Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Kalibrierfreie Farbnachstellung bei Kunststoffen mittels absoluter Bestimmung der optischen Eigenschaften und optimiertem Rezeptieralgorithmus

Für die Nachstellung eines Farbstandards im Kunststoffbereich werden aktuell diverse Farbrezeptiersysteme verwendet. Für eine verlässliche Nachstellung der Farbe müssen im Rezeptiersystem alle Absorptions- und Streukoeffizienten der Farbmittel, Polymere, Additive und Füllstoffe hinterlegt werden, wofür Kalibrierreihen benötigt werden, deren Erstellung zeit- und kostenintensiv ist. In diesem Forschungsvorhaben wird eine messtechnische Entwicklung zur Bestimmung der optischen Koeffizienten (Absorptions- und Streukoeffizienten) vorgenommen und der Rezeptieralgorithmus so angepasst, dass die Farbrezeptierung signifikant schneller und ressourcenschonender erfolgen kann. Es werden dabei diverse Messmethoden für die Koeffizientenbestimmung eingesetzt, um die bestmögliche und kostengünstigste Methode zu ermitteln. Zusätzlich wird mit dem neuen Rezeptieralgorithmus die 3D-Geometrie des herzustellenden Bauteils sowie dessen Oberflächenrauheit berücksichtigt. Hierdurch wird der visuelle Unterschied zwischen der Vorlage, der Nachstellung und des fertigen Bauteils auf ein Minimum reduziert. Es wird somit eine deutliche Reduzierung von Personal-, Material- und Maschinenressourcen erreicht. Dies kommt insbesondere den kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) im Bereich der Farbnachstellung zugute, da eine größere Bandbreite an Farben und Materialien angeboten werden kann. Zusätzlich profitieren KMU auf Seiten der Messtechnik- sowie Softwarehersteller von den Ergebnissen, da sich für sie ein neuer Markt eröffnet. Von diesen Ergebnissen des Forschungsvorhabens profitieren neben der Kunststoffbranche auch alle anderen Branchen, in denen Farbnachstellungen eine entscheidende Rolle spielen, wie z. B. die Dentalmedizin, die Textil-, Lack- oder Druckindustrie.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurde die Möglichkeit der kalibrierfreien Farbrezeptierung bei Kunststoffen mit Hilfe der absoluten Bestimmung von Streu- und Absorptionskoeffizienten untersucht. Hierzu kamen zunächst definierte Phantomsysteme zum Einsatz anhand derer die Strahlungstransportgleichung für die Bestimmung der optischen Konstanten und die Optimierung der Farbrezeptierung angepasst wurde. Anschließend kamen reale Kunststoffproben zum Einsatz.

Für die Bestimmung der absoluten optischen Konstanten hat sich ein Aufbau mit einer Ulbrichtkugel als geeignetstes Verfahren herausgestellt, welches daher im gesamten Vorhaben verwendet wurde. Bei den realen Kunststoffproben wurden zunächst einmal transparente, amorphe Basispolymere mit Pigmenten untersucht, da diese die Bestimmung der absoluten Streu- und Absorptionskoeffizienten erleichtern.

Im Vergleich zu klassischen Rezeptiersystemen konnte der Aufwand zur Bestimmung der optischen Konstanten deutlich reduziert werden. Zudem konnte die Vorhersage der eingesetzten Pigmentmengen mit der kalibrierfreien Methode deutlich genauer getroffen werden als mit der klassischen Rezeptierung. Hierfür wurden die Optimierung der optischen Konstanten, die Optimierung der Reflektanzkurve sowie die Optimierung des Farbabstands dE* bei der Farbvorhersage untersucht. Die besten Ergebnisse lieferte hierbei die Optimierung der optischen Konstanten.

Für eine industrielle Umsetzung der Ergebnisse ist weiterer Forschungsbedarf an teilkristallinen Basispolymeren sowie Farbstoffen notwendig.