DE2116843A1

DE2116843A1 - Vorrichtung und Verfahren zum instrumenteilen Abtönen von Farben

Info

Publication number: DE2116843A1
Application number: DE19712116843
Authority: DE
Inventors: William Smith Phoenixville; Edwards Webster Harold Springfield; Pa.; Laird Joseph Packard Wilmington Del.; Vining Roy Howard Swanhmore Pa.; Armstrong jun. (V .StA.)
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1970-04-07
Filing date: 1971-04-06
Publication date: 1971-10-21
Also published as: JPS5434012B1; ZA712046B; GB1349085A; US3690771A; BE765205A; CA989976A; FR2092013B1; FR2092013A1

Description

E.I. DU PONT DE NEKOURS AND GOMPAFf
10th and Market Streets, Wilmington, Delaware 19 898, Y.St.A.

Vorrichtung und Verfahren
zura instrumente11en Abtönen von Farben

Bei der Herstellung von Anstrichfarben erreicht man selten -

eine zufriedenstellende Farbübereinstimmung mit einer Farbnorm ohne das als "Abtönen" oder "Abstufen" bekannte Adjustierungsverfahren. Das Abtönen ist gewöhnlich eine verhältnismässig geringfügige, aber kritische Arbeit, die an der· vorgeschriebenen Pigmentzusammensetzung vorgenommen wird, um diese für kumulative Wirkungen von bei der Herstellung auftretenden Variablen auf die Pigmentdispersionen zu korrigieren.

In herkömmlicher Weise wurde die Abtönung nur von sehr erfahrenen und besonders ausgebildeten Personen durchgeführt, die
eine hochgradige praktische Erfahrung benötigen, um diese Ta- · tigkeit ausüben zu können. Da die visuelle Abtönung beöten- falls eine Kunst ist, war die Ausarbeitung wirksamer Durchführungsvorschriften für dieses Verfahren schwierig, und vielfach war die Leistungsfähigkeit der Fabrik von dem Beruf3können der

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Abtöner abhängig. Eine Verdrängung des visuellen Verfahrens ist nur langsam erfolgt, und der mangelnde Portschritt kann auf viele Ursachen zurückgeführt werden. Visuelle Farbangleiohungsmethoden erfreuen sich eines verhältnismässig hohen Masses an Wirksamkeit, und dies ist das Ergebnis der ständigen Verfeinerung der im Laufe der Jahrhunderte entwickelten Verfahren. Ferner ist das normale Auge äu3serst empfindlich gegen geringe Farbunterschiede, und erst in den letzten 15 bis 20 Jahren i3t eine praktische optische Xnstrunentierung entwickelt worden, die hinsichtlich der Messung kleiner Farb_r unterschiede mit dem menschlichen Auge konkurrieren oder es übertreffen kann. Wissenschaftliche Forscher haben zwar P mathematische Ausdrücke entwickelt, mit deren Hilfe sie versuchten, die optischen charakteristischen Eigenschaften von pigmentierten Filmen zu kennzeichnen; die praktische Anwendung war jedoch in Anbetracht der Kompliziertheit der dazu erforderlichen Mathematik und der erforderlichen Empfindlichkeit der Geräte beschränkt. Im Zeitalter der elektronischen Datenverarbeitungsanlagen hat sich dies geändert.

Die Entwicklung und Verfügbarkeit von sehr schnellen und nicht kostspieligen Digitalrechnern hat ein neues Interesse an einer Reihe von Gleichungen wachgerufen, die 1931 von Kuhelka und Munk aufgestellt irorden sind. Diese Hypothese setzt die Wirkung einer Streuungskomponente (S) und einer Absorptionskoiaponente " (K) auf der Basis der gemessenen Werte des Reflexionsvermögens in Beziehung. Die Beliebtheit der Kubelka-Hunk-Gleichungen bei den praktischen Farbtechnikern kann direkt auf die Definition der Kennwerte des Reflexionsvermögens auf der Basis von Absorptions- und Streuungskoeffizienten zurückgeführt werden. Diese Kennwerte waren für die Hehrheit der Farbentechniker leicht voretellbar und zu verstehen, während frühere mathematische Behandlungen der Farbe zwar mathematisch richtig waren, aber nicht verstanden und nicht für zuverlässig gehalten wurden. Trotz dieses Vorteils hat die Kompliziertheit iixiä der

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Umfang der fur die Anwendung der Hypothese erforderlichen Berechnungen ihre Anwendung verhindert, bis die modernen Datenverarbeitungsanlagen entwickelt wurden. Die Anwendung der Kubelka-IIunk-Technologie wird nachstehend im einzelnen erörtert.

Vorversuche zum Formulieren und Abtönen von Farben auf Grund von spektrophotoKietrischen Messungen und Bestimmungen der Farbmischwertdifferenz waren nur imstande, einige der technischen Parbproblerne zu lösen. Im Abtönen nicht-metallischer Farben wurden Fortschritte erzielt, weil das Reflexionsvermögen dieser Farben bei unterschiedlichen Betrachtungswinkeln konstant ist.

Durch die Einführung der hochgradig schillernden metallischen Anstriche, die von der Kraftfahrzeugindustrie verlangt v/erden, entstand ein schwieriges Problem. Anstriche dieser Art zeigen einen "Zweiton"- oder "Umschlag"-effekt, d.h_e die Farbe erscheint von verschiedenen Betrachtungswinkeln aus verschieden. Die bis dahin angewandten Methoden konnten diese auf dem Reflexionsvermögen der in dem Farbfilm dispergierten Metallteilchen beruhende Variable nicht bewältigen.

Im weitesten Sinne wird das automatische Abtönsystem geraäss der Erfinduni; durch die Zeichnung veranschaulicht. Block A bedeutet die Herstellung eines Anstrichfarbenansatzes, der als Norm verwendet wird, nach der die folgenden Ansätze abgetönt v/erden. Bei B v.'ird die Farbe von L nach irgendeiner Methode auf eine Früftafel aufgetragen, die in bezug auf das visuelle Aussehen der Farbe für nachfolgende Auftragevorgänge gleichmassig und reproduzierbar ist.

Block C bedeutet eine Vorrichtung zur Gewinnung von Farbstoffkonstanten, ausgedrückt als Kubelka-Munk-JCoeffizienten. Farbstoffe sind als eine Dispersion von Farbpigment definiert; das System kann jedoch auch für Bestimmungen an Pigmenten als

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solchen angewandt werden, die nicht in irgendeinem Medium dispergiert sind. Die durch spektrophotometrische Messungen erhaltenen Konstanten sind der Absorptionskoeffizient (K) und der Streuungskoeffizient (S). Diese Daten werden verwendet, um die Farbangleichungs- (Vektor-)daten (teilweise Ableitung) für Rezepturen zu berechnen, und sind grundlegend für die tatsächliche Berechnung einer Abtönungsadjustierung - Stufe D - .

Die oben erwähnten teilweisen Ableitungen, die Farbkonstanten für eine gegebene Rezeptur sind, werden in die Eingabekarten einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage unter Verwendung eines binären Verschlüsselungssystems eingelochte Die gesamte Rechner-Wechselwirkung ist durch Block D dargestellt. Die Ein-" gabekarten können dann in eine Datenverarbeitungsanlage eingespeist werden, die so programmiert ist, dass sie lineare Programmierungen verarbeiten kann. Diese Datenverarbeitungsanlage ist so programmiert, dass sie eine minimale positive lösung in Kilogramm des betreffenden Pigments ausgibt, die zu dem Ansatz zugesetzt v/erden müssen, um ihn an die Norm der Eingabekarte anzugleichen.

A¹ bedeutet die Herstellung eines Anstrichfarbenansatzes, für den eine Farbstandardisierung in bezug auf die in A hergestellte bekannte Farbnorm gesucht wird.

Eine Probe der in A¹ hergestellten Anstrichfarbe wird nach dem ) in B angewandten Verfahren auf eine Prüftafel aufgetragen.

Block C¹ stellt die Bestimmung der Farbmischwerte (tristimulu3) dar, die in unserem Koordinatensystem als G.R.B.-V/erte für das Lichtreflexionsvermögen der Prüftafeln für den zu untersuchenden Ansatz bezeichnet werden. Diese Werte können mit Hilfe eines für Messungen an metallischen Farben abgeänderten KoIorimeters erhalten werden. Es werden sechs Werte verwendet, um die Differenzen zwischen der Prüftafel und der Form unter Anwendung eines Koordinatensystems, wie des C.I.E.-Systeas \

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("Commission Internationale de l'Eclairage", näher "beschrieben in "Color Science" von Gunter Wyszecki. und W.S. Stiles, 1967, Seite 238-321, Verlag J. Wiley & Sons, Inc.) oder des modifizierten Adams-Systems, zu berechnen.

Die Farbdifferenzen werden zusammen mit der Eingabekarte für das betreffende Normrezept, auf das die Farbabtönung des Prüfansatzes abgestimmt werden soll, in die Datenverarbeitungsanlage eingespeist. Dabei werden unter Verwendung der !Farbstoffadjustierungsdaten (Vektoren), die in der Stufe 0 erhalten wurden, positive Pigmentzusatzmengen in Kilogramm gewonnen, die den Prüfansatz in den Bereich der festgesetzten Normen der Farbe des Ansatzes A bringen können, ohne dass das menschliche Auge zu Hilfe genommen zu werden braucht.

Normalerweise dient jedes Anstrichfarbenprogramm der Befriedigung der ästhetischen Wünsche des Kunden. Sobald dieses Verlangen nach einer besonderen Farbe befriedigt ist, hat man eine Normfarbe, mit der alle nachfolgenden Ansätze dem visuellen Aussehen nach übereinstimmen müssen. Dies ist, wie oben erwähnt, bei A dargestellt.

Der Übergang von visuellen zu instrumenteilen Verfahren zur Farbangleichung und -steuerung erfordert zunächst die Entwicklung von Methoden, die die Herstellung von Proben ermöglichen, welche sowohl durch die gleiche Person an einer gegebenen Produktionsstätte als auch durch verschiedene Personen an verschiedenen Produktionsatätten und zu verschiedenen Zeiten reproduzierbar sind. Die Einführung der metallischen Farben hat hinsichtlich dieser Reproduzierbarkeit ein schwieriges Problem geschaffen.

Ein instrumentelles Abtönungssystem erfordert die Anwendung . eines Systems, das imstande ist, eine Prüftafel mit hochgradiger visueller Konstanz zu beschichten. Für die Zwecke der Erfindung könnte ein Sprühsystem in gesteuerter Umgebung verwen-

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det werden, um au wiederholten Malen Prüftafeln von genau der gleichen Beschaffenheit zu erhalten, auch wenn diese Tafeln zu verschiedenen Zeitpunkten von verschiedenen Personen hergestellt werden. Daher würde jede Beschichtungsmethode, nach 3er Tafeln erhalten werden, die einander visuell sehr ähnlich erscheinen, zufriedenstellend sein. Dies ist "besonders wichtig, weil Anstrichfarben, die Metallschuppen enthalten, so aufgetragen v/erden müssen, dass man einen reproduzierbaren Grad der Teilchenorientierung erhält, damit die Farbfilme visuell einander ähnlich sind. Dieses System ist durch den Block B dargestellt.

Dieses bevorzugte Sprühsystem, das durch den Block B der Zeichnung dargestellt wird, genügt den Anforderungen an Re- · produzierbarkeit und Wiederholbarkeit. Dieses Systea ermöglicht es, Prüftafeln mit einer Anstrichfarbe herzustellen, die vom Kunden als annehmbar befunden worden ist, um einen Satz von Normen genau bestimmen zu können, nach denen künftige Parbansätze sich richten können. Die gleiche Methode wird auch später zur Herstellung von Tafeln mit der zu standard!-. . sierenden Anstrichfarbe angewandt, wodurch verhindert wird, dass die Methode des Aufbringens der Anstrichfarbe die vorausberechneten Korrekturen beeinflusst.

