Terahertz: Revolution in der Schichtdickenmessung

Komplexe Mehrfach-Beschichtungen und Lacke auf Kunststoff bringen die Messtechnik an ihre Grenzen. Mit der Terahertz­-Technologie arbeitet Fischer daran, erstmals Mehrfachschichten auf Metall und Plastik zerstörungsfrei zu messen.

Das erste Terahertz-System von Fischer

Autolacke müssen viel aushalten – Steinschlag, Frost oder Hitze. Daher werden die Beschichtungen immer ausgeklügelter, mindestens 4 verschiedene Lagen sind auf einer modernen Karosserie aufgetragen. Gleichzeitig gibt es viele Teile aus Kunststoff, deren Lackierung bisher nur zerstörend geprüft werden konnte. Mit der Terahertz-Technologie arbeitet Fischer daran, erstmals Mehrfachschichten auf Metall oder Kunststoff ­zerstörungsfrei zu messen.

Damit Beschichtungen einwandfrei funktionieren, müssen sie präzise kontrolliert werden. Nur so können zum Beispiel ­Automobilhersteller sicher gehen, dass Lacke ein Autoleben lang halten, gleichzeitig aber nur so viel Farbe verwendet wird, wie wirklich notwendig ist. Die moderne Qualitäts­sicherung steht also vor der Aufgabe, mehrere Schichten von Lacken ­präzise zu vermessen.

typischer Lack Ein typischer Lack besteht aus mehreren isolierenden Schichten, die bisher nur mit zerstörenden Methoden einzeln gemessen werden konnten.

Neben Metall werden aber auch andere Substrate verwendet: Vom Toaster bis zu den Geräten im OP-Raum sind heute auch viele Kunststoffe lackiert. Bisher ist es nur mit einem zerstörenden Keilschliff möglich, solche Beschichtungen zu analysieren. 

Um diese Lücke zum ersten Mal zu schließen, entwickelt ­Fischer eine neue Technologie – Terahertz. Mithilfe der Terahertz-Strahlung (THz) ist es erstmals möglich, zerstörungsfrei Mehrschichtsysteme zu kontrollieren und sogar Lacke auf Kunststoffen zu messen. Diese Messmethode heißt Terahertz TDS (Time Domain Spectroscopy).

Wie funktioniert eine Terahertz-Messung?

Die verwendete Terahertz-Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen zwischen 100 GHz und 4 THz. Somit ist diese Strahlung kurzwelliger als Mikrowellen aber langwelliger als sichtbares Licht. Erst seit wenigen Jahren gibt es leistungsfähige Strahler und Detektoren für diesen Frequenzbereich.

Das Besondere an der THz-Strahlung ist, dass sie viele Lacke und Beschichtungen durchdringen kann. Diese Transparenz macht Fischer sich bei der Messung der Schichtdicke zunutze. Ähnlich wie bei Dickenmessung mit Ultraschall wird auch die THz-Strahlung an den Übergängen zwischen Schichten zum Teil reflektiert. Diese „Echos“ kommen mit Zeitunterschieden am Detektor an. Daraus kann die Fischer-Software die Dicke von bis zu vier Schichten bestimmen – die Messung dauert nur eine Sekunde.

Terahertz-PulsDer Terahertz-Puls durchdringt die Kunststoff­beschichtung und wird an den Stoffgrenzen reflektiert. Aus der Laufzeit der Reflexionen errechnet die Software die Schichtdicke

Wie ist Terahertz im Vergleich?

Hervorragende Wiederholpräzision 

Bereits jetzt, in der Entwicklung, ist die Genauigkeit der Terahertz-Methode beeindruckend: Auf einem Messfleck von weniger als 2 mm lassen sich Schichtdicken von 5 bis 10 µm messen. Im Vergleich zum magnetinduktiven Verfahren, das eine ähnlich gute Auflösung hat, bietet Terahertz aber mit 1 ‰ eine 10-mal bessere Wiederholgenauigkeit.

 

Vermessung eines KeilschliffesBei der Vermessung eines Keilschliffes ist Terahertz den etablierten Methoden, wie der Mikroskopie und der Magnetinduktion, ebenbürtig.

Zerstörungsfrei 

Da die Lacke für die THz transparent sind, werden sie durch die Strahlung nicht be­einflusst. Das heißt, die Messung ist völlig zerstörungsfrei.

Nicht ionisierend

Terahertz ist viel energieärmer als Röntgenstrahlung und daher ungefährlich. THz-Geräte können offen verwendet werden und benötigen keinen Strahlenschutz.

Berührungslos

Anders als Magnetinduktion und Ultraschall ist Terahertz kontaktfrei – es können auch feuchte Lacke vermessen ­werden.

Keine Kalibrierung 

Während die Dickenmessung mit Ultraschall auf einem ähnlichen Prinzip beruht wie Terahertz, erfordert sie eine aufwendige Kalibrierung. Das THz-­System von Fischer kommt dagegen bei einfachen Schichten ganz ohne eine Kalibrierung aus. Alle notwenigen Größen werden in einem Schritt gemessen. 

Vor der Analyse von mehrschichtigen Lacken muss jeder Belag einzeln eingemessen werden. Dabei speichert das Gerät alle notwendigen Größen. Wird derselbe Lack wiederverwendet, ist eine erneute Vormessung nicht mehr nötig.

Terahertz – Methode mit Zukunft

Das erste THz-System wird speziell für die Messung von Mehrfachschichten ausgelegt sein. Zusammen mit Automobilisten und Lackherstellern entwickeln wir Lösungen, um diese Technik in die Produktionsprozesse zu integrieren. 

Das Potenzial der Methode ist damit aber noch lange nicht ausgeschöpft. Viele Stoffe absorbieren die THz-Strahlung auf eine charakteristische Art und Weise. Für die Zukunft eröffnet das viele weitere Anwendungsmöglichkeiten.  

 

 

AUF EINEN BLICK:

  • Dicke von Mehrfachschichten messbar
  • Metall oder Kunststoff: Das Substrat spielt für die Messung keine Rolle
  • Nicht ionisierend
  • Berührungslos
  • Zerstörungsfrei
  • Geringer Kalibrieraufwand
 

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