PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10244170A1 01.04.2004
Titel Verfahren und Einrichtung zur Optimierung von Prozessparametern beim maschinellen Lackieren
Anmelder Dürr Systems GmbH, 70435 Stuttgart, DE
Erfinder Gummlich, Harald, 71634 Ludwigsburg, DE;
Maxharraj, Bekim, 74321 Bietigheim-Bissingen, DE
Vertreter v. Bezold & Sozien, 80799 München
DE-Anmeldedatum 23.09.2002
DE-Aktenzeichen 10244170
Offenlegungstag 01.04.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.04.2004
IPC-Hauptklasse B05B 12/12
Zusammenfassung Zur Optimierung von Prozessparametern bei maschinellen Lackierprozessen wird auf einem lackierten Objekt die Intensität reflektierten Messlichts gemessen und das Messergebnis zur Bestimmung eines Korrekturwertes für mindestens einen Prozessparameter verwendet, von dem die Intensität des reflektierten Messlichts abhängt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Optimierung, gegebenenfalls zur Regelung, von Prozessparametern beim maschinellen Lackieren.

Insbesondere vor dem Hintergrund steigender ökologischer Anforderungen und teilweise hoher Kosten für verschiedene Lacke oder Lackbestandteile kommt einer Vermeidung unnötigen Rohstoffeinsatzes bei industriellen Lackierprozessen große Bedeutung zu. Deshalb sollen technologisch bedingte Anforderungen mit minimalem Materialeinsatz bei guter Qualität und ohne die Notwendigkeit von Nachbearbeitungen erfüllt werden. Aus diesem Grunde wird beim maschinellen Lackieren eine Optimierung einzelner Prozessparameter angestrebt.

Eine wichtige Anwendung maschineller Lackierprozesse bildet ihr Einsatz in der Automobilindustrie, wo in erster Linie Karosserien oder Karosserieteile in großer Stückzahl mit Lackschichten hoher Qualität versehen werden müssen.

Die Qualitätsanforderungen bei Anwendungen wie dieser bestimmen sich in erster Linie nach funktionellen sowie optischen Gesichtspunkten, die teilweise nicht zu trennen sind. Funktionelle Anforderungen ergeben sich hauptsächlich aus Korrosions- und Abriebschutz. Die optischen Anforderungen, die an eine lackierte Fläche gestellt werden, betreffen unter anderem Farbton und -sättigung, Deckkraft, Glanz, Oberflächenbeschaffenheit sowie Defektfreiheit und Gleichmäßigkeit der betrachteten Fläche.

Der visuelle Eindruck, den die fertige Lackschicht erzeugt, wird von zahlreichen technologischen Parametern bestimmt, die häufig nicht unabhängig voneinander variiert werden können.

Lackflüssigkeiten setzen sich aus einer Vielzahl von Bestandteilen mit unterschiedlichen Funktionen zusammen. Die wichtigsten sind Lösungsmittel, Pigmente, Füllstoffe, Bindemittel, Härter, Additive und evtl. Effektpartikel. Die zum Teil sehr teuren Pigmente bestimmen den Farbton der aufgetragenen Lackschicht. Aus ökonomischen Gründen wird ein möglichst sparsamer Einsatz dieser Pigmente angestrebt.

Bei vielen Lackierungen ist die Deckkraft ein wichtiger Parameter. Schwankende Umgebungsbedingungen führen zu Veränderungen im Wirkungsgrad des Farbauftrages (Overspray-Anteil). Wegen der begrenzten Deckkraft des Lackes wird das Farbergebnis bei geringer Schichtdicke durch die Untergrundschicht mitbestimmt.

Die Abhängigkeit der Deckkraft von der Schichtdicke zeigt einen Verlauf, der ab einer bestimmten Schichtdicke durch einen Sättigungseffekt geprägt wird. Änderungen der Schichtdicke in sehr dünnen Lackschichten führen zu deutlich wahrnehmbaren Schwankungen der Deckkraft. Diese Schwankungen der Deckkraft nehmen mit wachsender Schichtdicke ab. Im Bereich der Sättigung sind kleine Schwankungen der Schichtdicke nicht mehr als Deckkraftschwankungen wahrnehmbar. Da geringe Schwankungen der Deckkraft oder der Schichtdicke aus verschiedenen prozessbedingten Gründen nicht vermieden werden können, wird bei üblichen Lackierprozessen meist eine Schichtdicke gewählt, bei der sich die Deckkraft bereits im Sättigungsbereich befindet, kleine Schwankungen also toleriert werden können. Das führt zu einer hohen Qualitätssicherheit, bedingt aber bei zu hoher Vorgabe der Schichtdicke einen unnötig hohen Materialeinsatz.