Für das vorliegende System eignet sich offenbar jede Art des Farbauftrags auf eine Tafel, die sich unter wechselnden Bedingungen von, beispielsweise Zeit, Ort, Personen des das Verfahren Ausübenden usw. steuern lässt. Ein Sprühsystem in gesteuerter Umgebung ist nur ein Beispiel für ein bevorzugtes System.

Die Fähigkeit, metallische Farben in reproduzierbarer Weise aufzusprühen, für sich allein, ermöglicht es aber noch nicht, die Farbe instrumenten anzugleichen und die Herstellung von Ansätzen zu steuern. Dazu musste vielmehr erst eine Parbentheorie und -Instrumentierung entwickelt v/erden, die auf far-

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b'ige Filme anwendbar ist, die ihre Farbe mit der Betrachtungsrichtung oder dem '.Beleuchtungswinkel ändern, und diese musste dann auf die tägliche Praxis übertragen werden.

Frühere Arbeiten über nicht-metallische Farben ergaben, dass das Kodifizierte Adams-Koordinatencystem als bevorzugtes Koordinatensystem zu wählen sein würde, weil es in ausgezeichneter ÜbereinatiKjmung mit der wahrgenommenen Farbe steht und verhältnismäesig einfach ist. Me Farbwerte des Modifizierten Adams-Koordinatensysteras definieren die Farbe nach Helligkeit, Farbton und Sättigung, den drei Farbdimensionen«.

Die Helligkeitskoordinate basiert auf einer Skala von 0 bis 100, auf der 0 ein vollkommenes Schwarz und 100 ein vollkommenes Weiss darstellt. Zwischen den Polen gibt es Schattierungen von neutralem Grau. Die Helligkeit einer Farbe lässt sich durch einen Punkt auf dieser Skala ausdrücken. Farbton und Sättigung einer Farbe werden durch die "a"-Achse, die Rot-Grün-Eeiträge, und die "b"-Achse, die Gelb-Blau-Beiträge, dargestellt. Die Sättigung einer Farbe ist als der Abstand der "aⁿ- und ^I!b"-Werte von dem neutralen Grau der "L"-Achse definiert. Je grosser der Abstand ist, desto gesättigter oder reiner ist die Farbe.

Zur Berechnung der L-, a- und b-Werte aus den mit dem Colormaster-Kolorimeter (Block C) bestimmten G-, R- und B~\ierten (willkürlichen Symbolen für Farbmischwerte) verwendet man die \^Tcn C.D.Reilly von der Firma Du Pont entwickelte ICubikwurzelgleiehimg.

Die Grundgleichungen sind

L = 25,29 G^1//3 - 18,38

, ,3

a = 106 (R₁ ^1/3 - G^1/3) b = 42,34 ¹/^{3 1}/³

worin R = 0,8R + 0,2B.

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Das Modifizierte Adams-System "bietet einen Grad von Einfachheit, der den meisten anderen Parbordnungssystemen fehlt. Far Indifferenzen zwischen einem Ansatz und einer Norm lassen sich folgendermassen ausdrucken:

ΔI = I (Ansatz) - I (Norm) Aa = a (Ansatz) - a (Norm) Ab = b (Ansatz) - b (Norm).

Die so erhaltenen V/erte stimmen mit der visuellen Beurteilung überein.

Positive Werte von AL zeigen an, dass der Ansatz heller als die Norm ist, während negative Werte anzeigen, dass der Ansatz * dunkler als die Norm ist. Positive Aa-Werte zeigen an, dass der Ansatz röter (weniger grün) als die Norm ist» während negative Aa-Werte anzeigen, dass der Ansatz grüner (weniger rot) als die Norm ist. In ähnlicher Weise zeigen positive Ab~Werte an, dass der Ansatz gelber (weniger blau) als die Norm ist, während negative Ab-Werte anzeigen, dass der Ansatz blauer (weniger gelb) als die Norm ist.

Früher wurden Farbangleichungsdaten (Vektor) manuell, nämlich durch mechanisches Abwiegen bestimmter Farbstoffmengen und Zusetzen zu bekannten Rezepturen, gewonnen. Heute werden Vektordaten nicht mehr von Hand gewonnen, sondern mit Hilfe von di-. gitalen Rechenanlagen aus den Kennzeichnungsdaten für die Rezept-Pigmentzusanmensetzung und den Farbstoff berechnet. Kennzeichnungsdaten für den Farbstoff werden von einer Reihe von Farbtafeln abgeleitet, die Gemische aus einzelnen Farbstoffen mit Weiss und/oder Aluminium repräsentieren. Von den Tafeln werden spektrophotometrische Kurven aufgenommen, und die Konstanten, nämlich die K-Werte (Absorption) und die S-Werte (Streuung), werden aus der Grundgleichung von Kubelka und Munk

ic/s _β Οτ»)²

δ/ο - 2R
berechnet, in der R das gemessene Reflexionsvermögen der Farbe

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bei einer gegebenen Wellenlänge bedeutet.

Kennzeichnungsverfahren für Farbstoffe sind im einschlägigen Schrifttum beschrieben. Diese Verfahren sind absolute. Methoden und beruhen auf Messungen an Tafeln, die unterschiedliche Grade an Deckvermögen aufweisen. Die Genauigkeit hing dabei in erster Linie von der Fähigkeit ab, die Filmdicke zu bestimmen. Die Erfahrung hat gelehrt, dass sehr viele Färb- und Filmdickebestimmungen erforderlich waren, um auch nur einen massigen Grad von Genauigkeit zu erreichen.

Die Notwendigkeit vielfacher Messungen wurde durch eine neue Kennzeichnungsmethode beseitigt. Diese Methode machte von einer Kombination der Grundgleichung von Kubelka und Munk, der Duncanschen Gleichung (die nachstehend erörtert wird) und Tafeln Gebrauch, die mit vollständigem Deckvermögen hergestellt wurden, um Farbstoffkennzeichnungsdaten zu erhalten. Die aus der Anwendung dieser Methode resultierenden Streuungsund Absorptionskoeffizienten sind nicht absolut, sondern rela-.tiv, nämlich relativ in bezug auf das verwendete Normalweiss (oder ^-Aluminium). Eine Vereinfachung wurde dadurch erreicht, dass man einen festen Wert des Streuungskoeffizienten (S_r) für das zur Kennzeichnung verwendete Normalweiss annahm. Unter dieser Annahme war es möglich, den Absorptionskoeffizienten (K₂,) für den Bezugsfarbstoff direkt aus der Kubelka-Munk-Gleichung zu berechnen.

>2

- _2R. ■■

2H

Das Verhältnis K/S eines Gemisches aus einem Bezugsfarbstoff" und einem zweiten Farbstoff läast sich nach der Duncanschen Gleichung berechnen.

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CL TL·, + G_n K_n ^{r r c c}

worin C und C sich auf die Konzentration der Bezugsfarbe r c

bzw. des Farbstoffs beziehen. Die ermittelten Absorptions-. (K ) und Streuungs- (S )-koeffizienten sind relativ und beziehen sich auf das Bezugspigment oder den Bezugsfarbstoff, je nach dem beabsichtigten Anwendungszweck. Die einzigen Beschränkungen, denen die berechneten Koeffizienten K₀ und S₀ unterliegen, sind die, dass die Daten für in einer bestimmten Zusammensetzung verwendete Farbstoffe sich, auf eine gemeinsame Bezugsnorm beziehen müssen, und zweitens, dass sie in Farben verwendet werden müssen, die bei praktisch vollständigem Deckvermögen angeglichen v/erden.

Die Berechnung von Vektordaten für eine gegebene Zusammensetzung ist unkompliziert. Die Konzentrationen der Farbstoffe erhält man aus der Rezeptur, und die Koeffizienten Κ_β und S₀ für jeden Farbstoff sind bereits vorher bestimmt worden, so dass die Vektorbewegung differentiell nach der G-rundgleichung von Duncan berechnet werden kann. Es folgt nun die Berechnung der Farbmischwerte (tristimulus) aus den Daten für das Reflexionsvermögen. Diese Rechenoperation ist in der Zeichnung durch O¹ gekennzeichnet.

Diese Daten werden dann verschlüsselt und auf eine einzelne Eingabekarte für die zukünftige Verwendung in dem Abtönungsrechner gelocht.'

Infolge der manuellen Arbeiten, die für die Vektorherstellung und die graphische Abtönung erforderlich waren, war diese frühere Abtönungsmethode auf einige wenige, hochgradig reprodu- · zierbare Farben beschränkt. Diese Beschränkungen wurden erst durch die Anwendung von Datenverarbeitungsanlagen auf die Entwicklung von Vektoren und das Abtönen von Ansätzen (D in der Zeichnung) beseitigt. Heute werden Spezial-Abtönungs-Analog-

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rechner verwendet und bevorzugt, die entwickelt worden sind, um die früher auf graphischem Wege verarbeiteten Gleichungen zu lösen. Der Abtönungsrechner wurde so programmiert, dass er drei Farbgleichungen verarbeiten konnte. Die Gleichungen haben die allgemeine Form

-AL = N₀₁AL₁ + Ν_ο2 ^Δΐ2 ^{+ Η}ο3^Δΐ3 ⁺ * * * * ^{+ Ν}ο^6Δΐ6 -Aa = N₀₁Aa₁ + I₀₂Aa₂ + N₀₃Aa₃ 4- . . . . + H₀₆Aa₆

-Ab = N₀₁Ab₁ + N₀₂Ab_{2 +} N₀₃Ab₃ + + N₀₆-Ab₆ ,

-AL die Helligkeitsdifferenz zwischen dem Ansatz und der Horm,

-Aa) die Farbton- und Sättigungsdifferenz zwischen -/St>) dem Ansatz und der Horm,

Al₁)

AaJ) die Farbbewegung (Vektor) für den Farbstoff 1 Ab')

und

IT * die für den Farbstoff 1 erforderliche prozentuale Vektorkonzentration bedeuten.

Der Rechner ist für eine positive Lösung programmiert, so dass alle an dem Ansatz anzubringenden Korrekturen Additionen (zuzusetzende Mengen) und nicht etwa "Abzüge" (abzuziehende Mengen) sind, wie es fur viele Digitalprograimae charakteristisch ist. Im Falle von "Abzügen" wären zusätzliche Berechnungen erforderlich, um das Rezept wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Die Rechner werden erfindungsgeraäss so programmiert, dass die Lösung die minimale Zusatzraenge an Farbstoff (in Kilogramm) angibt, die erforderlich ist, um den Ansatz genau oder innerhalb vorher festgelegter Farbtoleranzen an die Normalfarbe anzugleichen. Dies ist wichtig, v/eil es in einem System, das mehr als vier Farbstoffe enthält, für eine gegebene Farbdifferenz mehrere mögliche Lösungen gibt, die in ihrer Grosse beträchtlich voneinander abweichen können.

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Bei der Anpassung der Farbtechnologie an metallische Farben hat man erkannt, dass man es nicht mehr mit pigmentierten Filmen zu tun hat, die das Licht im wesentlichen diffus reflektieren, sondern dass man Problemen der Richtungsabhängigkeit gegenübersteht. In idealer Weise verhalten sich Metallschuppenteilchen wie Spiegel, deren Reflexionswirkungsgrad eine Punktion ihrer Brechungszahl in bezug auf das umgebende Medium ist. Im Handel erhältliche Aluminiumschuppen sind aber nicht optisch eben, sondern haben das Aussehen von winzigen zerknitterten Papierstückchen, die teilweise geglättet·worden sind. Die Orientierung der ebenen und dünnen Teilchen ist selten genau parallel zur Pilmoberfläche und viel öfter halbhorizontal. Im Handel erhältliches Aluminiumpulver enthält einen ' beträchtlichen Anteil an feinen Schuppen, für die infolge ihres geringen Verhältnisses von Grosse zu Dicke nur eine geringe Wahrscheinlichkeit besteht, dass sie sich von selbst parallel zur Filmoberfläche orientieren. Diese Faktoren tragen zu einer gewissen Streuung der rxchtungsabhängigen Kennwerte des reflektierten Lichtes bei.

Den Unvollkommenheiten von Aluminiumschuppen ist die Wirkung anderer Pigmente überlagert, die in dem Anstrich enthalten sind. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um feinteilige Pigmente, die aber in Anbetracht der Dispergienmgsbegrenzungen einen gewissen Grad von Streuung hervorrufen, der die Richtungsabhängigkeit weiter vermindert.

Das charakteristische, richtungsabhängige Reflexionsvermögen eines metallischen Films führt zu Erscheinungen, die gewöhnlich als "Zweiton" bezeichnet werden. Zweiton tritt auf, wenn man eine Farbtafel unter verschiedenen V/inkeln zum einfallenden Licht betrachtet, und wurde definitionsgemäss als Änderung im Reflexionsvermögen AG angesehen. Der Zweitonwert wird als das Verhältnis von zwei V/er ten für das Reflexionsvermögen ausgedrückt, wobei man die Erscheinung in die Gleichungen als Helligkeitsfunktion einsetzt.

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Es wurde angenommen, dass Metallische Farben vier Dimensionen "besitzen, und dass man eine annehmbare Farbangleichung erhält, wenn man Helligkeit, Farbton, Sättigung und Zweiton so einstellt, dass sie annähernd oder vollständig den entsprechenden Werten der Norm gleichen. Mathematisch wurden die drei für die Ungleichung von Selbstfarben verwendeten Gleichungen durch die Zweitongleichung ergänzt: ,

-Al = N₀₁Al₁ + N₀₂AL₂ +■ N₀₅₃ -Aa = N₀₁Aa₁ + N₀₂Aa₂ + N₀₅Aa₅ + . . . . + -Ab = N₀₁Ab₁ + N₀₂Ab₂ + N₀₅Ab₃ + ....+ ~Δττ = N₀₁AtT₁ + N₀₂ATT₂ + N₀₃ATT₃ + . . . + n_q6Att

₀₂ATT₂ + N₀₃ATT₃ + . . . + n_q6Att₆

Anfänglich erwies sich die auf der Zweitontheorie basierende 4-dimensionale Betrachtungsweise als ausreichend: Die metallischen Farben, wie sie zuerst in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet wurden, Hessen sich optisch schwer von nicht-metallischen Farben unterscheiden, weil sie so dunkel waren und/oder so wenig Metallschuppen enthielten, dass ihr richtungsabhängiges Reflexionsvermögen den diffusen charakteristischen Eigenschaften von Selbstfarben sehr nahe kam. Im Laufe der Jahre wurde .jedoch mit der Entwicklung besserer und dauerhafterer Pigmentträger die Menge an Aluminiumschuppen beträchtlich erhöht, und man erhielt die heutigen, hochgradig schillernden metallischen Farben.

In dem Ausmasse,, wie der Schillereffekt .in metallischen Farben zunahm, erwiesen sich immer mehr metallische Farben, die gemäss der 4-dimensionalen Betrachtungsweise abgetönt wurden, als visuell unzulänglich, obwohl sie instrumenteil annehmbar waren. Wenn diese Ansätze visuell so betrachtet wurden, dass · der Zweitoneffekt ausgeschlossen wurde, wurden sie als gut übereinstimmend mit der Farbnorm beurteilt, und es wurde festgestellt, dass die Betrachtungs- und die Messungsgeometrie sehr ähnlich waren. Wenn aber Prüftafeln mit den abzutönenden

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Ansätzen unter einem schrägen Winkel betrachtet wurden, machten sich bedeutende Unterschiede bemerkbar, und die Betrachtungs- und Messungsgeometrie war nicht mehr ähnlich. Deshalb wurde das Colorraaster-Kolorimeter so abgeändert, dass es imstande war, Farbraischwerte von mit metallischen farben beschichteten Prüftafeln von der horizontalen bis nahezu zur vertikalen Stellung zu messen. Dabei stellte sich heraus, dass Farbtafeln, die bisher nach der 4-dimensionalen Betrachtungsweise instrumenten als annehmbar befunden worden waren, sich aber visuell als unzulänglich erwiesen, bei allen Messwinkeln Farbdifferenzen zeigten, mit Ausnahme der 45°-Stellung und der O°-Stellung, aus denen sie visuell als zufriedenstellend beurteilt wurden. Es stellte sich heraus, dass Ansätze, die sowohl visuell als auch instrumenteil als annehmbar befunden wurden, wenn sie in ähnlicher ¥eise gemessen wurden, unabhängig vom Messwinkel Farbdifferenzen von nahezu Hull aufwiesen.

Die Abhängigkeit der Zweitonfarbe von Farbton und Sättigung führte zu dem Ergebnis, dass der Zwei ton sich durch die Helligkeit allein nicht hinreichend kennzeichnen lässt. Messversuche hatten gezeigt, dass visuelle Farbdifferenzen zwischen zwei metallischen Farben bei einer -unendlichen Zahl von Messwinkeln nachweisbar waren. Durch Datenanälyse wurden Messstellungen ausgewählt, die es ermöglichten, aie zwischen zwei ) metallischen Farben vorhandenen Farbunterschiede unabhängig vom Winkel genau· zu beschreiben« Vorzugsweise sollen die Winkel sich für optimale Ablesungen um 60 bis 80° unterscheiden. Ebenso wichtig war die Feststellung, dass die Farben unabhängig vom Betrachtungswinkel miteinander übereinstimmten, wenn die gemessenen Differenzen auf nahezu Bull herabgesetzt wur- · den. Die Farbangleichung einer metallischen Farbe war daher analog der gleichzeitigen Abtönung von zwei Farben, wobei jede auf Helligkeit,,,Farbton und Sättigung eingestellt wird. Eine metallische Farbe lässt sich durch sechs Koordinatenwerte

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und durch sechs Farbdifferenzen beschreiben. Entsprechend die ser Analogie sagt man, dass metallische Farben sechs Dimensionen haben, während Selbstfarben drei Dimensionen haben.

Eine verallgemeinerte Form von Gleichungen für metallische Farben würde daher die folgende sein:

+ HCp₂AIp₂ + NCp₃ALp₃ + . . . + ϋ + KCp₂ACp₂ + Nc₁₁₃ Δ a^ + . . . + Ν

+ Iic_H2AL_H2 + Hc₁₁₃AL₁₁₃ + . . . +

+ Hc₁₁₂Ac₁₁₂ + Hc₁₁₃Aa₁₁₃ + . . . + Ν -Ab_H = Hc_1nAb₁₁₁ + Nc₁₁₂Ab₁₁₂ + Hc₁₁₃Ab₁₁₃ + . . . + Hc_mjAb_mj

wobei F und H zwei verschiedene Winkel bedeuten.

Farbmessungen werden normalerweise entweder mit einem Färbmischv.^rert-(tristimulus)-kolorinieter oder mit einem Spektrophotoineter dui*chgefülirt. Die Wahl des Gerätes richtet sich nach dem jeweiligen Problem.

Wenn man Farbdifferenzen zwischen zwei ähnlichen Farben der gleichen chemischen Pigmentierung luesseu will, z.B. zwischen einer Normilfarbe und' einem Ansatz, dann soll ein Farbmischwertkolorimeter verwendet v/erden.

Im vorliegenden Falle wurde ein Colorrnaster-IColorimeter, wie bereits erwähnt, so abgeändert, dass damit metallische Farben von verschiedenen Winkeln aus, vorzugsweise von zwei bestimmten Winkeln aus, gemessen werden konnten, wodurch die Berechnung der sechs Dimensionen möglich wurde, die die Differenzen · zwischen zwei metallischen Farben beschreiben. Obwohl man Kessungen aus einer grösseren Anzahl von Winkeln durchführen kann, sind für die. genaue Bestimmung der Farbeigenschaften ' nur zwei Winkel erforderlich. Wie bereits erwähnt, beträgt der

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Abstand zwischen diesen Winkeln vorzugsweise 60 bis 30 , wenn man auch mit jeder beliebigen Differenz von etwa 10 sinnvolle Ergebnisse erhält. Es ist zu beachten, dass die verwendeten Winkel für die Ablesungen, die zur Herstellung" von. Spektralkurven dienen, und für diejenigen, aus denen die Farbmischwerte gewonnen werden, die gleichen sein sollen.

Um die für metallische Farben verwendeten Kubelka-Munk-Konstanten K (Absorption) und S (Streuung) zu berechnen, musste das Spektrophotometer so abgeändert werden, dass es möglich war', Kurven für das Reflexionsverinogen über das sichtbare Spektrum hinweg aus mehreren Winkelstellungen (so\tfohl in einer horizontalen als auch in einer vertikalen Ebene) zu messen. Das für den vorliegenden Zweck abgeänderte Spektrophotometer war das im Handel erhältliche Spektrophotometer "505" von Bausch und Lomb, jedoch kann man jedes beliebige Spektrophotometer nach einer Analyse der Anvisier-Geometrie so abändern. Die oben erwähnten spektrophotometrischen Bestimmungen werden durch den Block C der Zeichnung dargestellt.

Die erhaltenen Daten werden zu den Abtönungs- und Farbvoraussageoperationen in Beziehung gesetzt, wodurch die Berechnung der in Verbindung mit metallischen Farben anzuwendenden Farbstoff daten ermöglicht wird. Eine Datenbank für einen gegebenen Farbstoff besteht daher aus einem Datensatz (31 K- und 31 S-Werten) zur Verwendung für nicht-metallische Anstriche und mindestens zwei Datensätzen zur Verwendung für metallische Anstriche.

Das oben erwähnte Colormaster-Gerät ist im Handel erhältlich. Diese Farbmischwertbestimmung wird verwendet, um die oben beschriebenen Δ-Werte für Prüftafeln zu bestimmen, die mit derjenigen Anstrichfarbe beschichtet sind, die gegen die Farbnorm abgetönt werden soll (Stufe C¹).

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Die Werte für das Reflexionsvermögen, d.h. die G.R.B-Werte der Farbmischwerte,- werden dann unter Verwendung der oben erwähnten, von CD. Reilly von der Firma Du Pont entwickelten Kubilwurzelgleichungen in die modifizierten Adams-ICoordinaten transponiert. Die so erhaltenen L-, a- und b-Werte dienen dazu, einen Raumpunkt für die Farbe im Farbenraum festzulegen. Wenn man einen Ansatz mit der Norm vergleicht, erhält, man Farbdifferenzen oder Delta-Werte. Diese können in den einzigen V/ert E transponiert v/erden, der in der oben erwähnten Gleichung mit dem Adams-System verv/endet werden kann. Das national Bureau of Standards in Washington hat einen "E"~Wert von 0,3 ET.B.S.-Einheiten als für hochgradig geübte Farbentechniker gerade noch feststellbar definiert. Ein Wert von 1,0 N.B.S.-Einheit wird im allgemeinen als eine gute technische Farbangleichung angesehen. Deshalb werden in Anbetracht der oben erwähnten Verfahren die Farbdifferenzen zwischen dem Ansatz und der Form mit einem Kolorimeter bestimmt, um eine Tönungsadjustierung für den Ansatz zu berechnen. Diese Werte werden dann zusammen mit dem Gewicht des Ansatzes in die Datenverarbeitungsanlage eingespeist. Der Bedienungsmann der Datenverarbeitungsanlage, der ein geübter Farbentechniker ist, gibt diese Daten und die Eingabekarte mit den Yektordaten in den Rechner ein. Dann wird die Art und Menge der Farbstoffe berechnet, die zu dem Ansatz zugesetzt werden müssen,' um eine theoretisch vollkommene Farbangleichung zu erzielen. Die Zusatzmenge wird in Kilogramm Farbstoff ausgedrückt, der zu dem Ansatz zugesetzt werden muss. Für nicht-metallische Farben können bis zu drei Farbstoffe erforderlich sein; für metallische Farben können bis zu vier Farbstoffe erforderlich sein. Unter Verwendung von Farbtoleranzdaten kann der Bedienungsmann der Datenverarbeitungsanlage im Bedarfsfalle den Farbzusatz bestimmen, der erforderlich ist, um den Ansatz bis auf . einen Punkt gerade noch innerhalb der Toleranzgrenzen einzustellen. Dies kann die zu dem Ansatz zuzusetzende Menge be-· trächtlich beeinflussen und/oder die Anzahl der Farbstoffe

