(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シミュレーション手法により、電着塗料液で満たされた電解槽、前記電着塗料液に浸されて前記電解槽内に配置されたアノードとカソード、該カソードに導通して液中に浸された被塗装物に相当する形状の有限要素モデルのデータを作成する第１ステップと、
前記アノードと前記カソードとの間に通電して電着塗装させたときに相当する電解槽内の電場の変化をシミュレーションする第２ステップと、
このときの前記被塗装物の有限要素モデルにおける各部の表面を流れる電流の電流分布を求める第３ステップと、
前記電流分布にしたがい前記被塗装物の有限要素毎に該被塗装物の表面を流れるに相当する電気量を求めて累積する第４ステップと、
前記累積した電気量が、ＯＨマイナスもしくはＨプラスがある一定濃度になるのに相当する析出開始電気量を超えるか否かを判定する第５ステップと、
前記累積電気量が前記析出開始電気量を超えるときは、決定された各パラメータにしたがい、拡散消費電流密度を差し引いた電流密度を用い、
【数１】
0004384825.tif 000010
により、前記被塗装物の表面に電着する塗膜の厚みを算出する第６ステップと、
前記累積した電気量が、前記析出開始電気量以下のときは、同じく決定された各パラメータにしたがい、拡散消費電流密度を差し引いた電流密度を用いるとともに、計算値の振動を防ぐ初期析出係数αを用い、
【数２】
0004384825.tif 000011
により、前記被塗装物の表面に電着する塗膜の厚みを算出する第７ステップと、を具備し、
前記被塗装物表面を流れる電気量の累積は、拡散して消費される電流に相当する拡散消費電流密度を超えたときのみ、行われるようにしてあることを特徴とする電着塗膜の膜厚算出方法。
【請求項２】
電着塗料液が満たされた実験槽内で、塗装電圧と塗装時間が異なる複数の定電圧塗装実験を行い、それぞれの電流、通電量、析出重量を測定し、
前記通電量と前記析出重量に回帰分析を適用し、電着塗膜当量と析出無効電気量とを求め、
前記析出無効電気量と前記塗装時間に回帰分析を適用して、拡散消費電流密度と析出開始電気量を求めることにより、
前記電着塗膜当量と、前記拡散消費電流密度と、前記析出開始電気量とを決定することを特徴とする請求項１記載の電着塗膜の膜厚算出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電着塗膜の膜厚を算出する電着塗膜の膜厚算出方法。
【０００２】
【従来の技術】
電着塗装は、電着塗料液で満たされた電解槽内に、被塗装物、アノード、カソードを配置して、電気泳動により、車体等の被塗装物の表面に塗膜が生成させることによって行われる塗装である。この電着塗装は、最初、被塗装物の表面の電圧が高い外板部の表面から生成し、この外板部の膜抵抗が上昇すると、塗装粒子が塗膜の付いていない被塗装物の内部へ付着していくという、つき回り性の良さがある。
【０００３】
電着塗装は、このつき回り性の良さ、さらには防錆力の良さから、自動車の車体の下側部分の下塗り塗装として用いられている。
【０００４】
ところで、液中の被塗装物は、外側には電流が流れやすく、内側には電流が流れにくいために、袋状になるような車体の構造部分の内側は、塗膜が生成しにくい。特に袋状だけでなく、車両の安全性の確保から、内部に補強材が収容される傾向の高いサイドフレーム部分のような構造の車体骨格部材の内部は塗膜が生成しにくい。
【０００５】
このため、塗膜の生成には厚みの管理が求められる。
【０００６】
従来では、十分な塗膜が生成されたことを確認するために、実物に製作した車体を用い、実際の生産ラインを使用して該車体に電着塗装を施した後、車体各部を切断して、内側各部の塗膜の厚みを測定して、各部に十分な塗膜が形成された否かをチェックするという塗膜の管理を行っていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、こうした実物の車体を用いて行う膜厚の管理は、面倒である。しかも、塗膜のつき回りが十分でないと、つき回りの点を改善してから、再び実物の車体を用いた膜厚測定を繰り返すことが求められるので、多くのコストと時間とが必要となる問題がある。
