Farbe am laufenden Band Spektrale Farbmesstechnik in der Stahlindustrie

Die Aufgabe Annähernd 20.000t Stahl durchlaufen monatlich die riesige Halle der Bandbeschichtungsanlage 2 der Salzgitter Flachstahl GmbH, einer Tochter der Salzgitter AG. Gefertigt werden hier Feinbleche, die mit einem vollständigen Lacküberzug versehen werden. Die applizierten Lacksysteme sind so abgestimmt, dass eine anschließende umformende Weiterverarbeitung beim Kunden möglich ist. Die Feinbleche werden für die unterschiedlichsten Produkte eingesetzt: Fahrzeuge, Garagentore, Dächer, Hallenkonstruktionen, Konsumgüter… Ein durchgängig gleichbleibender Farbauftrag ist ein herausragendes Qualitätsmerkmal des zu fertigenden Produktes. Eine Aufgabe des Qualitätsmanagements und der Produktionsleitung besteht darin, eine optimale, d.h. kontinuierliche Farbkontrolle mit einer möglichst effizienten Produktionsweise in Einklang zu bringen. Der von der Salzgitter Flachstahl GmbH mit dieser Aufgabe betraute Projektleiter Dipl.-Ing. (FH) Gero Leukefeld formuliert es so: \“Die Lackqualität zu Beginn eines Beschichtungsauftrags wurde bisher durch aus der Historie bekannte Rezepte bestimmt und durch eine Probebeschichtung bestätigt. Jetzt können wir direkt Inline die Qualität bestätigen und so auf Nebenzeiten im Fertigungsprozess verzichten. Die Einführung neuer Produkte wird in kürzerer Zeit möglich, die Definition optimaler Rezepte ist ohne aufwendige Probenfahrweise möglich. Die realisierte Einsparung an Probebeschichtungen übertraf unsere Erwartungen bei weitem.\“ Es ist jetzt mit der Inline-Farbmessung eine Möglichkeit geschaffen worden, die Farbkontrolle direkt während der Produktion durchzuführen, unmittelbar nach Auslauf des Stahlbandes aus dem Beschichtungsofen. Da die Bleche kurz nach dem Farbauftrag und Verlassen des Ofens noch heiß sind, wurde nach einem Farbmesssystem gesucht, das in der Lage wäre, unter den schwierigen Umgebungsbedingungen an der Beschichtungsanlage 2 zuverlässig zu arbeiten. Die Umsetzung Da das Material möglichst früh nach Verlassen der Beschichtungsanlage in einem warmen Zustand gemessen werden musste, bestand bei dieser messtechnischen Aufgabe ein wesentliches Problem in der sogenannten Thermochromie. Bei der Farbmessung spielt die Temperatur der zu messenden farbigen Oberfläche eine tragende Rolle. Ein Beispiel: Ist die Oberfläche bei der Farbmessung 20° wärmer als im Normalzustand, kann dieses, etwa bei der Farbe Rot, eine Abweichung um mehr als 2 Delta-E Einheiten des Farbwertes bedeuten. Geforderte Toleranzgrenzen wären somit nicht anwendbar. Die Umsetzung verlangte außerdem hohe Anforderungen an die Präzision des Messsystems, gegeben durch die von der Salzgitter Flachstahl GmbH festgelegten engen Farbtoleranzen des Endproduktes. Da an mehreren Stellen gleichzeitig gemessen werden sollte, wird eine ebenso hohe Anforderung an die Geräteübereinstimmung gestellt. Neben der Messgenauigkeit war auch die Reproduzierbarkeit der Messdaten über einen längeren Zeitraum unentbehrlich. Die Lösung Die Aufgabe wurde erfolgreich durch die Installation des spektralen Online-Farbmesssystems (Spektralphotometer) ColorLite TC4 gelöst. Die spektrale Farbmessung gilt als die mit Abstand genaueste Messmethode. Das System arbeitet mit einer 45/0° Messgeometrie. Die Probe wird direkt mit langlebigen Hochleistungs-LEDs beleuchtet, das diffus reflektierte Licht in einem Winkel von 0° durch eine optische Faser erfasst und in 3,5nm Abständen von einem Gitterspektrometer gemessen. Die Vorteile der Verwendung von LEDs sind Langlebigkeit und die gute Langzeitstabilität der Messwerte. Dies ist wichtig, weil Tag und Nacht durchgehend Messungen durchgeführt werden. Die Abtastung des Bandes durch die Messköpfe erfolgt berührungslos in ca. 30mm Abstand (Bild 1). Der Wellenlängenbereich umfasst 400-700nm. Die Farbwerte werden nach der Norm DIN5033 berechnet. Das ganze System arbeitet vollautomatisch und misst dauerhaft in kurzen Abständen. Das Online-Messsystem verfügt über vier frei positionierbare Messköpfe, die so in die Beschichtungsanlage integriert sind, dass jeweils zwei die Ober- und Unterseite des Bandes messen. Automatisiert können die Messköpfe an verschiedene Positionen gefahren werden, um sich so an unterschiedliche Breiten des Stahlbandes anzupassen oder um eine Kollision mit Heftnähten zu verhindern. Bei Betriebsstörungen der Produktionsanlage fahren die Messköpfe programmgesteuert zur Seite. Die Anlage ist weiterhin mit einer vollautomatischen Kalibriereinheit ausgestattet. Bei Bedarf werden die Messköpfe zur Kalibriereinheit gefahren und ein Weißabgleich durchgeführt. Zusätzlich wird danach mit einer Grün-Referenz die Kalibrierung überprüft. Mit der Anlage verbunden ist eine speziell programmierte Datenbank-Software. Design und Funktionen entstanden in enger Zusammenarbeit mit der Salzgitter Flachstahl GmbH und können auch nachträglichen etwaigen Erfordernissen angepasst werden. Die Software hat eine zentrale Aufgabe: Anhand durch die von der Software aufbereiteten Messdaten wird die Beschichtungsanlage gesteuert. Die L*a*b* Farbwerte werden aufgezeichnet und den Salzgitter-Mitarbeitern in der Prozessleitzentrale visualisiert. Dadurch haben die Kontrolleure die Möglichkeit, umgehend in den Produktionsprozess einzugreifen und den Farbton in zulässigen Grenzen zu halten. Bei dem geforderten Messmodell handelt es sich um Referenzmessungen, d.h. es wird nicht nur absolut, sondern relativ in Bezug zu einer hinterlegten Referenzfarbe gemessen. Zu dem Gesamtsystem gehört aus diesem Grund auch ein Labormessgerät. Hier liegt die Lösung des Thermochromie-Problems: Über das Labormessgerät werden die Referenzfarben mit verschiedenen Oberflächentemperaturen eingemessen. Da in der Beschichtungsanlage die Farbe gegenüber der Zimmertemperatur erhöht ist, wird im Labor die Referenzfarbe mit einer Oberflächen-Temperaturkurve aufgenommen, welche Informationen über die Thermochromieeigenschaft der jeweiligen Farbe liefert. Die Tabellen werden zusammen mit den Farbwerten in der Datenbank hinterlegt und dienen zur Auswertung der gemessenen Online-Messdaten. Eine weitere Funktion des Laborgerätes ist der Einsatz als zusätzliches Kontrollinstrument für die Freigabe der produzierten Bänder. Lohnende Zukunftsinvestition