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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überprüfen von Oberflächen, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überprüfen von Oberflächen anhand ihrer Lumineszenz-Eigenschaften.
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Heutzutage werden an viele Oberflächen sehr hohe Anforderungen gestellt. Die Gründe dafür sind vielfältig, beispielsweise sollen verschiedene Oberflächen je nach Einsatzgebiet feuerfest, hitzebeständig, chemisch resistent, kältebeständig, schmutzabweisend, kalkresistent oder auch kratzfest sein.
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Beispiele hierfür sind Sichtfenster bzw. Visiere von Motorradhelmen, Duschkabinen, Deckgläser von Scheinwerfern, Uhrgläser, Zierblenden, Verkleidungen oder auch Sichtfenster von Kaminen oder Öfen.
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Um dies zu erreichen, werden viele Oberflächen industriell versiegelt oder auch beschichtet. Dabei ist es oftmals insbesondere wünschenswert, dass sich die visuellen oder auch taktilen Oberflächeneigenschaften nicht ändern. Gerade bei durchsichtigen Oberflächen wird daher viel Aufwand betrieben, damit die Beschichtung bzw. die Versiegelung nicht erkennbar ist.
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Die sich ständig verbessernden Beschichtungs- bzw. Versiegelungstechniken werfen allerdings das Problem auf, dass unbehandelte bzw. unbeschichtete Werkstücke sehr schwierig von behandelten Werkstücken zu unterscheiden sind. Insbesondere natürlich deshalb, da die beschichteten Werkstücke durch die Prüfung nicht beschädigt werden dürfen.
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Ein weiteres wichtiges Problem dieser beschichteten Werkstücke ist die Schwierigkeit festzustellen, ob eine Beschichtung die Oberflächen vollständig bedeckt. Das bedeutet die Oberfläche muss an jeder Stelle überprüft, also abgescannt werden, nicht nur an einer verdeckten Stelle, die nach der Prüfung nicht mehr zu erkennen ist.
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Außerdem ist es oftmals notwendig zu überprüfen, ob die Beschichtung des Werkstücks an jeder Stelle die nötige Dicke aufweist, um die notwendigen Eigenschaften zu besitzen. So braucht eine Beschichtung meistens eine gewisse Schichtdicke, um die feuerfeste, kratzfeste, schmutzabweisende, Kalk-, Säure-, Hitze- oder Kälte-beständigen Eigenschaften aufzuweisen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen einer Oberfläche bereitzustellen, welche insbesondere unsichtbare Beschichtungen auf verschiedenen Werkstücken überprüfen kann, die oben genannten Nachteile überwindet, kostengünstig herzustellen und universell einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Überprüfen der Oberfläche einer Prüffläche bereitgestellt.
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Als ein Beispiel für eine Prüffläche können Kunststoff-Spritzgussteilen wie Polymethylmethacrylat (PMMA), Acrylglas, Polycarbonate (PC), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS) oder auch Glas gesehen werden. Es können jedoch auch verschiedene andere Materialien verwendet werden. Diese können, müssen jedoch nicht durchsichtig sein.
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Dabei kann die Prüffläche vollständig, teilweise oder gar nicht mit einer Beschichtung bzw. Versiegelung versehen sein. Auch kann die Prüffläche sowohl ganz als auch teilweise transparent oder auch vollständig undurchsichtig sein.
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Zunächst wird die Prüffläche mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt. Dabei können elektromagnetische Wellen mit bestimmten Wellenlängen verwendet werden, als auch elektromagnetische Wellen, die ein breites Energiespektrum aufweisen.
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Die Prüffläche wird dann zumindest in einem Teilbereich abgetastet. Diese Abtastung kann nach der Bestrahlung mit den elektromagnetischen Wellen oder auch gleichzeitig mit der Bestrahlung mit den elektromagnetischen Wellen erfolgen.
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Dabei umfasst das Abtasten alle möglichen visuellen, optischen, elektrischen, elektronischen oder elektromagnetischen Untersuchungsmethoden. Beispielsweise Transmissions- oder Reflexionsmessungen können hier verwendet werden.