In den letzten Jahren haben Effektlacke als Gestaltungsmittel für hochwertige Oberflächen eine starke Verbreitung gefunden. Die in diesen Lacken realisierten winkelabhängigen Farbton- und Helligkeitsveränderungen werden durch ein Gemisch funktional unterschiedlicher Bestandteile in der farbgebenden Schicht erreicht. Wesentlich ist die Tatsache, dass das Beleuchtungslicht tiefer in die farbgebende Schicht eindringt, so dass enthaltene optische Funktionsstoffe ihre Wirkung durch spektrale Filterung, diffuse und/oder gerichtete Reflexion, metallische Reflexion, Remission und Interferenzen an optisch dünnen Schichten entfalten können. Teilweise wird ein eingefärbter Untergrund bewusst in die Farbgestaltung einbezogen, d. h. die gewünschten Effekte entstehen in unterschiedlichen Ebenen an unterschiedlichen Komponenten der Farbschicht.

Sind Effektpartikel in der Lackschicht enthalten, so haben zumindest diese ihre Wirkung teilweise aus tieferen Schichten der Lackschicht zu entfalten. Für diese „Tiefenwirkung" ist es erforderlich, die Absorption des Lackes, die im Wesentlichen von der Pigmentdichte bestimmt wird, nicht zu hoch einzustellen, um zumindest in den oberen Bereichen der Lackschicht eine teilweise Lichtdurchlässigkeit zu erhalten.

Während des Auftragens einer Lackschicht mittels Zerstäubertechnik wird die Farbflüssigkeit in eine sehr große Menge kleinster Tröpfchen aufgeteilt. Nach dem Auftreffen auf die zu lackierende Oberfläche müssen diese Tröpfchen zu einer homogenen Schicht zusammenfließen. Insbesondere während der Zerstäubung erhöht sich die Oberfläche der Farbflüssigkeit um ein Vielfaches, wodurch ein verstärkter Verlust an Lösungsmitteln und somit eine Veränderung des Fließverhaltens bzw. der Viskosität zu verzeichnen ist.

Bedingt durch verschiedene physikalische und chemische Eigenschaften der Bestandteile der Farbflüssigkeit kommt es zu Veränderungen innerhalb der sich bildenden und abtrocknenden Lackschicht, die häufig mit einer messbaren Veränderung der Reflexionseigenschaften der Lackschicht einhergehen.

Wegen des Mangels an objektiven Informationen zu physikalischen und chemischen Eigenschaften des Lackmaterials während und unmittelbar nach dem Auftragen auf die Oberfläche sind frühzeitige qualitativ und quantitativ fundierte Maßnahmen zur Kompensation von Farbabweichungen oft nicht möglich.

In der gegenwärtigen Praxis wird daher nach wie vor mit hohem Aufwand versucht, sämtliche Einflussgrößen möglichst stabil zu halten und untereinander abzugleichen. Eine Qualitätskontrolle erfolgt häufig stichprobenartig, nachdem bereits eine ganze Serie von Produkten lackiert worden ist.

Werden Qualitätsmängel festgestellt, ist häufig eine Nachbearbeitung größerer Stückzahlen erforderlich, was insbesondere beim Lackieren von Autokarosserien mit erheblichen Kosten verbunden ist. Ein notwendig gewordener Neuabgleich zahlreicher Prozessparameter erfolgt üblicherweise auf der Grundlage subjektiver Erfahrungswerte des Bedienpersonals.

Dessen Kenntnisstand ermöglicht zwar häufig die Abstellung der Qualitätsmängel, genügt aber nicht, um eine ausreichende Reproduzierbarkeit des Lackierprozesses zu sichern, was für eine spätere Ausstattung von Produkten mit einer identischen Lackschicht wichtig ist. Letzteres stellt eine häufige Anforderung bei der Nachproduktion von Ersatzteilen dar. In Extremfällen sind für die Einstellung von Prozessparametern externe Beratungs- und Dienstleistungen in Anspruch zu nehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, die die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermeiden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen enthalten die abhängigen Ansprüche 2 bis 18.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Anspruch 19 angegeben, deren vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 20 bis 28 enthalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass mit Hilfe optischer Messmittel durch Auswertung des Absorptions- und/oder Reflexionsverhaltens der Lackschicht eine Bestimmung optischer Parameter der Lackschicht vorgenommen wird. Wenn an mindestens einem Ort auf einem lackierten Objekt die Intensität reflektierten Messlichts gemessen wird und das Messergebnis zur Bestimmung mindestens eines Korrekturwertes mindestens eines Prozessparameters, von welchem die Intensität des reflektierten Messlichts abhängt, verwendet wird, wonach dieser Prozessparameter vor der Lackierung anderer Objekte um den Korrekturwert korrigiert wird, ermöglicht das die Optimierung oder Regelung von Prozessparametern bei maschinellen Lackierprozessen, bei denen nacheinander mehrere Objekte lackiert werden.

Die Messung kann bereits unmittelbar nach dem Auftragen der Lackschicht erfolgen und bei Bedarf mehrmals in vorgegebenen Zeitabständen wiederholt werden. Die so gewonnenen Messwerte können sofort oder nach einer computergestützten Auswertung für eine Optimierung bzw. Regelung von Prozessparametern genutzt werden.

