Polymere & Terahertz
Terahertz-Impulse zur schnellen Inspektion von Kunststoffmaterialien
Viele polymere Materialien sind transparent für Terahertz-Strahlung. Dies ermöglicht unter anderem Schichtdicken-Bestimmungen, basierend auf Laufzeitmessungen der Terahertz-Impulse durch die jeweiligen Schichten.
Bild: Toptica Photonics AGDie Anwendungen der Terahertz-Strahlung für die Kunststoffprüfung beschränken sich jedoch nicht auf Dickenmessungen. Das Abtasten einer Probe mit Hilfe eines Terahertz-Strahls verwandelt ein 1D-Profil in ein 3D-Bild, das Risse, Hohlräume und Schichtablösungen (Delaminationen) unter der Oberfläche aufzeigt. Spektroskopische Techniken analysieren die Zusammensetzung und innere Struktur von Verbundwerkstoffen wie glasfaserverstärkten Kunststoffen über die Bestimmung ihres Absorptionskoeffizienten und des Brechungsindex. Das Potenzial der Terahertz-Technologien für die Qualitäts- und Prozesskontrolle in der Kunststoffindustrie ist nahezu unbegrenzt: Von der Messung des Feuchtegrads, der Analyse von Zellgrößen bei geschäumten Kunststoffen bis hin zur Geometrievermessung reichen die möglichen Anwendungsfelder. Im Automobilbau bestimmt z.B. die richtige Kombination und Dicke der Lackschichten nicht nur die Gesamtästhetik, sondern auch die Beständigkeit gegen UV-Strahlen und Korrosion. Bei Arzneimitteln regeln Tablettenbeschichtungen die Freisetzung des Medikaments im Körper. Gepulste Terahertz-Systeme bestimmen die Dicke solcher Schichten berührungslos und zerstörungsfrei. In Mehrschichtsystemen wird jede einzelne Lage aufgelöst, solange sich benachbarte Schichten in ihrem Brechungsindex unterscheiden. Bei Kunststoffflaschen und ihren Rohlingen (Preforms) werden so die Gesamtwandstärke und die Dicke einzelner Schichten, wie z.B. einer Sauerstoffbarriere, geprüft. In mehrlagigen Lacksystemen können 10µm dünne Schichten auf unterschiedlichen Substraten (Metall und Kunststoff) mikrometergenau bestimmt werden. Dies alles geschieht aufgrund der niedrigen Energie der Terahertz-Strahlung absolut sicher und risikofrei. Aktuell forschen das Fraunhofer FHR, IAIS und IOSB gemeinsam an der Entwicklung eines Terahertz-Sortiersystems, das sich besonders für schwarze Kunststoffe eignet. Da moderne elektronische Geräte oft aus schwarzem Kunststoff gefertigt sind, spielt dieser eine immer größere Rolle beim Kunststoff-Recycling. Um sicherzustellen, dass die Qualität des Materials nicht beeinträchtigt wird, müssen die Kunststoffe nach Art sortiert werden.
Bild: Toptica Photonics AGGepulste Terahertz-Systeme für die Qualitätskontrolle
Die meisten Messungen wurden bisher mit herkömmlichen Terahertz-TDS-Systemen (Terahertz- Zeitbereichsspektroskopie) durchgeführt. Ein Standard-System verwendet einen Femtosekundenlaser, wobei der Laserstrahl in zwei Pfade aufgeteilt wird. Die erste Impulsfolge beleuchtet den Sender - in der Regel eine photoleitende Antenne - und erzeugt Terahertz-Strahlung. Die Impulse interagieren mit der Probe und gelangen zum Empfänger, wo sie mit der zweiten Laserpulsfolge überlagert werden. Um die Terahertz-Impulse zeitaufgelöst abzutasten, wird die zweite Laserpulsfolge mit Hilfe einer mechanischen Verzögerungsstufe zeitversetzt. Ein neues Messprinzip ohne mechanische Verzögerungseinheit überwindet diesen Engpass: Electronically Controlled Optical Sampling (ECOPS).
1.600 komplette Messungen/s
Das ECOPS-Verfahren setzt zwei synchronisierte Femtosekundenlaser ein, wobei der erste Laser eine feste Wiederholrate hat. Die Wiederholrate des zweiten Lasers ist abstimmbar und wird um die des Ersten moduliert. Der Nettoeffekt entspricht dem einer mechanischen Verzögerungseinheit, dieses Prinzip ist jedoch deutlich schneller, mit Datenerfassungsraten weit im kHz-Bereich. Dabei können Scanbereich und Scangeschwindigkeit flexibel an die Anforderung der Anwendung angepasst werden. Der TeraFlash Smart basiert auf diesem proprietären Verfahren und erfasst 1.600 komplette Terahertz-Wellenformen pro Sekunde. Dies ermöglicht Dickenmessungen mit sehr hoher Geschwindigkeit. Mit seinem robusten Design eignet sich das System daher für Messungen an schnell bewegten Proben, wie z.B. Förderbändern, Papiermaschinen oder Extrusionslinien.
