Schichtdickenmessgerät

Mit einem Schichtdickenmessgerät wird die Dicke von Beschichtungen gemessen, deren Material sich von dem des Untergrundes unterscheidet. Damit sichergestellt ist, dass die mit einem Schichtdickenmessgerät gemessenen Werte korrekt sind, werden die Geräte kalibriert. Eine Kalibrierung ist die Überprüfung der Messgenauigkeit eines Gerätes. Diese Kontrolle kann zum Beispiel mit Hilfe von sogenannten Kalibriernormalen erfolgen. Bei einer Waage nutzt man zur Kalibrierung Gewichte bestimmter Genauigkeit.

Bei einem Schichtdickenmessgerät werden dazu Kalibrierfolien verwendet. Auf diesen Folien ist in der Regel der jeweilige Wert der Schichtdicke vermerkt, so dass er sehr einfach mit dem Messwert des Gerätes zu vergleichen ist. Oft gehört zum Schichtdickenmessgerät bereits ein Set Kalibrierfolien und jeweils eine Grundplatte für metallische und nicht metallische Untergründe. Für spezielle Messungen kann es sinnvoll sein, zusätzliche Kalibrierfolien und die jeweiligen Grundplatten für die zu prüfenden Materialien bereitzuhalten. Beim Beschichtungsuntergrund ist es wichtig zu beachten, dass sich auch unterschiedliche Oberflächenstrukturen und Rauigkeiten auf das Messergebnis auswirken können.

Anlass und Häufigkeit der Kalibrierungen können je nach Schichtdickenmessgerät und dessen Einsatzgebiet erheblich variieren. Generell ist zu empfehlen, ein Schichtdickenmessgerät vor der ersten Messung und bei jedem Wechsel des Beschichtungsuntergrundes auf einem möglichst gleichartigen Untergrund neu zu kalibrieren. Bei einigen Modellen sollte auch jedes Mal dann kalibriert werden, wenn von der Prüfung eines Schichtdickenbereiches zu einem anderen gewechselt wird. Ein Beispiel wäre, wenn zunächst Werkstücken mit geforderten 0,07 Millimeter Auftragsdicke und dann Teile mit einer Beschichtungsstärke von beispielsweise 0,28 Millimeter geprüft werden.

Dieser Typ von Schichtdickenmessgerät wir dann jeweils mit der am besten zum zu prüfenden Bereich passenden Folie auf dem entsprechenden Untergrund geprüft, bevor die Messreihen gestartet werden. Diese Vorgehensweise wird Ein-Punkt-Kalibrierung genannt, da das Schichtdickenmessgerät nur auf einen bestimmten Wert geprüft und gegebenenfalls für diesen justiert wird. Andere Modelle mit Mehrpunkt-Kalibrierung können durch eine Kalibrierung mit unterschiedlichen Folien in einem Kalibriervorgang bei verschiedenen Schichtdicken überprüft und wenn erforderlich über das Gerätemenü korrigiert werden. Mit diesen Geräten können dann ohne erneute Kalibrierung unterschiedlichste Schichtdicken gemessen werden.

Falls es im Rahmen der betrieblichen Qualitätssicherung erforderlich ist, kann ein Schichtdickenmessgerät natürlich auch in einem externen Labor kalibriert werden. Für die Vorgehensweise bei diesen Kalibrierungen gibt es zwei unterschiedliche Standards, den nach DIN EN ISO 9001 und den aufwändigeren nach DIN EN ISO 17025, der auch als DAkkS Kalibrierung bezeichnet wird. Bei beiden Verfahren wird ein Kalibrierzertifikat ausgestellt, in dem der Ablauf der Überprüfung, die Messergebnisse und die Abweichungen dokumentiert werden. Mit diesen Zertifikaten kann nachgewiesen werden, welche Genauigkeit das Schichtdickenmessgerät zum jeweiligen Prüfzeitpunkt aufwies.

Zudem kann davon ausgegangen werden, dass das Gerät auch in dem Zeitraum zwischen zwei Kalibrierungen, in denen die gerätespezifischen Anforderungen an die Genauigkeit erfüllt wurden, korrekt gemessen hat.

Zur Messung von Schichtdicken haben sich verschiedene zerstörungsfreie Methoden etabliert. Diese Messverfahren können nach verschiedenen Aspekten unterteilt werden. Zu den ausschlaggebenden Kriterien bei der Geräteauswahl zählen unter anderem die Eignung des Verfahrens für das Material und die Messbedingungen.

Nach dem Kontakt mit dem zu prüfenden Bauteil

Berührende Verfahren nach dem Untergrund der Beschichtung

Magnetinduktives Verfahren
Bei diesem Typ Schichtdickenmessgerät, wird durch niederfrequenten Strom ein magnetischer Fluss zum ferromagnetischen Grundmaterial erzeugt. Die Gerätesonde erfasst den magnetischen Widerstand, der durch nichtmagnetische Beschichtungen erhöht wird. Da ein direkter Zusammenhang zwischen diesem Widerstand und der Dicke der Beschichtung besteht, kann das Schichtdickenmessgerät aus dem Messwert die Schichtdicke ermitteln.

Ein magnetinduktives Schichtdickenmessgerät kann also die Dicke aller nichtmagnetischen Beschichtungen auf Eisen und Stahl bestimmen. Die Dicke von Schutzschichten aus Zink, Chrom, Emaile oder Lack lässt sich mit den kompakten Geräten einfach und zerstörungsfrei jederzeit prüfen. Korrosions- und Brandschutzbeschichtungen an gefährdeten Stahlbauteilen können also ohne großen Aufwand regelmäßig kontrolliert werden.

Wirbelstrom Verfahren
Ein Schichtdickenmessgerät, das mit dem Wirbelstromverfahren arbeitet, induziert durch hochfrequenten Strom Wirbelströme in elektrisch leitfähigem Material. Befindet sich eine nicht leitfähige Schicht zwischen Sonde und leitfähigem Grundmaterial eine nicht leitfähige Beschichtung, wird das Magnetfeld des Sensors schwächer vom Magnetfeld der erzeugten Wirbelströme überlagert. Aus der Stärke der Änderung des Sensormagnetfeldes kann das Schichtdickenmessgerät die Dicke der isolierenden Schicht bestimmen.

Das Schichtdickenmessgerät kann mit dem Wirbelstromverfahren die Dicke von elektrisch nicht leitfähigen Anstrichen oder Überzügen auf nicht magnetischem, aber elektrisch leitfähigem Untergrund messen.

Ultraschall Reflexionsverfahren
Ein Ultraschall Schichtdickenmessgerät kann Beschichtungen auf Metallen und Nichtmetallen messen. Sender und Empfänger sind dafür meist in der gleichen Sonde angeordnet. Der ausgesendete Ultraschall dringt durch die Beschichtung und wird von der Oberfläche des Grundmaterials teilweise oder komplett reflektiert. Damit das Schichtdickenmessgerät aus der Zeitdauer bis zum Eintreffen der reflektierten Schallwellen die Schichtdicke berechnen kann, muss die Schallgeschwindigkeit des Beschichtungsmaterials bekannt und im Gerät ausgewählt sein.

Einige Modelle vom Ultraschall Schichtdickenmessgerät bieten die Möglichkeit, Schallgeschwindigkeiten an Werkstoffproben mit bekannter Dicke zu bestimmen und als Materialwert zu speichern.

Thermografie für die flächige Erfassung von Schichtdicken
Bei thermografischen Verfahren wird die Oberfläche der beschichteten Elemente erwärmt und das zeitliche Abkühlverhalten auf Wärmebildern sichtbar gemacht. Je geringer die Schichtdicke, desto schneller sinkt die Temperatur. Es bestehen keine besonderen Anforderungen bezüglich Leitfähigkeit, Lichtdurchlässigkeit oder Farbe an die Materialien von Untergrund und Beschichtung.

Ein fotothermisches Schichtdickenmessgerät ermöglicht die mikrometergenaue Bestimmung der Beschichtungsdicke. Mit einer einzigen Messung kann eine große Fläche mit geringem Zeitaufwand überprüft werden. Unregelmäßigkeiten der Beschichtung sind im Wärmebild sofort erkennbar. Aus der Verteilung und der Position der zu hohen bzw. zu niedrigen Beschichtungsstärke können direkte Schlussfolgerungen für Anpassungen des Beschichtungsprozesses gezogen werden.

In der EN ISO 2808 werden die Methoden zur Bestimmung der Schichtdicke nach dem Zustand der Beschichtung unterteilt in Verfahren zur Bestimmung der Nassschichtdicke, der Trockenschichtdicke und der Dicke nicht eingebrannter Pulverschichten. Die in der Norm aufgeführten elektromagnetischen Verfahren funktionieren nur auf magnetischen bzw. elektrisch leitfähigen Untergründen. Alle anderen Verfahren sind auch für Beschichtungen auf Nichtmetallen wie Glas, Kunststoff, Holz oder Beton geeignet.

Die EN ISO 2808 beschreibt folgende Methoden:

- zur Ermittlung der Nassschichtdicke:
    - die mechanischen Verfahren:

• Messkamm (ASTM D 4414),
• Messrad (ASTM D 1212) und
• Messuhr,

    - das gravimetrische Verfahren,
       bei dem die Schichtdicke über die Massendifferenz ermittelt wird und

    - das fotothermische Verfahren (EN 15042-2),
       in dem die Unterschiede bei der Wärmeableitung ausgewertet werden.

- zur Ermittlung der Trockenschichtdicke:
    - die mechanischen Verfahren:

• Dickendifferenzmessung mit Messschraube / Mikrometer (ASTM D 1005),
• Tiefenmessung mit der Messuhr,
• Profilabtastung mit dem Profilometer (ISO 4518),

    - das gravimetrische Verfahren,
    - die optischen Verfahren:

• mit Querschliff / Querschnitt (ISO 1463) und Messmikroskop oder
• Keilschnitt (DIN 50986) und Messmikroskop,

     - die elektromagnetischen Verfahren mit:

• Haftkraft,
• Magnetfeldänderung,
• Magnetoinduktion,
• Wirbelstrom,

    - das radiologische Betarückstreu-Verfahren (ISO 3543),
    - die fotothermischen Verfahren (EN 15042-2) und
    - die Ultraschall-Reflexionsmethode.

Zur zerstörungsfreien Prüfung der Dicke von Beschichtungen auf Nichtmetallen haben sich vor allem Messungen mit Ultraschall durchgesetzt. In der holzverarbeitenden Industrie und anderen Branchen sind die Schichtdickenmessungen mit dem Ultraschallverfahren inzwischen als zuverlässiges Prüfverfahren anerkannt. Der internationale Standard ASTM D 6132 beschreibt das Prüfverfahren ausführlich als Methode zur Bestimmung der Trockenschichtdicke organischer Beschichtungen auf Untergründen wie Beton, Holz, Pappe, Kunststoff oder Metall.

Ein mobiles Ultraschall Schichtdickenmessgerät ermöglicht jederzeit und an beliebigen Orten die schnelle Kontrolle der beschichteten Bauteile. Die Messungen sind, da sie zerstörungsfrei sind, beliebig oft wiederholbar. Das eingesetzte Messprinzip stellt dabei keine besonderen Anforderungen an das Material des Beschichtungsuntergrunds. Um unterschiedliche Beschichtungsarten präzise messen zu können, wurden Gerätemodelle entwickelt, die mit verschiedenen externen Sensoren genutzt werden können. Ein Ultraschall Schichtdickenmessgerät lässt sich mit Hilfe von Kalibrierfolien sehr einfach auf seine Messgenauigkeit überprüfen.

