Appearance einer Automobillackierung Lackverlauf und Abbildungsqualität

1 Visuelle Wahrnehmung der Appearance

Wir betrachten eine Oberfläche auf zweierlei Weise: entweder fokussiert sich unser Auge auf das Spiegelbild einer Lichtquelle oder auf die Oberfläche selbst.  Wenn wir unseren Blick auf eine reflektierte Lichtquelle fokussieren, so bewerten wir die Abbildungsqualität der Oberfläche – d.h. die Fähigkeit, Objekte wiedererkennbar zu spiegeln. Die Lichtquelle kann brillant oder matt erscheinen (Glanz). Bei der Spiegelung einer Kante kann der dunkle Bereich etwas erhellt sein (Glanzschleier, Haze) und die Kantenbegrenzung kann scharf oder verschwommen sein (DOI) (Abb.1) 
Wenn wir den Blick auf die Oberfläche selbst fokussieren, erhalten wir zusätzlich einen Eindruck über Größe und Form von Strukturen. Wir sehen diese als ein welliges Muster heller und dunkler Felder. Diese Welligkeit wird häufig als Orange Peel oder Verlaufsstörung bezeichnet. (Abb. 2)
Beide Beobachtungsformen tragen – individuell gewichtet zum Gesamteindruck des Erscheinungsbildes bei. 

Für eine zuverlässige und praktikable Qualitätssicherung ist es erforderlich, das Erscheinungsbild durch objektiv messbare Kriterien zu erfassen. Eine präzise Charakterisierung des Glanzeindrucks dient nicht nur der Qualitätskontrolle, sondern auch der Qualitätsverbesserung und der Optimierung des Herstellungsprozesses und führt somit zu einer verbesserten Qualität des Produktes.
Das Erscheinungsbild und die Erkennbarkeit von Strukturen hängen ab von der Strukturgröße, dem Betrachtungsabstand und der Abbildungsqualität der Oberfläche. 
 

Abbildung 1 Fokus auf das reflektierte Bild

Abbildung 2 Fokus auf die Oberfläche

2 Welligkeit und Strukturgröße

Die Welligkeit bei Automobillacken liegt im Bereich von ca. 0,1 bis 30 mm Wellenlänge. Solche Effekte werden oft visuell, also subjektiv beurteilt und mit Begriffen wie „speckig” oder „griesig” beschrieben. Orange Peel sehen wir auf hochglänzenden Oberflächen als ein welliges Muster heller und dunkler Felder. Das Licht wird entsprechend dem Neigungswinkel der Strukturelemente in verschiedene Richtungen reflektiert. (Abb. 3).  Nur solche Flächenelemente werden als hell gesehen, die das Licht in Richtung Auge reflektieren. 

Die Sichtbarkeit von Strukturen hängt von der Distanz zur betrachteten Oberfläche ab. Je größer der Abstand, umso kleiner erscheinen die Strukturen. Wellen von 10 bis 30 mm Wellenlänge sind am besten bei einer Entfernung von ca. 3 m sichtbar. Strukturen im Bereich von 0,1 bis 1 mm werden erst bei naher Betrachtung erkennbar. (Abb. 4)

Auch die Größe der kleinsten gerade noch erkennbaren Strukturen hängt vom Betrachtungsabstand ab. Strukturen unterhalb des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges (ca. 0,1 mm) sind auch bei naher Betrachtung nicht mehr als Hell/Dunkelmuster sichtbar, sondern führen zu einer Verminderung der Abbildungsqualität. In 3 m Entfernung lassen sich 1 bis 3 mm große Strukturen kaum noch als Welligkeit auflösen, doch beeinflussen sie die Abbildungsqualität. (Abb. 5)

Abbildung 3 Visuelle Wahrnehmung von Orange Peel

Abbildung 4 Das Erscheinungsbild ändert sich in Abhängigkeit der Entfernung

Abbildung 5 Auflösungsvermögen des menschlichen Auges

3 Abbildungsqualität

Je kontrastreicher und schärfer ein Objekt auf der Oberfläche gespiegelt wird, z. B. die Kanten von schwarzen und weißen Linien, umso besser ist die Abbildungsqualität. Durch feine Strukturen wird das Spiegelbild gestört und Kanten  werden unscharf bis verschwommen abgebildet.

Abbildungsqualität bei naher Betrachtung: Distinctness of Image (DOI)
Die deutsche Übersetzung für DOI ist Deutlichkeit, üblich sind Begriffe wie Brillanz oder Bildschärfe. DOI wird vermindert durch feine Strukturen nahe der Auflösungsgrenze (ca. 0,3 mm). (Abb. 6)

Abbildungsqualität bei entfernter Betrachtung: Wet Look
In ca. 3 m Distanz wird die Abbildungsqualität im Wesentlichen durch Strukturen von 1-3 mm Wellenlänge beeinflusst, sowie von deren Verhältnis zu langwelligen Strukturen. Dieser Effekt wird als Wet Look bezeichnet.
 

Abbildung 6 Abbildungsqualität – DOI

4 Objektive Messung von Welligkeit mit dem wave-scan

Das wave-scan bildet die visuelle Betrachtung nach. Wie mit unserem Auge wird das wellige Helligkeitsmuster auf der Oberfläche optisch abgetastet. Eine Laser-Punktlichtquelle beleuchtet die Probe unter einem Winkel von 60°, ein Detektor auf der Gegenseite misst das reflektierte Licht. Das Verlaufsmessgerät wird auf der Probe über eine definierte Strecke bewegt und misst so von Punkt zu Punkt das optische Helligkeitsprofil. Das wave-scan analysiert die Strukturen bezüglich ihrer Größe: Um das Auflösungsvermögen des Auges bei unterschiedlicher Entfernung zu berücksichtigen, wird das optische Profil durch mathematische Filterung in mehrere Anteile aufgeteilt: (Abb. 7):

Abbildung 7 wave-scan Messprinzip

5 Objektive Messung von Abbildungsqualität

5.1 Limitierungen der Glanzmessung

Ein Glanzmessgerät detektiert den spekularen Reflex unter dem gleichen Winkel der Beleuchtung auf der entgegengesetzten Seite. Die Lichtintensität wird über einen kleinen Winkelbereich gemessen. Auf flachen Oberflächen wird das eingestrahlte Licht direkt reflektiert und von dem Sensor detektiert. Auf gekrümmten Oberflächen wird das Licht mehr oder weniger in Bereiche außerhalb des Sensors gestreut (Abb. 8). Aus diesem Grund kann der gemessene Glanzwert nicht mit Werten flacher Oberflächen verglichen werden. Durch den Krümmungseinfluss sinkt zusätzlich auch die Wiederholbarkeit der Messungen.
Zusätzlich ist die Glanzmessung von dem Brechungsindex des Lackmaterials abhängig. Abbildung 9 zeigt ein 1K und 2K System. Visuell können keine Glanzunterschiede wahrgenommen werden, trotzdem zeigen die Glanzmesswerte Unterschiede, da die beiden Lacksysteme unterschiedliche Brechungsindizes haben. Folglich kann die traditionelle Glanzmessung nicht verwendet werden, um unterschiedliche Materialien zu vergleichen. 

5.2 Objektive Messung der Abbildungsqualität mit dem wave-scan 

Strukturen kleiner als 0.1mm beeinflussen unsere visuelle Wahrnehmung, weshalb der wave-scan eine CCD-Kamera benutzt, um von solch feinen Strukturen gestreutes Licht zu messen. Eine grüne LED beleuchtet die Oberfläche unter 20°. Eine CCD-Kamera analysiert das reflektierte Bild der Apertur der Lichtquelle (Abb. 10). Existieren keine feinen Mikro-Strukturen, wird das ganze Licht innerhalb des Bilds der Apertur detektiert (= Max). Im anderen Fall wird Licht außerhalb detektiert (= Streuwert). Das Verhältnis der beiden Komponenten wird in einem neuen Wert ausgegeben: „Dullness“ (Strukturen <0.1). Die Dullness-Messung ist eine Relativ- und keine Absolut-Messung, und daher unabhängig vom Brechungsindex (Abb. 11) und der Krümmung der Oberfläche. 

Abbildung 8 Glanzmessung auf gekrümmten Oberflächen

Abbildung 9 Brechungsindex versus 20°-Glanz

Abbildung 10 Messprinzip - Dullness

Abbildung 11 Brechungsindex versus Dullness

6 wave-scan Skalen

6.1 Struktur-Spektrum

Die Werte Dullness und Wa bis We werden im sogenannten „Struktur-Spektrum” aufgetragen. Dies ermöglicht eine differenzierte Bewertung der Welligkeit und des Einflusses von Material und Verabeitungsbedingungen. (Abb. 12)

6.2 Kundenspezifische wave-scan Skalen

Die detaillierten Informationen des Struktur-Spektrum als auch LW und SW wurden die Basis von Korrelationsstudien zu kundenspezifischen visuellen Appearance-Wahrnehmungen und führte zu einer Vielfalt von Skalen. Zusätzlich wurden visuelle Wahrnehmungsstudien durchgeführt, mit wave-scan Messwerten als auch mit dem obsoleten Hunter Dorigon korreliert, um mit dem DOI wie in der ASTM E430 beschrieben zu korrelieren. 

Abbildung 12 wave-scan Struktur-Spektrum

7 Typische Anwendungen und „Trouble Shooting“

7.1 Einfluss der Orientierung

In der Regel weisen horizontale Flächen einen besseren Verlauf auf, d.h. niedrigere Werte bei den langwelligen Strukturen (Wc, Wd, We). Die kurzwelligen Strukturanteile hingegen werden von der Lage kaum beeinflusst (Abb. 13)

7.2 Einfluss der Schichtdicke

Das Strukturspektrum kann helfen, den Lackverlauf zu verbessern, z.B. um die optimale Schichtdicke zu ermitteln. Im folgenden Beispiel wird der Verlauf des Klarlacks mit zunehmender Schichtdicke besser, in der Graphik ist dies an den abnehmenden Werten von Wc und Wd erkennbar. (Abb. 14)

7.3 Einfluss des Untergrunds:

In Abbildung 15, wird der Untergrund analysiert. Die Rauheit des Substrats schlägt bis zur Decklackoberfläche durch und reduziert dadurch die brillante Erscheinung. Beispiel D ist ein Lasertex-Blech mit einer spezifischen Struktur, die eine sehr niedrige Kurzwelligkeit aufweist.

Abbildung 13 Einfluss der Orientierung

Abbildung 14 Einfluss der Schichtdicke

Abbildung 15 Einfluss des Untergrunds

8 wave-scan Messung auf hoch- bis mittelglänzenden Oberflächen

Die Kontrolle des Erscheinungsbildes ist nicht länger auf die Endprüfung des Decklacks begrenzt. Bei hochglänzenden Oberflächen nimmt das Verlaufsmessgerät mit einem Laser das optische Profil der Oberfläche auf. Eine zusätzliche Infrarothochenergie – LED erlaubt die Messung des Strukturspektrums (0,1 – 30 mm) auf mittelglänzenden Oberflächen. Die Dullness-Messung mittels CCD-Kamera gibt Aufschluss über die Abbildungsqualität, die durch Feinstrukturen (<0,1 mm) beeinflusst wird. 

Schließen Sie die Prüfschleife für den gesamten Lackierprozess
Nun können Sie die Oberflächenqualität nach jedem Lackierschritt objektiv kontrollieren. Kein Raten mehr, welche Substratebene das Endergebnis beeinflusst hat. Das wave-scan dual hilft ihnen, das Erscheinungsbild zu analysieren und verringert den Zeitaufwand zur Störungssuche. 
 

Beispiel: Einfluss der Blechrauheit auf das Erscheinungsbild
Schritt 1: Prüfung nach KTL-Auftrag
Der gleiche KTL wurde auf rauhes und auf glattes Blech aufgetragen. Der Einfluss der Rauheit kann in den erhöhten Werten von Wb und Wc erkannt werden (Abb. 17).

Schritt 2: Prüfung nach Füller-Applikation
Die beiden Bleche wurden mit gleichem Füller appliziert. Die Rauheit des Stahlblechs ist auch hier in den höheren WB- und WC-Werten sichtbar. Dieser Füller kann die Blechrauheit nicht vollständig abdecken. (Abb. 18).

Schritt 3: Prüfung auf dem Decklack
Nach der Decklackapplikation ist beim glatten Blech auch eine geringere Kurzwelligkeit erkennbar, dadurch ist das Erscheinungsbild brillanter. (Abb. 19).

wave-scan dual: Das Diagnosewerkzeug für Fehlersuche und Prozessoptimierung
Nun können Sie für jede Lackschicht Spezifikationen festlegen, um ein optimales Erscheinungsbild der fertigen Decklackoberfläche zu gewährleisten.

Abbildung 16 Prozessschritte einer Lackierung

Abbildung 17 Appearance Kontrolle nach KTL-Auftrag

Abbildung 18 Appearance Kontrolle nach Füller-Applikation

Abbildung 19 Appearance Kontrolle des Decklacks

9 Zusammenfassung

Die Appearance einer Automobillackierung kann von unterschiedlichen Parametern beeinflusst werden. Um die Qualität des Produkts glatt, brillant, und harmonisch zwischen angrenzenden Bauteilen halten zu können, liefert der wave-scan objektive Messwerte des Lackverlaufs und der Abbildungsqualität. Die Messergebnisse sind zu visuellen Studien korreliert, was zu kundenspezifischen Skalen führt, die zur Qualitätskontrolle verwendet werden können, um einen stabilen Prozess zu garantieren. Die detaillierten Daten des Strukturspektrums zeigen in die richtige Richtung, um die Appearance zu optimieren, Karosse und Anbauteile zu harmonisieren, und helfen den Prozess oder die Materialeigenschaften zu verbessern.