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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung zumindest eines zeitabhängigen Beschichtungsparameters bei der Elektro-Tauchlackierung.
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Tauchlackierverfahren haben sich seit den 1960er Jahren in zahlreichen Bereichen der Technik und vor Allem der Automobilindustrie durchgesetzt, da diese im Vergleich mit Sprüh- oder Streichverfahren Vorteilen aufweisen. So können auch komplex geformte und hinterschnittene Bauteile und Hohlräume problemlos und schnell beschichtet werden. Ferner wird mit Hilfe einer solchen Tauchlackierung der Einsatz an Beschichtungsmaterial gesenkt, Gesundheitsrisiken für Arbeiter vorgebeugt und die Umwelt geschont. Bei der Elektro-Tauchlackierung (ETL), häufig auch als KTL-Tauchlackierung bezeichnet, wird innerhalb eines ETL-Tauchbads, in das ein zu beschichtendes Bauteil eingetaucht ist, ein elektrisches Feld angelegt. Das ETL-Tauchbad besteht in der Regel aus ca. 80% Wasser, während der die 100% ausgleichende Rest Bindemittel, Pigmente und ein geringer Anteil organischer Lösemittel und Additive sind. Je nachdem, ob das Werkstück an der Kathode oder an der Anode einer Gleichstromquelle angeschlossen ist, handelt es sich um anodische oder kathodische Elektro-Tauchlackierung.
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Verfahren zur ETL-Tauchlackierung sind dem Fachmann bekannt. Sie umfassen in der Regel mehrere Nebenaggregate, mittels derer die Prozessparameter (z. B. pH-Werte, Temperatur, Konzentrationen gelöster Stoffe, Spannungen und Stromstärken) in einem Sollbereich gehalten werden können. Es ist jedoch oft nicht möglich, die Prozessparameter direkt in der Umgebung des zu beschichtenden Werkstücks bzw. in Echtzeit zu messen. Daraus können sich Qualitätseinbußen ergeben, da eine nicht optimale Prozessführung unter Umständen erst zu spät erkannt wird und aufgrund dessen Ausschuss entstehen kann. Dies trifft vor Allem bei der Bestimmung der notwendigen Verweildauer eines Werkstücks in dem ETL-Tauchbad zur Erreichung einer bestimmten Sollschichtdicke zu; um diese beim „Einfahren” des Beschichtungsverfahrens zu bestimmten, sind bisher eine unbestimmte Anzahl von Einzelversuchen notwendig, wobei nach jedem Einzelversuch das Ergebnis der Beschichtung anhand charakteristischer Schichtparameter geprüft wird. Es existiert bisher kein Verfahren, um den zeitlichen Verlauf des Schichtenwachstums und/oder weiterer zeitabhängige Schichtparameter zeitabhängig zu erfassen und einer Auswertung zugänglich zu machen.
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DE 10 2004 063 110 B3 beschreibt zum Thema der in-situ-Untersuchung in ETL-Tauchbädern ein Verfahren zur Ermittlung des Verkeimungsgrades einer Lackieranlage. Bei diesem Verfahren werden zu vorbestimmten Zeitpunkten Proben aus dem ETL-Tauchbad entnommen und in gasdichte Behälter abgefüllt. Anschließend wird in-situ in den Behältern mindestens eine Gaskonzentration gemessen. Liegen mehrere Proben unterschiedlicher Zeitpunkte vor, lässt sich so der Verkeimungsgrad auch in Abhängigkeit der Betriebsdauer bestimmen.
