1-2017

Qualitätssicherung
untersuchenden Schicht befinden,
sogar beschädigen. Daher wurde
das schonendere Verfahren entwickelt,
das neben Hartstoffen auch
problemlos bei weicheren Materialien
eingesetzt werden kann.
Überprüfung mittels wässrigem
Metalloxidpartikelstrahl
Anstatt wie bisher auf die Messung
der Zug-, Druck-, Kompressions-,
Reibungs- oder Kratzfestigkeit
zu vertrauen, setzt das MSE-Testsystem
nun auf eine komplett andere
Methode: „Das Verfahren nutzt die
Erosionskraft eines Mikropartikelstrahls
als neuen Referenzstandard“,
erklärt Paul Riedel, Geschäftsführer
der Rubröder International Trading
GmbH. „Der Strahl erzeugt
einen definierten Materialabtrag
auf der Oberfläche, sodass die
Festigkeitsverteilung unabhängig
vom Härtegrad des Materials bis in
eine Tiefe von ca. 200 µm gemessen
werden kann.“
Das Gerät enthält eine Erosionskammer
sowie einen Erosionstiefenmesser
(Profilometer). Der Micro-Jet
besteht lediglich aus einem Gemisch
aus einem sogenannten Slurry aus
Wasser und 1,2 µm großen Metallpartikeln,
das einer Düse in der Erosionskammer
zugeführt und mittels
Druckluft auf das Material geschossen
wird. Als Metallpartikel dient
vor allem mehrwinkliges Aluminiumoxid,
in speziellen Fällen auch
Siliziumoxid.
Der Strahl trifft mit einer
Geschwindigkeit von 100 m/s bei
einem Durchsatz von 10 Mrd. Partikeln
pro Sekunde auf der Oberfläche
des zu prüfenden Materials
auf und trägt diese gezielt ab,
ohne darunter liegende Schichten
oder Substrate zu beschädigen. Es
handelt sich also um eine semi-zerstörungsfreie
Prüfung. Dabei entstehen
trichterförmige Vertiefungen im
Werkstoff, die mit einer Auflösung
von 10 bis 20 nm vermessen und
zu der verbrauchten Menge an Partikeln
ins Verhältnis gesetzt werden.
Da sich die Strahlgeschwindigkeit
individuell für jedes Material
einstellen lässt – möglich ist eine
Zirkulation des Slurry im System
von 1 bis 1000 g/Zyklus –, werden
die Grundeigenschaften des Werkstoffs
während des Prozesses nicht
beeinträchtigt.
Aus wie vielen Schichten das
Material besteht und in welcher
Reihenfolge diese übereinander
liegen, spielt bei der Prüfung keine
Rolle: „Das Verfahren vermisst jede
einzelne Lage mit einer Auflösung
von 10 bis 20 nm, solange diese
eine Mindestdicke von 100 nm aufweist
und insgesamt nicht dicker als
200 µm ist“, erläutert Riedel. Theoretisch
lassen sich nun neben
extrem dünnen Schichten, die bisher
nicht oder nur schwer messbar
waren, also auch Mehrschichtsysteme
mit bis zu 2000 Lagen analysieren.
Im Durchschnitt dauert
die Prüfung ein bis zwei Stunden.
Evaluierung der
Festigkeitsverteilung möglich
Die so gewonnenen Daten werden
anschließend auf einen PC
übertragen und in einer eigens
für das System entwickelten Software
ausgewertet. Für einen besseren
Vergleich wurde eine Datenbank
angelegt, in der Festigkeitskennzahlen
für unterschiedliche
Beschichtungen hinterlegt sind und
die die qualitative Einordnung der
Zahlen erleichtert, sodass Materialfehler
schnell erkannt und analysiert
werden können und die Entwicklung
vollkommen neuartiger
Materialien und Beschichtungen
ermöglicht wird.
Während bei den bisherigen
Methoden nur eine punktuelle Messung
der Festigkeit möglich war,
kann mit dem MSE-Testsystem nun
auch die Festigkeitsverteilung von
der Oberfläche bis in 200 µm Tiefe
mit einer Auflösung von 10 bis 20 nm
präzise bestimmt werden. „Dadurch
lassen sich Beschichtungsverfahren
noch weiter optimieren. Neben
Hartstoffbeschichtungen wie DLC
oder TiN sowie weicheren Materialien
wie Silizium, Kunststoff und
Gummi können selbst gelartige
Oberflächen auf Schichtdicke und
Festigkeit untersucht werden“, so
Riedel. So lassen sich Beschichtungen
von Brillengläsern genauso
analysieren wie Dünnfilmfolien,
auch wenn an die Materialien sehr
unterschiedliche Anforderungen
gestellt werden.
Einmal pro Jahr erfolgt eine Wartung
des Systems. Rubröder führt
dazu die nötigen Service- und Reparaturleistungen
durch. Durch den
niedrigen Rohstoffverbrauch – lediglich
Wasser und Metallpartikel sind
bei Bedarf nachzufüllen – zieht die
Investition in das Gerät außerdem
nur geringe Folgekosten nach sich,
sodass sich dieses Testverfahren
für den Einsatz in Industrieunternehmen
und Forschungseinrichtungen
mit Fokus auf dünne Schichten und
Materialforschung anbietet. ◄
Das Verfahren erreicht eine Auflösung von bis zu 10 nm und kann
Schichten mit einer Dicke von 100 nm bis 200 μm analysieren. Auch
für Multilayersysteme aus unterschiedlichen Materialien lassen sich
somit zuverlässig verschiedene Festigkeitswerte bestimmen
Alle Bilder: Rubröder International Trading GmbH
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