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Ausgewählte Ausgabe: 06-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Schonende Analyse von Dünnschichten

Für die Festigkeitsanalyse von Oberflächen wurden bisher Verfahren wie die Kavitationserosion, Reibe- und Ritztests verwendet. Diese sind jedoch für dünne Schichten oft nicht geeignet oder können die unterhalb der zu analysierenden Fläche liegenden Lagen oder Substrate beschädigen – und damit die Messergebnisse beeinträchtigen. Das japanische Unternehmen Palmeso hat in zehnjähriger Zusammenarbeit mit der Fukui-Universität das „Micro-Slurry-Jet-Erosion“ (MSE)-Testsystem entwickelt. Damit lässt sich die Oberflächenfestigkeit mittels Bestrahlung durch Mikropartikel untersuchen.


Bild 1.  Das Verfahren analysiert die Oberflächenfestigkeit und sogar Festigkeitsverteilungen verschiedener Materialien von gelartig bis diamanthart, ohne darunterliegende Schichten oder Substrate zu beschädigen.

Bild 1.
Das Verfahren analysiert die Oberflächenfestigkeit und sogar Festigkeitsverteilungen verschiedener Materialien von gelartig bis diamanthart, ohne darunterliegende Schichten oder Substrate zu beschädigen.

Neben harten Materialien wie Diamant können mit dem innovativen Verfahren auch weiche Materialien wie Gummi oder inzwischen sogar gelartige Oberflächen überprüft werden. Für eine besonders präzise Analyse sorgt die Möglichkeit, Festigkeitsverteilungen innerhalb von Ein- und Mehrschichtsystemen zu messen. Innerhalb Europas wird das ausgeklügelte Prüfsystem von der Rubröder International Trading GmbH in Bendorf vertrieben (siehe gelber Infokasten).

Oberflächen schonend prüfen

Dünne Schichten kommen in zahlreichen Industriezweigen zum Einsatz, beispielsweise in der Elektronik- und Chipbranche, bei der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik. Die Optimierung sowohl der Beschichtungs- als auch der entsprechenden Prüfverfahren steigt kontinuierlich in ihrer Bedeutung. Doch auch bei optischen Schichten, Verbundwerkstoffen, verschiedenen Werkzeugen und Sintermaterialien müssen hohe Qualitätsstandards bei der Beschichtung eingehalten werden. Allerdings kratzen die meisten bisher verwendeten Methoden sprichwörtlich nur an der Oberfläche oder können Schichten und Substrate, welche sich unter der zu untersuchenden Schicht befinden, sogar beschädigen. Daher hat das Unternehmen Palmeso Co., Ltd. in Kooperation mit der japanischen Fukui-Universität ein schonenderes Verfahren entwickelt, das neben Hartstoffen auch problemlos bei weicheren Materialien eingesetzt werden kann, Bild 1.

Überprüfung mittels wässrigem Metalloxidpartikelstrahl

Anstatt wie bisher auf die Messung der Zug-, Druck-, Kompressions-, Reibungs- oder Kratzfestigkeit zu vertrauen, setzt das MSE-Testsystem auf eine komplett andere Methode. „Das Verfahren nutzt die Erosionskraft eines Mikropartikelstrahls als neuen Referenzstandard“, erklärt Paul Riedel, Geschäftsführer von Rubröder International Trading. „Der Strahl erzeugt einen definierten Materialabtrag auf der Oberfläche, sodass die Festigkeitsverteilung unabhängig vom Härtegrad des Materials bis in eine Tiefe von circa 200 µm gemessen werden kann.“
Das von Palmeso entwickelte Gerät enthält eine Erosionskammer sowie einen Erosionstiefenmesser (Profilometer). Der Micro-Jet umfasst ein Gemisch aus Wasser mit 1,2 μm großen Metallpartikeln („Slurry“), das einer Düse in der Erosionskammer zugeführt und mittels Druckluft auf das Material geschossen wird, Bild 2.

Bild 2.  Das Gemisch aus Wasser und Mikropartikeln wird mit hoher Geschwindigkeit auf die Schichtoberfläche gestrahlt und trägt diese ab. Die so entstandenen Vertiefungen im Material werden vermessen und mit der verbrauchten Menge an Metallpartikeln verglichen. Daraus lässt sich die Festigkeit der Oberfläche berechnen.

Bild 2.
Das Gemisch aus Wasser und Mikropartikeln wird mit hoher Geschwindigkeit auf die Schichtoberfläche gestrahlt und trägt diese ab. Die so entstandenen Vertiefungen im Material werden vermessen und mit der verbrauchten Menge an Metallpartikeln verglichen. Daraus lässt sich die Festigkeit der Oberfläche berechnen.

Als Metallpartikel dient vor allem mehrwinkliges Aluminiumoxid, in speziellen Fällen auch Siliziumoxid.
 Der Strahl trifft mit einer hohen Geschwindigkeit von 100 m/s bei einem Durchsatz von 10 Milliarden Partikeln in der Sekunde auf der Oberfläche des zu prüfenden Materials auf und trägt diese gezielt ab, ohne darunter liegende Schichten oder Substrate zu beschädigen. Es handelt sich also um eine semi-zerstörungsfreie Prüfung. Dabei entstehen trichterförmige Vertiefungen im Werkstoff, die mit einer Auflösung von 10 nm bis 20 nm vermessen und zu der verbrauchten Menge an Partikeln ins Verhältnis gesetzt werden. Da sich die Strahlgeschwindigkeit individuell für jedes Material einstellen lässt, werden die Grundeigenschaften des Werkstoffs während des Prozesses nicht beeinträchtigt.

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Autoren

 Pia  Schäble

freie Redakteurin in München mit dem Themenschwerpunkt erneuerbare Energien.

Innovative Produktions-...

...sowie F&E-Lösungen

Der  Spezialist  für  anspruchsvolle  Produktions-  sowie  Forschungs-  und  Entwicklungs  (F&E)-Lösungen  mit  Sitz  im  rheinland-pfälzischen  Bendorf  bei  Koblenz  wurde  1980  gegründet  und vertreibt  seit  mehr  als  35  Jahren Bestückungs-,  Beschichtungs-  und  Inspektionssysteme  für deutsche und europäische Industrieunternehmen sowie Forschungseinrichtungen. Dafür arbeitet das Unternehmen eng mit Entwicklern aus den USA und Japan zusammen und ist unter anderem exklusiver Distributor des MSE-Testsystems von Palmeso auf dem europäischen Markt. Das Familienunternehmen bietet zudem technische Serviceleistungen an und führt Anwendungs- sowie Machbarkeitsstudien für seine Kunden durch.
Rubröder International Trading GmbH, Theodor-Neizert-Str. 1, 56170 Bendorf, Tel. 02622 / 897 9892, Fax 02631 / 450 0050, E-Mail: info@rubroeder-group.com, Internet: www.rubroeder.systems

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