Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Verfahrens zur interferometrischen Schichtdickenmessung von dünnen, gedruckten Lackfilmen

In der Druckindustrie stellt das Lackieren von Druckerzeugnissen eine wichtige Prozesstechnologie dar. Durch den Lackauftrag können Funktionalitäten wie Schutz-/Barriere-Eigenschaften oder optische Effekte in das Druckprodukt integriert werden. Aufgrund fehlender Offline- als auch Inline-Messverfahren können die im (Offset)-Druckprozess erzielten Schichtdicken wegen der geringen Dicke und der rauen Substrate nicht systematisch untersucht werden. Einsparpotenziale durch gezielte Lackschichtdickeneinstellung und schnellere Einfahrprozesse mit einer Verringerung der Anlaufmakulatur können somit nicht genutzt werden.

Ziel des Forschungsvorhabens ist daher der Aufbau eines Demonstrators zur Offline-Messung in der Drucklackierung. Dafür wird ein neuartiges Messgerät auf Basis der interferometrischen Schichtdickenmessung mit einem Common-Path Sensor entwickelt. Wesentliche Arbeitsschritte zur Umsetzung sind Grundlagenuntersuchungen zum Schichtsystem Lack und Drucksubstrat (vor allem Papier). Hierzu gehört die Analyse der spektralen Reflektion bzw. Absorption unterschiedlicher Lacke und Substrate, mit deren Kenntnis geeignete spektrale Fenster für die Messung identifiziert werden können. Mittels Simulationen werden die Auswirkungen der rauen Bedruckstoffoberflächen auf das Messersignal analysiert. Die hierbei erzeugten Erkenntnisse fließen in die Auslegung des Messsystems ein. Abschließend sollen Applikationsversuche die Messunsicherheit bei der interferometrischen Schichtdickenmessung bestimmen, um die Leistungsfähigkeit des neuentwickelten Messaufbaus validieren zu können. Mit den Projektergebnissen kann der von KMU geprägte Industriezweig der Druckbranche prozesssicherer funktionale Lackierungen und ressourceneffizienter Drucklackierungen anbieten, darüber hinaus werden neue Geschäftsfelder für Messtechnikfirmen geschaffen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde eine zerstörungsfreie Schichtdicken(SD)-Messmethode auf Basis der optischen Kohärenztomographie (OCT) gezielt für den Einsatz in der Druckindustrie weiterentwickelt. Hierzu wurden Grundsatzuntersuchungen zum Schichtsystem Lack und Papier durchgeführt sowie spezielle Referenzproben für die Entwicklung eines Demonstrator-Systems auf Basis der neuartigen Messmethode hergestellt. Durch die Verwendung einer besonders breitbandigen Lichtquelle (Superkontiunum Laser), war es erstmals möglich die Auflösungsgrenze der konventionellen OCT hinaus in axialer Richtung für Schichten oder Strukturen von bis zu 1 µm zu differenzieren (nachgewiesen auf Testtarget) und eine Eindringtiefe von bis zu 1 mm in die Probe zu realisieren. Die Realisierung eines Subpixel genauen Kantendetektionsalgorithmus erlaubt die SD-Bestimmung im 2D-Messmodus (B-Scan), daneben bietet die OCT auch die Möglichkeit, mit dem C-Scan ein dreidimensionales Oberflächenbild der Probe zu messen und auszuwerten, was aufschlussreiche Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit bzw. Defekte in der Schicht geben kann. Aufgrund der hohen Messfrequenz (im kHz-Bereich) des Systems wäre es denkbar diese zukünftig „Inline“ in den Druckprozess zu integrieren. Aber auch außerhalb der Druckbranche bietet das entwickelte UHR-OCT neben der direkten und absoluten Messung von Lackschichten auch die direkte Messung von anderen Beschichtungen, Mehrschichtsystemen oder die Charakterisierung von Topographien undurchlässiger Materialien. Somit ist am Ende des Projekts das entwickelte UHR-OCT nicht nur in der Druckindustrie von großem Nutzen für eine direkte zerstörungsfreie Messung von Schichten sondern in zahlreichen weiteren Anwendungen, überall dort wo dünne Schichten zum Einsatz kommen (z.b. Elektronik, Optik, Medizintechnik).