Laserinduzierte Plasmaspektroskopie für saubere Oberflächen

Oberflächen sind wichtige Qualitätsmerkmale, da sie entscheidenden Einfluss auf die Weiterverarbeitung der Bauteile und deren zuverlässige Funktion haben. Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie kann die elementare Zusammensetzung einer Oberfläche spezifisch analysieren und Aufschluss über Kontaminationen geben. Um die Verunreinigungen schon während des Fertigungsprozesses zu erkennen, gilt eine digitalisierte Inline- Messung als Schlüssel für eine hocheffiziente Prozesssteuerung. Innerhalb des vom BMWi geförderten Projektes „Alaska“ wurde diese Technologie genutzt und in eine vollständig automatisierte Einheit für komplexe Prozessketten überführt.

Befinden sich partikuläre, chemische oder filmische Verunreinigungen auf Werkstoffoberflächen, so beeinflussen sie nachfolgende Fertigungsschritte, wie beispielsweise Kleben, Lackieren oder Galvanisieren, ganz erheblich. Insbesondere bei klebtechnischen Fertigungsprozessen ist die Erkennung von Oberflächenkontaminationen außerordentlich wichtig, da nur saubere Oberflächen sicher verklebt werden können. Der prozessabsichernden, begleitenden Qualitätssicherung kommt in diesem Fall eine große Bedeutung zu. Hierzu setzt das Fraunhofer IFAM die laser-induzierte Plasmaspektroskopie – kurz LIPS oder LIBS (engl. laser-induced breakdown spectroscopy) – ein. LIBS ist ein laserspektroskopisches Verfahren, mit dem die elementspezifische Zusammensetzung einer Probe bestimmt werden kann. Die hohe Energiedichte des Lasers – standard­mäßig mit der Wellenlänge von1064 nm – erzeugt eine extreme Anregung der Atome, sodass an der Oberfläche ein Plasma entsteht, welches beim Abkühlen – wenn die Atome wieder in ihren Grundzustand wechseln – Lichtstrahlung abgibt. Diese ist dabei für jedes Element spezifisch und einzigartig. Die Strahlung wird anschließend von einem speziellen Lichtleiter aufgenommen und in ein Spektrometer geleitet, das die Elementverteilung in Echtzeit auswertet. Mithilfe des LIBS-Systems lässt sich so ein Großteil der Elemente in und auf Oberflächen qualitativ und quantitativ analysieren, ohne dass die Proben einer speziellen Vorbereitung bedürfen.

LIBS-Messkopf für die Integration in eine robotergeführte Produktionsumgebung

Material- und anwendungsspezifische Weiterentwicklung der LIBS-Technologie

Mit ihrem extrem geringen Materialabtrag im Nanogramm-Bereich oder weniger kann die LIBS-Technologie mit einem 1064 nm Laser in vielen Anwendungsfällen eingesetzt werden. Bei den Nachfolgebehandlungen der Bauteile stören die Mikrodefekte in der Regel nicht oder die Messungen werden an unkritischen Stellen durchgeführt. Allerdings sind nicht nur die Folgeprozesse, sondern auch die Oberflächenbeschaffenheit und das zu prüfende Material auschlaggebend für den Einsatz dieser Technologie. So benötigt eine minimalinvasive Oberflächenanalytik von Faserverbundkunststoffen eine andere Wellenlänge und eine andere Energiemenge im Vergleich zu Metallen, Glas oder Kunststoffen. Um die Beeinträchtigungen des Materials so gering wie möglich zu halten, kann der Einsatz eines Lasers mit der Wellenlänge von nur 532 nm oder 266 nm mit jeweils angepasster Energiemenge in bestimmten Anwendungsfällen notwendig sein. Laborversuche am Fraunhofer IFAM haben gezeigt, dass die LIBS-Technik mit 266 nm im Vergleich zu 1064 nm die Materialbeeinträchtigungen in Durchmesser und Tiefe um 95 % verringert, bei gleichbleibender Qualität der Messdaten. So kann in jedem Fertigungsbereich, in dem Oberflächen- und Materialbeschaffenheit eine wichtige Rolle spielen, das LIBS-System individuell angepasst und eingesetzt werden. Die Analyse beschränkt sich dabei nicht nur auf Festkörper, vielmehr können auch pastöse oder flüssige Substanzen auf ihre elementare Zusammensetzung untersucht werden.