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Die Abtastergebnisse der bestrahlten Prüffläche werden dann zum Ermitteln der Oberflächeneigenschaften herangezogen. Dabei werden die Lumineszenz-Effekte der Oberfläche ausgenützt. So können beispielsweise Phosphoreszenz-Effekte während oder auch nach der Bestrahlung festgestellt werden. Erfahrungsgemäß wird man jedoch die Methode bevorzugen, bei der die Prüffläche während der Bestrahlung abgetastet wird. Die meisten Effekte treten direkt unter der Bestrahlung mit den elektromagnetischen Wellen auf, wie etwa die Fluoreszenz.
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Es ist durch Anwendungen aus der Biochemie bekannt, dass viele Kunststoffe Fluoreszenz zeigen. Dort ist dies ein Störeffekt, da die Fluoreszenz der zu detektieren Stoffe durch die Fluoreszenz des Kunststoffgefäßes überlagert wird. Der häufig verwendete Kunststoff PMMA zeigt Fluoreszenz – wie auch andere übliche transparente für Spritzguss geeignete Kunststoffe. Bei Beleuchtung mit UV-Licht geeigneter Wellenlänge leuchtet das Werkstück beispielsweise sichtbar bläulich. Die Beschichtung dagegen sperrt UV-Licht. Fluoreszenz kann deshalb nur an unbeschichteten Stellen beobachtet werden. Daher kann beispielsweise anhand der Abtastergebnisse festgestellt werden, ob die Oberfläche der Prüffläche beschichtet bzw. versiegelt ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nützt daher einen Effekt aus, der eigentlich immer unterdrückt werden soll.
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Zusätzlich dazu kann beispielsweise auch überprüft werden, ob die Beschichtung bzw. Versiegelung vollständig über die Prüffläche verteilt ist, oder eben genau an diesen Stellen aufgebracht ist, die mit der Beschichtung versehen werden sollen.
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Auch ist es möglich festzustellen, ob die nötige Schichtdicke der Beschichtung vorhanden ist, um die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung wie Kratzfestigkeit, Kalkresistenz, Schmutzabweisung, Feuer-, Hitze- oder Kälte-Beständigkeit usw. aufzuweisen.
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Dabei kann die bestrahlte Prüffläche bestimmte Abtastergebnisse, beispielsweise eine messbare Fluoreszenz, liefern und jegliche Abweichung davon ein negatives Ergebnis produzieren. Auch ist es möglich, die Abweichung der Abtastergebnisse der bestrahlten Prüffläche von vorher festgelegten Sollergebnissen zu dokumentieren und daraus beispielsweise auf die Güte der Oberflächenbeschichtung der Prüffläche zu schließen.
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Vorzugsweise werden die elektromagnetischen Wellen bestimmte Wellenlängen aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Untersuchung genau vorhersagbare Ergebnisse liefert. Die Wellenlängen können je nach verwendeter Prüffläche, Beschichtung oder Versiegelung bzw. Aufgabenstellung variiert werden. Beispielsweise können für PMMA Wellenlängen im Bereich von 250 nm–380 nm als Anregungswellenlänge und 400 nm–490 nm als Detektionswellenlänge verwendet werden. Es konnten jedoch auch Wellenlängen im gesamten sichtbaren Bereich beobachtet werden.
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Vorzugsweise ist die Prüffläche zumindest teilweise beschichtet. Zusätzlich dazu kann die Beschichtung der Prüffläche für die Wellenlängen der elektromagnetischen Wellen, mit denen sie bestrahlt wird, undurchsichtig sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dann aus, dass die Beschichtung bzw. der Lack Wellenlängen in einem bestimmten Frequenzbereich, wie etwa UV-Licht sperrt. Beispielsweise kann der Lack für Wellenlängen größer als 390 nm transparent sein, jedoch für Wellenlängen im Bereich 390 nm bis ca. 320 nm kann die Absorption ansteigen. Für kleinere Wellenlängen ist die Beschichtung bzw. der Lack bereits bei geringer Schichtdicke (technisch relevante Schichtdicken sind kleiner als 100 μm) praktisch komplett undurchsichtig. Das bedeutet mit verschiedenen Wellenlängen-Bereichen der elektromagnetischen Wellen können verschiedene Messbereiche für verschiedene Schichtdicken eingestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren in der vorliegenden Ausführungsform kann natürlich nur Anwendung finden, wenn der verwendetet Kunststoff bzw. das Trägermaterial der Beschichtung oder des Lacks Lumineszenz-Effekte, wie Fluoreszenz zeigt. Dies ist aber bisher bei allen untersuchten Kunststoffen und sogar einigen optischen Gläsern der Fall.
