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Handgeräte können jetzt die Schichtdicke mit Ultraschall messen und machen damit die zerstörungsfreie Prüfung für die Industrie verfügbar, die UV/EB-Härtungstechnologie einsetzt. Dieser Artikel beschreibt das Funktionsprinzip und die Vorteile der Ultraschallprüfung.
Schichtdickenmessgeräte, die Ultraschallmessverfahren verwenden, werden in Branchen, die mit starren Substraten wie Holz, Kunststoff und Verbundwerkstoffen arbeiten, immer beliebter. Diese Geräte unterstützen oder ersetzen zerstörende Methoden zur Messung der Dicke von UV/EB-gehärteten Beschichtungen mit einer Dicke von mehr als 15 Mikrometern (0,5 mil) in einer Vielzahl von Branchen, darunter die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, die Herstellung von Holzprodukten und die industrielle Endbearbeitung.
Beschichtungen erfüllen eine Vielzahl von Funktionen. Einige sind so konzipiert, dass sie Kratzern, Abrieb, Feuchtigkeit und anderen Chemikalien widerstehen. Andere dienen der Restaurierung, dem Schutz, der Abdichtung und der Verschönerung von Strukturen. Andere sind speziell darauf ausgerichtet, Poren zu versiegeln und zu füllen und eine ästhetisch ansprechende Oberflächenstruktur zu schaffen.
Warum Dickenmessung?
Beschichtungen erfüllen ihre Funktion am besten, wenn sie innerhalb eines engen, vom Hersteller angegebenen Schichtdickenbereichs aufgetragen werden. Dies gewährleistet eine optimale Produktleistung. Beispiele für Situationen, in denen die Messung der Schichtdicke wichtig ist:
Die präzise Messung der Schichtdicke hat noch weitere Vorteile - sei es, um die ISO-, Qualitäts- und Kundenanforderungen für die Prozesskontrolle zu erfüllen oder um die Kosten zu kontrollieren. Wenn Unternehmen es versäumen, die Beschichtungsqualität des eingehenden Materials zu prüfen und zu verifizieren, verschwenden sie Geld für die Nachbearbeitung der Produkte. Durch die Überprüfung ihrer Applikationsgeräte stellen sie sicher, dass die Beschichtung in Übereinstimmung mit den Empfehlungen des Herstellers aufgetragen wird. Darüber hinaus birgt das Auftragen einer zu dicken Schicht die Gefahr einer unvollständigen Aushärtung und kann die Gesamteffizienz drastisch verringern. Und schließlich kann eine regelmäßige Prüfung die Zahl der internen Nacharbeiten und der Kundenrücksendungen aufgrund von Verarbeitungsfehlern verringern.
Wie testet man am besten?
Bei Metallen ist die Prüfung der Dicke von Beschichtungen für Qualitätskontroll- und Inspektionszwecke weit verbreitet. Wenn das Grundmetall Kohlenstoffstahl ist, wird ein magnetisches Verfahren verwendet. Für andere Metalle, wie Kupfer und Aluminium, werden Wirbelstromgeräte verwendet. Bei diesen Handmessgeräten gibt es viele verschiedene Modelle zur Auswahl. Bei einigen ist die Sonde bereits eingebaut, so dass sie mit einer Hand leicht große Flächen messen können. Andere haben eine kleine Sonde am Ende eines kurzen Kabels, damit der Bediener an kleinen Teilen oder schwer zugänglichen Stellen messen kann. Viele Geräte verfügen über optionale Funktionen, die das Messen erleichtern, z. B. die Berechnung von Durchschnittswerten und die Möglichkeit, gespeicherte Messwerte auf einen Drucker oder Computer zu übertragen.
