Roboter-geführter Terahertz-Messkopf inklusive Positionierungssensoren zur zuverlässigen Schichtdickenmessung. © Fraunhofer ITWM
Das Messen von Schichtdicken ist ein wichtiger Bestandteil der Qualitätskontrolle. Die Terahertz-Messtechnik gilt in diesem Bereich als vielversprechende Technologie ...
... an deren Weiterentwicklung am Fraunhofer Institut intensiv geforscht wird.
Aus hochoptimierten Produktionstaktzeiten in der Industrie ergeben sich definierte Vorgaben an neue Messtechnik zur Inline-Qualitätskontrolle. Daher sind sehr schnelle Mess-, aber auch Auswertezeiten essenziell für den Einsatz der Messtechnik. Die Kooperation des „Zentrums für Materialcharakterisierung und -prüfung“ mit dem „Competence Center High Performance Computing“, beide im Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM verortet, ermöglicht jetzt die Auswertung der Terahertz-Messdaten im Millisekunden-Takt.
Beschichtungen schützen und veredeln
Beschichtungen und Lackierungen entscheiden in vielen Industriezweigen mit über die Produktqualität, zum Beispiel als Oberflächenveredelung, aber auch als erste Schutzschicht der Bauteile. Daher sind die Anforderungen an die Beschichtungen so hoch, dass sie in einer zuverlässigen Qualitätskontrolle geprüft werden müssen. Sie sind häufig nur wenige Mikrometer dick und liegen sowohl als Ein-, aber auch als Mehrschichtsysteme auf verschiedensten Untergründen vor: Bis zu vier Lackschichten auf Metallen und Kunststoffen sind in der Automobil- sowie der Luft- und Raumfahrtindustrie keine Seltenheit. Auch die Messung von Wandstärken und Beschichtungen von Kunststoffrohren, welche z. B. im Bereich Fernwärme oder Pipelines eingesetzt werden, ist mit der Terahertz-Technik möglich.
Für die Überwachung der Beschichtungsstärken im Produktionszyklus sind schnelle Messsysteme mit einer Auflösung im Mikrometerbereich nötig, die Mehrschichtsysteme auf verschiedenen Substraten zuverlässig untersuchen können. Die im „Zentrum für Materialcharakterisierung und -prüfung“ entwickelten Terahertz-Systeme vereinen diese Anforderungen mit einer Reproduzierbarkeit von besser als 1 μm bei Messraten von bis zu 50 Messungen pro Sekunde in einem kompakten und robusten Messsystem. „Durch parallele Nutzung mehrerer Sensoren kann die Messzeit sogar auf bis zu 200 Messungen pro Sekunde erhöht werden“, so Stefan Weber, Physiker am »Zentrum für Materialcharakterisierung und -prüfung“. „Wir halten so die üblichen Taktzeitvorgaben der Industrie mit diesen Messsystemen sehr gut ein.“
Verbesserung dank schneller Algorithmen
Um mit den erfassten Signalen eine Aussage über die Schichtdicke treffen zu können, sind ausgefeilte Algorithmen nötig, die auf Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit optimiert werden müssen. Hier kommen die hervorragenden Kompetenzen des Bereichs „High Performance Computing“ in der Optimierung komplexer Algorithmen ins Spiel: „Wir konnten die Auswertungssoftware so weit verbessern, dass Auswertezeiten von unter 1 ms für vierlagige Beschichtungen mit handelsüblichen Notebooks erreicht werden“, so Martin Kühn vom „Competence Center High Performance Computing“ am Fraunhofer ITWM. Ursprünglich lag die Auswertezeit im Sekundenbereich.
Kürzere Auswertung, höhere Stabilität
Diese zeitliche Verbesserung bei gleichzeitiger Erhöhung der Stabilität ermöglicht nun eine Echtzeitauswertung der erfassten Messsignale mit dem Potenzial, weitere Anwendungsfelder für die Terahertz-Messtechnik zu erschließen und das „Zentrum für Materialcharakterisierung und -prüfung“ weiter auszubauen.
Bis zu seiner Eingliederung in das Fraunhofer ITWM 2017 war das Zentrum eine Abteilung des Freiburger Fraunhofer Instituts für physikalische Messtechnik IPM. Die Fraunhofer Gesellschaft und die rheinland-pfälzische Landesregierung befürworteten und unterstützten die Integration, auch finanziell. Mit gutem Grund, denn bereits nach wenigen Monaten konnte der Neuzugang aufgrund der engen Verzahnung aller ITWM-Abteilungen Erfolge vorweisen. (BO)
INFO-BOX
Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
Das Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern zählt zu den größten Forschungsinstituten für angewandte Mathematik weltweit. Seine Aufgabe: die Mathematik als Schlüsseltechnologie weiterzuentwickeln und innovative Anstöße zu geben. Dabei legt das Institut seinen Fokus auf die Umsetzung mathematischer Methoden und Technologien in Anwendungsprojekten und ihre Weiterentwicklung in Forschungsprojekten. Das enge Zusammenspiel mit Partnern aus der Wirtschaft garantiert eine hohe Praxisnähe.
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