Quality Engineering 04.2002

» TECHNIK Hier ist der

» TECHNIK Hier ist der OCT-Querschnitt einer lackbeschichteten Papierprobe mit einer Schichtdicke von circa 30 µm zu sehen. Bild: Fraunhofer IPT So kann das Messlicht aufgrund der geringen Verluste tiefer in eine transparente Probe eindringen und beispielsweise die Ober- und Unterkante einer Glasplatte in nur einer Messung detektieren. Stark streuende Proben hingegen verringern den axialen Messbereich; opaque Medien können nur topographisch analysiert werden. Das Auflösungsvermögen der konventionellen OCT liegt typischerweise bei circa 5 bis 10 µm. Seit ihrer Erfindung in den 1990er Jahren entwickelt sich die OCT stetig weiter: Die Auflösung verbesserte sich durch neue, breitbandigere Lichtquellen; die Messgeschwindigkeit erhöhte sich. Die sogenannte MHz- OCT kann mittlerweile mehr als 1.000.000 Tiefen scans, sogenannte A-Scans, pro Sekunde detektieren und erlaubt hierdurch volumetrische Echtzeit-Bildgebung. Besonders bei der Beurteilung beziehungsweise Charakterisierung von bewegten Bauteilen oder In-Prozess-Messungen hat die Messgeschwindigkeit einen hohen Einfluss auf die Bildqualität. Neben der sehr schnellen Bildaufnahme können funktionelle Erweiterungen je nach Forschungsfrage einen Mehrwert liefern. Bild: Fraunhofer IPT Charlotte Stehmar wissenschaftliche Mitarbeiterin Abteilung Produktionsmesstechnik Enno Hachgenei Gruppenleiter Optische Messtechnik und Bildgebende Verfahren Fraunhofer IPT · www.ipt.fraunhofer.de Bild: Fraunhofer IPT Ein Beispiel hierfür ist die sogenannte polarisationssensitive OCT (PS-OCT). Durch die zusätzliche Auswertung der Polarisationsänderung des Lichtes im Bauteil können beispielsweise Spannungszustände im Material sichtbar gemacht werden. Insbesondere Kunststoffbauteile eignen sich für diese zusätzliche quantitative Analyse. Hervorgerufen durch externe Spannungen, die Induktion von Laserstrahlung auf das Bauteil oder den Wärmeeinfluss ändert sich die Polarisation des eintretenden Lichts, die mit Hilfe der Auswertung zweier voneinander separaten Kanäle sichtbar gemacht werden kann. Dünnschichtmessungen benötigen eine hohe Auflösung Das Auflösungsvermögen der klassischen OCT reicht für einige Anwendungen wie beispielsweise im Bereich der Dünnschichtmessung nicht aus, um einzelne Grenzschichten zu differenzieren. Die axiale Auflösung in der Fourier-Domain OCT (FD-OCT) wird maßgeblich durch die Bandbreite der Lichtquelle bestimmt. Je breitbandiger das Spektrum, desto höher die Auflösung. Deshalb hat das Fraunhofer IPT ein hochauflösendes OCT-System mit einer Bandbreite von 300 nm entwickelt, welches eine Auflösung in axialer Richtung von ~1µm erlaubt. Das System wurde innerhalb des IGF-Forschungsprojektes Ifsidla, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK, für die Anwendung von Lackschichtdickenmessungen auf Papier entwickelt. Innerhalb des Projekts wurden verschiedene Lacke auf unterschiedlichen Substraten mithilfe der Ultra-high-resolution-OCT (UHR-OCT) gemessen und die ermittelten Ergebnisse mit geeigneter Messtechnik (zum Beispiel REM) validiert. Im Gegensatz zu anderen Messmethoden für die Schichtdickenmessung erlaubt die UHR-OCT eine zerstörungsfreie, wiederholgenaue Messung von Schichtdicken von 1 µm bis 1 mm. Auch mehrschichtige Systeme können mithilfe der UHR-OCT analysiert werden. In zahlreichen Anwen- 48 Quality Engineering » 04 | 2022

