DE10003194A1 - Berührungsloses optisches Triangulationsverfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauhigkeit von optisch streuenden Oberflächen - Google Patents

Abstract

Mit Hilfe eines optischen Triangulationsverfahrens mit einer inkohärenten Lichtquelle zur Vermeidung von Speckles-Rauschen wird die Oberflächenrauhigkeit optisch streuender Oberflächen im mum-Bereich vermessen. Das Verfahren findet auch Anwendung bei zu lackierenden Oberflächen, bei denen Welligkeiten der Unterlagen zur Orangenschalen-Erscheinung in der Endlackierung führen.

Description

Bei der Herstellung hochglänzender Lackoberflächen ist das Erreichen einer Oberfläche, die ohne Rauhigkeit wie ein ideal reflektierender Spiegel wirkt, das Idealziel. In der Praxis traten aber Oberflächenwelligkeiten auf. Diese führen zum sogenannten Orangenschalen­ effekt (Orange-peel) in der visuellen Erscheinung der Lackoberfläche. Auf einem absolut ebenen Spiegel erscheint eine leuchtende Linie (etwa das Bild einer Neon-Lampe) absolut verzerrungsfrei. Dagegen erscheint die gleiche Lampe unter sonst unveränderten Bedingungen in der Reflektion von einer Lackoberfläche wellig. Diese Welligkeit wird generell als Qualitätsminderung des lackierten Produktes betrachtet. Insbesondere in der Autoindustrie werden erhebliche Anstrengungen unternommen, den Orangenschaleneffekt zu vermeiden.

Der Orangenschaleneffekt der Lackerscheinung (appearance), wie sie vom Auge wahrgenommen wird, beruht auf Welligkeiten der Lackoberfläche im Bereich zwischen 1 mm-10 mm (langwellige Struktur), wird aber visuell auch von kurzwelligeren Strukturen im Bereich von 0.1 mm-1 mm beeinflusst. Eine zuverlässige Messmethode zur Qualitätskontrolle der hochglänzenden Endlackierungen ist in der Offenlegungsschrift DE 29 46 493 A1 beschrieben. Nach diesem Prinzip arbeitet das von der Firma BYK-Gardner GmbH, Deutschland, hergestellte Gerät wave-scan. Dieses tragbare Gerät, mit dem eine zuverlässige Qualitätskennzahl angegeben wird, kann auch auf weniger leicht zugänglichen Stellen eines endlackierten Kraftfahrzeuges eingesetzt werden. Somit kann eine sehr detaillierte Karte des Orangenschalen-Effektes über die Karosserie erstellt werden.

Aus diesem Grunde gilt wave-scan in der Autoindustrie weltweit als ein zuverlässiges Gerät zur Beurteilung des Orangenschalen-Effektes in der Endlackierung und wird entsprechend eingesetzt.

Wave-scan kann nur die Qualität der Endlackierung erfassen. Deren Orangenschalen- Effekt wird aber durch Welligkeiten im unlackierten Feinblech und in den weiteren Lackschichten des Lackaufbaus verursacht (Forschungsbericht 247, Studiengesellschaft Stahlanwendung e. V., Verlag und Vertriebsgesellschaft mbH, Düsseldorf, 1997. Eine effiziente Qualitätskontrolle, die bereits die Welligkeit der Feinblechoberfläche, der phosphatierten Oberfläche und die des kathodischen Tauchlackes und des Füllerlackes erfassen kann, und ähnlich einfach wie wave-scan anzuwenden ist, würde somit einen erheblichen Fortschritt darstellen. Die eben genannten Oberflächen sind alle matt und können durch wave-scan nicht erfasst werden, da dessen Messprinzip auf der dielektrischen optischen Reflektion beruht.

Zur Feststellung der Rauhigkeit solcher Oberflächen werden daher mechanische Standardprofilometer verwendet, bei denen die Oberfläche mit Hilfe einer feinen Spitze abgetastet wird, wobei die üblichen Rauhigkeitsparameter aus den gemessenen Profilen berechnet werden. Dieses Verfahren kann aber nur im Labor angewendet werden. Es besteht also durchaus Bedarf nach einer berührungslosen Methode zur Erfassung der Welligkeit der Oberflächenstruktur von matten Flächen, die im Bereich von 0,1 mm-10 mm liegen. Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ohne hohen Aufwand ein praktikables Verfahren zu schaffen, mit dem in kurzen Zeiten (< 1 min) langwellige Strukturen in einen vorgegebenen Wellenlängenbereich zuverlässig erkannt werden können. Dieses Verfahren muss ähnlich wie wave-scan als tragbares Gerät unmittelbar auf der Karosserie eines Kraftfahrzeuges einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird durch ein optisches Triangulationsverfahren (Axel Donges und Reinhard Noll, Lasermesstechnik, Hüthig, 1993, S. 214-237) gelöst. Abb. 1 zeigt die Prinzipskizze. Eine lichtemittierende Diode D mit Abmessungen im Bereich einiger _µmeter wird durch eine Linse L₁ auf die zu untersuchenden Oberfläche abgebildet. Es entsteht dort ein Lichtfleck mit einem Durchmesser von einigen 10 µm, der bei einem homogenen Streuvermögen der Lack- oder Metalloberfläche annäherungsweise als Lambertstreuer angesehen werden kann. Dieser wird durch eine Linse L₂ auf eine positionsempfindliche Diode (PSD) abgebildet. Liegt die zu untersuchende Oberfläche genau in der Abbildungsebene der Linse L₁, so liegt der Intensitätsschwerpunkt der Abbildung auf der PSD genau in deren Mitte. Eine Abweichung der zu untersuchenden Oberfläche nach oben oder unten verschiebt den Intensitätsschwerpunkt auf der Diode entsprechend nach rechts oder links. Damit entsteht eine Differenz in den Teilströmen I₁ und I₂ der Diode. Die Größe (I₁ - I₂)/(I₁ + I₂) ist somit ein direktes Maß für den Mittelwert der Rauhigkeit über die Größe des durch L₁ entstehenden Lichtfleckes. Ebenso enthalten die Fluktuationen der Teilströme Information über den Rauhigkeitsverlauf.

