Inline-fähige spektroskopische 100%-Prüfung für industrielle Qualitätssicherung und Prozesskontrolle

Fraunhofer IAF präsentiert QCL-basiertes Messsystem

12.04.2022 - Deutschland

Qualität sichern ohne Zeit zu verlieren: Besonders Unternehmen aus der Pharma-, Chemie- und Lebensmittelbranche sind darauf angewiesen, höchste Qualitätsanforderungen zu erfüllen und zugleich Produktionsprozesse zu optimieren. Das Fraunhofer IAF hat in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Centre for Applied Photonics für solche Anwendungen ein integrierbares Messsystem entwickelt, das mit Hilfe von maschinellem Sehen gezielt Proben erkennt und innerhalb von wenigen Millisekunden mittels laser-basierter Infrarotspektroskopie kontaktfrei verifiziert.

Mit einem inline-fähigen, laserbasierten Infrarotspektroskopie-Messsystem möchten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF Industrieunternehmen aus der Pharma-, Chemie- und Lebensmittelbranche dabei unterstützen, Maßnahmen zur Qualitätssicherung sowie Prozesskontrollen zuverlässiger und zugleich effizienter zu gestalten. Das System zeichnet sich durch einen flexiblen Aufbau und eine hohe spektrale Scangeschwindigkeit aus, so dass es in bestehende Anlagen zur Sichtprüfung integriert werden kann und hier eine spektroskopische Vollkontrolle ermöglicht.

»Das Messsystem demonstriert anschaulich den großen Nutzen der laserbasierten Infrarotspektroskopie für Industriebranchen, in denen Produkte sicher und schnell verifiziert oder unterschieden werden müssen“, betont Dr. Marko Härtelt, verantwortlicher Projektleiter am Fraunhofer IAF.

Rückstreuspektroskopie im mittleren Infrarot durch QCL und MOEMS-Gitterscanner

Die spezifischen Vorteile des Systems ergeben sich aus dem Rückstreuspektroskopie-Verfahren im mittleren Infrarot mit Wellenlängen im Bereich von 4 bis 12 μm. Da molekulare Verbindungen in diesem Spektralbereich sehr charakteristische Absorptions- und Emissionslinien aufweisen, können sie eindeutig identifiziert werden.

Eine der Kernkomponenten des Messsystems ist ein breit emittierendes und spektral schnell scannendes Lasermodul. Es kombiniert Quantenkaskadenlaser (QCL) des Fraunhofer IAF und mikro-opto-elektro-mechanische Gitterscanner (»Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems«, MOEMS) des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS. Die hohe Brillanz der Lichtquelle und die einzigartigen Eigenschaften des MOEMS-Scanners ermöglichen Infrarotspektroskopie mit einer Rate von einem Kilohertz.

In der Analyse der Messergebnisse wird das System durch ein neuronales Netzwerk unterstützt, um die Fehlerquote und gleichzeitig die benötigte Messzeit drastisch zu minimieren.

Demonstration industrieller Nutzung auf der LASER World of PHOTONICS 2022

Um die Integrationsfähigkeit des Messsystems in industrielle Prozesse zu veranschaulichen, hat das Team des Fraunhofer IAF einen praxisnahen Demonstrator entwickelt: Ein Förderband bewegt zwölf identisch aussehende Tabletten in einem gängigen Tablettenblister. Das Gerät erkennt den Blister sowie die Position der einzelnen Tabletten und scannt kontaktlos den Blister-Inhalt in nur 300 Millisekunden. Auf dem angeschlossenen Bildschirm werden die Ergebnisse der Detektion für jede einzelne Tablette sofort dargestellt, so dass verunreinigte oder fehlerhaft bestückte Exemplare aussortiert werden können.

Das Fraunhofer IAF stellt den Demonstrator seines QCL-basierten Messsystems vom 26. bis zum 29. April 2022 anlässlich der diesjährigen LASER World of PHOTONICS auf der Messe München vor (Halle A6, Stand 441).

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