DE102007006335A1

DE102007006335A1 - Verfahren zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit eines Bauelements

Info

Publication number: DE102007006335A1
Application number: DE102007006335A
Authority: DE
Inventors: Franz Siegfried Dipl.-Chem. Borgerding; Matthias Dr.-Ing. Schmidt
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2007-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit eines tauchzulackierenden oder tauchlackierten Bauelements (B), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, an zumindest einem Punkt, wobei das Bauelement (B) eine elektrisch leitfähige Oberfläche (A) umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm-Produkt, das in einen Speicher eines Computers ladbar ist und Softwareabschnitte umfasst, mit denen eines der Verfahren ausführbar ist, wenn das Produkt auf dem Computer läuft.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit eines zu tauchlackierenden Bauelements, insbesondere für ein Kraftfahrzeug sowie ein Computerprogramm-Produkt zum Ausführen der Verfahren.
Metallstrukturen im Fahrzeugbau müssen gegen Korrosion geschützt werden, um eine lange Lebensdauer des späteren Kraftfahrzeugs sicherstellen zu können. Stand der Technik ist heute die Aufbringung einer luft- und feuchtigkeitsundurchlässigen Lackschicht auf die korrosionsfähigen Bauelemente durch elektrolytische Abscheidung einer Tauchlackflüssigkeit im Rahmen von Tauchlackierverfahren. Diese Lackschicht kann dabei in stark belasteten Bereichen durch eine Vorbehandlung der Bauelemente unterstützt werden. Die Korrosionsschutzeigenschaften der Lackschicht resultieren aus der Tatsache, dass durch das Aufbringen einer organischen Schicht auf die metallische Oberfläche des Bauelements der Innentransport und die elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt und ein Kontakt mit wässrigen Medien vermieden wird. Dabei wird die Fähigkeit der Lackschicht, Korrosion effektiv zu vermeiden, von vielen Faktoren beeinflusst. Insbesondere die sich ausbildende Schichtstruktur ist dabei stark von den Prozessparametern des Tauchlackierverfahrens abhängig. Eine zu geringe Schichtdicke bzw. eine poröse Morphologie der Lackschicht bieten keinen ausreichenden Korrosionsschutz und sind daher zu vermeiden. Demgegenüber ist eine zu dicke Lackschicht einerseits durch die Materialverschwendung unökonomisch und erhöht andererseits die Gefahr von Abplatzern bei mechanischer Beanspruchung.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass empirisches Wissen aufgrund der Vielzahl von Einflussfaktoren auch und gerade bei komplexen Bauelementen nicht mehr ausreicht, um den geforderten Korrosionsschutz sicherstellen zu können. Insbesondere im Zuge immer kürzer werdender Entwicklungszyklen fehlt zudem die Zeit, jedes tauchzulackierende Bauelement langwierigen und kostspieligen Tests, wie beispielsweise mehrwöchigen Klimawechseltests, zu unterwerfen, um Aussagen über seine Korrosionsanfälligkeit treffen zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine schnellere und kostengünstigere Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit eines Bauelements zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit eines zu tauchlackierenden Bauelements, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß Patentanspruch 1 und 4 sowie durch ein Computerprogramm-Produkt zum Ausführen der genannten Verfahren gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Verfahrens – soweit anwendbar – als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Verfahrens bzw. des Computerprogramm-Produkts anzusehen sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit eines zu tauchlackierenden Bauelements, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, an zumindest einem Punkt mit Hilfe einer Datenverarbeitungsvorrichtung, umfasst dabei die Schritte:

– Bereitstellen von die Geometrie des Bauelements beschreibenden Daten;
– Bereitstellen von die Geometrie eines beim Tauchlackierverfahren zu verwendenden Tauchbeckens beschreibenden Daten;
– Bereitstellen von die Geometrie einer beim Tauchlackierverfahren zu verwendenden Gegenelektrode beschreibenden Daten;
– Bereitstellen von die Positionen des als Elektrode wirkenden Bauelements und der Gegenelektrode gegenüber dem Tauchbecken beim Tauchlackierverfahren beschreibenden Daten;
– Bereitstellen von ein Material einer Oberfläche des Bauelements charakterisierenden Daten;
– Bereitstellen von eine Tauchlackflüssigkeit charakterisierenden Daten;
– Bereitstellen von das Abscheidverhalten der Tauchlackflüssigkeit auf dem Material in Abhängigkeit eines zeitlichen Spannungsverlaufs und eines zeitlichen Stromverlaufs an der Gegenelektrode charakterisierenden Daten;
– Bereitstellen von die Korrosionsanfälligkeit des Bauelements in Abhängigkeit des Abscheidverhaltens der Tauchlackflüssigkeit charakterisierenden Daten;
– Bereitstellen zumindest eines zeitlichen Stromverlaufswerts und eines zeitlichen Spannungsverlaufswerts zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode;
– Berechnen eines elektrischen Potentials zumindest im Punkt in Abhängigkeit des Spannungsverlaufswerts und/oder des Stromverlaufswerts;
– Berechnen einer Stromdichte im Punkt in Abhängigkeit des elektrischen Potentials und/oder des Stromverlaufswerts; und
– Vorhersagen der Korrosionsanfälligkeit des Bauelements im Punkt mittels der bereitgestellten und berechneten Daten.

Im Gegensatz zum Stand der Technik ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren demnach eine rein rechnerbasierte Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit von Bauelementen beliebiger Geometrie ohne die Notwendigkeit aufwendiger praktischer Versuchsreihen. Weiterhin kann die Vorhersage für alle denkbaren Materialien und sämtliche Taucklackzusammensetzungen an einem virtuellen Bauelement durchgeführt werden, so dass die jeweils optimalen Parameter für das Tauchlackierverfahren simulativ ermittelt und direkt in die tatsächliche Produktion übernommen werden können. Dadurch sind erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen möglich, da insbesondere auf die bislang notwendigen Klimawechseltests, welche üblicherweise mehrere Wochen in Anspruch nahmen, verzichtet werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit eines Bauelements, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, an zumindest einem Punkt, wobei das Bauelement eine elektrisch leitfähige Oberfläche umfasst, mit den Schritten:

