Optischer Sensor prüft Plasma-Barrierebeschichtungen

Ein neuer Sensor ermöglicht die Prüfung funktionaler Plasma-Barriereschichten auf Kunststoffprodukten in Produktionsgeschwindigkeit. Der Sensor nutzt Infrarotmesstechnik, um dünne Beschichtungen mit einer Stärke von unter 10 nm bis 200 nm inline zu erfassen.

Plasma-Beschichtungen werden beispielsweise auf Kunststoffverpackungen aufgebracht, um Lebensmittel zu schützen. Hier bewahrt eine diffusionsdichte Schicht, zum Beispiel aus Siliziumoxid (SiOx) oder Aluminiumoxid (AlOx), Produkte wie Kaffee oder Nüsse vor schädlichen äußeren Einflüssen oder Aromaverlust. Vergleichbare Dünnschichten kommen aber auch in völlig anderen Bereichen zum Einsatz – beispielsweise bei Pharmaprodukten, in Haushaltsgeräten, in Brennstoffzellen, auf Fahrzeugteilen und in vielen weiteren Branchen. Sie können eingesetzt werden, um die Benetzbarkeit, die Haftungseigenschaften oder die Oberflächenchemie zu optimieren, oder um vor Korrosion zu schützen.

Bis heute gab es keine Möglichkeit, die Qualität von Plasma-Beschichtungen inline und zerstörungsfrei zu überprüfen. Stand der Technik ist die stichprobenartige Qualitätsprüfung mit zeitaufwändigen Laborverfahren. Der von Fraunhofer IPM entwickelte neuartige Sensor ermöglicht nun eine prozessintegrierte 100-Prozent Einzelteilprüfung im Produktionstakt – auch für dreidimensional geformte, komplexe Oberflächen wie sie beispielsweise für Verpackungen typisch sind. Entwickelt wurde das Prüfsystem Film-Inspect vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Kooperation mit dem Plasmaanlagen-Spezialisten Plasma Electronic GmbH.

Die Forschenden nutzen die infrarotoptischen Eigenschaften der Beschichtungen für die Qualitätskontrolle: Die chemische Bindung zwischen Atomen kann durch Infrarotlicht der passenden Wellenlänge resonant angeregt werden. Aus der Intensität des reflektierten Lichts lässt sich die Schichtdicke bestimmen. Die Wahl der Wellenlänge hängt vom Beschichtungsmaterial ab und ist materialspezifisch konfigurierbar. Der kompakte Sensor ist nur ca. 20 × 40 × 80 mm3 groß und kann somit problemlos in die Produktionslinie integriert werden. In Produktionsprozessen können mehrere Sensoren gekoppelt werden und via Profinet und OPC-UA mit der Anlagensteuerung kommunizieren. Für einfachere Anwendungen mit Einzelsensoren steht eine USB-Schnittstelle und eine Auswertesoftware zur Verfügung.

Ein Array von acht Sensoren wurde beim Projektpartner Plasma Electronic GmbH erfolgreich in eine Plasma-Beschichtungsanlage integriert und getestet. Neben der dort gezeigten Anwendung in einem Batch-Prozess kann Film-Inspect auch in kontinuierlichen Verfahren eingesetzt werden. Auch die Überwachung einer Rolle-zu-Rolle Beschichtungsanlage ist somit möglich.

Die Forschungs und Entwicklungsarbeiten fanden im Rahmen des Projekts »O-KUBA – Optische Prozesskontrolle für ultradünne Barriereschichten« statt. O-KUBA wird im Rahmen des Förderprogramms Invest BW – Innovation II durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg gefördert (BW1_1002/02). Die Laufzeit war vom 1. April 2022 – 31. Juli 2024, die Projektpartner sind Fraunhofer IPM und Plasma Electronic GmbH. (OM-11/24)