Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Im Rahmen eines BMWi Projekts der Fa. Innovent Jena, bei dem ein neuartiger optischer Sensor zur Bewertung der Oberflächenqualität und Reinheit von optischen Gläsern im Fokus stand, wurden die abbildende Ellipsometrie, die IR-Mikroskopie und die Weißlichtinterferenzmikroskopie als Referenzverfahren herangezogen. Mittels Brewster-Winkelmessungen konnten „Wolkenstrukturen“ identifiziert werden, die bei nachfolgenden Beschichtungsprozessen zu Schichtdefekten führen können. Außerdem wurden mittels Ellipsometrie Änderungen im Brechungsindex der Floatgläser (Luft- bzw. Zinnseite) nachgewiesen. Topographie Oberflächenmerkmale wie Welligkeit, Rauheit und Kreuzrillen konnten mittels Weißlichtinterferenzmikroskopie bzw. abbildender Ellipsometrie identifiziert werden.
Das Projekt KONTRAST adressiert die Qualitätskontrolle (QC) zur Erfassung nano- und mikroskaliger Belegung/Degradation mittels abbildender Ellipsometrie (IE). Das BAM-Teilvorhaben beinhaltet das Screening von Benchmark-Materialsystemen und die Validierung von Messstrategien. Im Ergebnis erfolgte eine Fokussierung auf das im Vergleich zur off Null Ellipsometrie (ONE) aussichtereichere Verfahren der referenzkompensierten Ellipsometrie(RKE), das marktstrategisch in RSE (referenced spectral ellipsometry) umbenannt wurde. Alle Materialsysteme der BAM-Unterauftragnehmer konnten mit IE visualisiert werden, mit dem RSE-System in wesentlich kürzeren Zeiten, auf größeren Flächen, bei vergleichbarer Empfindlichkeit und Auflösung, Komplementärverfahren waren für den schnellen Nachweis nano- und mikroskaliger Belegung nicht konkurrenzfähig, wobei zusätzliche Materialsysteme mit niedrigem Kontrast (SnO:Ni auf Glas bzw. Cr auf Chromstahl) in der BAM hergestellt wurden. Die öffentliche Präsentation des RSE-Prototyps erfolgte auf der ICSE-7 2016 mit der Publikation 2017 in Applied Surface Science.
Aufzählung der wichtigsten wissenschaftlich-technischen und anderer wesentlicher Ergebnisse
• ALD Abscheidungen auf Polymeren (PE, PP, PTFE) unter Atmosphärendruck und im Vakuum mit Ozon als Oxidationsmittel wurden durchgeführt:
- Mit Variation der Schichtdicke
- Mit Variation der Zykluszeit
- Mit und ohne Ozon Vorbehandlung der Oberfläche
• ALD Abscheidungen auf (PE, PP, PTFE) in Vakuum mit O2- und H2-Plasma Vorbehandlung wurden durchgeführt.
- Mit Variation der Schichtdicke
- Mit Variation der Zykluszeit
- Mit und ohne Plasma Vorbehandlung der Oberfläche
• Die ALD Prozesse wurden mit in situ Laserellipsometrie untersucht.
• Die ALD Schichten wurden für die Haftfestigkeit bei der BAM ausgewerte
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile, wie das Verbinden verschiedener Materialklassen und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich, und erfordert schnelle Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbundeigenschaften.
Das Messprinzip CAT-Technologie® (Centrifugal Adhesion Testing) verwendet die radial gerichtete Zentrifugalkraft als Belastungsgröße, die durch programmierbare Variation der Drehzahl statisch oder dynamisch vorgegeben wird. Bei Erreichen der kritischen Beanspruchung trennt sich der Prüfstempel vom Substrat, zeitgleich wird ein positionsbezogenes Signal aus dem drehenden Rotor gesendet und zusammen mit der Drehzahl an die PC-Software übertragen. Für jede Probe wird die Bruchkraft berechnet und in Echtzeit angezeigt. Der Adhesion Analyser LUMiFrac® untersucht simultan bis zu acht Prüfkörper unter identischen Bedingungen. Das neue Messprinzip erfüllt die Anforderungen von DIN EN 15870, DIN EN 14869-2 und ISO 4624.
Neben der Festigkeitsbestimmung von Klebverbindungen ist die Haftung von Schichtsystemen ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich. Ergebnisse für Zug- und Scherbeanspruchung, realisiert mit unterschiedlichen Prüfkörper-Layouts, werden vorgestellt und Festigkeit beeinflussende Faktoren, wie Prüfgeschwindigkeit oder Substratverformung bei Beanspruchung, werden aufgezeigt. Die Charakterisierung von Klebebandeigenschaften über die Möglichkeiten der Schälprüfung hinaus wird gezeigt. Des Weiteren werden experimentelle Ergebnisse durch zyklische Belastung (Ermüdung) im Vergleich zu Stan-dard-Tests diskutiert.
Der Vortrag widmet sich den Normenentwicklungen auf den Gebieten der
• Chemische Oberflächenanalyse und Rastersondenmikroskopie
• Elektronenmikroskopie und Mikrobereichsanalyse
• Prüfverfahren (zu Nanotechnologien)
• Hardness Testing
• Oberflächenmesstechnik im Mikro- und Nanobereich
• Kohlenstoff- und keramische Hartstoffschichten
• Mess- und Prüfverfahren für Schichten und Schichtsysteme
• Dünne Schichten für die Optik
• Coating Qualification Tests
Zur Erhöhung der Haft- und Klebfestigkeit von Niedrigenergie-Polymeren wie PTFE, PP und PE werden plasmabasierte Aktivierungen (Realisierung von dangling bonds) und Modifizierungen (Realisierung von functional groups) verwendet. Die Effizienz dieser Modifizierungen liegt für technisch raue Oberflächen bei ca. 10%, d. h. nur jedes zehnte C-Atom wird aktiviert oder modifi-ziert, weil sowohl LP- (Low Pressure) als auch AP- (Atmospheric Pressure) Plasmen nicht topo-graphietreu wirksam werden. Zudem ist die Lebensdauer der Aktivierung bzw. Modifizierung oft sehr kurz, liegt im Bereich von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden, d.h. zeitnahe Beschich-tung oder Verklebung in Prozessfolge sind unabdingbar.
Im Projekt „HARFE - Haftung, Reproduzierbarkeit, Festigkeit“ soll untersucht werden, in wie weit diese Defizite mittels Atomlagenabscheidung (ALD: Atomic Layer Deposition) vorbeschichteten Polymeren minimiert werden können. ALD-Prozesse sind zum einen topographietreu, zum anderen sowohl ohne als auch mit Plasmaunterstützung realisierbar.
Der Vortrag widmet sich modifizierten Oberflächen zur Erhöhung der Kratzbeständigkeit sowie entspre-chenden Prüfmethoden und bewertet deren Praxis-tauglichkeit. Nach einer Übersicht zu Begriffen und Definitionen wird die wirtschaftliche Bedeutung der Kratzbeständigkeit aufgezeigt. Neben generellen Anforderungen an Mess-und Prüfverfahren hinsicht-lich Einsatzbereichen, Messunsicherheit und Validie-rung werden diverse Verfahren zur Erzeugung und Bewertung Einzel- und Vielfach-Kratzern nebst ent-sprechenden Normen vorgestellt. Die analytische Charakterisierung, werkstofftechnische Gesichts-punkte und eine Zusammenstellung aktuell gültiger Normen zur Kratzbeständigkeit schließen den Vortrag ab.
Die Angabe der Messunsicherheit wird im Rahmen von Konformitätsbewertungen gefordert. Die Messunsicherheit gibt an, wie sicher der wahre Wert der Messgröße getroffen wird. Für ihre Ermittlung gibt es unterschiedliche Ansätze, allen voran der „Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement“ (GUM). In der geplanten Auditoren- und Bewerterschulung sollen in einem Übersichtsvortrag "Uncertainty Budgets in Measurement and Testing for Surface Characterization: Ellipsometry, Hardness and Adhesion Testing" Herangehensweisen und Methoden zur Ermittlung der Messunsicherheit vorgestellt und anschließend anhand beispielhafter Anwendungen aus den Arbeitsbereichen der BAM erklärend untersetzt werden.
Mit dieser Schulung sollen die Auditoren und Bewerter der BAM befähigt werden, geltende Anforderungen zur Messunsicherheit handhaben und beurteilen zu können.