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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung von Korrosionsschäden mittels zerstörungsfreier Prüfung. Das Verfahren kann insbesondere Anwendung finden bei der Untersuchung der Korrosion lackierter Oberflächen.
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Mechanische Verletzungen an beschichteten Metallsubstraten verursachen häufig den Verlust der Korrosionsschutzwirkung einer organischen Beschichtung, zum Beispiel einer Lackierung. Mechanische Verletzungen und Zerstörungen von Beschichtungen entstehen beispielsweise bei Transport und Montage von Werkteilen oder an Kraftfahrzeugen als Folge von Steinschlägen. Durch derartige Oberflächenverletzungen werden beschichtete Metallsubstrate durch Korrosion angegriffen und zerstört. Typisches Erscheinungsbild der Korrosion ist die Unterwanderung der Beschichtung vom Rand der Verletzung her, gegebenenfalls verbunden mit Rostbildung.
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Für Korrosionsuntersuchungen werden üblicherweise Kurzzeittests durchgeführt, wobei beschichtete Stahlbleche (z.B. 150 mm × 100 mm) parallel zur Längsseite der Bleche mittels eines Ritzstichels mit einer oder mehreren geraden Ritzspuren bis hinunter zum Substrat versehen werden. Anstelle von Ritzspuren können den beschichteten Stahlblechen auch andere künstliche Verletzungen zum Testzweck beigebracht werden. Die so vorbereiteten Bleche werden dann verschiedenen Tests unterworfen.
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Ein typischer Test ist der zyklische Wechseltest nach VDA-Prüfblatt 621-415. Dieser Test beinhaltet einen eintägigen Salzsprühnebeltest (DIN ISO 7253), einen viertägigen Kondenswasser-Wechselklimatest (DIN 50 017) und einen zweitägigen Normalklimatest (DIN 50 014). Ein anderer typischer Test ist der potenziostatische Halteversuch gemäß DIN 50 918. Dabei wird das Potenzial im Diffusionsgrenzstrombereich der Sauerstoffreduktion (-800 mV) eingestellt. Als Elektrolyt wird 0,5 M NaCI-Lösung eingesetzt.
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Nach definierten Zeiten wird die Unterwanderung der Beschichtung mittels Mikroskop und Objektmikrometer begutachtet und ausgemessen, um so den Fortschritt der Korrosion unter der Beschichtung beurteilen zu können. Dazu müssen zunächst lose Beschichtungsteile mechanisch entfernt wurden. Entsprechend der Norm EN ISO 4628-8 wird mit einem Lineal die durchschnittliche Breite der Enthaftung an mindestens 6 gleichmäßig über den Ritz oder eine andere künstliche Verletzung verteilte Stellen auf 0,5 mm genau gemessen.
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Nachteil der vorstehend genannten Methoden zur Bewertung der Korrosion beschichteter, z.B. lackierter Oberflächen ist die aufwendige Vorbereitung der Proben vor der Messung und Auswertung, insbesondere die sorgfältige manuelle Entfernung loser Beschichtungsteile. Ohne die mechanische Entfernung nicht mehr anhaftender Lackschichten kann der Fortschritt der Korrosion unter den Lackschichten jedoch visuell nicht erkannt werden. Ein weiterer Nachteil ist das manuelle Ausmessen bzw. Auswerten der Enthaftung bzw. Korrosionsbreite, welches in hohem Maße von der subjektiven Beurteilung eines Mitarbeiters abhängig ist. Ein anderer Nachteil der bestehenden Methoden ist, dass die Probebleche im Rahmen der Beurteilung und Auswertung so verändert werden, dass eine Fortsetzung der Prüfung am selben Objekt nicht mehr möglich ist. Für Untersuchungen zur zeitlichen Abhängigkeit des Korrosionsverlaufes sind daher größere Zahlen von Probeblechen erforderlich.
