Folienqualität sichern

Meinolf Droege,

Hyperspektrales Sehen beschleunigt Folienprüfung

Weltweit arbeiten Forscher daran, organische Leuchtdioden, Solarzellen und Schaltkreise mit verbesserten, speziellen Folien gegen Luftfeuchtigkeit und andere schädliche Umwelteinflüsse zu schützen. Das soll die Bauteile der Organischen Elektronik robuster und somit langlebiger machen.

Bessere Spezialfolien sollen OLED, Solarzellen und Schaltkreise gegen Luftfeuchtigkeit und andere schädliche Umwelteinflüsse schützen, um sie robuster und somit langlebiger machen. © IWS

Ein neues Verfahren soll künftig schon während der Produktion diese Barrierefolien prüfen – bislang dauern solche Analysen bis zu mehreren Wochen. Das neue System basiert auf Hyperspektral-Bildgebung und Künstlicher Intelligenz (KI).

Organische Elektronik sorgt für satte Farben in modernen Fernsehgeräten, ermöglicht schicke Designer-Lampen und arbeitet in hochwertigen Smartphones. Sie verbraucht vergleichsweise wenig Strom, ist sehr dünn und oft sogar transparent und biegsam. In naher Zukunft dürfte diese Technologie weitere Konsumgüter, Medizingeräte und Photovoltaikanwendungen hervorbringen. Eine wichtige Rolle in deren Herstellungsprozess spielt die Material- und Oberflächeninspektion, für die sich das Hyperspectral Imaging (HSI) eignet. Das Fraunhofer IWS hat die Technologie zur sogenannten Imanto-Plattform weiterentwickelt. Diese sei imstande, auch sehr kleine Defekte und Abweichungen vom idealen Aufbau an Barrierefolien rasch zu erkennen und deren Wasserdampfdurchlässigkeit zu ermitteln. Denn diese Durchlässigkeit bestimmt maßgeblich die Lebensdauer der Produkte der flexiblen Organischen Elektronik, zum Beispiel von organischen Leuchtdioden (OLED) oder Solarzellen (OPV). Diese Messmöglichkeit könne Entwicklung, Produktion und Anwendung von Barrierefolien und somit der gesamten Branche der organischen Elektronik einen enormen Impuls verleihen.

Anzeige

Organische Elektronik und Barrierefolien

Barrierefolien sind schon lange in Lebensmittel- und Pharmabranche üblich. Hier schützen sie beispielsweise Wurst, Kaffee, Käse und andere Produkte gegen Feuchtigkeit, Bakterien oder Aromaverlust. Die organische Elektronik habe die Anforderungen an die Dichtigkeit solcher Barrierefolien gegenüber Wasserdampf extrem hochgeschraubt: So dürfen Lebensmittelfolien binnen eines Tages höchstens zehn Gramm Wasserdampf pro Quadratmeter passieren lassen. Für Tabletten-Folien liegt diese Wasserdampfdurchlässigkeit (englisch: Water Vapour Transmission Rate, kurz: WVTR) bei einem Zehntel bis einem Hundertstel Gramm pro Tag und Quadratmeter Folie. OLEDs benötigen jedoch Barrierefolien, die allenfalls wenige Mikrogramm Wasserdampf pro Tag durchlassen. Hinzu kommt: Bislang dauern Messungen der Wasserdampfdurchlässigkeit sehr lange. Für OLED-Barrierefolien liegen die Messergebnisse oft erst nach einigen Wochen vor. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS haben es laut eigener Angaben nun geschafft, die Inspektionszeit für Barrierefolien in der Organischen Elektronik auf zwei bis drei Stunden zu verkürzen.

Die Chance auf einen neuen Lösungsansatz eröffnete das EU-Projekt Oledsolar, in dem insgesamt 16 europäische Institute und Technologieunternehmen bis Frühjahr 2022 fortgeschrittene Fertigungs- und Inspektionsmethoden für die Industrialisierung der Organischen Elektronik entwickeln. Das Fraunhofer IWS begann in diesem Projekt ein Barriereinspektionssystem mit einem grundsätzlich neuen Ansatz zu entwickeln: Es wird nicht mehr der Wasserdampf gemessen, der die Barriere durchdringt, sondern allein die Folie, die diese Durchlässigkeit maßgeblich bestimmt. In zweieinhalbjähriger Arbeit habe Projektpartner Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP mehr als 100 Barrierefolienmuster im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt, deren Wasserdampfdurchlässigkeit das IWS zunächst mit der am Institut entwickelten Hibarsens-Technologie hochpräzise gemessen hat. Danach wurden von den Proben an verschiedenen Stellen HSI-Datensätze gemessen und mit diesen ein Modell angelernt, das anhand einer HSI-Messung die Wasserdampfdurchlässigkeit der gemessenen Barrierefolie mit hinreichender Genauigkeit hundertmal schneller vorhersagen soll.

