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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung von mechanischen
Prüfungen
an einer Beschichtung auf einem Substrat.
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Um
die Qualität
von Beschichtungen zu bestimmen, werden verschiedene Eigenschaften
der Beschichtungen geprüft.
Derartige Beschichtungen sind z.B. Lacke auf unterschiedlichen Oberflächen wie
z.B. Metallen, Kunststoffen, Glas, Holz usw. Die geprüften mechanischen
Eigenschaften sind z.B. Haftung, Elastizität, Härte, Kratzfestigkeit oder auch Steinschlagfestigkeit
des Lackes. Im allgemeinen erfolgt die Charakterisierung vieler
Prüfungsmethoden durch
die optische Beurteilung von Schädigungen, die
durch eine definierte, mechanische Belastung erfolgt. So wird z.B.
die Haftung eines Lackes üblicherweise
mit einer Gitterschnitt-Prüfung
geprüft.
Die Auswertung erfolgt hierbei in der Regel durch die visuelle Betrachtung
und Einteilung durch den Prüfer.
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Bei
Klarlacken ist der Unterschied zum Substrat sehr klein, so dass
selbst eine visuelle Bewertung durch den Prüfer sehr schwer ist. Für diese
Fälle ist
aus
US-A 2004/0149026 bekannt,
dem Klarlack einen Fluoreszenzfarbstoff beizumischen, so dass fluoreszierende
und nicht fluoreszierende Flächen unterschieden
werden können.
Nachteil der Beimischung eines Fluoreszenzfarbstoffes ist jedoch,
dass die Eigenschaften des Lackes durch die Beimischung möglicherweise
verändert
werden.
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Bei
den anderen derzeit bekannten Verfahren zur Bestimmung der mechanischen
Eigenschaften erfolgt die Auswertung durch den Prüfer, wodurch es
sich bei den Verfahren um eher empirische Verfahren handelt. Die
Auswertung ist auf deutliche Farbunterschiede angewiesen. Bewertungen
von glänzenden
oder matten Klarlacken auf glänzenden
oder matten Metallsubstraten sind durch die geringen Farbunterschiede
begrenzt. Eine Einfärbung
des Klarlacks durch Beimischung von Fluoreszenzfarbstoffen oder
anderen Farbstoffen zur Sichtbarmachung kann durch Wechselwirkung
mit dem Lack oder einer Komponente des Lackes, z.B. dem Initiator,
die Aushärtung
und/oder auch die übrigen
Lackeigenschaften verändern.
Zudem müssen
Löslichkeitseffekte
durch Ausfallen des Farbstoffes während der Polymerisation und
damit verbundene Effekte auf die Struktur der Lackschicht beachtet
werden. Zudem werden mit einer Beschichtung häufig mehrere Prüfungen durchgeführt, wobei
die Ergebnisse durch die Beimischung des Farbstoffes verändert werden
könnten.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Bewertung von mechanischen Prüfungen einer Beschichtung auf
einem Substrat umfasst folgende Schritte:
- (a)
Aufprägen
einer mechanischen Belastung auf die Beschichtung,
- (b) isothermes Einspannen des Substrats mit der Beschichtung
und Erstellen einer Infrarotaufnahme des Bereichs, in dem die mechanische
Belastung auf die Beschichtung in Schritt (a) aufgeprägt wird,
- (c) Auswertung der Infrarotaufnahme.
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Durch
die Infrarotaufnahme wird die Infrarotemission bei einer konstanten
Temperatur gemessen. Durch die unterschiedlichen Emissionsgrade von
unterschiedlichen Materialien werden bei der Messung der Infrarotintensität unterschiedliche
Signale aufgenommen. An den Stellen, an denen sich der Lack bei
der mechanischen Prüfung
abgelöst
hat, wird die Emissionsintensität
des Substrats gemessen, bei Beschichtungen, die am Substrat anhaften, wird
die Emission der Beschichtung gemessen. Vorteil des Verfahrens ist
somit, dass aufgrund der unterschiedlichen Emissionseigenschaften
kein empirisches Abschätzen
mehr erfolgen muss. Zudem ist es auch möglich, die Eigenschaften von
Klarlacken auch automatisiert zu prüfen.