– Eintauchen des Bauelements in ein Tauchbecken mit einer Tauchlackflüssigkeit;
– Erzeugen eines elektrischen Felds im Tauchbecken durch Anlegen einer definierten Spannung für eine vorbestimmte Zeit, wobei das Bauelement als Elektrode fungiert und eine Gegenelektrode vorhanden ist; und
– elektrochemisches Abscheiden zumindest eines Teils der Tauchlackflüssigkeit als Lackschicht auf der Oberfläche des Bauelements; mit den weiteren Schritten:
– Ermitteln der elektrochemischen Abscheidverhalten der Tauchlackflüssigkeit auf der Oberfläche in Abhängigkeit eines Materials der Oberfläche, einem zeitlichen Spannungsverlauf und einem zeitlichen Stromverlauf zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode;
– Ermitteln der Korrosionsschutzeigenschaft der abgeschiedenen Lackschicht;
– Ermitteln der Geometrie des Bauelements, insbesondere seiner Oberfläche, des Tauchbeckens und der Gegenelektrode;
– Ermitteln der Positionen des Bauelements und der Gegenelektrode innerhalb des Tauchbeckens zumindest während des elektrochemischen Abscheidens;
– Ermitteln zumindest eines Strommesswerts und zumindest eines Spannungsmesswerts zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode; und, unter Verwendung der zuvor ermittelten Daten mittels einer Datenverarbeitungsvorrichtung, mit den weiteren Schritten:
– Berechnen eines elektrischen Potentials im Punkt in Abhängigkeit des Spannungsmesswerts;
– Berechnen einer Stromdichte im Punkt in Abhängigkeit des elektrischen Potentials und/oder des Strommesswerts; und
– Vorhersagen der Korrosionsanfälligkeit des Bauelements zumindest im Punkt unter Einbeziehen der elektrochemischen Abscheidverhalten der Tauchlackflüssigkeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dabei, die elektrochemische Abscheidverhalten jeder in Frage kommenden Tauchlackflüssigkeit auf der Oberfläche jedes in Frage kommenden Bauelements in Abhängigkeit jedes in Frage kommenden Materials der Oberfläche des Bauelements zu ermitteln. Daher kann das Verfahren zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit von bereits lackierten Bauelementen verwendet werden. Das Verfahren ermöglicht jedoch weiterhin, die dem ermittelten Abscheidverhalten zugeordneten Daten zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor genannten Art zur rein simulativen Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit eines Bauelements zu verwenden. Dadurch kann auch die Korrosionsanfälligkeit von Bauelementen vorhergesagt werden, von welchen bislang noch keine geeigneten Daten für die konkrete Kombination von Tauchlackierparameter, Tauchlackflüssigkeit und Material der Oberfläche des fraglichen Bauelements bereitgestellt werden konnten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm-Produkt, das in einen Speicher eines Computers ladbar ist und Softwareabschnitte umfasst, mit denen zumindest eines der zuvor genannten Verfahren ausführbar ist, wenn das Produkt auf dem Computer läuft. Ein derartiges Computerprogramm-Produkt erlaubt damit ein schnelles und flexibles Ausführen eines oder mehrerer der zuvor angegebenen Verfahren und ermöglicht somit die genannten Zeit- und Kosteneinsparungen. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Computerprogramm-Produkt auf einem physikalischen Datenträger vorliegt, über ein Netzwerk zur Verfügung gestellt wird oder auf sonstige geeignete Weise zur Verwendung auf einem Computer bereitgestellt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines vorbehandelten Bauelements;
2 eine schematische Darstellung elektrochemischer Vorgänge während eines Tauchlackierverfahrens;
3 schematische Beispieldiagramme der Korrosionsanfälligkeit zweier tauchlackierter Bauelemente in Abhängigkeit unterschiedlicher Tauchlackierparameter;
4 ein Widerstands-Zeit-Diagramm mehrerer tauchlackierter Bauelemente mit unterschiedlichen Lackschichtdicken;
5 eine schematische Darstellung einer Finite-Elemente-Vernetzung mehrerer Bauelemente;
6 eine schematische Darstellung einer Finite-Elemente-Vernetzung eines Tauchbeckens;
7 eine schematische Darstellung der Positionen zweier Elektroden innerhalb des Tauchbeckens gemäß 6;
8 eine schematische und teilgeschnittene Darstellung einer Finite-Elemente-Vernetzung einer innerhalb des Tauchbeckens gemäß 6 und 7 angeordneten Tauchlackierflüssigkeit;
9 eine schematische Darstellung mehrerer als Probekörper dienender Bauelemente sowie ihre Anordnung innerhalb eines als Testbecken ausgebildeten Tauchbeckens;
10 schematische seitliche Schnittansichten des zeitabhängigen Umgreifens einer Tauchlackflüssigkeit auf ein Bauelement;
11 einen zeitlichen Spannungsverlauf zwischen Elektrode und Gegenelektrode, wobei die durchschnittliche Spannung 250 V beträgt;
12 zeitliche Stromverläufe bei unterschiedlichen Spannungen;
13 zeitliche Stromdichteverläufe bei unterschiedlichen Spannungen;
14 zeitliches Lackschichtdickenwachstum in Abhängigkeit der angelegten Spannung;
15 Bode-Diagramm einer Lackschicht mit guten Korrosionsschutzeigenschaften;
16 ein Ersatzschaltbild einer Lackschicht mit schlechten Korrosionsschutzeigenschaften;
17 eine schematische Darstellung eines Bode-Diagramms einer idealen Lackschicht;
18 eine schematische Darstellung eines Bode-Diagramms einer nicht-idealen Lackschicht; und
19 eine schematische Darstellung eines Bode-Diagramms einer untauglichen Lackschicht.
1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines vorbehandelten Bauelements B gemäß dem Stand der Technik, dessen Korrosionsanfälligkeit mit Hilfe der Verfahren vorhergesagt werden kann. Die Vorbehandlung des Bauelements B, welches vorliegend aus einem Stahlblech M ausgebildet ist, umfasst dabei einen leitfähigen, beispielsweise metallischen Lack 10, eine Phosphatierung 12 sowie eine organische Vorbeschichtung 14, welche zur Gewährleistung der erforderlichen Leitfähigkeit eingeschlossene Metallpartikel 16 mit unterschiedlichen Durchmessern besitzt. Eine hohe Rauigkeit der elektrisch leitfähigen Oberfläche A des Bauelements B kann beim folgenden Tauchlackierverfahren (s. 2) zu lokalen Spannungsspitzen führen. Diese können das Abscheidverhalten der Tauchlackflüssigkeit TL (s. 2) beeinflussen. Insbesondere bei der gezeigten organischen Vorbeschichtung 14, die aus einem nur gering leitfähigen Teil mit den herausragenden Metallpartikeln 16 besteht, tritt ein veränderter Stromfluss mit den genannten Spannungsspitzen auf. Grundsätzlich kann jedoch mit Hilfe der Verfahren bzw. des Computerprogramm-Produkts die Korrosionsanfälligkeit auch anders vorbehandelter oder unbehandelter Bauelemente B vorhergesagt werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung elektrochemischer Vorgänge während eines Tauchlackierverfahrens gemäß dem Stand der Technik. Dabei fungiert das Bauelement B gleichzeitig als Kathode K und als der zu lackierende Gegenstand. Es besitzt dabei die elektrisch leitfähige Oberfläche A. Beispiele für elektrisch leitfähige Oberflächen A sind Oberflächen aus Stahl, Aluminium, Kupfer oder anderen Metallen oder auch Oberflächen A aus metallisch beschichtetem Kunststoff. Das Bauelement B ist z. B. eine Karosserie oder ein Teil einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs (nicht abgebildet).
Durch das Tauchlackierverfahren wird mindestens eine organische Lackschicht L auf die elektrisch leitende Oberfläche A aufgetragen. Diese mindestens eine organische Lackschicht L reduziert den Innentransport und die elektrische Leitfähigkeit in denjenigen Bereichen des Bauelements B, die mit Wasser in Kontakt geraten. Dadurch vermeidet die aufgetragene organische Lackschicht L eine Korrosion dieser Bereiche oder verlangsamt wenigstens die Korrosion, so dass eine vorgegebene Korrosionsanfälligkeit, beispielsweise innerhalb von 30 Jahren keine Durchrostung des Bauelements B, gewährleistet werden kann.
2 zeigt dabei, welche elektrochemischen Vorgänge beim Tauchlackierverfahren ablaufen. Gezeigt wird ein Tauchbecken TB, in das das Bauelement B mit seiner elektrisch leitfähigen Oberfläche A eingetaucht wird. Im Tauchbecken TB befindet sich eine Tauchlackflüssigkeit TL, die vorzugsweise Polymere sowie ein Lösungsmittel umfasst. In der Tauchlackflüssigkeit TL können zudem metallische Partikel, z. B. Zinkpartikel, gelöst sein. Durch das Tauchlackierverfahren wird eine Lackschicht L auf dieser elektrisch leitfähigen Oberfläche A erzeugt. In 2 wird dabei eine sog. kathodische Tauchlackierung gezeigt. Das Bauelement B fungiert als die Kathode K im Tauchbecken TB. Im Tauchbecken TB ist weiterhin eine Anode A vorhanden. Die Kathode K, die Anode A, eine Spannungsquelle 18 und die Tauchlackflüssigkeit TL im Tauchbecken TB bilden zusammen einen Stromkreis. Die Anode A ist gegenüber der Kathode K dergestalt isoliert, dass kein Kurzschluss auftritt. Die Lackschicht L scheidet sich an der Kathode K und damit auf dem eingetauchten Bauelement B ab.
Das Tauchlackierverfahren bzw. die vorliegenden Verfahren zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit lassen sich für die gezeigte kathodische Tauchlackierung und in gleicher Weise für eine anodische Tauchlackierung anwenden. Bei einer anodischen Tauchlackierung fungiert das Bauelement B als die Anode A des Stromkreises im Tauchbecken TB. Die Lackschicht L scheidet sich demnach an der Anode A ab. Die kathodische Tauchlackierung weist gegenüber der anodischen den Vorteil auf, dass keine elektrolytische Auflösung des Materials M des Bauelements B wie bei der anodischen Tauchlackierung auftritt.
Bei der kathodischen Tauchlackierung bewirkt der elektrische Strom, dass an der Kathode K Wasser in ein OH^– Ion und ein H⁺ Ion aufgespalten wird. Das OH^– verbindet sich dann mit den Bestandteilen der Tauchlackflüssigkeit TL zu einer elektrisch gering leitfähigen Schicht auf dem Bauelement B. Der Vorgang der Aufspaltung des Wassers ist in seiner Geschwindigkeit von der anliegenden Stromstärke I abhängig. In welchem Ausmaß die Lackschicht L die Korrosion des Bauelements B hemmt, hängt ab von:

