Schichtsysteme
Die photothermische Schichtdickenmessung beruht auf dem physikalischen Prinzip der Wärmeausbreitung in unterschiedlichen Medien.

Beim gepulst photothermischen Messverfahren wird ein kurzer Laserimpuls auf den Lack ausgesendet der die Lackschicht erwärmt. Die kurzwellige Laserstrahlung wird beim Auftreffen auf den Lack in langwellige Strahlung, die sogenannte Wärmestrahlung umgewandelt. Die Temperatur breitet sich dann langsam von der Oberfläche in tiefere Lackregionen aus, bis sie das Substrat erreicht. Solange Energie über den Laserimpuls zugeführt wird erfolgt eine Temperaturerhöhung. Nach dem Stop der Energiezufuhr wird die Temperatur des Lackes durch die sehr schnelle Ableitung der Wärmeenergie über den Untergrund abgebaut. Die Empfangsoptik registriert den zeitlichen Verlauf der Temperaturänderungen an der Lackoberfläche. Sinngemäss lassen sich dünnere Lackschichten mit dem Laser schneller aufheizen als dickere. Der zeitliche Verlauf dient als Mass für die Schichtdicke. Das Messverfahren hängt massgeblich davon ab, dass der Lack und das Substrat unterschiedliche Wärmeausbreitungskoeffizienten besitzen:

Zur Beantwortung der Frage, auf welchen Lacken bzw. welchen Untergründen gemessen werden kann, betrachtet man die Wärmeausbreitungseigenschaften der beteiligten Medien.


Lack

Prinzipiell können alle organischen und pigmentierten Lacke  zur Schichtdickenmessung verwendet werden. Die Wärmeausbreitung ist in diesen Lacken sehr langsamen und gut messbar. Trockene Schichtdicken können in einem Bereich von 5 µm bis 250 µm gemessen werden. Bei zu dünnen Lacken unter 5 µm verläuft die Wärmeausbreitung zu schnell und kann nicht mehr korrekt erfasst werden. Als weiterer Umstand kommt hinzu, dass sich die dünnen Lacke meist nicht mehr mit dem Laser thermisch anregen lassen, da selbst pigmentierter Lack optisch durchsichtig ist und zum grossen Teil die Laserenergie im Untergrund abgeführt bzw. reflektiert wird. Ähnliche Effekte treten auf, wenn Klarlacke gemessen werden sollen. Eine einzelne Klarlackschicht auf Metall kann daher nicht vermessen werden. Anders sieht es aus, wenn ein Mehrschichtaufbau vorliegt, bei dem der Klarlack die abschliessende Schicht ist. Dann besteht die Möglichkeit eine indirekte Erwärmung des Klarlacks über den Untergrund durchzuführen, wenn dunkle Untergründe vorliegen. Metallische Schichten können nicht gemessen werden, da sie mit dem Laser thermisch nicht angeregt werden können und die Strahlung einfach reflektieren. Sogenannte Mischlacke mit einem Metallpartikelanteil lassen sich aber vermessen, solange ein ausreichender Anteil an organisch, pigmentierten Substanzen vorhanden ist. Schichtdicken oberhalb von 250 µm lassen sich mit dem photothermischen Messverfahren nur durch sehr lange Messzeiten sicher bestimmen, was eine Messung in der Bewegung erheblich erschwert.

Bei Messungen an Mehrschichtaufbauten ist zu beachten, dass immer nur die Gesamtschichtdicke gemessen werden kann. 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 darunterliegenden Mehrschichtaufbaus bekannt sein, um sie von der Gesamtschichtdicke abziehen zu können. Die Schichtdicke des trockenen Schichtaufbaus muss hier aber nicht exakt am Messort bestimmt werden. Ein statistischer Flächenmittelwert ist ausreichend, da der oft 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. dünner Klarlack auf dicken Trockenschichten, mit einer Messung möglich, wenn die beiden Lackschichten sehr unterschiedlich dick sind.

Das gepulst photothermische Messverfahren kann für folgende Lacke angewendet werden: Folgende Schichten können nicht vermessen werden:
Untergrund

Entsprechend der oberen Beschreibung wird über den Untergrund die in den Lack eingebrachte Energie wieder abgeführt. Die Wärmeausbreitung im Untergrund sollte wesentlich schneller ablaufen als im Lack, um eine genaue Unterscheidung von Lackschicht und Untergrund vornehmen zu können. Erfahrungsgemäss erfüllen alle Metalle, Keramiken und Glas diese Bedingung. Vorbehandelte Metalle auf denen metallische Schutzschichten abgeschieden sind, verhalten sich wie eine zusammenhängende Metallschicht und beeinträchtigen die Messung nicht. Sie tragen auch nicht zur Messung der Gesamtschichtdicke bei. Bei allen Untergründen muss darauf geachtet werden, dass das Substrat ausreichend dick ist. Die Dicke des Untergrundes und das vorhandene Volumen bestimmt, wie gut die Wärme abgeleitet werden kann. Selbst ein guter Wärmeleiter wie Metall kann nur Wärme abführen, wenn ein ausreichender Materialquerschnitt vorhanden ist. Untergrundmaterialien aus Metall sollten mindestens eine Dicke von 0,5 mm besitzen. Auch die Haftung des Lackes auf dem Untergrund ist entscheidend. Eine unzureichende Haftung verschlechtert den Wärmeabtransport und erschwert die Schichtdickenmessung.

Kunststoffe und Faserverbundstoffe unterliegen gewissen Einschränkungen. Oftmals muss die Kombination aus Lack und Kunststoff einer Probemessung unterzogen werden, um die Wärmeausbreitungseigenschaften zu untersuchen und Aussagen zur Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit geben zu können. Die Vielzahl von Lack- Untergrund- Kombinationen lässt leider keine allgemeingültige Aussage zu und muss im Einzelfall geprüft werden. Es existieren aber eine Reihe von Erfahrungswerten auf die zurückgegriffen werden kann. Prinzipiell besitzen festere Kunststoffe eine bessere Wärmeausbreitung als weichere Kunststoffe.

Von uns getestete Untergrund- Materialien sind: