Laserakustisches Prüfsystem LAwave^®

Das am Fraunhofer IWS entwickelte LAwave^®-Messsystem dient zur schnellen und zerstörungsfreien Charakterisierung von Schichten und Oberflächen. Das zugrundeliegende Verfahren ist wissenschaftlich etabliert und gewinnt zunehmend auch Bedeutung im industriellen Bereich für Forschung, Entwicklung und Qualitätskontrolle.

Es basiert auf dem Prinzip der laserakustischen Oberflächenwellen-Spektroskopie. Dabei wird die frequenzabhängige Ausbreitungsgeschwindigkeit von Oberflächenwellen bestimmt, die direkt von der Schichtdicke, der Dichte und den effektiven elastischen Eigenschaften abhängt. Störeinflüsse wie Poren, Risse und Delamination werden deshalb indirekt mitgemessen.

Die Rohdaten lassen sich je nach Anwendung mit einem physikalischen Materialmodell auswerten, mit unabhängig gemessenen Eigenschaften korrelieren oder mit Gut/Schlecht-Training bewerten. 

Merkmale

• Zerstörungsfrei
• Messzeit von weniger als einer Minute
• Hohe Reproduzierbarkeit
• Entspricht EN 15042-1
• Extrem breiter Anwendungsbereich
• Vollintegrierte Software mit verschiedenen Nutzerstufen
• Messung und Auswertung automatisierbar
• Integrale Aussage über Messfläche (ca. 5x10 mm²)

Werkstoffe und Materialien

Elastizitätsmoduls, Dicke und Dichte von:

• PVD-Schichten, z. B. ta-C und a-C:H
• CVD-Beschichtungen and CVD-Diamant
• Thermische Spritzschichten
• Laserauftragschweißen
• Einkristalline Halbleiter, Si-Wafer
• 3D-generierte Materialien (z. B. LSM)
• Vollmaterialien, z. B. Stahl, Messing, Aluminium, Hartmetalle

Tiefe der:

• Oberflächennahen Schädigung in der Silizium-Waferverarbeitung
• Kaltverfestigung nach Oberflächenbearbeitung
• Einhärtetiefe und Nitriertiefe

Das Verfahren misst alle Einflüsse in Schichten und Oberflächen, die sich auf die Ausbreitung von Oberflächenwellen auswirken. Wir beraten gern und testen Ihren Anwendungsfall. 

Entwicklung und Aufbau von Messsystemen

Das Fraunhofer IWS entwickelt seit mehr als 30 Jahren Methoden, Software, Messsysteme und Prüfkonzepte für die Oberflächenwellen-Spektroskopie kundenspezifischer Aufgaben. Mehr als 35 unserer stationären Geräte werden weltweit in Universitäten, Entwicklungs- und Prüflaboren für F&E und Qualitätskontrolle genutzt.

Unsere neueste Entwicklung, das portable Messsystem LAwave^® mobile, ermöglicht nun, die Prüfsonde zur Oberfläche zu bringen. Damit können nicht nur große Wellen und Innenrohre untersucht werden, sondern es ermöglicht erstmals auch die zerstörungsfreie Qualitätskontrolle auf beschichteten komplexen Komponenten. 

Software

Die eigens entwickelte Software steuert die Messung und erlaubt die reproduzierbare Datenaufnahme, deren Verarbeitung sowie Auswertung mittels Materialmodell. Die intuitiv bedienbare Oberfläche lässt sich in drei verschiedenen Modi nutzen: 

• Basic: Automatische Ausführung vordefinierter Mess- und Auswerteprozeduren
• Advanced: Automatische oder manuelle Messung mit erweiterten Einstelloptionen
• Scientific: Vollständige manuelle Kontrolle über Einzelschritte und Zwischenergebnisse

Wissenschaft und Forschung

Wir partizipieren in öffentlich geförderten Projekten und erproben mit Partnern aus Forschung und Industrie neue Ideen, Methoden, Sensoren und Konzepte. Zahlreiche Aktivitäten münden in gemeinsamen Publikationen.

Aktuelle Entwicklungsschwerpunkte

• Entwicklung eines Mobilprüfkopfes für große Bauteile, schwer zugängliche Oberflächen und Feldeinsatz
• Automatisches Mapping von Bauteilen
• Qualitätssicherung für Dünnschichten (PVD, CVD), Laserauftragschweißen und thermisches Spritzen
• Unterstützung der Entwicklung für REACH-Ersatzschichten und Reparaturverfahren wie Kaltgasspritzen
• Sensorentwicklung für Messung bis mindestens 600 °C

Beispielanwendungen

• Qualitätskontrolle von tetraedrisch amorphen Kohlenstoffschichten (ta-C): Erlaubt die Messung von Schichtdicke und E-Modul. Letzterer korreliert mit der Härte.
• Schichtentwicklung von neuartigen Bremsscheibenbeschichtungen zur Bewertung von Porosität und mechanischer Integrität
• Fehleranalyse von thermischen Spritzschichten: Der effektive E-Modul korreliert mit unerwünschten Mikrorissen, Poren und Bindefehlern auch in komplexen Schichtstapeln.
• Prozessoptimierung bei der Wafer-Bearbeitung: Die nach Sägen, Schleifen und Polieren verbleibende Schädigungstiefe in Halbleiterwerkstoffen kann präzise bestimmt werden.
• Randschichtgehärtete Stähle: Die Tiefe gehärter Randzonen (bis 1 mm) kann bewertet werden, da die Gefügeumwandlung beim Härten auch den Elastizitätsmodul verändert.