美國Block在線式QCL—涂層與污染物的實時、非接觸式分析
應用筆記 在線式QCL——涂層與污染物的實時、非接觸式分析 摘要 實時在線式質量控制在制造工藝中是非常關鍵的，可以確保產品符合參數要求并在保證運行速率的基礎上免于污染。在這些測量中，通常采用光學方式，因為光學法無破壞性，且與生產產品無接觸。然而，對于涂層、粘合劑、污染顆粒、甚至產品本身的檢測來說，很多提供高度專一性的化學信息的方法（如傅里葉轉換紅外技術與拉曼技術）都有其局限性，妨礙了其在相關過程中的應用。FTIR是無接觸式的檢測，但是其光源強度相對較低，若要進行有效測量通常需要較近距離（小于1 cm）。拉曼也有類似的局限性，他需要相對較高的激光，可能損壞顏色較暗的樣品，產生熒光干涉，甚至形成對眼睛的傷害。 Block Engineering基于量子級聯式激光光源技術已經形成了一系列的光譜儀系統。非接觸式的反射式分析儀的標準商業版本為LaserScan，如圖1所示。QCL激光明亮、對眼睛無害，可以提供高度專一性的化學信息。這使得QCL可以用于多種類型的非接觸式分析，包括生產線的質量控制。
圖1. 非接觸式測量大塊材料、涂層與表面污染物的商業版本LaserScan QCL分析儀。 該系統為了進行這一應用進行了略微的改動，對用戶的目標測量及與產品線的系統集成進行了優化。
通過與客戶的密切合作，Block基于QCL反射式光譜儀已經形成了實時的非接觸式方法，該客戶用來確認其生產線中模塑部件涂層的質量。這一應用筆記對使用分析方法的開發過程與安裝系統中的顯著特色進行了概述。
應用描述 該用戶生產用于專業包裝用途的模塑容器。每個容器在形成之后，都要對其內壁進行涂層，形成其獨特的材料性質。涂層厚度小于1微米，涂層的性質通過之前提及的分析方法是很難在該模塑容器內進行現場分析的。而且合適的涂層沉積技術對于zui終涂層部件的效率是非常關鍵的。任何一個細微的錯誤都可能導致整個容器的失敗，這對于客戶的zui終用戶來說代價是非常高的。 通過與客戶的密切合作，Block開發了一種中紅外QCL方法，采用這一技術，每個容器在旋涂結束后其內壁都將受到檢測。對于每一種涂層，相應于其獨特的化學特色，將選取特定的波數。在生產線中，容器在涂層之后被固定在LaserScan上，如圖2所示。護眼式QCL在距離容器底部表面5.5英寸（14cm）處進行檢測，同時分析儀收集其返回的反射信號。測量到的信號正比于涂層厚度，所以采用校準曲線（參見分析方法部分）決定每個涂層是否符合規格。這一信息用于給出通過/失敗的結果，這一結果與生產線系統相連，可以去除不合格的容器。整個過程在幾秒內完成，包括容器定位、分析及結果輸出，用戶可以在單一質量控制臺上得到想要的生產吞吐量。該系統的未來版本的運行速度將會更快，在整個生產過程中掃描速率達到每分鐘幾百件。
圖2. 在線過程控制系統示意圖——客戶與Block共同開發的對模塑容器涂層的實時非接觸式質量控制系統 分析方法 為了開發這項應用，客戶首先提供給了Block代表多種涂層厚度及應用條件的一套容器，我們首先采用標準LaserScan來評估應用可行性。初始測試顯示，在間隔距離外通過測試容器底部可以輕松得到涂層信號，得到的信號與涂層性質趨向于線性關系?；谶@一可行性的成功，客戶與Block簽訂協議進行整套方法的開發，并對一套更多代表不同涂層厚度的容器進行驗證。采用這套樣品，Block對測試技術進行了優化，并開發了定量校準曲線，如圖3所示。Block通過采用額外的容器樣品來驗證了過程的穩定性。校準線的統計力度展示測試過程是合理的，并保證了生產規模的進一步開發。
圖 3. 客戶生產過程中的涂膜分析校準曲線示意圖。 曲線信息被編程到客戶的質量控制軟件中，來實時決定容器涂膜是否滿足參數要求。
Figure 4. 客戶生產過程中涂層分析的驗證結果示意圖。測量得到的涂層參數（y-軸）是通過校準曲線計算得來的，
并與每一個被測容器的實際涂層參數進行了對比。虛線代表了理想相關性，r2值為對校準統計力度的量化。 客戶拿到自己的系統后，對于更大的容器樣本進行了額外的驗證?？蛻舭l明了一條綜合LaserScan分析儀的自動容器處理產品線，可以在容器通過旋涂過程之后進行探測。他們也通過Block為每一臺QCL設備配置的LabVIEW? 設備驅動器開發了用戶軟件界面。zui終的生產系統致力于無人監管式24/7方式運行，除了周期性的校準檢查及例行保養。
總結 通過與客戶的密切合作，Block Engineering開發了一套實時非接觸式在線檢測系統，該系統采用QCL反射式光譜儀對模塑容器的內部涂層進行探測。盡管該系統的技術細節被修改成適于客戶過程，標準的LaserScan光譜儀可以開發以適用多種需求。大塊材料、涂層、生產部件都可以采用QCL反射式分析，Block擁有成熟的評估程序，來為其他市場中的用戶設計類似的過程。 |
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