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Ferner beschreibt die
DE 103 26 605 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer KTL-Anlage. Dort sind im KTL-Tauchbad mehrere Elektroden angeordnet, die einzeln abschaltbar sind. Zur Erreichung eines gleichmäßigen Beschichtungsergebnisses, sind die Abschaltzeitpunkte beim Durchfahren des KTL-Tauchbads mit einem Werkstück zu der Momentanposition des Werkstücks zwangsgekoppelt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das es in-situ ermöglicht, den Fortgang der Beschichtung bei der Elektro-Tauchlackierung mit kleinstmöglichem apparativem und zeitlichem Aufwand zu verfolgen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung zumindest eines zeitabhängigen Beschichtungparameters der Elektro-Tauchlackierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung zumindest eines Beschichtungparameters bei der Elektro-Tauchlackierung unter Verwendung eines ETL-Tauchbads sind im ETL-Tauchbad jeweils zumindest eine Anode und eine Kathode angeordnet, die mit einer Gleichstromquelle verbunden sind. In das ETL-Tauchbad taucht ein Werkstück, das mit einer der Anode(n) oder den Kathode(n) elektrisch leitend verbunden ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen mehrerer mitbeschichtbarer Stromsensoren und eines Spannungssensors,
- b) seriell Schalten der Stromsensoren zu der Gleichstromquelle und parallel Schalten des Spannungssensors zu der Gleichstromquelle und Eintauchen in das ETL-Tauchbad an jeweils vorbestimmten Positionen,
- c) Verbinden der Stromsensoren und des Spannungssensors mit Messeingängen einer Messwerterfassungsvorrichtung,
- d) Einschalten der Gleichstromquelle, dabei Mitbeschichten der Stromsensoren und Abtasten der Stromsensoren und des Spannungssensors mit der Messwerterfassungsvorrichtung mit einer vorbestimmten Abtastrate, dabei Abspeichern von zeitdiskreten Messwerten in der Messwerterfassungsvorrichtung,
- e) nach einer ersten vorbestimmten Zeitdauer einzeln nacheinander und nach vorbestimmten Zeitdauern Abschalten aller Stromsensoren,
- f) danach Messen zumindest einer Messgröße einer auf den Stromsensoren abgeschiedenen Schicht,
- g) aus der zumindest einen Messgröße und den mit der Messwerterfassungsvorrichtung bestimmten Messwerten rechnerisch Bestimmen des zumindest einen zeitabhängigen Beschichtungsparameters.
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Die Stromsensoren werden analog zu dem Werkstück mitbeschichtet, da sie mit gleicher Polarität wie auch das Werkstück an die Gleichstromquelle angeschlossen sind. Eine Oberfläche des Stromsensors bildet quasi eine Elektrode, wodurch ein messbarer Stromfluss von der Gleichstromquelle durch das ETL-Tauchbad stattfindet. Erfindungsgemäß kann das Verfahren sowohl bei der kathodischen als auch bei der anodischen Tauchlackierung eingesetzt werden, wobei die Stromsensoren im ersteren Fall mit dem Minuspol der Gleichstromquelle verbunden sind. Im Schritt b) müssen die Stromsensoren und der Spannungssensor natürlich in das ETL-Bad eingetaucht sein, da dort an den vorbestimmten Positionen ja die Messungen vorgenommen werden sollen. Die Messung an vorbestimmten Positionen ist gegenüber einer Prozessüberwachung anhand integraler Werte für Strom und Spannung mit besonderen Vorteilen verbunden, da sich innerhalb des ETL-Tauchbads aufgrund unterschiedlicher Leitfähigkeiten und einer Inhomogenität des elektrischen Feldes mitunter sehr große Messabweichungen ergeben können. Ein Abtasten der Sensoren meint im Sinne des Verfahrens keineswegs ein mechanisches Abtasten, sondern bezieht sich auf den in der Messtechnik üblichen Begriff.
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Durch erfindungsgemäßes Mitbeschichten und konsekutives Abschalten der Stromsensoren wird es erstmalig möglich, Messungen in einem laufenden ETL-Beschichtungsprozess vorzunehmen, wobei die gewonnenen Messwerte in einer nachträglichen Auswertung dazu geeignet sind Aussagen über das zeitabhängige Schichtwachstum zu treffen. Eine erfindungsgemäße Messung ist schnell möglich und kann durch eine Vorrichtung, die beispielsweise alle Strom- und Spannungssensoren in einer kompakten Baueinheit vereint, mit geringem apparativem Aufwand durchgeführt werden. Solche Messungen sind beispielsweise auch an einer sich im Betrieb befindlichen und/oder in eine Fertigungsstraße eingegliederten ETL-Beschichtungsstation möglich, ohne dass der Durchlauf dazu unterbrochen werden müsste. Im Sinne des Verfahrens stellt die konsekutive Abschaltung der einzelnen Stromsensoren quasi ein „Einfrieren” eines Momentanzustands dar, der später noch genau so vermessen werden kann wie zum Zeitpunkt der Stromabschaltung.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die zumindest eine Messgröße die Schichtdicke und/oder die Masse sein.
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Diese zumindest eine Messgröße wird dann im Schritt g) nach vorbestimmten Rechenvorschriften in Beziehung zu den während der laufenden Beschichtung gemessenen und abgespeicherten Messwerten für Strom und Spannung zu diskreten Zeitpunkten gesetzt. Die Aufzählung ist jedoch nicht als abschließend zu betrachten; andere dem Fachmann geeignet erscheinende Lackeigenschaften optischer, magnetischer, mechanischer und/oder elektrischer Natur können natürlich ebenso bestimmt und weiterverwendet werden.
