Beschreibung

Titel

Verfahren zur Bewertung von mechanischen Prüfungen einer Beschichtung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung von mechanischen Prüfungen an einer Beschichtung auf einem Substrat.

Um die Qualität von Beschichtungen zu bestimmen, werden verschiedene Eigenschaften der Beschichtungen geprüft. Derartige Beschichtungen sind z.B. Lacke auf unterschiedlichen Oberflächen wie z.B. Metallen, Kunststoffen, Glas, Holz usw. Die geprüften mechanischen Eigenschaften sind z.B. Haftung, Elastizität, Härte, Kratzfestigkeit oder auch Steinschlagfestigkeit des Lackes. Im allgemeinen erfolgt die Charakterisierung vieler Prüfungs- methoden durch die optische Beurteilung von Schädigungen, die durch eine definierte, mechanische Belastung erfolgt. So wird z.B. die Haftung eines Lackes üblicherweise mit einer Gitterschnitt-Prüfung geprüft. Die Auswertung erfolgt hierbei in der Regel durch die visuelle Betrachtung und Einteilung durch den Prüfer.

Bei Klarlacken ist der Unterschied zum Substrat sehr klein, so dass selbst eine visuelle Bewertung durch den Prüfer sehr schwer ist. Für diese Fälle ist aus US-A 2004/0149026 bekannt, dem Klarlack einen Fluoreszenzfarbstoff beizumischen, so dass fluoreszierende und nicht fluoreszierende Flächen unterschieden werden können. Nachteil der Beimischung eines Fluoreszenzfarbstoffes ist jedoch, dass die Eigenschaften des Lackes durch die Beimischung möglicherweise verändert werden.

Bei den anderen derzeit bekannten Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften erfolgt die Auswertung durch den Prüfer, wodurch es sich bei den Verfahren um eher empirische Verfahren handelt. Die Auswertung ist auf deutliche Farbunterschiede angewiesen. Bewertungen von glänzenden oder matten Klarlacken auf glänzenden oder matten Metallsubstraten sind durch die geringen Farbunterschiede begrenzt. Eine Einfär- bung des Klarlacks durch Beimischung von Fluoreszenzfarbstoffen oder anderen Farbstof-

fen zur Sichtbarmachung kann durch Wechselwirkung mit dem Lack oder einer Komponente des Lackes, z.B. dem Initiator, die Aushärtung und/oder auch die übrigen Lackeigenschaften verändern. Zudem müssen Löslichkeitseffekte durch Ausfallen des Farbstoffes während der Polymerisation und damit verbundene Effekte auf die Struktur der Lack- schicht beachtet werden. Zudem werden mit einer Beschichtung häufig mehrere Prüfungen durchgeführt, wobei die Ergebnisse durch die Beimischung des Farbstoffes verändert werden könnten.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bewertung von mechanischen Prüfungen einer Beschichtung auf einem Substrat umfasst folgende Schritte:

(a) Aufprägen einer mechanischen Belastung auf die Beschichtung,

(b) isothermes Einspannen des Substrats mit der Beschichtung und Erstellen einer Infrarotaufnahme des Bereichs, in dem die mechanische Belastung auf die Be- Schichtung in Schritt (a) aufgeprägt wird,

(c) Auswertung der Infrarotaufnahme.

Durch die Infrarotaufnahme wird die Infrarotemission bei einer konstanten Temperatur gemessen. Durch die unterschiedlichen Emissionsgrade von unterschiedlichen Materialien werden bei der Messung der Infrarotintensität unterschiedliche Signale aufgenommen. An den Stellen, an denen sich der Lack bei der mechanischen Prüfung abgelöst hat, wird die Emissionsintensität des Substrats gemessen, bei Beschichtungen, die am Substrat anhaften, wird die Emission der Beschichtung gemessen. Vorteil des Verfahrens ist somit, dass aufgrund der unterschiedlichen Emissionseigenschaften kein empirisches Abschätzen mehr erfolgen muss. Zudem ist es auch möglich, die Eigenschaften von Klarlacken auch automatisiert zu prüfen.

Die mechanische Belastung wird z.B. in Form einer Elastizitätsprüfung oder einer Haf- tungsprüfung der Beschichtung aufgeprägt. Das Aufprägen der Belastung erfolgt dabei nach den bekannten Verfahren, wie sie derzeit eingesetzt und empirisch ausgewertet wer-

den. Die mechanische Belastung im Schritt (a) kann dabei z.B. durch Schneiden, Stoß, Schlag, Zug oder Druck auf die Beschichtung aufgeprägt werden.

Die mechanische Belastung, die in Schritt (a) aufgeprägt wird, ist z.B. ein Gitterschnitt, eine Eindringtiefung oder eine Erichsentiefung. Weiterhin kann die mechanische Belastung auch durch eine fallende Kugel oder durch Biegen des mit der Beschichtung versehenen Substrats um einen Dorn, wobei die Beschichtung auf der dem Dorn abgewandten Seite des Substrats angeordnet ist, aufgebracht werden.

Bei der Gitterschnitt-Prüfung werden zunächst mehrere parallel liegende Schnitte in der Beschichtung ausgeführt. Die Schnitte werden dabei so tief durchgeführt, dass diese bis auf das Substrat reichen. Im allgemeinen werden sechs nebeneinander liegende Schnitte durchgeführt.

Als nächstes werden nebeneinander liegende parallele Schnitte in die Beschichtung eingebracht, die zu den ersten Schnitten um 90° verdreht sind. Auch hierbei werden im allgemeinen sechs nebeneinander liegende Schnitte eingebracht. Der Abstand zwischen zwei parallelen Schnitten ist dabei jeweils gleich groß, so dass durch das Einschneiden in den Lack 25 Quadrate entstehen. Nach dem Anbringen der Schnitte werden die behandel- ten Oberflächen abgebürstet oder mit einem Klebeband abgezogen. Die Qualität der Haftung der Beschichtung ergibt sich dadurch, wie groß der Anteil an Beschichtungsmaterial ist, das durch das Eindringen der Schnitte abplatzt und durch das Abbürsten oder das Abziehen mit Klebeband entfernt wird.

Bei einer Erichsentiefung wird zunächst ein Probenkörper, im allgemeinen eine gehärtete, polierte Stahlkugel mit einem Durchmesser von 20 mm mit gleichmäßiger Vorschubgeschwindigkeit von ca. 0,2 mm/sec. in die Rückseite des Substrats gedrückt. Als Rückseite des Substrats wird dabei die Seite des Substrats bezeichnet, die der Beschichtung gegenüber liegt. Die Vorschubbewegung des Probenkörpers wird beendet, sobald der erste Riss in der Oberfläche der Beschichtung auftritt.

Um das erste Auftreten eines Risses in der Beschichtung zu erkennen, ist es bevorzugt, dass das Aufprägen der mechanischen Belastung auf die Beschichtung in Schritt (a) und das Erstellen der Infrarotaufnahme in Schritt (b) gleichzeitig erfolgt. Die Infrarotaufnahme ist hierbei vorzugsweise ein Infrarotfilm, der kontinuierlich während des Aufprägens der mechanischen Belastung erstellt wird. Das gleichzeitige Aufprägen der mechanischen Belastung auf die Beschichtung und das Erstellen der Infrarotaufnahme wird vorzugsweise

bei allen mechanischen Prüfungen durchgeführt, bei denen während der Prüfung eine Veränderung in der Beschichtung erkannt werden muss.