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Es sind bereits Verfahren zur Beurteilung von Korrosionsschäden entwickelt worden, die die oben genannten Nachteile zumindest teilweise überwinden konnten. So wird beispielsweise in der
DE 10202326 A1 ein Verfahren zur Prüfung der Haftung von Beschichtungen auf einem Substrat offenbart, welches mittels Impulsthermographie ein hinsichtlich der Beschichtung zerstörungsfreies Erkennen von Delaminationen erlaubt. Dabei wird in den zu untersuchenden Bereich des Messobjektes impulsartig Wärme eingebracht und dieser Bereich unter Verwendung einer Thermographie-Flächenbildkamera abgebildet.
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Auch in der
DE 102010023655 A1 wird ein Verfahren zur automatisierten Beurteilung von Korrosionsschäden nach zerstörungsfreier Prüfung mittels Impulsthermographie beschrieben. Dabei wird ein unterschiedliches zeitliches Temperaturverhalten in beschädigten und unbeschädigten Bereichen eines Werkstücks zur Erkennung von Korrosionsschäden genutzt.
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In European Coatings Journal, 03/2001 (Peter Meinlschmidt, Gerhard B. Pausch) wird ebenfalls ein Verfahren zur thermographischen Erkennung von durch Korrosion hervorgerufener Delamination genannt, welches es ermöglicht, durch visuelle Inspektion nicht erkennbare Enthaftungserscheinungen unter einer Beschichtung zu erfassen.
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Die vorstehend aufgeführten Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass die thermographische Auswertung beispielsweise keine Aussage darüber erlaubt, ob und wo sich Rost gebildet hat.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein automatisiertes Verfahren zur Beurteilung von Korrosionsschäden an beschichteten Oberflächen von Metallsubstraten bereitzustellen, welches es erlaubt, neben Aussagen zur Enthaftung der Beschichtung, zusätzlich Informationen über Art und Ort der Entstehung von Rost zu gewinnen bzw. darüber, ob sich überhaupt Rost gebildet hat.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Beurteilung von Korrosionsschäden an beschichteten Oberflächen von Metallsubstraten mittels Impulsthermographie, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mittels einer Kamera ein visuelles Bild der beschichteten Oberfläche erzeugt wird. Bevorzugt wird die Impulsthermographie innerhalb des Bereiches, von dem das visuelle Bild erzeugt wird, durchgeführt. Innerhalb des Bereiches heißt dabei, dass die Impulsthermographie im gesamten Bereich des visuellen Bildes oder in einem Ausschnitt aus diesem Bereich durchgeführt werden kann.
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Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Kamera ein visuelles Bild der beschichteten Oberfläche erzeugt wird und innerhalb des Bereiches, von dem das visuelle Bild erzeugt wird, die Impulsthermographie durchgeführt wird, wobei anhand des visuellen Bildes ein Messbereich für die Impulsthermographie definiert wird. Weiterhin bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Kamera ein visuelles Bild der beschichteten Oberfläche erzeugt wird und innerhalb des Bereiches, von dem das visuelle Bild erzeugt wird, die Impulsthermographie durchgeführt wird, wobei anhand des visuellen Bildes mittels Ermittlung von Farbwerten Bereiche mit Korrosionsprodukten identifiziert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um eine Kombination einer thermographischen und einer visuellen Erfassung und Auswertung von Korrosionsschäden an beschichteten Oberflächen von Metallsubstraten. Jedem Kamerapixel können Temperatur- und Farbwerte zugeordnet werden.