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In einer noch weiteren Ausführungsform können die Stromsensoren zum Messen der zumindest einen Messgröße der auf den Stromsensoren abgeschiedenen Schicht im Schritt f) aus dem ETL-Tauchbad entnommen werden.
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Hierdurch ist es möglich die zumindest eine Messgröße der auf den Stromsensoren abgeschiedenen Schicht mit bekannten, robusten Messverfahren wie beispielsweise Wiegen für die Schichtmasse oder Laufzeitmessung für die Schichtdicke zu bestimmen. Zur Bestimmung gebräuchlicher Beschichtungsparameter, die aus mehreren Messwerten zusammengesetzt sein können, werden diese Messgrößen heran gezogen. Natürlich können auch noch andere Messgrößen als die genannten bestimmt werden, beispielsweise das Schichtvolumen.
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Ferner können die Stromsensoren galvanisch von der Messwerterfassungsvorrichtung getrennt sein, was zu einer besonders hohen Genauigkeit der Strommessung beiträgt, da aufgrund dessen nur ein sehr kleiner Spannungsabfall durch die Strommessung zu erwarten ist. Die galvanische Trennung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Strom zunächst direkt mit Hilfe eines Strommess-Shunts gemessen wird, während die Übertragung des Messwerts zur Messwerterfassungsvorrichtung beispielsweise nach einer Signalwandlung optisch erfolgt oder zwischen dem Strommess-Shunt und dem Messgerät zumindest ein optoelektronisches Bauteil angeordnet ist.
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Darüber hinaus kann der Beschichtungsparameter – oder auch mehrere – eine Ladungsmenge, ein Abscheideäquivalent und/oder ein Nassfilmwiderstand der auf den Stromsensoren abgeschiedenen Schicht sein. Das Abscheideäquivalent ist als Quotient aus der während dem Abscheideintervall verbrauchten Ladungsmenge und der in diesem Intervall abgeschiedenen Masse bzw. Volumen der Schicht definiert. Mit Nassfilmwiderstand soll hier derjenige ohmsche Widerstand bezeichnet werden, den die abgeschiedene Schicht auf den Stromsensoren bei Stromdurchgang Normalenrichtung aufweist, wobei vor dem Trocknen bzw. Aushärten der Schicht gemessen wird. Der Nassfilmwiderstand ist ein wichtiger Indikator für das so genannte Umgriffsvermögen eines ETL-Lacks. Mit Umgriffsvermögen wird die Fähigkeit des Lacks bezeichnet, auch von den Elektroden vergleichsweise weit beabstandete Bereiche oder Hohlräume eines zu beschichtenden Werkstücks gleichmäßig zu beschichten. Prinzipbedingt ist es nämlich so, dass die Schichtabscheidung zunächst in den Bereichen nahe der Elektroden, wo das elektrische Feld stark ist, erfolgt. Grundsätzlich gilt, je höher der Nassfilmwiderstand am Anfang der Beschichtung ist, desto besser ist das Umgriffsvermögen. Der Nassfilmwiderstand kann jedoch grundsätzlich auch direkt aus den von der Messwerterfassungsvorrichtung aufgezeichneten Messwerten für Strom und Spannung nach dem Ohmschen Gesetz berechnet werden. Wenn es sinnvoll erscheint, können zusätzlich auch die bei der Beschichtung aufgetretenen Stromdichten bestimmt werden.
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Des Weiteren kann die vorbestimmte Abtastrate der Messwerterfassung im Schritt d) in einem Bereich zwischen 10 Hz und 10 kHz, bevorzugt in einem Bereich zwischen 10 Hz und 5000 Hz, liegen. Die genaue Abtastrate ist für jeden Einzelfall in Abhängigkeit der geforderten Genauigkeit bzw. der erwarteten Geschwindigkeit des Schichtwachstums zu bestimmen.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 ein Verfahrensschema,
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2a Messwerte für Strom und Spannung eines gealterten ETL-Tauchbads,
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2b berechnete Beschichtungsparameter des gealterten ETL-Tauchbads,
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3a Messwerte für Strom und Spannung eines neu angesetzten ETL-Tauchbads,
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3b berechnete Beschichtungsparameter des neu angesetzten ETL-Tauchbads.
