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Dokumentenidentifikation DE102004035208B3 15.09.2005
Titel Verfahren zur visuellen Sichtbarmachung von Oberflächendefekten eines Kunststoffbauteils sowie ein dafür geeignetes Kunststoffbauteil
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Greiner, Ralph, Dr. rer. nat., 71229 Leonberg, DE;
Helm, Guido, 73760 Ostfildern, DE
DE-Anmeldedatum 21.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004035208
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.09.2005
IPC-Hauptklasse G01N 21/88
IPC-Nebenklasse G01N 21/91   G01N 21/64   
Zusammenfassung Häufig treten bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen Mikrofehler auf, z. B. Lufteinschlüsse in der Größenordnung weniger Mikrometer bis zu circa 100 µm oder auch Mikrorisse, die mit bloßem Auge kaum oder gar nicht erkennbar sind.
Derzeitige Lösungsansätze zur Erkennung von Mikro-Oberflächendefekten sind aufwändige, zeit- und kostenintensive Verfahren der optischen Messtechnik. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfacheres Verfahren zur Erkennung von Mikro-Fehlstellen anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur visuellen Sichtbarmachung von Oberflächendefekten eines Kunststoffbauteils, bei dem ein lumineszierendes Farbmittel in das Kunststoffbauteil eingearbeitet wird und das Bauteil zur Lumineszenz angeregt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur visuellen Sichtbarmachung von Oberflächendefekten eines Kunststoffbauteils sowie ein dafür geeignetes Kunststoffbauteil gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 8.

Die Herstellung von Kunststoffbauteilen mit hohen Anforderungen hinsichtlich der Oberflächenqualität – insbesondere für den Einsatz im Sichtbereich von Automobilkarosserien – bietet aufgrund der Materialien (Rohstoffe und Halbzeuge) sowie der Prozess- und Verfahrens-/Anlagentechnik keine ausreichende und prozesssichere Qualität bezüglich lackierfertiger Oberflächen. Häufig treten insbesondere Mikrofehler auf, z.B. Lufteinschlüsse in der Größenordnung weniger Mikrometer bis zu circa 100 &mgr;m oder auch Mikrorisse, die mit bloßem Auge kaum oder gar nicht erkennbar sind.

Mikro-Fehlstellen die an/in der Bauteiloberfläche vorhanden sind, werden in der Regel erst am Ende der Prozesskette – nach zahlreichen Bearbeitungsschritten, wie Fügeprozessen, Montage und mehreren Lackierschritten (nach Applikation und Trocknung einer oder mehrerer Lackschichten) für den Betrachter mit bloßem Auge sichtbar.

Abhängig von der Dimension (Größe, Anzahl, Art) der Fehlstellen pro Bauteil führen aufwändige Reparaturlösungen zur Erzielung der geforderten Qualitätsanforderung oder die Bauteile werden ausgesondert.

Die Erkennung von Mikro-Fehlstellen werkzeugfallender Kunststoffteile ermöglicht im frühen Stadium der Prozesskette eine qualitative Bewertung des Bauteils. Ein vorzeitiges Ausgliedern schadhafter Zwischenprodukte innerhalb des Produktentstehungsprozesses vermeidet unnötige weitere Arbeitsabläufe. Dies äußert sich in der Qualität des Produktes, der Prozesssicherheit bei der Produktherstellung und schließlich in den Produktkosten.

Derzeitige Lösungansätze zur Erkennung von Mikro-Oberflächendefekten sind aufwändige, zeit- und kostenintensive Verfahren der optischen Messtechnik.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein einfacheres Verfahren zur Erkennung von Mikro-Fehlstellen werkzeugfallender Kunststoffteile und ein dafür geeignetes Bauteil anzugeben.

Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren und das Bauteil durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 8 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (Patentansprüche 2 bis 7) und des Bauteils (Patentanspruch 9 und 10).