Viele polymere Materialien sind transparent für Terahertz-Strahlung. Dies ermöglicht unter anderem Schichtdicken-Bestimmungen, basierend auf Laufzeitmessungen der Terahertz-Impulse durch die jeweiligen Schichten.
Bild: Toptica Photonics AGDie Anwendungen der Terahertz-Strahlung für die Kunststoffprüfung beschränken sich jedoch nicht auf Dickenmessungen. Das Abtasten einer Probe mit Hilfe eines Terahertz-Strahls verwandelt ein 1D-Profil in ein 3D-Bild, das Risse, Hohlräume und Schichtablösungen (Delaminationen) unter der Oberfläche aufzeigt. Spektroskopische Techniken analysieren die Zusammensetzung und innere Struktur von Verbundwerkstoffen wie glasfaserverstärkten Kunststoffen über die Bestimmung ihres Absorptionskoeffizienten und des Brechungsindex. Das Potenzial der Terahertz-Technologien für die Qualitäts- und Prozesskontrolle in der Kunststoffindustrie ist nahezu unbegrenzt: Von der Messung des Feuchtegrads, der Analyse von Zellgrößen bei geschäumten Kunststoffen bis hin zur Geometrievermessung reichen die möglichen Anwendungsfelder. Im Automobilbau bestimmt z.B. die richtige Kombination und Dicke der Lackschichten nicht nur die Gesamtästhetik, sondern auch die Beständigkeit gegen UV-Strahlen und Korrosion. Bei Arzneimitteln regeln Tablettenbeschichtungen die Freisetzung des Medikaments im Körper. Gepulste Terahertz-Systeme bestimmen die Dicke solcher Schichten berührungslos und zerstörungsfrei. In Mehrschichtsystemen wird jede einzelne Lage aufgelöst, solange sich benachbarte Schichten in ihrem Brechungsindex unterscheiden. Bei Kunststoffflaschen und ihren Rohlingen (Preforms) werden so die Gesamtwandstärke und die Dicke einzelner Schichten, wie z.B. einer Sauerstoffbarriere, geprüft. In mehrlagigen Lacksystemen können 10µm dünne Schichten auf unterschiedlichen Substraten (Metall und Kunststoff) mikrometergenau bestimmt werden. Dies alles geschieht aufgrund der niedrigen Energie der Terahertz-Strahlung absolut sicher und risikofrei. Aktuell forschen das Fraunhofer FHR, IAIS und IOSB gemeinsam an der Entwicklung eines Terahertz-Sortiersystems, das sich besonders für schwarze Kunststoffe eignet. Da moderne elektronische Geräte oft aus schwarzem Kunststoff gefertigt sind, spielt dieser eine immer größere Rolle beim Kunststoff-Recycling. Um sicherzustellen, dass die Qualität des Materials nicht beeinträchtigt wird, müssen die Kunststoffe nach Art sortiert werden.
Bild: Toptica Photonics AGGepulste Terahertz-Systeme für die Qualitätskontrolle
Die meisten Messungen wurden bisher mit herkömmlichen Terahertz-TDS-Systemen (Terahertz- Zeitbereichsspektroskopie) durchgeführt. Ein Standard-System verwendet einen Femtosekundenlaser, wobei der Laserstrahl in zwei Pfade aufgeteilt wird. Die erste Impulsfolge beleuchtet den Sender - in der Regel eine photoleitende Antenne - und erzeugt Terahertz-Strahlung. Die Impulse interagieren mit der Probe und gelangen zum Empfänger, wo sie mit der zweiten Laserpulsfolge überlagert werden. Um die Terahertz-Impulse zeitaufgelöst abzutasten, wird die zweite Laserpulsfolge mit Hilfe einer mechanischen Verzögerungsstufe zeitversetzt. Ein neues Messprinzip ohne mechanische Verzögerungseinheit überwindet diesen Engpass: Electronically Controlled Optical Sampling (ECOPS).
1.600 komplette Messungen/s
Das ECOPS-Verfahren setzt zwei synchronisierte Femtosekundenlaser ein, wobei der erste Laser eine feste Wiederholrate hat. Die Wiederholrate des zweiten Lasers ist abstimmbar und wird um die des Ersten moduliert. Der Nettoeffekt entspricht dem einer mechanischen Verzögerungseinheit, dieses Prinzip ist jedoch deutlich schneller, mit Datenerfassungsraten weit im kHz-Bereich. Dabei können Scanbereich und Scangeschwindigkeit flexibel an die Anforderung der Anwendung angepasst werden. Der TeraFlash Smart basiert auf diesem proprietären Verfahren und erfasst 1.600 komplette Terahertz-Wellenformen pro Sekunde. Dies ermöglicht Dickenmessungen mit sehr hoher Geschwindigkeit. Mit seinem robusten Design eignet sich das System daher für Messungen an schnell bewegten Proben, wie z.B. Förderbändern, Papiermaschinen oder Extrusionslinien.
TOPTICA Photonics AG
Dieser Artikel erschien in inVISION 5 2019 - 27.09.19.Für weitere Artikel besuchen Sie www.invision-news.de
