Einflüsse auf das Photothermische Messverfahren
Das Photothermische Messverfahren unterliegt beim Einsatz verschiedenen Umwelteinflüssen, die die Güte des Messergebnisses beeinflussen. Um optimale Messergebnisse erzielen zu können, muss man die wichtigsten Einflussgrössen kennen und beim Einsatz dieser Messgeräte berücksichtigen. Im folgenden werden die Einflüsse aufgeführt und kurz deren Auswirkungen beschrieben.
Schichtaufbau

Beim Schichtaufbau sind mehrere Dinge zu beachten. Die Farbe und der Grad der Pigmentierung haben einen Einfluss wie intensiv der Lack durch den Laser aufgeheizt werden kann. Das Messverfahren funktioniert nur, wenn sich eine Temperaturänderung im Lack durch den Laserpuls erzeugen lässt. Bei den meisten Anwendungen kommen Farben mit hoher Deckkraft zum Einsatz, die gut messbar sind. Prinzipiell können dunkle Lacke mit weniger Laserenergie erwärmt werden als hellere Lacke. Die helleren Lacke reflektieren zum grossen Teil die Laserenergie an der Oberfläche der Lackschicht und nur ein kleiner Teil trägt zur Erwärmung bei. Der PaintChecker kompensiert diesen Effekt durch eine Erhöhung der Laserleistung. Die Pigmentierug bestimmt die Farbsättigung und damit auch die Energiezuführung. Bei transparenten oder durchsichtigen Lacken kann der Lack selbst kaum noch erwärmt werden, sondern es wird hauptsächlich der Untergrund erwärmt. In vielen Fällen ist eine Schichtdickenmessung aber möglich, wenn der Untergrund dunkel ist. Dann kann der Laserpuls den Lack indirekt über den Untergrund erwärmen.

Da die zugeführte Laserenergie über den Untergrund abgeführt wird, spielt die Wärmeübertragungseigenschaft zwischen Lack und Untergrund eine wichtige Rolle. Wenn beim Lack eine unzureichende Haftung am Untergrund auftritt, erfolgt kein Wärmeabtransport mehr und erschwert die Schichtdickenmessung. Ähnliche Effekte können bei Mehrschichtaufbauten auftreten, wo der selbe Lack in mehreren Lagen auf getrockneten Schichten aufgebaut wird, um eine entsprechende Schichtdicke zu erreichen. Jede Trennschicht vermindert die Wärmeleitfähigkeit. Würde die selbe Schichtdicke mit nur einem Auftrag erzielt werden können, so unterscheiden sich aber die Messergebnisse. Bei der Photothermischen Schichtdickenmessung können diese Effekte in der Kalibrierung berücksichtigt werden, man muss aber darauf achten, dass der Beschichtungsauftrag immer in der selben Weise erfolgt.

Die Rauhigkeit des Untergrundes und Welligkeit der Beschichtung beeinflusst ebenfalls die Schichtdickenmessung. Bei zu grosser Rauhigkeit oder Welligkeit verschlechtert sich scheinbar die Messgenauigkeit, aufgrund der unzureichenden örtlichen mechanischen Referenzierung, da eine Mittelwert-Messung über den Messfleck erfolgt. Die Ungenauigkeit liegt nicht am Messverfahren, sondern ausschliesslich an der örtlichen Referenzierung und kann nur durch genauere Bewegungstechnik verbessert werden.

Mit dem photothermischen Messverfahren kann nur der Gesamtschichtaufbau gemessen werden. Ist die Erfassung von Einzelschichtdicken gefordert, so muss eine Differenzmessung nach jedem Schichtauftrag erfolgen. Dies gilt auch für die Vermessung einer feuchten Schicht auf einem trockenen Mehrschichtaufbau. Dabei muss die Schichtdicke des trockenen Mehrschichtaufbaus bekannt sein, um sie von der Gesamtschichtdicke abziehen zu können. Die Schichtdicke des trockenen Schichtaufbaus muss nicht exakt am Messort bestimmt werden. Ein statistischer Flächenmittelwert ist oft ausreichend, da der dünnere, trockene Mehrschichtaufbau im Verhältnis zur dicken, feuchten Schicht nur einen geringen Beitrag an der Gesamtschichtdicke hat. Messungenauigkeiten und Fehler des trockenen Schichtaufbaus wirken sich dadurch wesentlich geringer aus.

In einigen Ausnahmefällen ist auch die Erfassung eines Zweischichtaufbaus, z.B. Klarlack auf dickem Trockenschichtaufbau, mit einer Messung möglich, wenn die beiden Lackschichten sehr unterschiedlich dick sind.


Lackzustand

Der Lack kann sich während der Messung in mehreren Zuständen befinden. Bei der üblichen Messmethode befindet sich der Lack im trockenen Zustand, d.h. der Lösemittelanteil im Lack ist durch Verdunstung entwichen und es hat sich eine geschlossene Oberfläche gebildet, die fest mit dem Untergrund verbunden ist. In diesem Zustand unterliegt der Lack keinen nennenswerten Veränderungen zum Zeitpunkt der Messung.

Ein anderes Verhalten zeigt der Lack, wenn im feuchten Zustand gemessen werden soll. Unmittelbar nach dem Lackauftrag befinden sich noch grosse Mengen der Lösungsmittel im Lack, die schon teilweise beim Auftragen entwichen sind. Der noch vorhandene Lösemittelanteil lässt den Lack bei Messungen im feuchten Zustand dicker erscheinen als nach der Abtrocknung. Da der Verdunstungsvorgang kontinuierlich fortschreitet, ist es wichtig, einen fest definierten Zeitpunkt nach dem Lackauftrag für die Messung einzuhalten. Aus Erfahrung sollte die Schichtdickenmessung erst 60 Sekunden nach dem Lackauftrag erfolgen, da innerhalb dieser Zeit der Lackaufbau noch sehr instabil ist und die Oberflächenvernetzung noch nicht abgeschlossen ist. Wird der Messzeitpunkt nicht exakt eingehalten, so erhält man durch weitere Verdunstung einen Schichtdickenfehler von ca. 2 % bei Wasserlacken und mehr als 4 % bei Lösemittellacken pro Minute. Anlagentechnisch muss dafür gesorgt werden, dass bei einem Fördererstop die Messung für einige Teile aussetzt.

Bei Messungen von nicht eingebrannten Pulverlacken sollte auch unmittelbar nach der Beschichtung gemessen werden. Es gibt zwar keine Verdunstung von Lösemitteln aus dem Lack, aber das Pulver nimmt Feuchtigkeit auf und die Pulverschicht setzt sich mit der Zeit. Die Messung sollte nicht später als 20 Minuten nach der Beschichtung erfolgen.

Prinzipiell unterliegen alle feuchten Lacke der Schwerkraft. Besonders bei der Beschichtung von senkrechten Flächen fliesst der Lack je nach Viskosität  und Zeit nach unten und verursacht ein Schichtdickengefälle.  Deshalb ist auch die Zeit zwischen Messung und Trocknung wichtig, da unter Umständen die Schichtdicke des eingebrannten Lackes eine andere ist, als zum Zeitpunkt der Messung.

Da die Messung von feuchten oder nicht eingebrannten Schichten immer eine Messung der aktuellen Schichtdicke ist, muss zur Bestimmung der Trockenschichtdicke eine Kalibrierung von feuchten und trockenen Schichten erfolgen, um den Lösemittelanteil herauszurechnen.


Bewegung

Die Bauteile können während der Messung bewegt werden, da der Laserfleck grösser als der Messfleck und entgegen der Bewegungsrichtung ausgerichtet ist. Die Bewegungskompensation ist von der Grösse des rechteckigen Laserflecks abhängig. In der Bewegungsrichtung ist der Laserfleck grösser als quer zur Bewegungsrichtung. Daher sind längs zur Bewegungsrichtung grössere Geschwindigkeiten zulässig als quer zur Bewegungsrichtung. Im praktischen Einsatz kann auch der Messkopf bewegt werden und das Bauteil ruhen. Es können sich aber auch Messkopf und Bauteil gleichzeitig bewegen, wie z.B. bei Roboteranwendungen. Dabei ist zu beachten, dass sich mehrere Bewegungsgeschwindigkeiten und Richtungen überlagern und sich die Geschwindigkeiten verstärken oder abschwächen können. Da der Laserfleck asymmetrischzum Messfleck ist, gibt es eine Vorzugsrichtung beim Messen in Bewegung. Es ist darauf zu achten, dass die Relativbewegung zwischen Messkopf und Bauteil nicht die zulässige Geschwindigkeit überschreitet und die Vorzugsrichtung eingehalten wird. Die besten Messergebnisse werden erzielt, wenn mit konstanter Geschwindigkeit gemessen wird. Bewegungsfehler erkennt man am einfachsten an homogenen Flächen ddurchspringende Messwerte.


Messabstand

Der hohe Messabstand wird mit der Empfangsoptik realisiert. Dabei wird die Wärmestrahlung vom Lack über einen grossen Spiegel auf den Wärmedetektor gebündelt. Da das Photothermische Messverfahren nur Zeitverläufe auswertet und die Empfangsoptik eine ausreichende Tiefenschärfe besitzt, ist es in gewissen Grenzen unabhängig von der Stärke des Messsignals und kann Toleranzen im Messabstand ausgleichen. Bei Überschreitung der zulässigen Toleranzen muss man mit schlechteren Messergebnissen rechnen, die durch eine Vergrösserung der Standardabweichung erkennbar ist.


Verkippung

Da sich die Wärmestrahlung allseitig im Raum ausbreitet und in alle Richtungen abgestrahlt wird, kann auch unter schrägem Winkel gemessen werden. So ist es möglich, auch komplizierte Messstellen an Kanten oder in Hohlräumen zu erreichen. Auch die Wärmestrahlung unterliegt den optischen Gesetzen und kann wie gewöhnliches Licht an Spiegeln abgelenkt werden. Durch den Einsatz von Spiegelsystemen kann man bei komplizierten Bauteilgeometrien den Bewegungsaufwand wesentlich reduzieren, indem man den Messkopf fest montiert und nur die Spiegel bewegt. Wir können Ihnen in solchen Fällen die kostengünstigste Lösungsvariante für Ihre Messaufgabe erarbeiten und umsetzen.


Temperatur

Die Bauteile können im Beschichtungsprozess unterschiedliche Temperaturen besitzen. Bei Messungen im feuchten Zustand besitzen die Bauteile meist Umgebungstemperatur. Nach dem Trocknen oder Einbrennen können durchaus Temperaturen zwischen 60...120°C vorliegen. Vom PaintChecker werden nur Temperaturänderungen registriert, so dass die Absoluttemperatur nahezu keine Rolle spielt. Es kann an Bauteilen bis ca. 80°C gemessen werden. Die hohe Temperatur und langsame Temperaturänderungen kleiner 10°C werden vom PaintChecker durch Ausblendung der Hintergrundtemperatur kompensiert. Die Kalibrierung ist aber bei der aktuellen Temperatur durchzuführen und kann nicht für die Vermessung von kalten Bauteilen verwendet werden. Zur Messung kalter Bauteile ist eine eigene Kalibrierung im kalten Zustand notwendig. Unzulässige Temperaturänderungen führen zu Veränderungen der Schichtdicke und sind schwer auffindbar. Besonders beim Einsatz von geregelten Trockenöfen können unzulässige Temperaturänderungen auftreten. Bitte kontaktieren Sie uns, wenn Sie bei hohen Temperaturen messen wollen. Wir können Ihnen Lösungsvorschläge unterbreiten und mit geeigneten Temperaturmessgeräten behilflich sein.


Verschmutzung

Wird der PaintChecker direkt in der Lackierumgebung eingesetzt, so kann Overspray zur Verschmutzung des Messkopfes führen. Bei Pulverlacken kann das Pulver einfach abgeblasen oder weggewischt werden. Bei lösemittelhaltigen Lacken kann mit geeigneten Lösemitteln entsprechend der Reinigungsvorschrift gesäubert werden. Die Verschmutzung durch Overspray führt zur Reduzierung des Messsignals und wird vom PaintChecker in bestimmten Grenzen toleriert. Bei zu grosser Verschmutzung wird eine Fehlermeldung an der Auswerteeinheit ausgegeben. Eine zunehmende Verschmutzung macht sich durch Vergrösserung der Standardabweichung bemerkbar.


Umgebung

Auf den PaintChecker wirken noch weitere Einflüsse aus der Umgebung ein. Dazu zählen EMV-Störungen aus der Anlagen- und Steuerungstechnik, die in die Kabelsysteme einkoppeln und Störungen verursachen. Unsere Messtechnik ist darauf ausgelegt, auch in solchen Umgebungen einsetzbar zu sein. Zur Erzielung optimaler Messergebnisse sollten diese Störungen jedoch lokalisiert und eingeschränkt werden. Besonders die Fördersysteme erzeugen durch die Pulsansteuerungen für grosse Störpegel. Daher sollten alle Kabel des PaintCheckers geschirmt sein und getrennt von Leistungskabeln in eigenen Kabelkanälen verlegt werden. Ein sauber ausgelegtes Erdungskonzept der Steuerungstechnik verhindert Masseschleifen und Querströme von vernetzten Steuerungssystemen und hilft Störungen zu vermeiden.

Beim Einsatz eines bewegten Messkopfes treten häufig Vibrationen auf, die auf ein ausreichendes Mass reduziert werden müssen. Bei unzureichender Steifigkeit des Bewegungssystems entstehen durch Vibration kleine Auslenkungen, die aufgrund des grossen Arbeitsabstandes grosse Auslenkungen auf dem Messobjekt bewirken können. Ist die Schichtdickenverteilung im ungünstigsten Fall zudem noch ungleichmässig, so wandert der Messfleck fortwährend umher und misst verschiedene Schichtdicken. Als Ergebnis ist die Standardabweichung sehr hoch, da die Messwerte stark fluktuieren.

