Warum und wann soll man photothermische Schichtdickenmessung einsetzen?
An Hand von einigen Fragen wird erläutert, warum und wann die berührungslose, photothermische Schichtdickenmesstechnik am sinnvollsten eingesetzt werden kann und welche Randbedingungen eine wichtige Rolle spielen. Die Fragen sollen Ihnen helfen Ansatzpunkte zu finden, unter denen Sie unsere Schichtdickenmesstechnik sinnvoll einsetzen können.




Warum ist die Bestimmung der Schichtdicke so bedeutend? Was haben Unter- bzw. Überbeschichtung für Folgen?

Die Bestimmung der Schichtdicke hat mehrere Gründe. Prinzipiell gibt es vier Hauptanforderungen an die Beschichtung. Als erstes wären da die  Vermittlung von Oberflächeneigenschaften zu nennen, wie Farbe, Struktur, Haptik, mechanische Eigenschaften, Korrosionsschutz und Information. Die zweite Anforderung unterliegt wirtschaftlichen Aspekten. An oberster Stelle steht eine kostengünstige Produktion, die in jedem Fall die vom Kunden gewünschten Oberflächeneigenschaften herstellen muss und die Fehlerfreiheit und die Gleichmässigkeit des Schichtdickenauftrags garantieren soll. Ebenso möchte man den Energieverbrauch, den Rohstoffverbrauch und die Abfallprodukte reduzieren. Um wirtschaftlich zu produzieren, müssen die Lackierprozesse reproduzierbar, kontrollierbar und möglichst automatisierbar sein. Die dritte Anforderung unterliegt rechtlichen Aspekten. Gerade im Zulieferbereich mit hohen Stückzahlen muss für die Eigenschaft der Produkte über mehrere Jahre garantiert und gewährleistet werden. Im ungünstigsten Fall können erhebliche Kosten bei einem Gewährleistungsanspruch auftreten, die den Gewinn oder die Wirtschaftlichkeit aufzehren können. Sehr oft ist der Wertschöpfungsanteil der Beschichtung im Verhältnis zum Wert des Bauteil recht gering, so dass bei fehlerhaften Beschichtungen die Bauteile als Ausschuss entsorgt werden müssen und zusätzlich die Wirtschaftlichkeit belasten. Deshalb wird von vielen Auftraggebern eine Nachweisbarkeit der Produkteigenschaften im Rahmen von ISO 9000 gefordert und in vielen Fällen durch eigene Qualitätsaudits erweitert. Die Nachweisbarkeit und Dokumentierbarkeit kann bei richtiger Anwendung frühzeitig Qualitätsverluste aufdecken und die Fehlerquellen beseitigen. Damit erreicht man, dass nicht erst der Kunde auf die Qualitätsmängel stösst und unangenehme Gewährleistungsansprüche berechtigterweise anmeldet. Im Zeitalter von „just in time“ spielt Zeit eine wichtige Rolle. Jede Verzögerung durch Nacharbeit oder zusätzlichem Aufwand kosten Geld. Als letzte Anforderung sind die Umweltaspekte zu nennen. Jeder zusätzliche Energie- und Rohstoffverbrauch und jedes zusätzliche Abfallprodukt belasten die Umwelt. Allein die Wirtschaftlichkeit fordert schon eine recourcenschonende Produktion.

Die Bestimmung der Schichtdicke dient hauptsächlich dazu, die durch die Beschichtung hinzugefügten Eigenschaften des Produktes unter wirtschaftlichen Bedingungen zu garantieren.

Je nach Produkt verfolgen die Beschichter unterschiedliche Zielsetzungen bei der Schichtdickenmessung. Ein Beispiele soll das verdeutlichen.

Ein Automobilzulieferer liefert Anbauteile für die Motorenproduktion in grösseren Stückzahlen. Das Anbauteil wird mit anderen Teilen verschraubt und bildet dann ein Modul, das entscheidend für die Funktion des Motors ist. Am Ende der Produktion des Anbauteils erfolgt die Beschichtung, so dass das Bauteil zum Zeitpunkt der Lackierung einen recht hohen Wert besitzt. Die Beschichtung dient einerseits als Korrosionsschutz und muss andererseits mechanische Eigenschaften besitzen. In diesem Beispiel darf der Lack eine bestimmte Dicke am Anbauflansch nicht überschreiten, damit eine dauerhafte Schraubverbindung gewährleistet wird. Ist der Lack am Anbauflansch zu dick, so kann die Lackstruktur aufgrund des hohen Anpressdruckes zusammenbrechen und die Verbindung kann sich lösen. Die Schichtdicke soll sowohl am Anbauflansch als auch auf der restlichen Oberfläche gemessen und dokumentiert werden. Eine Überschreitung der maximal zulässigen Dicke soll angezeigt werden. Man erkennt, das die Beschichtung mit einer relativ kleinen Wertschöpfung am Gesamtwert des Bauteils einen entscheidenden Anteil an dessen Verwendbarkeit hat. Betrachtet man das Bauteil einzeln, so kann man der Annahme verfallen, dass eine Überbeschichtung nicht weiter tragisch ist und man durch stichprobenartige Messungen mit anschliessendem Aussortieren die Qualität in den Griff bekommen kann. Entscheidend ist aber der Gesamtzusammenhang. Da das Bauteil zwar nur einen geringen Wert im Verhältnis zum Motor besitzt, aber einen recht hohen Stellenwert bei der Gesamtfunktionalität  des Motors einnimmt, entscheidet dessen Qualität letztendlich auch über die Qualität des Motors. Im ungünstigsten Fall kann z.B. eine Charge von 5.000 Teilen ausgeliefert werden, bei der 2 % der Teile fehlerhaft beschichtet sind. Die ersten Teile werden schon verbaut und nach 100 Teilen bemerkt der Kunde den Fehler. Als Konsequenz wird die Produktion gestoppt und gegenüber dem Lieferanten Gewährleistungsansprüche angemeldet. Der Kunde muss auf seine Kosten die komplette Charge abholen und schnellstmöglichen Ersatz in gleicher Höhe liefern. Abgesehen davon, dass die Teile vielleicht nachgearbeitet werden können, muss aber zeitgleich die selbe Menge an Teilen als Ersatz zur Verfügung stehen. Anderenfalls kann der Kunde bei Zeitverzug auf Ersatz bei anderen Lieferanten bestehen, um seine Produktion nicht zu gefährden. Im schlimmsten Fall verliert der Lieferant seinen Kunden. Man erkennt recht schnell, dass immense Folgekosten entstehen können, die in keinem Verhältnis zum Gesamtaufwand der Lackierkosten stehen und die Existenz eines Unternehmens gefährden können. Im geschilderten Szenario kommt es also auf eine 100%-Kontrolle der Beschichtung durch eine Online-Schichtdickenmessung an, mit denen Ausschussraten im Promillbereich erreicht werden können.
Gerade mittelständische Lohnbeschichter haben ein erhöhtes Risiko, da deren Wertschöpfung im Verhältnis zum Wert des Bauteils recht klein ist. Zusätzlich kämpfen sie mit kleinen Losgrössen und einer Vielzahl von Varianten und Typen, die das Einfahren der Beschichtungsanlagen erschwert und somit eine gleichbleibende Qualität über alle Teile schwer umzusetzen ist.

Mit welchen Schichtdickenmessgeräten kann man die oben geschilderten Anforderungen erfüllen?

Entscheidend für den Einsatz von Schichtdickenmessgeräten ist die Produktionsart der Beschichtung. In der Zulieferindustrie werden hauptsächlich hochautomatisierte Beschichtungsanlagen eingesetzt, während bei den Lohnbeschichtern überwiegend  die Handbeschichtung oder teilautomatisierte Beschichtungen zum Einsatz kommen.
Hochautomatisierte Beschichtungen erfordern Messgeräte, die kontaktlos an bewegten Bauteilen mit hohem Durchsatz messen können und sich unmittelbar in die Lackierprozesse integrieren lassen. Oft werden wenige Varianten und Typen mit dem gleichen Lack beschichtet und in der Lackieranlage in nachgeschalteten Messstationen vermessen.
Bei Lohnbeschichtern benötigt man handliche, tragbare und leicht zu bedienende Geräte, die bei verschiedenen Beschichtungsprozessen sicher eingesetzt werden können. Meistens werden diese Schichtdickenmessgeräte zur Stichprobenmessung in der laufenden Produktion an bewegten Bauteilen eingesetzt.
Prinzipiell kann man die Schichtdickenmessgeräte in zwei Klassen einteilen: In kontaktbehaftete und in berührungslose Messgeräte. Bei den kontaktbehafteten Messgeräten dominieren die handlichen Wirbelstrommessgeräte mit ihrem einfachen und sicheren Funktionsprinzip für Standardanwendungen, die durch Ultraschallmessgerät für Sonderanwendungen ergänzt werden. Aufgrund des guten Preis-Leistungs-Verhältnis werden überwiegend Wirbelstrommessgeräte  bei Lohnbeschichtern eingesetzt. Zunehmend kommen aber neue Werkstoffe wie Kunststoffe oder neue Lacke zum Einsatz, bei denen Wirbelstrommessgeräte nicht eingesetzt werden können. Es besteht daher der Wunsch, handliche Messgeräte mit erweiterten Eigenschaften mit ähnlich gutem Preis-Leistungs-Verhältnis wie bei Wirbelstrommessgeräten kaufen zu können.
Die berührungslosen Messgeräte basieren auf dem Photothermischen oder Ultraschall Messprinzip und können auf unterschiedlichen Materialien wie Metallen, Kunststoffen und Keramiken eingesetzt werden. Aufgrund der derzeitigen technischen Möglichkeiten sind berührungslose Messgeräte für einen stationären Einsatz in hochautomatisierten Beschichtungsanlagen konzipiert und nur bedingt mobil einsetzbar. Durch den höheren Preis können diese Messgeräte meist nicht wirtschaftlich sinnvoll von Lohnbeschichtern eingesetzt werden.