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Rost (auf Eisenmetallen) oder andere Korrosionsprodukte (auf Nicht-Eisenmetallen) haben ein spezifisches Farbspektrum. So kann Eisenrost Farben von hellorange über braun/rot bis schwarz, je nach Zusammensetzung und Korrosionsumgebung, annehmen. Korrosionsprodukte von Aluminium sind meist weiß. Durch die Aufnahme eines visuellen Bildes und Auswertung der Farbdaten im visuellen Kamerabild können für jedes beschichtete Metallsubstrat die individuellen Farbwerte für die Korrosionsprodukte auf diesem Bild ermittelt und der Auswertung zugrunde gelegt werden. Beispielsweise können als Farbwerte die RGB-Werte herangezogen werden. Als Referenz können dabei die Farbwerte, z.B. die RGB-Werte, der Ritzfläche, bevorzugt der Mitte der Ritzfläche, dienen. Als Ritzfläche ist die durch Erzeugen einer Ritzspur entstandene Fläche zu verstehen. Das heißt, dies ist der Bereich, der bei der Vorbereitung des zu testenden und zu untersuchenden Metallsubstrats, wie nachstehend detailliert beschrieben, freigelegt wird, welcher üblicherweise unter den Bedingungen angewandter Korrosionstests Korrosion aufweist. Anstelle der Ritzfläche kann natürlich auch die Fläche einer andersartigen Verletzung der Beschichtung als Referenz dienen.
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Durch Überlagerung des visuellen Bildes bzw. der daraus abgeleiteten Farbwerte mit dem mittels Wärmebildkamera aufgenommenen Bild können so die Korrosionserscheinungen auf der Oberfläche der beschichteten Metallsubstrate und an der Grenzfläche Metall/Beschichtung klar klassifiziert werden.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten durchgeführt (Abfolge A):
- 1. Durchführen eines oder mehrerer Korrosionstests an dem mit einer beschichteten Oberfläche versehenen Metallsubstrat,
- 2. Aufnehmen eines visuellen Bildes der beschichteten Oberfläche des Metallsubstrats mit einer Kamera,
- 3. Durchführen der Impulsthermographie innerhalb des Bereiches, von dem das visuelle Bild erzeugt wird und Auswerten der mittels Impulsthermographie erhaltenen Daten und
- 4. Auswerten des visuellen Bildes.
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Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten durchgeführt (Abfolge B):
- 1. Vorbereiten des mit einer beschichteten Oberfläche versehenen Metallsubstrats für einen oder mehrere Korrosionstests,
- 2. Durchführen eines oder mehrerer Korrosionstests an dem mit einer beschichteten Oberfläche versehenen Metallsubstrat,
- 3. Aufnehmen eines visuellen Bildes der beschichteten Oberfläche des Metallsubstrats mittels einer Kamera,
- 4. Durchführen der Impulsthermographie innerhalb des Bereiches, von dem das visuelle Bild erzeugt wird, wobei ein Messbereich für die Impulsthermographie definiert wird, bevorzugt anhand des visuellen Bildes, und Auswerten der mittels Impulsthermographie erhaltenen Daten und
- 5. Auswerten des visuellen Bildes, wobei anhand der Farbdaten im visuellen Kamerabild die individuellen Farbwerte für entstandene Korrosionsprodukte ermittelt werden.
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Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Abfolge B im Detail beschrieben werden. Es versteht sich von selbst, dass alle bevorzugten Verfahrensschritte und Verfahrensschritte von Abfolge A und B auch miteinander kombiniert werden können.
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Gemäß Verfahrensschritt 1 wird ein beschichtetes Metallsubstrat, welches zur Beurteilung der Korrosion und des Korrosionsverlaufes eingesetzt werden soll, vor Durchführung des oder der Korrosionstests, vorbereitet. Es können ein oder mehrere beschichtete Metallsubstrate (hier und im Folgenden kurz Probebleche genannt) eingesetzt werden. Die Probebleche werden vorbereitet, indem sie mit einer oder mehreren Ritzspuren oder einer oder mehreren anderen künstlichen Verletzungen bis hinunter zum Substrat versehen werden. Das kann in üblicher Weise erfolgen, indem die Probebleche, beispielsweise einer Abmessung von 150 mm x 100 mm, parallel zur Längsseite der Probebleche mittels eines Ritzstichels mit einer oder mehreren Ritzspuren bis hinunter zum Substrat versehen werden. Anstelle von Ritzspuren können den Probeblechen auch andere künstliche Verletzungen zum Testzweck zugefügt werden.
