Nanoschichten schlagen Wellen
Nanoschichten sind so gut wie unsichtbar. Nichtsdestotrotz schützen sie Werkzeuge vor Verschleiß, leiten elektrische Ströme oder speichern Informationen. Dr. Thomas Schwarz und Dr. Dieter Schneider aus dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS fanden eine zerstörungsfreie Methode - die laserakustische Messung -, mit der sich sagen lässt, ob die nur nanometerfeine Schicht den Wünschen der Hersteller entspricht. Für diese Arbeit werden die beiden Forscher mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2000 ausgezeichnet.
Dr. Thomas Schwarz und Dr. Dieter Schneider entwickelten das Verfahren für die laserakustische Messung nanometerdünner Schichten.
Diamantähnliche Schichten auf Rasierklingen ermöglichen eine glattere Rasur, Schutzschichten auf Festplatten oder komplexen Werkzeugen wie Bohrern, Fräsern oder Wellen erhöhen die Stand- und Laufzeiten. Denn diese Schichten sind extrem hart und gleichzeitig hauchdünn. Um diese Verschleißschichten zu optimieren und ihre Fertigung besser überwachen zu können, ist es notwendig, die mechanischen Eigenschaften der Schichten zerstörungsfrei und ohne viel Aufwand zu prüfen. Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden entwickelten ein laserakustisches Prüfgerät, das rasch und exakt Schichten auf ebenen oder auch zylindrischen Bauteilen bewerten kann. Bei diesem laserakustischen Prüfverfahren trifft ein Laserstrahl in einer milliardstel Sekunde auf das Bauteil und bringt ganz gezielt nur die Oberfläche zum Schwingen. Form, Laufzeit und Laufweg der Welle, die je nach Schichtmaterial und -güte unterschiedlich sind, werden ermittelt und über komplexe mathematische Berechnungsverfahren sekundenschnell ausgewertet.
»Dreh- und Angelpunkt unserer Messungen ist der Elastizitätsmodul«, erklärt Dr. Dieter Schneider aus dem IWS. »Diese Größe hängt von der Struktur des Werkstoffs ab und steht mit anderen mechanischen Eigenschaften wie etwa Härte und Eigenspannungen in enger Wechselbeziehung. Deshalb bestimmt sie wesentlich die Verschleißbeständigkeit von Oberflächen, die mit harten und superharten Schichten geschützt werden sollen.« Für das aktuelle Messverfahren nutzen die Forscher die besonders vorteilhaften Eigenschaften von akustischen Oberflächenwellen: Diese Wellen haben nur eine geringe Eindringtiefe und reagieren deshalb empfindlich auf strukturelle Veränderungen der Randschicht. Hochfrequente akustische Oberflächenwellen werden mit kurzen Laserimpulsen angeregt. Die Wellen breiten sich durch die Nanoschichten längs der Oberfläche aus und werden detektiert. Der Prüfling, beispielsweise eine Festplatte, bewegt sich während der Messung, sodass unterschiedliche laserakustische Signale bei verschiedenen Abständen zwischen Detektor und Laser-Schallquelle empfangen werden können. Ausgewertet werden die Signale durch die Analyse ihrer spektralen Bestandteile mit Hilfe von Algorithmen.
Dank ihrer Vorlaufforschung und Pfiffigkeit gelang den beiden IWS-Forschern ein automatisiertes Messverfahren mit hoher Zuverlässigkeit für eine entscheidende Schlüsseltechnologie der Zukunft, lobt die Preisjury. Die eigens entwickelte Software liefert in weniger als einer Minute das Ergebnis. Damit lässt sich der Beschichtungsvorgang - nach den Vorgaben und Wünschen der Hersteller - optimieren und kontrollieren. Das Gerät des IWS ist weltweit das einzig kommerziell angebotene laserakustische Prüfsystem für Schichten und Werkstoffoberflächen.
Beate Koch
Joseph-von-Fraunhofer-Preis
Seit 1978 verleiht die Fraunhofer-Gesellschaft alljährlich Preise für herausragende wissenschaftliche Leistungen ihrer Mitarbeiter zur Lösung anwendungsnaher Probleme. Der Preis ist mit 10 000 Euro dotiert.
Ansprechpartner:
Dr. Dieter Schneider
Telefon: 03 51/25 83-4 51, Telefax: 03 51/25 83-3 00
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
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