Erfindungsgemäß wird weiterhin davon ausgegangen, dass geringe Änderungen der optischen Eigenschaften von vorzugsweise farbigen Oberflächen vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden, wenn diese nicht plötzlich oder in engem räumlichen Abstand erfolgen. Derartige Änderungen sind jedoch mit üblichen Messmitteln erfassbar. Es genügt also zur Wahrung eines subjektiven Qualitätsanspruchs, dass derartige Änderungen unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwelle bleiben. Daher reicht in vielen Fällen eine Schwellwertregelung, die nur aktiv ist, wenn die einzuhaltenden optischen Zielwerte einen vorgegebenen Bereich überschreiten, zur Optimierung oder Regelung von Prozessparametern aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch spektral aufgelöste Auswertung des reflektierten Messlichts das Absorptionsverhalten beschichteter Oberflächen zu ermitteln und ermöglicht bei bekanntem Untergrund auf der Grundlage dieser Auswertung eine Bestimmung und Einstellung der optischen Deckkraft aufgetragener Lackschichten über die Menge des aufzutragenden Lackes. Eine informationsverarbeitende Einrichtung, also eine Rechnereinheit, vergleicht die Istwerte des reflektierten Messlichts mit vorgegebenen Sollwerten. Das gewonnene Ergebnis wird zur Ermittlung eines Korrekturwertes hinsichtlich einer veränderten Auftragsmenge, also einer Neueinstellung der Schichtdicke, herangezogen. Auf diese Weise erfolgt eine schrittweise Annäherung der Schichtdicke an den Sollwert. Gleichzeitig wird das Produktionsergebnis durch den Sensor bezüglich seiner Qualität kontrolliert.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, die ermittelte Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert zu überwachen und eine Korrektur der aufzutragenden Schichtdicke nur dann vorzunehmen, wenn die Abweichung der Deckkraft vom vorgegebenen Sollwert selbst einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Dieser Schwellwert wird so gewählt, dass die tolerierbare Abweichung der Deckkraft vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, an geeigneten Orten des Farbauftrages eine definierte leichte Erhöhung bzw. Verringerung der Schichtdicke vorzunehmen. Derart geeignete Orte liegen dort, wo die fertige Lackschicht üblicherweise nicht betrachtet wird, bei Autokarosserien also beispielsweise an den Stellen, an denen später die Nummernschilder montiert werden. Erfolgt die Messung der Deckkraft an diesen Orten, so erhält man daraus die Abhängigkeit der Deckkraft von der Schichtdicke sowie einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Deckkraftschwankungen und Schichtdickenschwankungen bei der vorgegebenen mittleren Schichtdicke für die aktuell verwendete Kombination von Untergrund und Farbflüssigkeit und die jeweils praktizierte Auftragsmethode bei der Herstellung der Lackschicht. Das gilt auch für farbige Untergründe.

Da die deckkraftbedingten farblichen Auswirkungen der relativen und lokalen Über- bzw. Unterbeschichtung auf diese Weise leicht zu ermitteln sind, können durch Inter- und Extrapolation geeignete Korrekturwerte zur Einstellung der gewünschten Deckkraft der Lackschicht abgeleitet werden. Zu ermittelnde Korrekturwerte berücksichtigen dabei automatisch alle realen aktuellen Produktionsbedingungen. Bei hoher Messgenauigkeit der verwendeten Sensorik kann die Schichtdickenvariation gering gehalten werden, was die Anwendung des Verfahrens auch an Stellen erlaubt, die beim späteren Endprodukt sichtbar bleiben.

Werden die definierten Abweichungen von der mittleren Schichtdicke so gewählt, dass sie den maximal zu erwartenden, evtl. technologisch bedingten Schichtdickenschwankungen entsprechen, lässt sich auf einfache Weise die maximal zu erwartende Deckkraftschwankung ermitteln. Liegt diese im Bereich der visuellen Wahrnehmbarkeit, so muss die mittlere Schichtdicke jeweils beim Lackieren des nächsten Teiles erhöht werden, bis die Deckkraftschwankung nicht mehr wahrnehmbar ist.

Das vorliegende Verfahren ermöglicht bei zu hoher mittlerer Schichtdicke eine kontrollierte Reduzierung der Schichtdicke auf ein optisch vertretbares Mindestmaß. Die Gesamtschichtdicke wird in diesem Fall so lange verringert, bis technologisch zu erwartende Schichtdickenschwankungen zu Schwankungen der Deckkraft führen, die knapp unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwelle liegen. Die Größe dieser Schwankungen ist objektiv festlegbar, was eine hohe Reproduzierbarkeit des Lackierprozesses gewährleistet. Die Kosten für die farbgebende Beschichtung können so auf das erforderliche Mindestmaß gesenkt werden, ohne sich der Gefahr von Qualitätsschwankungen auszusetzen.