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Die
mechanische Belastung wird z.B. in Form einer Elastizitätsprüfung oder
einer Haftungsprüfung
der Beschichtung aufgeprägt.
Das Aufprägen
der Belastung erfolgt dabei nach den bekannten Verfahren, wie sie
derzeit eingesetzt und empirisch ausgewertet werden. Die mechanische
Belastung im Schritt (a) kann dabei z.B. durch Schneiden, Stoß, Schlag,
Zug oder Druck auf die Beschichtung aufgeprägt werden.
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Die
mechanische Belastung, die in Schritt (a) aufgeprägt wird,
ist z.B. ein Gitterschnitt, eine Eindringtiefung oder eine Erichsentiefung.
Weiterhin kann die mechanische Belastung auch durch eine fallende
Kugel oder durch Biegen des mit der Beschichtung versehenen Substrats
um einen Dorn, wobei die Beschichtung auf der dem Dorn abgewandten
Seite des Substrats angeordnet ist, aufgebracht werden.
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Bei
der Gitterschnitt-Prüfung
werden zunächst
mehrere parallel liegende Schnitte in der Beschichtung ausgeführt. Die
Schnitte werden dabei so tief durchgeführt, dass diese bis auf das
Substrat reichen. Im allgemeinen werden sechs nebeneinander liegende
Schnitte durchgeführt.
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Als
nächstes
werden nebeneinander liegende parallele Schnitte in die Beschichtung
eingebracht, die zu den ersten Schnitten um 90° verdreht sind. Auch hierbei
werden im allgemeinen sechs nebeneinander liegende Schnitte eingebracht.
Der Abstand zwischen zwei parallelen Schnitten ist dabei jeweils
gleich groß,
so dass durch das Einschneiden in den Lack 25 Quadrate entstehen.
Nach dem Anbringen der Schnitte werden die behandelten Oberflächen abgebürstet oder
mit einem Klebeband abgezogen. Die Qualität der Haftung der Beschichtung
ergibt sich dadurch, wie groß der
Anteil an Beschichtungsmaterial ist, das durch das Eindringen der
Schnitte abplatzt und durch das Abbürsten oder das Abziehen mit
Klebeband entfernt wird.
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Bei
einer Erichsentiefung wird zunächst
ein Probenkörper,
im allgemeinen eine gehärtete,
polierte Stahlkugel mit einem Durchmesser von 20 mm mit gleichmäßiger Vorschubgeschwindigkeit
von ca. 0,2 mm/sec. in die Rückseite
des Substrats gedrückt.
Als Rückseite
des Substrats wird dabei die Seite des Substrats bezeichnet, die
der Beschichtung gegenüber
liegt. Die Vorschubbewegung des Probenkörpers wird beendet, sobald
der erste Riss in der Oberfläche der
Beschichtung auftritt.
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Um
das erste Auftreten eines Risses in der Beschichtung zu erkennen,
ist es bevorzugt, dass das Aufprägen
der mechanischen Belastung auf die Beschichtung in Schritt (a) und
das Erstellen der Infrarotaufnahme in Schritt (b) gleichzeitig erfolgt.
Die Infrarotaufnahme ist hierbei vorzugsweise ein Infrarotfilm,
der kontinuierlich während
des Aufprägens der
mechanischen Belastung erstellt wird. Das gleichzeitige Aufprägen der
mechanischen Belastung auf die Beschichtung und das Erstellen der
Infrarotaufnahme wird vorzugsweise bei allen mechanischen Prüfungen durchgeführt, bei
denen während der
Prüfung
eine Veränderung
in der Beschichtung erkannt werden muss.
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Bei
mechanischen Prüfungen,
bei denen eine Beurteilung der Beschichtung erst nach abgeschlossener
mechanischer Belastung durchgeführt wird,
ist es ausreichend, dass erst die mechanische Belastung in Schritt
(a) aufgeprägt
wird und anschließend
die Infrarotauf nahme in Schritt (b) erstellt wird. Die Verfahren,
bei denen die optische Beurteilung erst nach dem Aufprägen der
mechanischen Belastung erfolgt, sind z.B. die mechanischen Prüfungen, mit
denen die Haftung der Beschichtung auf dem Substrat geprüft wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Auswertung der Infrarotaufnahme durch ein elektronisches
Bildverarbeitungssystem. Der Vorteil der Auswertung durch ein elektronisches
Bildverarbeitungssystem ist, dass subjektive Eindrücke des Prüfers nicht
bei der Auswertung berücksichtigt
werden. Eine objektive Auswertung der Prüfung ist möglich. Ein weiterer Vorteil
der Auswertung durch ein elektronisches Bildverarbeitungssystem
ist, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren
für eine
Reihenprüfung
eignet, bei der automatisiert eine große Anzahl von Beschichtungen
geprüft
wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in der Zeichnung in Form eines Blockschaltbilds schematisch
vereinfacht wiedergegeben und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt ein stark verkürztes Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels:
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In
einem in der Figur dargestellten ersten Schritt S1 wird eine mechanische
Belastung auf eine Beschichtung aufgeprägt. Durch die mechanische Belastung
kann dabei ein Substrat, auf welchem die Beschichtung aufgebracht
ist, zumindest teilweise durch Ablösen der Beschichtung freigelegt
werden. Es ist jedoch auch möglich,
dass unter definierten Bedingungen, unter denen die Belastung aufgeprägt wird,
keine Schädigung
der Beschichtung erfolgt. Dies ist zum Beispiel bei Lacken von hoher
Qualität möglich.
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Eine
Beschichtung ist z.B. ein farbgebender Lack oder ein Klarlack, welcher
auf das Substrat aufgetragen wird. Die Beschichtung kann weiterhin
auch eine Kunststoffschicht, eine Keramikschicht oder eine Pulverbeschichtung
sein, die auf das Substrat aufgetragen wird. Zudem ist es auch möglich, dass die
Beschichtung eine Folie ist, welche auf das Quadrat aufgeklebt wird.
Weiterhin kann die Beschichtung auch eine aufgedampfte oder elektrochemisch abgeschiedene
Schicht sein, wenn die Infrarotemission unterschiedlich zum Substrat
ist. Eine solche Schicht ist zum Beispiel eine Phosphatierung, wie
sie zum Rostschutz bei metallischen Oberflächen durchgeführt wird,
oder eine Metallbeschichtung auf einem Substrat aus Kunststoff.
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Das
Substrat ist vorzugsweise eine Platte. Das Material des Substrats
ist z.B. ein Metall, ein Kunststoff, Glas oder Keramik. Eine Beschränkung der
Materialien für
das Substrat gibt es nicht. Es ist lediglich darauf zu achten, dass
die Emissionseigenschaften für
Infrarotlicht von Beschichtung und Substrat unterschiedlich sind.
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In
einem zweiten Schritt S2 wird das Substrat mit der darauf ausgebildeten
Beschichtung isotherm eingespannt. Durch das isotherme Einspannen
wird vermieden, dass verschiedene Bereiche des Substrates mit der
darauf ausgebildeten Beschichtung, die jeweils unterschiedliche
Temperaturen aufweisen, die Infrarotstrahlung unterschiedlich emittieren
und hierdurch Fehler in der Bildauswertung gemacht werden.
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Als
isothermes Einspannen im Sinne der vorliegenden Erfindung wird verstanden,
dass sowohl die Halterung zum Einspannen als auch das Substrat und
die Beschichtung sowie die umgebende Luft eine im Wesentlichen gleiche
Temperatur aufweisen. Im Wesentlichen gleiche Temperatur bedeutet
hierbei, dass der Temperaturunterschied nicht größer als 1 K ist.
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Neben
der in 1 dargestellten Reihenfolge, bei der zunächst die
mechanische Belastung auf die Beschichtung aufgebracht wird und
anschließend das
Substrat eingespannt wird, ist es auch möglich, Schritt S1 und Schritt
S2 zu vertauschen, d.h. zunächst
das Substrat mit der Beschichtung einzuspannen und danach die mechanische
Belastung auf die Beschichtung aufzuprägen.
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In
einem dritten Schritt S3 wird eine Infrarotaufnahme des Bereichs
erstellt, in dem die mechanische Belastung auf die Beschichtung
im Schritt S1 aufgeprägt
worden ist. Durch die unterschiedlichen Emissionsgrade für Infrarotstrahlung
von unterschiedlichen Materialen lassen sich auf der Infrarotaufnahme
die Bereiche erkennen, an denen sich kein Beschichtungsmaterial
mehr auf dem Substrat befindet.
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Da
sich die Emissionseigenschaften für Infrarotstrahlung eines Materials
abhängig
von der Temperatur unterscheiden, ist es notwendig, dass die Infrarotaufnahme
in Schritt S3 unter isothermen Bedingungen erstellt wird. Bei Temperaturunterschieden
in der Beschichtung oder im Substrat wäre es sonst möglich, dass
wärmere
oder kältere
Bereiche als Bereiche gedeutet werden, in denen sich keine Beschichtung
mehr auf dem Substrat befindet, obwohl die Beschichtung in diesem
Bereich in Ordnung ist. Andererseits wäre es selbstver ständlich auch möglich, dass
der Bereich mit einer anderen Temperatur in der Infrarotaufnahme
den Eindruck erweckt, dass an dieser Stelle die Beschichtung in
Ordnung sei, obwohl sich keine Beschichtung mehr auf dem Substrat
befindet.
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Um
isotherme Bedingungen für
die Infrarotaufnahme zu erreichen, ist es z.B. möglich, vor dem Erstellen der
Infrarotaufnahme zu warten, bis sich gegebenenfalls im Substrat
oder in der Beschichtung auftretende Temperaturunterschiede ausgeglichen haben.
Es ist bevorzugt, dass das Substrat nur eine geringe Dicke aufweist,
da sich dann schneller eine homogene Temperaturverteilung im Substrat
einstellt.
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Um
bereits zu vermeiden, dass durch das Handhaben des Substrats mit
der Beschichtung beim Aufbringen der mechanischen Belastung Temperaturunterschiede
aufgeprägt
werden, ist es bevorzugt, das Substrat mit der Beschichtung zuerst
einzuspannen und danach die mechanische Belastung auf das Substrat
auszuüben.
Hierdurch wird z.B. vermieden, dass das Substrat durch Festhalten
vom Prüfer
an den Stellen, an denen der Prüfer
das Substrat kontaktiert, erwärmt
wird.
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Das
Erstellen der Infrarotaufnahme in Schritt S3 kann gleichzeitig mit
dem Aufprägen
der mechanischen Belastung in Schritt S1 oder erst nach dem Aufprägen der
Belastung in Schritt S1 erfolgen. In der hier dargestellten Ausführungsform
erfolgt das Erstellen der Infrarotaufnahme erst nach dem Aufprägen der
Belastung. Dies ist dann möglich,
wenn durch das Aufprägen
der Belastung Veränderungen in
der Beschichtung eintreten, jedoch nicht erforderlich ist, den Zeitpunkt
der Veränderungen
festzuhalten. Das Erstellen der Infrarotaufnahme in Schritt S3 nach
dem Aufprägen
der mechanischen Belastung ist z.B. möglich bei der Durchführung eines
Gitterschnittes zur Prüfung
der Haftung der Beschichtung, einer Dornbiegeprüfung zur Ermittlung der Biegeelastizität oder auch
einer Kugelschlagprüfung
zur Ermittlung der Stoß-
und Schlagelastizität.
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Bei
der Dornbiegeprüfung
wird das Substrat mit der darauf ausgebildeten Beschichtung um einen konisch
ausgebildeten Dorn gebogen. Anschließend wird der Durchmesser ermittelt,
bei dem die Beschichtung Risse aufweist oder abblättert. Bei
der Kugelschlagprüfung
wird eine Kugel auf die Beschichtung fallengelassen. Die Kugel wird
solange aus unterschiedlichen Fallhöhen auf die Beschichtung fallengelassen,
bis erste Riss- oder Ablöseerscheinungen
in der Beschichtung sichtbar werden. Es ist also möglich, die
Kugel zunächst
fallenzulassen, dann eine Infrarotaufnahme zu erstellen und dieses
so oft zu wiederholen, bis auf der Infrarotaufnahme ein Riss oder
eine Ablösung
der Beschichtung erkennbar ist.