Auch KI macht Erfahrungen

Das Verarbeiten optischer Rohdaten zu nützlichen Informationen ähnele dem menschlichen Sehen. Das Gehirn erhält Farbrohdaten wie rot, grün sowie blau von den Augen. Dank lebenslang trainierter Erfahrungswerte kann es diese Daten deuten und der Mensch die Welt wahrnehmen und erkennen. Das hyperspektrale „Sehen“ weist allerdings einen entscheidenden Unterschied auf: Um an die entscheidenden Informationen zu gelangen, sind aufgrund der Größe und Komplexität der in sogenannten Hypercubes aufgezeichneten Daten spezielle Datenanalyse-Algorithmen unter Einsatz von Methoden der Künstliche Intelligenz notwendig. Sie lerne Zusammenhänge zwischen Ursache und Wirkung. So werden die Auswirkungen potenzieller Foliendefekte wie Kratzer, Schichtfehler oder Einschlüsse auf einen Hypercube sowie auf die Wasserdurchlässigkeit der Folie einem Modell antrainiert. Ein ausreichend trainiertes Modell kann, so das Institut, aus einem Hypercube einer Barrierefolie deren Wasserdampfdurchlässigkeit mit hoher Sicherheit vorhersagen. Messung und Vorhersage liegen so schnell vor, dass sich Fehlchargen unmittelbar erkennen lassen. Darüber hinaus sei es nun sogar erstmals möglich zu bewerten, an welchen Stellen die Barrierefolien mehr oder eben weniger Wasserdampf durchlassen. Mit schnelleren Kameras lässt sich die Messzeit weiter verringern und je mehr Trainingsdaten der KI künftig zur Verfügung stehen, desto genauer werden ihre Vorhersagen.

Ziel ist eine Echtzeit-Prüfung während der Folienproduktion, aber auch in der Wareneingangsprüfung in den sich anschließenden Verarbeitungsprozessen. Diese Art von Sensorik verkürze die Inspektionszeit für Barrierefolien erheblich, eröffne die Möglichkeit einer Inline-Qualitätsüberwachung, verringere die Ausschussrate und könne die OLED- und OPV-Produktion kostengünstiger machen.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten gebe es auch jenseits der Organischen Elektronik, zum Beispiel in der Elektronik-, Halbleiterindustrie, in der Pharmazie oder im Lebensmittelsektor. Mit Tiefkühlpizzen wurde das System auch schon getestet. Möglich sei damit eine automatische Prüfung, ob genug Schinken, Champignons und Käse auf der Pizza liegen oder Fremdkörper dazwischen gelandet sind. Noch viele weitere Anwendungsszenarien in denen unsichtbare Probeneigenschaften „sichtbar“ und somit verfügbar gemacht werden, seien darüber hinaus realisierbar.


Infobox: Imanto

Der Begriff Imanto steht für „imaging analysis tools“. In dem System blickt ein optischer Analysekopf auf das Folienband und ein Spektrometer zerlegt das von der Folie reflektierte Licht in einer HSI-Kamera gleichzeitig an mehreren hundert Stellen. Das Spektrometer macht sichtbar, wie stark die Folie an verschiedenen Stellen zum Beispiel ultraviolette, grüne, blaue, gelbe oder infrarote Strahlen reflektiert. Dies lässt unmittelbar Rückschlüsse auf die Eigenschaften beziehungsweise die Qualität der Folie zu, denn Defekte oder andere Unregelmäßigkeiten der Folie lassen sich nur bei ganz bestimmtem Farblicht erkennen. Ein Beispiel dafür sind die Geldscheinprüfgeräte an den Supermarktkassen, die unsichtbare Sicherheitsmerkmale der Euro-Banknoten erst sichtbar machen. Auf ähnliche Art und Weise erzeugt das Imanto-System ganze Stapel farbgefilterter Bilder von der untersuchten Folie und speichert sie in einem Hypercube (Hyperwürfel). Diese Hypercubes werden einer spezifischen Datenanalyse unterworfen, um die gewünschten Zielgrößen der Folieninspektion zu berechnen, beispielsweise die Wasserdampfdurchlässigkeit der Barrierefolie.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

PrintCYC

Bedruckte Folien recyclen und weiterverarbeiten

Postindustrieller Abfall aus bedruckten Kunststoff-Folien soll zu hochwertigem, mit Neuware vergleichbarem Rezyklat aufbereitet werden. Ein Konsortium von Unternehmen forscht an Optimieren des Kreislaufs, unter anderem mit Einsatz eines PU-basierten...

mehr...
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem Kunststoff Magazin Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite