3D Contact Angle Methode

Der 3D Contact Angle (dt. 3D-Kontaktwinkel) ist eine von KRÜSS entwickelte, optische Methode zur Messung der Benetzbarkeit einer Oberfläche anhand eines dosierten Wassertropfens. Das auf Reflexionen an der Tropfenoberfläche und Laser-Abstandsmessung basierende Verfahren arbeitet besonders robust, ist kaum störanfällig und daher besonders für die Qualitätskontrolle (QC) vorbehandelter, gereinigter oder beschichteter Oberflächen geeignet.

Welches sind die Vorteile gegenüber herkömmlichen Kontaktwinkelmessungen?

Der für eine Messung dosierte, liegende Tropfen ist ein dreidimensionales Objekt, das durch die herkömmliche Schattenbildmethode als 2D-Profilbild von der Seite erfasst wird. Die im Anschluss durchgeführte Tropfenkonturanalyse ist ein klassisches und bewährtes Verfahren, das aber nicht immer vollautomatisch arbeitet. Besonders die Basislinie, der Übergang zwischen Tropfenkontur und Festkörperoberfläche, muss bei manchen Proben manuell gesetzt oder korrigiert werden.

Beim 3D Kontaktwinkel wird aus der Aufsichtsperspektive auf den Tropfen ein digitales Raumbild einschließlich der Höhe und der Krümmung rekonstruiert und daraus der Kontaktwinkel bestimmt. Das Finden der Basislinie entfällt und die Methode liefert ohne Benutzereingriffe und unabhängig von der Probenbeschaffenheit ein zuverlässiges Ergebnis.

Noch größer sind die Vorteile gegenüber der Aufsicht-Durchmessermethode. Diese bestimmt den Außendurchmesser des Tropfens, welcher bei gegebenem Volumen mit dem Kontaktwinkel korreliert. Die Methode arbeitet ab höheren Kontaktwinkelwerten immer weniger zuverlässig und erfordert zudem ein sehr genau dosiertes Tropfenvolumen. Letzteres wird beim 3D Contact Angle lediglich als stützende Zusatzinformation verwendet, um die Messung noch robuster zu machen.

Wie funktioniert die 3D Contact Angle Methode?

Das Herzstück der Messtechnologie für den 3D Contact Angle ist ein kugelhaubenförmiger Messkopf mit 90 positionspräzise angeordneten LEDs. Diese erzeugen in sehr schneller Abfolge unterschiedliche Lichtmuster, deren Reflexionen mittels zweier Kameras erfasst werden.

Aus den Reflexionsbildern wird der reale Tropfen und dessen Krümmung stufenweise rekonstruiert, wobei der Algorithmus von Schritt zu Schritt ein immer wirklichkeitsgetreueres 3D-Abbild des Tropfens erzeugt. In die Modellierung des Tropfens gehen auch Daten zweier Laser-Abstandsdetektoren ein.

Warum ist der Methodenansatz besonders für die Qualitätssicherung geeignet? 

Zunächst einmal ist beim 3D Contact Angle eine starke Miniaturisierung der Messtechnik gelungen, die eine mobile Nutzung in der QC möglich macht. Bei Ayríís, dem ersten Instrument für die 3D Contact Angle Methode, befindet sich der Messkopf in einem kompakten Handgerät mit integrierter Dosiereinheit. Bedient wird das Gerät über ein Touchdisplay und es arbeitet völlig autark, d.h. ohne Computerverbindung oder externe Stromversorgung.

Noch wichtiger für QC-Messungen ist die Robustheit der Methode und ihre Unabhängigkeit von Eingriffen oder Interpretationen des Anwenders. Die Auswertung der auf den Tropfen erzeugten Reflexionsmuster, der Laserabstandmessung sowie ggf. des Volumens basiert auf einer riesigen Datenmenge, die eine genaue und zugleich schnelle Berechnung der Tropfenform und des Kontaktwinkels ermöglicht. Gleichzeitig findet eine Prüfung der Plausibilität und der Konsistenz des Ergebnisses statt.

Um auch die Qualitätsbewertung des Materials anhand des Kontaktwinkels zu objektivieren, wird zusätzlich zum Messwert eine klare Passed/Failed-Meldung auf Basis von Grenzwerten angezeigt, welche für unterschiedliche Probentypen definiert werden können. Die genannten Vorteile ermöglichen sichere und schnelle Materialprüfungen und eine Optimierung der Prozesse.