität und der Härtegrad von Prepregs überwacht werden können.


Beispiel

Messergebnisse für Harz und flüchtige Bindemittel einer ausgewählten Probe
Messergebnisse für Harz und flüchtige Bindemittel