DE102010025277A1

DE102010025277A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern des Auftrags einer Beschichtung

Info

Publication number: DE102010025277A1
Application number: DE201010025277
Authority: DE
Inventors: Dr. Huber Michael; Daniel Plohmann; Wolfgang Weber
Original assignee: SENSORIK BAYERN GmbH; SENSORIK-BAYERN GmbH
Current assignee: SENSORIK BAYERN GmbH; SENSORIK-BAYERN GmbH
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2011-12-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Auftrags einer Beschichtung auf einem tubulären Substrat (32) unter laufendeDie Vorrichtung umfasst eine Sendeeinheit (10) mit einer Strahlungsquelle (12) zum Bereitstellen mindestens eines Lichtstrahls (50) mit mindestens einer Wellenlänge, die einer Absorptionswellenlänge der aufgetragenen Schicht (36) entspricht. Die Vorrichtung umfasst eine Referenzstrecke (14) mit einem Referenzdetektor (18) zum Messen einer Intensität des Lichtstrahls (50) vor dem Eintritt in das beschichtete Substrat (30). Die Vorrichtung umfasst eine Probenaufnahmeeinheit (20) zur Aufnahme des beschichteten Substrats (30), so dass der mindestens eine Lichtstrahl (50) unter einem definierten Einfallswinkel auf die äußere Oberfläche des beschichteten Substrats (30) auftrifft. Die Vorrichtung umfasst eine Detektoreinheit (24) mit einem Transmissionsdetektor (25) zum Messen einer Intensität des Lichtstrahls (50) nach einer Transmission durch das beschichtete Substrat (30). Die Vorrichtung umfasst ebenfalls eine Auswerte- und Steuereinheit (26) zum Bestimmen einer Schichtdicke der aufgetragenen Schicht (36) auf Basis des gemessenen Transmissionsgrads, Vergleichen der Schichtdicke mit einem vorgegebenen Sollwert und Generieren von Steuerbefehlen zur Steuerung des Materialauftrags einer Beschichtungseinheit (40) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Auftrags einer Beschichtung auf einem Substrat unter laufender Dickenmessung einer aufgetragenen Schicht.
Vorrichtungen und Verfahren zur berührungslosen selektiven Schichtdickenmessung eines planaren, d. h. ebenen Mehrschichtkörpers, z. B. einer mehrschichtigen Kunststofffolie, sind bekannt. In der DE-A-29 09 400 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke von aus verschiedenen Kunststoffen bestehenden Folien einer mehrschichtigen Verbundfolie beschrieben. Dabei wird IR-Licht mit Licht einer Anzahl von Proben-Wellenlängen entsprechend den IR-Absorptionswellenlängen der Folienschichten und einer dazu unterschiedlichen Bezugswellenlänge auf die Mehrschichtfolie gerichtet (IR = Infrarot). An dem durch die Mehrschichtfolie hindurch getretenen IR-Licht werden die Anteilsverhältnisse zwischen Proben- und Bezugswellenlängen ermittelt. Aus den ermittelten Verhältnissen werden die Folienschichtdicken bestimmt.
Bei davon abweichenden Geometrien, z. B. tubulären, insbesondere rohrförmigen Mehrschichtkörpern, bereiten derartige Messungen nach wie vor Schwierigkeiten und sind daher in vielen Fällen mit relativ großen Messungenauigkeiten behaftet.
Wenn die Schichtdicke einer auf ein Substrat aufgetragenen Beschichtung erst am Ende eines Produktionsschritts (z. B. Schicht, Charge) an einem Zwischen- oder Endprodukt bestimmt wird, sind gegebenenfalls bereits große Mengen an Ausschussware produziert worden, wodurch erheblicher Aufwand und hohe Kosten entstehen können.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer Beschichtung eines Substrats unter laufender Dickenmessung der aufgetragenen Schicht bereitzustellen, wenn das Substrat eine tubuläre Geometrie aufweist.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Steuern des Auftrags einer Beschichtung auf einem tubulären Substrat unter laufender Dickenmessung einer aufgetragenen Schicht, vorzugsweise einer Funktionsschicht, gelöst, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Sendeeinheit mit einer Strahlungsquelle zum Bereitstellen mindestens eines Lichtstrahls mindestens einer Wellenlänge, die einer Absorptionswellenlänge der aufgetragenen Schicht entspricht; eine Referenzstrecke, auch Referenzarm genannt, mit einem Referenzdetektor zum Messen einer Intensität des mindestens einen Lichtstrahls vor dem Eintritt in das beschichtete Substrat, das auch als Probe bezeichnet wird; eine Probenaufnahmeeinheit zur Aufnahme des beschichteten Substrats, so dass der mindestens eine Lichtstrahl unter einem definierten Einfallswinkel, vorzugsweise aus einem Bereich von 83,5 bis 96,5 Grad, insbesondere von 90 Grad, auf die äußere Oberfläche des beschichteten Substrats auftrifft; eine Detektoreinheit mit mindestens einem Transmissionsdetektor zum Messen einer Intensität des mindestens einen Lichtstrahls nach einer Transmission durch das beschichtete Substrat; und eine Auswerte- und Steuereinheit zum Bestimmen einer Schichtdicke der aufgetragenen Schicht auf Basis des gemessenen Transmissionsgrads, Vergleichen der Schichtdicke mit einem vorgegebenen Sollwert und Generieren von Steuerbefehlen zur Steuerung des Materialauftrags einer Beschichtungseinheit in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs.
Die Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zum Steuern des Auftrags einer Beschichtung auf einem tubulären Substrat unter laufender Dickenmessung einer aufgetragenen Schicht gelöst, mit folgenden Schritten: Bereitstellen mindestens eines Lichtstrahls mindestens einer Wellenlänge, die einer Absorptionswellenlänge des Materials der aufgetragenen Schicht entspricht; Positionieren des beschichteten Substrats und/oder des mindestens einen Lichtstrahls, so dass der mindestens eine Lichtstrahl unter einem definierten Einfallswinkel, vorzugsweise aus einem Bereich von 83,5 bis 96,5 Grad, insbesondere von 90 Grad, auf die äußere Oberfläche des beschichteten Substrats auftrifft; Messen eines Transmissionsgrads des mindestens einen Lichtstrahls durch das beschichtete Substrat; Bestimmen einer Schichtdicke der aufgetragenen Schicht auf Basis des gemessenen Transmissionsgrads; Vergleichen der Schichtdicke mit einem vorgegebenen Sollwert; und Generieren von Steuerbefehlen zur Steuerung des Materialauftrags einer Beschichtungseinheit in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs.
Die vorliegende Erfindung stellt also ein Messsystem bzw. ein Messverfahren zur Verfügung, mit dem eine selektive Messung einer Schichtdicke einer tubulären Einlagen- oder Mehrlagenprobe, insbesondere eines Einlagen- oder Mehrlagenkunststoffes, mit sehr hoher Auflösung, insbesondere einem Auflösungsvermögen bei der Schichtdickenbestimmung im μm-Bereich, in Echtzeit, insbesondere bei einer in situ-Messung während der Beschichtung mit einem zeitlichen Auflösungsvermögen im Sekunden-Bereich nach einem Beschichtungsvorgang, berührungslos und zerstörungsfrei möglich ist.
Unter einem tubulären Substrat wird ein zylinderförmiger Körper verstanden, d. h. ein länglicher Körper mit einem inneren Hohlraum, der von einer Wand, gebildet aus dem Substratmaterial, umgeben ist. Typische Beispiele für ein tubuläres Substrat sind Rohre, Schläuche und Beutel. Ein tubuläres Substrat weist eine Längsachse auf, von der aus jedem Punkt der Wand eine Polarkoordinate, die durch einen Radius r und einen Azimutwinkel φ definiert ist, zugeordnet werden kann.
Die vorliegende Erfindung vermeidet einen Nachteil, der bei der Produktion von tubulären Substraten auftreten kann: oftmals ist die Dicke einer einzelnen Schicht für die Funktionalität des Gesamtsystems entscheidend, z. B. bei Fußbodenheizungsrohren, (Trink-)Wasserleitungen, Gasleitungen, Blutbeuteln oder Lebensmittel-Frischhaltebeuteln. Beispielsweise wird bei Fußbodenheizungsrohren auf einem preisgünstigen Trägermaterial aus Kunststoff, z. B. Polyethylen (= PE), das gewichtsmäßig den Hauptbestandteil des Rohrs bildet, mithilfe einer Klebeschicht eine sehr dünne Funktionsschicht, z. B. EVOH (= Ethylenvinylalkohol bzw. Polyethylenvinylalkohol), aufgetragen, die die Funktionalität des Rohrs bedingt. Das Material der Funktionsschicht ist jedoch oftmals vergleichsweise teuer. Deshalb wird beim Produktionsvorgang versucht, das Material der Funktionsschicht möglichst dünn aufzutragen. Da aber bei den vorbekannten Herstellungsverfahren Schwankungen in der erzielten Schichtdicke naturgemäß auftreten, muss zur Sicherheit von vorneherein eine wesentlich dickere Schicht aufgetragen werden als eigentlich benötigt, d. h. ein sogenannter „Sicherheitszuschlag” in Bezug auf die aufgetragene Schichtdicke vorgesehen werden. Andernfalls könnten die auftretenden Dickeschwankungen zum Verlust der Funktionalität des Rohres führen. Diese Vorgehensweise ist mit einem erheblichen zusätzlichen materiellen und somit finanziellen Aufwand verbunden.