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur visuellen Sichtbarmachung von Oberflächendefekten eines Kunststoffbauteils erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein lumineszierendes Farbmittel in das Kunststoffbauteil eingearbeitet wird und das Bauteil zur Lumineszenz angeregt wird.

Unter Kunststoffen werden hier synthetische hergestellte, ggf. (faser-)verstärkte, organische Werkstoffe (Thermoplaste, Duromere) verstanden.

Unter Bauteil ist ein aus Kunststoff beispielsweise mittels RTM = Resin Transfer Moulding, Press- (insbesondere SMC = Sheet Moulding Compound), Spitzguss-, LFI = Long Fiber Injection oder durch Prepreg-Technologie hergestelltes Bauteil zu verstehen.

Farbmittel umfassen sowohl Farbstoffe, die in ihrem Anwendungsmedium löslich sind, Pigmente, die darin praktisch unlöslich sind, als auch Pigmentfarbstoffe, d.h. modifizierte Farbstoffe, die an eine feste Trägermatrix gebunden sind.

Lumineszenz ist die optische Strahlung eines physikalischen Systems, die beim Übergang von einem angeregten Zustand zum Grundzustand entsteht. Je nach Art der Anregung unterscheidet man verschiedene Arten der Lumineszenz: Am bekanntesten ist die Photolumineszenz, bei der die Anregung des Systems durch Photonen erfolgt. Dabei unterscheidet man je nach Zeitdauer zwischen Anregung und Emission des Lichtes zwischen Phosphoreszenz und Fluoreszenz. Weitere Lumineszenzarten sind die Elektro- und Kathodolumineszenz, bei denen die Anregung mittels Strom oder Elektronenbeschuss erfolgt, sowie die Chemo-, insbesondere Biolumineszenz, bei denen die Anregung durch chemische Reaktionen erfolgt.

Befindet sich nun ein lumineszierendes Farbmittel in dem Kunststoffbauteil und wird das Bauteil zur Lumineszenz angeregt, so zeigen sich Mikrofehlstellen auf dem lumineszierenden Bauteil als kontrastreiche dunkle Punkte auch einem Betrachter mit bloßem Auge und ohne aufwendige Messtechnik. Dies ist insbesondere in Produktionswerkstätten, beispielsweise beim Karosseriebau, vorteilhaft, da hier aufwendige und sensible Messtechnik möglichst vermieden werden soll.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Anregung zur Lumineszenz durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, also durch Photo- oder Kathodolumineszenz. Die Bestrahlung hat im Gegensatz zur Chemolumineszenz keine bleibende Oberflächenmodifikation zur Folge, die meist eine Adaption nachfolgender Bearbeitungsprozesse erfordern würde.

Besonders vorteilhaft erfolgt die Bestrahlung derart, dass der menschliche Betrachter sie nicht wahrnimmt, sie ihn also nicht ablenkt, und sie ihn nicht gesundheitlich schädigt. Beispielhaft sei hier UV-A und UV-B-Strahlung genannt, d.h. Licht einer Wellenlänge zwischen 280 und 400 nm.

Die für den menschlichen Betrachter unsichtbare Bestrahlung wird von dem Bauteil teilweise absorbiert und über Lumiszenz-Emission in einem anderen Wellenlängenbereich sichtbar emittiert, wobei Mikro-Fehlstellen als dunkle Punkte leicht erkennbar werden. Eine Beeinträchtigung der menschlichen Wahrnehmung durch einen reflektierten Anteil findet nicht statt, da dieser für den Betrachter nicht wahrnehmbar ist.

Als Farbmittel kann je nach Anwendungszweck und Bauteilmaterial sowohl Pigment, Farbstoff, als auch Pigmentfarbstoff in das Bauteil eingebracht werden. Das Farbmittel kann in die Kunststoffmatrix oder in die Bindemittelmatrix einer ggf. aufzubringenden Beschichtung des herzustellenden Bauteils eingebracht werden. Letzteres ist insbesondere bei Bauteilen vorteilhaft, die mit dem In-Mould-Coating-Verfahren hergestellt werden, da lediglich die Beschichtung sichtbar ist.

