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Farbe leicht gemessen

Messkopf mit kleiner Messfläche für gekrümmte Flächen
Farbe leicht gemessen

Farbe ist ein sehr wichtiges Merkmal eines jeden Produktes. Sie ist das erste Kriterium, um die Qualität vieler Verbrauchsgüter zu beurteilen. Es ist Aufgabe des Qualitätsmanagements, eine permanent einheitliche Farbe eines Produktes von einer Lieferung zur nächsten zu garantieren. Um die Qualität eines Produktes zu gewährleisten ist sicherzustellen, dass die Komponenten, die von verschiedenen Lieferanten stammen können, eine einheitliche Farbe besitzen.

Dipl.-Ing.(FH) David Pryor, Geschäftsführer ColorLite GmbH

Die Farbe eines betrachteten Objektes ist von zwei Variablen abhängig: Die Oberflächenbeschaffenheit und die Lichtquelle.
Die Oberflächenbeschaffenheit bestimmt, welche und zu wie viel Grad Wellenlängen des sichtbaren Lichtspektrums absorbiert werden. Ein rotes Objekt erscheint rot, weil es hauptsächlich Licht im roten Spektralbereich reflektiert. Das rote Licht muss also ein Teil der Lichtquelle sein, die das Objekt beleuchtet.
Die Lichtquelle bestimmt deshalb auch die Farbe eines Objektes. Wird ein normalerweise rotes Objekt blau beleuchtet, nimmt man es als grau wahr. Da die Lichtverhältnisse sehr tages- oder ortsabhängig sind, wurde für die Farb-Kommunikation eine Reihe von Lichtarten standardisiert. Eine weit verbreitete Normlichtart ist D65 (für Tageslicht mit einer Farbtemperatur von 6500 Kelvin). Unser Farbeindruck entsteht durch das Licht, welches diffus von der Oberfläche eines Objektes reflektiert wird und in der Netzhaut des menschlichen Auges einen Farbreiz auslöst. Diese farbempfindlichen Sinneszellen (sog. Zapfen), können in drei Bereiche, entsprechend ihrer Empfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen Wellenlängen des sichtbaren Lichtes, eingeteilt werden. Diese Empfindlichkeit eines Normalbeobachters für einen Betrachtungswinkel von 2° wurde 1931 erstmalig von der CIE, oder Commission Internationale de l`Eclairage (übersetzt: Internationale Kommission für Beleuchtung) gemessen. Basierend auf dem Durchschnitt der Messergebnisse, wurden die Normspektralwertfunktionen abgeleitet. Im Jahr 1964 wurden dieselben Messungen für einen 10° Betrachtungswinkel durchgeführt. Die Ergebnisse unterschieden sich nur geringfügig, daraus ergab sich ein zweiter Satz Normspektralwertfunktionen für 10°.
Diese normierten Funktionen x10/2, y10/2, z10/2 werden weltweit in Systemen zur Farbmessung eingesetzt.
Unsere Empfindungen und Interpretationen einer Farbe sind stark subjektiv, d.h. jeder empfindet eine Farbe anders. Hinzu kommt, dass Alter, Augenermüdung oder andere physiologische Faktoren die Farbwahrnehmung deutlich beeinflussen können.
Wie arbeitet ein Spektralfotometer?
Farbwerte werden mit Hilfe einer Normlichtart (z.B. D65) und den drei Empfindlichkeitskurven eines 2° oder 10° Normalbeobachters errechnet. Diese standardisierten Normspektralwertfunktionen sind in Tabellen gespeichert. Die einzige Variable die nun gemessen werden muss, ist die Eigenschaft, wie eine Objektoberfläche das sichtbare Licht bei verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich stark absorbiert.
Die zwei Grundmethoden, um spektrale Farbmessung umzusetzen, sind:
Methode 1: Das Objekt mit einer monochromen Lichtquelle (z.B. Licht mit einem sehr geringen Wellenlängenbereich) zu beleuchten und zu messen, wie viel Licht von dieser Wellenlänge absorbiert wird.
Methode 2: Das Objekt mit einer polychromatischen, weißen Lichtquelle zu beleuchten und die Absorption der verschiedenen Wellenlängen unter Verwendung eines Monochromators zu messen (Bild 1).
Der Entwicklung von Halbleiter-Arrays in den siebziger Jahren, den CCD`s (Coupled Charged Devices), die Lichtsignale in elektrische Signale wandeln, ist es zu verdanken, dass neue, kleinere Spektralfotometer entwickelt werden konnten. Das einfallende Licht wird mittels eines konkaven Gitters in seine spektralen Bestandteile zerlegt und das Spektrum auf den Zeilenempfänger fokussiert. Ein Mikroprozessor bestimmt die spektrale Reflexion aus den Sensorsignalen. Die Ergebnisse lassen sich als Zahlenwerte oder Spektralkurven anzeigen.
Das Verhältnis zwischen dem Winkel des einfallenden Lichtes auf die Farbprobe und dem Winkel des von der Probe remittierten Lichtes zum Messelement bezeichnet man als Messgeometrie.
Messung kleiner und gekrümmter Proben
Das wichtigste Kriterium, welches die Anwendung instrumenteller Farbmesstechnik erfüllen muss, ist die Reproduzierbarkeit von Ergebnissen. Das Instrument an exakt der gleichen Position und im gleichen Winkel zu positionieren ist dabei unumgänglich.
Üblicherweise ist bei Spektralfotometern der Messkopf in die Steuereinheit integriert. Das komplette System muss also exakt positioniert und gleichzeitig noch bedient werden. Dies stellt kein Problem dar, solange das zu messende Objekt eine ausreichende Fläche zur Positionierung des Instrumentes aufweist.
Jedoch bieten die überwiegenden Erzeugnisse keine idealen Bedingungen, um Farben zu messen, sondern sind klein oder gekrümmt oder beides. Bei diesen Produkten lassen sich, wenn überhaupt, nur mit viel Aufwand die Farberscheinungen mit einer zuverlässigen Reproduzierbarkeit bestimmen.
Die Hauptkomponenten eines Spektralfotometers bilden die Lichtquelle und der Monochromator, ein Bauteil zur Analyse des diffus reflektierten Lichtes.
Das ColorLite sph850 verwendet eine Kombination aus neuartigen polychromatischen weißen und aus blauen LEDs (Light Emitting Diodes), um das Objekt zu beleuchten. Das diffus reflektierte Lichtspektrum wird mit Hilfe eines beim Forschungszentrum Karlsruhe neu entwickelten Mikrospektrometers gemessen. Die Kombination dieser zwei Bauteile machte die Entwicklung eines neuen, äußerst flexiblen Farbmessgerätes möglich.
Der Messkopf wurde realisiert mit einer Geometrie von 45°/0° entsprechend der DIN-Norm 4033, wobei die Proben unter einem Winkel von 45° rundum beleuchtet werden und das remittierte Licht unter einem Winkel von 0° gemessen wird. Der von der Bedieneinheit getrennte Messkopf hat einen Durchmesser von nur 25 mm und eine Länge von 60 mm. Die Messung startet automatisch, indem der aus Edelstahl gefertigte Probenmesskopf auf dem zu messenden Objekt platziert, und der federnd gelagerte Außenmantel nach unten gedrückt wird. Aufgrund des niedrigen Schwerpunktes kann eine durch Kippen negativ beeinflussbare Reproduzierbarkeit an gekrümmten Oberflächen ausgeschlossen werden.
Außer ihrer Robustheit, weisen die LEDs zusätzlich eine hohe Betriebsdauer auf. Im ColorLite sph850 Spektralfotometer werden sie pulsierend angesteuert, was sich nochmals positiv auf die Betriebsdauer auswirkt. Die Lichtstärke bleibt über die gesamte Lebensdauer des Gerätes konstant, welches wiederum die Wartungskosten reduziert und für stabile Messwerte sorgt.
Die Größe eines Farbmessgerätes hängt hauptsächlich von dem für die Farbmessung erforderlichen Spektrometer ab. Das LIGA (Lithografie, Galvanoplastik, Abformung) Spektrometer ist in einem Schutzgehäuse untergebracht und besitzt ungefähr die Maße eines Fingernagels.
Dieses Mikrospektrometer befindet sich in der Bedieneinheit und ist über einen Lichtwellenleiter mit dem Messkopf verbunden. Trotz der kleinen Abmessungen des Spektrometers, erreicht man eine sehr hohe spektrale Auflösung. Es wird ca. alle 3,5 nm ein Messwert erfasst. Entsprechend wird das sichtbare Spektrum im Bereich von 380 – 780 nm mit 110 Werten zu je 16 Bit Auflösung aufgezeichnet. Mit dieser spektralen Auflösung braucht das handliche und leicht zu bedienende Gerät trotz seiner kleinen Abmessungen keinen Vergleich mit anderen handführbaren Spektrofotometern zu scheuen.
Das ColorLite sph850 Spektralfotometer hat einen weiten Anwendungsbereich und wird unter anderem in der Kunststoff-, Leder-, Druck-, Farb-, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie eingesetzt. Automobilzulieferer sind eine typische Anwendergruppe aus der Kunststoffindustrie, in der die Kunststoffteile selten eben sind und eine hohe Farbqualität gefordert wird.
Zur Messung strukturierter Objekte steht der Modus Mehrfachmessung zur Verfügung.
Zur Messung inhomogener Oberflächen wie z.B. Granulaten, erweitert ein Messkopfadapter den Messfleck von 3,5 mm auf 25 mm.
Die Auswertung, Analyse und Protollierung der Farbwerte wird in einer PC-Software, dem Datenbankprogramm ColorDaTra vorgenommen. Zur komfortablen Verwaltung der Daten, incl. Projektmanagement, wird das Spektrofotometer durch eine RS232-Schnittstelle mit dem PC verbunden und die gespeicherten Farbwerte übertragen oder online gemessen. Eine vollfunktionsfähige Demo-Version kann unter www.colorlite.de heruntergeladen oder eine CD dort angefordert werden.
Fazit
Mit dem ColorLite sph850 ist es möglich geworden, eine breite Palette an Produkten zu messen, deren farbmetrische Erfassung vorher Schwierigkeiten bereitet hat. Der effektiv zu erfassende Messbereich beträgt im Durchmesser nur 3,5 mm. Dadurch und durch den kleinen externen Messkopf wird ganz besonders die Messung an gekrümmten Oberflächen erleichtert.
Colorlite GmbH, Katlenburg-Lindau
QE 509
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