Mit den bisher bekannten Messverfahren ist es zudem nicht möglich, die Schichtdicke online zu messen. Online bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Schichtdickenmessung direkt im laufenden Schichtauftragsverfahren erfolgt, so dass als Reaktion auf eine unzulässige Abweichung der gemessenen Schichtdicke von einem Sollwert eine Regelung des Schichtauftrags im laufenden Schichtauftragsverfahren möglich ist, damit die Schichtdicke wieder im zulässigen Bereich liegt. Konventionell erfolgt die Schichtdickenmessung offline, d. h. es wird z. B. beim Schichtwechsel der Rohrproduktion ein Stück des Rohres abgeschnitten und mikroskopisch der Schichtaufbau untersucht. Diese Vorgehensweise kann mit einem erheblichen Ausschuss und damit Mehrkosten verbunden sein.
Mit der vorliegenden Erfindung ist eine Schichtdickenmessung während des Beschichtungsprozesses von tubulären Ein- und Mehrlagenschichtkörpern möglich, z. B. eine Online-Messung während laufender Produktion. Basierend auf der Messung erfolgt eine Regelung des Schichtdickenauftrags. Dadurch können Beschichtungen mit präzise eingestellter Dicke erstellt werden, vorzugsweise mit einer Genauigkeit im μm-Bereich. Die aufgetragene Schicht kann dabei mit einer Genauigkeit von 0,1 bis 5 μm, vorzugsweise von 0,5 bis 3 μm, gemessen werden. Da während des Schichtauftrags die Schichtdicke online gemessen wird und auf Basis der Online-Messung der Schichtauftrag geregelt wird, ist ein „Sicherheitszuschlag” in Bezug auf die aufgetragene Schichtdicke überflüssig. Ein Auftragen einer Funktionsschicht in einer Schichtdicke mit „Sicherheitszuschlag” ist daher unnötig. Damit stellt die vorliegende Erfindung eine wesentliche Verbesserung der bisher bekannten Schichtdickenmessungen und Schichtauftragsverfahren dar.
Die beschriebene Schichtdickenmessung basiert auf der Schwächung des Lichts einer oder mehrer Lichtquellen definierter Wellenlängen, wobei die verwendeten Wellenlängen im NIR- bis THz-Bereich liegen, je nach Material der zu messenden Schicht (NIR = Nahes Infrarot). Jedes Material besitzt spezifische Absorptionsfrequenzen für elektromagnetische Strahlung. Das Absorptionsspektrum ist für ein Material charakteristisch und stellt so etwas wie einen Fingerabdruck dar, mit dem sich das Material identifizieren lässt. Kunststoffe, die sich in ihrem molekulare Aufbau nur geringfügig unterscheiden, weisen meist sehr ähnliche Materialparameter auf, wie z. B. die Dielektrizitätskonstante. Im Gegensatz dazu können sich die Absorptionsspektren von vom molekularen Aufbau her ähnlichen Stoffen sehr wohl deutlich voneinander unterscheiden, da in dem Bereich des NIR und MIR bzw. im THz-Bereich verschiedene Rotations- und Schwingungsmoden der Moleküle, je nach verwendeter Wellenlänge auch Elektronenübergänge, Vibrationsschwingungen, etc., angeregt werden können (MIR = Mittleres Infrarot). Die jeweiligen Moden, also Absorptionsfrequenzen, sind dabei abhängig von der molekularen Zusammensetzung des Stoffes.
Um selektiv die Schichtdicke einer Schicht, z. B einer Kunststoffschicht, in einem Mehrschichtverbund bestimmen zu können, ermittelt man zunächst eine spezifische Frequenz, bei der das Material der zu vermessenden Schicht möglichst stark absorbierende Eigenschaften aufweist, im Gegensatz zu den Materialien der anderen Schichten des Verbundes, die bei dieser Frequenz möglichst wenig absorbieren und möglichst stark transmittieren sollen. Da ein relativ großer Spektralbereich von NIR bis THz zur Verfügung steht, ist die Wahrscheinlichkeit grundsätzlich sehr groß, eine derartige spezifische Frequenz zu finden.
Leitet man nun einen Lichtstrahl bekannter Intensität mit der entsprechenden Wellenlänge durch das Mehrschichtsystem hindurch, wird die elektromagnetische Welle selektiv von der zu vermessenden Schicht absorbiert, d. h. im wesentlichen nur von dem Material der zu vermessenden Schicht. Die Höhe der Absorption steht dabei in eindeutigem Zusammenhang zur Weglänge des Lichtstrahl in der Schicht, so dass aus der Amplitude des transmittierten Lichtes unmittelbar auf die Weglänge geschlossen werden kann, unter Anwendung des Lambert-Beersches Gesetzes, wobei bei senkrechtem Einfall des Lichtstrahls auf die Schichtebene die Weglänge der Dicke der einzelnen Schicht entspricht. Da der Zusammenhang zwischen Absorption und Schichtdicke exponentiell verläuft, ist eine sehr hohe Messauflösung bei der Schichtdickenbestimmung möglich. Die vorliegende Erfindung nutzt also ein Verfahren zur selektiven Messung der Schichtdicke einer Schicht einer Mehrschichtprobe, insbesondere eines mehrschichtigen Kunststoffverbunds, mit tubulärer Geometrie, wie z. B. einem Rohr.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Schichtdickenmessung in Transmission durchgeführt. Der Lichtstrahl, der die Probe durchleuchtet, fällt unter einem definierten Einfallswinkel auf die Oberfläche der aufgetragenen Schicht ein, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht. Unter „im wesentlichen senkrecht” wird ein Bereich von 88 bis 92 Grad verstanden.
Der Einfallswinkel ist definiert als der kleinste Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und einer Tangentialebene an den äußeren Umfang der aufgetragenen Schicht, wobei die Tangentialebene durch den Auftreffpunkt des Lichtstrahl auf den äußeren Umfang der aufgetragenen Schicht verläuft. Durch den definierten Einfallswinkel wird vermieden, dass es aufgrund unterschiedlicher Einfallswinkel auf eine einheitlich dicke Schicht zu unterschiedlichen Weglängen kommt, wodurch sich die Messungenauigkeit der Schichtdicke erhöht. Bei dem erfindungsgemäß eingehaltenen Einfallswinkel bei den Messungen rühren unterschiedliche Transmissionsgrade im wesentlichen ausschließlich von unterschiedlichen Schichtdicken her. Ein definierter Einfallswinkel ist insbesondere bei der Messung einer Schichtdicke an einem tubulären Substrat, bei dem ja eine gekrümmte Oberfläche vorliegt, von essentieller Bedeutung für ein verlässliches Messergebnis.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so beschaffen, dass der Lichtstrahl oder ein erster Teil des Lichtstrahls eine Referenzstrecke passiert, in der die Intensität des Lichtstrahls vor der Transmission durch die Probe erfasst wird. Der Lichtstrahl nach Passieren der Referenzstrecke oder ein zweiter Teil des Lichtstrahls wird auf die zu messende Probe geleitet. Der Lichtstrahl durchdringt die Probe und wird abhängig von der Dicke der aufgebrachten Schicht geschwächt, im wesentlichen durch Absorption. Die Intensität des transmittierten Lichtstrahls wird von einer Detektoreinheit mit einem Transmissionsdetektor erfasst. Durch den Vergleich des Detektorssignals vor der Transmission und des Detektorsignals nach der Transmission kann die Abschwächung des Lichtstrahls durch die Probe bestimmt werden.
Die Vorrichtung umfasst Datenübertragungsmittel, insbesondere Datenleitungen, z. B. elektrische Kabel oder Glasfaserkabel, oder drahtlose Datenübertragungssysteme, z. B. basierend auf Funk oder IR, zum Übertragen von Daten zwischen den einzelnen Einheiten der Vorrichtung, insbesondere zwischen den Detektoren und der Auswerte- und Steuereinheit, und zwischen der Auswerte- und Steuereinheit und der Beschichtungseinheit. Unter dem Begriff „Daten” werden alle Arten von Signalen verstanden. Die Datenübertragung kann auf Basis eines Protokolls erfolgen.
Bei den als „Referenzdetektor” und „Transmissionsdetektor” bezeichneten Vorrichtungen handelt es sich jeweils um einen Strahlungsdetektor, kurz: Detektor; die Begriffe „Referenzdetektor” und „Transmissionsdetektor” bezeichnen also nicht Detektoren mit unterschiedlichen Detektionsverfahren, sondern sie werden lediglich zur Unterscheidung verwendet, wo sich der jeweilige Detektor in der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet und wo er den Lichtstrahl detektiert bzw. welchen Teil des Lichtstrahls er detektiert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen bezeichnet.
Ein großes Problem bei der Messung der Schichtdicke an tubulären Proben, z. B. Rohren, ist die Krümmung der Oberfläche. Der Strahl, der die Probe durchleuchtet, muss unter einem definierten Winkel auf die Oberfläche treffen, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem. In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird zudem dafür gesorgt, dass die Dicke der aufgetragenen Schicht mit derselben Messgenauigkeit um den gesamten Umfang des tubulären Substrats herum gemessen werden kann. Dabei wird jede Abweichung des Strahls vom optimalen Strahlengang durch das Rohr vermieden, die zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen kann.
