Schichtdicke von Antiknarzlacken mit PaintChecker messen
Antiknarzlacke: Es kommt auf die optimale Schichtdicke an – eine messtechnische Herausforderung
Störgeräusche, die durch Schwingungen und Vibrationen beim Autofahren auftreten, sind längst ein absolutes No-Go in allen Fahrzeugklassen. Grund genug für die Hersteller, in die Verbesserung von Antiknarzlacken und in die Schichtdickenmessung zu investieren.
Störgeräusche im Auto sind längst mehr als nur ein Luxusproblem und ein Thema für gehobene Fahrzeugklassen. Störende Nebengeräusche können zum einen die Konzentration des Fahrers beeinflussen, neben dem Sicherheitsaspekt spielt aber der Fahrkomfort eine immer größere Rolle. Leise Elektroantriebe und vibrationsärmere Verbrennungsmotoren tragen dazu bei, dass Störgeräusche immer stärker auffallen. Was früher an Zusatzgeräuschen im mehr oder weniger sonoren Brummen der Verbrennungsmaschine und Rauschen des Getriebes unterging, tritt plötzlich akustisch in den Vordergrund und beeinträchtigt Komfortgefühl sowie Qualitätsempfinden des Kunden.
„Heutzutage werden vermehrt Materialen verbaut, die durch den Fahrbetrieb in Relativbewegung geraten. Große Hohlkörper wie eine Fahrzeugtür verursachen dann hörbare Töne und Laute. Das ist im Grunde vergleichbar mit einer Gitarre. Erst der hohle Korpus des Musikinstruments erzeugt die Melodie“, erläutert Chemiker Florian Paland, der für Bechem, eines der führenden Unternehmen in der Schmierstofftechnologie mit Sitz im nordrheinwestfälischen Hagen, die Schmierstoffentwicklung verantwortet. Das Unternehmen bietet lufttrocknende Gleitlacke für die Automotive Branche an, sogenannte Anti-Friction Coatings oder Antiknarzlacke und verzeichnet hierbei eine stark steigende Nachfrage.
Zum Einsatz kommt bei diesen Gleitlacken unter anderem die Mikrokapseltechnologie. Dabei sind mikroskopisch kleine, mit Schmierstoff gefüllte Container in eine Lackschicht eingebettet und geben ihre Schmierstoffladung bei Belastung an die Reibungspartner ab. Dadurch baut sich ein leistungsstarker Schmierfilm zwischen den beteiligten Reibpartnern – also den beiden Materialien, die sich berühren – auf und verhindert störende Geräusche. Somit werden jegliche Laute des Interieurs von einer knarzenden Türverkleidungen bis hin zum quietschenden Ledersitz eliminiert. Gleitlacke als wichtiges Mittel zur Geräuschdämpfung sind Spezialschmierstoffe, die inzwischen fast alle Automobilhersteller und Automotive-Zulieferer einsetzen.
Reibungsverhalten und Schwingungsverhalten verbessern
Solche unerwünschten Geräusche entstehen durch Reibvorgänge zwischen zwei Bauteilen und dem Schwingungsverhalten der reibenden Bauteile. Ein im Automobil verbreitetes Phänomen ist das Ruckgleiten. Es tritt in verschiedensten Bereichen auf: Scheibenwischer stottern über die Windschutzscheibe, Türscharniere quietschen. Auch das Quietschen von Kreide beim Schreiben auf der Tafel entsteht durch Ruckgleit-Prozesse.
Materialien wie Gummi, Kunststoffe oder Kunstleder knarzen immer dann, wenn die übereinander gleitenden Schichten binnen kurzer Zeit abwechselnd aneinanderhaften und sich danach wieder lösen.
Dies ist abhängig von der Struktur der jeweiligen Oberflächen. Bereits Flächen mit mikroskopisch kleinen Unebenheiten können sich unter Druck derart gegeneinander verhaken, dass wahrnehmbare Knarroder Quietschtöne entstehen. Auf das Knarzverhalten bei diesem sogenannten Ruckgleiten haben auch Größen wie Anpresskraft, Temperatur, Verschmutzung, Luftfeuchtigkeit und Materialermüdung erheblichen Einfluss.
Von daher besteht die Aufgabenstellung darin, durch Schwingungsdämpfung und Reibwertoptimierung Haftreibung zu verhindern, sowie die Schwingung von Bauteilen zu dämpfen. Nur wenn das gelingt, lassen sich geräuschlose Bewegungsabläufe in jeglichen Innenraumbauteilen wie Cup-Holdern, Armlehnen, Türverkleidungen, Ablagefächern, Betätigungen und Schaltersystemen gewährleisten. In Elektrokontakten, Fahrwerk- und Bremssystemen, Sitzen sowie Gurtsystemen, Schließsystemen und Scharnieren werden die Produkte zur Geräuschdämmung ebenfalls eingesetzt. Doch um die Geräuschlosigkeit zu optimieren, spielt die optimale Schichtdicke eine wichtige Rolle.
Schichtdickenschwankungen von 80 μm
In der Vergangenheit waren bei der Applikation von Gleitlacken erhebliche Schichtdickenschwankungen an der Tagesordnung – diese betrugen mitunter mehr als 80 μm. Daraus resultierte nicht nur ein unnötiger Lackverbrauch, tatsächlich verbessert eine deutliche dickere Gleitlackschicht nicht die akustischen Eigenschaften – im Gegenteil.
„Die klassischen, berührungsbehafteten Schichtdicken-Messverfahren arbeiten mit einem gewissen Druck, ein Umstand, der bei weichen Substraten permanent zu Fehlmessungen führt“, erklärt Paland. „Es wurde meist deutlich weniger Schichtdicke angezeigt, als tatsächlich aufgetragen war.“
„Um die Schichtdicke zumindest annähernd qualifiziert messen zu können, wurde deshalb bei jedem Antiknarzlackauftrag ein Metallblech mitlackiert“, erinnert sich Silke Elles, ebenfalls Chemikerin. „Ein geübter Laborant überzog beide Teile gleichmäßig mit der Sprühpistole. Anschließend konnte die Schichtdicke des mitlackierten Blechs gemessen werden. Doch das war eine aufwendige und trotzdem fehleranfällige sowie zeitraubende Prüfmethode.“
Auf einer Fachmesse suchte das Bechem-Team deshalb aktuelle Lösungen zur Schichtdickenbestimmung, die transparente Lacke auf Kunststoffsubstraten prüfen konnten. „Wir kamen auf den Stand von Optisense und der PaintChecker Mobile erschien uns schnell als genau das richtige Messgerät für unser Problem“, resümiert Paland den damaligen Messebesuch. „Es ist klein, handlich und in seinem Koffer schnell von A nach B zu transportieren.“
PaintChecker: kompakt und präzise
Das komplette Messystem besteht aus zwei Einheiten: Dem Controller mit der Auswerte-Elektronik und dem leichten, kompakten Sensor als eigentlichem Messgerät. Die geringen Abmessungen des kleinsten Sensors von 130 × 25 mm bei gerade einmal 50 g Gewicht ermöglichen Messungen auch an schwer zugänglichen Stellen. Die mobilen OptiSense Laser-Modelle werden vorwiegend für glatte Beschichtungen auf metallischem Untergrund eingesetzt.
Die schlanken Laser-Sensoren eignen sich durch ihren winzigen Messfleck besonders für Schichtdickenprüfungen an filigranen Kleinteilen, Ecken und Kanten. Durch den größeren Messpunkt sind LED-Sensoren ideal für Freihandmessungen an rauen Oberflächen.
Das Modell PaintChecker Mobile Gun-R eignet sich dabei besonders für Bauteile aus Kunststoff oder Gummi. Neben dem benutzerfreundlichen Handling musste der PaintChecker aber vor allem seine Messfähigkeit unter Beweis stellen. Als hochgenaue Referenz hierfür diente die optisch mittels Querschliff bestimmte Schichtdicke von Messproben.
Verkürzte Entwicklungszyklen dank Laborsimulation
„Unsere Beschichtungen funktionieren am besten, wenn sie recht dünn sind, im Idealfall nicht mehr als 15 μm. Zudem haben die Substrate sehr inhomogene Oberflächen und sind recht weich. Den transparenten, dünnen Antiknarzlack auf grobporigem, genarbtem Kunstleder, PVC-Folien oder TPO-Schaumfolie zu messen, ist eine ganz besondere Herausforderung“, erklärt Elles.
Ein OptiSense-Vorführtermin im Labor von Bechem verlief sehr vielversprechend: „Der PaintChecker überzeugte hier in Bezug auf Handhabbarkeit und Meßfähigkeit auch auf schwierigen Substraten wie einer zerklüfteten Kunststoffoberfläche auf der ganzen Linie und kam deshalb sofort auf unseren Investitionsplan“, so Paland.
Mittlerweile ist der PaintChecker Mobile erfolgreich in den Laboratorien von Bechem im Einsatz. Hier werden Problemstellungen von Kunden rund um die Geräuschreduktion analysiert und passende Schmierstofflösungen erarbeitet. Die Prüfung der Schmierstoffe an Modellsystemen, Originalbauteilen und -werkstoffen sowie die Simulation unterschiedlichster, fahrzeugtypischer Einsatzbedingungen tragen entscheidend zur Verkürzung der Entwicklungszeiten bei. Die Chemiker gehen bei den verschiedensten Aufgabenstellungen der Frage nach, welche Zusammensetzung ein Antiknarzlack haben muss, damit die Reibpartner, also die beiden Materialien, die sich berühren, lautlos im Fahrbetrieb koexistieren können. Anschließend wird dann die passende Schichtdicke für diese spezielle Lackapplikation bestimmt.
Exakte Messdaten zur Stick-Slip-Analyse
Ein typisches Ruckgleit-Messverfahren ist der Stick-Slip-Test, auch bekannt als Haftgleitanalyse: Unter standardisiertem Anpressdruck wird eine Materialprobe auf einer anderen Materialprobe gerieben, die sich auf einem beweglichen Schlitten befindet. Sensoren messen dann anhand der Bewegung des Schlittens das Ausmaß der Haftreibung. Das gemessene Stick-Slip-Verhalten wird anschließend mit den Paint- Checker-Messdaten der aufgebrachten Schichtdicken korreliert. Als Ergebnis erhält das vierköpfige Chemiker-Team den optimalen Schichtdickenbereich für die Reibpartner. Die Chemiker supporten auch den Lackauftrag beim Kunden. Zum Zeitpunkt der Berichterstattung hatte beispielsweise ein Automobilzulieferer mehrere Probestreifen einer Türverkleidungsfolie geschickt.
Viele Reibpartner
Die schwarze PVC-Musterfolie, die Elles in diesem Zusammenhang prüft, ist das Deckmaterial für eine Türverkleidung. Sie ist stark genarbt und in der Mitte probeweise mit Antiknarzlack beschichtet. Auf die Folienstreifen ist transparenter Antiknarzlack in verschiedenen Dicken appliziert, wobei die Schichtdicke über die Verfahrgeschwindigkeit des Lackiererroboters gesteuert wurde. Da das final einbaufertig komplettierte Bauteil „Türverkleidung“ aus zahlreichen Teilen wie Armauflage, Dekor- und Lichtleisten und der eigentlichen Verkleidung besteht, gibt es zahlreiche Reibpartner, die miteinander interagieren können.
Falls die applizierten Schichtdicken zu gering sind, quietschten die aneinander reibenden Komponenten der Türverkleidung. Sind die Schichtdicken zu hoch, quietscht das Bauteil zwar nicht mehr, aber dafür „schmatzt“ die Türverkleidung, wie der Kunde das Störgeräusch beschreibt. Wenn Schichtdicken außerhalb des Toleranzbandes liegen, kann so ein Störgeräusch das andere substituieren. Das Ziel ist aber die völlige Ruhe, die Geräuschlosigkeit während der Autofahrt.
Deshalb will der Automobilzulieferer den Beschichtungsprozess optimieren. Pro Türverkleidung werden nur etwa fünf bis zehn Gramm Antiknarzlack aufgetragen, die vom PaintChecker Mobile gemessene Schichtdicke beträgt rund 15 μm. „Der Kunde möchte jetzt wissen, auf welche Geschwindigkeit er seine Anlage programmieren muss, um die optimale Schichtdicke zu erzielen. Und das können wir dank des PaintCheckers zuverlässig ermitteln. Der PaintChecker ist das einzige Gerät, das wir kennen, dass in der Lage ist, die Schichtdicke einer solchen Materialkombination zuverlässig zu prüfen. Wir messen dazu alle Proben und eruieren die mit dem besten Beschichtungsergebnis,“ bekräftigt der Leiter der Gleitlackentwicklung.
„Der PaintChecker Mobile kommt auch bei den Kunden vor Ort zum Einsatz. Beispielsweise, wenn eine neue Anlage installiert oder der Lack für eine neuartige Anwendung aufgrund von Produktwechsel oder Facelift qualifiziert werden soll.“ so Paland.
Support bei den Kunden
In der Regel wird der Antiknarzlack von der Automobilzulieferindustrie in Beschichtungsanlagen automatisiert aufgesprüht. „Letztlich steht und fällt die Qualität der Lackierung mit der Qualität der Programmierung der Bahnkurven des Industrieroboters. Sowohl bei Richtungswechsel, als auch bei Überlappungen und der Bahnen besteht die Gefahr von Überbeschichtung“, erklärt Paland. „Deshalb begleitet ein Bechem-Technologiemanager die Applikationstests vor Ort und unterstützt den Kunden, die jeweiligen Anlagenparameter zu optimieren. Dazu schaut er sich alle für diese Anwendung hinterlegten Anlagenparameter an und analysiert mit dem PaintChecker Mobile die neuralgischen Areale des Bauteils.“
Paland weiter: „Bleiben wir bei dem Beispiel der Türverkleidung. Hier ist häufig der Schlossbereich kritisch“, weiß Silke Elles. Nicht selten wird beim Besuch des Technologiemanagers dann die Anlagenprogrammierung durch einen treffgenaueren Parametersatz angepasst. Die Beschichtungsanlage appliziert dann den Antiknarzlack über die komplette Serie in der gewünschten Schichtdicke. Dass das OptiSense-Team eine Kalibirierung erstellt habe, mit der das PaintChecker-Prüfsystem den dünnen Antiknarzlack auf der extrem zerklüfteten Oberfläche des genarbten Kunstleders präzise misst, sei einzigartig: „Das haben die Kollegen in Haltern wirklich gut hinbekommen“, lobt Paland.
Das nächste Entwicklungsprojekt stehe bereits in den Startlöchern, fügt er noch hinzu – die erneute Zusammenarbeit mit OptiSense ist dafür schon eingeplant.
OptiSense GmbH & Co. KG
www.optisense.com