WO2003062807A2 - Prüfung der haftung von beschichtungen auf einem substrat mittels impulsthermographie - Google Patents

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Gerhard Pausch
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Pausch Messtechnik Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws

Definitions

  • the invention relates to a method for testing the adhesion of coatings to a substrate.
  • Coatings in various combinations and layer thicknesses on metals, plastics or wood often detach from the surface after being used. This delamination is the result of chemical influences (weathering, corrosion, contamination, fungus formation) or mechanical stresses, e.g. through deformation.
  • a metal body is glued to the surface to be tested in accordance with EN 31 1 and ISO 4624, a groove is therefore milled into the underlying substrate and slowly pulled off vertically.
  • the force required to tear off the base body is considered a measure of the cohesion within the coating system or of the adhesion to the substrate or between the individual layers.
  • the object of the invention is to develop a non-destructive technique for the detection of delaminations within paint systems and in the boundary layer between the coating and the carrier material.
  • thermography in which heat is introduced in a pulsed, homogeneous manner into the area to be examined of the coating of the measurement object, which is at least approximately at rest, and this area is imaged using a thermography area camera having an image repetition rate of 50 to> 1000 Hz becomes.
  • the method according to the invention is based on the knowledge that the heat introduced homogeneously into a measurement object is prevented from spreading by delamination, corrosion and / or inhomogeneity, so that the heat spreads into the material at different speeds.
  • a thermographic area camera With the help of a thermographic area camera, the different thermal image patterns that develop after some time in accordance with the heat conduction of the material and the depth of the defect can be observed on the surface of the checked coating. The penetration of the heat pulse into the carrier material is hindered by detaching the checked coating.
  • the thermographic area camera which is attached above the measurement object at such a height that the entire examination object or the area to be examined is imaged with the appropriate optics, then records the different cooling behavior of the surface.
  • the contrast between well adhering surfaces and detached surfaces can be determined in each of the recorded images.
  • a new measurement object is then moved under the camera for the next measurement and examined in the same way.
  • the material can then be subjected to further stress, in order to examine it again after some time for the progress of the release.
  • the test object should generally be checked in the rest position, since it is usually very quickly heat-conducting materials. In principle, however, it is possible to have the measurement object perform a slow feed movement during the measurement. It is useful if to compensate for a slow movement of the measurement object in the Software the calculation of cooling or warming is shifted pixel by pixel over the measurement object, whereby, when the measurement object is shifted from z. B. a pixel between each shot of the image, when evaluating the images, the temperature of the next neighboring pixel is calculated. Although this reduces the spatial resolution, recordings can still be made even with slow displacements.
  • the moment of warming must either be very short-term, hidden with a shutter, or the excitation must be carried out in the non-sensitive areas of the camera sensors.
  • thermographic area camera sensitive in the 3 - 5 ⁇ m range
  • the heat pulse can be generated by electromagnetic radiation in the UV range (200 nm - 500 nm) or in the long-wave IR range (8 ⁇ - 2 ⁇ m) or by microwaves (1 mm - 30 cm) can be generated.
  • thermographic area camera An alternative way of avoiding overexposure of the thermographic area camera is that the duration of the heat pulse is selected to be significantly shorter than the image refresh rate of the thermographic area camera used. With a refresh rate of 50 Hz, the heat pulse or cooling should be significantly faster than 20 ms, but faster than 1 ms at 1,000 Hz. Such times can be achieved with laser flashes or flash lamps that react very quickly.
  • thermographic area camera A further possibility for avoiding overexposure of the thermographic area camera consists in that the heat pulse is faded out with the aid of a fast-reacting shutter that is to be positioned between the measurement object and the thermographic area camera.
  • a fast-reacting shutter Either a mechanical or electro-optical shutter is provided here the brief override of the camera fades out, in order to enable an immediate recording of the heat radiation after opening the shutter.
  • thermographic area camera before the introduction of the heat pulse from the region of the coating to be examined, to record a temperature image of the surface in the ambient temperature and then as a reference image of those during or after to subtract or divide the series of images made.
  • the surface of a measurement object can be detected both contactlessly and non-destructively for weaknesses in adhesion between the coating and the substrate and weaknesses in adhesion between different layers of the lacquer applications or coatings. Since the material is not damaged in the process, it can be further air-conditioned after the one-off measurement and examined again at a later point in time for the progress of the release.
  • thermography area camera 2 A surface of a measurement object 1 to be checked, a thermographic area camera 2, flash lamps 3 and a shutter 4 arranged between the camera lens and the measurement object 1 can be seen.
  • An IR monitor 5 and a trigger unit 6 are attached to the thermography area camera 2 connected, which is acted upon by a PC 7 and controls the flash lamps 3 and the shutter 4.
  • a monitor 8 is connected to the PC 7.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Haftung von Beschichtungen auf einem Substrat. Ein hinsichtlich der Beschichtung zerstörungsfreies Verfahren zur Erkennung von Delaminationen ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch Anwendung einer Impulsthermographie, bei der in den zu untersuchenden Bereich der Beschichtung des sich zumindest annähernd in Ruhe befindlichen Messobjektes (1) impulsartig homogen Wärme eingebracht und dieser Bereich unter Verwendung einer eine Bildwiederholrate von 50 bis > 1.000 Hz aufweisenden Thermographie-Flächenkamera (2) abgebildet wird.

Description

Verfahren zur Prüfung der Haftung von Beschichtungen auf einem Substrat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Haftung von Beschichtungen auf einem Substrat.
Bei der Prüfung von Beschichtungen ist es wichtig, die Haftung zum darunter liegenden Substrat zu ermitteln. Beschichtungen in verschiedenen Kombinationen und Schichtdicken auf Metallen, Kunststoff oder Holz lösen sich nach Beanspruchung oft vom Untergrund. Diese Delamination ist die Folge chemischer Einflüsse (Bewitterung, Korrosion, Kontamination, Pilzbildung) oder mechanischer Beanspruchungen, z.B. durch Deformation.
Zur Erkennung von Lackablösungen werden verschiedene Verfahren angewendet, denen der Nachteil gemeinsam ist, dass sie alle zerstörend auf die Oberfläche bzw. die zu überprüfende Beschichtung wirken, so dass es nicht möglich ist, z.B. die Geschwindigkeit einer fortschreitenden Ablösung an ein und demselben Prüfkörper zu beobachten. Zur Zeit werden folgende Verfahren eingesetzt:
Visuelle Beobachtung einer Lackoberfläche, wodurch unter optimalen Beleuchtungsbedingungen eine durch Korrosion angehobene Oberfläche sichtbar werden kann. Die so erkannten Delaminationsbereiche werden dann chemisch weggeätzt bzw. mechanisch aufwendig mit einem Hochdruckstrahl oder einer scharfen Klinge freigelegt, um sie dann zu fotografieren oder zu scannen. Anschließend wird die abgelöste Fläche begutachtet oder mit geeigneten Computerprogrammen berechnet.
Bei dem in der DIN EN ISO 2409 genannten Gitterschnittverfahren werden nach der Bewitterung des Materials sechs bzw. elf parallele Schnitte und nochmals ebenso viele Schnitte senkrecht zu den ersten Schnitten durch den Lack bis in das darunter liegende Substrat durchgeführt. Anschließend wird ein Klebestreifen auf dem Gitternetz befestigt und danach gleichmäßig wieder abgezogen. Die dabei abgelösten Beschichtungsanteile werden bewertet und in das Verhältnis zur Gesamtfläche gesetzt. Hieraus ergibt sich dann ein Maß für die Haftung des Lacks mit dem darunter liegenden Grundmaterial.
