Qualität in der Industrie sichern mittels Terahertz-Spektroskopie

Terahertz-Wellen gestatten eine kontaktfreie Messung von Schichtdicken und Materialeigenschaften im industriellen Umfeld. Mit der Entwicklung kompakter, robuster und leistungsstarker Systeme hält sie inzwischen erfolgreich Einzug in Branchen wie Automobil- und Pharmaindustrie, aber auch in die kunsthistorische Restaurierung. Beispiele aus unterschiedlichen Anwendungsgebieten zeigen die Vorteile dieser Vorgehensweise zur Qualitätssicherung.

Welche Vorteile bietet das Terahertzband?

Elektromagnetische Wellen im Terahertzband – zwischen dem Infraroten und Mikrowellen-Bereich, mit Frequenzen von knapp unter einem bis wenige zehn Terahertz (THz) –, wechselwirken auf unterschiedliche Weise mit Materialien. In Wasser werden sie durch Absorption stark abgeschwächt, an metallischen Oberflächen reflektiert. Kunststoffe, Gummi oder Papier sind für THz-Wellen zwar weitgehend transparent, beeinflussen aber aufgrund von Dispersion deren Phasengeschwindigkeit. Die Wechselwirkung mit Ladungsträgern in Halbleitern oder Metamaterialien sorgt zudem für weitere spezifische Effekte.

Die Materialcharakterisierung mittels THz-Wellen ist im Gegensatz zu klassischen Methoden wie Ultraschall oder Röntgenstrahlen kontaktfrei und sicher, da nichtionisierend. Für eine industrielle Nutzung zur zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) ist jedoch die Verfügbarkeit von THz-Quellen mit hoher Leistung und spektraler Bandbreite entscheidend. Gleichzeitig gelten hohe Anforderungen an Geschwindigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit kommerzieller Systeme. Für spektroskopische und bildgebende Anwendungen sind Systeme im gepulsten Betrieb gegenüber dem Dauerstrichbetrieb vergleichsweise vielseitiger und effizienter.

Zur Erzeugung und Detektion der spektral breiten THz-Pulse werden fotoleitende Antennen und Femtosekundenlaser verwendet. Die Messmethode liefert Amplituden- und Phaseninformation der THz-Welle, ein weiterer Vorteil der THz-Spektroskopie im Vergleich zu Techniken wie z. B. FTIR (Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie), welche nur die Amplitudeninformationen liefert. So können chemische Substanzen anhand spektraler Signaturen im Absorptionsspektrum identifiziert oder Schichtdicken mittels Time-of-Flight (ToF)-Verfahren charakterisiert werden. Je nach Fragestellung erfolgt die Messung in Transmissions- oder Reflexionsgeometrie, punktuell oder als Abtastspur.

Kommerzielle Lösungen zur zerstörungsfreien Prüfung mittels THz-Wellen

Die Grundlagenforschung nutzt die THz-Technologie etwa für die Entwicklung neuartiger Materialien oder THz-Komponenten, aber auch neuer Messmethoden. Ein Beispiel hierfür ist die THz-Nahfeldmikroskopie. In der Industrie avancieren Pilotprojekte der Qualitätssicherung zu etablierten Verfahren: Vom Aufspüren innerer Defekte oder Schwachstellen in Kunst- oder Verbundwerkstoffen über die Echtzeitmessung von Schichtdicken bis hin zur chemischen Komponentenanalyse bietet die nichtinvasive THz-Materialprüfung neuartige Ansätze der Prozesskontrolle.

Zur Schichtdickenmessung existieren für verschiedene Substratmaterialien speziell angepasste Methoden. Beispielsweise eignet sich die Wirbelstrommessung für metallische Oberflächen, versagt aber bei Kunststoffen. Die THz-ZfP ist eine materialunabhängige Methode, für die kommerzielle Lösungen verfügbar sind. Die Menlo Systems GmbH, ein weltweit führender Hersteller von Präzisions-Lasertechnologie, bietet OEM-optimierte und flexible THz-Systeme. Die jüngste Entwicklung hin zu höherer THz-Leistung – weit entfernt von einem sicherheitsbedenklichen Bereich, kombiniert mit kompakten integrierten Sender-Empfänger-Modulen –, ermöglicht eine einfache Integration in industrielle Prozesse-

Erfolgreiche Anwendungen in der Automobil- und der Pharmaindustrie

Die Abbildung veranschaulicht schematisch das Prinzip der Schichtdickenmessung in Reflexionsgeometrie, wie sie in der Automobilindustrie zur Messung der Lackschichten bereits erfolgreich eingesetzt wird.

Das spanische Unternehmen „das-Nano“ hat ein System mit einem Lasermodul von Menlo Systems entwickelt, welches eine Analyse dünnster Lackschichten erlaubt [1]. Die Messungen dauern weniger als eine Sekunde und sind bis zu 1 µm genau, wobei die Dicke jeder Schicht in einem Mehrschichtsystem gleichzeitig ermittelt werden kann. Das Unternehmen nennt Materialeinsparungen von 5 Prozent durch die Optimierung der Schichtdicke, eine Reduktion der Nachbesserungen um 3 Prozent, eine verminderte Umweltbelastung sowie eine Verbesserung in der Homogenität und im Erscheinungsbild.

Auch die Pharmaindustrie nutzt THz-Systeme zur Inline-Kontrolle von Beschichtungen [2]. Deutlich strengere Regularien herrschen jedoch für die Porosität von Tabletten, da diese die Aufnahme pharmakologischer Substanzen und damit ihre Wirksamkeit beeinflusst. Klassische Vorhersagen anhand von Oberflächeneigenschaften sind teils ungenau und nicht zerstörungsfrei. Die Erforschung nichtinvasiver THz-Verfahren zur Untersuchung von Tabletten [3] führte zur Entwicklung erster kommerzieller Systeme zur Porositätsmessung. Dies ist möglich anhand des THz-Brechungsindex und der direkten Untersuchung des Auflösungsmechanismus von Tabletten mittels THz-Bildgebung [4]. THz-Systeme der jüngsten Generation von Menlo Systems zeigen vielversprechende erste Ergebnisse: Porositäts- und Dickenmessung in Reflexionsgeometrie sind mit einer etwa zehnfachen Durchsatzsteigerung möglich. Außerdem lassen sich mit dieser selbstkalibrierenden Methode Tabletten unterschiedlicher Form charakterisieren.

Kunstschätze bewahren für künftige Generationen

Die Erhaltung von historischen Kunstobjekten erfordert neben Fachwissen schonende Methoden der Restaurierung. Einem Forscherteam der Hochschule für Angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim/Holzminden/Göttingen (HAWK) und der Philipps Universität Marburg ist es gelungen, mittels THz-Tiefenprofilierung Schäden an mittelalterlichen Holzskulpturen am Kloster Isenhagen aufzuspüren [5]. Dazu zählen Hohlräume, verursacht von Holzwürmern, aber auch Materialablösungen an der Oberfläche. Dabei erzeugt jede Grenzfläche zwischen Material und Hohlraum einen THz-Reflex. Ziel des Projektes mit Menlo Systems als Partner war es, ein robotergestütztes THz-System zu entwickeln, welches mittels genauer Kartierung der inneren Defekte klassische Methoden ersetzt und eine gezielte Restaurierung erlaubt.

Bis zu ihrer Marktreife haben neue Technologien meist hohe Hürden zu bewältigen. Die THz-Technologie zur Materialcharakterisierung hat sich in vielen Bereichen der Forschung und Industrie als vielseitige, effiziente und sichere Methode erwiesen. Sie verspricht, die Qualität und Sicherheit der Erzeugnisse sowie die Effizienz industrieller Prozesse zu steigern. Ihr zerstörungsfreier Charakter vermag es sogar, historisches Kulturgut für künftige Generationen bewahren zu helfen.

Literatur

1. https://das-nano.com/irys-terahertz-technology/
2. R. K. May, M. J. Evans, Sh. Zhong, I. Warr, L. F. Gladden, Y. Shen, J. A. Zeitler: Terahertz In-Line Sensor for Direct Coating Thickness Measurement of Individual Tablets During Film Coating in Real-Time; Pharmaceutical Technology Vol. 100 (4) (2011), p. 1535
3. P. Bawuah, J. A. Zeitler.: Advances in terahertz time-domain spectroscopy of pharmaceutical solids: A review; Trends in Analytica Chemistry Vol. 139 (2021), 116272
4. J. Lee, D. J. Goodwin, R. M. Dhenge, J. Nassar, G. Bano, J. A. Zeitler: Enhanced in-situ liquid transport investigation setup for pharmaceutical tablet disintegration analysis using terahertz radiation; International Journal of Pharmaceutics Vol. 635 (2023), 122726
5. https://www.hawk.de/de/newsportal/pressemeldungen/technologie-trifft-mittelalter

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