Czytaj także -

Aktualne wydanie

2022 05 okladka1

Świat Szkła 5/2022

User Menu

 ET-Swiat-Szkla-PL-160x600-003a

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

 

 wlasna-instrukcja ift--baner do newslet-2019e

 

 

Od koloru do chemometrii – strategie określania grubości i jakości powłoki
Data dodania: 17.02.22

Dobrze znaną metodą kontroli procesu in-situ w przemyśle szklarskim jest określanie koloru powłoki. W tej branży większość zakładów powlekania szkła lub folii jest wyposażona w spektrometry w zakresie pomiarów długości fal widzialnych.

 

Pomiary te mają dwojakie zastosowanie - przewidywanie wyglądu i zamierzonego koloru końcowego oraz określenie zmienności parametrów koloru jako wskaźnika grubości nałożonej warstwy.

 

W celu określenia złożonej struktury warstw, np. potrójnych powłok srebra, zmienność koloru może być mylącym wskaźnikiem grubości warstwy. W takich przypadkach stosuje się metody obliczeniowe oparte na atrybutach fizycznych, aby określić grubość warstwy na podstawie zmierzonych danych spektralnych.

 

Zapotrzebowanie na monitorowanie procesu, a tym samym metrologię zdolną do prowadzenia procesu, wynika z innych zastosowań, takich jak powlekanie na mokro materiałów dyfuzyjnych, np. papieru. Ani pomiar koloru, ani określanie grubości na podstawie interferencji nie są wystarczające, aby zapewnić stabilne wyniki metrologii procesu. Dlatego też wprowadzono metodę wykorzystującą modelowanie chemometryczne, aby dostarczyć operatorowi maszyny wiarygodnych informacji o procesie.

 

W artykule opisano analizy tego, w jaki sposób połączenie różnych metod wspomagających proces – modeli kolorystycznych, fizycznych i chemometrycznych – pomaga operatorowi stabilizować proces powlekania i kontrolować jakość produktu końcowego za pomocą jednego urządzenia.

 


Wstęp
Monitorowanie właściwości powłok w trakcie procesu produkcyjnego jest metodą stabilizacji samego procesu poprzez zapewnienie wysokiej jakości produktu już na bardzo wczesnym etapie. Dzięki temu operator może w ciągu kilku sekund zoptymalizować parametry procesu.

 

W ostatnich dziesięcioleciach wprowadzono i stosowano różne metody bezpośredniego pomiaru w trybie inline (na linii produkcyjnej). Obejmują one systemy do pomiaru gęstości optycznej (optical density OD), rezystancji powierzchniowej przy użyciu czujników wiroprądowych, monitorowanie intensywności odbitej lub transmitowanej pojedynczej fali o określonej długości, jak również pomiar transmisyjności (przepuszczalności) i refleksyjności (odbicia) całego widma.

 

Monitorowanie gęstości optycznej (OD), oporności/rezystancji warstwy lub natężenia pojedynczej długości fali wymaga znajomości wartości granicznych dla określonych warstw lub układów warstw. Te wartości graniczne są określane podczas opracowywania produktu.

 

W przypadku bardziej złożonych układów warstw stosuje się szerokopasmowe systemy monitorowania. Zazwyczaj systemy te zawierają system spektrometrów in-situ. Chociaż spektrometry te mierzą pełną charakterystykę spektralną/widmową warstwy, konieczne jest wyodrębnienie specyficznych informacji o widmie: może to być długość fali lokalnego minimum w widmie, natężenie zintegrowane w zakresie długości fali lub parametrów koloru. Wartości te są obliczane przy użyciu znormalizowanych i opublikowanych metod [2].

 

Inną szeroko stosowaną metodą wyznaczania grubości warstwy jest interferencja cienkowarstwowa [3]. W tym przypadku wzory interferencyjne generowane przez dwie powierzchnie optyczne lub więcej są wykorzystywane do obliczania grubości optycznej warstwy.. Znajomość współczynnika dyfrakcji materiału pozwala na geometryczne obliczenie grubości [4]. Rozszerzony przegląd znanych metod oceny grubości warstw podano w [1].

 

Metody opisane powyżej są dobrze znane, stabilne i ugruntowane w swoich dziedzinach/obszarach zastosowań, głównie w wielkopowierzchniowym próżniowym osadzaniu warstw funkcjonalnych (szkło architektoniczne lub metalizacja folii z tworzyw sztucznych).