Bei einem anderen, ebenfalls zerstörenden Verfahren wird nach EN 31 1 bzw. ISO 4624 ein Metallkörper auf die zu prüfende Fläche geklebt, eine Nut darum bis in das darunter liegende Substrat gefräst und langsam senkrecht abgezogen. Die Kraft, die benötigt wird, um den Grundkörper abzureißen, gilt als Maß für die Kohäsion innerhalb des Beschichtungssystems bzw. für die Adhäsion zum Untergrund oder zwischen den Einzelschichten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zerstörungsfreie Technik zur Erkennung von Delaminationen innerhalb von Anstrichsystemen und in der Grenzschicht zwischen Beschichtung und Trägermaterial zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Anwendung einer Impulsthermographie, bei der in den zu untersuchenden Bereich der Beschichtung des sich zumindest annähernd in Ruhe befindlichen Messobjektes impulsartig homogen Wärme eingebracht und dieser Bereich unter Verwendung einer eine Bildwiederholrate von 50 bis > 1.000 Hz aufweisenden Thermographie-Flächenkamera abgebildet wird. Mit diesem Verfahren kann bereits während der Einbringung des Wärmepulses eine Enthaftung zu einem Zeitpunkt erkannt werden, zu dem die bisher angewendeten Verfahren noch "blind" sind. Mit Hilfe der erfindungsgemäß eingesetzten Impulsthermographie lassen sich kontrastreiche digitale Bilder erstellen, die es ermöglichen, mit geeigneten Programmen auch eine automatische Auswertung selbst großer Versuchsserien durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass die in ein Messobjekt homogen eingebrachte Wärme durch Delaminationen, Korrosionen und/oder Inhomogenitäten in der Ausbreitung behindert wird, so dass sich die Wärme unterschiedlich schnell in das Material hinein ausbreitet. Mit Hilfe einer Thermographie-Flächenkamera können dann die sich nach einiger Zeit entsprechend der Wärmeleitung des Materials und der Tiefe des Defekts entwickelnden unterschiedlichen Wärmebildmuster auf der Oberfläche der überprüften Beschichtung beobachtet werden. Durch Ablösungen der überprüften Beschichtung wird das Eindringen des Wärmepulses in das Trägermaterial behindert. Die Thermographie-Flächenkamera, die über dem Messobjekt in solcher Höhe angebracht wird, dass mit der entsprechenden Optik das gesamte Untersuchungsobjekt bzw. der zu untersuchende Bereich abgebildet wird, zeichnet dann das unterschiedliche Abkühlverhalten der Oberfläche auf. In jedem der aufgezeichneten Bilder kann der Kontrast zwischen gut haftenden Oberflächen und abgelösten Oberflächen ermittelt werden. Anschließend wird dann für die nächste Messung ein neues Messobjekt unter die Kamera verfahren und in gleicher Weise untersucht. Nach dieser zerstörungsfreien Untersuchung kann dann das Material weiter beansprucht werden, um es nach einiger Zeit erneut auf ein Fortschreiten der Enthaftung zu untersuchen.
Die Überprüfung des Messobjektes soll in der Regel in Ruhestellung erfolgen, da es sich meist um sehr schnell Wärme leitende Materialien handelt. Doch ist es grundsätzlich möglich, das Messobjekt während der Messung eine langsame Vorschubbewegung ausführen zu lassen. Dabei ist es zweckmäßig, wenn zur Kompensierung einer langsamen Bewegung des Messobjektes in der Software die Verrechnung der Abkühlung oder Aufwärmung pixelweise über das Messobjekt verschoben wird, wobei, bei einer Verschiebung des Messobjektes von z. B. einem Pixel zwischen jeder Aufnahme des Bildes, bei Auswertung der Bilder jeweils die Temperatur des nächsten benachbarten Pixels berechnet wird. Hierdurch wird zwar die Ortsauflösung verringert, es lassen sich jedoch auch bei langsamen Verschiebungen noch Aufnahmen durchführen.
Der Moment der Erwärmung muss entweder sehr kurzfristig sein, mit einem Verschluss ausgeblendet werden, oder aber die Anregung muss in den nicht empfindlichen Bereichen der Kamerasensoren durchgeführt werden.
Eine Möglichkeit ist somit die Verwendung eines für die Thermographie- Flächenkamera nicht sichtbaren Wärmepulses, um die Überblendung der Kamera auszuschließen. So kann bei Verwendung einer im 3 - 5 μm Bereich empfindlichen Thermographie-Flächenkamera der Wärmepuls durch elektromagnetische Strahlung im UV-Bereich (200 nm - 500 nm) oder im langwelligen IR-Bereich (8 μ - 2 μm) oder durch Mikrowellen ( 1 mm - 30 cm) erzeugt werden.
Eine alternative Möglichkeit zur Vermeidung einer Überstrahlung der Thermographie-Flächenkamera besteht darin, dass die Dauer des Wärmepulses wesentlich kürzer gewählt wird als die Bildwiederholrate der verwendeten Thermographie-Flächenkamera. Bei einer Bildwiederholrate von 50 Hz sollte also der Wärmepuls bzw. die Abkühlung deutlich schneller als 20 ms, bei 1 .000 Hz aber schneller als 1 ms sein. Derartige Zeiten lassen sich durch Laserblitze oder sehr schnell reagierende Blitzlampen erzielen.
Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung einer Überstrahlung der Thermographie-Flächenkamera besteht darin, dass der Wärmepuls mit Hilfe eines schnell reagierenden, zwischen Messobjekt und Thermographie- Flächenkamera zu positionierenden Verschlusses ausgeblendet wird. Hier wird entweder ein mechanischer oder elektro-optischer Verschluss vorgesehen, der die kurzzeitige Übersteuerung der Kamera ausblendet, um so eine sofortige Aufnahme der Wärmestrahlung nach dem Öffnen des Verschlusses zu ermöglichen. Alternativ scheint denkbar, die Elektronik der Kamera so auszustatten, dass ein elektronischer Verschluss auf den Pixeln selbst durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß ist es mittels Software ferner möglich, zur Verdeutlichung der Temperaturauflösung in dem von der Thermographie-Flächenkamera aufgenommenen Bild vor dem Einbringen des Wärmepulses von dem zu untersuchenden Bereich der Beschichtung ein Temperaturbild der Oberfläche in der Umgebungstemperatur aufzunehmen und dann als Referenzbild von den während oder nach dem Einbringen gemachten Bildserien zu subtrahieren oder dividieren.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Oberfläche eines Messobjektes sowohl berührungslos als auch zerstörungsfrei auf Haftungsschwächen zwischen Beschichtung und Untergrund sowie auf Haftungsschwächen zwischen verschiedenen Schichten der Lackaufträge oder Beschichtungen detektiert werden. Da das Material dabei nicht beschädigt wird, kann es nach der einmaligen Messung weiter klimatisiert und zu einem späteren Zeitpunkt erneut auf ein Fortschreiten der Enthaftung untersucht werden.
In der Zeichnung ist eine Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in Seitenansicht dargestellt.
Erkennbar sind ein hinsichtlich seiner Oberfläche zu überprüfendes Messobjekt 1 , eine Thermographie-Flächenkamera 2, Blitzlampen 3 sowie ein zwischen dem Kameraobjektiv und dem Messobjekt 1 angeordneter Verschluss 4. An die Thermographie-Flächenkamera 2 ist ein IR-Monitor 5 sowie eine Trigger- Einheit 6 angeschlossen, die von einem PC 7 beaufschlagt wird und die Blitzlampen 3 sowie den Verschluss 4 steuert. An den PC 7 ist ein Monitor 8 angeschlossen.

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zur Prüfung der Haftung von Beschichtungen auf einem Substrat, gekennzeichnet durch Anwendung einer Impulsthermographie, bei der in den zu untersuchenden Bereich der Beschichtung des sich zumindest annähernd in Ruhe befindlichen Messobjektes ( 1 ) impulsartig homogen Wärme eingebracht und dieser Bereich unter Verwendung einer eine Bildwiederholrate von 50 bis > 1 .000 Hz aufweisenden Thermographie-Flächenkamera (2) abgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die Verwendung eines für die Thermographie-Flächenkamera (2) nicht sichtbaren Wärmepulses.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer im 3 - 5 μm Bereich empfindlichen Thermographie- Flächenkamera (2) der Wärmepuls durch elektromagnetische Strahlung im UV-Bereich oder im langwelligen IR-Bereich oder durch Mikrowellen erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung einer Überstrahlung der Thermographie-Flächenkamera (2) die Dauer des Wärmepulses wesentlich kürzer gewählt wird als die Bildwiederholrate der verwendeten Thermographie-Flächenkamera (2).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines kurzen Wärmepulses Laserblitze oder sehr schnell reagierende Blitzlampen (3) verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung einer Überstrahlung der Thermographie-Flächenkamera (2) der Wärmepuls mit Hilfe eines schnell reagierenden, zwischen Messobjekt ( 1 ) und Thermographie-Flächenkamera (2) zu positionierenden Verschlusses (4) ausgeblendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen des Wärmepulses von dem zu untersuchenden Bereich der Beschichtung ein Temperaturbild der Oberfläche in der Umgebungstemperatur aufgenommen und dann als Referenzbild von den während oder nach dem Einbringen gemachten
Bildserien subtrahiert oder dividiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensierung einer langsamen Bewegung des Messobjektes ( 1 ) in der Software die Verrechnung der Abkühlung oder Aufwärmung pixelweise über das Messobjekt ( 1 ) verschoben wird, wobei, bei einer Verschiebung des Messobjektes ( 1 ) von z. B. einem Pixel zwischen jeder Aufnahme des Bildes, bei Auswertung der Bilder jeweils die Temperatur des nächsten benachbarten Pixels berechnet wird.
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