Durch dick und dįnn - OptiSense GmbH & Co. KG

MESS- UND PRÛFTECHNIK
Durch dick und dçnn
Online-Schichtdickenmessung in der Automobilserienlackierung
Manfred Hayk, Georg Nelke,
Bochum, Bekim Maxharray,
Bietigheim-Bissingen, JoÈrg
Perschbacher und Andreas
Lindenthal, Ingolstadt
Immer kuÈrzere Produktzyklen, strengere
Umweltgesetzgebungen, hoÈhere Anforderungen
des Kunden an das Endprodukt
sowie technologische VeraÈnderungen
haben erhebliche Auswirkungen auf
die Anlagen- und Prozesstechnik in modernen
Lackierereien.
In Beschichtungs- und Produktionsprozessen,
insbesondere in der Groûserienfertigung,
ist heute und in Zukunft
ein sehr hoher Automatisierungsgrad
selbstverstaÈndlicher Bestandteil, um die
steigenden QualitaÈtsanforderungen innerhalb
eines angemessenen Kostenrahmens
zu erfuÈllen.
Schlçsselparameter
Schichtdicke
Die Schichtdicke spielt in den komplexen
Applikationsprozessen in der Auto-
Insbesondere in automatisierten Beschichtungsprozessen ist die kontinuierliche
Kontrolle beziehungsweise Messung der aufgetragenen
Schichtdicke unmittelbar nach der Lack-Applikation, also im ¹Nasszustandª,
unabdingbar. Nur so sind Korrekturen der aufgetragenen
Schichtdicken im laufenden Betrieb moÈglich. Das weltweit erste robotergestuÈtzte
Online-Schichtdickenmesssystem zur automatischen Prozessregelung
wurde vergangenes Jahr bei Audi in Ingolstadt in
Betrieb genommen und im Praxiseinsatz erfolgreich getestet.
mobilindustrie eine zentrale SchluÈsselrolle.
Aus den Schichtdicken-Messwerten
koÈnnen RuÈckschluÈsse auf die OberflaÈchenbeschaffenheit,
die Farbe, den
Glanz etc. einer beschichteten Karosserie
getroffen werden.
Eine Unterbeschichtung bei der Grundierung
des WerkstuÈcks beziehungsweise
der Karosserie �KTL- und Primer-Beschichtung)
fuÈhrt zu einem unzureichenden
Korrosionsschutz und verkuÈrzt
damit die Lebensdauer des Produkts.
Die Base.coat-Schichtdicke fungiert
ausschlieûlich als farbgebende Schicht
und hat auf die KorrosionsbestaÈndigkeit
und andere technologische Eigenschaften
einen vernachlaÈssigbaren Einfluss.
Bei einer Ûberbeschichtung treten unnoÈtige
Belastungen der Umwelt, erhoÈhte
Materialkosten durch zu hohen Verbrauch
von Beschichtungsmaterialien
und ein hoÈheres Fahrzeuggewicht auf,
und die Wahrscheinlichkeit der unerwuÈnschten
Kocher- und LaÈuferbildung
auf der LackoberflaÈche nimmt deutlich
zu. Weiterhin wird der gewuÈnschte optische
Effekt, der Farbton und damit der
QualitaÈtseindruck der Beschichtung
nicht erreicht. Eine Unterbeschichtung
hingegen fuÈhrt zu einer nicht ausreichenden
Deckkraft und BestaÈndigkeit.
Die bisher uÈberwiegend eingesetzten
Verfahren und GeraÈte zur Schichtdickenmessung
arbeiten beruÈhrend und
koÈnnen erst nach dem Einbrennprozess
eingesetzt werden �zum Beispiel WirbelstrommessgeraÈte).
Je nach LaÈnge des Ofens �Anzahl der
Karosserien im Trocknungsprozess),
dem Zeitbedarf fuÈr den jeweiligen Trockenprozess
und der Mess- beziehungsweise
Reaktionszeit fuÈr eine manuelle
mo Jahrg. 55 �2001) 5 © Carl Hanser Verlag, MuÈnchen 45

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MESS- UND PRÛFTECHNIK
Bild 1. PaintCheckercompact, bewegt
durch einen Roboter
Schichtdickenmessung nach dem Einbrennen
kann erst mit einer erheblichen
zeitlichen VerzoÈgerung korrigierend in
den Applikationsprozess eingegriffen
werden.
Die Schichtdickenmessung erfolgt nur
stichprobenartig durch einen Mitarbeiter.
In der Regel werden dazu in regelmaÈûigen
AbstaÈnden Karosserien in unterschiedlichen
Beschichtungsstadien
aus dem laufenden Prozess ausgeschleust
und im QualitaÈts-Audit manuell
gemessen.
Unter UmstaÈnden muss bei einer
Fehlbeschichtung eine erhebliche Anzahl
von beschichteten Karosserien in
einer so genannten Repair-Schleife
nachgearbeitet oder auf Grund des zu
kostspieligen Aufwands fuÈr die Nacharbeit
verschrottet werden. Das blockiert
den laufenden Produktionsprozess und
erfordert einen zusaÈtzlichen Kostenaufwand.
Weiterhin erfordert der Einsatz
von Messkarosserien bei der EinfuÈhrung
von neuen Farben beziehungsweise Lacken
einen hoÈheren Kosten- und Personalaufwand.
Online-
Schichtdickenmesssystem
Die Firmen OptiSense, Bochum, und
DuÈrr, Bietigheim-Bissingen, haben mit
Audi, Ingolstadt, ein Online-Schichtdi-
ckenmesssystem konzipiert, um den Beschichtungsprozess
unmittelbar nach
der Applikation kontrollieren und regeln
zu koÈnnen. Dazu wurde das PaintChecker-Messsystem
der Firma OptiSense
in Zusammenarbeit mit DuÈrr Systems
und Audi fuÈr den Einsatz in industriellen
und automatisierten Applikationsprozessen
optimiert.
Das System bietet viele MoÈglichkeiten
fuÈr den stationaÈren Einsatz sowie fuÈr
den Einsatz auf Robotern oder Positioniereinheiten
in direkter Umgebung der
Lack-Applikation.
Vor dem Aufbau des Komplettsystems
wurde das Messsystem in einem mehrmonatigen
Testbetrieb auf einer zweiachsigen
Positioniereinheit in einer Lackierstraûe
bei Audi, Ingolstadt, erfolgreich
getestet. Mit den daraus gewonnenen
Ergebnissen wurde das Gesamtsystem
speziell fuÈr den Einsatz auf Robotern
in der Automobilserienlackierung
optimiert.
ZusaÈtzlich integrierten die Ingenieure
einen optischen Abstandssensor zur Kollisionskontrolle
in die MesskoÈpfe. FuÈr die
Komplettanlage, die aus ein bis zwei
sechsachsigen Robotern und jeweils einem
Messkopf besteht, wurde der gesamte
Prozessablauf mit einer RobCAD-Computersimulation
erstellt und getestet.
Die Kooperationspartner installierten
die gesamte Messstation innerhalb eines
Monats waÈhrend des Produktionsbetriebes
sowie an produktionsfreien Wochen-
Bild 2. Pilotversion des Online-Messsystems bei Audi in Ingolstadt
enden bei Audi und nahmen sie anschlieûend
in Betrieb.
Nach der Kalibrierung des Messsystems
auf die unterschiedlichen spezifischen
Farbgruppen und Lacksysteme erfolgt
die Messung auf den aufeinander
folgenden Karosserien voll automatisch.
Die erreichte Prozesssicherheit liegt bei
0,8 µm uÈber den gesamten Schichtdickenbereich.
Im September 2000 wurde das Komplettsystem
durch Audi vor Ort abgenommen.
Die Inbetriebnahme des Online-Schichtdickenmesssystems
erfolgte
in vier Projektstufen in der Audi-Lackiererei
in Ingolstadt.
Anlagenintegration
In der Stufe 1 wurde die FunktionalitaÈt
des Messsystems uÈberpruÈft und die Reproduzierbarkeit
fuÈr die Schichtdickenmessung
von < 1 µm auf einer zweiachsigen
Positioniereinheit in der Lackierstraûe
bei Audi in Ingolstadt nachgewiesen.
Stufe 2 umfasste die Integration und
Inbetriebnahme des Gesamtmesssystems
in eine bestehende A3-Applikationslinie
bei Audi. Der Bedienungsaufwand
fuÈr den Anlagenbediener wurde
auf ein Minimum reduziert �Bild 3) und
die Visualisierungs-OberflaÈche EcoPaint
Screen �DuÈrr Systems) auf die Online-
Schichtdickenmessung abgestimmt. Die
Schichtdickenverteilungen lassen sich
vom Anlagenbediener durch die visuelle
Jahrg. 55 �2001) 5

Bild 3. Visualisierung ± Messergebnis Schichtdickenverteilung auf einer
A3-Karosserie vor der Optimierung
Darstellung der Karosserie schnell lokalisieren
und korrigieren.
In der Stufe 3 wurde die vollautomatische
Schichtdickenmessung uÈber die
gesamte Karosserie umgesetzt ± circa
800 Einzelmesswerte pro Karosse. Die
Schichtdickenmesswerte werden kontinuierlich
grafisch und numerisch visualisiert
und in einer uÈbergeordneten Datenbank
archiviert. Das Messsystem
warnt den Anlagenfahrer vollautomatisch
bei Ûber- beziehungsweise Unterbeschichtungen
oder einer Abweichung
von der gewuÈnschten Schichtdickenverteilung.
Dazu wird der tendenziell zu erwartende
Schichtdickenverlauf verfolgt
und angezeigt. Mit einer so genannten
Problemzonendarstellung lassen sich
Schichtdicken auf ausgewaÈhlten Problemstellen
der Karosserien uÈber beliebige
ZeitraÈume beobachten.
Derzeit wird in der Stufe 4 der vollautomatische
Regelkreis zur RuÈckfuÈhrung
der Messergebnisse auf den Lackierprozess
im Basislackbereich aufgebaut, damit
ohne manuellen Eingriff die Prozessparameter
uÈberwacht und geregelt
werden koÈnnen. Dieses Projekt soll im
naÈchsten Jahr abgeschlossen werden.
Einfahren
eines neuen Farbtons
Die Visualisierung in Bild 3 zeigt das Ergebnis
der Online-Schichtdickenmessung
mit dem Messsystem PaintChecker
unmittelbar nach der Umstellung der
Lackierstraûe auf einen neuen Lack beziehungsweise
eine neue Lackfarbe.
Auf jeder KarosserieoberflaÈche werden
ein Netz aus circa 800 Einzel-
messwerten vollautomatisch gemessen
und die Messwerte zu Mittelwerten ± jeweils
aus fuÈnf Einzelmesswerten ± zusammengefasst.
Der minimale Messpunktabstand
�Punkteraster) betraÈgt
20 mm.
Die grafische Darstellung indiziert Zonen,
in denen eine Unterbeschichtung
gemessen wurde, mit roten Punkten und
Zonen, in denen eine Ûberbeschichtung
festgestellt wurde, mit gelben Punkten.
In den Zonen, die mit gruÈnen Punkten
gekennzeichnet sind, liegen die Schichtdickenwerte
innerhalb der vorgegebenen
Toleranzen beziehungsweise Grenzwerte.
Magentafarbige Punkte bezeichnen
Fehlmessungen.
Bei GrenzwertuÈber- beziehungsweise
-unterschreitung wird der Anlagenfahrer
automatisch optisch und akustisch gewarnt,
um unverzuÈglich den notwenigen
Eingriff vorzunehmen.
Im vorliegenden Beispiel wird nach
der Umstellung auf eine neue Farbe
noch nicht optimal appliziert. Durch die
entsprechenden Einstellungen an der
elektrostatischen Applikationseinheit
wird die Schichtdickenverteilung optimiert.
WaÈhrend der Einstellung koÈnnen
die Ønderungen online verfolgt und kontrolliert
werden.
Durch das unmittelbare Messen der
Schichtdicke nach der Lackapplikation
�der zeitliche Abstand zwischen Lackapplikation
und Online-Messung betraÈgt
etwa 2Minuten) ist eine manuelle Fehlerbehebung
innerhalb von wenigen Minuten
moÈglich.
In einem weiteren Schritt wird die
Anlagenregelung voll automatisiert, so
dass durch die erreichte Prozesssicher-
MESS- UND PRÛFTECHNIK
Bild 4. Visualisierung ± Messergebnis Schichtdickenverteilung auf einer
A3-Karosserie nach der Optimierung
heit ein Eingriff des AnlagenfuÈhrers nahezu
uÈberfluÈssig wird.
Vor der Installation des Messsystems
waÈren diese Fehlbeschichtungen erst im
Finishbereich, das heiût nach der Fertigstellung
der komplett lackierten Karosserie
oder bei der naÈchsten Stichprobenkontrolle
mit einer deutlichen ZeitverzoÈgerung
erkannt worden.
Durch den Einsatz des Messsystems
in Verbindung mit moderner Robotertechnologie
ist es Audi erstmalig gelungen,
den Schichtdickenverlauf online
auf den Karosserien abzubilden.
In Bild 5 sind die Messwerte von 14
aufeinander folgenden Karosserien in
einem Diagramm aufgetragen, um
SchichtdickenverlaÈufe, Relationen und
Problemzonen zu erfassen und die KontinuitaÈt
der Beschichtung zu kontrollieren.
Ziel ist es, den minimal moÈglichen
Schichtdickenwert gleichmaÈûig auf der
gesamten KarosserieoberflaÈche zu erzeugen.
Im oberen Teil von Bild5 ist der
Schichtdickenverlauf der rechten Karosserieseite
nach der Optimierung dargestellt.
Im unteren Teil ist die Schichtdickenverteilung
auf der linken Karosserieseite
ohne Optimierung abgebildet.
Mit der durchgefuÈhrten Optimierung
konnte fuÈr mehrere FarbtoÈne eine mittlere
Schichtdickenreduzierung um circa
2 µm �entsprechend 15 bis 20 %) uÈber
die gesamte Karosserie erreicht werden.
Statistik- und
Datenbankfunktionalitåt
Alle Messwerte und -reihen werden der
entsprechenden Karosserie zugeordnet
Jahrg. 55 �2001) 5 47

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MESS- UND PRÛFTECHNIK
Bild 5. Visualisierung
± Messwerte auf 14
Karosserien mit und
ohne Optimierung
und in einer uÈbergeordneten Datenbank
abgelegt. Aus diesen Daten kann unter
anderem eine Statistik uÈber die Fehlerart
und -haÈufigkeit, die SchichtdickenverlaÈufe
und Tendenzen fuÈr einen Tag, eine
Woche, einen Monat etc. erstellt werden.
Bei Reklamationen hat der Automobilhersteller
mit der entsprechenden Fahrzeugnummer
immer Zugriff auf die bei
der Produktion ermittelten Daten.
Das fuÈr den Robotereinsatz optimierte
Online-Schichtdickenmessystem Paint-
Checkercompact arbeitet in der oben beschriebenen
Anwendung mit einer Messwiederholrate
von 10Hz. So werden in
Verbindung mit der Roboterbewegung
pro Messkopf circa 400 Einzelmessungen
und damit circa 800Messwerte auf
jeder Karosserie online ermittelt.
Die Messungen erfolgen kontinuierlich
bei einer Relativbewegung des Roboters
zur Karosserie mit einer Geschwindigkeit
von 200mm/s �12m/
min), die vom Messsystem optisch passiv
kompensiert wird. Damit erzielt man
Bild 6. Kalibrierte
Schichtdickenverteilung
Basislack trocken
�majagelb
metallic) entlang des
Messwegs beziehungsweise
der Roboterbahn
auf der
Motorhaube
SD / mum
16
14
12
10
8
6
4
2
0 0
ein Messpunktenetz mit einer Rasterbreite
von 2cm uÈber die gesamte Karosserie.
Kalibrierung des Messsystems
Die Online-Schichtdickenmessung erfolgt
auf dem feuchten Lack direkt nach
der Lack-Applikation. Ûber Kalibrierwerte
ermittelt das Messsystem die
Trockenschichtdicke aus den feucht gemessenen
Messdaten.
Die Kalibrierung erfolgt komplett in
der Linie und unterteilt sich in vier Stufen.
In der ersten Stufe wird auf einer
Probekarosserie die Schichtdickenverteilung
der Vorbehandlung und Grundierung
an vorher genau definierten Punkten
�etwa 120 Punkte mit einer Schablone
auf der Motorhaube) mit einem WirbelstrommessgeraÈt
ermittelt.
In der zweiten Stufe wird unter Produktionsbedingungen
ein deutlich ausgepraÈgter
Schichtdickenkeil �5 bis
15 µm) mit einem vorgegebenen Robo-
Wirbelstrom
PaintChecker
20 40 60 80 100 120
Messpunkt
140
ter- und Applikationsprogramm auf der
ProbeflaÈche/Motorhaube aufgetragen.
Direkt nach der Applikation werden die
vorbestimmten Messpunkte mit einem
speziellen Roboterprogramm in der Produktionslinie
exakt angefahren und die
Schichtdicke online ermittelt.
Nach dem Einbrennen der Beschichtung
�ohne Klarlack) werden die gleichen
Punkte mit einer Schablone nochmals
mit dem WirbelstrommessgeraÈt
vermessen �Stufe 3). Durch die exakte
Zuordnung �Fehlpositionierung < 5mm)
der per Wirbelstromverfahren erzeugten
Differenzdaten kann die Verteilung der
Basislackschichtdicken in ein VerhaÈltnis
zu den Messungen im feuchten Zustand
gesetzt werden. Aus diesem VerhaÈltnis
lassen sich die zugehoÈrige Ausgleichsgerade
beziehungsweise die Kalibrierparameter
ermitteln und in einer Parameterdatei
hinterlegen.
PaintChecker-Messsystem
Das Messsystem PaintChecker ist ein
beruÈhrungslos und zerstoÈrungsfrei arbeitendes
Laser-Messsystem, welches
auf der Basis eines modifizierten photothermischen
Messverfahrens arbeitet.
Es misst die applizierten Schichtdicken
online im Nasszustand fuÈr unterschiedliche
Lack-/Substratkombinationen innerhalb
von wenigen Millisekunden mit
einer Genauigkeit von bis zu 1% der aktuellen
Schichtdicke. Auf Grund der
sehr hohen oÈrtlichen AufloÈsung, des
kleinen Messflecks �Durchmesser 2 mm)
und der WinkelunabhaÈngigkeit �± 45°)
kann die Schichtdicke auch auf raÈumlich
kleinen Strukturen, gekruÈmmten,
abgewinkelten und schwer erreichbaren
FlaÈchen gemessen werden �Bild1).
Die zulaÈssige Relativbewegung zwischen
Messkopf und Messgut ermoÈglicht
die Online-Schichtdickenmessung
auf Bauteilen, die sich mit Geschwindigkeiten
bis zu 12m/min �entsprechend
200 mm/s) bewegen, ohne zusaÈtzliche
Modifikation des Messsystems.
Bild6 zeigt die korrelierten Schichtdickenverteilungen
der Online-Schichtdickenmessung
und der Referenz-Wirbelstrommessung
auf der Testkarosserie.
Das dargestellte Schichtdickenprofil
entsteht durch eine zweifach gefaltete
Bahn entlang eines Schichtdickenkeils
auf der Motorhaube. In Bild 7 ist die Ermittlung
der Ausgleichsgerade bezie-
Jahrg. 55 �2001) 5

hungsweise der 16
Kalibrierparameter
dargestellt. Die er- 14
reichteStandardabweichung der
12
Messwertpaare
10
entlang der Ausgleichsgeraden
liegt in Bild 6 bei
8
0,8 µm.
6
Die groÈûte Fehlerquelle
fuÈr die
4
Kalibrierung wird 2
durch die Berechnung
der Differenzschichtdicken
0
80
aus den Wirbelstrommessungen
und durch die Ungenauigkeit
des WirbelstrommessgeraÈts
vorgegeben. Die Online-Schichtdickenmessung
erfolgt mit einer deutlich hoÈheren
Genauigkeit und Reproduzierbarkeit.
SD_Hand (trocken) / mum
Untergrundeinfluss
Der ¹nasseª Basislack wird auf einer getrockneten
Funktionsschicht aus KTLund
FuÈllerschicht aufgetragen. Damit
muss ein Einfluss des Untergrunds bei
der Schichtdickenmessung beruÈcksichtigt
werden. Um den Einfluss des Untergrunds
auf die Messung zu ermitteln
und damit auch die Umrechnung des
noch feuchten Basislacks in Trockenschichtdicken
�Kalibrierungsgrundlage)
zu ermoÈglichen, wurden bei OptiSense
in Bochum wie auch in der Lackierstra-
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
SD_PAC (feucht) / 1
Bild 7. Kalibrierkurve Basislack trocken
Regression
ûe bei Audi in Ingolstadt umfangreiche
Tests durchgefuÈhrt.
Bedingt durch den noch hohen
Wasseranteil der frisch aufgetragenen
Base.coat-Schicht erscheint die zuletzt
aufgetragene, feuchte Schicht im Vergleich
zur eingebrannten Grundierung
aus KTL und Primer zum Zeitpunkt der
Messung photothermisch gesehen deutlich
dicker. Mit den in der Linie ermittelten
Kalibrierkoeffizienten der feucht
gemessenen Schichtdicken ergab sich,
dass eine Schwankung der Untergrundbeschichtung
um weniger als ein Zwanzigstel
bis zu einem Dreiûigstel in die
Bestimmung der Basislackschichtdicke
eingeht.
Demnach reicht schon eine grobe Bestimmung
der Untergrundschichtdicken
MESS- UND PRÛFTECHNIK
aus, um die Trockenschichtdicke mit einer
Genauigkeit von weniger als 1 µm
ermitteln zu koÈnnen.
Jahrg. 55 �2001) 5 49
Fazit
Nach dem halbjaÈhrigen, erfolgreichen
Betrieb der Pilotanlage bei Audi, Ingolstadt,
sollen im Jahr 2001 drei weitere
Lackierstraûen im Base.coat-Bereich mit
jeweils einem Online-Schichtdickenmesssystem
ausgestattet werden. Audi
ist weltweit der erste Anwender dieser
Technologie.
Die Autorendieses Beitrags
Dipl.-Ing. Manfred Hayk studierte Physikalische
Technik an der MFH Iserlohn, Fachrichtung
Lasertechnik und optische Messtechnik.
Derzeit ist er bei der OptiSense GmbH & Co.
KG, Bochum, als Entwicklungsingenieur taÈtig.
Dipl.-Phys. Georg Nelke studierte Physik an
der UniversitaÈt Bonn. Derzeit ist er GeschaÈftsfuÈhrer
der OptiSense GmbH & Co. KG, Bochum.
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Bekim Maxharraj studierte
an der UniversitaÈt Paderborn Wirtschaftsingenieurwissen.
Derzeit ist er als Entwicklungsingenieur
bei der DÛRR Systems
GmbH in Bietigheim-Bissingen taÈtig.
Dipl.-Ing. JoÈrg Perschenbacher studierte Automatisierungstechnik
an der UniversitaÈt Bochum.
Derzeit ist er in der Fertigungsplanung
Lackierereien bei der Audi AG in Ingolstadt
taÈtig.
Dr.-Ing. Andreas Lindenthal, studierte Verfahrenstechnik
an der UniversitaÈt Erlangen
und promovierte im Fach StroÈmungsmechanik.
Derzeit ist er als technischer Sachbearbeiter
Lackapplikation bei der Audi AG in Ingolstadt
taÈtig.