– den elektrischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften der Lackschicht L;
– der Adhäsionskraft der Lackschicht L auf der elektrisch leitfähigen Oberfläche A;
– der Durchlässigkeit der Lackschicht L für Ionen und Wasser; und
– der Dicke der aufgetragenen Lackschicht L.

Eine zu geringe Dicke der aufgetragenen Lackschicht L verringert den Schutz des Bauelements B vor Korrosion. Eine zu dicke Lackschicht weist folgende Nachteile auf:

– Mechanische Beanspruchung des lackierten Bauelements B kann dazu führen, dass die Lackschicht L abspringt;
– Zuviel Tauchlackflüssigkeit TL wird verbraucht, was teuer und zeitaufwändig ist und die Umwelt unnütz belastet.

Die Dicke der aufgetragenen Lackschicht L hängt ab von verschiedenen Parametern beim Tauchlackierverfahren. Zu diesen Parametern gehören:

– die an die Anode A angelegte elektrische Spannung U gegenüber der Kathode K des Tauchbeckens TB;
– die Temperatur der Tauchlackflüssigkeit TL im Tauchbecken TB; und
– die Leitfähigkeit der Tauchlackflüssigkeit TL im Tauchbecken TB.

Die Leitfähigkeit der Tauchlackflüssigkeit TL hängt wiederum von ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer Temperatur ab. Die elektrochemischen Vorgänge beim kathodischen Beschichtungsvorgang sind in 1 gezeigt. Die resultierende Morphologie der Lackschicht L unterscheidet sich in seiner Mikrostruktur stark in Abhängigkeit von den während des Tauchlackierens vorherrschenden elektrochemischen Randbedingungen. Die vorliegenden Verfahren bzw. das Computerprogramm-Produkt ermöglichen eine Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit bzw. des resultierenden Korrosionsschutzes, welcher sich aus dem Schichtaufbau der Lackschicht L des tauchlackierten Bauelements B ergibt.
3 zeigt schematische Beispieldiagramme der Korrosionsanfälligkeit zweier gemäß 2 tauchlackierter Bauelemente B1 und B2 in Abhängigkeit unterschiedlicher Tauchlackierparameter. Die Bauelemente B1 und B2 unterscheiden sich dabei durch die Materialien M1, M2 ihrer jeweiligen Oberflächen A1, A2. So kann Bauelement B1 beispielsweise aus einer Eisenlegierung, Bauelement B2 aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sein. Als Tauchlackflüssigkeit TL wurde jeweils derselbe Lacktyp verwendet. Jedes Bauelement B1, B2 wurde dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel in mehreren Versuchsreihen bei drei Spannungsniveaus U1, U2 und U3 tauchlackiert, wobei als Werte von U1–3 120 V, 180 V und 250 V gewählt wurden. Denkbar sind aber natürlich auch alternative Spannungen U.
Nach unterschiedlichen Beschichtungszeiten t wurden die an den Bauelementen B1, B2 abgeschiedenen Lackschichten L eingebrannt und auf ihre Korrosionsanfälligkeit untersucht. In den Diagrammen sind dabei Bauelemente B bzw. Lackschichten L mit ungenügenden Korrosionsschutz mit schraffierten, grenzwertige Lackschichten L mit gepunkteten und Lackschichten L mit dem gewünschten Korrosionsschutz mit ausgefüllten Rechtecken gekennzeichnet. Eine geeignete Methodik zur experimentellen Bestimmung der Korrosionsanfälligkeit wird im Folgenden näher erläutert werden. Wie den Diagrammen entnommen werden kann, besteht kein einfacher Zusammenhang zwischen den Parametern Spannung U, der Beschichtungszeit t und dem Material M auf der einen und der erzielten Korrosionsanfälligkeit auf der anderen Seite. Demgegenüber steigt die Dicke h der Lackschicht L bei allen Spannungen U1–3 im Wesentlichen kontinuierlich mit der Beschichtungszeit t an (s. 14). Die Dicke h der Lackschicht L stellt demnach für sich betrachtet kein zuverlässiges Maß für die Korrosionsanfälligkeit des Bauelements B dar, wobei grundsätzlich natürlich immer eine gewisse Mindestlackdicke vorhanden sein muss.
4 zeigt ein Widerstands-Zeit Diagramm mehrerer tauchlackierter Bauelemente B mit unterschiedlichen Lackschichtdicken h, wobei Bauelemente mit ausreichendem Korrosionsschutz mit „i.o." gekennzeichnet sind. Auch hier wird deutlich, dass die Lackschichtdicke h kein aussagekräftiges Maß für die Korrosionsanfälligkeit darstellt und demnach keine allgemeingültigen Schichtdicken h zum Erreichen des geforderten Korrosionsschutzes vorgegeben werden können. Insbesondere wird deutlich, dass die bislang geltende Grenze von minimal etwa 12 pm Schichtdicke h für den Korrosionsschutz nicht aussagekräftig ist, da auch eine mit 21.9 pm wesentlich dickere Schicht u. U. nicht performant sein kann. Weitere Untersuchungen ergeben, dass die minimal notwendige Schichtdicke sich je nach Material M des Bauelements B und den beim Tauchlackieren vorherrschenden Beschichtungsparametern unterscheidet (vgl. 3). Über alle Messungen zeigt sich, dass unabhängig von Substrat und Schichtentstehung ein Grenzwiderstand von 1 GOhm eine korrosionsfeste Schicht ergibt. Dies gilt dann jedoch unabhängig von der Dicke h der aufgebrachten Lackschicht L.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass die während des Beschichtungsvorgangs anliegende Stromstärke I für die resultierende Schichtdicke verantwortlich ist, während die anliegende Spannung U im Wesentlichen die Dichtigkeit gegen Elektrolyt und damit die Morphologie der entstehenden Lackschicht L steuert.
Zur Durchführung der Verfahren und damit zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit eines Bauelements B sind grundsätzlich folgende Eingangsgrößen erforderlich:

– Geometrie des zu beschichtenden Bauelements B in computerlesbarer Form (CAD-Daten);
– Geometrie des Tauchbades TB in computerlesbarer Form (CAD-Daten);
– Position von Gegenelektrode K/A und zu beschichtendem Bauelement B im Tauchbecken TB;
– Material M des zu beschichtenden Bauelements B;
– Abscheideverhalten der jeweiligen Tauchlackflüssigkeit TL auf dem Material M des Bauelements B;
– Beschreibung des zeitlichen Spannungsverlaufs It an der Gegenelektrode K/A;
– Beschreibung des zeitlichen Stromverlaufes Ut an der Gegenelektrode K/A.

Ist das Abscheideverhalten der jeweiligen Tauchlackflüssigkeit TL auf dem Material M des Bauelements B nicht bekannt, kann dieses experimentell durch vorgelagerte Beschichtungsversuche an Probekörpern PK (s. 5, 10) mit der zu in Frage kommenden Kombination von Tauchlackflüssigkeit TL und Material M des Bauelements B bzw. mit Hilfe des weiteren Verfahrens ermittelt werden. Als Methodik zur schnellen, einfachen und kostengünstigen Ermittlung der resultierenden Korrosionsanfälligkeit der Probekörper PK eignen sich beispielsweise Messungen mit der elektrochemischen Impedanzspektroskopie am besagten Probekörpern PK (s. 15–19). Auf die Vorab-Versuche und die Impedanzspektroskopie wird im Folgenden näher eingegangen werden. Die auf diese Weise ermittelten Daten können dann zur simulativen Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit von Bauelementen B mit beliebiger Geometrie angewendet werden. Aufgrund der problemlosen Übertragbarkeit der experimentellen Ergebnisse ist nur ein reduzierter Versuchsaufbau, insbesondere ein kleines Tauchbecken TB und ein dementsprechender Probekörper PK, erforderlich, wodurch weitere Zeiteinsparungen und Kostensenkungen erzielt werden. Die erfindungsgemäßen Verfahren sagen dann automatisch die Korrosionsanfälligkeit des mit der aufgetragenen Lackschicht L versehenen Bauelements B an mindestens einem Punkt vorher, wobei wie bereits erwähnt sowohl die Korrosionsanfälligkeit bereits tauchlackierter Bauelemente B als auch die potenzielle Korrosionsanfälligkeit geplanter Bauelemente B anhand virtueller Konstruktionsmodelle vorhergesagt werden kann. Dabei ist weiterhin zu beachten, dass die Korrosionsanfälligkeit örtlich variieren kann. Die Vorhersage kann dazu vorteilhafterweise auf mehrere Punkte oder das gesamte Bauelement B bzw. dessen gesamte Oberfläche A ausgedehnt und beispielsweise iterativ oder rekursiv durchgeführt werden.
Die folgenden 5 bis 8 zeigen Beispiele und Methoden zur Bereitstellung von geometriebeschreibenden Daten und werden daher zusammen beschreiben. 5 zeigt dabei eine schematische Darstellung einer Finite-Elemente-Vernetzung mehrerer Probekörper PK (s. 10). 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Finite-Elemente-Vernetzung eines Tauchbeckens TB. 7 zeigt eine schematische Darstellung der Positionen zweier Elektroden A, K innerhalb des Tauchbeckens TB gemäß 6 und 8 zeigt eine schematische und teilgeschnittene Darstellung einer Finite-Elemente-Vernetzung einer innerhalb des Tauchbeckens TB gemäß 6 und 7 angeordneten Tauchlackierflüssigkeit TL.
Die hier verwendete Methode der Finite-Elemente-Vernetzung ist aus dem Stand der Technik als bekannt zu entnehmen und soll kurz erläutert werden. Eine bestimmte Menge von Punkten des Konstruktionsmodells, die Knotenpunkte heißen, wird festgelegt. Als Finite Elemente werden diejenigen Flächen- oder Volumenelemente bezeichnet, deren Geometrien durch Knotenpunkte definiert werden. Die Knotenpunkte bilden ein Netz in dem computerverfügbaren Modell, weswegen der Vorgang, Knotenpunkte festzulegen und Finite Elemente zu erzeugen, Vernetzen des Modells genannt wird. Das Ergebnis des Vorgangs wird Fi nite-Elemente-Vernetzung genannt. Alternativ können aber auch andere Diskretisierungsmethoden wie beispielsweise die Randelementmethode oder dergleichen vorgesehen sein.
Vorzugsweise wird zum Einsparen von Speicherplatz und Rechenzeit lediglich die relevante Oberfläche A des Probekörpers PB bzw. des Bauelements B vernetzt. Die dadurch erzeugten Konstruktionsmodelle umfassen Flächenelemente, z. B. Dreiecke und/oder Vierecke, und beschreiben die Oberfläche A zumindest näherungsweise. Die Finite-Elemente-Vernetzung wird, wie in Zusammenschau der 6, 7 und 8 ersichtlich, weiterhin auf das Tauchbecken TB, die als Gegenelektrode fungierende Anode A sowie die Tauchlackflüssigkeit TL angewendet. Die Tauchlackflüssigkeit TL wird dabei mit Volumenelementen vernetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird darüber hinaus die Oberfläche einer Halterung 22 vernetzt und in Form von geometriebeschreibenden Daten bereitgestellt. An dieser Halterung 22 wird das Bauelement B bzw. der Probekörper PK während der Tauchlackierung gehalten und u. U. im Tauchbecken TB bewegt, wodurch die die Position des Bauelements B beschreibenden Daten zeit- und ortsabhängig sind.
Häufig sind sowohl das Tauchbecken TB als auch das Bauelement B symmetrisch. Um Speicherplatz und Rechenzeit einzusparen, werden diese Symmetrien ausgenutzt, indem die gebildeten Konstruktionsmodelle entsprechend der gegebenen Symmetrieoperatoren reduziert werden, so dass beispielsweise im Fall einer Spiegelebene lediglich eine Hälfte des Tauchbeckens TB bzw. des Bauelements B beschrieben wird und die entsprechend reduzierten Daten in die Rechnung einbezogen werden. Die 6, 7 und 8 zeigen daher beispielhaft jeweils nur eine Hälfte des Tauchbeckens TB mit zwei halben Seitenwänden, einem halben Boden und einer Rückwand.