Auf Veränderungen applikations- und umgebungsbedingter Einflüsse kann schnell durch Neueinstellung bzw. Regelung der Lackschichtdicke reagiert werden. Kosten durch die Produktion von Ausschussteilen können weitgehend vermieden werden, da die Reaktionszeiten wesentlich verkürzt werden und Neueinstellungen von Prozessparametern mit höherer Treffsicherheit erfolgen. Gegebenenfalls kann das Verfahren auch zur Einsparung von externen Beratungs- und Dienstleistungen führen.

Erfolgt die erfindungsgemäße Auswertung des Reflexionsverhaltens der lackierten Oberfläche zeit- und/oder orts- und/oder winkelaufgelöst, so lassen sich vorteilhafterweise noch weitere Effekte quantitativ erfassen, die durch den Einfluss verschiedener technologischer Parameter während der Ausbildung der Lackschicht bedingt werden und das Reflexionsverhalten der Lackschicht . bestimmen.

Unter Zuhilfenahme zeitlicher und räumlicher Parameter, also der Zeitpunkte der Auftragung der Farbschicht und der optischen Auswertung sowie der Verteilung der Messorte, kann eine Aussage über den zeitlichen und räumlichen Verlauf des Auftretens der genannten Effekte getroffen werden. Da diese Effekte häufig von mehreren schwer erfassbaren, jedoch reproduzierbaren Parametern abhängen, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise ein für eine Regelung verwertbarer Zusammenhang zwischen den einzelnen Prozessparametern und den Zielgrößen, also den visuellen Eindruck der fertigen Lackschicht bestimmenden Effekten, ermittelt werden, ohne dass der einzelne Parameter exakt quantifiziert werden muss.

Das Reflexionsverhalten während des Lackierens hängt von zahlreichen Faktoren ab, die zur Korrektur bzw. Prozessregelung variiert werden können. Zu diesen zählen:

  • – Faktoren, die die Tröpfchengröße im Zerstäubungsprozess beeinflussen, z. B. die Drehzahl von Rotationszerstäubern oder die Druckverhältnisse an Zerstäuberdüsen;
  • – Faktoren, die die Intensität des Abdunstungsprozesses während der Zerstäubung beeinflussen, z. B. die Temperatur der Farbflüssigkeit, die Umgebungstemperatur, der Sättigungsgrad der Umgebung mit Lösungsmitteln, Geschwindigkeit und Ausrichtung von Luftströmen zum Lenken und Leiten der zerstäubten Farbflüssigkeit sowie Form und Größe des Zerstäubungsbereiches;
  • – Faktoren, die die Zeitdauer der Zerstäubung, also die Flugzeit der Flüssigkeitströpfchen vom Austritt aus der Zerstäuberdüse bis zum Auftreffen auf die Oberfläche, beeinflussen, z. B. der Abstand zwischen Zerstäuber und Auftreffpunkt;
  • – Faktoren, die die Viskosität der Farbflüssigkeit unmittelbar vor dem Zerstäubungsprozess beeinflussen, z. B. die Beimengung zusätzlicher Lösungsmittel und
  • – Faktoren, die den Fließprozess der Farbflüssigkeit auf der Oberfläche beeinflussen, z. B. lokales Erwärmen, Abkühlen oder Anblasen der Oberfläche bzw. deren geometrische Ausrichtung in Bezug auf die Schwerkraft.

Die tendenzielle Wirkung der einzelnen Faktoren hinsichtlich der Beeinflussung von Fließfähigkeit bzw. Viskosität ist bekannt.

Besonders vorteilhaft ist es, das von der Lackschicht reflektierte Messlicht nur in wenigen, vorzugsweise zwei, Winkeln zu erfassen. Im Fall von zwei erfassten Reflexionswinkeln ergibt sich ein Quotient der beiden Intensitäten, dessen Abhängigkeit von einem die Reflexionseigenschaften beeinflussenden Parameter ermittelt werden kann. Wird der Bereich bestimmt, in welchem dieser Parameter variiert werden kann, ohne die Qualität der Lackschicht wahrnehmbar zu beeinträchtigen, ergibt sich gleichzeitig der Bereich, in welchem bei Konstanthaltung der anderen die Reflexionseigenschaften bestimmenden Parameter der Intensitätsquotient variieren darf. Die Kenntnis diese Bereiches ermöglicht eine zuverlässige Optimierung des auf diese Weise „geeichten" Prozessparameters.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Intensitätsquotient aus Anteilen des reflektierten Messlichts gewonnen wird, die in deutlich voneinander abweichenden Winkeln gemessen werden.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn der Intensitätskoeffizient mehrmals hintereinander gemessen wird und der zeitliche Verlauf der Ausbildung viskositätsbestimmter Lackeigenschaften bestimmt werden kann. Insbesondere Aussagen über das zu erwartende Fließverhalten der aufgetragenen Farbflüssigkeit können so sicher getroffen. Es können kritische Zeitverläufe des Intensitätsquotienten ermittelt werden, bei denen Fehler der Schichtbildung auftreten, die mit ungeeigneten Viskositätswerten der Lackflüssigkeiten verbunden sind.

