Dickenmessung dünner Anodisierungsschichten mit Mikrowellen

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Hennie Möller
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DGZfP-Jahrestagung 07 More info about this article: http://www.ndt.net/?id=45 Dickenmessung dünner Anodisierungsschichten mit Mikrowellen Johann H.

de Anodisierungsschichten auf Aluminium und seinen Legierungen haben typischerweise Dicken bis zu 50 µm.

1 DGZfP-Jahrestagung 07 More info about this article: Dickenmessung dünner Anodisierungsschichten mit Mikrowellen Johann H. HINKEN, Maik RICHTER, Christian ZIEP, Michael MOSCH FI Test und Messtechnik GmbH, Magdeburg Airbus Helicopters Deutschland GmbH, Donauwörth Kurzfassung Kontakt Anodisierungsschichten auf Aluminium und seinen Legierungen haben typischerweise Dicken bis zu 50 µm. Wenn nur Dicken von 0,5 bis 0 µm vorkommen, sind die Anforderungen an die Dickenmesstechnik hoch. So sollte die Auflösung bei 0, µm liegen. Dafür wurde ein neues Gerät auf der Basis eines bisherigen Gerätes für die zerstörungsfreie Lackdickenmessung auf CFK entwickelt. Letzteres basiert auf der Nutzung von Mikrowellen bei 4 GHz und hat, je nach Ausführung, Messbereiche von 0 bis 500 µm und 0 bis 000 µm. Kernelement ist ein kreiszylindrischer Hohlraumresonator, dessen ebene Bodenplatte durch die zu vermessende Bauteiloberfläche nachgebildet wird, und dessen H0-Mode genutzt wird. Unterschiedliche isolierende Beschichtungsdicken erzeugen unterschiedliche Resonanzfreqenzen. Diese werden gemessen und zur Bestimmung der Schickdicke weiterverarbeitet. Das bisherige Gerät hat eine kreisförmige Abtastfläche mit einem Durchmesser von 8 mm. Es zeigte sich, dass das Gerät mit dieser Fläche bei den vorliegenden Genauigkeitsanforderungen zu empfindlich auf schon kleinste Oberflächenkrümmungen reagiert. Um die Abtastfläche zu verringern, wurde nun der Resonator mit einem Dielektrikum gefüllt, sodass bei gleichen Betriebsfrequenzen sich eine Reduzierung der Abtastfläche um den Faktor / r ( r Permittivität des Dielektrikums) ergab. Damit wurde die Krümmungsabhängigkeit akzeptabel klein. Weitere Details zur notwendigen Änderung der Resonatorgeometrie wurden mit Hilfe numerischer elektromagnetischer Feldberechnungsverfahren unter Beibehaltung der bewährten H0-Mode ermittelt. Weiterhin wurde das numerische Auswerte- und Bedienverfahren der vorliegenden Aufgabenstellung angepasst. Die Messprozedur wurde entwickelt: Die Gerätekalibrierung geschieht beim Hersteller und kann bei Bedarf wiederholt werden. Die Gerätejustierung erfolgt beim Anwender anhand von Referenzproben, deren Anodisierungsschichtdicken z.b. per Querschliffmessungen bestimmt wurden. Es wurden Untersuchungen zur einfachen (repeatability) und zur erweiterten (reproducability) Wiederholbarkeit unter Vergleichsbedingungen durchgeführt. Die Standardabweichung liegt in beiden Fällen bei 0, µm. Die Messgenauigkeit ist vor allem durch die Genauigkeit des Dickenwertes der Referenzprobe bestimmt. Lizenz:

2 Dickenmessung dünner Anodisierungsschichten mit Mikrowellen J.H. Hinken, M. Richter, C. Ziep, M. Mosch FI Test- und Messtechnik, Magdeburg Airbus Helicopters, Donauwörth DGZfP-Jahrestagung Mai 07 in Koblenz. Aufgabe. Aufgabe Dickenmessung für geringe Schichtdicken Die natürliche Oxidschicht von Aluminium behindert Beschichtung (Lackierung, Klebeprimer, etc.) Aufbringen einer Anodisierungsschicht notwendig Mindestdicke der Anodisierungsschicht muss gewährleistet werden Bei geringen Schichtdicken sind bisherige Messmethoden zu ungenau oder zu aufwendig (Schliffe, Wägung, Wirbelstrom,..) Nach Eloxalbehandlung (Anodisierung) weitere Beschichtungsschritte (Klebeprimer, Lack, etc.) Notwendig: Gerät, um nach jedem Prozesschritt die jeweilige Schichtdicke zu bestimmen >>> Messgerät für Dickenbestimmung dielektrischer Schichten auf Aluminium mit Messbereich: 0.50 µm Auflösung der Anzeige: 0, µm

. Aufgabe Basis: Messgerät FSC/7 für Lackdickenbestimmung auf CFK Mikrowellen- Hohlraumresonator Antenne Lack CFK Die lackierte Oberfläche des

Die Resonanzfrequenz wird bestimmt. Die Auswertung ergibt die Lackdicke. Für CFRP, CFRP mit Metallgitter (Blitzschutz), Metall etc.

Aufgabe Basis: Messgerät FSC/7 für Lackdickenbestimmung auf CFK Auswahl für Dickenmessung dielektrischer Schichten: TE 0 weil umfangsunabhängig

3 . Aufgabe Basis: Messgerät FSC/7 für Lackdickenbestimmung auf CFK Mikrowellen- Hohlraumresonator Antenne Lack CFK Die lackierte Oberfläche des Prüfteils bildet eine Wand eines Mikrowellen-Hohlraumresonators. Der Eingangsreflexionsfaktor der Antenne wird gemessen. Die Resonanzfrequenz wird bestimmt. Die Auswertung ergibt die Lackdicke. Für CFRP, CFRP mit Metallgitter (Blitzschutz), Metall etc. Messbereich: µm, Auflösung der Anzeige: µm Resonanzfrequenz zwischen 4,00 und 4,5 GHz. Aufgabe Basis: Messgerät FSC/7 für Lackdickenbestimmung auf CFK Auswahl für Dickenmessung dielektrischer Schichten: TE 0 weil umfangsunabhängig elektrisches Feld im Dielektrikum ist nahe null >> Messergebnis unabhängig von r Keine Kontaktprobleme an der Bodenplatte aus W. Hillert: Hohlraumresonatoren/Cavities d Moden TE mnp und TM mnp des kreiszylindrischen Hohlraumresonators (Luftfüllung) ν: Resonanzfrequenz l

. Aufgabe Änderungsbedarf Vorgabe: Frequenznutzung nur im

Anmerkung FSC/7: 0.500 µm µm 6 mm. Modifikation 0.

4 . Aufgabe Änderungsbedarf Vorgabe: Frequenznutzung nur im ISM-Band 4,00 4,5 GHz Messbereich Auflösung Durchmesser Anmerkung FSC/7: µm µm 6 mm. Modifikation 0.50 µm 0, µm 7 mm herkömmliches Design krümmungsempfindlich. Modifikation 0.50 µm 0, µm 0 mm dielektrische Füllung krümmungsunempfindlich. Aufgabe Resonator CAD-Modell Foto Elektrische Feldverteilung 0 max

. Aufgabe Eigenschaften des FSC50 Geräteeigenschaften (Auswahl) und Bedienung - Verwackelungskontrolle: Geräte-interner Vergleich mehrerer (measure count) schnell aufeinander folgender

Aufgabe Eigenschaften des FSC50 8 8 7 6 Linear ( ) D 3,9µm Ox v D 3,9µm Ox r C,7µm Ox v 7 6 Linear ( ) D 3,9µm Ox v D 3,9µm Ox r C,7µm Ox v measure result FSC in µm 5 4 3 0 0,8,8,8 3,8

Pr meas ure res ult FSC in µm 5 4 3 0 0,8,8,8 3,8 Pr Probensätze und : Aluminium mit Anodisierungsschichten (Ox).

Vergleichsbedingungen. Links: Person misst neun mal an derselben Stelle (measure count =3) mit Absetzen und Wiederaufsetzen des. Rechts: Wiederholung durch Person.

5 . Aufgabe Eigenschaften des FSC50 Geräteeigenschaften (Auswahl) und Bedienung - Verwackelungskontrolle: Geräte-interner Vergleich mehrerer (measure count) schnell aufeinander folgender Messungen - Mittelung und weitere statistische Auswertung - Grundkalibrierung beim Hersteller - Justierung anhand von Referenzprobe begleitend zur Messung beim Anwender. Aufgabe Eigenschaften des FSC Linear ( ) D 3,9µm Ox v D 3,9µm Ox r C,7µm Ox v 7 6 Linear ( ) D 3,9µm Ox v D 3,9µm Ox r C,7µm Ox v measure result FSC in µm ,8,8,8 3,8 4,8 5,8 6,8 anodic thickness microscope in µm C,7µm Ox r F,7µm Ox v F,7µm Ox r E,5µm Ox v E,5µm Ox r B 0,9µm Ox v B 0,9µm Ox r 04B Ox 04B Pr 04C Ox 04C Pr 606B Ox 606B Pr 7075B Ox 7075B Pr meas ure res ult FSC in µm ,8,8,8 3,8 4,8 5,8 6,8 anodic thickness microscope in µm C,7µm Ox r F,7µm Ox v F,7µm Ox r E,5µm Ox v E,5µm Ox r B 0,9µm Ox v B 0,9µm Ox r 04B Ox 04B Pr 04C Ox 04C Pr 606B Ox 606B Pr 7075B Ox 7075B Pr Probensätze und : Aluminium mit Anodisierungsschichten (Ox). Probensatz hat auf der Rückseite zusätzliche Primerschichten (Pr) Wiederholbarkeit (repeatability, links) und erweiterte Wiederholbarkeit (reproducability, Vergleich links/rechts) unter Vergleichsbedingungen. Links: Person misst neun mal an derselben Stelle (measure count =3) mit Absetzen und Wiederaufsetzen des. Rechts: Wiederholung durch Person. Die maximale Min-Max-Abweichung beträgt ±0,35 µm (links, 7075B Ox) bei einer Standardabweichung von 0, µm.

. Aufgabe Dickenmessung dünner Anodisierungsschichten mit Mikrowellen: FSC 50 Schluss Es wurde der Entwicklungsvorgang des FSC50 gezeigt Zerstörungsfrie Messung der Dicken von Anodisierungsschichten

6 . Aufgabe Dickenmessung dünner Anodisierungsschichten mit Mikrowellen: FSC 50 Schluss Es wurde der Entwicklungsvorgang des FSC50 gezeigt Zerstörungsfrie Messung der Dicken von Anodisierungsschichten auf Aluminium Messbereich: 0 50 µm Auflösung der Anzeige: 0, µm Standardabweichung der Wiederholbarkeit: 0, µm Hinweis: Bei hängenden Prüfobjekten >> sicheres Aufsetzen des mit Permanentmagnet auf der Rückseite Kontakt: Johann Hinken Tel.: FI Test- und Messtechnik GmbH Mobil.: Breitscheidstrasse 7 johann.hinken@fitm.de D-394 Magdeburg, Germany

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