Produktionsintegrierte Qualifizierung dünner Beschichtungen (DSALIPS)

Problemlage
Funktionelle Beschichtungen von Materialien spielen in der industriellen Produktion unterschiedlichster Bauteile branchenübergreifend eine bedeutende Rolle und sind somit entscheidend für die Qualität des Gesamtproduktes. Hierzu zählen insbesondere Korrosionsschutz-schichten von Metallen zur Lebensdauerverlängerung und sogenannte Haftvermittler, die an der Grenzfläche unmischbarer Stoffe eine physikalische oder chemische Bindung herstellen, so dass nachfolgend aufgebrachte Schichten wie z. Bsp. Lacke auf Metalloberflächen bei Karosserien im Automobilbereich dauerhaft haften bleiben. Um eine REACH-konforme, ökonomisch attraktive und qualitativ hochwertige Fertigung der Endprodukte zu gewährleisteten, ist eine adäquate inline Qualitätskontrolle der typischerweise wenigen nm bis µm dicken funktionellen Schichten notwendig, mit der Elementverteilung, Dicke sowie Vollständigkeit bereits unmittelbar während der Beschichtung quasi-zerstörungsfrei ermittelt und der Herstellungsprozess effektiv nachgeregelt werden kann.

Verbundprojektziel
Ziel des KMU-innovativ Forschungsprojekts DSA-LIPS war die Entwicklung einer innovativen Prozessanalytik für die produktionsintegrierte Qualifizierung dünner Materialschichten mit der Beschichtungsanwendung qualifiziert werden können. Die zu erarbeitenden Lösungen auf Basis der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIPS) in Kombination mit ultraschnellen Kurzpulslasern für die Analytik der anwendungsspezifischen Materialzusammensetzung und –dicke zielten darauf ab, mit einer schnellen und dynamischen Anpassung der Prozesssteuerung die Produkt- und Prozessqualität signifikant zu verbessen. Im Ergebnis wurde ein applikationsnahes Industriefunktionsmuster realisiert, mit dem die Anwendbarkeit demonstriert werden konnte.

Vorgehensweise
Mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIPS) steht ein optisches Verfahren mit erheblichem Anwendungspotential für die Echtzeit-Materialanalyse von Dünnschichten zu Verfügung. Dabei wird ein kleines Probenvolumen mit einem Laserpuls abgetragen und in ein Plasma überführt, dessen Emissionsspektrum Aufschluss über die vorhandenen Elemente im zu untersuchenden Material gibt. Auf Grundlage der erarbeitenden applikationsrelevanten Spezifikationen wutrde ein entsprechendes praxisnahes Analysekonzept entwickelt. Parallel wurden Voruntersuchungen mittels LIPS und Messungen mit Referenzverfahren an Musterproben durchgeführt und evaluiert. Die Ergebnisse der applikationsrelevanten Qualifizierung von ps- und fs-Kurzpulslasern für die LIPS-Analytik von Dünnschichten hinsichtlich Abtragung und Reproduzierbarkeit flossen in die Konstruktion und Aufbau eines minimal-invasiven und industrietauglichen DSA-LIPS Funktionsmusters sowie für die zu entwickelnde Messstrategie ein. Der DSA-LIPS Demonstrator ist hinsichtlich Messfähigkeit unter Industriebedingungen, Inlinefähigkeit und Reproduzierbarkeit beim Anwender validiert und optimiert worden. Lösungen für eine Analytik basierende Prozessregelung wurden erarbeitet.

Ergebnisverwertung
Der DSA-LIPS Demonstrator stellt einen technologischen Innovationsschritt für industrielle LIPS-Systeme mit Ultrakurzpuls-Lasern als Alleinstellungsmerkmal dar. Die Produkt- und Prozessqualität bei der industriellen Fertigung von Dünnschichten kann mit dem Messaufbau signifikant verbessert werden. Es wurden ideale Voraussetzungen für eine kurzfristig anzugehende Markteinführung mit einem hohen zu erwartenden Absatzpotential im weitgefächerten industriellen Produktionsbereich geschaffen. Für die beteiligten Partner aus Industrie und Forschung entlang der Wertschöpfungskette bilden die technologischen Erkenntnisse bereits bedeutende Synergien, die bedeutende Impulse für die gesamte Beschichtungsindustrie darstellen.

• DR. LAURE PLASMATECHNOLOGIE GmbH
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• LTB Lasertechnik Berlin GmbH