Diese Fehler können auf diese Weise sehr früh erkannt bzw. vorhergesagt und durch eine Korrektur des Fließverhaltens vermieden werden.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit bietet das Verfahren, wenn mehrere Messstellen gewählt werden, an denen das Fließverhalten oder die Viskosität technologisch bedingt, beispielsweise aus geometrischen Gründen, stark voneinander abweichen. Bei Karosserien können das Messstellen auf waagerechten und senkrechten Flächen oder in engen Nuten bzw. auf stark gekrümmten Flächen sein. Auf diese Weise lässt sich sehr schnell und sicher feststellen, ob sich mit einem optimierten Parameter auf der gesamten zu lackierenden Fläche eine ausreichende Qualität erreichen lässt oder ob gegebenenfalls lokale Anpassungen erforderlich sind.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine höhere Konstanz der Farbwerte, insbesondere beim Einsatz von Effektlacken, erreicht. Fehler in den Farbwerten können während der laufenden Produktion erkannt und korrigiert werden. Durch die Vielzahl von Beeinflussungsmöglichkeiten kann jeweils ein besonders kostengünstiges Korrekturverfahren eingesetzt werden, um zur Stabilisierung der Produktions- und Umgebungsbedingungen in einem engen Toleranzfenster beizutragen. Diese Stabilisierung führt zu einer erhöhten Reproduzierbarkeit des Lackierprozesses und ermöglicht die objektive Einhaltung von Qualitätsvorgaben. Die Erhöhung der Reproduzierbarkeit führt zu einer Verbesserung der farblichen Passgenauigkeit von zeitlich und/oder örtlich getrennt produzierten bzw. lackierten Teilen. Das Verfahren eignet sich für alle Anwendungen von Effektlacken, d. h. Lacken mit Metallic- oder Mineraleffekt, mit automatischem pneumatischen oder elektrostatischem Auftrag.

Bei der erfindungsgemäßen Optimierung und gegebenenfalls Regelung von Prozessparametern können vorteilhafterweise die ermittelten Daten mit den vorhandenen Zeitreihen aus einem Referenzprozess verglichen werden, so dass eine Zuordnung über das Fortschrittsstadium der Veränderungsprozesse erfolgen kann. Unter Berücksichtigung der bekannten zeitlichen Abläufe im Referenzprozess können von diesem abweichende qualitative und quantitative Veränderungen ermittelt werden. Aus den so gewonnenen Daten können Korrekturmaßnahmen zur Kompensation von Farbabweichungen abgeleitet werden.

Das Verfahren ermöglicht eine berührungslose, zerstörungsfreie und onlinetaugliche Beurteilung von Lackeigenschaften, die durch die Schichtdicke der Lackschicht sowie die Viskosität und das Fließverhalten der Farbflüssigkeit beeinflusst werden. Diese Möglichkeit besteht sowohl bei der noch nassen wie auch der bereits trockenen Lackschicht. Farbabweichungen können bei gleichzeitiger Erfassung technologischer Umgebungsparameter diesen zugeordnet und durch deren Variation korrigiert werden.

Durch Ausnutzung des Wirkzusammenhanges von Schichtbildungs- und Ausrichtungsprozessen und optischen Veränderungen einerseits und der Eingrenzung von diese Prozesse beeinflussenden Faktoren andererseits ist nach Ermittlung von deren Einfluss auf die optischen Zielparameter eine effiziente und automatisierbare Korrektur möglich.

Durch die Ermittlung der Abhängigkeit optischer Schichtparameter von zahlreichen Einflussfaktoren, die beispielsweise das Fließverhalten und die Viskosität der Farbflüssigkeit während des Lackierprozesses bestimmen, ist es möglich, jeweils preisgünstige Varianten einer Regelung einzusetzen.

Im Fall der Aufnahme von Zeitreihen an Referenzproben kann der technologische Varianzraum ermittelt werden, was eine schnelle Abgrenzung zu Fehlerursachen ermöglicht, die durch andere Einflüsse, z. B. Materialveränderungen oder Unregelmäßigkeiten der Untergrundbeschichtung, verursacht werden.

Die Realisierung der Erfindung ermöglicht unter anderem die Umsetzung wesentlicher farbton- und deckkraftbezogener Aspekte zur Qualitätssicherung im Lackierprozess und bildet dort die Grundlage für automatisierbare Regelungsabläufe. Das Verfahren kann zur Optimierung von Anlagen mit Zerstäubern sowie zur Beschleunigung von Inbetriebnahmeprozeduren und der Verbesserung der Reproduzierbarkeit von Lackierprozessen eingesetzt werden.