Es kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Sendeeinheit, die Referenzstrecke und die Detektoreinheit mittels eines Verbindungsmittels starr miteinander verbunden und um eine Drehachse, die im wesentlichen parallel zu einer Längsachse des beschichteten Substrats verläuft, schwenkbar sind, so dass der mindestens eine Lichtstrahl je nach Drehwinkel der schwenkbaren Elemente an Punkten mit unterschiedlichen Azimutwinkeln, bezogen auf eine Längsachse des tubulären Substrats, auf das in der Probenaufnahmeeinheit gehaltene beschichtete Substrat auftrifft. Mit „im wesentlichen parallel” wird eine Abweichung der Drehachse von der Längsachse um einen Winkel von höchstens 2 Grad verstanden.
Auf diese Weise trifft der Strahl, der die Probe durchleuchtet, stets unter einem definierten Einfallswinkel auf die Oberfläche der aufgetragenen Schicht auf, wobei es trotzdem möglich ist, die Dicke der aufgetragenen Schicht an beliebigen Punkten auf dem gesamten Umfang des tubulären Substrats, d. h. bei unterschiedlichen Azimutwinkeln, zu messen. Es ist vorteilhaft, die Verbindung der Sendeeinheit, der Referenzstrecke und der Detektoreinheit starr auszuführen, z. B. in Form einer Schiene. Durch einen starren Aufbau wird dafür gesorgt, dass die Dicke der aufgetragenen Schicht mit derselben Messgenauigkeit um den gesamten Umfang des tubulären Substrats herum gemessen werden kann. Es ist möglich, dass die starre Verbindung der Sendeeinheit, der Referenzstrecke und der Detektoreinheit gekrümmt ausgebildet, insbesondere in einem Halbrund gekrümmt, z. B. als eine gekrümmte Schiene, ist. Diese Ausführungsform ist für Rohre und Schläuche günstig, da sie den verfügbaren Platz besser ausnutzt als eine gerade starre Verbindung. Bei beschichteten Beuteln als Probe kann insbesondere eine U-förmige Ausgestaltung der starren Verbindung vorteilhaft sein, z. B. eine U-förmige Schiene.
Das Merkmal „starr” kann dabei über das Auflösungsvermögen definiert werden: Das Auflösungsvermögen der erfindungsgemäßen Schichtdickenmessung liegt in einem Bereich von 0,1 bis 5 μm, vorzugsweise von 0,5 bis 3 μm, wie bereits oben erwähnt. Eine Verbindung der Sendeeinheit, der Referenzstrecke und der Detektoreinheit wird als „starr” bezeichnet, wenn mit dieser Verbindung dieses Auflösungsvermögen realisierbar ist. Mit einer weniger „starren” Verbindung kann das angestrebte Auflösungsvermögen nicht erreicht werden.
Das Merkmal „starr” kann dabei auch über eine Änderung einer Auslenkung der Anordnung unter Belastung definiert werden: Eine Verbindung der Sendeeinheit, der Referenzstrecke und der Detektoreinheit wird als „starr” bezeichnet, wenn unter bei einer Messung auftretenden Belastungen der Lichtstrahl, der die Probe durchleuchtet, unter einem definierten Einfallswinkel auf die Oberfläche der aufgetragenen Schicht einfällt, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht unter einem definierten Einfallswinkel auf die Probe trifft.
Das Merkmal „starr” kann dabei auch über eine Abklingzeit einer mechanischen Schwingung der Anordnung definiert werden: bei einem kurz andauernden Stoß auf die starre Verbindung ist gewährleistet, dass eine dadurch hervorgerufene mechanische Schwingung stark gedämpft wird, d. h. schnell auf 1/e der ursprünglichen Schwingungsamplitude abklingt. Schnell bedeutet in diesem Zusammenhang eine Zeit, die nur einen Bruchteil der Zeit zwischen zwei einzelnen Messungen beträgt, so dass der Lichtstrahl, der die Probe durchleuchtet, bei jeder Messung unter einem definierten Einfallswinkel auf die Oberfläche der aufgetragenen Schicht einfällt, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht unter einem definierten Einfallswinkel auf die Probe trifft.
Es kann vorgesehen sein, dass das die Sendeeinheit, die Referenzstrecke und die Detektoreinheit starr miteinander verbindende Verbindungsmittel in Präzisionslagern schwenkbar gelagert ist und/oder mittels Präzisions-Zahnrädern geschwenkt wird. Außer durch präzise mechanische Komponenten, wie Lager und Zahnräder, mit geringem Spiel kann eine hohe Präzision bei einer Schwenkbewegung des Verbindungsmittels zusätzlich durch geeignete Sensoren, z. B. zur Bestimmung eines tatsächlichen Drehwinkels, erreicht werden.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Probenaufnahmeeinheit um eine Drehachse, die im wesentlichen parallel zu einer Längsachse des beschichteten Substrats verläuft, drehbar ausgebildet ist, so dass der mindestens eine Lichtstrahl je nach Drehwinkel der Probenaufnahmeeinheit an Punkten mit unterschiedlichen Azimutwinkeln auf das in der Probenaufnahmeeinheit gehaltene beschichtete Substrat auftrifft. Durch eine drehbare Probenaufnahmeeinheit, die auch einfach als Probenhalterung bezeichnet wird, ist es möglich, das beschichtete Substrat an verschiedenen Stellen des Substratumfangs zu vermessen. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung trifft der Strahl, der die Probe durchleuchtet, stets unter einem definierten Einfallswinkel auf die Oberfläche der aufgetragenen Schicht auf, wobei es trotzdem möglich ist, die Dicke der aufgetragenen Schicht an beliebigen Punkten auf dem gesamten Umfang des tubulären Substrats, d. h. bei unterschiedlichen Azimutwinkeln, bezogen auf eine Längsachse des Substrats, zu messen. Durch eine exakte Führung des tubulären Substrats wird dafür gesorgt, dass die Dicke der aufgetragenen Schicht mit derselben Messgenauigkeit um den gesamten Umfang des tubulären Substrats herum gemessen werden kann.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die mittels eines Verbindungsmittels gebildete mechanische Einheit bestehend aus Sendeeinheit, Referenzstrecke und Detektoreinheit oder die Probenaufnahmeeinheit mit einer Rotationsfrequenz im Bereich von 0,1 Hz bis in den kHz-Bereich um 360 Grad um die Probe drehbar ist, so dass eine kontinuierliche und fast lückenlose Schichtdickenmessung der aufgetragenen Schicht möglich ist. Wird während einer derartigen 360°-Messung das Substrat kontinuierlich in Produktionsrichtung bewegt, so bilden die Auftreffpunkte des Lichtstrahls, d. h. die Messpunkte, eine spiralförmige Spur auf der äußeren Oberfläche des Substrats.
Eine kontinuierliche Drehung der Messanordnung, d. h. der durch ein Verbindungsmittel starr miteinander verbundenen Sendeeinheit, Referenzstrecke und Detektoreinheit, um 360 Grad kann vorteilhaft sein, wenn die Schnelligkeit der Schichtdickenmessung wichtig ist. Die Messanordnung rotiert dann, vorzugsweise analog zu einem Magneten eines Kernspin-Tomographen, mit konstanter Drehrichtung um die Probe.
Da stets durch die Probe hindurch gemessen wird, d. h. ein Summensignal von bezüglich der Probenlängsachse sich gegenüberliegenden Schichtdicken der Probe gemessen wird, ist ein Messergebnis unter einem Drehwinkel von z. B. 181 Grad identisch mit einem Messergebnis unter einem Drehwinkel von 1 Grad. Bei Anwendungen, bei denen die Messgeschwindigkeit nicht wesentlich ist, kann daher auch vorgesehen sein, dass die Messanordnung pendelnd zwischen einem ersten Drehwinkel bei 0 Grad und einem zweiten Drehwinkel, vorzugsweise 180 Grad, hin und her rotiert, d. h. mit abwechselnder Drehrichtung. Der Wechsel der Drehrichtung der Bewegung der Messanordnung ist nicht beliebig schnell realisierbar; daher können Schichtdickenmessungen nicht so schnell erfolgen wie bei der oben erwähnten kontinuierlich umlaufenden 360 Grad-Messung. Eine elektrische Kontaktierung der Messanordnung ist bei der pendelnden Messanordnung einfacher als bei der kontinuierlich umlaufenden 360 Grad-Messung, da keine Funkanbindung oder Schleifkontakte nötig sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Strahlteiler-Einrichtung zum Aufspalten des mindestens einen Lichtstrahls in jeweils zwei oder mehr Teilstrahlen und eine Umlenkeinrichtung zum Umlenken mindestens eines Teilstrahls der jeweils zwei oder mehr Teilstrahlen aufweist, so dass die zwei oder mehr Teilstrahlen an Punkten mit unterschiedlichen Azimutwinkeln auf das in der Probenaufnahmeeinheit gehaltene beschichtete Substrat auftreffen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass weder die Kombination bestehend aus Sendeeinheit, Referenzstrecke und Detektoreinheit noch die Probenhalterung drehbar ausgebildet sein müssen und es trotzdem möglich ist, die Dicke der Schicht an beliebigen Punkten auf dem gesamten Umfang des tubulären Substrats, d. h. bei unterschiedlichen Azimutwinkeln, zu messen. Durch eine exakte Führung des Strahls wird dafür gesorgt, dass die Dicke der aufgetragenen Schicht mit derselben Messgenauigkeit um den gesamten Umfang des tubulären Substrats herum gemessen werden kann.