Mit welcher Messmethode arbeiten unsere Geräte und welche Vorteile bieten Sie gegenüber den klassischen Verfahren, wie beispielsweise Wirbelstrom oder Magnetinduktiv?

Unsere Messgeräte der „PaintChecker“- Reihe arbeiten nach dem gepulsten photothermischen Messprinzip, bei dem ein Laserpuls auf den Lack ausgesendet wird und diesen minimal erwärmt. Eine Empfangsoptik registriert den zeitlichen Verlauf der Temperaturänderungen und ein Auswerteeinheit errechnet daraus die Schichtdicke. Sinngemäss lassen sich dünnere Lackschichten mit dem Laser schneller aufheizen als dickere. Der zeitliche Verlauf dient so zu sagen als Mass für die Schichtdicke.
Die grossen Vorteile dieser Messmethode liegen in der Berührungslosigkeit, Messgeschwindigkeit und Handhabung. Erst die Berührungslosigkeit ermöglicht die Vermessung trockener und feuchter Schichten von bewegten Bauteilen, während die hohe Messgeschwindigkeit eine hohe örtliche Auflösung  der Schichtdicke ermöglicht. Der grosse Messabstand zum Messobjekt und die grosse Abstandstoleranz erleichtern den Einsatz in automatisierten Umgebungen. Damit kann man auch den Messkopf auf Robotern um grössere Messobjekte, wie Automobilkarossen bewegen ohne in Kollision zu geraten. Mit dem kleinen Messfleck und der hohen Winkeltoleranz können auch sehr kleine Teile oder stark unebene Teile vermessen werden, bei denen Wirbelstrommessgeräte nur schwer eingesetzt werden können. Ebenso lassen sich mit Spiegeloptiken Hohlräume oder schwer zugängliche Orte vermessen. Es ist auch eine Messung auf warmen Bauteilen möglich, da nur Temperaturänderungen in der Schichtdickenbestimmung berücksichtigt werden.
Bedingt durch das Funktionsprinzip kann auch auf anderen Substraten als Metall gemessen werden. Als Einschränkung gilt aber, dass sich der Lack mit dem Laser photothermisch anregen lässt und eine Temperaturänderung wahrnehmbar ist. Nahezu alle klassischen Anwendungen von Wirbelstrommessgeräten mit metallischen Untergrund und trockenen oder feuchten Lacken werden von unseren Messgeräten abgedeckt. Bei nichtmetallischem Untergrund erfolgt von uns immer eine Prüfung des erreichbaren Temperaturkontrastes anhand von Proben. Die Vielzahl von Lack-Substrat-Kombinationen lässt leider keine allgemeingültige Aussage zur Funktionssicherheit und Genauigkeit zu und muss im Einzelfall geprüft werden. Es existieren aber eine Reihe von Erfahrungswerten auf die zurückgegriffen werden kann.

Wann ist es vorteilhafter die Nass-Schichtdicke zu bestimmen, wann ist die Bestimmung der Trocken- Schichtdicke besser?