Bei mechanischen Prüfungen, bei denen eine Beurteilung der Beschichtung erst nach ab- geschlossener mechanischer Belastung durchgeführt wird, ist es ausreichend, dass erst die mechanische Belastung in Schritt (a) aufgeprägt wird und anschließend die Infrarotaufnahme in Schritt (b) erstellt wird. Die Verfahren, bei denen die optische Beurteilung erst nach dem Aufprägen der mechanischen Belastung erfolgt, sind z.B. die mechanischen Prüfungen, mit denen die Haftung der Beschichtung auf dem Substrat geprüft wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Auswertung der Infrarotaufnahme durch ein elektronisches Bildverarbeitungssystem. Der Vorteil der Auswertung durch ein elektronisches Bildverarbeitungssystem ist, dass subjektive Eindrücke des Prüfers nicht bei der Auswertung berücksichtigt werden. Eine objektive Auswertung der Prüfung ist möglich. Ein weiterer Vorteil der Auswertung durch ein elektronisches Bildverarbeitungssystem ist, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren für eine Reihenprüfung eignet, bei der automatisiert eine große Anzahl von Beschichtungen geprüft wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung in Form eines Blockschaltbilds schematisch vereinfacht wiedergegeben und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein stark verkürztes Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels:

In einem in der Figur dargestellten ersten Schritt Sl wird eine mechanische Belastung auf eine Beschichtung aufgeprägt. Durch die mechanische Belastung kann dabei ein Substrat, auf welchem die Beschichtung aufgebracht ist, zumindest teilweise durch Ablösen der Beschichtung freigelegt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass unter definierten Bedingungen, unter denen die Belastung aufgeprägt wird, keine Schädigung der Beschichtung erfolgt. Dies ist zum Beispiel bei Lacken von hoher Qualität möglich.

Eine Beschichtung ist z.B. ein farbgebender Lack oder ein Klarlack, welcher auf das Substrat aufgetragen wird. Die Beschichtung kann weiterhin auch eine Kunststoffschicht, eine Keramikschicht oder eine Pulverbeschichtung sein, die auf das Substrat aufgetragen wird. Zudem ist es auch möglich, dass die Beschichtung eine Folie ist, welche auf das Quadrat aufgeklebt wird. Weiterhin kann die Beschichtung auch eine aufgedampfte oder elektrochemisch abgeschiedene Schicht sein, wenn die Infrarotemission unterschiedlich zum Substrat ist. Eine solche Schicht ist zum Beispiel eine Phosphatierung, wie sie zum Rostschutz bei metallischen Oberflächen durchgeführt wird, oder eine Metallbeschichtung auf einem Substrat aus Kunststoff.

Das Substrat ist vorzugsweise eine Platte. Das Material des Substrats ist z.B. ein Metall, ein Kunststoff, Glas oder Keramik. Eine Beschränkung der Materialien für das Substrat gibt es nicht. Es ist lediglich darauf zu achten, dass die Emissionseigenschaften für Infrarotlicht von Beschichtung und Substrat unterschiedlich sind.

In einem zweiten Schritt S2 wird das Substrat mit der darauf ausgebildeten Beschichtung isotherm eingespannt. Durch das isotherme Einspannen wird vermieden, dass verschiedene Bereiche des Substrates mit der darauf ausgebildeten Beschichtung, die jeweils unterschiedliche Temperaturen aufweisen, die Infrarotstrahlung unterschiedlich emittieren und hierdurch Fehler in der Bildauswertung gemacht werden.

Als isothermes Einspannen im Sinne der vorliegenden Erfindung wird verstanden, dass sowohl die Halterung zum Einspannen als auch das Substrat und die Beschichtung sowie die umgebende Luft eine im Wesentlichen gleiche Temperatur aufweisen. Im Wesentli- chen gleiche Temperatur bedeutet hierbei, dass der Temperaturunterschied nicht größer als 1 K ist.

Neben der in Figur 1 dargestellten Reihenfolge, bei der zunächst die mechanische Belastung auf die Beschichtung aufgebracht wird und anschließend das Substrat eingespannt wird, ist es auch möglich, Schritt Sl und Schritt S2 zu vertauschen, d.h. zunächst das Substrat mit der Beschichtung einzuspannen und danach die mechanische Belastung auf die Beschichtung aufzuprägen.

