F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R P h y si k a l is c he M esste c hni k I P M Kathode Dis Mittlere Intensität [b.e.] 1.0 0.8 222 1 Das vom Laserpuls erzeugte Plasma leuchtet materialcharakteristisch, sodass durch eine spektrale Analyse die Element- Fe Li 0.6 0.4 0.2 1 Laser 532 nm Fe Fe 0.0 350 400 P 450 500 550 600 650 700 750 Wellenlänge [nm] schnelle materialanalyse von oberflächen und beschichtungen zusammensetzung der Oberfläche bestimmt werden kann. 2 Bereits mit einem Laserpuls detektiert man Großflächige Oberflächenzusammen- Fraunhofer IPM bietet Messsysteme für gleichzeitig alle an der Oberfläche vorhande- setzungen blitzschnell bestimmen die Analyse der Verteilung der chemischen Elemente an Materialoberflächen sowie nen Elemente mit hoher Spezifität. Die Oberfläche eines Bauteils ist oft der an Beschichtungen an. Mit wenigen Schlüssel zu seiner späteren Funktionalität Lichtpulsen wird die Zusammensetzung Fraunhofer-Institut für – doch häufig auch verantwortlich für von Oberflächenschichten zuverlässig und Physikalische Messtechnik IPM vorzeitigen Verschleiß oder mechanisches präzise bestimmt. Versagen. Aus diesem Grund werden die Heidenhofstraße 8 Oberflächen vieler Bauteile besonders 79110 Freiburg aufwändig behandelt und vergütet: mit Messprinzip Antikorrosionsschichten, Härtungsschichten Ansprechpartner PD Dr.-Ing. Albrecht Brandenburg und vermehrt auch mit oft hauchdünnen Bei der laserinduzierten Plasmaspektrosko- und hochspezialisierten funktionalisieren- pie (LIPS) wird mithilfe eines Pulslasers ein den Schichten. kleines Volumen einer Objektoberfläche Gruppenleiter mit einem Durchmesser von 10 – 100 µm Optische Oberflächenanalytik Mit den stetig steigenden Qualitätsanforde- in ein Plasma verwandelt. Dabei werden Telefon +49 761 8857-306 rungen an alle Bauteile in der industriellen die Atome in diesem Volumen ionisiert und [email protected] Fertigung steigen auch die Anforderungen einige ihrer Elektronen herausgelöst. Ein an Qualität und Vergütung von Oberflä- sogenanntes Plasma wird erzeugt. Beim Jan Schütz chen. Sichtprüfungen reichen hier in der anschließenden Einfangen der Elektronen Telefon +49 761 8857-742 Regel nicht mehr aus, um bewerten zu entsteht ein materialtypisches Emissions- [email protected] können, ob die Oberfläche eines Bauteils spektrum, das vom Plasma abgestrahlt wird. den vielfältigen Anforderungen wie z.B. Dessen spektrale Analyse liefert Informatio- Vollständigkeit, Homogenität oder korrekte nen zur chemischen Zusammensetzung der Zusammensetzung genügt. Oberfläche am Ort des Laserfokus. www.ipm.fraunhofer.de 3 4 Einsatz für die Qualitätsanalyse hohe Ortsauflösung der Elementkonzentration: Probenbereich unter 100 µm Ist die chemische Zusammensetzung bestimmt, kann diese zu analytischen Zwecken ausgewertet, oder – interessant für die Qualitätskontrolle – mit Sollwerten verglichen werden. Der relative Anteil der Elemente wird innerhalb von Millisekunden bestimmt: Eine Zinkphosphatbeschichtung auf einem Stahlteil kann beispielsweise in Echtzeit zuverlässig ausgewertet werden. Nachweis von Elementkonzentrationen bis in den ppm Bereich möglich keine Probenpräparation notwendig, Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe analysier- duktionsschritten beste Ergebnisse erzielt werden können. Der Beschichtungsprozess kann damit geregelt und überwacht werden. Aufgrund der hohen Ortsauflösung kann die beschichtete Oberfläche bildgebend analysiert und dargestellt werden. bar Inline-Integration möglich, z. B. scannend über die Rollenbreite Analyse extrem harter Materialien möglich Damit können die Beschichtungsprozesse Teile-(Eingangs)kontrolle Mit LIPS kann die Zusammensetzung eines zugelieferten Bauteils oder Werkstoffes zuverlässig analysiert werden. So kann etwa die Qualität von goldbeschichteten gezielt geregelt werden, um die Werkstück- Aufgrund dieser Eigenschaften ergeben elektrischen Kontakten bereits bei der qualität zu gewährleisten. sich vielfältige Anwendungsmöglich- Anlieferung bestimmt werden. keiten zur Bestimmung der chemischen Wird der Laserpuls auf verschiedene Stellen Zusammensetzung der Oberfläche in der Recycling des Werkstücks gelenkt, kann die räumliche Produktion von Werkstoffen und Bauteilen. Im Bereich des Recycling können Verteilung und Homogenität der Oberflä- Fraunhofer IPM ermöglicht mit seinen LIPS-Messmethoden eingesetzt werden, chenzusammensetzung direkt bestimmt Messsystemen, diese Technologie auch um unterschiedliche bekannte Stoffe in werden. Durch wiederholtes Pulsen an der für Inline-Anwendungen zu nutzen: wenigen ms zu erkennen. © Fraunhofer IPM 04/2015; Bilder: Fraunhofer IPM gleichen Stelle erhält man auch in der dritten Dimension die Daten zur elementaren Werkstoff-Herstellung und Sortierung 3 Gezeigt wird eine Schraube mit Zusammensetzung des Bauteils: bei jedem Die Reinheit und Zusammensetzung der mit Zink-Phosphat-Beschich- Puls wird ein kleines Volumen abgetragen Werkstoffe kann in Sekundenbruchteilen tung. Die mit LIPS analysier- und damit die nächsttieferliegende Schicht ermittelt werden. So kann beispielsweise te Stelle ist rot markiert. analysiert (Abb.3). die Verteilung von Materialphasen oder 4 LIPS-Spektrum der in Abb. 3 Verschmutzungen in Metalllegierungen gezeigten Schraube bei mehrfa- kontrolliert werden. cher Bestrahlung mit je einem Vorteile der laserinduzierten Plasmaspektroskopie Laserpuls. Beim ersten Puls do- Beschichten und Oberflächen minieren Zink und Phosphor. Je bearbeitung tiefer die Pulse in die Beschich- In Fertigungsprozessen, in denen tung vordringen, desto stärker bis zu einem Abstand von 50 cm Oberflächen beschichtet werden, kann mit tritt das Eisensignal hervor. realisierbar LIPS zuverlässig geprüft werden, ob das Nach hundert Pulsen, was in schnell, bis in den kHz Bereich Beschichtungsergebnis den Anforderungen diesem Fall einer Eindringtiefe nahezu zerstörungsfrei, pro Puls weniger in Zusammensetzung und Homogenität von ca. 300 µm entspricht, ist entspricht, sodass in den folgenden Pro- nur noch Eisen nachweisbar. berührungslos, da optisches Verfahren, als 1 µg Abtrag