Siegelnahtinspektion mit Licht

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Siegelnahtqualität und
Mikroperforation in der laufenden
Produktion überwachen.
OCT Bild aus einem Datensatz
Das OCT- Bild zeigt einen Einschluss in der Siegelnaht.

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Ausgangslage
Die Streuung in Siegelnähten darf nicht vernachlässigt werden, was vor allem bei oxidoder
faserhaltigen Schichten (Tyvek) der Fall ist. Bei transparenten Schichten bestehen
keine Einschränkungen.
Die OCT-Technologie eignet sich zur Überprüfung der Qualität von transparenten
Schichten sehr gut und von semi transparenten Schichten gut. Der Einsatz des OCT-
Verfahrens an streuenden Schichten ist eingeschränkt.
Das OCT-Verfahren erfordert eineTransmission der Schicht, die betrachtet werden soll.
Bei opakem Material (nicht Transparant) liefert das OCT-Verfahren keine Information mehr
zu Schichten im Untergrund. Bei stark streuendem Material wie zum Beispiel Titanoxid
oder bei Tyvek Schichten, geht die Laufzeitinformation infolge der Streuung verloren.
Qualitative Aussagen sind möglich wenn die Streuung in der Algorithmik berücksichtigt
wird.
Aufgabenstellung:
Zur Siegelnahtinspektion sind Prüfeinrichtungen gesucht, welche in Produktionsanlagen
eingebaut werden können und eine zuverlässige Überprüfung der Siegelnahtqualität
sicherstellen. Die Prüfeinrichtung soll verschiedene Aufgaben, wie zum Beispiel in der
folgenden Tabelle aufgeführt, erfüllen.
Fehlerart
Beschädigte Folie
Folie
Folie
Schmutz
Siegelnaht
Partikel
Falten
Ausrichtung
Dichtung
Schalenschaden
Siegelzone
Dichtung
eingezogen
Luftblasen
Fehlende Kalotte
Siegelnaht
Kontamination
Siegelnahtfehler
Gassperrschicht
Haftvermittler
Siegelnaht
Andere Kriterien
Beschreibung
Bestehen Löcher, Risse oder Folienlücken? Sind Microlöcher vorhanden?
Sind alle Lagen in der Folie vorhanden?
Wie dick sind die einzelnen Schichten in der Folie?
Sind Schmutz oder Fremdkörper in der Siegelnaht eingebettet?
Bestehen in der Siegelnaht kleinste Durchbrüche? (Haare, Gerären, Krümel)
Sind noch Restpartikel in einer Kavität? (Kunststoffe, Glas oder sonstige
Fremdprodukte)
Bestehen Falten in der Folie?
Sind das Produkt, die Kavität oder der Deckel richtig ausgerichtet?
Ist die Dichtung richtig auf der PP-Schale? Ist sie zentriert?
Sind Teile der Verpackung (PP-Schale) gebrochen, gerissen oder verbogen,
defekt oder unsauber?
Ist der Siegelrand eben oder parallel zu definierten Ebenen?
Gibt es einen Einfluss welcher zu einer schwächeren oder offenen Siegelnaht
führt? (z.B. Folie kann nicht abgedichtet werden).
Bestehen Hohlräume in einer PP-Schale oder in einer Siegelnaht?
(Kaltverklebung).
Fehlen eine oder mehrere Kriterien zur Qualitätsüberwachung oder liegen alle
Resultate vor? Sind die Kalotten gefüllt?
Ist der Blisterstreifen vollständig?
Bestehen Deformationen auf der Siegelnaht-Oberfläche? Bestehen Unterschiede
in der Rauheit?
Sind Schmutzpartikel oder Fremdkörper in der versiegelten Verpackung?
Bestehen Nahtfehler wie Wrinkles, Kanäle, oder andere Unregelmäßigkeiten in
der Siegelnaht?
Ist die Gassperrschicht vorhanden und wie dick ist diese Schicht?
Ist der Haftvermittler vorhanden oder bestehen Haftungsfehler?
Wie breit ist die Siegelnaht?
Bestehen schwache (nicht gut haftende) Siegelnahtbereiche,
Breite der Siegelnaht ( 1,5 mm) oder offene Siegelnaht.
Mit dem OCT-Verfahren werden noch weitere Kriterien beantwortet.
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Lichtlaufzeitmessung:
Ein Bild der Lichtlaufzeitmessung besteht aus 300 * 300 axialen Interferogrammen, die
einander seitlich berühren. Mit dem Verfahren wird die Flugzeit reflektierter oder gestreuter
Lichtteilchen von einer Objektoberfläche mit der eines Referenzstrahls verglichen. Die
Interferogramme aus den zwei Armen (Messarm und Referenzarm) ergeben ein lineares
Muster von Strukturen unterschiedlicher Helligkeit. Die relative optische Wegstrecke wird
als Tiefen- respektive als Abstandsprofil abgebildet. Mit Rasterverfahren wird die
Lichtebene transversal (in x- oder y-Richtung) geführt, sodass sich ein flächiges
Tomogramm oder ein dreidimensionales Volumen ergibt.
Anders als bei der konventionellen Lichtmikroskopie ist bei der Lichtlaufzeitmessung nach
dem OCT-Verfahren die transversale Auflösung von der lateralen Auflösung entkoppelt.
Die laterale Auflösung (in der Ebene) wird durch die numerische Apertur der Optik
bestimmt, die transversale Auflösung (z-Richtung) hängt dagegen von der spektralen
Breite des verwendeten Lichts ab. Auf dem ASP-Array (Active Sensor Pixel Array) sind die
300 x 300 „Interferometer“ auf einem CMOS-Chip aufgebaut. Jeder Bildpunkt auf dem Chip
ist mit einer eigenen Optik und mit einer eigenen Signalvorverarbeitung ausgerüstet.
OCT-Messkopf und Steuerung
Die Anlage zur Siegelnahtinspektion für den Laborbetrieb (links) und eine Prüfzelle als Off-
Line Station (rechts) haben sich im täglichen Einsatz in der Industrie bewährt.
Die Lichtlaufzeitmessung ist in der Medizin gut etabliert. Das Verfahren findet Anwendung
in der Krebsdiagnose, bei der Diagnose von Arterien und in der Augenchirurgie. Es werden
laufend neue Anwendungen in medizinischen Anwendungen erschlossen. In der Industrie
ist das OCT-Verfahren neu, beginnt sich aber aufgrund in verschiedenen Marktbereichen
zu etablieren.
Messvorgang
Von der ausgesendeten Lichtfront gelangen die ersten Photonen zum Sensor zurück, die
von der Oberfläche reflektiert oder zurückgestreut werden. Im Signalverlauf ergibt sich ein
erster Peak. Die folgenden Peaks ergeben sich durch den Anteil der Lichtfront, der die
erste Oberfläche durchdingt (Transmission) und das Material durchdringt. Dabei ergeben
Streueffekte im Material selber oder Reflektionen an Schichtübergängen weitere Peaks,
die wiederum zeitlich zugeordnet werden können.
Alle vom Sensor von zurückgelangenden Photonen werden registriert und über die
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Ansteuer- und Ausleseelektronik verarbeitet. Aus der Messung der Lichtlaufzeit ergeben
sich die Topografie einer Oberfläche in Mikrometergenauigkeit oder die Dicke einer Schicht
unter Berücksichtigung des Brechungsindexes. Aus den Signalen lassen sich auch
Schichtablösungen oder Kavitäten im Materialinnern feststellen. Die nachfolgende Skizze
illustriert das Messprinzip.
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Produkte werden verpackt und in den Markt gebracht. Im Gesetz steht, dass der Hersteller
des Produktes verpflichtet ist, einen Schaden, der aus einem Fehler eines Produktes
entsteht, zu ersetzen. Verpackungen müssen also alle möglichen Anforderungen erfüllen
(dicht verschlossen, steril, schmutzfrei), was nur durch eine vollständige Inspektion der
Siegelnaht gewährleistet werden kann.
Um die Risiken aus der Produktehaftung zu minimieren und dem Kunden den höchst
möglichen Qualitätsstandard zu liefern ist eine gleichbleibende Prüfung der Siegelnähte
ohne Störeinflüsse wichtig. In allen Fällen werden zwei OCT-Messköpfe eingesetzt, weil
damit die zu prüfende Flächen von beiden Seiten her begutachtet werden können.
Die Qualität einer Siegelnaht lässt sich mit einem OCT-System in der erforderlichen
Dynamik und in hoher geometrischer Auflösung gewährleisten. Mit dem OCT
Verfahren werden kleinste Löcher in ihrer Lage (Laterale Dimension) und in der Tiefenlage
berührungsfrei festgestellt.
Das OCT-Verfahren erschliesst eine neue Dimension in der Siegelnahtinspektion.
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Partikel
In einer streuenden Siegelnaht eingeschweisste Partikel zeigen sich im OCT-Bild, weil das
Licht im Bereich des Partikels um die Dicke des Partikels länger unterwegs ist als im
Bereich ohne Partikel. Das Partikel erscheint als zusätzliche Schicht im Vergleich zu einer
homogenen Siegelnaht. Da mit dem OCT-System relative Abweichungen zur Oberfläche
der zu prüfenden Schicht festgestellt werden, spielt die Aussenkontur des Produktes keine
Rolle. Eine Dicke von bis zu 2 mm kann noch durchstrahlt werden.
Topografieveränderung infolge eines in der
Siegelnaht eingeschweissten Haares.
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Kannte des eingeschweissten Partikels
Keine Verklebung
Mit dem Lichtlaufzeitverfahren werden Lichterscheinungen als Zeitfunktion dargestellt. Das
heisst, die ersten Photonen gelangen von der Oberfläche des Objektes zum Sensor zurück
und die folgenden Photonen, diese aus tiefer liegenden Schichten erscheinen, später. Das
folgende OCT-Bild zeigt den Eintritt der Photonen in die erste Schicht (1) und den
Übergang zur Kleberschicht (2). Hinter der Kleberschicht bestehen mehr oder weniger
ausgeprägte Lufteinschlüsse bei (3).
1
Träger
2
¨
3
Im OCT-Bild links erkennt man die Deckfolie, die aus 2 Schichten besteht. (1) Es folgen
die Klebeschicht und der Träger der Kleberschicht. (2) Die Klebeschicht ist partiell mehr
oder weniger vom Träger abgelöst, hat also keine geschlossene Verbindung. (3) Die OCT
Signale zeigen exakt den zeitlichen Verlauf der Erscheinung, sodass daraus auf die Tiefe
einer Lichtreflektion geschlossen werden kann.
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Die Vermessung erfolgt mikrometergenau. Was einmal vermessen ist, bleibt für
verschiedene Auswertungen zugänglich. Bei jedem Schichtübergang wird Licht zum
Sensor zurückreflektiert oder zurückgestreut, was die geometrische Zuordnung eines
Signals im untersuchten Objekt erlaubt. Die folgenden OCT-Bilder zeigen Resultate die an
Siegelnähten aufgenommen wurden. Die Skizze dient zum besseren Verständnis der
gemessenen OCT-Signale.
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Im Bild oben ist eine Siegelnaht mit verschiedenen Fehlerarten skizziert. Dargestellt sind
die OCT-Bilder zu verschiedenen Siegelfehlern und Einschlüssen in der Siegelnaht an
flachen und profilierten Aussenseiten bis zu mehr oder weniger grossen Lufteinschlüssen
oder gar Leckstellen. Das OCT-Verfahren eignet sich zur Prüfung von transparenten
sowohl als auch von streuenden Siegelnähten. Es können auch Siegelnähte mit
metallischen Einlagen mit dem OCT-System geprüft werden.
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Die folgenden zwei Bilder zeigen das Normalbild einer Siegelnaht und das OCT-Bild dazu.
Die Deckfolie sowie das eingeschweisste Partikel sind im OCT-Bild klar zu erkennen. Sie
lassen sich auch in ihrer Tiefenlage exakt bestimmen.
Wenn Standardkameras
und Visualisierungssysteme
kaum Resultate liefern,
bietet das OCT-Verfahren
klaren Einblick.
Im OCT-Tomogramm rechts
sind die Deckfolie und ein
eingeschweisstes Laminat
erkennbar.
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Die Siegelnahtqualität ist mit einem OCT-System in hoher Dynamik prüfbar.
Die Siegelnahtprüfung mit dem OCT-Verfahren erreicht lateral eine geometrische
Auflösung tzwischen 1 µm bis 40 µm. Sie erfolgt von beiden Seiten her, weil die Resultate
im OCT-Bild nicht gleich aussehen. Sperrschichten oder bestimmte Funktionsschichten
üben ihren Einfluss aus. Die Siegelzone ist in der folgenden Skizze am Beispiel einer Folie
aus 4 Schichten. Das OCT erfasst alle Photonen die zum Sensor zurück gelangen. Eine
lückenlose Prüfung einer Siegelnaht ist nur mit zwei OCT-Kamerasystemen möglich.
Siegelnahtfehler
Haar in der
Siegelnaht
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Weil beim OCT-Verfahren die Auflösung in z-Richtung von der lateralen Auflösung
entkoppelt ist, können Kanäle im Innern eines Mikrofluid-Bauteils exakt vermessen werden.
Das 3D-Bild zeigt 3 Mikrofluid Kanäle in einem transparenten Mikrofluid-Chip. Die Kanaltiefe
sowie die Kanalbreite können mit dem OCT-Verfahren berührungslos gemessen werden.
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In der Skizze rechts sieht man einen Mikrokanal von 20 µm * 20 µm mit einer Abdeckung
von 100 µm. Links ist das Tomogramm einer solchen Szene mit 3 Mikrokanälen. Das
Tomogramm zeigt die äussere Oberfläche, gefolgt von den 3 Mikrokanälen und der
Unterseite des Kanalträgers. Mit dem ASP Array werden gleichzeitig 300 * 300 Bildpunkte
pro Bildebene vermessen. Ein Stack besteht aus bis zu 500 Bildern und erlaubt die
Vermessung einer Topografie im Nanometerbereich.