Für stetige Messungen an Beschichtungsanlagen werden dagegen oft auch andere Verfahren genutzt. Je nach Material, Prüflingsgeometrie, örtlichen Bedingungen und den Anforderungen an die Messergebnisse wird das technisch und wirtschaftlich am besten passende Schichtdickenmessgerät ausgewählt und in die Abläufe integriert. Die thermografischen Verfahren mit Wärmebild haben den Vorteil, dass in einer Messung große Flächen erfasst und ausgewertet werden können.

Messung vor dem Einbrennen des Pulvers
In der EN ISO 2808 „Beschichtungsstoffe - Bestimmung der Schichtdicke“ gibt es einen extra Absatz für die Bestimmung der Dicke nicht eingebrannter Pulverschichten. Dort sind das gravimetrische, das magnetinduktive, das Wirbelstrom-Verfahren und das magnetinduktive Verfahren beschrieben. Auch wenn das Ultraschall-Reflexionsverfahren nicht in diesem Abschnitt genannt wird, sind mittlerweile auch Geräte verfügbar, die mit dem Ultraschall-Verfahren die Schichtdicke noch nicht eingebrannter Pulverlacke messen können.

Um die Auftragsstärke des Farbpulvers bereits vor dem Einbrennen zu kontrollieren, werden Verfahren bevorzugt, die die beschichtete Oberfläche nicht beschädigen. Für Kontrollmessungen bei nicht komplett automatisierten Abläufen eignet sich beispielsweise ein mobiles Ultraschall Schichtdickenmessgerät. Zur Messung werden die beschichteten Teile aus der Pulverkabine gefahren und dann an den kritischen oder charakteristischen Stellen geprüft.

Dazu muss der Sensor vom Schichtdickenmessgerät den ungehärteten Lack nicht berühren. Der vom Sensor ausgesendete Ultraschall trifft auf die Lackoberfläche und wird von dort teilweise reflektiert. Die in der Pulverschicht weitergeleiteten Wellen treffen auf die nächste Grenzschicht an der wiederum ein Teil reflektiert wird. Die Schichtdicke kann durch die Auswertung der Laufzeiten des reflektierten Schalls ermittelt werden. Falls zu wenig Pulver aufgetragen wurde, können die betroffenen Stellen vor dem Einbrennen nachbeschichtet werden. Falls notwendig, kann die Einstellung der Beschichtungsanlage dann sofort für die nächsten Werkstücke angepasst werden.

Messungen nach dem Einbrennen des Pulvers
Die Dicke eingebrannter Pulverbeschichtungen kann wie bei anderen fertigen Beschichtungen entweder zerstörend oder zerstörungsfrei gemessen werden. Da für die zerstörenden Prüfungen meist ein höherer Aufwand erforderlich ist, werden für viele Anwendungen zerstörungsfrei funktionierende Methoden eingesetzt. Im Fertigungsprozess können beispielsweise die gravimetrische oder die fotothermische Messung als Kontrollmessung in automatisierte Abläufe integriert werden.

In nicht automatisierten Betrieben und am Bestimmungsort der beschichteten Teile kann die Schichtdicke des erhärteten Pulvers mit einem mobilen Schichtdickenmessgerät jederzeit geprüft werden. Egal ob Fahrzeugteile, Bauwerkselemente oder Behälter, mit einer für den Untergrund passenden Sonde ist die Bestimmung der Lackdicke schnell und unkompliziert. Besonders einfach ist die Messung auf Stahl oder anderen metallischen Untergründen.

Ein Schichtdickenmessgerät das magnetinduktiv bzw. mit Wirbelstrom auf metallischen Untergründen misst, benötigt nach der Kalibrierung keine zusätzlichen Einstellungen. Ultraschall Schichtdickenmesser funktionieren auf metallischen und nichtmetallischen Untergründen, benötigen aber für die korrekte Auswertung die charakteristische Schallgeschwindigkeit des Beschichtungsmaterials.