Bezüglich mechanischer Eigenschaften einer Strahlteiler-Einrichtung und einer Umlenkeinrichtung gilt das bereits oben Gesagte, d. h. präzise mechanische Komponenten, wie Lager und Zahnräder, und gegebenenfalls zusätzliche Sensoren, z. B. zur Bestimmung eines tatsächlichen Drehwinkels, sind vorteilhaft. In Bezug auf die optischen Komponenten ist es vorteilhaft, wenn die optischen Komponenten der Strahlteiler-Einrichtung und der Umlenkeinrichtung im Wesentlichen schwingungsfrei mit der starren Verbindung verbunden sind. Zum anderen ist es vorteilhaft, wenn die verwendeten Linsen und Strahlteiler keine optischen Fehler aufweisen, so dass der Lichtstrahl exakt geführt wird. Je nach verwendeter Wellenlänge des Lichtstrahls kann es vorteilhaft sein, spezielle Linsen zu verwenden, z. B. Linsen aus NaCl für MIR-Licht.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine verstellbare Strahlführung zum Führen des mindestens einen Lichtstrahls auf mindestens zwei verschiedene Punkte des beschichteten Substrats aufweist, so dass der mindestens eine Lichtstrahl je nach Stellung der Strahlführung an Punkten mit unterschiedlichen Azimutwinkeln auf das in der Probenaufnahmeeinheit gehaltene beschichtete Substrat auftrifft. Die verstellbare Strahlführung kann einen schwenkbaren Spiegel sowie Umlenkspiegel aufweisen, so dass der Lichtstrahl in einer ersten Stellung des schwenkbaren Spiegels auf einen ersten Punkt auf dem Umfang des Substrats gelenkt wird und der Strahl bei einer zweiten Position des schwenkbaren Spiegels über die Umlenkspiegel auf einen zweite Punkt des Substratumfangs gelenkt wird. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass weder die Kombination bestehend aus Sendeeinheit, Referenzstrecke und Detektoreinheit noch die Probenhalterung drehbar ausgebildet sein müssen und es trotzdem möglich ist, die Dicke der aufgetragenen Schicht an beliebigen Punkten auf dem gesamten Umfang des tubulären Substrats, d. h. bei unterschiedlichen Azimutwinkeln, zu messen. Durch eine exakte Führung des Strahls wird dafür gesorgt, dass die Dicke der aufgetragenen Schicht mit derselben Messgenauigkeit um den gesamten Umfang des tubulären Substrats herum gemessen werden kann.
Bezüglich mechanischer und optischer Eigenschaften einer verstellbaren Strahlführung gilt das bereits oben Gesagte, d. h. präzise mechanische und optische Komponenten. Je nach dem gewünschten Auflösungsvermögen der Schichtdickenmessung kann es vorteilhaft sein, wenn schwenkbare Spiegel bzw. Umlenkspiegel mit zusätzlicher Sensorik, vorzugsweise einem oder mehreren Drehwinkelsensoren, ausgestattet sind, um die Auslenkung der schwenkbaren Spiegel bzw. Umlenkspiegel und damit die Richtung des Lichtstrahls bestimmen und gegebenenfalls korrigieren zu können.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung zusätzlich einen Lagesensor zum Erfassen der relativen Lage der Probe relativ zum Lichtstrahl auf, wobei Daten bezüglich der erfassten relativen Lage von dem Lagesensor zu der Auswerte- und Steuereinheit übertragen werden. Die Auswerte- und Steuereinheit vergleicht die erfasste relative Lage mit einem vorgegebenen Sollwert. Die Vorrichtung weist zusätzlich eine Justiereinrichtung zur Korrektur der relativen Lage auf, wobei die Auswerte- und Steuereinheit, in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs, Steuerbefehlen zur Steuerung einer Justiereinrichtung zur Korrektur der relativen Lage generiert und/oder Korrekturwerten zur rechnerischen Korrektur einer Abweichung der erfassten relativen Lage von dem vorgegebenen Sollwert generiert.
Vorzugsweise ist der Lagesensor ein berührungsloser Sensor, z. B. ein laser-basierter Triangulationssensor, ein kapazitiver Sensor oder ein Ultraschall-basierter Sensor. Die Justiereinrichtung kann, vorzugsweise piezo-basierte, Aktoren aufweisen, z. B. Schrittmotore, die mit mechanischen Komponenten, z. B. Getriebe, Zahnräder, etc., verbunden sind. Es kann auch eine hydraulische Justiereinrichtung vorgesehen sein.
Es ist zudem möglich, dass die Vorrichtung ein Datenübertragungsmittel aufweist, insbesondere eine Datenleitung (z. B. ein elektrisches Kabel oder ein Glasfaserkabel) oder ein drahtloses Datenübertragungssystem, z. B. basierend auf Funk oder IR, zum Übertragen von Daten zwischen den einzelnen Einheiten der Vorrichtung, insbesondere von dem Lagesensor zur Auswerte- und Steuereinheit und von der Auswerte- und Steuereinheit zur Justiereinrichtung.
Es ist auch möglich, dass die Vorrichtung eine Kombination aus zwei oder mehreren der folgenden Einrichtungen aufweist: ein starres Verbindungsmittel, eine drehbare Probenaufnahmeeinheit, eine Strahlteiler-Einrichtung, eine verstellbare Strahlführung, ein Lagesensor, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Justiereinrichtung. Die Strahlführung ist optional verstellbar in dem Sinne, dass sie vor Messbeginn justiert werden kann, d. h. die Ausrichtung der optischen Komponenten ist mechanisch einstellbar.
Es ist möglich, dass die Vorrichtung ein optisches Element, insbesondere eine Linse oder ein Linsensystem mit veränderlicher Brennweite, aufweist, durch das der mindestens eine Lichtstrahl vor dem Eintritt in das beschichtete Substrat eine Fokussierung auf einen Messfleck oder eine Aufweitung auf zumindest einen Teil der äußeren Oberfläche des beschichteten Substrats erfährt. Dabei kann die Optik aufweitend auf einen Teil oder die gesamte Breite des zu untersuchenden Substrats ausgeführt sein. Durch den fokussierenden oder aufweitenden Effekt des optischen Elementes ist es möglich, den Lichtstrahl an Eigenschaften des Materials der zu vermessenden Schicht, an Eigenschaften des Mehrschichtverbunds oder an sonstige Messanforderung anzupassen.
Es ist vorteilhaft, wenn der Lichtstrahl bei seinem Auftreffen auf die Probe einen geringen Strahldurchmesser aufweist, da dadurch eine hohe räumliche Messauflösung erreichbar ist. Allerdings bedeutet dies, abhängig von der Messgeschwindigkeit, auch eine höhere Anzahl von Messpunkten, wenn der gesamte Probenumfang erfasst werden soll. Um keine übermäßigen Anforderungen an eine Auswerteelektronik zu stellen, muss somit ein Kompromiss zwischen dem Strahldurchmesser und der Drehgeschwindigkeit der Messanordnung gefunden werden, der sich an dem geforderten Auslösungsvermögen und der Probe, z. B. Schichtdicke, orientiert. Es ist vorteilhaft, wenn der Lichtstrahl bei seinem Auftreffen auf die Probe einen parallelen Strahlenverlauf hat. Dadurch wird eine erneute Justierung der optischen Einheit bei einer Änderung von Probenabmessungen, insbesondere des Durchmessers, überflüssig. Dagegen muss bei einer Fokussierung des Lichtstrahl auf eine Schicht der Probe bei einer Änderung von Probenabmessungen eine erneute Fokussierung erfolgen. Eine optische Komponente, z. B. eine Linse oder ein Linsensystem, zwischen der Sendeeinheit und der Probe zur Beugung des Lichtstrahls kann erforderlich sein, z. B. wenn eine LED (= Light Emitting Diode) als Lichtquelle verwendet wird. Dagegen kann eine derartige optische Komponente überflüssig sein, wenn ein Laser als Lichtquelle verwendet wird.
Es ist möglich, dass das tubuläre Substrat aus einer oder mehreren Schichten besteht. Die Wandstärke des tubulären Substrats kann in einem Bereich von 0,001 mm bis 50 mm liegen. Die Vorrichtung kann so ausgebildet sein, dass damit tubuläre Substrate mit einem maximalen Außendurchmesser, quer zur Längsachse gemessen, im Bereich von 0,05 mm bis 500 mm untersucht werden können. Es ist möglich, dass die aufgetragene Schicht, d. h. die zu vermessende Schicht, auf der inneren Oberfläche und/oder auf der äußeren Oberfläche des tubulären Substrat angeordnet ist. Die aufgetragene Schicht kann mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 μm bis 500 μm, insbesondere im Bereich von 50 μm bis 100 μm, aufgetragen sein. Zwischen dem tubulären Substrat und der aufgetragenen Schicht können eine oder mehrere zusätzliche Schichten angeordnet sein, insbesondere eine Haftvermittlerschicht. Ebenfalls ist es möglich, dass auf der von dem tubulären Substrat abgewandten Seite der aufgetragenen Schicht eine oder mehrere zusätzliche Schichten angeordnet sind, insbesondere eine Schutzschicht und/oder eine Dekorschicht. Die Dicke der einen oder mehreren zusätzlichen Schichten kann im Bereich von 10 μm bis 50 mm gewählt sein.
