DE102007038483A1

DE102007038483A1 - Lernendes Verfahren zur Herstellung von Farbrezepturen

Info

Publication number: DE102007038483A1
Application number: DE102007038483A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Bornemann; Heiner Cloppenburg; Carlos Dr. Vignolo; Jürgen Dr. Lohmann; Stuart Kendall Dearborn Scott
Original assignee: BASF Coatings GmbH
Current assignee: BASF Coatings GmbH
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-08-15
Also published as: DE102007038483B4; CN101784871B; US10996110B2; CN101784871A; JP5538222B2; US20110097691A1; WO2009021720A1; EP2179257A1; JP2010536046A

Abstract

Ein lernendes Verfahren zur Farbrezeptberechnung pigmentierter Farbtöne, angepasst an einen Zielfarbton, umfassend die Schritte I) Aufstellen je einer Wirkungsmatrix durch geeignete Eichstaffeln für die in einem Färbesystem enthaltenen Bestandteile, i) Bestimmen der optischen Materialparameter des Zielfarbtons, ii) Auswahl einer geeigneten Ausgangsrezeptur, iii) Bestimmung des Farbanstands zwischen der Ausgangsrezeptur und dem Zielfarbton, iv) Berechnung eines ersten angepassten Farbrezepts unter Berücksichtigung der Wirkungsmatrizen, v) Wiederholung der Schritte iv) und v), bis eine akzeptable Restfarbdifferenz erreicht ist, bei dem die Wirkungsmatrizen im laufenden Prozess ständig mit farbtonrelevanten Informationen aktualisiert werden, erzielt eine Verbesserung der bisher bekannten Verfahren zur Farbtonrezepberechnung sowohl hinsichtlich der Reduktion der Anzahl der notwendigen Tönschritte als auch hinsichtlich der Minimierung des Restfarbabstands.

