Gezielte Vermessung der Dicke von Gassperrschichten

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1 DGZfP-Jahrestagung 2018 More info about this article: Gezielte Vermessung der Dicke von Gassperrschichten Christian FLORIN 1 1 flo-ir GmbH, Oberdorf, Schweiz Kontakt christian.florin@flo-ir.ch OCT Datensatz OCT-Resultat der Vermessung der Dicke der Gassperrschicht in einem Kunststoff-Film. Die Dicke jeder Schicht in einer Folie, die aus mehreren Schichten besteht, kann mit einem einzigen Lichtpuls gemessen werden. Lizenz: 1

2 Lichtlaufzeitmessung, ein neues Verfahren für die produzierende Industrie. Der einzelne Bildpunkt der Lichtlaufzeitmessung basiert auf der Weisslichtinterferometrie. Ein einzelnes Vollbild des ASP Arrays besteht aus 300 * 300 axialen Interferogrammen, die sich seitlich berühren. Mit der Lichtlaufzeitmessung wird die Flugzeit reflektierter oder gestreuter Photonen von einer Objektoberfläche mit der eines Referenzstrahls gemessen, sodass die relative optische Wegstrecke als axiales Tiefenprofil ausgewertet werden kann. Mit dem Rasterverfahren wird der Lichtstrahl transversal in eine oder zwei Richtungen geführt, sodass ein flächiges Tomogramm oder ein dreidimensionales Volumen entsteht. Anders als bei der Lichtmikroskopie ist bei der Lichtlaufzeitmessung die Auflösung in der Tiefe von der Auflösung in der Ebene entkoppelt. Die räumliche Auflösung in die Tiefe des Materials ist abhängig von der spektralen Breite des Lichts, das zur Messung verwendet wird. Auf dem ASP Array (Active Sensor Pixel Array) sind 300 x 300 einzelne Interferometer aufgebaut. Jedes Pixel auf dem Chip ist mit einer eigenen Linse und mit der eigenen Signalvorverarbeitung ausgerüstet. Messkopf der Lichtlaufzeitmessung Messprozess Eine ebene Lichtfront wird von einer Lichtquelle ausgesendet. Die Lichtfront wird am Strahlteiler auf den Referenzarm geleitet und auf das Objekt (Messarm). Das am Messobjekt reflektierte und gestreute Licht gelangt wieder über den Strahlteiler zum Sensor zurück, nachdem sich das Licht vom Objekt am Strahlteiler mit dem Licht, das vom Referenzarm reflektiert wird, vereint hat. Der Sensor empfängt also interferierende Lichtfronten als Funktion der Bedingungen auf dem Objekt. Unterschiede in der Oberflächengeometrie oder in der Materialdicke, Streuung oder Reflektion werden vom Sensor mit einer sehr hohen Geschwindigkeit gemessen. Der Messkopf hat die Abmessungen von 70 mm * 55 mm * 200 mm und ist etwa 500 Gramm schwer. Im Messkopf sind zum Beispiel eingebaut: die Optik (anpassbar an die gestellte Messaufgabe) die Lichtquelle zur Erzeugung der Lichtfront das ASP-Array (Aktives Sensor Pixel Array) mit 300 * 300 Bildelementen das Spektrometer die Signalvorverarbeitung Ist der Messkopf am Netz angeschlossen und über die USB-Schnittstelle mit dem Rechner verbunden, können bereits Messungen ausgeführt werden. Der robuste Messkopf kann 2

3 auf alle Manipulatoren aufgebaut werden und ist kaum anfällig auf Vibrationen oder Bewegungen des Objektes. Zum Lesen der OCT- Bilder und der im Bild enthaltenen Informationen: Bild Nummer Anzahl Bilder im Stack x- Richtung (300 Pixel) Vertikalschnitt y- Richtung (300 Pixel) Bildgrösse Lichteintritt Licht Austritt Lichtfront 2 Lichtfront 1 Frau Gabriela Cocora Horizontalschnitt Lichteintritt Schichtdicke(n) Im Bild oben sind 2 Lichtfronten in einem Bild dargestellt. Licht Austritt Weitere Informationen finden Sie auf unserer Webseite in der Broschüre Messen mit Licht - Lösungen mit flo-ir 3

4 Folie mit Titanoxid und mit Gassperrschicht Gassperrschicht (dünn) Lichteintritt Die dünne Gassperrschicht ist mit dem OCT-Verfahren identifizierbar. Die Auswertung erfolgt analytisch (Algorithmen). Eine Verfeinerung der Resultate ist noch möglich. Das folgende Bild zeigt die Draufsicht auf den Stack. Lichteintritt Gassperrschicht 4