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vermindern, die "benötigt werden, um eine Farbangleichung innerhalb der Toleranzgrenzen zu erhalten.

Die Farbentechnologie kann mit Erfolg in der Anstrichindustrie zum Abtönen von metallischen und nicht-metallischen Farben an-■ · gewandt v/erden. Die Erzeugungsanlagen können einen Grad von Parbgleichmässigkeit innehalten, wie er bisher visuell nicht erzielt werden konnte, und dies ist ohne in der Kunst des visuellen Abtönens ausgebildetes Personal möglich und geht nicht auf Kosten des Wirkungsgrades der Erzeugungsanlage. Die Erfahrung hat gelehrt, dass die Erzeugungskapazität einer Anlage, wenn erst einmal die anfänglichen Anfahrprobleme gelöst ^ sind, infolge der kürzeren Dauer des wirksameren Abtönvorganges zugenommen hat. Die Anlagen können völlig ohne in der Kunst der visuellen Abtönung geübtes Personal betrieben werden.

Ferner ist zu beachten, dass dieses System angewandt werden kann, um jede beliebige physikalische Eigenschaft zu bestimmen, die sich mathematisch ausdrucken lässt, z.B. die Filmdicke, Zweckmässigkeitusw., und die an dem Ansatz dementspre-. . chend vorzunehmenden Adjustierungen vorauszusagen.

Beispiel

Ein Ansatz von metallischer Goldfarbe wird folgendennassen \ standardisiert:

(1) Auf eine Prüftafel wird unter gesteuerten Umgebungsbedingungen die Anstrichfarbe aufgespritzt, die als Norm für die nachfolgende Farbabtönung weiterer Ansätze dienen soll.

(2) Die folgenden Vektordaten werden aus Spektralkurven gewonnen, die von der nach (1) hergestellten Prüftafel aufgenommen werden. Die Spektralkurven werden bei zwei Winkelstellungen der Prüftafel in bezug auf das einfallende Licht bestimmt; eine Ablesung erfolgt senkrecht zur Prüftafel, die andere in einem Winkel von 70° mit der Senkrechten. Es wird ein

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Bausch und Lomb-Spektrophotometer Nr. 505 verwendet, das so abgeändert ist, dass die Messungen in den oben genannten Winkeln durchgeführt werden können.

Die Vektordaten für die als Norm dienende metallische Goldfarbe sind die folgenden:

Farbstoff	Konzen tration	1,00	AL_F	Aa_p	Ab₁,	AL₁₁	Aa_n	Ab_H
Hydratisicrtes Eisenoxid 2,00	3 5,00	-0,80	•+0,56	+1,17	-0,36	+0,40	+0,65
Ferritgelb	0,25	-1,46	-0,09	+2,19	+1,51	-0,47	+2,58
IiittelgrobeE Aluminium pulver	0,75	+2,95	-1,43	-2,59	+1,06	-0,97	-1,53
Weiss	0,50	-1,22	-0,05	-0,34	+2,28	+0,63	+0,67
Schwarz	-2,28	-0,86	-1,45	-1,74	-0,98	-1,44
Orange	-0,74	+1,72	+0,11	-0,32	+1,00	+0,26

Die obigen Konstanten sind Kubelka-Kunk-JConstanten für die oben erwähnten zwei Winkelstellungen F (für den senkrechten Winkel) und H (für den Winkel von 70° mit der Senkrechten).

Die obigen Daten werden in ein^ Eingabekarte einer Datenverarbeitungsanlage als AbtönungsbeE· rrsnorm eingelocht.

(3) Dann v/ird ein weiterer Ansats metallischer Goldfarbe hergestellt. TJm diesen Ansatz entsprechend den bereits abgeleiteten Konstanten abzutönen", wird die nicht-standardisierte Farbe nach der gleichen Spritsmethode, die auch für die normalfarbe angewandt wurde, auf eine Prüftafel aufgespritzt. Diese Prüftafel wird mit Hilfe eines für Messungen aus mehreren Winkeln abgeänderten Coloraaster-Kolorimeters in den gleichen beiden · Winkelsteilungen, nämlich senkrecht zur Tafelebene und in einem Winkel von 70° zur Senkrechten, untersucht.

Die Farbdifferenzen zwischen der Prüftafel und der Norm sind die folgenden:

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ALp = +2,76 AL₁₁ = -1,03 Aa_p = -2,43 Aa_n = -1,89 Abp = -1,24 Ab_H = -1,32

(4) Diese Farbdifferenzen werden zusammen mit der die Vektordaten für die Norm enthaltenden Eingabekarte in einen programmierten Analogrechner (Electronics Associates) eingespeist.