Ausgehend von den derart konstruierten, die Geometrien der einzelnen Elemente beschreibenden Konstruktionsmodellen bzw. Daten, wird zur Durchführung der Verfahren eine rechnerverfügbare Beschreibung der jeweiligen Position der Gegenelektrode A (bzw. K) im Tauchbecken TB relativ zum Bauelement B bereitgestellt. Vorzugsweise geschieht dies, indem ein rechnerverfügbares Koordinatensystem KS vorgegeben wird. Das Konstruktionsmodell des Tauchbeckens TB, des Bauelements B, der Halterung 22 und der Gegenelektrode A (bzw. K) werden in diesem Koordinatensystem KS entsprechend ihrer späteren Anordnung in der Realität positioniert und orientiert, so dass ihre relativen Positionen zueinander bestimmbar sind. Wird das Bauelement B während der Tauchlackierung im Tauchbecken TB bewegt, werden die die Position bzw. Orientierung seines Konstruktionsmodells im Koordinatensystem KS beschreibenden Daten entsprechend angepasst. In 7 ist weiterhin noch eine Isolierung 20 erkennbar.
In den folgenden 9 bis 11 werden Ausführungsbeispiele von Probekörpern PK sowie verschiedene Effekte beim Tauchlackieren gezeigt und im Folgenden in Zusammenschau erläutert. 9 zeigt dabei eine schematische Darstellung mehrerer Probekörper PK1–3 sowie ihre Anordnung innerhalb eines als Testbecken ausgebildeten Tauchbeckens TB. 10 zeigt schematische seitliche Schnittansichten des zeitabhängigen Umgreifens der Tauchlackflüssigkeit TL gemäß 9 auf einen Probekörper PK bzw. ein Bauelement B.
In den hier beschriebenen Vorab-Versuchen werden funktionale Zusammenhänge zwischen Parametern des Lackiervorgangs empirisch ermittelt, so dass die benötigten Daten zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit der Probekörper PK bzw. allgemeiner Bauelemente B bereitgestellt werden können. Hierzu wird im Versuch eine kathodische Elektrolytlackierung mit unter schiedlichen Spannungen U zwischen Anode A und Kathode K durchgeführt. Durch unterschiedliche Spannungen U wird insbesondere die nichtlineare Abhängigkeit des Schichtwachstums der Lackschicht L von der anliegenden Spannung U berücksichtigt. In einer Ausführungsform bleibt die angelegte Spannung U über einen vorgegebenen Zeitraum von z. B. 2 sec konstant und beträgt vor und nach diesem Zeitraum 0. In einer anderen Ausführungsform variiert die angelegte Spannung U über die Zeit t. 11 zeigt einen zeitlichen Spannungsverlauf zwischen der Elektrode K bzw. den Probekörpern PK und der Gegenelektrode A, wobei die durchschnittliche Spannung U im vorliegenden Beispiel etwa 250 V beträgt. Jedoch können auch andere Spannungen U vorgesehen sein. Durch unterschiedliche Spannungen kann insbesondere die nicht-lineare Abhängigkeit des Dickenwachstums h der Lackschicht L (s. 14) von der anliegenden Spannung U berücksichtigt werden. Weiterhin wird berücksichtigt, dass das im Versuch verwendete Versuchs-Tauchbecken TB deutlich kleiner ist als das in der Produktion verwendete Tauchbecken TB und daher einen geringeren Widerstand aufweist. Dies kann durch entsprechend verringerte Spannungen U bewerkstelligt werden.
Die Vorab-Versuche werden vorzugsweise zunächst für den dritten Probekörper PK3 durchgeführt, welcher beispielsweise die Form eines rechteckigen Blechs hat. Die in diesen Versuchen erzeugten funktionalen Zusammenhänge werden anschließend mit den weiteren Probekörpern PK1, PK2 überprüft. Beim Tauchlackieren dieser weiteren Probekörper PK1, PK2 tritt jeweils ein Umgriff der Tauchlackflüssigkeit TL bzw. der Lackschicht L auf. 10 veranschaulicht die Wirkung des Umgriffs der Tauchlackflüssigkeit TL. In diesem Beispiel wird in Draufsicht ein Bauelement B gezeigt, welches als Hohlprofil ausgebildet ist und einen Spalt aufweist. Von links nach rechts werden drei zeitlich aufeinander folgende Momentaufnahmen ge zeigt. Zu sehen ist, wie der Umgriff der Tauchlackflüssigkeit TL dazu führt, dass das Bauelement B auch von innen beschichtet wird.
9 zeigt weiterhin einen Versuchsaufbau bei Verwendung der drei Probekörper PK1–3, welche im Ausführungsbeispiel aus drei verschiedenen rechteckigen Blechen bestehen, die jeweils 1 mm dick sind. Die Probekörper PK1–3 haben jeweils eine Abmessung von 300 mm × 140 mm. Der Probekörper PK1 weist einen Spalt von 10 mm Breite über die gesamte Breite auf. Der Probekörper PK2 weist in der Mitte ein Loch von 10 mm Durchmesser auf. Der Probekörper PK3 besitzt keine Aussparung.
Auf der linken Seite von 9 ist das beim Versuch verwendete Versuchs-Tauchbecken TB in schematischer Draufsicht erkennbar. Zu sehen ist auch die Halterung 22, die aus isolierendem Kunststoff gefertigt und damit einteilig mit der Isolierung 22 ausgebildet ist. Die Halterung 22 bildet einen Rahmen, der nur an der Kopf- und Deckelseite unterbrochen ist. In dieser Halterung 22 lassen sich die drei Probekörper PK1–3 parallel fixieren, und zwar mit einem Abstand von jeweils 5 mm bis 20 mm zueinander. Das Versuchs-Tauchbecken TB ist so ausgestaltet, dass ein möglichst homogenes Feld zwischen der Anode A und den als Kathode K fungierenden Probekörpern PK1–3 gegeben ist.
Im gezeigten Vorab-Versuch, bei dem alle drei Probekörper PK1–3 parallel im Versuchs-Tauchbecken TB aufgehängt sind, wird das Abscheideverhalten der Tauchlackflüssigkeit TL auf den jeweiligen Materialien M der Probekörper PK1–3 ermittelt. Hierbei wird untersucht, wie schnell sich auf den hinteren, nicht direkt von der Anode A aus sichtbaren Bereichen der Probekörper 1–3 eine Lackschicht L abscheidet. Es ist zu beachten, dass die späteren Verfahren die spezifische Geometrie des jeweiligen Bauelements B, des Tauchbeckens Tb usw. berücksichtigen. Bei den genannten Vorab-Versuchen ist die Kenntnis der Geometrie der Probekörper PK oder des fraglichen Bauelements B hingegen nicht erforderlich. Jeweils mindestens ein Versuch mit dem ersten Probekörper PK1 und dem zweiten Probekörper PK2 wird durchgeführt für:

– jede in Betracht kommende Zusammensetzung der Tauchlackflüssigkeit TL,
– jedes in Betracht kommende Material M für die elektrisch leitende Oberfläche A des Bauelements B und
– jede in Betracht kommende Vorbehandlung der elektrisch leitenden Oberfläche A des Bauelements B.

Es ist somit jeweils eine Versuchsreihe für eine Vorbehandlungsmethode notwendig. In den Versuchen werden wie bereits erwähnt funktionale Zusammenhänge zwischen Parametern des Tauchlackiervorgangs experimentell ermittelt.
Die 12 bis 14 zeigen verschiedene Parameter, welche während des Tauchlackierens bzw. während der Vorab-Versuche ermittelt werden können und werden daher in Zusammenschau beschrieben. Dabei zeigt 12 zeitliche Stromverläufe I_t bei drei unterschiedlichen Spannungen U, wobei die Messergebnisse für drei verschiedene Spannungen gezeigt werde, nämlich 130 V (Quadrat), 180 V (Dreieck) und 250 V (Raute). Gezeigt wird der gemessene zeitliche Verlauf des Stroms I in [Ampere]. Die beschichtete Oberfläche A des Probekörpers PK ist bekannt. Durch kontinuierliches Abscheiden der Lackschicht L auf der Oberfläche A und das somit erfolgende Schichtdickenwachstum steigt der Widerstand der Lackschicht L an, wodurch einerseits der Strom I abnimmt und andererseits das Schichtdickenwachstum verlangsamt wird (s. 14). Zwischen dem Schichtwiderstand P_Lack, dem spezifischen Widerstand ρ_Lack und der Dicke h der Lackschicht gilt dabei der Zusammenhang P_Lack = ρ_Lack·h.
Aus den Messergebnissen wird dann der zeitliche Verlauf der Stromdichte j_t berechnet, welcher mit dem Schichtdickenwachstum zusammenhängt. 13 zeigt dazu zeitliche Stromdichteverläufe j_t in [Mikro-Ampere pro mm²] in Abhängigkeit der in 12 verwendeten Spannungen U. Dabei gilt grundsätzlich, dass eine hohe Stromdichte j ein schnelles Schichtdickenwachstum h_t der Lackschicht L bewirkt, wohingegen eine geringe Stromdichte j ein geringes Schichtdickenwachstum h_t der Lackschicht L verursacht. 14 zeigt schließlich das Anwachsen der Dicke h in [mm] der Lackschicht L in Abhängigkeit der Zeit t in [sec] und der angelegten Spannungen U. Ein Beispieldiagramm eines zeitlichen Spannungsverlaufs U_t ist bereits aus 11 bekannt.
Aufgrund des zeitlich stark nicht-linearen Wachstums der Dicke h und somit auch der nicht-linearen Abhängigkeit der Korrosionsanfälligkeit der Lackschicht L wurden jeweils exponentielle Zeitreihen mit Beschichtungsdauern t von beispielsweise 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 und 512 Sekunden verwendet. Die zu diesen Zeiten gegebenen Korrosionsanfälligkeiten des Bauelements B bzw. Probekörpers PK können dann ermittelt werden. Derartige Ergebnisse sind bereits in 3 gezeigt worden. Die zu diesen Zeiten erreichten Dicken h der Lackschicht L können – wie in 14 abgebildet – nach dem Einbrennvorgang ebenfalls gemessen werden, wobei wie bereits erwähnt die Kenntnis der Dicke h der Lackschicht L nicht zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit erforderlich und dieser Schritt daher als optional zu betrachten ist.
Für die Bestimmung der optimalen Tauchlackierparameter bzw. des Abscheidverhaltens der auf das Material M der Oberfläche A des Bauelements B bzw. Probekörpers PK aufgebrachten Lackschicht L werden Daten benötigt, die quantitative Aussagen über die elektrischen und chemischen Eigenschaften sowie das Diffusionsverhalten der Tauchlackflüssigkeit TL bzw. der Lackschicht L liefern. Der bisherige Weg zur Untersuchung der Korrosionsanfälligkeit tauchlackierter Bauelemente B über zerstörende technisch-mechanische Prüfungen (z. B. durch Salzsprüh-Tests in Klimakammern) liefert keine für eine rechnerische Simulation geeigneten Daten. Da für die bisherigen Verfahren zwingend physikalische Bauelemente B benötigt wurden, war zudem eine Simulation am digitalen Prototypen unmöglich. Neben der rein phänomenologischen Untersuchung der auf der Oberfläche A aufgebrachten Lackschicht L bieten sich insbesondere elektrochemische Messmethoden an. Hier kann zwischen der reinen Messung eines freien Korrosionspotentials am unbeschichteten Material M der Oberfläche A und der genauen Messung des chemischen und elektrischen Verhaltens der Lackschicht L unterschieden werden.
Die Korrosionsgefährdung lackbeschichteter Oberflächen A wird durch das Diffusions- und Degradationsverhalten der Lackschicht L wesentlich bestimmt. Dies lässt sich beispielsweise mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie messen. Die erhaltenen Daten können unabhängig von der jeweiligen Geometrie der fraglichen Bauelemente B in der rechnerischen Simulation der Korrosionsgefährdung und damit in den hier vorgestellten Verfahren eingesetzt werden.
Die folgenden 15 bis 19 behandeln Aspekte der zur Charakterisierung der Korrosionsanfälligkeit eines tauchlackierten Bauelements B geeigneten und vorliegend verwendeten elektrochemischen Impedanz-Spektroskopie. Dabei zeigt 15 ein Beispiel eines mittels der Impedanz- Spektroskopie erhältlichen Diagramms einer Lackschicht L mit guten Korrosionsschutzeigenschaften, wobei derartige Diagramme als Bode-Diagramm bezeichnet werden. 16 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Lackschicht L mit schlechten Korrosionsschutzeigenschaften, welches zum simulieren Beschreiben einer derartigen Lackschicht L verwendet werden kann. Die 17 bis 19 zeigen schematische Darstellungen von Bode-Diagrammen einer idealen Lackschicht L, einer nicht-idealen Lackschicht L sowie einer untauglichen Lackschicht L.
Bei der elektrochemischen Impedanz-Spektroskopie wird die zu untersuchende Probe, hier das Bauelement B bzw. der Probekörper PK, in einen Leitelektrolyten eingebracht und mit Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz beaufschlagt. Dabei wird die Übertragungsfunktion des Systems in Form von frequenzabhängigem Impedanzbetrag und frequenzabhängiger Phasenverschiebung bestimmt. Handelt es sich um ein zeitinvariantes System (ohne Diffusionsprozesse des Leitelektrolyten in die Schicht), so lässt sich mittels der sog. Kramers-Kronig-Beziehung der Realteil (ohmscher Widerstand) der Übertragungsfunktion aus dem Imaginärteil berechnen. Handelt es sich um ein quasistationäres System (mit Diffusionsprozessen und Stofftransport in die Schicht), so lässt sich über die Warburg-Impedanz des Systems das Zeitgesetz der Diffusionsreaktion aus den elektrochemischen Messungen ableiten. In beiden Fällen lassen sich demnach unterschiedliche Lackschichttypen sowohl qualitativ als auch quantitativ klassifizieren. Die Höhe der angelegten Spannung beträgt üblicherweise einige Millivolt, die Frequenz variiert zwischen 1 mHz und 100 kHz. Als Messgrößen werden die Änderung des Phasenwinkels φ und die Änderung der komplexen Impedanz |Z| logarithmisch über der Frequenz aufgetragen.
Diese Darstellung wird als Bode-Diagramm bezeichnet und ist in 15 dargestellt, wobei sowohl der Phasenverlauf als auch der Impedanzverlauf einer idealen Lackschicht L gezeigt sind. Aus 15 ergibt sich, dass performante Lackschichten L, also Lackschichten L mit einem ausreichenden Korrosionsschutz und einer dementsprechend geringen Korrosionsanfälligkeit, ein rein kapazitives Verhalten zeigen: der Impedanzverlauf |Z| ist weitestgehend linear mit niedrigem Wert bei hohen Frequenzen und hohem Wert bei niedrigen Frequenzen. Der Phasenwinkel φ beträgt –90° und würde bei noch geringerer Frequenz (Darstellung in 15 nur bis 15 mHz) bis auf 0° ansteigen. Zur Auswertung der erhaltenen Messdaten kann ein Ersatzschaltbild modelliert werden. Ein Beispiel für ein derartiges Ersatzschaltbild einer porösen Lackschicht L mit Verlustkapazität ist in 16 gezeigt, deren elektrisches Verhalten berechnet wird. Das Ersatzschaltbild umfasst die zur Beschreibung der Lackschicht L nötigen Parametern: „Rsoln" stellt den Widerstand des Messelektrolyten dar. „Cc" und „Rpo" beschreiben den undurchlässigen und damit idealen Teil der Lackschicht L. Das zweite RC-Glied (mit Konstantphasenelement Qcor, ncor zur Darstellung der Verlustkapazität) bezeichnet die elektrochemischen Eigenschaften der in der Lackschicht enthaltenen Porositäten. Stimmen Berechnung und Messung überein, können die elektrischen Parameter und somit die Morphologie der abgeschiedenen Lackschicht L bzw. das Abscheidverhalten der Tauchlackflüssigkeit TL direkt mit Hilfe des gezeigten oder eines vergleichbaren Ersatzschaltbilds simuliert werden. Es ist jedoch zu betonen, dass grundsätzlich zur Modellierung einer realen Lackschicht L nicht nur ein derartiges Ersatzschaltbild denkbar ist. Es findet vorzugsweise das jeweils Einfachste Anwendung, um die Berechnung entsprechend einfach zu halten.
Mittels der Impedanz-Spektroskopie wurden drei grundlegende Schichtmodelle identifiziert, mit denen sich die Korrosionsanfälligkeit einer Lackschicht L beschreiben lassen:

1. ideal, performant (nichtleitendes Dielektrikum) → nicht korrosionsanfällig;
2. nicht-ideal (leitendes Dielektrikum) → gemäßigt korrosionsanfällig; und
3. untauglich, porös (stark leitendes Dielektrikum, idealer Leiter) → stark korrosionsanfällig.

Durch elektrochemische Messungen an beschichteten Blechen und dem Vergleich mit den Ergebnissen eines anschließend durchgeführten Klimawechseltests konnte gezeigt werden, dass die Korrosionsbeständigkeit von tauchlackierten Bauelementen B nicht von der Schichtdicke h der Lackschicht L, sondern von der Struktur der Beschichtung abhängig ist. Zur Charakterisierung einer derartigen Lackschicht L werden die zuvor definierten drei Schichtmodelle verwendet.
Eine in 17 dargestellte, performante Lackschicht L mit guten Korrosionsschutzeigenschaften zeigt keine Diffusionseffekte und keine ausgeprägte Leitfähigkeit. Bei sehr hohen, durch den Pfeil XVIIb gekennzeichneten Frequenzen wird das elektrische Verhalten der Lackschicht L rein durch den Elektrolytwiderstand Rel bestimmt. Bei niederen Frequenzen entspricht ihr elektrisches Verhalten dem eines Kondensators. Pfeil XVIIa zeigt dabei auf den Bereich, in welchem die Lackschicht L ein rein kapazitives Verhalten zeigt. Eine derartige Lackschicht L zeigt auch bei geringen Schichtdicken h eine gute Korrosionsschutzwirkung.
10 zeigt schematisch das elektrische Verhalten einer weniger performanten Lackschicht L. Zu niederen Frequenzen hin (Pfeil XVIIIa) verhält sich die Lackschicht L zunehmend wie ein ohmscher Widerstand, d.h. sie ist, bedingt durch lonentransportvorgänge, elektrisch leitfähig. Eine derartige Lackschicht L kann noch ausreichende Korrosionsschutzeigenschaften aufweisen, die genaue Abschätzung hier jedoch schon möglicher Korrosionsrisiken ergibt sich aus den elektrischen Parametern für den Schichtwiderstand und die Schichtkapazität. Bei höheren Frequenzbereichen (Pfeile XVIIIb bzw. XVIIIc) zeigt die Lackschicht L wieder das bereits aus 17 bekannte Verhalten einer Kapazität bzw. eines Widerstands, wobei dieses Verhalten im Vergleich zu einem nichtleitenden Dielektrikums erst bei höheren Frequenzen erreicht wird.
Eine als Korrosionsschutz untaugliche Lackschicht L, wie in 19 dargestellt, zeigt nicht nur elektrische Leitfähigkeit, sondern weist zusätzlich Porositäten auf, welche die Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht in den Poren der Lackschicht L ermöglichen. Im Elektroimpedanz-Spektrum äußert sich dies durch einen „Absatz" im Impedanzverlauf (Pfeil XIXa, b). Die Impedanzwerte bei einem Verhalten der Lackschicht L als Kapazität (Pfeil XIXc) bzw. als Widerstand (Pfeil XIXd) sind zudem signifikant geringer als bei beiden zuvor genannten Lackschichttypen. Für die in gezeigte poröse Lackschicht L kann das Ersatzschaltbild aus 16 ebenfalls zur Modellierung der elektrischen Größen angewandt werden.
Die Morphologie der Lackschicht L ist abhängig von den Parametern des elektrischen Feldes beim Tauchlackierverfahren. Durch elektrochemische Messungen an bei bekannten Feldparametern abgeschiedenen Lackschichten L kann so ein Zusammenhang zwischen elektrischem Feld bei der Tauchlackierung und Struktur sowie Qualität der abgeschiedenen Lackschicht L hergestellt werden. Derartig poröse (und dünne) Lackschichten L wie in 19 bilden sich bevorzugt auf rauen Substraten unter den Bedingungen niedriger Abscheidungsspannung U und niedrigen Stroms I aus.
Da die Feldparameter bei der Abscheidung der Tauchlackflüssigkeit TL digital simuliert werden können und das Abscheidverhalten berechenbar ist, lassen sich in Verbindung mit den elektrochemischen Messdaten aus den Vorab-Versuchen Korrosionsrisikobereiche auch in komplexen Rohbaugeometrien bzw. komplexen Bauelementen B rein rechnerisch bestimmen. Weitere elektrochemische Messungen müssen nur noch dann vorgenommen werden, wenn sich die Materialkombinationen aus Vorbeschichtung der Bauelemente B oder die Zusammensetzung der Tauchlackflüssigkeit TL ändert. Ein Vergleich der mittels der vorgestellten Verfahren vorhergesagten Korrosionsanfälligkeit verschiedener Bauelemente B mit Ergebnissen aus praktischen Klimawechseltests ergab eine vollständige Übereinstimmung.
Die Berechnung der Korrosionsanfälligkeit eines Bauelements B erfolgt somit – wie beschrieben – mit der Methode der finiten Elemente, kann aber auch als Nebenprodukt einer Berechnung der Schichtdicke der Lackschicht L durchgeführt werden, in welcher bereits die meisten der erforderlichen Parameter bestimmt wurden. Wahlweise kann die Simulation auch als Nachlaufrechnung zu einer Tauchlackierungs-Simulation erfolgen, da für die lokale Beurteilung des Korrosionsschutzes der abgeschiedenen Lackschicht L kein globales Gleichungssystem gelöst werden muss. Zur Anwendung dieser Simulationsmethode müssen die elektrischen Randbedingungen Strom I und Spannung U während des Tauchlackierens zu jedem Zeitpunkt t und an jedem Ort P des Bauelements B bekannt sein. Dabei können die für die Korrosionsschutzwirkung ausschlaggebenden Größen Stromdichte j und Spannungsleistung SL entweder direkt im Materialgesetz der Schichtbildung berechnet oder über eine Abbildungsfunktion Φ(j, SL) angenähert werden. Gestalt und Parameter der Funktion Φ(j, SL) lassen sich wie beschrieben mit Hilfe der Randbedingungen des Beschichtungsversuchs und den Ergebnissen der Elektroimpedanz-Spektroskopie bestimmen.
Während der Durchführung des Verfahrens werden das elektrische Feld E und damit die Spannungsverteilung im Elektrolyt sowie auf dem zu beschichtenden Bauelement B berechnet. Im Ausführungsbeispiel werden das elektrische Feld E und die Spannungsverteilung durch eine Finite-Elemente-Simulation näherungsweise berechnet. Aus dem elektrischen Feld E wird der örtlich veränderliche Spannungsgradient ∇Φ an der Kathode K hergeleitet. Aus diesem Spannungsgradient ∇Φ kann gegebenenfalls auch die Schichtdicke h, die durch das Abscheiden der Tauchlackflüssigkeit TL auf dem Bauelement B entsteht, berechnet werden. Angenommen wird, dass der Strom I senkrecht durch das Bauelement B fließt. Unter dieser in der Regel erfüllten Annahme gilt die folgende Laplace-Gleichung: E = –VΦ
Hierbei bezeichnen E das elektrische Feld und ∇Φ den Spannungsgradienten.