Die Funktionsschicht kann sowohl auf der Außenseite als auch auf der Innenseite des tubulären Substrats aufgebracht sein. Es gibt auch Ausgestaltungen, bei denen die Funktionsschicht eine innere Schicht des tubulären Substrats bildet, wobei die Funktionsschicht auf seiner von dem tubulären Substrat abgewandten Seite von einer Schutzschicht bedeckt ist, um die Funktionsschicht mechanisch zu schützen. Es existieren auch Rohraufbauten, bei welchen die Funktionsschicht mittig in einem Substratmaterial angeordnet ist, wobei auf der Innenseite und Außenseite der Funktionsschicht jeweils Substratmaterial angeordnet ist, das vorzugsweise über eine Haftvermittlerschicht mit der Funktionsschicht verbunden ist.
Der prinzipielle Aufbau von Lebensmittel-Frischhaltebeuteln und Blutbeuteln ist analog zu Rohren. Bei Lebensmittelbeuteln ist die Dicke des Substrats dünner als bei Rohren, d. h. sie liegt im Sub-Millimeter-Bereich. Bei Blutbeuteln ist eine Abweichung vom Mehrschicht-Schichtaufbau bekannt: es ist möglich, dass kein Mehrlagenverbund vorgesehen ist, sondern dass der Blutbeutel ausschließlich aus einer Schicht besteht, mit einer Schichtdicke, die ein Substrat überflüssig macht. Die Dicke dieser einzelnen Schicht liegt typischerweise bei 300 bis 500 μm. Als Material der Funktionsschicht, die ohne Substrat auskommt, eignet sich PVC. Bei der Fabrikation von Blutbeuteln werden üblicherweise zwei Folien miteinander verschweißt; die Schichtdickenmessung erfolgt jedoch vor dem Verschweißen der Folien jeweils an den einzelnen Folien, vorzugsweise unmittelbar bevor diese miteinander verschweißt werden. Die Folien liegen dabei glatt vor, ohne Falten.
Als Alternative zu EVOH gibt es Polyvinylalkohol (= PVOH). PVOH wird in Lebensmittelverpackungen, z. B. Frischhaltefolien, als Ersatz für EVOH eingesetzt, da es eine hohe Weiterreißfestigkeit und Dehnbarkeit im feuchten Zustand, eine sehr hohe Beständigkeit gegen organische Chemikalien, eine sehr hohe Fett- und Aromadichte und eine sehr hohe Licht- und Alterungsbeständigkeit aufweist. Eine weitere Substanz, die als Barriereschicht bei Rohren eingesetzt werden kann, ist Polyvinylidenchlorid (= PVdC).
Auch Aluminiumoxid wird als Barriereschicht bei Verpackungsfolien verwendet, dieses kann jedoch nicht extrudiert werden, sondern es wird üblicherweise aufgedampft. Eine weitere Alternative für die Funktionsschicht stellt Polyarylamid dar, das vorzugsweise bei Kunststoffmehrlagensystemen für den Einsatz in Verbindung mit Kraftstoffen, z. B. zur Beschichtung von Kraftstofftanks, verwendet wird.
Bei mehrschichtigen Kunststofffolien gibt es ein weiteres Herstellungsverfahren, das von der Extrusion abweicht, das sogenannte Blasverfahren. Dazu wird auf die DE 600 02 586 T2 verwiesen. Als Funktionsschicht wird hierbei wohl ein amorphes Copolyamid verwendet.
Es ist möglich, dass das beschichtete Substrat als ein Rohr ausgebildet ist, das ein Trägermaterial, z. B. ein als innerste oder äußerste Schicht des Rohrs ausgebildetes Trägerrohr oder Rohrsubstrat, aufweist, das im wesentlichen die mechanische Stabilität des Rohres gewährleistet. Hierfür kann ein Standardkunststoff wie Polyethylen, Polypropylen (= PP) oder Polyvinylchlorid (= PVC) verwendet werden. Auf der Außen- oder Innenseite dieses Rohrsubstrats kann mit Hilfe eines Haftvermittlers, z. B einer Klebstoffschicht, die eigentliche Funktionsschicht aufgebracht sein, die im wesentlichen als Diffusionsbarriere fungiert.
Da die Absorption nicht zu 100% selektiv ist, fließen Schwankungen der Dicke von Trägermaterial und gegebenenfalls zusätzlicher Schichten wie einem Haftvermittler messverfälschend in das Messergebnis mit ein. Diesem Problem kann man durch eine, insbesondere gleichzeitige, Verwendung verschiedener Messwellenlängen begegnen. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Sendeeinheit einen ersten Lichtstrahl mit einer ersten Wellenlänge und einen zweiten Lichtstrahl mit einer von der ersten Wellenlänge abweichenden, zweiten Wellenlänge zur, insbesondere gleichzeitigen, Verwendung zur Schichtdickenmessung bereitstellt. Es ist auch möglich, dass eine Strahlungsquelle einen Lichtstrahl bereitstellt, der Licht mit zwei oder mehr unterschiedlichen Wellenlängen enthält, die jeweils einer Absorptionswellenlänge der aufgetragenen Schicht entsprechen.
Bei dem Material der Funktionsschicht kann es sich um das bereits oben erwähnte EVOH handeln. In diesem Fall gibt es zwei Frequenzen, bei denen eine nahezu selektive Absorption eines Lichtstrahls durch die EVOH-Funktionsschicht vorliegt. Beide Wellenlängen eignen sich zur selektiven Schichtdickenmessung von EVOH, die Materialkosten für den Aufbau sind jedoch stark unterschiedlich. Eine Wellenlänge liegt bei 2,8 μm, d. h. im NIR-Bereich, die weitere bei 10,6 μm, d. h. im MIR-Bereich. Je nach dem zu untersuchenden Kunststoff können die geeigneten Wellenlängen für selektive Messung auch im sichtbaren Bereich oder im THz-Bereich liegen. Weitere Materialien für die Funktionsschicht sind PVdC und PVOH.
Falls die zu vermessende, d. h. die aufgetragene Schicht EVOH enthält, ist es bevorzugt, dass die Sendeeinheit einen ersten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 2,8 μm und einen zweiten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 10,6 μm zur gleichzeitigen Verwendung bereitstellt. Diese Wellenlängen sind besonders vorteilhaft für den Fall, dass die aufgebrachte Schicht EVOH aufweist, da Licht einer Wellenlänge von 2,8 μm und einer Wellenlänge von 10,6 μm durch EVOH stark absorbiert wird.
Es kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass der Lichtstrahl auf zwei oder mehr Punkte der äußeren Oberfläche des beschichteten Substrats mit unterschiedlichen Azimutwinkeln gerichtet wird, und dass für jeden der besagten zwei oder mehr Punkte der Transmissionsgrad des mindestens einen Lichtstrahls durch das beschichtete Substrat gemessen und die Schichtdicke der aufgetragenen Schicht auf Basis der zwei oder mehr gemessenen Transmissionsgrade durch das beschichtete Substrat bestimmt wird.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass das Verfahren folgende weitere Schritte aufweist: Erfassen der relativen Lage des Substrats relativ zum Lichtstrahl durch einen Lagesensor; Übertragen von Daten bezüglich der erfassten relativen Lage von dem Lagesensor zu der Auswerte- und Steuereinheit; Vergleichen der erfassten relativen Lage mit einem vorgegebenen Sollwert durch die Auswerte- und Steuereinheit; und, in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs, Generieren von Steuerbefehlen zur Steuerung einer Justiereinrichtung zur Korrektur der relativen Lage durch die Auswerte- und Steuereinheit und/oder Generieren von Korrekturwerten zur rechnerischen Korrektur einer Abweichung der erfassten relativen Lage von dem vorgegebenen Sollwert durch die Auswerte- und Steuereinheit. Die Steuerbefehle und/oder Korrekturwerte werden generiert, falls der Vergleich der erfassten relativen Lage mit dem vorgegebenen Sollwert ergibt, dass eine Abweichung der erfassten relative Lage von dem vorgegebenen Sollwert größer als ein zulässiger Grenzwert ist.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Schichtdickenmessung der aufgetragenen Schicht kontinuierlich und unmittelbar, insbesondere innerhalb eines Zeitraums von 0,5 bis 60 Sekunden, nach dem Austreten des mit der aufgetragenen Schicht beschichteten Substrats aus der Beschichtungseinheit zum Auftragen der Schicht erfolgt.
Rohr-Extrusionsmaschinen arbeiten üblicherweise mit einer Extrusionsgeschwindigkeit von bis zu 10 Metern pro Minute, d. h. ca. 15 cm pro Sekunde. Der geringste Abstand nach der Austrittsdüse des Extruders, bei dem gemessen werden kann, beträgt etwa 10 cm, d. h. spätestens eine Sekunde nach Verlassen der Düse kann die Schichtdicke der aufgetragenen Schicht bereits gemessen werden, wenn der Extruder mit maximaler Geschwindigkeit läuft. Es ist aber bauartbedingt nicht in jedem Fall möglich, direkt nach der Austrittsdüse des Extruders zu messen. Es kann eine Distanz zwischen Austrittsdüse und Messort von bis zu 10 Metern erforderlich sein, z. B. eine Messung nach der Abkühlstrecke. Dies entspricht bei einer maximaler Extrusionsgeschwindigkeit einer Verzögerungszeit von ca. 1 Minute. Bei einer derart großen Distanz zwischen dem Auftrag der Schicht und der Schichtdickenmessung ist eine Regelung des Auftrags nur bedingt sinnvoll. Stattdessen kann es vorteilhafter sein, die entsprechenden Rohrstellen, bei denen ein Unterschreiten der Solldicke gemessen wurde, elektronisch zu erfassen, um die entsprechenden Stellen nachbearbeiten oder aussortieren zu können. Es ist von Vorteil, wenn die Messung des Transmissionsgrads des mindestens einen Lichtstrahls durch das beschichtete Substrat direkt nach dem Materialauftrag einer Beschichtungseinheit, z. B. der Austrittsdüse des Extruders, erfolgt.
