Optimierte Farbmessung in der Kunststoffindustrie

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1 KUNSTSTOFFE SICHER EINFÄRBEN Optimierte Farbmessung in der Kunststoffindustrie Christian Dietz, Manager Application Technology C&A EMEA Konica Minolta Sensing Europe B.V.

2 KUNSTSTOFFE SICHER EINFÄRBEN Konica Minolta Sensing

3 KONICA MINOLTA SENSING TEIL DES GESCHÄFTSFELDES INDUSTRIAL BUSINESS Konica Minolta Inc. Business Technologies Komplettlösungen für unternehmensweite Druck- und Dokumentenworkflows Industrial Business Lösungen für Licht- und Farbmessung Optische Komponenten &Systeme, OLED Technologie Healthcare Business Bildverarbeitende Systeme für medizinische Anwendungen Industrial Business: Angestellte: (weltweit) Umsatz: 1+ Mrd. (April 2012) Planetarium Business Herstellung und Betrieb von Planetarien

4 KONICA MINOLTA SENSING Konica Minolta America Konica Minolta EMEA Konica Minolta China Konica Minolta Japan Konica Minolta Singapore

5 KONICA MINOLTA SENSING PRODUKTPORTFOLIO Farbe Licht & Display Medical Normlicht Software Appearance

6 OPTIMIERTE FARBMESSUNG IN DER KUNSTSTOFFINDUSTRIE Themen-Übersicht

7 OPTIMIERTE FARBMESSUNG IN DER KUNSTSTOFFINDUSTRIE Übersicht Grundlagen der Coloristik Farbmessung - Warum? Subjektives Empfinden Entstehung des Farbeindrucks bei Körperfarben Berechnung von Farbwerten Definition Basis-Parameter Berechnung von Farbwerten CIE Lab Grundlagen zur Berechnung von farbmetrischen Toleranzen Prinzip der Messtechnik Normgerechte Farbtonmessung Aufbau Spektralphotometer Eigenschaften von Körperfarben Kugelgeometrie d:8

8 OPTIMIERTE FARBMESSUNG IN DER KUNSTSTOFFINDUSTRIE Grundlagen der Coloristik

9 GRUNDLAGEN DER COLORISTIK Warum Farbmessung? Farbe ist ein durch das Auge vermittelter Sinneseindruck und dadurch subjektiv. Allerdings ist Farbe auch ein primäres Qualitätskriterium von Konsumenten. Instrumentelle Farbtonmessung hilft dabei Subjektives objektiv zu dokumentieren und Streitigkeiten zu vermeiden

10 GRUNDLAGEN COLORISTIK Subjektives Empfinden Auch das beste Auge lässt sich leicht überlisten

11 GRUNDLAGEN COLORISTIK Subjektives Empfinden Auch das beste Auge lässt sich leicht überlisten

12 GRUNDLAGEN COLORISTIK Subjektives Empfinden Auch das beste Auge lässt sich leicht überlisten

13 GRUNDLAGEN COLORISTIK Subjektives Empfinden Nicht jedes Auge sieht gleich Man muss nicht gleich Farbenblind sein (1 von ) es gibt auch farbfehlsichtige Menschen. Dies betrifft ca. 8% aller Männer und ca. 0.4% aller Frauen. Für visuelle Farbabmusterung bedeutet dies Test aller Beteiligten!

14 GRUNDLAGEN COLORISTIK Subjektives Empfinden Farbfehlsichtigkeitstests: Am besten über professionelle Lösungen, mindestens aber über Ishihara -Tests X 74

15 GRUNDLAGEN COLORISTIK Entstehung des Farbeindrucks Was wir als Farbeindruck bezeichnen, ist ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums oder genauer: der Bereich von nm. Für die Farbtonmessung im Allgemeinen ausreichend: nm

16 GRUNDLAGEN COLORISTIK Entstehung des Farbeindrucks Ein Farbeindruck kann entstehen bei Lichtquellen ( Lichtfarbe ) und Objekten ( Körperfarbe )

17 GRUNDLAGEN COLORISTIK Entstehung des Farbeindrucks bei Körperfarben Der Farbeindruck im Auge entsteht durch 3 Parameter: Eine Lichtquelle sendet Licht aus Das Licht trifft auf ein Objekt und Wird in das Auge des Beobachters reflektiert

18 OPTIMIERTE FARBMESSUNG IN DER KUNSTSTOFFINDUSTRIE Berechnung von Farbwerten Definition der Basis-Parameter

19 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten Definition Basis-Parameter Diese 3 Parameter Licht, Objekt, Beobachter müssen für die Farbtonmessung mathematisch charakterisiert werden.