Die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in bekannten Lackieranlagen, die erfindungsgemäß mit Mitteln zur optischen Messung reflektierten Lichts ausgestattet sind. Hierfür eignen sich vorzugsweise Einrichtungen, die über mindestens eine Lichtquelle mit kontinuierlichem Spektrum verfügen sowie die Messung von reflektiertem Licht ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Messung spektral aufgelöst erfolgen kann und die Lichtintensität des reflektierten Lichts orts- und winkelabhängig erfasst werden kann.

Die spektrale Auflösung der Lichtmessung kann beispielsweise an einzelnen charakteristischen Wellenlängenbereichen erfolgen und durch ein zwischen der reflektierenden Oberfläche und dem das reflektierte Licht erfassenden Sensor angeordnetes Filterrad realisiert werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das reflektierte Licht durch Dispersions- oder Beugungseinheiten, wie Prismen oder optische Gitter, spektral aufzuspalten und dieses Spektrum zu erfassen, was beispielsweise durch die Abbildung des Spektrums auf eine Anordnung von CCD- oder Fotoelementen oder die serielle und winkelaufgelöste Erfassung des Spektrums mit Einzelelementen erfolgen kann. Da heute verfügbare Elemente derartiger Messeinrichtungen außerordentlich klein und robust ausgelegt werden können, ist es besonders vorteilhaft, mindestens eine solche Messanordnung als Messeinheit an einem Roboterarm anzubringen, der diese über die lackierten Oberflächen führt. Auf diese Weise kann die Lichtmessung auch an ansonsten schwer zugänglichen Punkten der lackierten Objekte erfolgen, was eine prozesstechnische Überwachung des Lackierprozesses an kompliziert geformten Gebilden, wie beispielsweise Autokarosserien, ermöglicht. Eine andere Variante besteht in der festen Installation von Lichtmessmitteln in Durchlaufanlagen, die von einer großen Stückzahl geometrisch identischer Formteile durchlaufen wird. In diesem Fall befindet sich mindestens eine Messeinheit an festen mechanischen Baugruppen, die eine ortsfeste Positionierung der Messeinheit bezüglich des Transportweges der lackierten Objekte in der Durchlaufanlage sichern.

Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Überwachung des Lackierprozesses möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswertung der Lichtmessung und die Ermittlung der aus den Messwerten abzuleitenden Korrekturwerte für einstellbare technologische Prozessparameter rechnergestützt erfolgt. Zu diesem Zwecke werden die optischen Messwerte in eine Rechnereinheit eingelesen und durch ein Programm ausgewertet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass aufgrund heute verfügbarer Rechenleistung komplizierte Auswertungen mit hoher Geschwindigkeit erfolgen können, was die Reaktionszeit für evtl. Korrekturen wesentlich verkürzt. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, die Auswertung und Gewinnung von Korrekturwerten durch einfachen Austausch des jeweiligen Auswerteprogramms an veränderte Prozessbedingungen oder Produkte anzupassen.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörigen Abbildungen zeigen:

1 Eine typischen Schichtdickenverlauf im Bereich einer gezielten Variation der Schichtdicke der Lackschicht und die Lage der zugehörigen Messstellen.

2 Eine schematische Darstellung eines Schnittes durch eine Lackschicht mit enthaltenen reflektierenden Effektpartikeln.

Eine an sich bekannte Durchlaufanlage zum Lackieren von Karosserien bzw. Karosserieteilen ist mit einem Roboterarm ausgestattet, der eine Messeinheit zur Messung reflektierten Lichts trägt. Diese Messeinheit beinhaltet eine Messlichtquelle, die parallel gerichtetes weißes Licht mit einem bekannten kontinuierlichen Spektrum und bekannter Intensität aussendet. Optional kann eine Messlichtquelle montiert werden, die nur Licht bei charakteristischen Wellenlängen aussendet.

Die Messeinheit umfasst weiterhin einen optischen Sensor zur Messung der Lichtintensität. Vor dem Sensor befindet sich ein Filterrad, mit dem der Wellenlängenbereich eingestellt werden kann, bei dem die Messung der Lichtintensität erfolgen soll. Der Sensor ist schwenkbar in Bezug auf die Messlichtquelle angeordnet. Somit kann die Messung des reflektierten Lichts bei unterschiedlichen Ausfallswinkeln erfolgen. Die Messeinheit ist über eine Datenleitung mit einem Computer verbunden, der alle Einstellungen steuert und die gewonnenen Messdaten speichert und verarbeitet.