Description

Die Erfindung betrifft ein lernendes Verfahren zur Herstellung von Farbrezepturen, die in wenigen Schritten an eine feste Farbvorgabe angepasst werden können.
Bei der Produktion von Lackchargen, insbesondere in der Automobilindustrie, ist es eine wichtige Aufgabe, den Farbton, der durch die Einwaage der Mengen der in einer Farbrezeptur festgelegten Bestandteile hergestellt wird, bezüglich eines vorher festgelegten Zielfarbtons mit einer möglichst geringen Abweichung darzustellen. Die Rezepturbestandteile können sowohl farbiger Natur sein, wie beispielsweise Bunt- oder Effektpigmente, als auch nicht-farbiger Natur, worunter zum Beispiel Bindemittel, Additive und Lösemittel verstanden werden. Ziel bei der Tönung der Chargen ist es, im Sinne der Wirtschaftlichkeit des Prozesses, mit möglichst wenigen Tönschritten den Farbton der Charge an den Zielfarbton anzupassen. Diese Anpassung wird durch geringfügige Veränderungen der Mengen der in der Rezeptur enthaltenen farbigen Bestandteile sowie gegebenenfalls durch Zugabe weiterer farbiger Tonzusätze in geringen Konzentrationen vorgenommen. Der Anpassungsschritt ist erst abgeschlossen, wenn zwischen dem Farbton der Charge und dem Zielfarbton eine akzeptable Restfarbdifferenz erreicht ist.
Während der beschriebene Tönvorgang früher vornehmlich visuell durchgeführt wurde, werden heute maßgeblich instrumentelle Steuerungen eingesetzt. Hierzu zählt vor allem der Einsatz eines Spektralphotometers, mit dem unter verschiedenen Beleuchtungs- und Beobachtungswinkeln Reflexionsspektren im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums aufgenommen werden. Aus der Faltung solcher Reflexionsspektren mit einer Lichtart und jeweils einer der drei Normspektralwertfunktionen ergeben sich Farbmaßzahlen, die den Farbort, das heißt die Lage des Farbtons im Farbenraum, angeben. Als Standard hat sich dabei der Farbraum der so genannten CIELab- Koordinaten L*, a* und b* etabliert. Farbdifferenzen dL*, da* und db* ergeben sich dann aus der Differenz zweier Farborte bezüglich der jeweils gemessenen Koordinaten L*, a* und b* der beiden Farbtöne.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 197 20 887 A1 ist ein Verfahren zur Farbrezeptberechnung im Bereich der effektgebenden Oberfächenbeschichtungen bekannt, das auf der Aufstellung einer Eichstaffel für jedes einem Färbemittelsystem zugrunde liegenden Pigment basiert. Es wird beschrieben, dass anschließend experimentell die zugehörigen Reflexionsfaktoren bestimmt werden. Auf diese Weise erhält man für jedes Buntpigment und für jedes Effektpigment die entsprechenden optischen Materialparameter, wie Streukoeffizient, Absorptionskoeffizient oder Phasenfunktion, die in die rechnerische Bestimmung der Rezeptur für einen vorgegebenen Effektfarbton durch Computersimulation eingesetzt werden. Die optischen Materialparameter beschreiben mithin die Eigenschaften der Pigmente, wie sie im jeweiligen Bindemittelsystem dispergiert vorliegen. Sie sind wellenlängenabhängig und müssen für jede gewünschte Wellenlänge ermittelt werden. Die Qualität der berechneten Rezepte hängt insgesamt stark von der Standardisierung aller Komponenten eines Mischlacksystems und der Konstanz der Applikationsparameter ab. Es ist vor diesem Hintergrund festzustellen, dass die optischen Materialparameter aufgrund der Komplexität und des Aufwands ihrer Bestimmung nur einmalig für das jeweilige Pigment in dem Bindemittelsystem bestimmt werden.