In einem dritten Schritt S3 wird eine Infrarotaufnahme des Bereichs erstellt, in dem die mechanische Belastung auf die Beschichtung im Schritt Sl aufgeprägt worden ist. Durch die unterschiedlichen Emissionsgrade für Infrarotstrahlung von unterschiedlichen Materia-

len lassen sich auf der Infrarotaufnahme die Bereiche erkennen, an denen sich kein Be- schichtungsmaterial mehr auf dem Substrat befindet.

Da sich die Emissionseigenschaften für Infrarotstrahlung eines Materials abhängig von der Temperatur unterscheiden, ist es notwendig, dass die Infrarotaufnahme in Schritt S3 unter isothermen Bedingungen erstellt wird. Bei Temperaturunterschieden in der Beschichtung oder im Substrat wäre es sonst möglich, dass wärmere oder kältere Bereiche als Bereiche gedeutet werden, in denen sich keine Beschichtung mehr auf dem Substrat befindet, obwohl die Beschichtung in diesem Bereich in Ordnung ist. Andererseits wäre es selbstver- ständlich auch möglich, dass der Bereich mit einer anderen Temperatur in der Infrarotaufnahme den Eindruck erweckt, dass an dieser Stelle die Beschichtung in Ordnung sei, obwohl sich keine Beschichtung mehr auf dem Substrat befindet.

Um isotherme Bedingungen für die Infrarotaufnahme zu erreichen, ist es z.B. möglich, vor dem Erstellen der Infrarotaufnahme zu warten, bis sich gegebenenfalls im Substrat oder in der Beschichtung auftretende Temperaturunterschiede ausgeglichen haben. Es ist bevorzugt, dass das Substrat nur eine geringe Dicke aufweist, da sich dann schneller eine homogene Temperaturverteilung im Substrat einstellt.

Um bereits zu vermeiden, dass durch das Handhaben des Substrats mit der Beschichtung beim Aufbringen der mechanischen Belastung Temperaturunterschiede aufgeprägt werden, ist es bevorzugt, das Substrat mit der Beschichtung zuerst einzuspannen und danach die mechanische Belastung auf das Substrat auszuüben. Hierdurch wird z.B. vermieden, dass das Substrat durch Festhalten vom Prüfer an den Stellen, an denen der Prüfer das Substrat kontaktiert, erwärmt wird.

Das Erstellen der Infrarotaufnahme in Schritt S3 kann gleichzeitig mit dem Aufprägen der mechanischen Belastung in Schritt Sl oder erst nach dem Aufprägen der Belastung in Schritt Sl erfolgen. In der hier dargestellten Ausführungsform erfolgt das Erstellen der Infrarotaufnahme erst nach dem Aufprägen der Belastung. Dies ist dann möglich, wenn durch das Aufprägen der Belastung Veränderungen in der Beschichtung eintreten, jedoch nicht erforderlich ist, den Zeitpunkt der Veränderungen festzuhalten. Das Erstellen der Infrarotaufnahme in Schritt S3 nach dem Aufprägen der mechanischen Belastung ist z.B. möglich bei der Durchführung eines Gitterschnittes zur Prüfung der Haftung der Beschich- tung, einer Dornbiegeprüfung zur Ermittlung der Biegeelastizität oder auch einer Kugelschlagprüfung zur Ermittlung der Stoß- und Schlagelastizität.

Bei der Dornbiegeprüfung wird das Substrat mit der darauf ausgebildeten Beschichtung um einen konisch ausgebildeten Dorn gebogen. Anschließend wird der Durchmesser ermittelt, bei dem die Beschichtung Risse aufweist oder abblättert. Bei der Kugelschlagprüfung wird eine Kugel auf die Beschichtung fallengelassen. Die Kugel wird solange aus un- terschiedlichen Fallhöhen auf die Beschichtung fallengelassen, bis erste Riss- oder Ablöseerscheinungen in der Beschichtung sichtbar werden. Es ist also möglich, die Kugel zunächst fallenzulassen, dann eine Infrarotaufnahme zu erstellen und dieses so oft zu wiederholen, bis auf der Infrarotaufnahme ein Riss oder eine Ablösung der Beschichtung erkennbar ist.