Das hängt zum Teil von der Zielsetzung ab, aber auch von der Lack-Substrat-Kombination und in einigen Fällen auch von der Einbaumöglichkeit in bestehende Anlagen.
Wenn die Zielsetzung der Schichtdickenmessung die schnelle Beseitigung von Beschichtungsfehlern ist, so misst man vorteilhaft auf feuchten Schichten, da man unmittelbar nach dem Lackauftrag eine kurze Reaktionszeit hat. Meistens werden lange Trockeneinheiten den Lackierstationen nachgeschaltet, die viele Teile aufnehmen können und sehr viel Zeit beanspruchen. Unter Umständen befindet sich bei kleinen Losgrössen eine komplette Charge im Trockner und kann erst beim Verlassen des Trockners geprüft werden. Im ungünstigsten Fall hat man bei Qualitätsverlusten keine Einflussmöglichkeit mehr. Zur Vermeidung solcher Fehler werden die Anlagen oft sehr zeitaufwendig mit einzelnen Testobjekten eingefahren, bevor die eigentliche Produktion stattfinden kann. Bei Kunststoffsubstraten zum Beispiel kann grösstenteils nur auf feuchten Lacken gemessen werden, da nur in diesem Zustand eine ausreichende Temperaturänderung auf dem Messobjekt erzeugt werden kann.
Liegt die Zielsetzung bei einer schnellen hohen örtlichen Auflösung der Schichtdicke oder bewegen sich die Bauteile sehr schnell, so misst man am besten im trockenen Zustand, da die Messzeit aufgrund der Erwärmung bei dünneren Schichten am kleinsten ist. Bei feuchten Lacken ist die gemessene Schichtdicke grösser, weil das Lösemittel z.B. Wasser noch im Lack enthalten ist.
In einigen Fällen begrenzen die Einbaumöglichkeiten in bestehende Anlagen den Einsatz der Schichtdickenmesstechnik, weil z.B. nur an bestimmten Stellen der Lackieranlage der nötige Platz zur Verfügung steht.

Beim Korrosionsschutz ist die richtige Schichtdicke von grosser Bedeutung, Automobilhersteller setzen in diesem Bereich aber unterschiedliche Massstäbe. Wie werden wir als Gerätehersteller den individuellen Anforderungen und verschiedenen Standards gerecht?

Jeder Automobilhersteller hat ganz eigene Vorstellungen an die Anforderungen und natürlich auch eigene Standards. Im Mittelpunkt steht die Funktion der Lackschicht, dauerhaften Korrosionsschutz zu gewährleisten, farbgebend zu sein und eine glatte, kratzfeste und witterungsbeständige Oberfläche zu bilden. Diese Funktionen kann man technisch mit verschiedenen Lackaufbauten erreichen. In diesen Fällen werden auch ganz besondere Anforderungen an die Schichtdickenmesstechnik gestellt. Zum Beispiel verfolgen einige Automobilhersteller das Konzept der Online-Schichtdickenmessung mit Robotern  in der Lackierlinie ausschliesslich zur Kontrolle der Schichtdicke aller Karossen. Andere denken an spezialisierte Offline- Messplätze in denen neben Farbtreue, Glanz, Rauhigkeit unter anderem auch die Schichtdicke stichprobenartig geprüft wird. Im ersten Fall müssen die Schichtdickenmessgeräte unter Produktionsbedingungen an Robotern den hohen mechanischen Belastungen und der hohen Verfügbarkeit gewachsen sein. Das stellt besondere Anforderungen an die Auslegung von Optik, Elektronik und Mechanik. Das Messprinzip muss alle möglichen Arten von Toleranzen verkraften, wie Abstandsschwankungen, Winkelfehler, Vibration, Verschmutzung und Verschleiss der Komponenten, um nur einige zu nennen.  Unsere Geräte wurden unter den Gesichtpunkten hergestellt, dass das zugrundeliegende physikalische Funktionsprinzip in einem solchen Umfeld fehlerfrei funktioniert und trotzdem einfach zu bedienen ist. Die robotergestützte Schichtdickenmessung stellt zweifelsfrei die grössten Anforderungen, von denen andere einfachere Anwendungen profitieren können.
Im zweiten Fall, bei Offline-Messstationen spielt die einfache Handhabung eine grosse Rolle. Dort müssen Messsysteme manuell und einfach bedienbar sein oder sich schnell ohne grosse Umrüstzeiten an Messroboter adaptieren lassen. Ähnliche Anforderungen haben auch Lohnbeschichter.

Wie umfangreich setzen Automobilhersteller Online-Messgeräte bereits in der Serienfertigung ein?

