Befinden sich partikuläre, chemische oder filmische Verunreinigungen auf Werkstoffoberflächen, so beeinflussen sie nachfolgende Fertigungsschritte, beispielsweise Kleben oder Lackieren, ganz erheblich. Speziell 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 laserinduzierte Plasmaspektroskopie – kurz LIPS oder LIBS (engl. laser-induced breackdown 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 von 1064 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.
Entwicklung eines Messkopfs für Robotersysteme
Nach heutigem Stand der Technik bestehen die Aufbauten zur Oberflächenanalytik mithilfe der LIBS-Technologie aus einem stationären, fest installierten Messkopf zur Materialanalyse, vor dem die Proben präzise bewegt werden müssen. Eine flexible und robotergeführte Inline-Oberflächenanalytik konnte für dieses System bislang nicht realisiert werden, da sich die Messköpfe aufgrund ihres hohes Gewichts und ihrer Konstruktion nicht an vorhandene Robotersysteme montieren lassen. Um die LIBS-Technologie in bestehende Produktionsabläufe zu integrieren, wurde im Rahmen des vom BMWi geförderten Projekts "ALASKA" in Zusammenarbeit mit der LTB Lasertechnik Berlin ein kompakter LIBS-Messkopf zur Montage an Robotersystemen entwickelt. Wichtiges Ziel innerhalb des Projekts war es, ein kleines und leichtes System zu konstruieren, das zugleich mit robusten Komponenten ausgestattet ist, um der Bewegung am Roboter standzuhalten und dadurch keine Veränderungen der Messqualität hervorzurufen. Eingesetzt wurde hierbei ein Laser mit der Wellenlänge von 1064 nm. Als Ergebnis dieser Entwicklung können die LIBS-Messungen nun vollständig automatisiert in komplexe Prozessketten eingebunden werden.
Der komplette Beitrag ist in der JOT 08/2021 erschienen.
Autor(en): Dr. René Neuholz, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