5 Semitransparente Folie (Grafische Auswertung): Die Grafik ist das Helligkeitsprofil entlang der gelben Linie im Vertikalschnitt durch den Stack von 500 OCT- Bildern. Die Gassperrschicht zeigt sich deutlich. Gassperrschicht, Lichteintritt Lichtaustritt Gassperrschicht, Lichtaustritt Lichteintritt Dicke der Gassperrschicht Die Darstellung zeigt die zwei Peaks an der Gassperrschicht. Der Abstand entspricht der Flugzeit des Lichts im Material und lässt sich in Mikrometer auswerten. Die Resultate sind nicht kalibriert. Da es sich um ein rotationssymetrisches Bauteil handelt ist der auswertbare Blickwinkel begrenzt. 5

6 Sauber ausgebildete Gassperrschicht Um die Gassperrschicht sichtbar darzustellen, wurden die Messwerte mit dem Faktor 10 vergrössert. Schichtdickenbestimmung: S = Signaldifferenz / 10 / Brechungsindex / Anteil Streuung Gassperrschichten nach dem thermischen Umformen. Sperrschicht vorhanden Sperrschicht minimal Sperrschicht ausgedünnt Sperrschicht vorhanden 6

7 Kapsel mit vorhandener Gasbarriereschicht Bei ausgeglichener Erwärmung des Spritzgussteils ist die Gassperrschicht klar zu erkennen. Das OCT Bild deckt sich mit den bis heute aufgenommenen Bildern. Innen Gassperrschicht Dicke der ganzen Kapselwand Aussen In einigen Zonen auf der Kapsel konnte keine Gassperrschicht erkannt werden. In der äusseren Schicht wurde beim thermischen Umformen zum Teil der Kunststoff modifiziert (Temperatur). Innen Streueffekte in der Kapselwand Aussen 7

8 Andere Messresultate Wir haben mit dem OCT-Verfahren verschiedene Folien und umgeformte Bauteile sowie auch Spritzgussteile mit integrierter Gassperrschicht vermessen. Bei dieser Anordnung ist die Gassperrschicht im Innern der Folie eingebettet. Im Bild links sind die Schichten jeder Folie deutlich erkennbar. Die Dicke jeder einzelnen Folie wird mit einem Puls gemessen. Bei dieser Anordnung ist die Gassperrschicht sehr dünn und von aussen aufgebracht. Im Bild links sind die Schichten jeder einzelnen Folie erkennbar. Weil die Gassperrschicht sehr dünn aufgebracht wird liegen die Lichtfronten sehr nahe beieinander. Die Auswertung erfolgt softwaremässig. Praktische Messungen an einer Schale Die Messung an einer umgeformten Schale zeigt, dass deutliche Unterschiede in der Gesamtdicke bestehen und dass die EVOH Schicht zum Teil ausgedünnt ist. Gassperrschicht ausgeformt Gassperrschicht ausgedünnt Die Bilderserie aus 16 Einzelbildern zeigt die Verteilung der Foliendicke sowie die Dicke und die Lage der eingebauten EVOH Schicht. 8

9 Gassperrschicht- Dickenmessung auch an opaken Folien mit spektroskopischen oder interferometrischen Methoden Die Schichten im Ausgangsmaterial einer mehrlagigen Folie werden heute aus dem Mikrotomschnitt herausgelesen. Beträgt die Gesamtdicke vor der Verformung 1000 mü, redizieren sich die Dicken der einzelnen Schichten bei der Umformung je nach Ort der Schicht zwischen 300 mü (Minimaldicke) und etwa 500 mü (Maximaldicke). Wir haben viele Gründe anzunehmen, dass vor der Umformung die Mischzonen anders sind als nach der Umformung. Messung der Gassperrschicht Zur Vermessung der Gassperrschicht dient das Modell der Schicht um die zu erwartenden Signale abzuschätzen. Zudem werden mit der Modellierung die opti-malen Quellen definiert, damit die zu identifi-zierenden Schichten auch sicher lokalisiert werden können. Die Grafik links zeigt ein Modell der Folie, die zum Beispiel für Kaffeekapseln verwendet wird. Zur Modellierung sind alle Werkstoffe die in der Schicht eingebaut sind von Interesse (Farben, Pigmente oder Oxide) und wenn möglich deren Dicken. 9