20 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten Definition Basis-Parameter Licht Parameter 1, das Licht, ist durch internationale Tabellenwerte eindeutig verbindlich charakterisiert.

21 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten Definition Basis-Parameter Objekt Parameter 2, das Objekt, wird durch ein Spektralphotometer aktiv gemessen. Wichtig: Die lichtverändernden physikalischen Eigenschaften eines Objektes sind NICHT abhängig von der Beleuchtung!

22 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten Definition Basis-Parameter Objekt Die sogenannte spektrale Leistungsverteilung eines Objektes definiert den Farbton bzw. das Material. Je nachdem, welche Bereiche des (Licht-)Spektrums remittiert werden, entsteht der Farbeindruck.

23 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten Definition Basis-Parameter Objekt Die sogenannte spektrale Leistungsverteilung eines Objektes definiert den Farbton bzw. das Material. Je nachdem, welche Bereiche des (Licht-)Spektrums remittiert werden, entsteht der Farbeindruck.

24 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten Definition Basis-Parameter Beobachter Der 3. Parameter, der Beobachter, ist ebenfalls tabellarisch definiert und beschreibt die Empfindlichkeit der Rezeptoren (Empfänger) im Auge. Der Mensch besitzt 2 unterschiedliche Rezeptorentypen Zapfen und Stäbchen. Zapfen: zuständig für das tagesaktive Sehen ( Farbsehen ) Stäbchen: zuständig für dämmerungsaktives Sehen ( Nachtsehen ).

25 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten Definition Basis-Parameter Beobachter Rot-Zapfen Grün-Zapfen Blau-Zapfen (Verteilung: 40:20:1) Stäbchen [Quelle:

26 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten Definition Basis-Parameter Beobachter Wir unterscheiden zwei verschiedene Sichtfelder den 2 - und 10 - Beobachter. Diese werden auch Kleinfeld- und Großfeldbeobachter genannt und definieren, welcher Bereich der Netzhaut stimuliert wird. 2 10

27 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten Definition Basis-Parameter Beobachter Diese Beobachter sind ebenfalls tabelliert und stehen zur Verrechnung zur Verfügung.

28 OPTIMIERTE FARBMESSUNG IN DER KUNSTSTOFFINDUSTRIE Berechnung von Farbwerten CIE Lab

29 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten CIE Lab Zuerst werden die Basis-Parameter und die Messung entsprechend Vorgabe miteinander multipliziert, z.b. D65/10 für Tageslicht und 10 - Beobachter

30 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten CIE Lab Zuerst werden die Basis-Parameter und die Messung entsprechend Vorgabe miteinander multipliziert, z.b. D65/10 für Tageslicht und 10 - Beobachter * *

31 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten CIE Lab Dadurch erhalten wir drei Werte, X,Y,Z, die sogenannten Normspektralwerte. 3 Werte, da wir auch drei Rezeptorenkurven Rot (x), Grün (y), Blau (z) verwenden! * *

32 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten CIE Lab X,Y,Z werden verwendet, um daraus die CIE Lab-Werte zu berechnen.

33 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten CIE Lab CIE Lab ist ein drei-dimensionaler Farbenraum mit ergo drei Achsen L*, a* und b*, in welchem jeder Farbton seine individuellen Werte zugewiesen bekommt. Die L*-Achse beschreibt die Helligkeit Die a*-achse beschreibt das Rot-Grün-Verhalten Und die b*-achse beschreibt das Gelb-Blau-Verhalten

34 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten CIE Lab Beispiel: Rote Rose D65/10 L* a* b* 7.98 b* a*

35 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten CIE Lab Der Vorteil des CIE Lab ist nun, dass wir z.b. neben Farbtondefinitionen auch Abweichungen zwischen z.b. einem Master-Standard und Produktionsteilen kontrollieren können. Dies geschieht rechnerisch durch Subtraktion der Werte eines Standards (Bezug) von den Werten einer Probe (Muster). Rote Rose Standard Rote Rose Probe L S * L P * a S * a P * b S * 7.98 b P * Farbabweichungen Rosen L* = L P * - L S * = = a* = a P * - a S * = = 1.10 b* = b P * - b S * = = 7.25