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Gemäß Verfahrensschritt 2 werden die Probebleche einem oder mehreren Korrosionstests unterworfen. Dabei können die aus der Automobilindustrie bekannten Korrosionstests, z.B. der zyklische Wechseltest nach VDA-Prüfblatt 621-415, eingesetzt werden. Es können jedoch auch beliebige andere genormte oder individuelle Kurz- oder Langzeittests verwendet werden. Dann wird mindestens ein geeignetes Probeblech für das weitere Verfahren ausgewählt.
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Gemäß Verfahrensschritt 3 wird mit einer Kamera ein visuelles Bild der Oberfläche der Probebleche aufgenommen. Dabei wird bevorzugt ein Bild der gesamten Oberfläche der Probebleche aufgenommen. Geeignete Kameras sind beispielsweise solche mit einer Auflösung von mindestens 640 × 360 Pixeln, bevorzugt von mindestens 1024 × 720 Pixeln.
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Gemäß Verfahrensschritt 4 wird die Impulsthermographie innerhalb des Bereiches, von dem das visuelle Bild erzeugt wird, durchgeführt, wobei ein Messbereich für die Impulsthermographie definiert wird. Das erfolgt bevorzugt anhand des visuellen Bildes, besonders bevorzugt durch Eingrenzen des Bereiches um die Verletzung des Probebleches in einem vom Benutzer vorgegebenen Abstand zu dem Punkt, an dem eine Korrosion bzw. Korrosionsprodukte anhand der Farbwerte erkennbar sind. Es wird ein vorgegebener Abstand zur Linie oder zur Verletzung herangezogen, aus dem dann ein Messbereich als Fläche definiert wird, in dem die thermographischen Messungen in einer hohen Auflösung durchgeführt werden sollen. Der Messbereich kann auch manuell auf der Basis des visuellen Bildes festgelegt werden.
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Die Impulsthermographie kann in üblicher Weise, wie aus dem Stand der Technik bekannt, durchgeführt werden. Die Proben werden nach der Korrosionsbelastung mit einem Wärmeimpuls beaufschlagt und die Aufwärmung und Abkühlung der Beschichtungsoberfläche wird aufgezeichnet. Der Wärmeimpuls kann mittels eines IR-Strahlers oder eines IR-Lasers (IR = Infrarot) erzeugt werden. Das heißt, die Beaufschlagung mit dem Wärmeimpuls kann sowohl flächig als auch punktuell, z.B. entlang definierter Messlinien erfolgen.
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Dann werden die mittels Impulsthermographie erhaltenen Daten ausgewertet.
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Das kann ebenfalls in üblicher Weise, wie im Stand der Technik beschrieben, erfolgen. Im erfindungsgemäßen Verfahren kann dabei die Erfassung der Aufwärmung bzw. Abkühlung der Beschichtungsoberfläche durch punktuelles Scannen eines ausgewählten Bereiches mittels eines oder mehrerer IR-Sensoren oder flächig mittels einer IR-Wärmebildkamera erfolgen. Das heißt, bestimmte Punkte, z.B. entlang vorab definierter Messlinien, oder ein Messbereich werden abgetastet.
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Die in einem bestimmten Substratbereich detektierte Wärmeintensität wird durch Werkstoffveränderungen im Sinne der DIN EN ISO 8044 beeinflusst. Eine Änderung in der Zusammensetzung von Materialien, z.B. hervorgerufen durch Korrosionserscheinungen wie Enthaftung bewirkt eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit in diesen Bereichen. Diese Änderung kann, wie oben erwähnt, mit Hilfe von Wärmebildkameras oder entsprechenden IR-Sensoren aufgezeichnet werden.
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Im Wärmebild des Substrates kann klar zwischen offenen Beschädigungen der Beschichtung bis zum Substrat, Enthaftung der Beschichtung und intakter Beschichtung unterschieden werden. Die Auswertung der Beobachtungsdaten kann dabei über die gemessene maximale Erwärmung der beschichteten Oberfläche und auch über die Abkühlung der beschichteten Oberfläche als Funktion der Zeit nach der Bestrahlung erfolgen.