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Es
kann selbstverständlich
auch jede weitere mechanische Prüfung
durchgeführt
werden, bei der die optische Auswertung erst nach der Beanspruchung
erfolgt.
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Bei
Prüfungen
der Beschichtung, bei denen eine kontinuierlich zunehmende Beanspruchung
aufgebracht wird, wobei die Prüfung
zu beenden ist, sobald erste Riss- oder Ablöseerscheinungen in der Beschichtung
auftreten, ist es bevorzugt, dass das Erstellen der Infrarotaufnahme
in Schritt S3 und das Aufbringen der mechanischen Belastung in Schritt S1
gleichzeitig erfolgt. Eine derartige Prüfung ist z.B. eine Erichsentiefung
zur Prüfung
der Biegeelastizität der
Beschichtung. Bei der Erichsentiefung wird z.B. mittels eines Stößels eine
gehärtete,
polierte Stahlkugel mit einem Durchmesser von 20 mm solange mit
gleichmäßiger Vorschubgeschwindigkeit
von ungefähr
0,2 mm/sec. in die Rückseite
des als Probeplatte ausgebildeten Substrats gedrückt, bis sich ein erster Riss
in der Beschichtung zeigt. Der zurückgelegte Weg des Stößels wird
als Tiefungswert abgelesen. Aus diesem Grund ist es wichtig, genau
zu erkennen, zu welchem Zeitpunkt der erste Riss in der Beschichtung
auftritt. Daher ist es notwendig, jeweils in kurzen Abständen eine
Infrarotaufnahme des Bereichs der Beschichtung zu erstellen, die
durch die Erichsentiefung belastet wird, während die Prüfung durchgeführt wird.
Besonders bevorzugt werden die Infrarotaufnahmen in einem so kurzen
Abstand erstellt, dass ein Infrarotfilm erzeugt wird.
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Nach
dem Erstellen der Infrarotaufnahme wird diese in Schritt S4 ausgewertet.
Bei den Prüfungsverfahren,
bei denen die Infrarotaufnahme erst nach der Durchführung der
mechanischen Belastung erstellt wird, ist es bevorzugt, erst die
Infrarotaufnahme zu erstellen und diese anschließend auszuwerten. Bei den Prüfungsverfahren,
die es erforderlich machen, dass die Infrarotaufnahme gleichzeitig
mit der mechanischen Belastung erstellt wird, erfolgt auch die Auswertung
vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig mit der Erstellung der
Aufnahme. Die Auswertung der Infrarotaufnahme in Schritt S4 kann dabei
optisch von einem Prüfer
erfolgen oder automatisiert durch ein Bildverarbeitungssystem. Bevorzugt
wird die Auswertung der Infrarotaufnahme durch ein Bildverarbeitungssystem
durchgeführt.
Vorteil des Bildverarbeitungssystems ist, dass die Auswertung objektiv
erfolgt. Ein subjektiver Einfluss des Prüfers wird ausgeschlossen. Zur
Auswertung mit einem Bildverarbeitungssystem kann jedes beliebige,
dem Fachmann bekannte Bildverarbeitungssystem eingesetzt werden.
Es ist lediglich erforderlich, dass durch das Bildverarbeitungssystem
Farbunterschiede erkannt werden. So kann die Bildauswertung der
Infrarotaufnahme entweder als Farbbild erfolgen, wobei die Aufnahme
vorzugsweise in die einzelnen Farbkanäle zerlegt wird oder es werden
die Grauwertbilder ausgewertet.
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Zur
Auswertung werden zum Beispiel die Flächen, bei denen die Beschichtung
sichtbar ist, den Flächen,
bei denen das Substrat sichtbar ist, also die Beschichtung abgeblättert ist,
ge genübergestellt.
Als Ergebnis wird der Anteil der Fläche in % angegeben, in dem
die Beschichtung abgeblättert
ist.