ρ: spezifischer Widerstand des lackierten Bauelements B
Φ: Elektrisches Potential auf der Oberfläche A des Bauelements B
∇Φ: Spannungsgradient
10: Metallischer Lack
12: Phosphatierung
14: Organische Vorbeschichtung
16: Metallpartikel
18: Spannungsquelle
20: Isolierung
22: Halterung
A: Oberfläche
A: Anode
B: Bauelement
E: Elektrisches Feld
H: Dicke der Lackschicht
h_t: Zeitlicher Schichtdickenverlauf
I: Strom
I_t: Zeitlicher Stromverlauf
J: Spannungsdichte
j_t: Zeitlicher Stromdichteverlauf
K: Kathode
L: Lackschicht
M: Material
PK: Probekörper
Rel: Elektrolytwiderstand
TB: Tauchbecken
TL: Tauchlackflüssigkeit
U: Spannung
U_t: Zeitlicher Spannungsverlauf

Claims

Verfahren zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit eines zu tauchlackierenden Bauelements (B), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, an zumindest einem Punkt, mit Hilfe einer Datenverarbeitungsvorrichtung, mit den Schritten: – Bereitstellen von die Geometrie des Bauelements (B) beschreibenden Daten; – Bereitstellen von die Geometrie eines beim Tauchlackierverfahren zu verwendenden Tauchbeckens (TB) beschreibenden Daten; – Bereitstellen von die Geometrie einer beim Tauchlackierverfahren zu verwendenden Gegenelektrode (K/A) beschreibenden Daten; – Bereitstellen von die Positionen des als Elektrode (A/K) wirkenden Bauelements (B) und der Gegenelektrode (K/A) gegenüber dem Tauchbecken (TB) beim Tauchlackierverfahren beschreibenden Daten; – Bereitstellen von ein Material (M) einer Oberfläche (A) des Bauelements (B) charakterisierenden Daten; – Bereitstellen von eine Tauchlackflüssigkeit (TL) charakterisierenden Daten; – Bereitstellen von das Abscheidverhalten der Tauchlackflüssigkeit (TL) auf dem Material (M) in Abhängigkeit eines zeitlichen Spannungsverlaufs (U_t) und eines zeitlichen Stromverlaufs (I_t) zwischen Elektrode (A/K) und Gegenelektrode (K/A) charakterisierenden Daten; – Bereitstellen von die Korrosionsanfälligkeit des Bauelements (B) in Abhängigkeit des Abscheidverhaltens der Tauchlackflüssigkeit (TL) charakterisierenden Daten; – Bereitstellen zumindest eines zeitlichen Stromverlaufswerts (I(t₁)) und eines zeitlichen Spannungsverlaufswerts (U(t₁)) zwischen Elektrode (A/K) und Gegenelektrode (K/A); – Berechnen eines elektrischen Potentials (Φ) zumindest im Punkt in Abhängigkeit des Spannungsverlaufswerts (U(t₁)) und/oder des Stromverlaufswerts (I(t₁)); – Berechnen einer Stromdichte (J(t₁)) im Punkt in Abhängigkeit des elektrischen Potentials (Φ) und/oder des Stromverlaufswerts (I(t_i)); und – Vorhersagen der Korrosionsanfälligkeit des Bauelements (B) im Punkt mittels der bereitgestellten und berechneten Daten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Abscheidverhalten der Tauchlackflüssigkeit (TL) auf dem Material (M) charakterisierenden Daten zuvor an einem dem Tauchlackierverfahren unterworfenen Probekörper (PK) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Korrosionsanfälligkeit des Bauelements (B) in Abhängigkeit des Abscheidverhaltens der Tauchlackflüssigkeit (TL) charakterisierenden Daten zuvor mit Hilfe eines Impedanz-Spektroskopie-Verfahrens am Probekörper (PK) ermittelt werden.
Verfahren zur Vorhersage der Korrosionsanfälligkeit eines Bauelements (B), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, an zumindest einem Punkt, wobei das Bauelement (B) eine elektrisch leitfähige Oberfläche (A) umfasst, mit den Schritten: – Eintauchen des Bauelements (B) in ein Tauchbecken (TB) mit einer Tauchlackflüssigkeit (TL); – Erzeugen eines elektrischen Felds (E) im Tauchbecken (TB) durch Anlegen einer definierten Spannung (U) für eine vorbestimmte Zeit (t), wobei das Bauelement (B) als Elektrode (A/K) fungiert und eine Gegenelektrode (K/A) vorhanden ist; und – elektrochemisches Abscheiden zumindest eines Teils der Tauchlackflüssigkeit (TL) als Lackschicht (L) auf der Oberfläche (A) des Bauelements (B); mit den weiteren Schritten: – Ermitteln der elektrochemischen Abscheidverhalten der Tauchlackflüssigkeit (TL) auf der Oberfläche (A) in Abhängigkeit eines Materials (M) der Oberfläche (A), einem zeitlichen Spannungsverlauf (U_t) und einem zeitlichen Stromverlauf (I_t) zwischen Elektrode (A/K) und Gegenelektrode (K/A); – Ermitteln der Korrosionsschutzeigenschaft der abgeschiedenen Lackschicht (L); – Ermitteln der Geometrie des Bauelements (B), insbesondere seiner Oberfläche (A), des Tauchbeckens (TB) und der Gegenelektrode (K/A); – Ermitteln der Positionen des Bauelements (B) und der Gegenelektrode (K/A) innerhalb des Tauchbeckens (TB) zumindest während des elektrochemischen Abscheidens; – Ermitteln zumindest eines Strommesswerts (I(t₁)) und zumindest eines Spannungsmesswerts (U(t₁)) zwischen Elektrode (A/K) und Gegenelektrode (K/A); und, unter Verwendung der zuvor ermittelten Daten mittels einer Datenverarbeitungsvorrichtung, mit den weiteren Schritten: – Berechnen eines elektrischen Potentials (Φ) im Punkt in Abhängigkeit des Spannungsmesswerts (U(t₁)); – Berechnen einer Stromdichte (j(t₁)) im Punkt in Abhängigkeit des elektrischen Potentials (Φ) und/oder des Strommesswerts (I(t₁)); und – Vorhersagen der Korrosionsanfälligkeit des Bauelements (B) zumindest im Punkt unter Einbeziehen der elektrochemischen Abscheidverhalten der Tauchlackflüssigkeit (TL).
Computerprogramm-Produkt, das in einen Speicher eines Computers ladbar ist und Softwareabschnitte umfasst, mit denen ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 ausführbar ist, wenn das Produkt auf dem Computer läuft.