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Entsprechende Verfahren zur Beurteilung von Korrosionserscheinungen mittels Impulsthermographie sind bereits bekannt und beschrieben worden. Es soll deshalb hier auch auf diese Quellen (wie beispielsweise in der Beschreibung des Standes der Technik angeführt) Bezug genommen werden. In diesen Quellen wird auch das Prinzip der Impulsthermographie detailliert erläutert.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren sind bezüglich der Impulsthermographie folgende Arbeitsweisen bevorzugt:
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Die beschichtete Oberfläche wird mit dem Wärmeimpuls beispielsweise 0,01-30,00 Sekunden beaufschlagt, bevorzugt weniger als 1,00 Sekunde.
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Beim flächigen Bestrahlen mittels IR-Strahler kann die Bestrahlung bevorzugt 0,1-20 Sekunden dauern.
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Die flächige Wärmestrahlung, d.h. der Temperaturverlauf an der Oberfläche wird mit einer Wärmebildkamera bevorzugt innerhalb von 10 Sekunden nach Bestrahlung gemessen. Die Bestrahlung ist vorzugsweise so durchzuführen, dass die maximale Temperatur der Oberfläche innerhalb von 5 Sekunden, bevorzugt innerhalb einer Sekunde nach Bestrahlung gemessen wird.
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Beim punktuellen Bestrahlen, z.B. entlang vorab definierter Messlinien, mittels IR-Laser kann die Bestrahlung bevorzugt 0,01 - 30 Sekunden, besonders bevorzugt < 0,1 Sekunden dauern.
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Beim punktuellen Bestrahlen wird ein fokussierter Laser oder eine andere elektromagnetische Strahlungsquelle entlang regelmäßig angelegter Messlinien über die Substratoberfläche geführt. Der Fokuspunkt hat bevorzug einen Durchmesser von unter 1 mm, insbesondere von 0,6 mm.
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Der Temperaturverlauf an der Oberfläche wird mit einem oder mehreren IR-Sensoren erfasst. Beispielsweise wird bevorzugt innerhalb von 1-2 Sekunden nach Bestrahlung gemessen.
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Gemäß Verfahrensschritt 6 erfolgt die Auswertung des visuellen Bildes. Dabei werden anhand der Farbdaten im visuellen Kamerabild die individuellen Farbwerte für entstandene Korrosionsprodukte ermittelt.
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Anhand des Kamerabildes können die Farbwerte, zum Beispiel RGB-Werte, jedes einzelnen Pixels des Bildes bestimmt werden. Der Vergleich der Farbwerte einzelner Pixel erlaubt eine Unterscheidung, ob sich Rost unter der Beschichtung befindet oder ob der Rost in diesem Bereich nur eine Verunreinigung ist und sich auf der Beschichtung befindet. Als Referenz dienen dabei, wie vorstehend bereits erläutert, die Farbwerte, z.B. die RGB-Werte der Ritzfläche, bevorzugt der Mitte der Ritzfläche, also des Bereiches, der bei der Vorbereitung des zu testenden und zu untersuchenden Metallsubstrats durch Erzeugen einer Ritzspur freigelegt wurde. Dieser Bereich zeigt üblicherweise unter den Bedingungen angewandter Korrosionstests in jedem Fall Korrosion. Anstelle der Ritzfläche kann natürlich auch die Fläche einer andersartigen Verletzung der Beschichtung als Referenz dienen. Entsprechen die Farbwerte der Scanpunkte oder des Bereiches den Farbwerten in der Ritzfläche bzw. in der Fläche der andersartigen Verletzung der Beschichtung, dann kann daraus geschlossen werden, dass sich Rost auf der Beschichtung befindet. Das heißt aber nicht zwingend, dass die Beschichtung delaminiert ist. Es kann sich auch um eine intakte Beschichtung handeln. In letzterem Fall können dann die Korrosionsschäden ohne diesen Bereich bestimmt werden und werden bei der weiteren Auswertung nicht berücksichtigt.
