Zu sehen in Ausgaben von: Finishing Today, Feb. 2008; Materials Performance Magazine, Sept. 2004; Quality Digest Magazine, Okt. 2004
Schichtdickenmessgeräte, die Ultraschallmessverfahren verwenden, werden immer beliebter. Sie unterstützen oder ersetzen zerstörende Verfahren zur Messung der Dicke von Beschichtungen auf Holz und Holzprodukten.
Beschichtungen erfüllen eine Vielzahl von Funktionen. Einige dienen der Restaurierung, dem Schutz, der Abdichtung und der Verschönerung von Holzstrukturen. Andere sind speziell darauf ausgerichtet, Poren zu versiegeln und zu füllen und eine ästhetisch ansprechende Oberflächenstruktur zu schaffen. Eindringende Beschichtungen ziehen in das Holz ein und härten aus, um eine starke Schutzbarriere zu bilden, die nicht abblättert.
Beschichtungen erfüllen ihre Funktion am besten, wenn sie innerhalb eines engen, vom Hersteller angegebenen Schichtdickenbereichs aufgetragen werden. Beispielsweise sind Konversionslacke härter als andere Beschichtungen und sollten nicht mit mehr als 5 mils Trockenschichtdicke aufgetragen werden, um Rissbildung oder andere Fehler in der Oberfläche zu vermeiden. Nitrozelluloselack sollte in der Regel nicht dicker als 3 mils sein. Eine gleichmäßige Schichtdicke ist beim Auftragen von Grund- und Cracklacken von entscheidender Bedeutung, um den gewünschten Crackle-Effekt zu erzielen.
Bei mitteldichten Faserplatten (MDF) liegt die Dicke der Pulverbeschichtung in der Regel zwischen 3 und 9 Millimetern. Je dicker die Schichtdicke, desto haltbarer ist in der Regel die Oberfläche. In den Werksspezifikationen wird oft eine Toleranz von ±1 Mil gefordert. Dieses Qualitätsniveau lässt sich nicht durch bloßes Betrachten bestimmen.
Die genaue Messung der Schichtdicke hat noch weitere Vorteile. Wenn Unternehmen es versäumen, die Beschichtungsqualität des eingehenden Materials zu prüfen und zu verifizieren, verschwenden sie Geld für die Nachbearbeitung des Produkts. Durch die Überprüfung der Sprühtechnik stellen sie sicher, dass die Beschichtung gemäß den Empfehlungen des Herstellers aufgetragen wird. Außerdem kann das Auftragen einer zu dicken Schicht die Gesamteffizienz drastisch verringern. Schließlich kann eine regelmäßige Prüfung die Zahl der internen Nacharbeiten und der Kundenrücksendungen aufgrund von Endbearbeitungsmängeln verringern.
Bei Metallen ist die Prüfung der Dicke von Beschichtungen für Qualitätskontroll- und Inspektionszwecke weit verbreitet. Handelt es sich bei dem Grundmetall um Kohlenstoffstahl, wird ein magnetisches Verfahren verwendet. Für andere Metalle wie Kupfer und Aluminium werden Wirbelstromgeräte verwendet.
Da mit diesen Geräten die Dicke von Beschichtungen auf Holz nicht gemessen werden kann, wurden alternative Techniken verwendet:
Diese Tests sind zeitaufwändig, 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 Holzprodukte aus einer Partie im Rahmen der zerstörenden Prüfung entsorgt werden.
Mit dem Aufkommen von Ultraschallgeräten sind viele Veredler zur zerstörungsfreien Prüfung übergegangen.
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 Holz 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, um digitalisierte Echos zu filtern und zu verbessern. Die heutigen handgehaltenen Ultraschall-Schichtdickenmessgeräte sind einfach zu bedienen, erschwinglich und zuverlässig (Abbildung 1).
