Messung von Isolierschichten auf Elektroblechen

Die Ölschichtdickenmesssysteme EMG SOLID® IR und LIF lösen das Problem

Elektrobleche sind - zusammen mit Magneten und lackierten Kupferdrähten - Schlüsselkomponenten für die Herstellung von Elektroantrieben. Das prognostizierte Wachstum der E-Mobilität wird die Nachfrage nach Elektroblechen für die Automobilindustrie von 100 Tausend Tonnen im Jahr 2018 auf rund 1,2 Millionen Tonnen im Jahr 2030 in Deutschland steigen lassen (ZVEI 2020). Die Qualitätssicherung und die Kontrolle der Qualitätskosten für Elektrobleche bestimmen somit in hohem Maße die Rentabilität der Motorenhersteller. 

Mit der zunehmenden Entwicklung der Kaltbandproduktion in Reversier- oder Tandem-Kaltwalzwerken und Durchlaufglühanlagen wird Elektroband heute hauptsächlich in Form von Breitband oder Spaltband, meist mit isolierenden Oberflächenbeschichtungen, an die Kunden geliefert. 

Die Hauptfunktion von Elektrobandlacken auf Pigmentbasis besteht darin, die Elektrobleche zu isolieren, um den elektrischen Stromfluss zu verhindern und Wirbelströme zu reduzieren. Moderne Elektroblechlacke tragen neben dem Korrosionsschutz auch dazu bei, die Lebensdauer der erforderlichen Stanzwerkzeuge zu verlängern und bieten die Möglichkeit, wichtige Eigenschaften wie Schweißbarkeit oder Glühbeständigkeit gezielt einzustellen.

Die Dicke der Isolierschichten variiert typischerweise zwischen 0,5 µm und 10 µm, abhängig von der speziellen Lackart und der Endanwendung. Sowohl die Dicke als auch die Homogenität der Isolierschichten sind entscheidende Qualitätsfaktoren für Elektrobleche.

Limitierung heutiger Lösungen
Die Beta-Transmission durch Isolierlacke, die bisher zur Bestimmung des Flächengewichts, der Dicke und der Dichte dieser Isolierschichten verwendet wurde, wird bald an die Grenze ihrer Verfügbarkeit stoßen. Verschiedene Isotope (Krypton, Strontium, Promethium) werden für unterschiedliche Gewichtsbereiche eingesetzt. Neben dem grundsätzlichen Problem im Umgang mit radioaktiven Isotopen (Strahlenschutz), besteht bei Promethium das noch kritischere Problem, dass es heute praktisch auf dem Markt nicht mehr verfügbar ist und somit nur noch für zwei bis maximal drei Jahre genutzt werden kann. 

EMG SOLID® IR und LIF als vollwertiger Ersatz
Die EMG SOLID® Systeme, die bisher zur quantitativen Bestimmung von Schmierstoffschichten auf Blechen im unteren Mikrometerbereich (g/m²) eingesetzt werden, bieten hier einen idealen Ersatz. Sowohl die Infrarotabsorption (IR) als auch die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) können eingesetzt werden, um die gewünschten Messdaten zuverlässig online zu ermitteln. Je nach Beschichtungsart und Materialoberfläche bieten die Verfahren ihre spezifischen Vorteile. 

Testmessungen
In einer ersten Machbarkeitsstudie für einen Elektrostahlhersteller im Jahr 2021 wurden Proben von Elektrostahlblechen, die mit 6 verschiedenen Lacken beschichtet waren, sowohl mit den Methoden der Infrarotabsorption (EMG SOLID® IR) und der laserinduzierten Fluoreszenz (EMG SOLID® LIF) untersucht. Dabei zeigte sich, dass unterschiedliche Schichtdicken im Bereich von 0,5 µm bis 10 µm je nach Lacktyp auf den Probeblechen eindeutig nachgewiesen werden konnten. Eine klare Trennung von den Hintergrundsignalen war auch bei geringen Schichtdicken ohne optimale Einstellung der Systemparameter möglich.  

Weitere Resultate
Weitere Machbarkeitsstudien und Vor-Ort-Tests deckten einen weiten Bereich der in der Produktion eingesetzten Isolierlacke ab (90 %). 

In der Abbildung ist der Vergleich (relative Abweichung) zwischen einer Messung mit EMG SOLID® LIF (blau) und einer heute standardmäßig eingesetzten Beta-Rückstreuungsmessung (rot) für einen bestimmten Lacktyp gezeigt. Dargestellt ist der zeitliche Verlauf von insgesamt 1935 Beobachtungen über mehrere Bänder.

Die Grafik zeigt die hohe relative Genauigkeit der EMG SOLID® LIF Messtechnik im Vergleich zur sehr stark streuenden Beta-Rückstreuungsmessung. Der Verlauf der Schichtdicke über die Zeit und damit die Bandlänge wird überhaupt nur bei der EMG SOLID® LIF Messung eindeutig bewertbar.

Die Ergebnisse von Labor- und Vor-Ort-Tests zeigten zudem deutlich, dass unter anderem auch sehr geringe Schichtdicken < 1 µm erfolgreich bestimmt werden können. Das gilt auch für sehr dunkle und undurchsichtige graue Beschichtungen. Beide Verfahren – Infrarot und laserinduzierte Fluoreszenz - sind für den Inline- oder Online-Messbetrieb - auch im traversierenden Modus mit typischen Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 1 m/s - ausgelegt.

Fazit
Die Ergebnisse dieser Machbarkeitsstudien und Inline-Tests zeigen deutlich, dass ein quantitativer Nachweis der untersuchten Isolierlacke auf Elektroblech im Mikrometer-Schichtdickenbereich sowohl über die Infrarotabsorptionsmessung als auch durch die laser-induzierte Fluoreszenzanalyse sehr gut möglich ist.

Beide Verfahren werden bereits heute routinemäßig zur quantitativen Erfassung der Beölungsdicke in Stahl- und Aluminiumwerken eingesetzt. Der Einsatz bei der Elektrobandproduktion ist der logische Folgeschritt für den breiten Einsatz der EMG SOLID®-Technologie, insbesondere mit Blick auf den mittelfristig unumgänglichen Ersatz der auf Betastrahlern basierenden Messverfahren.

Weitere Informationen zu EMG SOLID® IR und LIF finden Sie auf der EMG-Homepage unter: https://www.emg.elexis.group/metall/qualitaetssichernde-systeme/emg-solidr/ 

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