dungen ist der exakte und gleichmäßige Auftrag einer Schicht von besonderer Bedeutung, nicht nur um Auftragsmaterial einzusparen, sondern auch um beispielsweise die optischen oder haptischen Eigenschaften der oberen Schicht zu gewährleisten oder die Barrierefunktion der Beschichtung sicherzustellen. Aufgrund der hohen Messfrequenz eignet sich die OCT für eine Integration in Auftrags- oder Beschichtungsprozesse, um während des laufenden Prozesses Schichtdickenänderungen zu detektieren und im gegebenen Fall die entsprechenden Prozessparameter anzupassen. Inline-OCT eignet sich auch für Laserprozesse Neben der Integration von OCT in Prozesse wie Beschichtungen oder der Inline-Qualitätskontrolle von mikrostrukturierten Bauteilen sind besonders Laserprozesse geeignet für eine direkte Prozesskontrolle mittels OCT. Hierbei wird die OCT koaxial in bestehende Laseranlagen eingekoppelt. Das bedeutet, dass sich das Messsystem und der Prozesslaser einen Weg durch die Fokusoptik teilen und somit gewährleistet werden kann, dass das Messsystem ohne zeitliche oder örtliche Verschiebung beispielsweise direkt an der strukturierten Stelle misst. Im einfachsten Fall kann durch eine koaxiale Punktmessung mithilfe der OCT der Fokusabstand des Prozesslasers zum Werkstück mit einer sehr hohen Präzision überwacht werden, die Wiederholgenauigkeit beträgt < 100 nm. Für eine Überwachung der Werkstückoberfläche kann die OCT topographische Aufnahmen des Werkstücks generieren, um dimensionelle Abweichungen oder andere Fehlstellen zu detektieren. Ermöglicht wird die koaxiale Integration dadurch, dass sich das OCT-System flexibel an die verwendete Wellenlänge des Prozesses anpassen lässt, wodurch derselbe Strahlengang verwendet werden kann, eine Trennung zwischen Messlaser und Prozesslaser aber dennoch leicht möglich ist. Zudem ist die OCT in der Lage, unabhängig von der im Laserprozess verwendeten Optik hohe axiale Auflösungen zu erreichen, da diese unabhängig von der beugungsbegrenzten Strahlform ist und allein von der verwendeten Messlichtquelle bedingt wird. Einhergehend mit der hohen Messgeschwindigkeit ist die OCT somit eine vielversprechende Messmethode für die Integration in unterschiedlichste Laserprozesse, bei denen es erforderlich ist, auftretende Prozessabweichungen während des Prozesses zu lokalisieren, um gegebenenfalls den Prozess anzupassen. Am Fraunhofer IPT wurde die OCT innerhalb von Projekten in verschiedenste Laserprozesse implementiert. Von additiven Auftragsprozessen über subtraktive Strukturierprozesse hin zu Kunststoffschweißprozessen liefert die OCT nicht nur eine präzise Inline-Qualitätskontrolle, sondern auch ein erhöhtes Prozessverständnis über den Laser und seine Wechselwirkungen mit dem Werkstück. Innovative Verzahnungsmesstechnik Pure Perfection. Seit 1978. • Messtechnik für Lauf- und Passverzahnungen • Universelle Rotationsmessung von Wellen • Messlehren und Zweikugelmaßerfassung • Verzahnte Höchstpräzision • Zweiflankenwälzprüfgeräte • Wälzscannen • DAkkS-akkreditiertes Prüflaboratorium Einflankenwälzprüfung mit Geräuschmessung Bild: Fraunhofer IPT Volumen-OCT-Aufnahme eines Klebebands. Für solche Anwendungen hat das Fraunhofer IPT ein hochauflösendes OCT-System mit einer Bandbreite von 300 nm entwickelt, das eine Auflösung in axialer Richtung von ~1 µm erlaubt. www.frenco.de Quality Engineering » 04 | 2022 49 FRENCO GmbH I Verzahnungstechnik I Messtechnik I 90518 Altdorf I www.frenco.de