So beliebt sie auch sind, können Magnet- und Wirbelstrommessgeräte die Dicke von Beschichtungen auf nichtmetallischen Substraten nicht messen. Daher hat die Industrie alternative Techniken zur Messung der Schichtdicke eingesetzt, darunter:
Diese Tests sind zeitaufwendig, schwierig durchzuführen und unterliegen der Interpretation durch den Anwender und anderen Messfehlern. Antragsteller halten zerstörende Methoden für unpraktisch. Um eine statistisch repräsentative Stichprobe zu erhalten, müssen unter Umständen mehrere Produkte aus einer Charge im Rahmen des zerstörenden Prüfverfahrens verschrottet werden. Die gravimetrische Methode liefert einen durchschnittlichen Schichtaufbau auf dem Teil, aber kein Schichtdickenprofil über bestimmte Bereiche.
Mit dem Aufkommen von Ultraschallgeräten sind viele Veredler zur zerstörungsfreien Prüfung von dicken UV/EB-gehärteten Beschichtungen übergegangen.
Ultraschall-Durchbruch
Qualitätsfachleute sind bereits mit verschiedenen Aspekten der Ultraschallprüfung vertraut, bei der hochfrequente Schallenergie zur Durchführung von Untersuchungen und Messungen verwendet wird. Mit der Ultraschallprüfung können Fehler in Metallen aufgespürt und bewertet, Abmessungen gemessen, die Materialeigenschaften bestimmt und vieles mehr werden.
Die Wanddickenmessung ist vielleicht die häufigste und einfachste aller Ultraschallprüfungen. Präzisions-Ultraschall-Wandstärkemessgeräte ermöglichen eine schnelle Dickenmessung von Objekten, ohne dass beide Seiten zugänglich sein müssen. Für die Messung von Beschichtungen sind diese Messgeräte jedoch nicht ideal. Sie sind nicht empfindlich genug, um die Dicke von Acrylfüllern, Grundierungen, Lacken, UV-Lacken, Pulverbeschichtungen und anderen Materialien zu messen, die auf nichtmetallischen Produkten verwendet werden.
Das erste Handmessgerät, das speziell für die Messung der Schichtdicke entwickelt wurde, kam vor 14 Jahren auf den Markt und befindet sich nun in der vierten Generation. Es verwendet einen Ein-Element-Wandler und advanced numerische Techniken zur Filterung und Verbesserung der digitalisierten Echos. Die heutigen tragbaren Ultraschall-Schichtdickenmessgeräte sind einfach zu bedienen, erschwinglich und zuverlässig (Abbildung 3).
Eine solide Messtechnik
Bei der Ultraschallprüfung werden mit Hilfe eines Prüfkopfes (Transducer) und eines auf der Oberfläche angebrachten Kopplungselements Ultraschallschwingungen in die Beschichtung gesendet.
Die Schwingung wandert durch die Beschichtung, bis sie auf ein Material mit anderen mechanischen Eigenschaften trifft - in der Regel das Substrat oder vielleicht eine andere Beschichtung. Die Schwingung wird an dieser Grenzfläche teilweise reflektiert und gelangt zurück zum Messwertaufnehmer. In der Zwischenzeit wandert ein Teil der übertragenen Schwingung über diese Grenzfläche hinaus und erfährt weitere Reflektionen an allen Materialgrenzflächen, auf die sie trifft (Abbildung 4).
Da eine potenziell große Anzahl von Echos auftreten kann, ist das Messgerät so konzipiert, dass es das maximale oder "lauteste" Echo auswählt, um daraus eine Dickenmessung zu berechnen. Geräte, die einzelne Schichten in einer Mehrschichtanwendung messen, bevorzugen ebenfalls die lautesten Echos. Der Benutzer gibt einfach die Anzahl der zu messenden Schichten ein, z. B. drei, und das Messgerät misst die drei lautesten Echos. Das Messgerät ignoriert weichere Echos von Beschichtungsfehlern und Substratschichten.
Messgenauigkeit
Die Genauigkeit einer Ultraschallmessung hängt direkt von der Schallgeschwindigkeit der zu messenden Oberfläche ab. Da Ultraschallgeräte die Laufzeit eines Ultraschallimpulses messen, müssen sie auf die "Schallgeschwindigkeit" im jeweiligen Material kalibriert werden.
Aus praktischer Sicht variieren die Schallgeschwindigkeitswerte zwischen UV/EB-Beschichtungsmaterialien nicht sehr stark. Daher müssen Ultraschall-Schichtdickenmessgeräte in der Regel nicht an die werkseitigen Kalibrierungseinstellungen angepasst werden.
Die Schichtdickenmessung mit Ultraschall ist heute eine anerkannte und zuverlässige Prüfroutine für UV/EB-gehärtete Beschichtungen. Um die Kalibrierung des Messgeräts zu überprüfen, sind epoxidbeschichtete Schichtdickennormale mit einer Zertifizierung erhältlich, die auf nationale Normungsorganisationen rückführbar ist.
Wo die Beschichtung auf das Substrat trifft
Ein Faktor, der sich auf die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Ultraschallmessung auswirkt, ist die Art und Weise, wie diese Beschichtungen mit dem Substrat in Berührung kommen. Holzprodukte beispielsweise können sowohl glatte als auch raue Oberflächen haben, auf denen die Schichtdicke geprüft werden kann. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für beschichtetes Holz. Dieses Foto, das mit einer höheren Auflösung aufgenommen wurde, als die meisten zerstörenden Prüfungen vor Ort möglich sind, zeigt die Grenze zwischen der Beschichtung und dem Holz. Die Oberflächenbeschichtung kann oben glatt aussehen, aber die Dicke kann uneinheitlich sein. Holzsubstrate sind oft körnig und weisen einen unterschiedlichen Grad an Oberflächenrauhigkeit und Grundierungsdurchdringung auf. Diese Porosität und Rauheit können die Haftung fördern, erschweren aber wiederholbare Dickenmessungen auf jeden Fall.
Ultraschallmessgeräte sind so konzipiert, dass sie kleine Unregelmäßigkeiten mitteln, um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten. Auf besonders rauen Oberflächen oder Substraten, bei denen einzelne Messwerte nicht wiederholbar erscheinen, bietet der Vergleich einer Reihe von gemittelten Ergebnissen oft eine akzeptable Wiederholbarkeit.
Ein letztes Echo
Eine standard Prüfmethode für diese Technologie ist in ASTM D6132-04 "Standard Test Method for Nondestructive Measurement of Dry Film Thickness of Applied Organic Coatings Using an Ultrasonic Gage" (2004, ASTM) beschrieben. Im Rahmen einer kürzlich durchgeführten Aktualisierung dieser standard haben acht Unternehmen eine Ringstudie durchgeführt, bei der eine Vielzahl von beschichteten Holzplatten mit Ultraschall gemessen wurde. Die Paneele enthielten UV-gehärtete Beschichtungen auf Hickory und Ahorn. Die Ergebnisse, die noch in diesem Jahr veröffentlicht werden, zeigen eine gute Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit mit geringen standard Abweichungen.
Schnelle, zerstörungsfreie Dickenmessungen können jetzt an Materialien vorgenommen werden, für die bisher zerstörende Prüfungen, Laboranalysen oder teure zerstörungsfreie Geräte erforderlich waren. Diese neue Technologie verbessert die Konsistenz und den Durchsatz in der Endfertigung. Mögliche Kostensenkungen umfassen:
Heute sind diese Instrumente einfach zu bedienen, erschwinglich und zuverlässig.
DAVID BEAMISH (1955 - 2019), ehemaliger Präsident der DeFelsko Corporation, einem in New York ansässigen und weltweit vertriebenen Hersteller von tragbaren Beschichtungsprüfgeräten. Er hatte einen Abschluss in Bauingenieurwesen und mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung und Vermarktung dieser Prüfgeräte in einer Vielzahl von internationalen Branchen, darunter Industrielackierung, Qualitätskontrolle und Fertigung. Er leitete Schulungsseminare und war aktives Mitglied in verschiedenen Organisationen wie NACE, SSPC, ASTM und ISO.