Als erstes erfolgt eine Lackierung von Probekörpern. Die Probekörper weisen die gleiche Vorbehandlung und/oder Vorbeschichtung auf, wie die später zu lackierenden Karosserieteile. Die Lackierung der Probekörper erfolgt derart, dass die Dicke der Lackschicht um einen voreingestellten Betrag, der erfahrungsgemäß technologisch bedingten Schichtdickenschwankungen beim Lackieren in der verwendeten Anlage entspricht, schwankt. Die mittlere Schichtdicke der Lackschicht wird, ausgehend von einer Dicke, bei der die eingestellten Schwankungen der Schichtdicke mit Sicherheit keine wahrnehmbaren Deckkraftunterschiede bewirken, bei jedem Probekörper etwas geringer eingestellt. Nach der Lackierung der Probekörper wird durch visuelle Begutachtung die mittlere Schichtdicke ermittelt, bei der die voreingestellte Schichtdickenschwankung erstmals zu einer sichtbaren Ungleichmäßigkeit der Deckkraft führt. Wie in 1 dargestellt, wird nun ein weiterer Probekörper 1 mit der voreingestellten Schichtdickenvariation lackiert, wobei die mittlere Schichtdicke 2 auf den geringsten Wert eingestellt wird, bei dem sich bei den vorangegangenen Probelackierungen keine sichtbare Deckkraftschwankung ergab. Ein Bereich wird mit einer Unterbeschichtung 3, ein weiterer mit einer Überbeschichtung 4 versehen. Der so beschichtete Probekörper wird unmittelbar nach dem Aufbringen der Lackschicht durch die Messeinheit an den Stellen der geringsten 5 und der größten Schichtdicke 6 optisch vermessen. Dazu wird er mit parallel gerichtetem weißen Licht beleuchtet. Das vom Probekörper reflektierte Licht wird vom optischen Sensor bei mehreren Einstellungen des Filterrades gemessen. Aus den so gewonnenen Stützstellen des Reflexionsspektrums erfolgt im angeschlossenen Computer der Berechnung des Absorptionsverhaltens und der Deckkraft der frischen Lackschicht unmittelbar nach der Beschichtung. Ein Vergleich der Messwerte der beiden Messstellen ergibt die maximale Schwankung der Deckkraft, die zu diesem Zeitpunkt auf der frischen Lackschicht gemessen werden darf, um bei der fertigen Lackschicht keine sichtbaren Schwankungen der Deckkraft zu hinterlassen.

Mit der so gewonnenen mittleren Schichtdicke wird mit dem Lackieren der Karosserien begonnen. Im Bereich der später zu montierenden Nummernschilder werden die Spritzdüsen so eingestellt, dass sich ein Schichtdickenverlauf in der Lackschicht ergibt, der, wie in 1 dargestellt, von einer geringen Unterbeschichtung bis zu einer geringen Überbeschichtung gegenüber der eingestellten mittleren Schichtdicke reicht. Die maximalen Schichtdickenunterschiede entsprechen dabei der voreingestellten Schwankung der Schichtdicke, die auch bei der Lackierung der Probekörper eingehalten wurde. In einstellbaren Intervallen, beispielsweise bei jeder zehnten Karosserie, erfolgt in der Lackieranlage eine optische Vermessung an diesen Stellen einer gezielt erzeugten Unter- bzw. Überbeschichtung und ein Vergleich der ermittelten Deckkraftwerte. Ergibt sich eine Differenz, die über der am frisch lackierten Probekörper gemessenen liegt, wird die mittlere Schichtdicke etwas erhöht. Ist die Differenz dagegen kleiner, kann auch die mittlere Schichtdicke etwas verringert werden. Auf diese Weise lässt sich die Schichtdicke beim Lackieren von Karosserien optimieren und regeln.

Im Falle der Optimierung anderer den visuellen Eindruck der fertigen Lackschicht bestimmender Parameter kann weitgehend analog verfahren werden. Auch in diesem Fall dürfen bei der visuellen Beurteilung keine Schwankungen feststellbar sein, d. h. die lackierte Fläche muss einheitlich beschichtet wirken.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnittes durch eine Lackschicht mit enthaltenen reflektierenden Effektpartikeln. Im Lösungsmittel enthalten sind Pigment 1, Füllstoffe 2 und Effektpartikel 3. Auftreffendes paralleles Messlicht 4 wird in verschiedene Richtungen reflektiert. Als variable Parameter zusätzlich zur Schichtdicke kommen alle technologischen Parameter in Frage, die die Reflexionseigenschaften der Lackschicht in eindeutiger Weise beeinflussen.

