Verfahren zur Messung von Haftung und Abriebfestigkeit von Beschichtungen und Tinten – Teil 2

Verfahren zur Messung von Haftung und Abriebfestigkeit von Beschichtungen und Tinten – Teil 2

Dies ist der zweite Teil einer zweiteiligen Serie über Verfahren zur Messung von Haftung und Abriebfestigkeit von Beschichtungen und Tinten. Diese Ausgabe behandelt die Abriebfestigkeit einschließlich neuer Geräte und Messverfahren.

Wie in Teil 1 Haftung – Plastics Decorating „Technology Feature“, Januar/Februar 2005 erörtert, sind Haftung und Abriebfestigkeit ausgehärteter Beschichtungen und Tinten zwei entscheidende Leistungseigenschaften. Diese Eigenschaften können voneinander abhängen, schließen sich aber oft gegenseitig aus. Das heißt, ausgehärtete Beschichtungen und Tinten können gute Haftung bei schlechter Abriebfestigkeit zeigen oder schlechte Haftung bei guter Abriebfestigkeit. Sachgerechte Prüfung und ein fundiertes Verständnis von Haftung und Abrieb stellen die Spezifikationskonformität sicher und sind bei der Lösung von Beschichtungs- und Druckproblemen unschätzbar. Die Identifikation des Versagensmechanismus – Haftung (Kohäsion), Abrieb oder beides – bestimmt die verfahrenstechnische Lösung. Dieser Beitrag behandelt mehrere unterschiedliche Prüfverfahren und Geräte. Dazu gehört ein neuer Linearabriebprüfer von Taber Industries, der für die Bewertung tatsächlicher Produktformen mit gekrümmten Oberflächen ebenso ausgelegt ist wie für ebene Proben. Fortschrittliche Messverfahren wie die hier genannten helfen Herstellern, überlegene Produktleistung und Six-Sigma-Prozessexzellenz zu erreichen.

Die wichtigsten Erkenntnisse

• Der Linearabriebprüfer testet reale Produktformen – konvex, konkav oder eben –, während der Rotationsabriebprüfer ebene Proben benötigt.
• Schleifpapier altert bei der Lagerung. Kaufen Sie nicht mehr als sechs Monate Bedarf; altes Papier nimmt Feuchtigkeit auf und schleift weniger.
• ASTM D4060, D6037, F1478, SAE J365 und Ford BN108-02 verweisen alle auf den Taber-Rotationsabriebprüfer.
• Die Ergebnisse ergeben sich aus Gewichtsverlust, Zyklenzahl oder dem sichtbaren Durchbruch bis zu einer kontrastierenden darunterliegenden Schicht.
• Die Fixierung ist Sache des Anwenders. Es gibt keinen universellen Standard zum Halten eines Produkts; entscheidend ist die Steifigkeit während der Prüfung.

Häufig gestellte Fragen

Lässt sich der Abrieb an gekrümmten oder konturierten Produkten prüfen?

Ja, mit einem Linearabriebprüfer. Austauschbare Aufsätze sind an einer frei schwimmenden Keilwelle montiert, die sich hebt und senkt, sodass der Aufsatz konvexen, konkaven oder ebenen Konturen folgt. Der herkömmliche Rotationsabriebprüfer kann konturierte Geometrien nicht direkt prüfen.

Wie lange bleibt Schleifpapier verwendbar?

Techniker empfehlen, nicht mehr als sechs Monate Bedarf zu kaufen. Altes Papier schleift weniger, weil es Feuchtigkeit aufnimmt; es sollte daher kühl und trocken gelagert werden. Als Richtwert liefert 11/16 Zoll breites Papier auf einem 2-Zoll-Kern etwa 1.800 Zyklen und eine Rolle 1/4 Zoll breites Polyesterband etwa 3.400 Zyklen.

Welche ASTM-Normen gelten für die Abriebprüfung von Beschichtungen?

Auf den Taber-Rotationsabriebprüfer wird in ASTM D4060 für organische Beschichtungen, in D6037 für die Kratzfestigkeit bei Trockenabrieb hochglänzender Beschichtungen und in F1478 für Bilder von Kopierern und Druckern verwiesen, außerdem in SAE J365 und Ford BN108-02. Der Abriebprüfer von Norman Tool entspricht ASTM F2357 für Folientastaturen.

Wie werden Abriebergebnisse quantifiziert?

Durch den Gewichtsverlust nach einer festgelegten Zyklenzahl, durch die Zyklenzahl, die zum Abtragen einer Einheit der Schichtdicke erforderlich ist, oder visuell anhand vorgegebener Standards, wenn die Beschichtung bis zum Substrat oder zu einer kontrastierenden Schicht durchgescheuert ist. Beschichtungen müssen vor der Prüfung vollständig ausgehärtet sein.

Wie sollte ein Produkt für die Linearabriebprüfung fixiert werden?

Angesichts der Vielfalt prüfbarer Produkte gibt es keinen universellen Standard. Der Endanwender wählt eine geeignete Klemme oder Vorrichtung – manchmal einen Standard-Schraubstock, manchmal etwas Aufwendigeres. Wesentlich ist, dass das Produkt während der gesamten Prüfung starr bleibt.

Abriebprüfverfahren

Es gibt zahlreiche Abriebprüfverfahren, und wie bei der Haftungsprüfung muss jedes Unternehmen entscheiden, welche Methode(n) sein spezifisches Produkt am besten bewerten. Viele Branchen nennen je nach Marktanwendung des Produkts spezifische ASTM-Anforderungen. Norman Tool Abrader ist der Originalhersteller des bekannten „RCA“-Abriebverschleißprüfers. Seit 1964 fertigt, vertreibt und exportiert Norman Tool, Inc. Abriebverschleißprüfer, mit denen lackierte oder galvanisierte organische Oberflächen, Folien und aufgedruckte Tastenbeschriftungen auf Abrieb- und Verschleißfestigkeit geprüft werden. Sie werden häufig in der Automobil-, Haushaltsgeräte-, Mobiltelefon- und Kunststoffbeschichtungsindustrie eingesetzt. Über die Jahre wurde das System kontinuierlich hinsichtlich Genauigkeit und Bedienkomfort weiterentwickelt.

Dieses Gerät ist ein Punktkontakt-Abriebprüfer und kann ebene und konkave (reale) Produkte prüfen. Die Gewichte betragen 55 Gramm, 175 Gramm und 275 Gramm. Funktionsprinzip und Zweck der Prüfung ist es, eine aufgebrachte Oberfläche auf einem beliebigen Substrat durch Gewicht (Last) durchzuscheuern. Der Durchscheuerpunkt ist erreicht, wenn an einer Fehlstelle oder beim Durchscheuern der Deckschicht eine zweite Oberfläche oder Beschichtung in kontrastierender Farbe oder Tönung freigelegt wird. Die Bedienung erfolgt so: Eine Probe mit der abzuscheuernden Beschichtung wird auf einer Haltevorrichtung platziert, die an der Grundplatte des Prüfers befestigt ist, damit sie sich beim Scheuern nicht bewegt. Das Scheuermaterial, Papier, wird dann durch die Maschine gefädelt und an der Aufwickelwellenbaugruppe befestigt. Nach Abschluss der Einrichtung wird der Zähler auf null gestellt, und die Motoren werden eingeschaltet, um den Prüfzyklus zu starten. Bei einer vorgegebenen Zyklenzahl wird die Maschine gestoppt, und die vertikale Welle wird angehoben, um die geprüfte Stelle zu beurteilen. Die Maschine kann auch im Dauerbetrieb laufen. Jede an Kunden weltweit gelieferte Probenplatte wird anhand des „Master RCA Abrasion Wear Tester“ von Norman Tool vorab auf Genauigkeit und Reproduzierbarkeit geprüft.

Einige Techniker empfehlen dringend, das Papier nicht für mehr als sechs Monate Bedarf zu kaufen. Altes Papier schleift weniger, weil es Feuchtigkeit aufgenommen hat. Lagern Sie das Papier in kühler, trockener Umgebung. Papier der Größe 11/16 Zoll Breite x 8 Zoll Außendurchmesser auf 2-Zoll-Kern, ungeölt, liefert etwa 1.800 Zyklen. Eine Rolle Papierband, 1/4 Zoll breites Polyesterband, liefert etwa 3.400 Zyklen. Das Papier ist nur bei Norman Tool erhältlich. Der Norman Tool Abrader entspricht ASTM F 2357, Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Abriebfestigkeit von Tinten und Beschichtungen auf Folientastaturen mit dem Norman-Tool-„RCA“-Abriebprüfer. Norman Tool hat ein neues pneumatisches Fingerprüfgerät.

Taber Industries fertigt seit 1941 Abrieb- und Verschleißprüfgeräte. Der originale Taber-Rotationsabriebprüfer (unten abgebildet) ist für die Prüfung ebener Proben bei konstanter Geschwindigkeit ausgelegt, auch solcher, die lackiert, beschichtet oder bedruckt sind. Produkte mit konturierten Geometrien können mit diesem Gerät nicht direkt geprüft werden.

Auf einem rotierenden Drehteller montierte Proben werden der Reibverschleißwirkung gewichtsbelasteter Schleifräder ausgesetzt. Die von der Probe angetriebenen Räder erzeugen Abriebspuren, die auf einem Kreisring ein Muster sich kreuzender Bögen bilden.

Die Abriebfestigkeit lässt sich berechnen über den Gewichtsverlust nach einer festgelegten Zahl von Abriebzyklen, über die Zyklenzahl, die zum Abtragen einer Einheit der Schichtdicke erforderlich ist, oder visuell anhand der abgetragenen Beschichtungsmenge im Vergleich zu vorgegebenen Standards. Für genaue Ergebnisse müssen die Beschichtungen oder Tinten auf den Prüfproben vollständig ausgehärtet sein. Zudem sind Verfahren zur sachgerechten Oberflächenbearbeitung der Räder vor jedem Versuch beschrieben.

Der Rotationsabriebprüfer wird in zahlreichen Normen genannt, darunter ASTM D 4060 Standardprüfverfahren zur Abriebfestigkeit organischer Beschichtungen mit dem Taber Abraser, ASTM D 6037 Standardprüfverfahren zur Kratzfestigkeit hochglänzender Beschichtungen bei Trockenabrieb, ASTM F 1478 Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Abriebfestigkeit von Bildern aus Kopierern und Druckern (Taber-Verfahren), SAE J365 Prüfverfahren zur Scheuerfestigkeit von Verkleidungsmaterialien sowie Ford-Motor-Company-Prüfverfahren BN108-02 Abriebfestigkeit – Taber Abraser.

Die neueste Generation von Abriebprüfmaschinen ist der Taber Linear Abraser Modell 5700 (links abgebildet). Dieser neue Linearabriebprüfer wurde entwickelt, um die Prüfung tatsächlicher Produkte zu ermöglichen.

Mit einer oszillierenden Linearbewegung sind austauschbare Aufsätze am Ende einer frei schwimmenden Keilwelle montiert. Während der Arm zyklisch bewegt wird, hebt oder senkt sich die Welle so, dass der Aufsatz den Konturen der Produktform folgt – konvex, konkav oder eben.

Taber Industries hat kürzlich eine neue Version seines Linearabriebprüfers vorgestellt, das Modell 5750. Es wurden viele neue und fortschrittliche Funktionen ergänzt, darunter a) Digitalanzeige, b) Laser-Ausrichthilfe, c) Mindestlast von 60 Gramm, d) variable Hubgeschwindigkeit von 2–75 mit sechs Voreinstelltasten und e) neue Aufsätze für vielseitige Prüfungen.

Mit branchenüblichen Taber-Radmaterialien wird die Verschleißfestigkeit von Werkstoffen, einschließlich Kunststoffen, mit Linearbewegung geprüft. Wie beim Taber-Rotationsabriebprüfer, dem Wearaser™, muss das Material vor dem Einsatz nachbearbeitet werden. Die Maschinenmodelle 5700/5750 verfügen über einen automatischen, programmierbaren Nachbearbeitungsmodus.

Hublänge, Geschwindigkeit und Last lassen sich für jede Prüfung individuell anpassen. Mit den programmierbaren Steuerungen kann bis zu einer voreingestellten Zahl von Hubzyklen oder im Dauerbetrieb bis zum Abtrag der Beschichtung bzw. des Drucks geprüft werden. Der Universalaufsatzkopf ermöglicht die Wahl ASTM-zertifizierter Schleifmedien, oder der Anwender setzt sein eigenes Scheuermaterial ein, das für eine bestimmte Branche spezifisch sein kann. Die Linearabriebprüfer Modelle 5700/5750 lassen sich auch für Kratz-, Reib-, Münz- (Dime, Nickel usw.) und Crockmeter-Prüfungen konfigurieren. Wie bei vielen Abriebprüfern lassen sich die Ergebnisse durch Gewichtsverlust oder anhand visueller Standards bestimmen, wenn die Oberflächenbeschichtung bis auf das Substratmaterial oder einen Teil davon abgetragen wurde (Durchbruch).

Beim Crock-Test (Farbübertragung) wird das Crocktuch daraufhin bewertet, wie viel Farbe auf das Tuch übertragen wurde; er ist in ASTM D 6279 Standardprüfverfahren zur Reibabriebfestigkeit hochglänzender Beschichtungen und in ASTM F 1319 Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Abrieb- und Schmierfestigkeit von Bildern aus Geschäftskopierprodukten enthalten. Taber strebt derzeit weitere ASTM-Zertifizierungen für die Linearabriebprüfer Modelle 5700/5750 an.

Angesichts der Vielfalt der auf dem Linearabriebprüfer prüfbaren Produkte gibt es keinen universellen Standard, um ein Produkt für die Prüfung in Position zu fixieren. Der Endanwender bestimmt eine für das Produkt geeignete Klemme oder Spannvorrichtung. In manchen Fällen wird ein Standard-Schraubstock verwendet. Bei anderen Produkten können aufwendigere Spannvorrichtungen erforderlich sein. Wichtig ist, dass das Produkt während der Prüfung in starrer Position bleibt.

Neben dem Norman RCA Abrasion Wear Tester und den in diesem Beitrag behandelten Taber-Rotations- und -Linearabriebprüfern gibt es unzählige weitere Haftungs- und Abriebprüfgeräte in Branchenkatalogen und in der Fachliteratur. Zu diesen international anerkannten Verfahren zählen ASTM D 3363 Standardprüfverfahren für die Filmhärte mittels Bleistifttest; der Balanced Beam Scrape Adhesion and Mar Tester für ASTM D 2197 Standardprüfverfahren für die Haftung organischer Beschichtungen durch Ritzhaftung und D5178-98(2002) Standardprüfverfahren für die Kratzfestigkeit organischer Beschichtungen; sowie ABREX®-Abriebprüfung auf bedruckten/beschichteten Oberflächen unter dem Einfluss verschiedener Flüssigkeiten (Schweiß, Lotion, Öle) durch simulierte Finger-/Handkontaktbewegung gemäß DIN EN 60068-2-70. ABREX® ist ein neues Gerät, zu dem zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Beitrags nur begrenzte Informationen verfügbar waren.

Zusätzlich zu diesen Prüfungen entwickeln viele Unternehmen hauseigene Verfahren mit anspruchsvollen digitalen Prüfsystemen wie Geräten von Com-Ten und Instron, die viele ASTM-Verfahren integrieren. Je nach Verwendungszweck eines Produkts kann die Leistungsprüfung auch Prüfungen der Chemikalien- und Lösemittelbeständigkeit, Wasserlagerung mit anschließendem Klebebandtest, Geschirrspüler- und Waschmaschinentests usw. umfassen. Unternehmen setzen bei Produktentwicklung und Fertigung häufig mehrere Prüfverfahren ein.

Prüfnormen und Prozessexzellenz

Viele Unternehmen wenden einige der in diesem Beitrag behandelten Prüfverfahren aus Notwendigkeit an, d. h. um Aufträge zu gewinnen, indem sie nachweisen, dass ihre Fertigungsprozesse bestimmten Industrienormen entsprechen. Leider sind sich Hersteller Feldausfällen oft nicht bewusst, bis Kunden nicht konforme Produkte zurückgeben. Standardmäßig wird dann „schlechte Haftung“ verantwortlich gemacht. Durch ein fundiertes Verständnis der vielen möglichen Ursachen von Haftungs- versus Abriebversagen können Ingenieure die entscheidenden Grundursachen gezielt identifizieren und Korrekturmaßnahmen umsetzen.

Prüfungen sollten nicht nur der Produktentwicklung und der Fehlersuche vorbehalten bleiben. Eine kontinuierliche Inline-Prüfung von Produkten mit den vorgestellten Verfahren und Techniken sowie mit Six-Sigma-Methoden stellt eine robuste Fertigung sicher.

Danksagung

• American Society of Testing and Materials International
• BYK Gardner
• Gardner Company
• Norman Tool, Inc
• Taber Industries

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident der The Sabreen Group, Inc. (TSG). TSG ist ein globales Ingenieurunternehmen, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung, Laserbeschriftung und Produktsicherheit. Weitere Informationen erhalten Sie gebührenfrei unter (888)-SABREEN oder auf www.sabreen.com und www.plasticslasermarking.com.

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