 

W zastosowaniach związanych z przetwarzaniem papieru i folii istnieje szeroka gama mierników/czujników, w tym służących do określenia: odbicia/reflektancji i transmisji bliskiej podczerwieni (NIR Near Infra-Red), transmisji beta i rozproszenia wstecznego gamma, transmisji i rozproszenia wstecznego promieniowania rentgenowskiego (X-Ray) oraz gęstości optycznej. Mierniki te są używane do określania masy i grubości powłoki, warstw barierowych, a także jakości laminacji i wilgotności.

 

W ostatnich dekadach znacznie rozwinęła się dziedzina spektroskopii – spektroskopia NIR z chemometryczną analizą danych w celu uzyskania informacji takich jak zawartość wody czy białek w żywności [7].

 

Artykuł ten nie obejmuje rygorów technik matematycznych stosowanych w analizie, takich jak algebra macierzy, geometria analityczna, projektowanie eksperymentów, regresja kalibracyjna, liniowość, projektowanie wspólnych badań laboratoryjnych, porównanie metod analitycznych, analiza szumu, stosowanie pochodnych, dokładność analityczna czy analiza wariancji, które są klasycznymi narzędziami stosowanymi w chemometrii. Do zilustrowania niektórych sposobów pracy używa się raczej małych przykładów, głównie poprzez zastosowanie graficznych technik analitycznych.

 

Ponieważ oferowane są zarówno systemy inline do powlekania dużych powierzchni, jak i systemy dla przemysłu spożywczego i rolniczego, możliwe jest połączenie technik z obu obszarów zastosowań w naszym oprogramowaniu systemowym.

 

Pozwala to użytkownikowi końcowemu nie tylko zdecydować, która technologia najlepiej pasuje do jego potrzeb - możliwe jest również połączenie wyników. Tak więc możemy podać nie tylko wilgoć pozostałą w mokrej powłoce, co jest potrzebne do kontroli procesu. Możemy również dostarczyć parametry/ wartości koloru lub grubości powłoki.

 

 2022 01 46 1

Rys. 1. Korelacja a* / b* i grubości powłoki ZnO na szkle obliczona za pomocą programu SCOUT do modelowania

 


Przewidywanie grubości powłoki na podstawie parametrów kolorów
W przypadku prostych projektów warstw może istnieć korelacja pomiędzy grubością a parametrami koloru, i tę korelację należy znaleźć. Te teoretyczne obliczenia można wykonać przed przystąpieniem do rzeczywistych pomiarów. Wyniki tych obliczeń dla ZnO na szkle pokazane są na rys. 1. Dane pokazują dobrą korelację pomiędzy grubością a wartością b* dla tej konkretnej warstwy.

 

 2022 01 46 2

Rys. 2. Wyniki grubości określone na podstawie pomiarów b*

 

 

Do sterowania procesem zastosowano wielomian 3. rzędu oparty na danych z rys. 1, aby obliczyć grubość powłoki na podstawie zmierzonych wartości b*. Na sześciu taflach szklanych pokrytych ZnO (S1- S6) zmierzono wartości b*, a przewidywane wyniki grubości dla trzech próbek przedstawiono na rys. 2.

 

 2022 01 46 3

Rys. 3. Zmierzone (zaznaczono na czerwono) i symulowane (zaznaczono na niebiesko) widma odbicia i transmisji dla próbki 2

 

Metoda oparta na modelowaniu
Narzędzie symulacyjne generuje symulowane widmo na podstawie modelu optycznego systemu powlekania. Ten model optyczny jest dopasowywany do zmierzonych widm, poprzez zmianę niektórych parametrów modelu optycznego, takich jak grubość warstwy [6].

 

Przykład przedstawia warstwę silikonową na podłożu z folii PET o grubości 23 μm. Model nie uwzględnia wpływu/ materiału podłoża. Dlatego w symulowanych widmach nie są modelowane żadne prążki spowodowane przez materiał PET o grubości 23 μm. Optyczne i fizyczne parametry modelu są dopasowywane tak, aby uzyskać symulowane widma, które odpowiadają widmom zmierzonym. Najlepsze dopasowanie zostało osiągnięte przy grubości warstwy silikonu 186 nm.