Die für einen Ansatz von 5000 g berechneten Farbstoffzusätze sind die folgenden:

Hydratisiertes Eisenoxid 868-0458 =87 g

Weiss = 7,4g

Schwarz = 1,1 g

Orange = 19»6 g

N₁ für hydratisiertes Eisenoxid = 1,16

N, für Weiss . =0,76

H ε füc Schwarz =0,05

H₆ für Orange =1,04

Die von dem Rechner vorausgesagten theoretischen Farbdifferenzen nach Zusatz der obigen Farbstoffmengen sind die folgenden:

ALp = +0,02 A% = -0,14 Aa_p = -0,07 Aa_n = +0,04 Abp = -0,10 Ab_H = +0,14

Diese Differenzen liegen innerhalb der Toleranzgrenzen für die metallische Goldfarbe und sind daher technisch annehmbar.

Das obige Beispiel erläutert die verschiedenen Gesichtspunkte · der Erfindung im einzelnen, jedoch dient das Beispiel nur zur Erläuterung; Abänderungen, die dem Fachmann auf Grund der obigen Offenbarung nahegelegt werden, liegen im Rahmen der Erfindung. In der obigen Beschreibung beziehen sich die Teile, falls nichts anderes angegeben ist, auf das Gewicht.

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Claims

E.I. du Pont de Nemours 6. April 1971

and Company YFD-I005

Patentansprüche

Vorrichtung zum instrumentellen Abtönen von Farben entsprechend einer Farbnorm bei der Herstellung von Anstrichfarben, gekennzeichnet durch

(A) eine Vorrichtung zum Bestimmen von Farbkonstanten (Vektordaten) unter Verwendung von Spektralkurven an einer mit einer Normalfarbe beschichteten Prüfplatte,

(B) eine Vorrichtung zum Bestimmen der Differenzen zwischen der Normalfarbe und einer ungenormten Farbe unter Anwendung von Farbmischwerten, und

(C) eine Vorrichtung, um die Differenzen von (B) mit den Farbkonstanten von (A) in Beziehung zu setzen und die richtigen Mengen bestimmter Pigmente zu berechnen, die zu der ungenormten Farbe zugesetzt werden müssen, um eine Farbangleichung zu erhalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen der Normalfarbe und der ungenormten Farbe Farbdifferenzen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

(A) die Vorrichtung zum Bestimmen von Farbkonstanten (Vektordaten) unter Verwendung von Spektralkurven an einer mit einer Normalfarbe beschichteten Prüftafel ein der-

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art abgeändertes Spektrophotometer ist, dass rait demselben Messungen unter verschiedenen Winkeln durchgeführt v/erden können,

(B) die Vorrichtung zum Bestimmen von Farbdifferenzen zwischen der Normalfarbe und einer ungenorrnten Farbe unter Verwendung von Farbmischwerten ein derart abgeän-

dertes Kolorimeter ist, dass mit demselben Messungen unter verschiedenen Winkeln durchgeführt werden können, und

(C) die Vorrichtung, um die Differenzen von (B) mit den Farbkonstanten von (A) in Beziehung zu setzen und die richtigen Mengen bestimmter Pigmente zu berechnen, die zu der ungenormten Farbe zugesetzt v/erden müssen, um eine Farbangleichung zu erhalten, eine besonders programmierte Datenverarbeitungsanlage ist.

4. Verfahren zum instrumenteilen Abtönen von Anstrichfarben, dadurch gekennzeichnet, dass iaan

(A) Farbkonstanten (Vektordaten) für eine mit normalfarbe beschichtete Prüftafel durch unter mehreren Winkeln durchgeführte spektrophotometrische Bestimmungen ableitet,

(B) Differenzen zwischen der Prüftafel und einer in ähnlicher Weise mit Anstrichfarbe aus einem abzutönenden Ansatz beschichteten Tafel bestimmt, indem man mit Hilfe eines Kolorimeters unter den gleichen Winkeln, unter denen die spektrophotometrischen Bestimmungen durchgeführt wurden, Farbmischwerte gewinnt, und

(0) die oben genannten Differenzen und Farbkonstanteii zu- ■ einander in Beziehung setzt und die Mengen bestimmter Pigmente berechnet, die zu dem ungenormten Ansatz zugesetzt vferden müssen, um eine Farbangleichung an die Kormalfarbe zu erhalten»

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•5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzen zwischen der Normalfarbe und der ungenormten Farbe Farbäifferenzen sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die unter verschiedenen Winkeln durchgeführten Messungen auf zwei l/inkel beschränkt, die sich voneinander um

60 bis 80° unterscheiden, und für die spektrophotometrische und die kolorimetrische Messung die gleichen Winkel verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass man eine Datenverarbeitungsanlage verwendet, um die Differenzen zwischen der Normalfarbe und der ung enorm teil Farbe zueinander in Beziehung zu setzen und die Pigmentmengen zu berechnen, die zugesetzt v/erden müssen, um eine Farbangleichung zu erhalten.

8. Verfahren sum instrunientellen Abtönen eines Ansatzes von Anstrichfarbe, der metallische Farben enthält, dadurch gekennzeichnet, dass man nach Anspruch 7 arbeitet.

9· Verfahren sum instrunientellen Abtönen eines Ansatzes von nicht-netalIischer Anstrichfarbe, dadurch gekennzeichnet, dass man nach Anspruch 7 mit dea Unterschied arbeitet, dass man die spektrophotometrisohen und koloriiaetrisehen Messungen nur unter einem einzigen Y/inkel durchführt.

10. Verfahren zum Abtönen eines Ansatzes von metallischer Anstrichfarbe auf eine bekannte Jiormalfarbe durch Zusatz von Pigmenten, dadurch gekennzeichnet, dass man die iiistruKentelle iletliode genäss Anspruch 7 anwendet,

11. Verfahren zum Abtönen eines Ancatzes von nicht-raetallischer Anstrichfarbe auf eine bekannte Normalfarbe durch Zusatz von Pigmenten, dadurch gekennzeichnet, dass man die instrumentelle Ilethode gemäss Anspruch 9 anwendet.

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L e e rs e i t