Auch in diesem Fall wird im Bereich der später zu montierenden Nummernschilder eine gezielte Variation eines derartigen Parameters vorgenommen und die Auswirkung dieser Variation quantitativ erfasst. Das erfolgt beispielsweise, indem die Intensität des reflektierten Messlichts in zwei verschiedenen Winkeln erfasst wird. Eine Messung erfolgt in dem Winkel, welcher einer bevorzugten Betrachtungsrichtung entspricht. Eine zweite Messung erfolgt um 45° versetzt. Aus beiden Intensitätswerten wird ein Quotient gebildet, der ein relatives Beurteilungskriterium für den visuellen Eindruck der Lackschicht bildet und zu einer Prozessregelung herangezogen werden kann. Außer einer gezielten Parametervariation hat sich im vorliegenden Beispiel auch die Verwendung von mehreren Messstellen an verschiedenen Orten bewährt. Auch aus den so gewonnenen Messwerten, lassen sich entsprechende Quotienten oder Differenzwerte ableiten, die für eine Prozessregelung geeignet sind.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Optimierung von Prozessparametern bei maschinellen Lackierprozessen, bei denen nacheinander mehrere Objekte lackiert werden, wobei an mindestens einem Ort auf einem lackierten Objekt die Intensität reflektierten Messlichts gemessen wird und das Messergebnis zur Bestimmung mindestens eines Korrekturwertes mindestens eines Prozessparameters, von welchem die Intensität des reflektierten Messlichts abhängt, verwendet wird, wonach dieser Prozessparameter vor der Lackierung anderer Objekte um den Korrekturwert korrigiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messlicht mit einem kontinuierlichen Spektrum verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messlicht mit einem Linienspektrum verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des reflektierten Messlichts spektral aufgelöst ausgewertet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des reflektierten Messlichts winkelaufgelöst ausgewertet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmessung nach der Lackierung des Messobjekts noch in der Lackieranlage erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmessung vor der Lacktrocknung erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmessung nach der Lacktrocknung erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmessung an mehreren Orten eines Messobjekts vorgenommen wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmessung an einem Messobjekt mehrmals hintereinander erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des Prozessparameters nach jeder Lackierung eines Objekts erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des Prozessparameters nur erfolgt, wenn der ermittelte Korrekturwert einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert so vorgegeben wird, dass die Korrektur des Prozessparameters bereits erfolgen kann, wenn die erforderliche Korrektur zu Änderungen der optischen Eigenschaften des lackierten Objektes führt, die visuell nicht wahrgenommen werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Korrekturwertes rechnergestützt erfolgt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert des Prozessparameters dadurch ermittelt wird, dass der Prozessparameter gezielt variiert wird, die Auswirkungen dieser Variation auf die Intensität des reflektierten Messlichts erfasst und daraus der Korrekturwert gewonnen wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessparameter die Schichtdicke korrigiert wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessparameter einer der

    – Faktoren, die die Tröpfchengröße im Zerstäubungsprozess beeinflussen, wie z. B. die Drehzahl von Rotationszerstäubern oder die Druckverhältnisse an Zerstäuberdüsen;

    – Faktoren, die die Intensität des Abdunstungsprozesses während der Zerstäubung beeinflussen, wie z. B. die Temperatur der Farbflüssigkeit, die Umgebungstemperatur, der Sättigungsgrad der Umgebung mit Lösungsmitteln, Geschwindigkeit und Ausrichtung von Luftströmen zum Lenken und Leiten der zerstäubten Farbflüssigkeit sowie Form und Größe des Zerstäubungsbereiches;

    – Faktoren, die die Zeitdauer der Zerstäubung, also die Flugzeit der Flüssigkeitströpfchen vom Austritt aus der Zerstäuberdüse bis zum Auftreffen auf die Oberfläche, beeinflussen, wie z. B. der Abstand zwischen Zerstäuber und Auftreffpunkt;

    – Faktoren, die die Viskosität der Farbflüssigkeit unmittelbar vor dem Zerstäubungsprozess beeinflussen, wie z. B. die Beimengung zusätzlicher Lösungsmittel oder

    – Faktoren, die den Fließprozess der Farbflüssigkeit auf der Oberfläche beeinflussen, wie z. B. lokales Erwärmen, Abkühlen oder Anblasen der Oberfläche bzw. deren geometrische Ausrichtung in Bezug auf die Schwerkraft,

    korrigiert wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des Prozessparameters automatisch erfolgt.
  19. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die in einer Durchlauf-Lackieranlage mindestens eine Messeinheit, die mindestens eine Messlichtquelle und einen optischen Sensor zur Messung reflektierten Lichts enthält, Mittel zur Positionierung der Messeinheit über der Oberfläche der lackierten Objekte sowie eine Rechnereinheit zur Erfassung der Messdaten beinhaltet.
  20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen Messlichtquelle und optischem Sensor variabel ist.
  21. Einrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Messlichtquelle eine Lichtquelle mit kontinuierlichem Spektrum ist.
  22. Einrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Messlichtquelle eine Lichtquelle mit Linienspektrum ist.
  23. Einrichtung nach einem der Anspruch 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor ein Photoelement ist.
  24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass sich vor dem Photoelement ein Filterrad befindet, durch welches der Spektralbereich des erfassten Messlicht festgelegt werden kann.
  25. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor eine Anordnung von CCD-Elementen ist, auf die spektral aufgespaltenes Messlicht abgebildet werden kann.
  26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Positionierung der Messeinheit einen Roboterarm umfassen, der die Messeinheit trägt.
  27. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Positionierung der Messeinheit feste mechanische Baugruppen umfassen, die eine ortsfeste Positionierung der Messeinheit bezüglich des Transportweges der lackierten Objekte in der Durchlaufanlage sichern.
  28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit ein Programm enthält, das aus den erfassten Messdaten Korrekturdaten für mindestens einen Prozessparameter berechnet.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com