Eine Schwierigkeit, die eine Online-Messung an einem Rohr bislang verhinderte, liegt insbesondere darin, dass das Rohr bei der Messung in der Regel nicht um seine Längsachse gedreht werden kann, da eine Torsion des Rohrs nicht möglich ist. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch eine schwenkbare Messvorrichtung oder eine Umlenkung des Lichtstrahls, z. B. mit Umlenkspiegeln.
Dazu kann vorgesehen sein, dass der Lichtstrahl möglichst nahe an der Beschichtungseinheit auf das beschichtete Substrat auftrifft. Während des laufenden Beschichtungsprozesses wird online und kontinuierlich selektiv die Dicke der Funktionsschicht gemessen. Der gemessene Wert wird von der Auswerte- und Steuerelektronik erfasst und weiterverarbeitet, d. h. der gemessene Istwert wird mit einem in der Datenbank hinterlegten Sollwert verglichen. Weichen der Ist- und der Sollwert mehr als um einen vorbestimmten und einstellbaren Schwellwert voneinander ab, so wird die Beschichtungseinheit entsprechend angesteuert: ist der gemessene Istwert geringer als der vorgegebene Sollwert, muss mehr Material aufgetragen werden; ist der gemessene Istwert größer als der vorgegebene Sollwert, muss weniger Material aufgetragen werden. In jedem Fall generiert die Auswerte- und Steuereinheit entsprechende Steuerbefehle zur Ansteuerung der Beschichtungseinheit.
Bei einer starken, plötzlich auftretenden Schichtdickenschwankung ist mit der vorliegenden Vorrichtung das z. B. in der Kunststoffproduktion bekannte Problem der Riefenbildung, das insbesondere bei EVOH auftritt, detektierbar. Das zur Ausbildung der aufgetragenen Schicht durch die Beschichtungseinheit aufzutragende Material kann dazu neigen, an Metallteilen, z. B. einer Düse einer Beschichtungseinheit, anzuhaften und zu verklumpen. Dadurch wird eine Riefe in dem beschichteten Substrat, z. B. auf einem Rohrsubstrat, erzeugt. Mit der vorliegenden Vorrichtung können Riefen in dem beschichteten Substrat direkt bei der Produktion und zwar schon nach wenigen Zentimetern, insbesondere nach 10 cm, produziertem beschichteten Substrat nachgewiesen und entsprechend darauf reagiert werden. Eine mögliche Reaktion ist eine Erhöhung der Schichtdicke durch mehr Materialauftrag, eine andere mögliche Reaktion ist ein Abbruch der Produktion zur Beseitigung des überschüssigen Materials in der Beschichtungseinheit, z. B. einem Extruder. Der Abschnitt des beschichteten Substrats mit der verringerten Funktionsschicht ist durch die kontinuierliche Schichtdickenmessung bekannt und kann markiert werden. Es ist auch möglich, dass die Positionsdaten des Produktionsfehlers auf dem beschichteten Substrat, z. B. eine z-Koordinaten bei einer Produktionsrichtung in z-Richtung, in der Auswerte- und Steuereinheit gespeichert werden und dass das beschichtete Substrat in einem späteren Schritt lokal nachgebessert wird. Der Vorteil, der dadurch erzielt wird, ist, dass der Ausschuss bei der Produktion auf ein Minimum reduziert wird. Es kann daher eine gleichbleibend hohe Qualität des Produkts, d. h. des beschichteten Substrats, gewährleistet und nachgewiesen werden bei sehr geringem Materialeinsatz.
Es ist möglich, dass die Strahlungsquelle gepulst oder kontinuierlich den Lichtstrahl erzeugt. Außerdem ist möglich, dass die Strahlungsquelle als eine LED, eine Laserdiode oder ein Laser ausgebildet ist. Bei Verwendung von wellenlängenselektiven Filtern bzw. Detektoren kann die Strahlungsquelle auch als eine Lichtquelle mit einem breiten Abstrahlspektrum, insbesondere als ein thermischer Strahler, ausgebildet sein.
Die Vorrichtung kann stationär in ein Beschichtungssystem oder in der Nähe eines Beschichtungssystems eingebaut sein oder als mobiles Gerät ausgebildet sein.
Die in den Detektoren erzeugten Messsignale können durch verschiedene Verstärkungs- und Glättungstechniken aufbereitet werden. Es ist möglich, dass eine Frequenz und phasensensitive Verstärkung eines modulierten Signals mittels Lock-In-Technologie verwendet wird. Es ist ferner möglich, dass ein Low-Noise-Instrumenten-Verstärker verwendet wird. Die so vorbereiteten Signale können danach digital weiterverarbeitet und unter Verwendung verschiedener Filteralgorithmen weiter aufbereitet werden. Im Anschluss daran fließen sie in eine geeignete Steuerungstechnik, insbesondere Regelungstechnik, ein, die den Schichtdickenauftrag entsprechend anpasst. Dies erfolgt im allgemeinen über die Steuerung der Geschwindigkeit einer Materialfördereinrichtung, z. B. einer Schneckenwelle eines Schneckenextruders. Die Geschwindigkeit der Schneckendrehung korreliert dabei direkt mit der Materialstärke, die aufgebracht wird. Erkennt die Auswerte- und Steuereinheit eine relevante Abweichung der Schichtdicke der Funktionsschicht von einem Sollwert, so wird die Geschwindigkeit der Materialfördereinrichtung entsprechend nachgeregelt. Die vorliegende Vorrichtung erlaubt es, ein Auflösungsvermögen im Bereich von 0,1 μm bis 10 μm μm, insbesondere im Bereich von 1 bis 3 μm zu erreichen.
Die 1 bis 6 sollen die Erfindung beispielhaft erläutern. So zeigt jeweils schematisch und nicht maßstabsgetreu:
1 eine Ausgestaltung der Vorrichtung zur Messung einer mittels eines Extruders auf ein Kunststoffrohr aufgetragenen Schicht;
2 eine Ausgestaltung der Vorrichtung bei der die Sendeeinheit, die Referenzstrecke und die Detektoreinheit starr miteinander verbunden und um eine Probe drehbar sind;
3 eine Ausgestaltung der Vorrichtung bei der die Probenaufnahmeeinheit drehbar ausgebildet ist;
4 eine Ausgestaltung der Vorrichtung, bei der der Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespaltet wird;
5 eine Darstellung des Einfallswinkels des Lichtstrahls auf das beschichtete Substrat; und
6 eine Probeaufnahmeeinheit mit Lagesensor und Justiereinrichtung.
1 zeigt eine Vorrichtung mit einer Sendeeinheit 10, einer Referenzstrecke 14, einem ersten optischen Element 17, einer Probeaufnahmeeinheit 20, einem zweiten optischen Element 22, einer Detektoreinheit 24 und einer Auswerte- und Steuereinheit 26. Die Sendeeinheit 10 umfasst eine Strahlungsquelle 12, die als LED, Laserdiode, Laser oder als ein thermischer Strahler ausgebildet ist. Die Strahlungsquelle 12 stellt einen Lichtstrahl 50 bereit, der in eine Referenzstrecke 14 gelenkt wird. Die Referenzstrecke 14 weist einen Strahlteiler 16 und einen Referenzdetektor 18 auf. Der Strahlteiler 16 spaltet von dem eingetretenen Lichtstrahl 50 einen Referenzstrahl 50R genannten Teilstrahl ab, wobei der nicht abgelenkte Teil 50 in Richtung zu der Probenaufnahmeeinheit 20 geleitet wird und der im rechten Winkel abgelenkte Referenzstrahl 50R zu dem Referenzdetektor 18 geleitet wird. Der Strahlteiler 16 kann derart ausgelegt sein, dass nur ein kleiner Teil der Lichtleistung des Lichtstrahls 50 auf den Referenzdetektor 18 geleitet wird und der Großteil der Lichtleistung des Lichtstrahls 50 zu der Probenaufnahmeeinheit 20 geleitet wird. Es ist auch möglich, dass anstelle des Strahlteilers 16 ein spiegelndes Element vorgesehen ist, das aus dem Strahlprofil des Lichtstrahls 50 einen kleinen Bereich auf den Referenzdetektor 18 führt. Der Referenzdetektor 18 erfasst die Lichtintensität des Referenzstrahls 50R und leitet entsprechende Messdaten über eine dritte Datenleitung L3 zu der Auswerte- und Steuereinheit 26.
Der nicht abgelenkte Strahl 50 wird durch das erste optische Element 17 zu der Probenaufnahmeeinheit 20 gelenkt, die eine Probe 30 hält. Die Probe 30 ist ein beschichtetes Substrat 30 bestehend aus einem als Träger fungierenden Kunststoffrohr 32, einem auf dessen Außenumfang aufgetragenen Haftvermittler 34, z. B. einer Klebeschicht, und einer auf dem Haftvermittler 34 aufgetragenen Funktionsschicht 36, die die äußere Oberfläche der Probe 30 bildet. Die Längsmittelachse des Kunststoffrohrs 32 steht senkrecht auf der Blattebene. Das erste optische Element 17 fokussiert den nicht abgelenkten Strahl 50 so, dass er auf der äußeren Oberfläche der Probe 30 einen Messfleck ausbildet.
