Infrarot-Sensor ermöglicht Regelung des Materialauftrags bei der Plasmabeschichtung

Ultradünne Barriereschichten auf Verpackungen können Lebensmittel oder Medikamente wirksam vor Kontakt mit Sauerstoff, Feuchtigkeit oder Schadstoffen schützen. Der am Fraunhofer IPM entwickelte Sensor Film-Inspect misst die Qualität solcher Diffusionsbarrieren im Beschichtungsprozess und ermöglicht erstmals eine Prozessregelung.

Verpackungen bestehen heute überwiegend aus einem Materialmix aus unterschied­lichen Polymerschichten. Die Verbundmaterialien haben eine hervorragende Barriere­wirkung, sind jedoch schlecht recyclebar. Anders ist dies bei Verpackungen aus Monomaterial, deren sortenreine Kunststoffe hervorragend wiederverwertet werden können. Mithilfe von Beschichtungen lässt sich auch bei Monomaterialien in vielen Fällen eine ähnlich gute Barrierefunktion wie bei Verbundmaterialien erreichen. Für ein sortenreines Recycling, wie es die neue europäische Verpackungsverordnung (Packaging and Packaging Waste Regulation, PPWR) fordert, sollte der Anteil des Fremdmaterials durch die Beschichtung im Promillebereich oder niedriger liegen. Plasmabeschichtungsverfahren ermöglichen dies, indem sie Beschichtungen – beispielsweise aus Silizium- oder Aluminiumoxid – als nanometerdünne Schichten auf einem Polymersubstrat abscheiden. Für einen sicheren Schutz der Produkte muss die Qualität solcher Superbarrieren makellos sein, d.h. die geforderte Schichtdicke und eine durchgängige Belegung müssen auf der gesamten Oberfläche zuverlässig gegeben sein.

100-Prozent Qualitätskontrolle nanometerdünne Beschichtungen – auch auf unebenen Oberflächen

Ein Team am Fraunhofer IPM hat eine Messmethode entwickelt, um die Qualität von Beschichtungen mit einer Dicke von weniger als zehn Nanometern unmittelbar nach dem Beschichtungsprozess in der Fertigungslinie zu prüfen. Das zum Patent angemeldete Verfahren nutzt die materialspezifische Infrarot-Reflexion der Beschichtung. Zwischen dem reflektierten Infrarotsignal und der Schichtdicke besteht ein linearer Zusammenhang, der Aussagen über die Schichtdicke ermöglicht. Dies nutzt der Film-Inspect-Sensor, um Schichtdicken innerhalb von nur 0,2 Sekunden mit einer Genauigkeit im einstelligen Nanometer-Bereich zu messen. Die Optik ist so ausgelegt, dass auch Messungen an komplexen dreidimensionalen Oberflächen möglich sind. Für eine zuverlässige Qualitätskontrolle reicht eine Messung an einem Punkt der Oberfläche aus. Da das Plasma sich räumlich ausdehnt, ist sichergestellt, dass die gesamte Probe homogen beschichtet wurde, sofern die Oberfläche im Messbereich die gewünschte Schichtdicke aufweist.

Prozessregelung in der Plasmabeschichtungsanlage realisiert

Mehrere Film-Inspect-Sensoren wurden beim Projektpartner Plasma Electronic GmbH in einer Anlage zur Beschichtung spritzgegossener Polypropylen-Behälter parallel installiert und für die Prozessregelung in die Anlagensteuerung integriert. Entspricht die gemessene Schichtdicke nicht den Vorgaben, so kann der Beschichtungsprozess über Parameter wie Plasmaleistung, Prozesszeit, Gasflussraten oder Kammerdruck nachgeregelt werden. Damit ermöglicht Film-Inspect nicht nur einen Qualitätsnachweis, sondern senkt auch den Ausschuss und vermeidet Überbeschichtungen.

Neben Superbarrieren für Verpackungen aus Monomaterial und Verpackungsfolien haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IPM weitere Märkte im Blick. „Ultradünne Barriereschichten werden auch in der Medizintechnik oder der in Luft- und Raumfahrt eingesetzt, wo sie für Sterilität sorgen oder Reibung und Korrosion reduzieren“, sagt Projektleiter Dr. Benedikt Hauer. „Film-Inspect kann auch hier wertvolle Informationen über die Dicke und die chemische Zusammensetzung der Beschichtung liefern.“