Es kann selbstverständlich auch jede weitere mechanische Prüfung durchgeführt werden, bei der die optische Auswertung erst nach der Beanspruchung erfolgt.

Bei Prüfungen der Beschichtung, bei denen eine kontinuierlich zunehmende Beanspru- chung aufgebracht wird, wobei die Prüfung zu beenden ist, sobald erste Riss- oder Ablöseerscheinungen in der Beschichtung auftreten, ist es bevorzugt, dass das Erstellen der Infrarotaufnahme in Schritt S3 und das Aufbringen der mechanischen Belastung in Schritt Sl gleichzeitig erfolgt. Eine derartige Prüfung ist z.B. eine Erichsentiefung zur Prüfung der Biegeelastizität der Beschichtung. Bei der Erichsentiefung wird z.B. mittels eines Stößels eine gehärtete, polierte Stahlkugel mit einem Durchmesser von 20 mm solange mit gleichmäßiger Vorschubgeschwindigkeit von ungefähr 0,2 mm/sec. in die Rückseite des als Probeplatte ausgebildeten Substrats gedrückt, bis sich ein erster Riss in der Beschichtung zeigt. Der zurückgelegte Weg des Stößels wird als Tiefungswert abgelesen. Aus diesem Grund ist es wichtig, genau zu erkennen, zu welchem Zeitpunkt der erste Riss in der Be- Schichtung auftritt. Daher ist es notwendig, jeweils in kurzen Abständen eine Infrarotaufnahme des Bereichs der Beschichtung zu erstellen, die durch die Erichsentiefung belastet wird, während die Prüfung durchgeführt wird. Besonders bevorzugt werden die Infrarotaufnahmen in einem so kurzen Abstand erstellt, dass ein Infrarotfilm erzeugt wird.

Nach dem Erstellen der Infrarotaufnahme wird diese in Schritt S4 ausgewertet. Bei den Prüfungsverfahren, bei denen die Infrarotaufnahme erst nach der Durchführung der mechanischen Belastung erstellt wird, ist es bevorzugt, erst die Infrarotaufnahme zu erstellen und diese anschließend auszuwerten. Bei den Prüfungsverfahren, die es erforderlich machen, dass die Infrarotaufnahme gleichzeitig mit der mechanischen Belastung erstellt wird, erfolgt auch die Auswertung vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig mit der Erstellung der Aufnahme. Die Auswertung der Infrarotaufnahme in Schritt S4 kann dabei optisch von einem Prüfer erfolgen oder automatisiert durch ein Bildverarbeitungssystem. Bevorzugt

wird die Auswertung der Infrarotaufnahme durch ein Bildverarbeitungssystem durchgeführt. Vorteil des Bild Verarbeitungssystems ist, dass die Auswertung objektiv erfolgt. Ein subjektiver Einfluss des Prüfers wird ausgeschlossen. Zur Auswertung mit einem Bildverarbeitungssystem kann jedes beliebige, dem Fachmann bekannte Bild Verarbeitungssystem eingesetzt werden. Es ist lediglich erforderlich, dass durch das Bild Verarbeitungssystem Farbunterschiede erkannt werden. So kann die Bildauswertung der Infrarotaufnahme entweder als Farbbild erfolgen, wobei die Aufnahme vorzugsweise in die einzelnen Farbkanäle zerlegt wird oder es werden die Grauwertbilder ausgewertet.

Zur Auswertung werden zum Beispiel die Flächen, bei denen die Beschichtung sichtbar ist, den Flächen, bei denen das Substrat sichtbar ist, also die Beschichtung abgeblättert ist, gegenübergestellt. Als Ergebnis wird der Anteil der Fläche in % angegeben, in dem die Beschichtung abgeblättert ist.