25/05/2021
Door Ad Spijkers
De reinheid van oppervlakken heeft een beslissende invloed op de verdere verwerking en betrouwbaarheid van onderdelen.
Deeltjes, chemische of filmische onzuiverheden op materiaaloppervlakken kunnen een aanzienlijke invloed hebben op latere productiestappen, zoals lijmen of verven. Vooral bij lijmfabricageprocessen is de opsporing van oppervlakteverontreiniging uiterst belangrijk, omdat alleen op schone oppervlakken betrouwbaar kan worden gelijmd. Hier zijn procesbewaking en kwaliteitsborging van groot belang.
LIBS
Het Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen gebruikt hiervoor laser induced breackdown spectroscopy (LIBS). Deze methode kan worden gebruikt om de samenstelling van een monster te bepalen. De hoge energiedichtheid van de laser genereert een extreme excitatie van de atomen. Hierdoor wordt op het oppervlak een plasma gevormd, dat licht uitzendt wanneer de atomen afkoelen en terugkeren naar hun grondtoestand. Dit is specifiek en uniek voor elk element.
De straling wordt opgevangen door een speciale lichtgeleider en ingevoerd in een spectrometer, die real-time de elementverdeling evalueert. Met behulp van LIBS kan een groot aantal elementen in en op oppervlakken kwalitatief en kwantitatief worden geanalyseerd zonder dat een speciale voorbereiding van de monsters nodig is.
Robotgestuurd
Volgens de huidige stand van de techniek bestaan opstellingen voor oppervlakte-analyse met behulp van LIBS-technologie uit een stationaire, vaste meetkop voor materiaalanalyse, waar de monsters precies voor moeten worden bewogen. Tot nu toe kon voor dit systeem geen flexibele en door een robot gestuurde in-line oppervlakte-analyse gerealiseerd. Door hun hoge massa en hun constructie kunnen de meetkoppen niet op bestaande robotsystemen worden gemonteerd.
Om de LIBS-technologie in bestaande productieprocessen te integreren, werd in samenwerking met LTB Lasertechnik Berlin een compacte LIBS-meetkop ontwikkeld voor montage op bestaande robotsystemen. Een belangrijk doel binnen het project was het construeren van een klein en licht systeem. Dit is uitgerust met robuuste componenten om de bewegingen op de robot te weerstaan en zo geen veranderingen in de meetkwaliteit te veroorzaken. Hiervoor werd een laser met een golflengte van 1064 nm gebruikt.
Door deze ontwikkeling kunnen LIBS-metingen volledig worden geautomatiseerd en geïntegreerd in complexe procesketens. Concrete toepassingsscenario's zijn bijvoorbeeld de productie van vezelcomposietkunststoffen of het voorkomen van verstoringen van de benatting van verf. Als de gemeten waarden buiten het tolerantiebereik vallen, kan het proces direct en eenvoudig worden bijgesteld.
>
Verdere ontwikkeling
Met materiaalafname in het nanogramgebied of minder kan de LIBS-technologie met een 1064 nm laser in veel toepassingen worden gebruikt. Bij de nabehandeling van de onderdelen storen de microdefecten gewoonlijk niet of worden de metingen op niet-kritieke plaatsen uitgevoerd. Niet alleen de downstream-processen, maar ook de oppervlaktegesteldheid en het te inspecteren materiaal zijn bepalend voor het gebruik van deze technologie.
De analyse is niet beperkt tot vaste stoffen; ook pasteuze of vloeibare stoffen kunnen op hun elementaire samenstelling worden geanalyseerd.
Foto: Fraunhofer IFAM