Bei einem minimalen Bildpunktdurchmesser
von 800 nm, erfasst
der Sensor bei einem Lochdurchmesser
von 10 µm noch 12 Messpunkte.
Die Folge der Peaks im Signal zeigt
die nebenstehende Skizze.
Vertiefung von der Oberfläche,
nicht durchgehend
Peak 1,2,3. (Ganz links)
Loch durchgehend:
Peak 1,2. (Mitte)
Vertiefung von der Rückseite,
nicht durchgehend
Peak 1,2. (Ganz rechts)
Das pOCT-Bild liefert eine Informationen zum Verhalten von Licht das ein Medium
durchquert. Bei jeder Änderung des Brechungsindexes ergibt sich im OCT-Signal ein Peak,
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der als Signal zur Auswertung verwendet wird.
Lichteintritt auf der Oberfläche
Peak 1
Partikel in einer Folie
Peak 2
Peak 3
Lichtaustritt auf der Folienrückseite
Durchgehende Löcher in einer Schicht. Das Signal am Schichteintritt fehlt, das Signal am
Schichtaustritt ebenfalls. Die Dimension (Durchmesser und Ortslage) sowie die Tiefe eines
Lochs werden aus den erfassten Signalen ermittelt. Im OCT-Bild links ist Perforationen auf
einem Träger dargestellt. Die Grafik rechts zeigt das Tiefenprofil.
Mit dem OCT-Verfahren werden Topografieunterschiede und Abweichungen in der Planarität
oder in der Parallelität im Bereich weniger Nanometer festgestellt. Die folgenden OCT-Bilder
zeigen feinste Strukturen in Bauteilen. Es handelt sich um Lasermarkierungen mit
Durchmessern um 10 Mikrometer.
Mikrokanäle vermessen.
Module mit eingebauten Mikrokanälen. Bild links zeigt 3 Mikrokanäle, Bild rechts 2. Die
Geometrie der Kanäle sowie eventuelle Inhalte die in den Kanälen zirkulieren, können mit
dem OCT-Verfahren exakt vermessen werden. Die kleinste laterale Auflösung liegt im
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Bereich von 1 Mikrometer, die Auflösung in z-Richtung erreicht im Bedarfsfalle unter 500
nm. Dank des ASP Arrays ist das pOCT-System einzigartig im Markt.
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Die Grafik oben zeigt die Breite der Mikrokanäle in
Mikrometer. Das ganze Volumen im Mikrokanal wird mit
dem OCT-System exakt vermessen. Aus der
gleichzeitigen Vermessung der Partikelgeschwindigkeit
kann das Durchsatzvolumen abgeleitet werden.
Die Breite der Mikrokanäle sowie deren Tiefe oder auch die Geschwindigkeit des Mediums
werden aus einem einzigen Messvorgang bestimmt.
Wie integrierte Schaltungen die Computertechnologie
revolutioniert haben, revoluzioniert die Mikrofluid-Technik die
Biologie. Mit Mikrofluiden kann ein biologisches Labor auf einem
Chip integriert werden, sodass sich chemische Experimente die
heute in Reagenzgläsern oder Glaskolben gemacht werden, auf
einem Mikrofluid-Chip durchführen lassen.
Mögliche Anwendungen für die Mikrofluidik finden sich in der
biologischen Forschung, in vielen industriellen Anwendungen und
im Gesundheitswesen.
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Mikrolöcher lokalisieren
Mikrolöcher sind zum Teil erwünscht, z.B. wenn Oberflächen “atmungsaktiv” sein sollen
oder wenn gewisse Bereiche gezielt perforiert sein müssen. In Verpackungsfolien sind
Mikrolöcher jedoch unerwünscht. Die OCT-Bilder zeigen ein Loch mit 60 µm Durchmesser.
Das Loch ist nicht durchgehend. Der Ort der Mikropore sowie deren Tiefe werden mit dem
OCT-Verfahren berührungslos festgestellt.
Lochtiefe
Lochtiefe
S=Distance/10/n
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Die folgenden OCT-Bilder zeigen ein Loch mit 60 µm Durchmersser das von der Frontseite
durch einen transparenten Träger hindurch führt. Auf der Lichtaustritts-Seite erkennt man
keinen Sprung im Brechungsindex.
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Loch durchgehend
Reflektion
im Loch
S=Distance/10/n
Weitere Informationen finden Sie auf unserer Webseite und im Sammelbericht, wo
auf mehr als 170 Seiten Anwendungsbeispiele aus der Praxis beschrieben sind.
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