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Diese Fluoreszenz ist im Allgemeinen ein ungewollter Effekt und wird deshalb auch praktisch nie in den Datenblättern der Kunststoff-Hersteller angegeben. Es gibt jedoch auch Kunststoffe, die absichtlich fluoreszieren.
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Insbesondere der häufig verwendete Kunststoff PMMA, wie auch andere übliche transparente für Spritzguss geeignete Kunststoffe zeigen Fluoreszenz. Bei Beleuchtung mit UV-Licht geeigneter Wellenlänge leuchtet das Prüfstück z. B. sichtbar bläulich. Die Beschichtung bzw. der Lack dagegen sperrt UV-Licht. Fluoreszenz kann deshalb nur an unbeschichteten Stellen beobachtet werden.
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Um das erfindungsgemäße Verfahren verwenden zu können, sollte die Beleuchtung von der beschichteten Seite erfolgen. Die Beobachtung der Fluoreszenz kann dann entweder von der gleichen Seite geschehen, oder kann auch in Transmission abgetastet werden, wenn das Prüfteil transparent ist.
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Zusätzlich dazu kann beispielsweise auch überprüft werden, ob die Beschichtung bzw. Versiegelung vollständig über die Prüffläche verteilt ist, oder eben genau an diese Stellen aufgebracht ist, die mit der Beschichtung versehen werden sollen.
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Vorzugsweise wird die Schichtdicke der Beschichtung der Prüffläche anhand der Veränderungen der Fluoreszenzeigenschaften der zumindest teilweise beschichteten Prüffläche ermittelt. Dabei kann beispielsweise untersucht werden, ob die nötige Schichtdicke der Beschichtung vorhanden ist, um die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung wie Kratzfestigkeit, Kalkresistenz, Schmutzabweisung, Feuer-, Hitze- oder Kälte-Beständigkeit usw. aufzuweisen.
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Die Möglichkeit der Messung der Schichtdicke ist im Allgemeinen besonders interessant, da bestimmte Mindest-Schichtdicken gefordert sind, ab der die Beschichtung oder der Lack seine Funktion, d. h. beispielsweise Kratzfestigkeit erfüllt. Zum Beispiel kann eine Dicke unterhalb 10 μm oder je nach Anwendung unterhalb von 30 μm als Fehler zählen.
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Wenn die Schichtdicke allmählich abnimmt, wird das erfindungsgemäße Verfahren einen breiten Übergangsbereich ermitteln, in dem die Fluoreszenz stetig zunimmt. Dieser breite Übergangsbereich kann je nach Wellenlänge der elektromagnetischen Welle eingestellt und überprüft werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Prüfen der Oberfläche einer Prüffläche bereitgestellt. Die Prüffläche kann vollständig, teilweise oder überhaupt nicht beschichtet bzw. versiegelt sein. Die Vorrichtung umfasst Beleuchtungsmittel zum Bestrahlen der Prüffläche, so dass die Prüffläche zumindest teilweise bestrahlt werden kann. Dabei sollten die Mittel dafür geeignet sein zumindest einzelne Wellenlängen oder kleinere oder größere Wellenlängenbereiche abzustrahlen. Beispiele hierfür sind Laser, UV-LEDs, Quecksilberdampflampen, Xenon-Gasentladungslampen mit geeigneten optischen Filtern, die nur gewünschte Wellenlängen durchlassen, usw.
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Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens ein Abtastelement zum Abtasten der Prüffläche.
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Dies kann beispielsweise eine normale Digitalkamera mit einem Standard-Objektiv ohne Filter sein. Mit speziellen Filtern (z. B. Sperrfilter, Bandpassfilter) vor der Kamera könnte man den Bildkontrast noch verbessern.
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Eine weitere Möglichkeit ist ein optischer Versuchsaufbau. Dabei wird beispielsweise ein durch die bestrahlte Prüffläche gehender Lichtstrahl oder ein reflektierter Lichtstrahl mit einem Sensor gemessen.
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Des Weiteren können elektrische, elektronische oder elektromagnetische Untersuchungsmethoden verwendet werden. Beispiele hierfür sind Reflexions- oder Transmissionsmessungen.
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Zusätzlich umfasst die erfindungsmäßige Vorrichtung mindestens eine Einheit zum Ermitteln der Oberflächeneigenschaften der Prüffläche anhand der Lumineszenz-Effekte der bestrahlten Prüffläche. Hier kann eine mit geeigneter Software versehene Steuerungseinheit wie ein Computer Anwendung finden.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Einheit zum Ermitteln der Oberflächeneigenschaften geeignet, die Oberflächeneigenschaften anhand der Veränderungen der Fluoreszenzeigenschaften einer zumindest teilweise beschichteten Prüffläche zu ermitteln.
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Dabei können Bereiche auf der Prüffläche, die nicht beschichtet sind, eine Fluoreszenz aufweist. Im Gegensatz dazu können Bereiche, die beschichtet sind, das Licht absorbieren und weisen somit keine Fluoreszenz auf.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Einheit zum Ermitteln der Oberflächeneigenschaften geeignet die Schichtdicke der Beschichtung der Prüffläche anhand der Veränderungen der Fluoreszenzeigenschaften der zumindest teilweise beschichteten Prüffläche zu ermitteln.
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Wenn man eine Vorrichtung zur Verfügung stellen will, die die Anwesenheit des Lacks auch bei geringer Dicke sicher erkennen soll, so würde man eine eher kleine Wellenlänge wählen, bei der der Lack stark absorbiert. Ein Beispiel hierfür wäre 254 nm, die z. B. mittels einer Quecksilberdampflampe leicht zu erzeugen ist.
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Wenn jedoch Schichtdicken gemessen werden sollen, so sollte eine Wellenlänge im Übergangsbereich zwischen Absorptions- und Transmissionsbereich gewählt werden, in der die Beschichtung noch teilweise transmittiert. Ultraviolette LEDs in diesem Wellenlängen-Bereich sind in einem fein abgestuften Sortiment verschiedener Wellenlängen zu sinnvollen Preisen kommerziell erhältlich.
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Vorzugsweise ist das mindestens eine Abtastelement ein optisches Messsystem. Dazu ist ein optischer Versuchsaufbau geeignet. Dabei wird von einer Lichtquelle beispielsweise ein Laser-Strahl oder eine LED auf oder durch die bestrahlte Prüffläche gestrahlt. Der durch die bestrahlte Prüffläche gehende Strahl oder der reflektierte Strahl kann mit einem Sensor oder Empfänger gemessen werden. Beispiele hierfür sind CCD-Zeilenkameras, CCD-Kameras oder auch Fotodioden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind universell einsetzbar und können beispielsweise auch in der Serienfertigung verwendet werden. Sie sind zerstörungsfrei anwendbar und verändern die Oberfläche nicht. Auch bieten sie die Möglichkeit, eine gesamte Oberfläche zu prüfen und abzuscannen und damit einzelne Fehlstellen zu detektieren. Sie können aber gleichzeitig auch punktuell eingesetzt werden.
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Eine Ausführungsform der Vorrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnung detailliert erklärt. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung:
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1: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt die schematische Darstellung einer Anordnung, die die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführen kann.
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Dabei wird eine Prüffläche 10, die mit der Schicht 30 beschichtet ist, auf einen geeigneten Tisch oder auch ein Fließband 20 gelegt. Dieser Tisch oder auch das Fließband 20 sollten dafür geeignet sein, dass die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden können.
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Die Schicht 30 kann eine Beschichtung oder eine Versiegelung der Prüffläche 10, wie beispielsweise ein Lack sein. Die Schicht 30 weist eine bestimmte Schichtdicke auf, die an der Stelle 34 stetig abnimmt und an der Stelle 36 gar nicht mehr vorhanden ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert nur, wenn das verwendete Material für die Prüffläche wie beispielsweise ein Kunststoff, Fluoreszenz zeigt. Erfahrungsgemäß zeigen jedoch die meisten aus hochtransparentem PMMA und PC hergestellten Prüfflächen Fluoreszenz, wobei Unterschiede in der Intensität und Farbe der Fluoreszenz beobachtet werden.
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Die beschichtete Prüffläche 10 wird über die gesamte Breite mit elektromagnetischen Wellen aus einer Quelle 40 bestrahlt. Als Beispiel wird in der vorliegenden Ausführungsform eine Quecksilberdampflampe verwendet. Es kann aber auch jede andere Quelle für elektromagnetische Strahlung verwendet werden. Vorteilhafterweise wird man die Wellenlänge der Quelle 40 für elektromagnetische Wellen so wählen, dass sie in dem Material der Prüffläche 10, wie beispielsweise verschiedene Kunststoffe (PMMA, PC) oder Glas eine Fluoreszenz bewirken, wohingegen die elektromagnetische Wellen von der Beschichtung bzw. dem Lack 30 absorbiert werden und keinen Fluoreszenz-Effekt hervorrufen.
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Es hat sich gezeigt, dass der Fluoreszenz-Effekt von der Schichtdicke der Beschichtung 30 auf der Prüffläche 10 abhängt. Die Stärke der Absorption des UV-Lichts durch die Beschichtung 30 ist also eine Funktion der Schichtdicke. Im Allgemeinen nimmt die Intensität des transmittierten UV-Lichts exponentiell mit der Schichtdicke ab. Damit kann also prinzipiell über die Intensität der Fluoreszenz die Schichtdicke bestimmt werden.
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Das bedeutet, dass die Prüffläche 10 an der Stelle 36, an der keine Beschichtung vorhanden ist, ein Maximum an Fluoreszenz aufweist. An der Stelle 34, an der die Schichtdicke der Beschichtung 30 langsam wieder zunimmt, wird eine Abnahme der Fluoreszenz erkennbar sein.
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Um dieses Fluoreszenzverhalten der mit Beschichtung 30 versehenen Prüffläche 10 zu untersuchen, kann eine einfache Digitalkamera 50 verwendet werden, die eine Aufnahme des bestrahlten Prüfteils 10 aufnimmt. Dabei wird die Aufnahme an dem Bereich 36 eine klare Fluoreszenz aufweisen, wohingegen die Beschichtung 30 in dem Bereich 38 die elektromagnetische Strahlung komplett absorbieren wird, so dass keine Fluoreszenz auftreten wird. In dem Bereich 34 wird die Fluoreszenz kontinuierlich abnehmen.
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Wenn die Beschichtung 30 eine Stufe aufweist, das bedeutet der Übergang von einer Prüffläche ohne Beschichtung zu einer Prüffläche mit Beschichtung ist sehr scharf, wird auch die Aufnahme der Digitalkamera 50 einen abrupten Übergang zwischen beiden Bereichen zeigen.
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Die bestrahlte Prüffläche 10 kann aber auch mit einem Spektrometer ausgelesen werden.
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Das Abtastelement, wie die Digitalkamera 50, kann jedoch bei einer transparenten Prüffläche 10 auch unter dem Tisch 20 oder dem Fließband angebracht werden und von dort die bestrahlte, beschichtete Prüffläche 10 abtasten.
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Wichtig ist bei der vorliegenden Erfindung nur, dass sich die elektromagnetische Quelle, wie die Quecksilberdampflampe 40 auf der gleichen Seite der Prüffläche 10 befindet an der auch die Beschichtung 30 angebracht ist.
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Um die Digitalkamera 50 auszulesen, kann beispielsweise ein Computer 60 verwendet werden, der mit Hilfe einer geeigneten Software das Signal der Digitalkamera 50 auswertet.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern lässt sich auch gemäß dem Gegenstand der Erfindung modifizieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Prüffläche
- 20
- Prüftisch oder Fließband
- 30
- Beschichtung
- 34
- Bereich in dem die Beschichtung abnimmt
- 36
- Bereich der Prüffläche, welche keine Beschichtung aufweist
- 38
- Bereich der Prüffläche, welche eine Beschichtung mit einer größeren Schichtdicke aufweist
- 40
- Quelle elektromagnetischer Strahlung bzw. Lichtquelle
- 50
- Digitalkamera
- 60
- Computer zur Auswertung des Fluoreszenz-Effekts