Weiterhin können chemische Gase und Flüssigkeiten auf den Messkopf einwirken. Der Messkopf ist nur in gewissen Grenzen gegen das unmittelbare Eindringen geschützt. Besonders stark oxidierende Substanzen sind zu vermeiden, da die Optiken erblinden können.

Der PaintChecker Messkopf ist nicht gasdicht verschlossen und kann nicht direkt in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden. In den meisten Fällen kann mit einer Belüftung der Messkabine die Explosionsgefahr  eliminiert werden.


Kalibrierung

Die Kalibrierung bestimmt im entscheidenden Mass über die Güte der absoluten Schichtdickenmessung. Zwei Themen werden nachfolgend behandelt, die Probenerstellung und die Referenzierung. Mit der Kalibrierung wird ein direkten Zusammenhang zwischen dem Messsignal und der tatsächlichen Schichtdicke erzeugt. Dazu wird die Schichtdicke meistens mit Referenz-Messgeräten ermittelt oder es werden bekannte Referenzproben benutzt. Die Kalibrierung erfolgt, indem man Schichten aufträgt, die sowohl mit dem PaintChecker als auch mit dem Referenzmessgerät vermessen werden. Die Kalibriersoftware unterstützt dabei den Anwender und errechnet daraus die Kalibrierfunktion. Die beste Kalibriergenauigkeit wird erreicht, wenn ein keilförmiger bzw. mehrstufiger Schichtdickenaufbau erzeugt werden kann und eine Mehrpunktkalibrierung durchgeführt wird.

Probenerstellung
Die Kalibrierproben müssen unter grösster Sorgfalt erstellt werden und sollten den Schichtdickenbereich überdecken in dem später gemessen werden soll. Die Probebleche sollten einen glatten Untergrund und bei Mehrschichtsystemen einen gleichmässigen Grundaufbau besitzen. Zur Kontrolle kann mit einem Referenzmessgerät die Gleichmässigkeit des Grundaufbaus überprüft werden. Eine geringe Standardabweichung deutet auf gleichmässige Beschichtung hin. Die eigentliche Kalibrierschichtdicke sollte idealerweise mit dem gleichen Beschichtungsvorgang wie unter Produktionsbedingungen erstellt werden, um bestmögliche Kalibrierproben zu erhalten. Damit ist gewährleistet, dass die selben Bedingungen vorliegen wie im Produktionseinsatz. In Ausnahmefällen sind auch andere Verfahren zur Erstellung der Proben möglich. Wir sind Ihnen gern behilflich bei der Erstellung Ihrer Kalibrierproben.

Referenzierung
Die Referenzierung stellt über ein alternatives Messverfahren -meist Wirbelstrommmesstechnik- einen direkten Bezug zur tatsächlichen Schichtdicke her. Dabei werden konventionelle Messgeräte benutzt, die ebenfalls eine Messungenauigkeit besitzen. Die Messgenauigkeit des Referenzmessgerätes hat entscheidenden Einfluss auf das Kalibrierergebnis. Es kann keine bessere Messgenauigkeit erzielt werden, als die des Referenzmessgerätes. Daher sollte das Referenzmessgerät eine ausreichende Messgenauigkeit mitbringen und vor jeder Messung selbst kalibriert werden. Die Standardabweichung ist ein gutes Mass zur Beurteilung der Probenqualität. Oftmals werden nichtmetallische Substrate eingesetzt auf denen die Wirbelstrommessgeräte nicht arbeiten können. Dann muss mit Hilfe von speziell präparierten Proben gearbeitet werden, bei denen Metallplättchen aufgebracht werden. Alternativ kann auch ein anderes Messverfahren eingesetzt werden. In kritischen Fällen behilft man sich mit zerstörenden Messverfahren wie der Querschlifftechnik, die aber ausschliesslich in Fachlabors durchgeführt werden sollten.

Für Unternehmen, die keine zusätzliche Referenzmesstechnik einsetzen wollen, kann die Erstellung von Kalibriernormalen als Dienstleistung angeboten werden. Mit den Kalibriernormalen kann eine Kalibrierung auch ohne Referenzmessgerät durchgeführt werden. Mann kann dann aber keine andere Lack- Untergrund- Kombination vermessen als die des Kalibriernormals.

Mit speziellen vom PTB zertifizierten Referenzproben kann ein Nachweis der Messmittelfähigkeit geführt werden.