10 Die Dicke der Gassperrschicht, gemessen an einer schwarzen Dolce Gusto Kapsel durch flo-ir GmbH im langwelligen Spektrum. Mit OCT Messungen im langwelligen Spektrum werden einzelne Schichten in der Kapselkonstruktion sichtbar. Signal etwa 20 mm unter der Siegelebene, dickere Gassperrschicht.. Signal etwa 8 mm unter der Siegelebene, dickere Gassperrschicht. Legende Gassperrschicht > 15 mü Gassperrschicht = 15 mü Gassperrschicht < 15 mü Signal etwa 12 mm unter der Siegelebene, dünne Gassperrschicht. Messfeld ca. 8 mm breit und 22 mm hoch. Mit der LW- Interferometrie werden die einzelnen Schichten in einer Kapselwand aufgelöst. In den umgeformten Kapseln bestehen jedoch erhebliche Unterschiede. Wir haben Unterschiede in der Dicke der Gassperrschicht bis Faktor 3 festgestellt. Referenzpunkt (Vergleichswert) 10

11 Die an Dolce Gusto Kapseln völlig berührungslos gemessenen Signale weisen eine Abhängigkeit zur Dicke der Gassperrschicht auf. Die Zusammenhänge sind an verschieden farbigen Kapseln nachgewiesen und bestätigt worden. Farbgebende Schicht Dickenänderung Gassperrschicht der Dickenänderung der Folie Die Daten von 3 verschieden farbigen Kapseln in grafischer Form. Die weisse Kapsel ist mit Titanoxid verfüllt und lässt sich mit relativ vielen Lichtquellen vermessen. Die braune Kapsel hat Füllstoffe drin, welche nur noch bestimmtes Licht durchlassen. Erstaunlicherweise hat auch die schwarze Schicht eine genügend hohe Transmission im Bereich, wo die Brechungsindices noch gross genug sind. 11

12 Gassperrschicht in einer Kaffeekapsel Mit der Erkundung der Dicke der Gassperrschichten öffnet sich eine neue Möglichkeit zur Steigerung der Wertschöpfung an bestehenden Anlagen. Das OCT-Bild wurde an einer fertig ausgeformten, nicht transparenten Kaffeekapsel aufgenommen und zeigt die Dicke der äusseren Schichten sowie die Dicke der einzelnen Schichten in der Folienkonstruktion und auch die Dicke der Gassperrschicht. Der Haftvermittler wurde in dieser Aufgabenstellung nicht gemessen. Schicht 5 Schicht 1 Schicht 4 Schicht 2 Schicht 3 (Gassperrschicht) Weil die Schichtfolgen zum Teil sehr unterschiedlich sind und damit die Identifikation einer Ursache mit grosser Sicherheit gelingt, werden OCT-Messungen von beiden Seiten der Kapsel (respektive der Folie) vorgenommen. Zudem wird die Lichtquelle den gestellten Anforderungen angepasst. Dicke der Folie 12 Sie finden viele Informationen zur Schichtdickenmessung, zur Siegelnahtinspektion und zur Geometrievermessung mit dem OCT-Verfahren auf unserer Webseite.

13 Wir messen berührungslos und zeigen sofort auf! Gassperrschicht vorhanden Gassperrschicht nicht vorhanden Wir vermessen die Dicke von Gasbarriere- oder Haftschichten zwischen Folien. Die zwei OCT- Bilder oben zeigen eine vorhandene Gassperrschicht (Bild links) und eine fehlende respektive stark ausgedünnte Gasbarriereschicht (Bild rechts). Die Mikroskopaufnahmen unten zeigen die Situation im Normalbild. Bei fehlender Gasbarriere- oder Haftschicht fallen die Schichten nach dem Umformen auseinander. Sie finden Weitere Informationen auf unserer Webseite unter Download oder erhalten solche auf Anfrage bei uns. Vorteile des OCT- Messverfahrens Berührungslos Zerstörungsfrei Hohe Störsicherheit (passiv wie aktiv) Hohe geometrische Auflösung Schnelle Datenerfassung Geringer Platzbedarf Entkopplung der Tiefenauflösung von der transversalen Auflösung Wegfall der Dünnschlifftechnik, dadurch besteht die Möglichkeit von OCT- Mikroskopaufnahmen am und im lebenden Organismus Lichtempfindliche Strukturen lassen sich sehr gut untersuchen, da das OCT- System sehr wenig Eigenenergie (5 8 mw) benötigt. Verlangen Sie detaillierte Informationen zu Ihrer Aufgabenstellung. 13