36 GRUNDLAGEN COLORISTIK Berechnung von Farbwerten CIE Lab DE* Als Maß für die Größe einer Farbabweichung wird der Vektor im Raum verwendet, im Bereich der Farbmetrik als Delta E* bezeichnet E 2 2 * = L* + a * + b Farbabweichungen Rosen = -0.50² ² ² * 2

37 OPTIMIERTE FARBMESSUNG IN DER KUNSTSTOFFINDUSTRIE Grundlagen zur Berechnung von farbmetrischen Toleranzen

38 GRUNDLAGEN COLORISTIK Grundlagen zur Berechnung von farbmetrischen Toleranzen Wichtig ist, dass man sich einige Fakten vor Augen führt, bevor man anfängt, farbmetrische Toleranzen zu erstellen: Faustregel: So eng wie nötig, so weit wie möglich Keine Toleranz wird 100% dem visuellen Empfinden entsprechen Weiterentwicklungen der DE* Formel wie z.b. Toleranzen nach DE2000 mit elliptischen Formen entsprechen am ehesten dem visuellen Empfinden

39 GRUNDLAGEN COLORISTIK Grundlagen zur Berechnung von farbmetrischen Toleranzen Wenn auch am weitesten verbreitet, so sind CIE Lab und DE* die schlechteste Wahl für Toleranzen! Visuell akzeptiert b* Visuell abgelehnt, aber numerisch akzeptiert b* Visuell akzeptiert E* Visuell abgelehnt, aber numerisch akzeptiert a* a*

40 GRUNDLAGEN COLORISTIK Grundlagen zur Berechnung von farbmetrischen Toleranzen Wichtig ist, dass man sich einige Fakten vor Augen führt, bevor man anfängt, farbmetrische Toleranzen zu erstellen: Ideal: auf bestehenden Daten aufbauen Wenn man Toleranzen zu bereits bestehende Produkte festzulegen hat, ist es ideal, anhand von Rückstellmustern und freigegebenen Chargen die Toleranzen zu bestimmen Falls möglich, ist es hilfreich, sich durch gesteuerte und definierte Einfärbungen an Grenzen heranzutasten

41 OPTIMIERTE FARBMESSUNG IN DER KUNSTSTOFFINDUSTRIE Prinzip der Messtechnik

42 PRINZIP DER MESSTECHNIK Normgerechte Farbtonmessung Der Aufbau eines Farbtonmessgerätes bzw. Beleuchtungsoptik und deren Toleranzen wird in internationalen Normen beschrieben, z.b. DIN 5033 Teil 7 CIE No.15 ISO 7724/1 ASTM E1164 JIS Z 8722 Entsprechend Norm wird zuerst die Beleuchtungsart genannt, dann die Betrachtungsgeometrie, getrennt durch Doppelpunkt.

43 PRINZIP DER MESSTECHNIK Normgerechte Farbtonmessung Anmerkung 1: Dieser Vortrag beschäftigt sich aufgrund Zeitmangels nur mit den gebräuchlichsten Reflexions-Geometrien! Gerne beraten wir Sie für weitergehende Fragen in der Pause! Anmerkung 2: Die Geometrie-Empfehlungen in den voran genannten Normen gelten primär für die Messung des Farbeindrucks von Körperfarben für andere Anwendungen bzw. physikalische Parameter werden unter Umständen in anderen Normen andere Bedingungen definiert

44 PRINZIP DER MESSTECHNIK Aufbau Spektralphotometer

45 PRINZIP DER MESSTECHNIK Aufbau Spektralphotometer Prinzip: Messung als Verhältnis von Reflexion oder Transmission eines Musters relativ zu einem Referenzstandard (=Weißstandard) -> dadurch Lichtquellenunabhängig! Spektraldaten Reflexion R% Transmission T% Farbräume L*a*b* L*C*h XYZ Yxy Indizes Metamerie Farbstärke Weißgrad K:S

46 PRINZIP DER MESSTECHNIK Aufbau Spektralphotometer Misst die spektrale Verteilung von Reflexion oder Transmission über das gesamte sichtbare Spektrum bzw. darüber hinaus Auswertung des reflektierten oder transmittierten Lichtes mittels einem Monochromator -System, bestehend aus Optischem Beugungsgitter (Prisma), welches das Licht aufspaltet und auf ein (Photo-)Diodenarray abbildet, welches in festgelegten Wellenlängenintervallen (1, 2, 5, 10 oder 20nm Intervalle; Standard: 10nm) Stützpunkte des Spektrums misst