Die Einbringung des Farbmittels, insbesondere der Pigmente, in die jeweilige Matrix kann für den Benutzer erleichtert werden, indem diese zunächst in eine Trägermatrix eingebracht werden und so ein fließfähiger oder pastöser Masterbatch hergestellt wird, der sich leichter in die Kunststoff- oder Bindemittelmatrix einarbeiten lässt als das Farbmittel direkt.

Für das Einbringen in Träger-, Kunststoff- oder Bindemittelmatrix wird das Farbmittel, je nachdem, ob es sich um Pigment, Farbstoff oder Pigmentfarbstoff handelt, ggf. zunächst gelöst, dispergiert oder geschmolzen und in die Matrix eingerührt.

Die Konzentration des Farbmittels bezogen auf die Masse der Kunststoff- bzw. Bindemittelmatrix liegt üblicherweise im Promille-Bereich, d.h. bei 0,1 bis 100 Promille. Bei Farbstoffen im Bereich von 0,1 bis 10 Promille, vorzugsweise 1 bis 5 Promille. Bei Pigmenten im Bereich von 10 bis 100 Promille, vorzugsweise 30 bis 60 Promille.

Besonders vorteilhaft erfolgt die Bestrahlung unter einem Winkel zur Bauteiloberfläche von 45° bis 90°, insbesondere von 70° bis 90°. Bei einer derartigen Bestrahlung treten die Mikro-Fehlstellen besonders deutlich hervor.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Kunststoffbauteils erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es ein lumineszierendes Farbmittel enthält. Dadurch können Mikrofehlstellen wie vorstehend beschriebenen leicht sichtbar gemacht werden.

Vorteilhafter Weise ist das Bauteil mit einer Beschichtung versehen, in der das Farbmittel enthalten ist. Ein geeigneter Herstellungsprozess ist beispielsweise das sog. In-Mould-Coating-Verfahren.

Besonders vorteilhaft weist das Bauteil ein Farbmittel auf, das bei mindestens einer Wellenlänge zwischen 200 und 800 nm, vorzugsweise zwischen 280 und 400 nm photo-lumineszierend ist.

Nachfolgend werden anhand von zwei Ausführungsbeispielen das erfindungsgemäße Verfahren und Bauteil näher erläutert:

Gemäß diesem Ausführungsbauspiel wird ein ebenes Bauteil in IMC – SMC- Bauweise hergestellt.

Zunächst wird eine SMC-Platte der Abmessungen 100 × 100 × 2 mm aus SMC-Material „040005321/01A" der Fa. Menzolit-Fibron in einem Plattenwerkzeug bei einem Pressdruck von 150 kN, einer Werkzeugtemperatur von 150°C, mit einer Pressdauer von 5 min gepresst.

Nach Öffnen des Werkzeugs werden Abstandshalter aus gehärtetem Stahl mit einer Höhe von 100 &mgr;m zwischen die Werkzeughälften gelegt, um einen definierten Spalt zwischen Werkzeugoberfläche und Bauteiloberfläche zu gewährleisten.

Auf das noch im Werkzeug befindliche SMC-Bauteil wird ein IMC-Material aufgegossen. Das IMC-material wurde hergestellt durch Einarbeitung von 0,2 g Pigmentfarbstoff „CFFX02 UV BLUE" der Fa. RADIANT COLOR N.V. in 100 g der IMC-Rezeptur „XC1225 AG" der Fa. Beckers mit einem Schnellrührer bei einer Drehzahl von 200 U/min bei einer Rührzeit 15 min bei Raumtemperatur. Die IMC-Rezeptur ist ein Vinylharz, genauer ein Diglycidyletheresterharz auf Basis Bisphenol A und Acrylbzw. Methacrylsäure.