Bei der Ultraschallprüfung werden mit Hilfe eines Prüfkopfes (Transducer) und eines auf der Oberfläche angebrachten Kopplungselements Ultraschallschwingungen in die Beschichtung gesendet.
Die Schwingung durchdringt die Beschichtung, bis sie auf ein Material mit anderen mechanischen Eigenschaften trifft - in der Regel das Substrat, aber möglicherweise auch eine andere Beschichtung. Die Schwingung wird an dieser Grenzfläche teilweise reflektiert und wandert 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 2).
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 mehrschichtigen Anwendung 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.
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.
In der Praxis variieren die Schallgeschwindigkeitswerte zwischen den in der Holzindustrie verwendeten Beschichtungsmaterialien nicht sehr stark. Daher müssen Ultraschall-Schichtdickenmessgeräte in der Regel nicht an die werkseitigen Kalibrierungseinstellungen angepasst werden.
Ein Faktor, der die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Ultraschallmessung beeinflusst, ist die Art und Weise, wie diese Beschichtungen mit dem Holzsubstrat verbunden sind. Abbildung 3 zeigt zwei Beispiele für beschichtetes Holz. Diese Fotos, die mit einer höheren Auflösung aufgenommen wurden, als die meisten zerstörenden Prüfungen vor Ort möglich sind, zeigen deutlich die Grenze zwischen der Beschichtung und dem Holz. Die Oberflächenbeschichtung kann oben glatt aussehen, aber die Dicke kann ungleichmäßig sein. Holzsubstrate sind oft körnig und weisen einen unterschiedlichen Grad an Oberflächenrauhigkeit und Grundierungsdurchdringung auf. Diese Porosität und Rauheit kann die Haftung fördern, erschwert aber wiederholbare Schichtdickenmessungen 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.
Die Ultraschallprüfung bringt der Holzindustrie deutliche Vorteile. Hersteller von Möbeln, Fußböden und Musikinstrumenten tragen oft mehrere Schichten Lack oder ähnliche Oberflächenmaterialien auf. Bei einigen Verfahren ist es erforderlich, die Dicke einzelner Schichten oder Schichtreihen zu bestimmen. Wenn die Lackschicht, die beispielsweise eine hochwertige Gitarre verschönert und schützt, in der falschen Stärke aufgetragen wird, kann sie leicht den Klang beeinträchtigen. Zu viel Lack kann die akustische Resonanz der Gitarre dämpfen, zu wenig hat den gegenteiligen Effekt.
Hersteller von Musikinstrumenten verwenden jetzt Ultraschallmessgeräte, um den Lack ihrer wertvollen Produkte genau und zerstörungsfrei zu messen. Durch den Einsatz dieser neuen Technologie haben sie nicht nur ihren Lackverbrauch verringert, sondern können auch aussagekräftige Messungen vornehmen, ohne ihren Produktionsprozess übermäßig zu stören. Es ist nicht nötig, das Produkt zu verschrotten, um die Schichtdicke zu messen, und die Schichtdicke über die gesamte Oberfläche kann leicht gemessen werden, um eine glatte, gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten. Die Nacharbeit wird durch die bessere Kontrolle des Beschichtungsprozesses minimiert.
Die Messung der Schichtdicke mit Ultraschall ist heute ein anerkanntes und zuverlässiges Prüfverfahren in der Holzindustrie. Das Prüfverfahren standard ist in ASTM D6132-04 beschrieben. "Standard Test Method for Nondestructive Measurement of Dry Film Thickness of Applied Organic Coatings Using an Ultrasonic Gage" (2004, ASTM). Zur Überprüfung der Kalibrierung des Messgeräts sind epoxidbeschichtete Schichtdickennormale erhältlich, deren Zertifizierung auf nationale Normungsorganisationen rückführbar ist.
Schnelle, zerstörungsfreie Dickenmessungen können jetzt an Materialien vorgenommen werden, für die bisher zerstörende Prüfungen oder Laboranalysen 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.