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In 1 sind die mitbeschichtbaren Stromsensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6 und der Spannungssensor 10 dargestellt, die jeweils mit einer Messwerterfassungsvorrichtung 20 verbunden sind. Erfindungsgemäß sollen die Stromsensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6 und der Spannungssensor 10 in einem ETL-Tauchbad angeordnet sein, das hier nicht gezeigt ist. Die Stromsensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6 weisen eine mitbeschichtbare Oberfläche auf, wobei der Stromfluss durch ebendiese Oberfläche gemessen wird. Es ist ferner zu sehen, dass sich auf den Stromsensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6 eine unterschiedlich dicke Schicht abgeschieden hat. Dies liegt darin begründet, dass der Stromsensor 1 nach 10 s vom Stromfluss getrennt wurde und die anderen Stromsensoren 2, 3, 4, 5, 6 in vorbestimmten Zeitabständen danach ebenfalls getrennt wurden. Somit ist durch Stromsensor 6 die größte Ladungsmenge geflossen und es konnte sich deshalb die dickste Schicht ausbilden. Auf dem Spannungssensor 10 scheidet sich keine Schicht ab, da dieser hochohmig parallel zu der Gleichstromquelle geschaltet ist. Die von den Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10 gelieferten Messwerte werden kontinuierlich mit einer vorbestimmten Frequenz von der Messwerterfassungsvorrichtung 20 abgetastet und gespeichert. Anhand der aufgenommenen Messwerte lässt sich direkt der Nassfilmwiderstand (Ohmsches Gesetz) und die verbrauchte Ladungsmenge für jeden Zeitpunkt bestimmen. Um die genanten Größen jedoch in Relation mit Messgrößen der abgeschiedenen Schicht setzen zu können, muss die auf den jeweiligen Stromsensoren abgeschiedene Schicht an sich vermessen werden. Dazu können die Stromsensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6 entweder in dem Bad verbleiben oder aus dem Tauchbad entnommen werden, wo beispielsweise das Volumen der Schicht, die Dicke der Schicht, die Masse der Schicht und/oder weitere geeignet erscheinende Messgrößen gemessen werden können. Insbesondere ist dabei die Schichtdicke und die abgeschiedene Masse interessant. Aus der abgeschiedenen Masse bzw. dem Schichtvolumen kann zusammen mit der zu einem bestimmten Zeitpunkt verbrauchten Ladungsmenge das so genannte Abscheideäquivalent berechnet werden.
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In 2a ist der Messwertverlauf für Strom I und Spannung U über der Zeit gezeigt. Die vertikalen Linien in der Messwertkurve des Stroms I gehen auf das konsekutive Abschalten des Stromflusses zu den entsprechenden Stromsensoren zu vorbestimmten Zeitpunkten 1, 2, 3 zurück. In 2b sind mit Hilfe der Strom- und Spannungsmesswerte I, U bestimmte Beschichtungsparameter dargestellt. Dabei handelt es sich um die Schichtdicke SD, die Ladungsmenge Q und das Abscheideäquivalent Ä. Das Abscheideäquivalent Ä berechnet sich als Quotient aus einem abgeschiedenem Schichtvolumen oder einer Schichtmasse und der Ladungsmenge Q. Es ist zu sehen, dass die Schichtdicke SD und die Ladungsmenge Q in den und proportional verlaufen. Die in den 2a und 2b dargestellten Graphen stammen aus einer Vermessung eines gealterten ETL-Tauchbads.
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In 3a und 3b sind die Graphen analog für ein neu angesetztes ETL-Tauchbad dargestellt. Die Graphen der 3a und 3b weisen zur besseren Vergleichbarkeit mit den 2a und 2b die gleiche Skalierung auf. Es wird schon anhand der Stromkurve I der 3a deutlich, dass der anfängliche Maximalwert des Stroms I mit etwas über 60 mA deutlich über dem der 2a liegt. Darüber hinaus ist anhand der 3b deutlich zu erkennen, dass die Schichtdicke SD mit einer deutlich höheren Steigung zunimmt als in der 2b; mit dem neu angesetzten ETL-Tauchbad wird also deutlich weniger Zeit zur Erreichung der gleichen Schichtdicke benötigt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann also schnell und mit geringem apparativem Aufwand der Zustand eines ETL-Tauchbads bestimmt werden, indem elektrische Messwerte für Spannung und Strom in Verbindung mit (sekundären) Messgrößen wie Schichtdicke, Schichtvolumen und/oder Schichtmasse gesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004063110 B3 [0004]
- DE 10326605 A1 [0005]