 


Metoda chemometryczna
Próbki papieru powlekanego były mierzone na sondzie dyfuzyjnej 45°: 0° do spektrometru NIR o zakresie widmowym/spektralnym 1340-2000 nm. Zestaw został skalibrowany za pomocą dyfuzyjnego materiału odniesienia. Wartości gramatury próbek papieru mieściły się w zakresie od 0,19 do 4,14 g/m². Każda z 13 próbek była mierzona w trzech punktach. Widma próbek o gramaturze 0.19, 1.80 i 4.14 g/m², zostały użyte do opracowania funkcji kalibracyjnej (patrz rys. 4). Wszystkie pozostałe pomiary zostały wykorzystane do walidacji funkcji kalibracyjnej.

 

 2022 01 46 4

Rys. 4. Wykres przewidywanych wartości gramatury dla trzech próbek kalibracyjnych i 10 próbek walidacyjnych

 

 


Wnioski
Jakość produktu końcowego jest definiowana jako kombinacja wielu cech, takich jak wygląd koloru lub grubość powłoki. Ponieważ spektrometry inline mierzą pełne widmo/spektrum te parametry te – związane z jakością – mogą być oceniane w jednym kroku. Systemy spektrometrów inline o rozszerzonym zakresie pomiarowym umożliwiają przewidywanie/predykcję chemometryczne w zakresie NIR, a także ocenę koloru, nawet w ramach jednego systemu pomiarowego.

 

Wykazano, że spektrometry inline są uniwersalnymi i stabilnymi procesowo systemami pomiarowymi, które pozwalają kontrolować linię produkcyjną i zapewnić wysoką jakość produktu końcowego [8]. Dane dostarczane przez takie przyrządy mogą być wykorzystane do bezpośredniego monitorowania procesu produkcyjnego. Przyspiesza to opracowywanie nowych powłok lub procesów powlekania poprzez monitorowanie procesów inline. Przykład przedstawiono na rys. 5.

 

2022 01 46 5

Rys. 5. Przykład zestawu wykresów zmian grubości powłoki (d/% wartości nominalnej) do monitorowania procesu (sześć różnych tafli szkła)

 

Ponieważ jakość wyników pomiarów jest bardzo stabilna, a zbieranie danych szybkie, mogą być one wykorzystywane jako dane wejściowe dla zautomatyzowanych pętli sterowania. Wymaga to jednak ścisłej współpracy pomiędzy inżynierami procesu, dostawcą rozwiązań automatyki oraz dostawcą systemu pomiarowego. 

 

Chris Hellwig, Torsten Büttner, Mario Krause

 


Podziękowania
Podziękowania dla dr. G. Kleideitera z Grenzebach Maschinenbau GmbH za udostępnienie metody i wyników pomiarów do przewidywania grubości na podstawie koloru.

Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. w Tampere w Finlandii

 


Bibliografia
1. Martina Lindner and Markus Schmid; Metody pomiaru grubości powłok aluminiowych osadzanych z pary stosowanych do szkła opakowaniowego (Thickness Measurement Methods for Physical Vapor Deposited Aluminum Coatings in Packaging Applications): A Review. Coatings 2017, available online http://www.mdpi.com/2079-6412/7/1/9/pdf (accessed on 25.04.2017)
2. Gernot Hoffmann; CIELab Color Space; available online http://docs-hoffmann.de/cielab03022003.pdf (accessed on 25.04.2017)
3. Wikipedia.Org; Interferencja/Zakłócenia w cienkiej warstwie (Thin-film interference); available online https://en.wikipedia.org/wiki/Thin-film_interference (accessed on 25.04.2017)
4. Carl Zeiss Spectroscopy; Podstawy pomiaru grubości warstwy (Basics of layer thickness measurement); available online https://www.zeiss.com/spectroscopy/solutions-applications/layer-thicknessand-coating-measurement.html (accessed on 25.04.2017)
5. Mark & Workman; Chemometria w spektroskopii (Chemometrics in Spectroscopy), 1st Edition, Elsevier
6. Theiss; Oprogramowanie SCOUT do symulacji widma; (SCOUT spectrum simulaton software); available online http://www.mtheiss.com/download/scout_2.pdf (accessed on 25.04.2017)
7. Carl Zeiss Spectroscopy; Pomiar wilgotności (Moisture Measurement); available online https://www.zeiss.com/spectroscopy/solutions-applications/moisturemeasurement.html (accessed on 25.04.2017)
8. T. Büttner, C. Hellwig, J. Margraf; Monitorowanie procesów z pewnością zbliżoną do laboratoryjnej (Process Monitoring with lab-like Certainty); Spectronet (2013)

2022 01 46 6

 

 

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
          sec