Ein weiteres rechnerisches Verfahren zur Farbtonanpassung von Lacken oder Tinten ist aus der Europäischen Offenlegungsschrift EP 0 828 144 A2 bekannt. In diesem Verfahren werden zunächst für den Zielfarbton mit einem Goniospektralphotometer die Reflexionsfaktoren bestimmt und daraus die zugehörigen Normfarbwerte und/oder die daraus abgeleiteten Vektoren im CIELab-Farbraum berechnet. Anschließend wird aus einer Rezeptdatenbank anhand der Reflexionsspektren oder der daraus abgeleiteten farbtechnischen Maßzahlen diejenigen Rezepte beziehungsweise Farbtöne identifiziert, die in ihren Reflexionseigenschaften denen des Zielfarbtons am ähnlichsten sind. Mit Hilfe einer ebenfalls rein rechnerisch erstellten Wirkungsmatrix wird die Restfarbtondifferenz zwischen dem Zielfarbton und dem Datenbankfarbton mittels eines Rechenalgorithmus zur Funktionsminimalisierung unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen im Sinne der L₂-Norm minimiert und ein korrigiertes Rezept erstellt. Die Wirkungsmatrix ist dabei ein entscheidender Faktor für die Güte der Farbtonanpassung. Sie wird, wie oben bereits grob für das Verfahren der DE 197 20 887 A1 beschrieben, mittels experimentell ermittelten Eichstaffeln der Reflexionsparameter der der Rezeptur zugrunde liegenden Pigmente aufgestellt und ebenfalls in der Rezeptdatenbank gespeichert. Daher beschreibt die Wirkungsmatrix die koloristische Wirkung der einzelnen Rezepturen im Reflexionsraum oder Farbraum winkelabhängig bei variierenden Pigmentkonzentrationen.
Aufbauend auf dem soeben beschriebenen Verfahren wurden weit reichende Untersuchungen durchgeführt, um die Rechenprogramme zur Ermittlung der Zielrezeptur für einen an die Vorlage angepassten Farbton weiter zu verbessern und zu verfeinern. Repräsentativ für diesen Aspekt eines Verfahrens zur Herstellung von Farbrezepturen, die sich an einer Vorlage orientieren müssen, sind in den Druckschriften WO 2006/052556 A2 und WO 2006/052561 A2 optische Umsetzungen des Anpassungsvorgangs beschrieben, die darauf basieren, die einzelnen Schritte durch eine Farbwiedergabe im RGB-Farbraum auf einem Monitor für den Benutzer nachvollziehbar zu machen. Auf diese Weise wird eine Verbindung hergestellt zwischen der altbewährten visuellen Anpassung und der computer- und instrumentengestützten Anpassung, die eine Simulation der Einflüsse von Änderungen einzelner Pigmente und/oder Bestandteile der Rezeptur ermöglicht.
Nachteilig bei allen bisher bekannten Verfahren ist jedoch, dass sie keine Möglichkeit bieten, Schwankungen in den Roh- und Einsatzstoffen oder Farbtonunterschiede durch unterschiedliche Herstellungs- und Applikationsmethoden zu erfassen. Erfahrungsgemäß können solche Schwankungen so groß sein, dass eine erneute Anpassung des produzierten Farbtons an den Zielfarbton notwenig wird, obwohl die Rezeptur den vorher bestimmten Eichstaffeln entspricht. In der industriellen Serienproduktion kann dies zu erheblichen Kosten entweder durch notwendige Nachbesserungen der eigentlich fertigen Produkte oder durch zeitliche Verzögerungen durch weitere Anpassungen führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Farbrezeptberechnung bereitzustellen, das auch die Schwankungen der Roh- und Einsatzstoffe sowie die Einflüsse der Prozessschwankungen berücksichtigt und damit die Restfarbdifferenz zum Zielfarbton minimiert bei gleichzeitiger Reduktion der Zahl der erforderlichen Tönschritte.
Überraschenderweise zeigt es sich, dass ein Verfahren zur Farbrezeptberechnung pigmentierter Farbtöne angepasst an einen Zielfarbton, umfassend die Schritte

i) Aufstellen je einer Wirkungsmatrix durch geeignete Eichstaffeln für die in einem Färbesystem enthaltenen Bestandteile,
ii) Bestimmen der optischen Materialparameter des Zielfarbtons,
iii) Auswahl einer geeigneten Ausgangsrezeptur,
iv) Bestimmung des Farbabstands zwischen der Ausgangsrezeptur und dem Zielfarbton,
v) Berechnung eines ersten angepassten Farbrezepts unter Berücksichtigung der Wirkungsmatrizen,
vi) Wiederholung der Schritte iv) und v) bis eine akzeptable Restfarbdifferenz erreicht ist,

Im Folgenden soll näher erläutert werden, wie die erste erstellte Wirkungsmatrix für ein Färbesystem im Einzelnen ermittelt wird. Für die Erstellung der Wirkungsmatrix ist zunächst Voraussetzung, dass die optischen Materialparameter aller Bestandteile des Färbesystems bekannt sind.
Die optischen Materialparameter werden durch Anpassung der Strahlungstransportgleichung im Sinne einer L₂-Norm an die für jedes Pigment experimentell bestimmten Reflexionsfaktoren oder Strahldichtefaktoren ermittelt.
Für den Fall der Uni-Pigmente ist die bekannte Schuster/Kubelka/Munk-Näherung der Strahlungstransportgleichung völlig ausreichend. Im Rahmen dieser 2-Fluß-Näherung kann eine einfache Beziehung zwischen der Reflexion beispielsweise einer opaken Lackschicht und den Streu- und Absorptionseigenschaften der in dieser Schicht enthaltenen Pigmente abgeleitet werden.
Die pigmentspezifischen und wellenlängenabhängigen Materialparameter der Streu- und Absorptionskoeffizienten müssen über eine Eichstaffel in dem Fachmann bekannter Weise experimentell bestimmt werden.
Zur Beschreibung von Effektfarbtönen muss anstelle der bekannten Schuster-/Kubelka-/-Munk-Näherung der Strahlungstransportgleichung eine andere, dem Fachmann bekannte Form der Strahlungstransportgleichung verwendet werden. Neben den Streu- und Absorptionskoeffizienten ist zusätzlich die Phasenfunktion zu ermitteln. Zur messtechnischen Erfassung der Reflexionsflächen kann ein stationäres oder portables Goniospektralphotometer mit symmetrischer oder asymmetrischer Messgeometrie eingesetzt werden. Der abzudeckende Bereich des Beobachtungswinkels richtet sich nach der jeweils verwendeten Näherung für die Strahlungstransportgleichung. Es können sowohl Geräte mit Beleuchtungs- als auch mit Beobachtungsmodulation verwendet werden.
Zur Ermittlung der koloristischen Wirkungsmatrix werden die Mengen der Rezeptkomponenten (N Pigmente) für ein vorgegebenes Rezept um ihre Sollkonzentration geringfügig variiert und die zugehörige koloristische Wirkung im Reflexionsraum oder im CIELab-Raum winkelabhängig (M Winkel) mittels der optischen Materialparameter berechnet. Mit anderen Worten können die Auswirkungen der Konzentrationsänderungen von Rezeptbestandteilen, deren Materialparameter bekannt sind, als Auswirkungen im Farbraum oder im Reflexionsraum berechnet werden.
Der Informationsgehalt der Wirkungsmatrix kann nun sofort oder später zu jedem beliebigen Zeitpunkt dazu benutzt werden, ein Referenzrezept auf einen vom Referenzpunkt abweichenden Zielpunkt hinzutönen. Dieser Zielpunkt sollte nicht so weit vom Referenzpunkt entfernt sein, dass der Gültigkeitsbereich der verwendeten Näherung überschritten wird.
Grundsätzlich werden in der Fachwelt unter dem Begriff „farbtonrelevante Informationen" Farbtonänderungen dL*, da* und db* für unbunte Farbtöne und dL*, dC* und dH* für bunte Farbtöne wie vorstehend bereits erläutert verstanden. Solche Farbtonänderungen ausgedrückt durch dL*, da* und db* für unbunte Farbtöne und dL*, dC* und dH* für bunte Farbtöne können im Herstellungsprozess einer Charge auf vielfältige Weise entstehen. Einige wesentliche Einflussfaktoren sind dabei

– Rohstoffschwankungen, insbesondere der zur Pastenherstellung verwendeten Pigmente, die einen Einfluss auf den Farbton haben, wie beispielsweise die Teilchengrößenverteilung und Oberflächenbeschaffenheit und die Schichtdicke der Pigmente,
– Schwankungen bei der Einwaage der Rohstoffe zur Zwischenproduktherstellung von zum Beispiel Pigment-Pasten und dabei auftretende Prozessschwankungen,
– Schwankungen bei der Einwaage der Zwischenprodukte zur Chargenherstellung und dabei auftretende Prozessschwankungen und
– Applikationsparameter bei der Lackierung der Charge wie beispielsweise Hornluft, Zerstäuberluft, Ausflussrate, Bandgeschwindigkeit, Hochspannung und Glockendrehzahl und andere Umgebungsparameter wie Temperatur, Luftfeuchte, Luftsinkgeschwindigkeit oder UV-Strahlung.