Es ist dabei von entscheidender Wichtigkeit, dass die Lichtquelle inkohärente Strahlung erzeugt. Der Einsatz einer gängigen Festkörper-Laser-Diode führt zu Speckles, die den Schwerpunkt der Intensität auf der PSD verschieben und daher Untergrundsignale erzeugen, die das erwünschte Mess-Signal überdecken. Eine geeignete inkohärente Lichtquelle ist unter der Bezeichnung Superlumineszenz-Diode SLD-360 bei der Firma Laser 2000 erhältlich.

In einem mobilen Gerät wird dieser Aufbau auf die zu untersuchende Oberfläche gesetzt und horizontal in Schrittweiten von 10-100 µm verschoben. Nach jedem Schritt wird dann eine Messung durchgeführt. Abb. 2 zeigt das Ergebnis an einer Probe, die mit KTL lackiert ist. Auf diesen ist auf der linken Seite Füllerlack aufgebracht. Abb. 2a zeigt das Oberflächenprofil längs einer Mess-Strecke von 1 cm, mit Schrittweiten von 10 µm. Der lineare Anstieg liegt daran, dass das Blech nicht genau horizontal lag. Der Übergang vom Füllerlack zum KTL ist durch die 20 µm hohe Stufe abgebildet.

Die Oberflächenprofile des KTL und Füllerlackes sind separat in Abb. 2b bzw. 2c längs einer Mess-Strecke von 1 cm gezeigt. Die an der Abszisse und Ordinate aufgetragenen Messwege bzw. Rauhigkeitstiefen sind in µm angegeben. Die höhere Rauhigkeit des KTL ist deutlich erkennbar. Abb. 2 enthält in den Rauhigkeitsprofilen alle Wellenlängen größer als 0.1 mm.

Mit Hilfe von Filterungs-Verfahren (z. B. Fourierfilterung) lässt sich aus solchen Profilen der Rauhigkeitsverlauf in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich berechnen. Abb. 3a-c zeigen diesen im Bereich von 0.1-0.4 mm, 0.4-1 mm, bzw. 1 mm-5 mm für einen schwarzen Füllerlack, der mit einer Mess-Strecke von 2 cm untersucht wurde. Dabei ist zu betonen, dass Abb. 3a-c aus dem gleichen Originaldatensatz berechnet wurden. Sie entsprechen also jeweils einer identischen Mess-Strecke. Diese Welligkeitsprofile sind denen, die wave-scan an glänzenden Lacken erzeugt, ähnlich. Sie können daher nach den Kriterien von wave-scan ausgewertet werden.

Das hier beschriebene Gerät lässt sich auch auf gekrümmten Flächen, z. B. Karosserien einsetzen, wenn man das Signal, das neben dem Rauhigkeitsprofil auch den Abstand der Oberfläche zur Abbildungsebene enthält, dazu benutzt, den optischen Aufbau in Schritten vertikal zu verschieben, so dass der Abstand des gerade gemessenen Bereiches des Bleches immer unterhalb einer kritischen Distanz (typisch 100 µm) liegt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass es erstmals möglich wird, Welligkeiten, die zum Entstehen des Orangenschalen-Effektes führen, während der Produktion eines Lackaufbaus an allen unter der Endlackierung liegenden Oberflächen berührungsfrei zu messen, und damit die Produktionsprozesse zu optimieren. Das Verfahren kann auch direkt bei der Lackierung von industriellen Produkten, insbesondere bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Claims (4)

1. Optisches Triangulationsverfahren, bei dem das auf der untersuchten Oberfläche entworfene Bild einer Lichtquelle auf eine positionsempfindliche Diode abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung von Oberflächenrauhigkeiten an streuenden Oberflächen eine inkohärente Lichtquelle mit einer leuchtenden Fläche von einigen µm² verwendet wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Kontrolle von Welligkeiten an allen Flächen, bei denen langwellige Rauhigkeiten qualitätsbestimmend sind.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 beim Lackaufbau zur Kontrolle des Orangenschalen-Effektes an den Feinblechoberflächen, sowie bei allen beim Lackaufbau entstehenden Flächen bei den einzelnen Schritten der Farbauftragung.

4. Anwendung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauhigkeitsverlauf in einem bestimmten Wellenlängenbereich ausgefiltert wird.