Online-Messgeräte werden zunehmend von Automobilherstellern in der Serienfertigung direkt oder indirekt eingesetzt. Als Pionier ist hier Audi in Ingolstadt zu nennen, die durch ihren visionären Charakter eine Vorreiterrolle einnehmen und massgeblich die Online- Schichtdickenmesstechnik vorantreiben. Sie waren die Ersten, die zusammen mit dem Anlagenhersteller Dürr in ihren Lackierstrassen die Online-Schichtdickenmesstechnik „PaintChecker“  der Firma OptiSense einbauten. Derzeit sind drei Lackierlinien mit dieser Messtechnik ausgestattet. Audi möchte gleichbleibende Qualität bei höherer Produktionssicherheit erzielen und damit Kosten einsparen. Auch Ford in Saarlouis hat sich für die Online-Schichtdickenmesstechnik in einer Lackierstrasse in der Serienfertigung entschieden und verfolgt ähnliche Ziele wie Audi.
Es gibt aber auch abwartende Haltungen von anderen Automobilherstellern, die sich zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht für einen solchen Einsatz entscheiden. Aufmerksam verfolgen Sie die Entwicklungen unter Berücksichtigung ihrer eigenen Zielsetzungen und überprüfen in wie weit die hohen Erwartungen im täglichen Betrieb erfüllt werden können.
Zunehmend ist zu beobachten, dass  die Online-Schichtdickenmesstechnik im Zulieferbereich zum Einsatz kommt. Das liegt hauptsächlich an den erhöhten Qualitätsanforderungen der Automobilhersteller, die diese garantiert und nachgewiesen haben möchten. Speziell im Zulieferbereich für High-End- oder Marken-Produkte ist Online-Schichtdickenmesstechnik ein Muss, da man sich hier oftmals an technisch möglichen Grenzen bewegt. Oft wird die Online-Schichtdickenmesstechnik nicht selbst vom Automobilhersteller eingesetzt sondern zu den Zulieferern verlagert.

Online-Messgeräte sind wahrscheinlich nur für die Grossfertigung von Interesse. Gibt es auch Anforderungen, die für mittelständische Betriebe interessant sein können?

Mittelständische Betriebe wollen auch Online-Schichtdickenmesstechnik einsetzen, doch die Wirtschaftlichkeit ist in den meisten Fällen aufgrund des gewünschten breiten Einsatzspektrums und der hohen Gerätepreise nicht gegeben. Unsere Messgeräte decken momentan nur  bestimmte Anwendungsgebiete ab und sind keine Universalgeräte.
Das beste Nutzenpotenzial der Online-Schichtdickenmesstechnik erzielt man in der Grossfertigung mit gleichbleibenden automatisierten Lackierprozessen. Es gibt aber auch Anwendungsfälle bei denen die Qualität der Beschichtung ein Alleinstellungsmerkmal darstellt und gegenüber Mitbewerbern einen Marktvorteil bietet. Zum Beispiel bei sicherheitsrelevanten Bauteilen oder bei besonderen optischen Effekten, bei denen die Qualität nur mit Hilfe von Online-Schichtdickenmessung gewährleistet werden kann, ist der Einsatz auch in mittelständischen Betrieben wirtschaftlich.

Wie sieht die Weiterentwicklung von Schichtdickenmessgeräten aus? Welche verbesserten oder zusätzlichen Eigenschaften werden diese Messgeräte besitzen?

Konventionelle Wirbelstrommessgeräte bieten relativ wenig Spielraum zur Weiterentwicklung, da das Funktionsprinzip aufgrund der langen Produktlebenszeit schon sehr gut optimiert und ausgereizt wurde. Nur Details wie Grösse und Funktionsumfang unterliegen noch Veränderungen.
Der am häufigsten geäusserte Wunsch, ist der nach kontaktloser Schichtdickenmesstechnik für nichtmetallische Substrate, bei vergleichbarer Funktionalität, Bedienbarkeit und Anschaffungspreis wie bei Wirbelstrommessgeräten. Also einer Art Symbiose aus Wirbelstrommesstechnik und photothermischer Schichtdickenmesstechnik. Diese Anforderungen kommen hauptsächlich von Lohnbeschichtern und von mittelständischen Betrieben.
Die photothermische Schichtdickenmesstechnik profitiert massgeblich von der Innovationsfähigkeit der Halbleitertechnik. Zunehmend stehen heute neue, leistungsfähigere Lichtquellen und Detektoren zu wesentlich geringeren Kosten zur Verfügung und erlauben uns als Hersteller neue Geräteeigenschaften hinzuzufügen. Unsere Geräte sind im Laufe von 2 Jahren von Schaltschrankgröße auf Tischgerätgrösse geschrumpft. Durch moderne Lichtquellen sind wir nun in der Lage handbedienbare Tischgeräte herzustellen, die trotzdem die hohen Anforderungen an Lasersicherheit erfüllen können. Unser Ziel ist es, die photothermische Schichtdickenmesstechnik auf Handgeräte zu portieren. Wesentliche Ziele sind schon erreicht worden, aber es bedarf noch weiterer Entwicklungstätigkeit speziell im Bereich der Optikminiaturisierung und des Energiemanagements.