DE10202326A1

DE10202326A1 - Verfahren zur Prüfung der Haftung von Beschichtungen auf einem Substrat

Info

Publication number: DE10202326A1
Application number: DE2002102326
Authority: DE
Inventors: Peter Meinlschmidt; Gerhard Pausch
Original assignee: PAUSCH MESSTECHNIK GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: PAUSCH MESSTECHNIK GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2003-11-13
Also published as: AU2003237649A1; WO2003062807A2; WO2003062807A3

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 > 1000 Hz aufweisenden Thermographie-Flächenkamera (2) abgebildet wird.

Description

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 311 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 µm-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 substrahieren 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

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 substrahiert 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.