Nach dem Aufgießen des IMC-Materials wird das Werkzeug erneut geschlossen, wobei die Abstandhalter ein Spaltmaß von 100 &mgr;m gewährleisten. Ein Druck von 150 kN wird aufgebaut und bei einer Werkzeugtemperatur von 150°C für eine Pressdauer von 2 min gehalten.

Nach Entformen und Abkühlen des IMC-beschichteten Bauteils wird das Bauteil unter einer UV-Lampe Fa. Bender Typ NU-6 KL mit einer Leistung von 2 × 6 W und einer Emissionswellenlänge von 366 nm platziert. Die Lampe wird in einem durchschnittlichen Abstand von 5 – 10 cm parallel zur prüfenden Oberfläche positioniert, so dass eine UV-Bestrahlung senkrecht zu der zu prüfenden Oberfläche erfolgt.

Ein menschlicher Betrachter mit normaler Sehkraft kann Mikrofehlstellen an der Bauteiloberfläche, wie z.B. Poren und Lunker, in der Größenordnung von 40 &mgr;m und mehr mit bloßem Auge gut erkennen. Bei besserer Sehkraft sind auch kleinere Fehlstellen gut erkennbar. Eine Überlagerung seiner Wahrnehmung mit der reflektierten UV-Bestrahlung erfolgt nicht, da diese für ihn nicht wahrnehmbar ist.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird erneut ein ebenes Bauteil in IMC – SMC- Bauweise hergestellt, wobei diesmal das SMC-Material „04006000/51E" der Fa. Menzolit-Fibron und der Pigmentfarbstoff* „CFFX03 UV BLUE" der Fa. RADIANT COLOR verwendet werden. Sämtliche anderen Parameter entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels. Auch in diesem Fall sind Mikrofehlstellen an der Bauteiloberfläche in der Größenordnung von 40 &mgr;m und mehr mit bloßem Auge gut erkennen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Bauteil erweisen sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet zur visuellen Sichtbarmachung von Mikro-Oberflächendefekten, insbesondere von Karosserbauteilen aus Kunststoff in der Automobilindustrie.

Beispielsweise kann so die Bauteilqualität ohne großen Anlagentechnischen Aufwand auch in Produktionswerkstätten schnell, kostengünstig und verlässlich überprüft werden.

Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.

So ist zum Beispiel denkbar, dass gerade bei beschichteten Bauteilen auch die Chemolumineszenz durch Zugabe entsprechender Reagenzien in das Beschichtungsmaterial zum Einsatz kommt.

Vorteilhaft ist insbesondere auch die Verwendung phosporeszierender Farbmittel, da diese auch noch nach einer Anregung für einen gewissen Zeitraum emittieren uns so unabhängig von der Anregungsquelle geprüft werden können.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur visuellen Sichtbarmachung von Oberflächendefekten eines Kunststoffbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass ein lumineszierendes Farbmittel in das Kunststoffbauteil eingearbeitet wird,

    dass das Bauteil zur Lumineszenz angeregt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung zur Lumineszenz durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Farbmittel Pigment, Pigmentfarbstoff oder Farbstoff eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbmittel in die Kunststoffmatrix des herzustellenden Bauteils eingebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbmittel in die Bindemittelmatrix einer Beschichtung des herzustellenden Bauteils eingebracht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mit dem In-Mould-Coating-Verfahren hergestellt wird, wobei das Farbmittel in die Bindemittelmatrix der Beschichtung eingebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung unter einem Winkel zur Bauteiloberfläche von 45° bis 90° erfolgt.
  8. Fahrzeugbauteil aus Kunststoff, insbesondere Karosseriebauteil, dadurch gekennzeichnet, dass es ein lumineszierendes Farbmittel enthält.
  9. Fahrzeugbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Beschichtung aufweist, in der das Farbmittel enthalten ist.
  10. Fahrzeugbauteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbmittel photo-lumineszierend ist bei mindestens einer Wellenlänge zwischen 200 und 800 nm, vorzugsweise zwischen 280 und 400 nm.
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