Der durch das beschichtete Substrat 30 transmittierte Lichtstrahl 50 durchläuft ein zweites optisches Element 22 und tritt schließlich in die Detektoreinheit 24 ein, in der ein Transmissionsdetektor 25 die Lichtintensität des transmittierten Lichtstrahls 50 erfasst. Das entsprechende Signal des Transmissionsdetektors 25 wird über eine erste Datenleitung L1 zu der Auswerte- und Steuereinheit 26 übertragen.
Eine als ein Schneckenextruder ausgebildete Beschichtungseinheit 40 bildet in einem Beschichtungsverfahren die Funktionsschicht 36 aus, wobei ein Motor 46 eine Schneckenwelle antreibt, durch die über einen Trichter 44 eingefülltes Beschichtungsmaterial verdichtet wird. Das verdichtete Beschichtungsmaterial tritt aus einer Düse 42 aus und lagert sich in einem schichtförmigen Auftrag auf der Haftvermittlerschicht 34 ab, wo das Beschichtungsmaterial die Funktionsschicht 36 ausbildet. Die Menge an Material, das den Extruder durch die Düse 42 verlässt, wird über die Drehzahl des Motors 46 geregelt.
Der dünnschichtige Auftrag der Funktionsschicht, z. B. EVOH, erfolgt im Extrusionsverfahren. Vorzugsweise kommt ein sogenannter Verarbeitungsextruder zum Einsatz, der für die Formgebung verantwortlich ist. Der Extruder besteht grundsätzlich aus einer Schnecke, auch Schneckenwelle genannt, die in einem Schneckenzylinder gelagert ist. Der Innendurchmesser des Schneckenzylinders weist einen vergleichbaren Durchmesser wie die Schneckenwelle auf. Angetrieben wird die Schnecke durch einen Elektromotor, vorzugsweise mit Getriebe. Der Motor versetzt die Schnecke in eine Drehbewegung. Am äußeren Ende der Schnecke ist eine Auslassöffnung, insbesondere eine Düse, angebracht, welche die Formgebung realisiert. Das Material wird z. B. über einen Trichter zur Materialeinfüllung zugeführt. Die Schnecke selbst ist in drei Zonen aufgeteilt, mit einer Unterteilung gemäß Funktion: Das Material wird über den Trichter 44 eingespeist, in einer Wärmezone aufgeschmolzen und anschließend in einer Druckzone verdichtet. Üblicherweise schließt sich an die Druckzone eine weitere Verdichterstufe an, d. h. durch eine verringerte Gangtiefe der Schnecke wird die Verdichtung des Materials weiter erhöht. Der dadurch entstehende Druck regelt die Menge an Material, welches die Düse pro Zeiteinheit verlässt. Die Ganghöhe der Schnecke ist nicht veränderbar, d. h. die Menge an Material, welches den Extruder durch die Düse 42 verlässt, muss über den Elektromotor 46 mit Getriebe geregelt werden, d. h. durch die Geschwindigkeitsänderung der Schneckendrehzahl.
Die Messung der Schichtdicke erfolgt möglichst nahe an der Düse 42 zum Aufbringen des Materials der Funktionsschicht 36. Während des laufenden Extrusionsprozesses wird online und kontinuierlich selektiv die Dicke der Funktionsschicht 36 gemessen. Die Intensität der Strahlung vor und hinter dem beschichteten Substrat 30 wird durch die Detektoren 18, 25 gemessen, zu der Auswerte- und Steuereinheit 26 übertragen. Ein Datenprozessor 261 der Auswerte- und Steuereinheit 26 bestimmt aus den erhaltenen Messwerten die Schichtdicke der aufgetragenen Schicht 36, vorzugsweise auf Basis des Lambert-Beerschen Gesetzes. Die so ermittelte Schichtdicke wird mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen, der in einer Speichereinheit 262 der Auswerte- und Steuereinheit 26 gespeichert ist.
Falls die Abweichung des Ist- und des Sollwertes einen vorgegebenen Schwellwert, der in der Speichereinheit 262 der Auswerte- und Steuereinheit 26 gespeichert ist, überschreitet, erzeugt die Auswerte- und Steuereinheit 26 Steuerbefehle zur Steuerung des Materialauftrages der Beschichtungseinheit 40. Falls der gemessene Istwert geringer als der Sollwert ist, muss der Materialauftrag erhöht werden und damit der Motor 46 mit einer erhöhten Drehzahl betrieben werden. Falls der gemessene Istwert größer als der Sollwert ist, muss weniger Material aufgetragen werden und der Motor 46 mit einer verringerten Drehzahl betrieben werden. In Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs von Ist- und Sollwert generiert die Auswerte- und Steuereinheit 26 entsprechende Steuerbefehle zur Steuerung des Motors 46, die über eine zweite Datenleitung L2 von der Auswerte- und Steuereinheit 26 zu dem Motors 46 übertragen werden.
2 zeigt eine Ausgestaltung der Vorrichtung, bei der die Sendeeinheit 10, die Referenzstrecke 14 und die Detektoreinheit 24 jeweils auf ein Verbindungsmittel 60, z. B. eine verwindungssteife Metallschiene, montiert sind, so dass sie starr miteinander verbunden sind und als mechanische Einheit betrachtet werden können. Die auf diese Weise gebildete mechanische Einheit ist um einen Drehwinkel α um eine senkrecht zur Blattebene verlaufende Drehachse 62 drehbar ausgebildet. Die Drehachse 62 verläuft im wesentlichen parallel zu einer Längsachse 38 des beschichteten Substrats 30. Je nach Drehwinkel α der besagten mechanische Einheit 10, 14, 24 und 60 fällt der Lichtstrahl 50 auf Punkte P1 auf dem Umfang des Substrats 30 mit unterschiedlichem Azimutwinkel ein.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung, bei der die Probenaufnahmeeinheit 20 um einen Drehwinkel α um eine senkrecht zur Blattebene verlaufende Drehachse 21 drehbar ausgebildet ist. Die Drehachse 21 verläuft im wesentlichen parallel zu einer Längsachse 38 des beschichteten Substrats 30. Je nach Drehwinkel α der Probenaufnahmeeinheit 20 fällt der Lichtstrahl 50 auf Punkte P1 auf dem Umfang des Substrats 30 mit unterschiedlichem Azimutwinkel ein.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung bei der ein Strahlteiler 70 den einfallenden Lichtstrahl 50 in zwei Teilstrahlen 50(1), 50(2) aufteilt. Ein erster Teilstrahl 50(1) wird auf einen ersten Punkt P1 mit einem ersten Azimutwinkel auf dem Umfang des Substrates 30 geführt, durchdringt das Substrat 30 und wird von einem ersten Transmissionsdetektor 24(1) detektiert. Ein zweiter Teilstrahl 50(2) wird von dem Strahlteiler zu einer Umlenkeinrichtung 71 geführt, durch die der Teilstrahl 50(2) auf einen zweiten Punkt P2 mit einem zweiten Azimutwinkel auf dem Umfang des Substrats 30 geführt wird und nach Transmission das Substrat von einem zweiten Detektor 24(2) detektiert wird.
5 zeigt einen Querschnitt durch ein Rohr 30 mit einer senkrecht zur Blattebene verlaufenden Längsmittelachse M, umfassend ein Kunststoff-Trägerrohr 32, auf dessen Außenseite eine Haftvermittlerschicht 34 aufgebracht ist, wobei auf der Außenseite der Haftvermittlerschicht 34 wiederum eine Funktionsschicht 36, z. B. EVOH, aufgebracht ist. Der Lichtstrahl 50 wird so geführt, dass er unter einem Einfallswinkel ε auf die Oberfläche der Funktionsschicht 36 auftrifft. Der Einfallswinkel ε ist definiert als der kleinste Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl 50 und einer Tangentialebene T an den Außenumfang der Funktionsschicht 36, wobei die Tangentialebene T durch den Auftreffpunkt des Lichtstrahl 50 auf den Außenumfang der Funktionsschicht 36 läuft.
Auf der Funktionsschicht 36 des Rohrs 30 ist ein Referenzpunkt P0 mit Azimutwinkel φ0 = 0 Grad festgelegt, in Bezug auf den die Azimutwinkel anderer Punkte auf dem Umfang der Funktionsschicht 36 gemessen werden. Ein erster Punkt P1 auf dem Umfang der Funktionsschicht 36 hat in Bezug auf den Referenzpunkt P0 und die Längsmittelachse M einen Azimutwinkel φ1. Der Auftreffpunkt des Lichtstrahls 50 markiert einen zweiten Punkt P2, dem in Bezug auf den Referenzpunkt P0 und die Längsmittelachse M ein zweiter Azimutwinkel φ2 zugeordnet ist. Durch Drehung des Rohrs 30 um die Längsmittelachse M kann der Lichtstrahls 50 auf einem beliebigen Punkt P auf dem Umfang der Funktionsschicht 36 auftreffen, und somit eine Schichtdickenmessung bei dem jeweiligen Azimutwinkel erfolgen. Die Schichtdicke einer aufgetragenen Schicht 36 kann also an jedem gewünschten Ort mit derselben Genauigkeit bestimmt werden.