Eine ab initio Beschreibung der Schwankungen in den vorgenannten Einflussgrößen und ihrer Auswirkungen auf das Farbverhalten der Charge kann aufgrund der vielfältigen Einflüsse und aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge nicht praxisrelevant sein. Zudem hindert die oft nicht ausreichend präzise Erfassung dieser Daten einen solchen rein theoretischen Ansatz. Aus diesem Grund wird in der Praxis ein phänomenologischer Ansatz zur Bestimmung der Farbtonänderungen dL*, da* und db* für unbunte Farbtöne und dL*, dC* und dH* für bunte Farbtöne im Chargenfertigungsprozess eingesetzt. Dazu kann man in der Praxis bevorzugt die Farbtonänderungen als Funktion der Konzentration der eingesetzten Zwischenprodukte beschreiben. Die Farbtonänderungen lassen sich dann als Differentiale dL*/dc_i, da*/dc_i, db*/dc_i und dL*/dc_i, dC*/dc_i, dH*/dc_i darstellen. In gleicher Weise können die Farbtonänderungen in Abhängigkeit der vorgenannten Prozessparameter erfasst werden.
Unter dem Begriff „farbtonrelevante Informationen" werden hier und im Folgenden alle Informationen und Messwerte verstanden, die im fortlaufenden Prozess durch jeweilige Mengen- oder Chargenänderungen hervorgerufene Farbtonveränderungen umfassen. Es wird mithin die Gesamtheit der Abhängigkeiten der Farbtonänderungen in Form von Differentialen der daraus zu erstellenden Wirkungsmatrix unter diesem Begriff zusammengefasst.
Diese Informationen können entweder im Sinne dieser Erfindung zusätzlich zu bestehenden Prozessen gesammelt werden. Sie können aber bevorzugt aus bereits bestehenden Prüfprozessen gewonnen werden. Zum Beispiel können solche Informationen in der routinemäßigen, laufenden Qualitätskontrolle erhalten werden. Besonders bevorzugt werden die farbrelevanten Informationen aus Laborversuchen, Qualitätsprüfungen, Eingangsprüfungen oder Betriebsproben erhalten.
Unter dem Begriff „Färbesystem" wird hier und im Folgenden jede Zusammenstellung von mindestens zwei verschiedenen Pigmenten und/oder Bindemitteln verstanden. Bevorzugt umfasst ein Färbesystem eine große Anzahl verschiedener Bunt- oder Effektpigmente enthaltene Zusammensetzungen, die man entweder als Grundfarbton oder als Pigmentpaste bezeichnen kann.
Als Pigmente können erfindungsgemäß sowohl Absorptions- als auch Effekt- oder so genannte Pseudopigmente eingesetzt werden. Anzahl und Auswahl oder Zusammenstellung der Pigmentkomponenten sind dabei keinerlei Beschränkung unterworfen. Sie können den jeweiligen Erfordernissen beliebig angepasst werden. Beispielsweise können einem solchen Färbesystem alle Pigmentkomponenten eines standardisierten Mischlacksystems zugrunde liegen.
Unter Effektpigmenten sind alle Pigmente zu verstehen, die einen plättchenförmigen Aufbau zeigen und einer Oberflächenbeschichtung spezielle dekorative Effekte verleihen. Bei den Effektpigmenten handelt es sich beispielsweise um alle in der Fahrzeug- und Industrielackierung oder in der Tinten- und Färbemittelherstellung üblicherweise einsetzbaren effektgebenden Pigmente. Beispiele für derartige Pigmente sind reine Metallpigmente wie zum Beispiel Aluminium-, Eisen- oder Kupferpigmente, Interferenzpigmente wie zum Beispiel titandioxidbeschichteter Glimmer, eisenoxidbeschichteter Glimmer, mischoxidbeschichteter Glimmer, metalloxidbeschichtetes Aluminium, oder Flüssigkristallpigmente.
Bei den farbgebenden Absorptionspigmenten handelt es sich beispielsweise um übliche, in der Lackchemie einsetzbare organische oder anorganische Absorptionspigmente. Beispiele für organische Absorptionspigmente sind Azopigmente, Phthalocyanin-, Chinacridon-, und Pyrrolopyrrolpigmente. Beispiele für anorganische Absorptionspigmente sind Eisenoxid- oder Bleioxidpigmente, Titandioxid und Ruß.
Beispiele für so genannte Pseudopigmente sind solche Stoffe, die hinsichtlich der Effektpigmente topologiebeeinflussend, aber ansonsten koloristisch unwirksam sind. Bevorzugt werden sie aus der Gruppe der bekannten Füllstoffe ausgewählt.
Mit der erfindungsgemäßen Aktualisierung der Wirkungsmatrizen durch die aktuellen farbtonrelevanten Informationen wird im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren eine Dynamik eingebracht, die es ermöglicht, auch Schwankungen in den Roh- und Einsatzstoffen sowie Schwankungen durch Herstellungs- und Applikationsprozesse zu erfassen und entsprechend zu berücksichtigen. In diesem Sinne kann das erfindungsgemäße Verfahren als lernend bezeichnet werden. Auf diese Weise ist es zudem erstmals möglich, die Genauigkeit des Verfahrens stark zu erhöhen. Denn die Genauigkeit des Verfahrens ist entscheidend von der Güte der Wirkungsmatrizen abhängig.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die Wirkungsmatrizen mit farbtonrelevanten Informationen aus Laborversuchen, Qualitätsprüfungen, Eingangsprüfungen und Betriebsproben erweitert werden. In dieser Ausgestaltung des Verfahrens werden die erstmals bei der Ausarbeitung und Erstellung eines Grundfarbtons beziehungsweise einer Farbpaste bestimmten Wirkungsmatrizen später durch weitere Parameter erweitert. Diese Erweiterung der Wirkungsmatrizen geschieht bevorzugt durch farbtonrelevante Informationen, die im fortlaufenden Prozess durch die Messung von Farbton-Änderungen in Abhängigkeit von verschiedenen Mengen, Applikationsmethoden oder Chargen gewonnen werden. Aus diesen Informationen können die Veränderungen in den optischen Materialparametern bestimmt werden, die letztlich in die Wirkungsmatrizen aufgenommen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise zur Farbtönung von Lacken und Druckfarben oder Polymerdispersionen eingesetzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne die Erfindung darauf zu beschränken. Die Abbildung zeigt in
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen lernenden Korrektur (rechts) gegenüber der klassischen, statischen Stichfärbung.
Es wird ausgehend von der gleichen Referenzmischung durch schrittweise Korrektur ein korrigierter Farbton erzielt, der hinsichtlich des zugehörigen Farbtonstandards eine akzeptable Restfarbdifferenz erreicht. Wie aus der Figur ersichtlich werden nach dem klassischen Verfahren wesentlich mehr Tönungsschritte benötigt, um den Zielpunkt zu erreichen, als in dem neuen lernenden Verfahren. Eine Charakteristik des lernenden, dynamisch aktualisierten Verfahrens ist in der Tatsache zu sehen, dass bereits im ersten Tönungsschritt aufgrund der hohen Güte der Wirkungsmatrizen eine sehr große Annäherung an den Zielpunkt gelingt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19720887 A1 [0004, 0005]
- EP 0828144 A2 [0005]
- WO 2006/052556 A2 [0006]
- WO 2006/052561 A2 [0006]

Claims

Verfahren zur Farbrezeptberechnung pigmentierter Farbtöne angepasst an einen Zielfarbton, umfassend die Schritte i) Aufstellen je einer Wirkungsmatrix durch geeignete Eichstaffeln für die in einem Färbesystem enthaltenen Bestandteile, ii) Bestimmen der optischen Materialparameter des Zielfarbtons, iii) Auswahl einer geeigneten Ausgangsrezeptur, iv) Bestimmung des Farbabstands zwischen der Ausgangsrezeptur und dem Zielfarbton, v) Berechnung eines ersten angepassten Farbrezepts unter Berücksichtigung der Wirkungsmatrizen, vi) Wiederholung der Schritte iv) und v) bis eine akzeptable Restfarbdifferenz erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkungsmatrizen im laufenden Prozess ständig mit farbtonrelevanten Informationen aktualisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die farbtonrelevanten Informationen aus Laborversuchen, Qualitätsprüfungen, Eingangsprüfungen und Betriebsproben erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkungsmatrizen mit farbtonrelevanten Informationen aus Laborversuchen, Qualitätsprüfungen, Eingangsprüfungen und Betriebsproben erweitert werden.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Farbtönung von Lacken und Druckfarben oder Polymerdispersionen.