47 PRINZIP DER MESSTECHNIK Aufbau Spektralphotometer Externe Software oder interne Firmware berechnet Farbdaten aller möglichen Kombinationen von Lichtart, Objekt und Beobachter Unterschiedliche Lampentechnologie findet Verwendung: Xenon Blitzlampen, Wolfram-Halogenlampen, LEDs (Weiß-, RGB, Misch-Cocktail) (Photo-) Diodenarray Umlenkspiegel Holographisches Gitter Lampeneinheit [mit UV-Filter (Schrittmotor)]

48 PRINZIP DER MESSTECHNIK Eigenschaften von Körperfarben

49 PRINZIP DER MESSTECHNIK Eigenschaften von Körperfarben (Reflexion) Materialoberfläche tritt mit Licht in Interaktion (Reflexion) Gerichtet Diffus Gold [Bildquelle:

50 PRINZIP DER MESSTECHNIK Eigenschaften von Körperfarben (Reflexion) Sieht dunkel aus! Sieht hell aus (Streulicht)! Glatt / Glänzend Rauh / Matt

51 PRINZIP DER MESSTECHNIK Kugelgeometrie d:8

52 PRINZIP DER MESSTECHNIK Normgerechte Farbtonmessung Kugelgeometrie d:8 Die gebräuchlichsten Kugelgeometrien: di:8 -> diffus : 8, Glanzeinschluss (SCI) de:8 -> diffus : 8, Glanzausschluss (SCE)

53 PRINZIP DER MESSTECHNIK Normgerechte Farbtonmessung Kugelgeometrie di:8 (SCI) 8

54 PRINZIP DER MESSTECHNIK Normgerechte Farbtonmessung Kugelgeometrie de:8 (SCE) Glanzfalle 8

55 PRINZIP DER MESSTECHNIK Normgerechte Farbtonmessung Kugelgeometrie d:8 Einfluss des Glanzanteils/fehlenden Beleuchtungsanteiles: -> Beschreibt den Einfluss der Proben-Oberfläche auf den Farbeindruck SCI Lichtmenge für die Messung: Differenz SCI zu SCE: SCE Lichtmenge für die Messung:

56 PRINZIP DER MESSTECHNIK Normgerechte Farbtonmessung Kugelgeometrie d:8 SCI (Glanzeinschluss): SCE (Glanzausschluss): Diffuse Beleuchtung ohne Richtungsabhängigkeiten Teildiffuse Beleuchtung korreliert gut mit visueller Beurteilung in teildiffuser Umgebung Nahezu unabhängig von der Materialoberfläche (z.b. durch Glanzunterschiede oder Textur) Charakterisiert den Effekt der Oberfläche auf den Farbeindruck

57 PRINZIP DER MESSTECHNIK Normgerechte Farbtonmessung Kugelgeometrie d:8 Index D65/10 (SCI) Matt Glänzend L* a* b* Glanz 6 84 de* 0.34 Index D65/10 (SCE) Matt Glänzend L* a* b* Glanz 6 84 de* 6.89

58 PRINZIP DER MESSTECHNIK SCI / SPIN: sieht gleich aus Glänzend Matt

59 PRINZIP DER MESSTECHNIK Glanzfalle SCE / SPEX: sieht unterschiedlich aus Glänzend Matt

60 OPTIMIERTE FARBMESSUNG IN DER KUNSTSTOFFINDUSTRIE Zusammenfassung Farbe ist ein primäres Qualitätskriterium welches aufgrund subjektiver Faktoren instrumentell kontrolliert werden muss. Die instrumentelle Farbtonmessung ist ein etabliertes Verfahren zur Qualitätskontrolle in der Kunststoffindustrie mit international genormten Technologien und Vorgehensweisen.

61 OPTIMIERTE FARBMESSUNG IN DER KUNSTSTOFFINDUSTRIE Noch lange nicht das Ende Christian Dietz Manager Application Technology C&A EMEA Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Konica Minolta Sensing Europe B.V. Werner-Eckert-Strasse München Phone: +49 (0) christian.dietz@seu.konicaminolta.eu Website: