Использование трехмерной терагерцовой импульсной визуализации для анализа автомобильных покрытий

Цвет автомобиля – один из важнейших для продажи факторов, поэтому неудивительно, что эффективность и контроль качества многослойных покрытий является одним из ключевых вопросов в автомобильной индустрии. Покраска автомобиля также имеет важное значение для защиты от ржавчины и обеспечения водонепроницаемости.
Сегодняшний стандарт отрасли – нанесение на автомобиль нескольких слоев краски. 

Первый этап – нанесение на корпус первого слоя с применением катодного электрически осажденного покрытия. Его основное назначение – антикоррозийная защита и подготовка поверхности к нанесению последующих слоев. На данном этапе частицы покрытия наносятся на стальные панели в ванне для окраски электрическим осаждением. Затем все остатки покрытия смываются, и корпус перемещается в печь, где краска запекается при температуре около 180°C. 

Рисунок 1. Схема слоев покрытия, наносимых на корпус автомобиля. Изображение слева – металлический корпус автомобиля, изображение справа – деталь из термопластического олефина (ОЛК). Подписи на рисунке: Clearcoat - Прозрачный слой; Basecoat - Подложка; Primer - Грунтовка; Electrocoat - Электрически осажденное покрытие; Car body - Корпус автомобиля; TPO - ТПО; μm - мкм.

Второй грунтовочный слой наносится для выравнивания каких-либо неровностей и может быть отшлифован. В качестве промежуточного слоя между катодным электрически осажденным покрытием и отделочным покрытием, прогрунтованная поверхность также обеспечивает защиту от ударов мелкими камнями и не дает проникать ультрафиолетовому излучению на электрически осажденное покрытие.

Следующий функциональный слой – подложка. Назначение подложки – обеспечить цвет. Благодаря содержанию широкого ряда цветных пигментов и эффективных частиц, она играет существенную роль в создании визуального впечатления от окрашенного корпуса. Конечный слой, наносимый на панель автомобиля – прозрачный. Данный слой играет функциональную роль закрепления предыдущих слоев. Он должен выдерживать определенные испытания, такие как стойкость к воздействию прямого солнечного света и погодных условий, а также промышленных химических веществ и натуральных биологических веществ (капли птичьего помета и т.д.). Кроме того, основное качество сегмента прозрачного слоя – сохранение очень высокой стойкости к появлению царапин даже при естественном износе автомобиля.

Помимо покраски металлических панелей автомобилей очень важное значение имеет контроль качества покрытий деталей из отлитых в листы компаундов (ОЛК) –  стеклоармированных термореактивных панелей, используемых на бамперах и крышах, например, панелях из термопластического олефина (ТПО). Хотя краски, используемые для покрытия пластиковых деталей, похожи на краски, наносимые на остальные части автомобиля, детали из ОЛК достаточно сложно красить, так как слои краски не очень хорошо закрепляются к пластиковой подложке.

К имеющемуся на рынке на сегодняшний день оборудованию для измерения толщины покрытия относятся: ультразвуковые измерительные приборы, вихретоковые регуляторы толщины и электромагнитные зонды. Все эти технологии основаны на контактных измерениях. Пригодность альтернативных технологий регуляторов покрытия описана в Таблице 1 (элементы Таблицы 1 взяты из работы «Applied Optics», том 44, № 32, стр. 6849, 2005 г.).

В отличие от существующих технологий, трехмерная ТИВ  имеет следующие преимущества:
- Удаленное бесконтактное измерение
- Подходит для большинства пленочных покрытий и подложек.
- Высокая четкость и точность определения толщины.
- Возможность измерения толщины отдельных слоев в многослойных покрытиях.
- Измерение однородности распределения толщины покрытия по окрашиваемому участку.
- Выявление дефектов покраски и возможность определения происхождения дефектов.
- Мониторинг процессов сушки покрытий. 

Таблица 1. Сравнение технологий контроля автомобильных покрытий.

Терагерцовая импульсная визуализация

 Исследования проводились с помощью системы формирования изображений TeraView TPI™ imaga 1000. Основанная на собственной технологии TeraView, данная автономная система позволяет специалисту быстро создавать изображение любого объекта в трех измерениях.

Терагерцовые импульсы попадают на деталь автомобиля, повто-ряются либо отражаются от разных скрытых слоев (например, на стыке прозрачного слоя и подложки) и замеряются в каждой точке панели. Отражения или повторения возникают в терагерцовом отраженном колебании каждый раз, когда имеется структурное изменение испытуемого объекта, приводящее к изменению индекса рефракции и/или коэффициента поглощения материала. Изображения создаются путем отражения проходящего растровое сканирование ТГц-участка.

Система может просканировать участок 25 x 25 мм за 20 минут и с пространственным разрешением 300 мкм (с частотой 1 ТГц) и разрешением по оси – 30 мкм (в воздухе).

  Результаты и обсуждение 

Металлические панели

В испытуемой панели с металлической подложкой, как правило, наблюдаются четыре пика в терагерцовом спектре, которые разделяет расстояние, зависящее от толщины слоя.

Терагерцовое колебание, отраженное от одной точки на панели автомобиля. Пики проявляются в ТГц-колебании всякий раз, когда происходит взаимодействие в испытуемом объекте. Просканировав ТГц-пучком весь образец, можно создать трехмерные изображения – и тем самым контролировать однородность и толщину каждого отдельного слоя и выявлять дефекты. Подписи на рисунке: Clearcoat - Прозрачный слой; Basecoat - Подложка; Primer - Грунтовка; Electrocoat - Электрически осажденное покрытие; THz amplitude/arb units - ТГц-диапазон (п.е.); Optical delay/mm - Оптическая задержка (мм).

Первый пик в терагерцовом спектре объясняется отражением от внешней поверхности про-зрачного слоя. Второй пик вызван отражением от контакта нижних поверхностей между прозрачным слоем и подложкой. Третий (отрицательный) пик объясняется отражением от поверхности контакта между слоем подложки и грунтовочным слоем. Четвертый пик вызван отражением от места контакта грунтовочного слоя и слоя электрически осажденного покрытия.

Трехмерное ТИВ-изображение показывает расположение поверхностей контакта на участке испытуемой панели 50 мм. На данном рисунке видно наличие дефекта в месте контакта электрически осажденного покрытия и грунтовочного слоя.

Трехмерное изображение детали автомобиля, созданное с помощью технологии ТИВ™. Слой 1 соответствует месту контакта воздуха/прозрачного слоя, слой 2 – прозрачного слоя/подложки, слой 3 – подложки/грунтовки, и слой 4 – грунтовки/электрически осажденного покрытия. Дефект, распознанный ТИВ, обведен зеленым.

Такой дефект не заметен на поверхности панели автомобиля, он объясняется дефектом либо в слое электрически осажденного покрытия, либо в поверхности стальной панели. На рисунке показаны те же два двумерных поперечных сечения на основе трехмерного изображения, представленного выше. Как видно, трехмерная ТИВ позволяет четко определить толщину каждого отдельного слоя, исследуемого бесконтактным методом. Кроме того, помимо определения толщины слоя на изображении справа трехмерная ТИВ выявила дефект электропокрытия.

Двухмерное поперечное сечение испытуемой панели без дефекта (слева) и с дефектом (справа). На изображении дефект обведен зеленым. Подписи на рисунке: No defect present - Дефекты отсутствуют; Defect present - Дефекты присутствуют; depth (mm) - глубина (мм).

Терагерцовое изображение квадратного участка площадью 2 кв. дюйма испытуемой детали. Терагерцовое изображение поворачивается таким образом, что можно увидеть тыльную поверхность слоя электрически осажденного покрытия. Данный рисунок показывает наличие трех дефектов, взятых в кружки. Однако только дефект, обведенный зеленым, можно распознать с передней поверхности путем внешнего осмотра. Обведенные голубым дефекты не заметны при внешнем осмотре.

 Металлические панели

В испытуемой детали с ТПО-подложкой также, как правило, наблюдаются четыре пика в терагерцовом спектре, которые разделяет расстояние, зависящее от толщины слоя. Первый пик в терагерцовом колебании объясняется отражением от внешней поверхности прозрачного слоя. Второй пик вызван терагерцовым отражением от контакта нижних поверхностей между прозрачным слоем и подложкой. Третий (отрицательный) пик объясняется терагерцовым отражением от поверхности контакта между слоем подложки и грунтовочным слоем. Четвертый пик вызван отражением от места контакта грунтовочного слоя и ТПО-подложки.

Фотография и трехмерное терагерцовое изображение ТПО-подложки испытуемой панели. ТГц-изображение поворачивается таким образом, что можно увидеть тыльную поверхность панели. Трехмерная ТИВ™ позволила определить дефект (обведен зеленым), который незаметен при внешнем осмотре

Трехмерное изображение показывает расположение мест контакта на исследуемом участке пластиковой детали. На рисунке видно наличие дефекта в месте контакта ТПО-подложки и грунтовочного слоя. Такой дефект незаметен даже при очень близком внешнем осмотре панели. Ниже показаны два двумерных сечения на основе этого трехмерного изображения. На левом изображении не показано наличие дефектов – здесь можно только проверить толщину слоев с помощью бесконтактного метода.
На правом изображении можно проверить толщину слоев, а также визуально определить наличие дефекта на испытуемой панели. С помощью Рисунков 8 и 9 можно увидеть, что дефект образовался из-за наличия пузырька между ТПО-подложкой и грунтовочным слоем, т.e. в данном участке не было адгезии между грунтовочным слоем и пластиком.

Первое двумерное поперечное сечение подложки пластиковой испытуемой детали не показало наличие дефекта (слева), а на втором (справа) виден дефект. На изображении дефект обведен зеленым. Дефект образовался из-за наличия пузырька между ТПО-подложкой и грунтовочным слоем, т.e. на данном участке не было адгезии между грунтовочным слоем и пластиком. Подписи на рисунке: No defect present - Дефекты отсутствуют; Defect present - Дефекты присутствуют; depth (mm) - глубина (мм).

Выводы

Технологию трехмерной терагерцовой импульсной визуализации (ТИВ) от TeraView можно использовать для неразрущающей и быстрой характеристики толщины и однородности слоев покрытия на деталях автомобилей. Кроме того, трехмерная ТИВ предоставляет уникальную возможность определять наличие дефектов и их происхождение в многослойных металлических и пластиковых автомобильных панелях (деталей из отлитых в листы компаундов (ОЛК)).