Die in 5 gezeigte Anordnung der Funktionsschicht 36 auf dem Trägerrohr 32 als eine äußere Schicht ist eine beispielhafte Ausgestaltung. Die Funktionsschicht 36 kann zwischen zwei oder mehr Schichten eingebettet oder als eine innere Schicht auf dem Trägerrohr 32 angeordnet sein. Ebenfalls ist es möglich, dass die Funktionsschicht 36 auf einer Innenseite eines Substrats angeordnet ist.
6 zeigt eine Probenaufnahmeeinheit 20 mit einem darin daraufgenommenen beschichteten Substrat 30, durch das der Lichtstrahl 50 transmittiert wird. Ein Lagesensor 80 ermittelt die relative Lage Δ des beschichteten Substrats 30 relativ zum Lichtstrahl 50 und übermittelt den ermittelten Wert über eine vierte Datenleitung L4 zur Auswerte- und Steuereinheit 26. Ein Datenprozessor 261 der Auswerte- und Steuereinheit 26 vergleicht den erhaltenen Messwert mit einem in einer Speichereinheit 262 der Auswerte- und Steuereinheit 26 hinterlegten Sollwert und generiert bei einer bestimmten Abweichung des Ist- von dem Sollwert einen entsprechenden Steuerbefehl an eine Justiereinrichtung 82, z. B. einen Stellmotor, der die Probenaufnahmeeinheit 20 in eine korrekte Position fährt.
Bezugszeichenliste

10: Sendeeinheit
12: Strahlungsquelle
14: Referenzstrecke
16: Strahlteiler der Referenzstrecke
17: erstes optisches Element
18: Referenzdetektor
20: Probenaufnahmeeinheit
21: Drehachse von 20
22: zweites optisches Element
24: Detektoreinheit
25: Transmissionsdetektor
26: Auswerte- und Steuereinheit
30: beschichtetes Substrat, Probe
32: Substrat
34: Haftvermittlerschicht
36: aufgetragene Schicht
38: Längsachse von 32
40: Beschichtungseinheit
42: Düse
44: Trichter
46: Motor
50: Lichtstrahl
60: Verbindungsmittel
62: Drehachse von 60
70: Strahlteiler
71: Umlenkeinrichtung
80: Lagesensor
82: Justiereinrichtung
261: Datenprozessor von 26
262: Speichereinheit von 26
L: Datenübertragungsmittel
P: Punkt auf dem Umfang von 30
T: Tangentialebene
Δ: relative Lage
α: Drehwinkel Einfallswinkel Azimutwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2909400 A [0002]
DE 60002586 T2 [0048]

Claims

Vorrichtung zum Steuern des Auftrags einer Beschichtung auf einem tubulären Substrat (32) unter laufender Dickenmessung einer aufgetragenen Schicht (36), umfassend: eine Sendeeinheit (10) mit einer Strahlungsquelle (12) zum Bereitstellen mindestens eines Lichtstrahls (50) mindestens einer Wellenlänge, die einer Absorptionswellenlänge der aufgetragenen Schicht (36) entspricht; eine Referenzstrecke (14) mit einem Referenzdetektor (18) zum Messen einer Intensität des mindestens einen Lichtstrahls (50) vor dem Eintritt in das beschichtete Substrat (30); eine Probenaufnahmeeinheit (20) zur Aufnahme des beschichteten Substrats (30), so dass der mindestens eine Lichtstrahl (50) unter einem definierten Einfallswinkel (ε), vorzugsweise aus einem Bereich von 83,5 bis 96,5 Grad, insbesondere von 90 Grad, auf die äußere Oberfläche des beschichteten Substrats (30) auftrifft; eine Detektoreinheit (24) mit mindestens einem Transmissionsdetektor (25) zum Messen einer Intensität des mindestens einen Lichtstrahls (50) nach einer Transmission durch das beschichtete Substrat (30); und eine Auswerte- und Steuereinheit (26) zum Bestimmen einer Schichtdicke der aufgetragenen Schicht (36) auf Basis des gemessenen Transmissionsgrads, Vergleichen der Schichtdicke mit einem vorgegebenen Sollwert und Generieren von Steuerbefehlen zur Steuerung des Materialauftrags einer Beschichtungseinheit (40) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (10), die Referenzstrecke (14) und die Detektoreinheit (24) mittels eines Verbindungsmittels (60) starr miteinander verbunden und um eine Drehachse (62), die im wesentlichen parallel zu einer Längsachse (38) des beschichteten Substrats (30) verläuft, schwenkbar sind, so dass der mindestens eine Lichtstrahl (50) je nach Drehwinkel (α) der schwenkbaren Elemente an Punkten (P) mit unterschiedlichen Azimutwinkeln (φ) auf das in der Probenaufnahmeeinheit (20) gehaltene beschichtete Substrat (30) auftrifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenaufnahmeeinheit (20) um eine Drehachse (21), die im wesentlichen parallel zu einer Längsachse (38) des beschichteten Substrats (30) verläuft, drehbar ausgebildet ist, so dass der mindestens eine Lichtstrahl (50) je nach Drehwinkel (α) der Probenaufnahmeeinheit (20) an Punkten (P) mit unterschiedlichen Azimutwinkeln (φ) auf das in der Probenaufnahmeeinheit (20) gehaltene beschichtete Substrat (30) auftrifft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Strahlteiler-Einrichtung (70) zum Aufspalten des mindestens einen Lichtstrahls (50) in jeweils zwei oder mehr Teilstrahlen (50(1), 50(2)) und eine Umlenkeinrichtung (71) zum Umlenken mindestens eines Teilstrahls (50(2)) der jeweils zwei oder mehr Teilstrahlen (50(1), 50(2)) aufweist, so dass die zwei oder mehr Teilstrahlen (50(1), 50(2)) an Punkten (P) mit unterschiedlichen Azimutwinkeln (φ) auf das in der Probenaufnahmeeinheit (20) gehaltene beschichtete Substrat (30) auftreffen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine verstellbare Strahlführung (72) zum Führen des mindestens einen Lichtstrahls (50) auf mindestens zwei verschiedene Punkte (P1, P2) des beschichteten Substrats (30) aufweist, so dass der mindestens eine Lichtstrahl (50) je nach Stellung der Strahlführung (72) an Punkten (P) mit unterschiedlichen Azimutwinkeln (φ) auf das in der Probenaufnahmeeinheit (20) gehaltene beschichtete Substrat (30) auftrifft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein optisches Element (17) aufweist, durch das der mindestens eine Lichtstrahl (50) vor dem Eintritt in das beschichtete Substrat (30) eine Fokussierung auf einen Messfleck oder eine Aufweitung auf zumindest einen Teil der äußeren Oberfläche des beschichteten Substrats (30) erfährt.
Verfahren zum Steuern des Auftrags einer Beschichtung auf einem tubulären Substrat (32) unter laufender Dickenmessung einer aufgetragenen Schicht (36), mit folgenden Schritten: Bereitstellen mindestens eines Lichtstrahls (50) mindestens einer Wellenlänge, die einer Absorptionswellenlänge des Materials der aufgetragenen Schicht (36) entspricht; Positionieren des beschichteten Substrats (30) und/oder des mindestens einen Lichtstrahls (50), so dass der mindestens eine Lichtstrahl (50) unter einem definierten Einfallswinkel (ε), vorzugsweise aus einem Bereich von 83,5 bis 96,5 Grad, insbesondere von 90 Grad, auf die äußere Oberfläche des beschichteten Substrats (30) auftrifft; Messen eines Transmissionsgrads des mindestens einen Lichtstrahls (50) durch das beschichtete Substrat (30); Bestimmen einer Schichtdicke der aufgetragenen Schicht (36) auf Basis des gemessenen Transmissionsgrads; Vergleichen der Schichtdicke mit einem vorgegebenen Sollwert; und Generieren von Steuerbefehlen zur Steuerung des Materialauftrags einer Beschichtungseinheit (40) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (50) auf zwei oder mehr Punkte (P) der äußeren Oberfläche des beschichteten Substrats (30) mit unterschiedlichen Azimutwinkeln (φ) gerichtet wird, und dass für jeden der besagten zwei oder mehr Punkte (P) der Transmissionsgrad des mindestens einen Lichtstrahls (50) durch das beschichtete Substrat (30) gemessen und die Schichtdicke der aufgetragenen Schicht (36) auf Basis des gemessenen Transmissionsgrads durch das beschichtete Substrat (30) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende weitere Schritte aufweist: Erfassen der relativen Lage des beschichteten Substrats (30) relativ zum Lichtstrahl (50) durch einen Lagesensor (80); Übertragen von Daten bezüglich der erfassten relativen Lage von dem Lagesensor (80) zu der Auswerte- und Steuereinheit (26); Vergleichen der erfassten relativen Lage mit einem vorgegebenen Sollwert durch die Auswerte- und Steuereinheit (26); und in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs, Generieren von Steuerbefehlen zur Steuerung einer Justiereinrichtung (82) zur Korrektur der relativen Lage durch die Auswerte- und Steuereinheit (26) und/oder Generieren von Korrekturwerten zur rechnerischen Korrektur einer Abweichung der erfassten relativen Lage von dem vorgegebenen Sollwert durch die Auswerte- und Steuereinheit (26).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickenmessung der aufgetragenen Schicht (36) kontinuierlich und unmittelbar, insbesondere innerhalb eines Zeitraums von 0,5 bis 60 Sekunden, nach dem Austreten des beschichteten Substrats (32) aus der Beschichtungseinheit (40) erfolgt.