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Entsprechen die Farbwerte der Scanpunkte oder des Bereiches der intakten Beschichtung, dann kann daraus geschlossen werden, dass sich der Rost unter der Beschichtung befindet.
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Verfahrensschritte 5 und 6 können auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden. Entscheidend ist, dass ein visuelles Bild aufgenommen wird und im gleichen Bereich eine impulsthermographische Messung erfolgt.
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Die Korrosionserscheinungen können auch entlang einer Zeitreihe am selben Objekt (Probeblech) beobachtet werden.
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Die erhaltenen Daten und Bilder können bevorzugt in einer Datenbank abgelegt werden.
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Durch Überlagerung des mittels Kamera aufgenommenen visuellen Bildes bzw. der entsprechenden Farbwerte (z.B. RGB-Werte) mit dem mittels Wärmebildkamera aufgenommenen Bild können die Korrosionserscheinungen auf der Oberfläche der beschichteten Metallsubstrate und an der Grenzfläche Metall/Beschichtung klar klassifiziert werden.
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Generell kann das erfindungsgemäße Verfahren automatisiert werden. Beispielsweise können die Zuführung und Abführung der Probenbleche zum Messplatz und vom Messplatz und deren Ablage automatisch erfolgen. Geeignet sind z.B. Magazine, in die die Probebleche eingestellt oder eingelegt und nach der Messung wieder abgelegt werden. Die Handhabung kann z.B. magnetisch oder mit Vakuumgreifern erfolgen.
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Um die Daten der Probebleche zu erfassen, können diese beispielsweise mit einem maschinenlesbaren Code, bevorzugt einem QR- oder Strichcode, versehen werden.
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Zur Auswertung der Messdaten kann eine Software zur Mustererkennung verwendet werden. Dabei kann z.B. die Standard Hough Transformation verwendet werden. Die Software liefert so in kürzester Zeit statistisch abgesicherte Daten.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann unterschieden werden zwischen offenen Beschädigungen der Beschichtung bis zum Substrat, Enthaftung der Beschichtung und einer intakten Beschichtung. Das Auswerteprogramm erfasst automatisch das Ausmaß der Korrosion in den Schadenskategorien a) Beschädigungen bis zum Substrat, b) Enthaftung der Beschichtung und c) intakte Beschichtung. Zusätzlich gibt die Auswertung Auskunft darüber, ob Rost gebildet wurde und der Ort der Rostentstehung kann bestimmt werden. Beispielsweise kann zwischen dem Vorhandensein von Rost unter der Beschichtung, dem Vorhandensein von Rost auf der intakten Beschichtung (oberflächlicher Rost) und Enthaftung ohne Rostbildung unterschieden werden.
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Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 1 noch einmal schematisch dargestellt.
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2 zeigt beispielhaft die Auswertung eines Probebleches, welches einem Korrosionstest unterzogen und anschließend gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren untersucht wurde.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann generell überall da eingesetzt werden, wo Haftung bzw. Enthaftung einer Beschichtung auf einem Metallsubstrat beurteilt werden sollen. Beispielsweise kann das erforderlich sein nach Durchführung eines Gitterschnitttests oder nach Steinschlagtests in der Automobilindustrie.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens umfasst:
- 1. Einen Messtisch
- 2. Teile zur automatischen Probeblechzufuhr, Probeblechabfuhr und Probeblechablage
- 3. Eine bildgebende Kamera
- 4. Eine Infrarot-Strahlungsquelle (IR-Strahler oder IR-Laser)
- 5. Eine Infrarot-Wärmebildkamera und/oder einen Infrarot-Sensor
- 6. Eine Koordinatenführung für den Sensor
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3 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10202326 A1 [0007]
- DE 102010023655 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN ISO 4628-8 [0005]
- DIN EN ISO 8044 [0027]