【０００８】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、実際の被塗装物を用いるのではなく、該被塗装物に置き換えた解析モデルのデータを用いて、高い精度で、被塗装物の各部に電着した塗膜の膜厚を算出可能とした電着塗膜の膜厚算出方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の膜厚算出方法は、シミュレーション手法により、電解槽、アノードとカソード、該カソードに導通する液中の被塗装物に相当する形状の有限要素モデルのデータを作成し、アノードとカソードとの間に通電して電着塗装させたときに相当する電解槽内の電場の変化をシミュレーションし、このときの被塗装物の有限要素モデルにおける各部表面を流れる電流の電流分布を求め、この電流分布にしたがい被塗装物の有限要素毎に該被塗装物の表面を流れるに相当する電気量を求めて累積し、累積した電気量が、ＯＨマイナスもしくはＨプラスがある一定濃度になるのに相当する析出開始電気量を超えるときは、決定された各パラメータにしたがい、
【００１０】
拡散消費電流密度を差し引いた電流密度を用い、
【数３】
0004384825.tif 000002
により、被塗装物の表面に電着する塗膜の厚みを算出し、累積した電気量が、析出開始電気量以下のときは、同じく決定された各パラメータにしたがい、
【００１１】
拡散消費電流密度を差し引いた電流密度を用いるとともに、計算値の振動を防ぐ初期析出係数αを用い、
【数４】
0004384825.tif 000003
により、被塗装物の表面に電着する塗膜の厚みを算出するようにした。
【００１２】
これにより、実際の被塗装物を用いず、該被塗装物に置き換えた解析モデルのデータ処理だけで、被塗装物の各部における塗膜の厚みが算出される。
【００１３】
それ故、たとえ膜厚がつき回りが十分でないような場合でも、解析モデルのデータを変更するだけで、十分な膜厚が形成される確認が行えるようになり、容易、かつ安価にして、塗膜の管理が行える。
【００１４】
より精度的に優れた膜厚の算出が行えるよう、被塗装物表面を流れる電気量の累積は、拡散して消費される電流に相当する拡散消費電流密度を超えたときのみ、行われるようにした。
請求項２の膜厚算出方法は、電着塗料液が満たされた実験槽内で、塗装電圧と塗装時間が異なる複数の定電圧塗装実験を行い、それぞれの電流、通電量、析出重量を測定し、前記通電量と前記析出重量に回帰分析を適用し、電着塗膜当量と析出無効電気量とを求め、前記析出無効電気量と前記塗装時間に回帰分析を適用して、拡散消費電流密度と析出開始電気量を求めることにより、前記電着塗膜当量と、前記拡散消費電流密度と、前記析出開始電気量とを決定することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１ないし図７に示す一実施形態にもとづいて説明する。
【００１６】
図１は、電着塗膜の膜厚を算出するのに用いられるシステムを示し、図１中１はパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）である。このパソコン１の本体内部には、ＣＰＵ２と大容量のメモリ３とが収められている。メモリ２には、例えばメッシュ分割した有限要素モデルを作成するのに必要な有限要素法のプログラムが格納されている。そして、このパソコン１の本体に接続された入力部、例えばキーボード４、同じく表示部、例えばディスプレイ５を使用して、有限要素法のプログラムを用い、ＣＰＵ２の機能により例えば図４に示される実際の電着塗装工程で用いられる電着塗装液で満たされる電解槽７、同電解槽７内の液中に配置されるアノード８およびカソード９、カソード９に導通して液中に配置される被塗装物、例えば車体のフロントサイドメンバ部分１０（例えば有底の偏平筒形をなし、周壁の一部には小孔１０ａを有するような形状となっている一部分）に置き換わる有限要素モデルの作成を可能にしている。
【００１７】
またメモリ２には、この他、
ａ．有限要素モデルのアノード８とカソード９との間に通電して電着塗装を行うときに相当する電解槽７内の電場の変化をシミュレーションするプログラム。
【００１８】
ｂ．該シミュレーション中のサイドメンバ部分１０の有限要素モデルにおける各部表面に流れる電流の電流分布を求めるプログラム。
【００１９】
ｃ．この電流分布にしたがい、サイドメンバ部分１０の有限要素毎にサイドメンバ部分１０の表面を流れるに相当する電気量を求めるとともに、サイドメンバ部分１０を流れる電流密度が、拡散して消費される電流に相当する拡散消費電流密度を超えたときのみ、積算（累積）する累積プログラム。
【００２０】
ｄ．累積した電気量が、ＯＨマイナスもしくはＨプラスがある一定濃度で所定の析出をもたらす電気量に相当する析出開始電気量を超えるか否かを判定する機能。
【００２１】
ｅ．前記累積電気量が前記析出開始電気量を超えるときは、例えばキーボード４などから入力される、実験により決定した各パラメータにしたがい、
【００２２】
【数５】
0004384825.tif 000004
により、サイドメンバ部分１０の表面に電着する塗膜の厚みを算出する機能。
【００２３】
ｆ．累積した電気量が、析出開始電気量以下のときは、
【００２４】
【数６】
0004384825.tif 000005
により、前記サイドメンバ部分１０の表面に電着する塗膜の厚みを算出する機能。
【００２５】
ｇ．上記算出される塗膜の厚みを、電着塗装の通電時間が経過するまで、サイドメンバ部分１０の有限要素毎に表示、例えば塗膜の厚み寸法毎に色分して表示する機能。
【００２６】
こうした各機能でなされる膜厚算出の工程が図２および図３のフローチャートに示されている。
【００２７】
つぎに、これらフローチャートにもとづき電着塗膜の膜厚算出方法を説明する。
【００２８】
この処理には、まず、ステップＳ１に示す電着しようとするサイドメンバ部分１０（被塗装物）の電着塗装の環境を解析モデルで作成する。
【００２９】
これには、有限要素法を用い、パソコン１の操作で、例えば図４に示されるような実際の電着塗装液が満たされた電解槽７、アノード８、カソード９、カソード９に導通するサイドメンバ部分１０に形状にしたがい、図５および図６に示されるように各部材、各部品のデータにより、例えばメッシュで分割した有限要素の解析モデルＡ〜Ｃ（有限要素モデル）、即ち電解槽７の解析モデルＡ、サイドメンバ部分１０の解析モデルＢ、アノード８の解析モデルＣを作成する。
【００３０】
つぎに、パソコン１の操作で、実際に電着塗装するときと同様、アノード８とカソード９との間に通電してサイドメンバ部分１０を電着塗装させたときに相当する電解槽７内の電場の変化をシミュレーションし、つぎのステップＳ３である有限要素毎に膜厚算出を行う処理へ進む。
【００３１】
ここで、電着のメカニズムは、アノード８、カソード９を通じて電着塗装液に通電すると、プラス電荷の塗料粒子がカソード９へ、マイナス電荷の酸イオンがアノード８へそれぞれ電気的に泳動する。と同時に水の電気分解の反応が生じて、ＯＨマイナスがカソード９側から拡散する。このＯＨマイナスがある一定の濃度になると、プラス電荷と作用して、被塗装物、ここではサイドメンバ部分１０の表面に析出するという現象で行われる。そして、塗膜の析出にしたがい、塗膜の電気抵抗が増すと、塗装粒子が、まだ膜のついていない領域（内側）へ析出する（つき回り現象）。
【００３２】
つまり、電着のメカニズムに重要な役割を果たすＯＨマイナスは、流れた電気量に相当するもので、反応する成分、電極表面に滞留している成分、拡散で逃げていく成分に分けられる。
【００３３】
そこで、塗膜の膜厚の算出は、この成分を使い、周知なめっきの膜厚計算式を活用して定めた。
【００３４】
すなわち、メッキの膜厚計算式は、
【００３５】
【数７】
0004384825.tif 000006
で表わされるが、電着塗装はメッキとは反応の点で異なるから、算出式は、該反応に関する部分を変えればよい。
【００３６】
つまり、電着塗装では、拡散して消費される電流密度（拡散消費電流密度）があるから、この点を定義する「Ｉｃ＝Ｉ−Ｉｄ」を用いること、さらにはＯＨマイナスがある一定濃度で所定の析出をもたらす電気量以上か否かを判定する点を用いて、一定濃度のときとそうではない状況を考慮し、Ｉｃを用いた２つの膜厚の算出式（１），（２）を使い分けて電着塗膜の膜厚を算出することを考えた。
【００３７】
具体的には、電着塗膜の膜厚の算出には、図３に示されるフローチャートのステップＳ４に示されるように、シミュレーションしているとき、サイドメンバ部分１０に相当する有限要素モデルの各部表面に流れる電流分布を求める。
【００３８】
そして、ステップＳ５に示されるように該モデルの有限要素毎、表面を流れるに相当する電気量を求め、これを累積している。この際、拡散して消費される電流の影響が無いよう、Ｉ≦Ｉｄのときは電気量の積算を行わず、Ｉ＞Ｉｄのときに電気量の積算を行う。
【００３９】
ついで、ステップＳ６に示されるように累積した電気量が、ＯＨ(マイナス)がある一定濃度で析出をもたらす電気量である析出開始電気量を超えるか（Ｑ＞Ｑo）か否か(０＜Ｑ≦Ｑo)を判定する。
【００４０】
そして、累積電気量が析出開始電気量を超える（Ｑ＞Ｑo）のときは、拡散消費電流密度を差し引いた電流密度を考慮した式、すなわち、
【００４１】
【数８】
0004384825.tif 000007
を用いて、電着塗膜の膜厚を算出し、累積電気量が析出開始電気量以下のときは、さらにこれに加え計算値の振動を防ぐ初期析出係数αを考慮した式、すなわち
【００４２】
【数９】
0004384825.tif 000008
を用いて、電着塗膜の膜厚を算出する。
【００４３】
このとき、塗膜の厚みの算出式を満足するパラメータは、ステップＳ２０に示されるように外部から例えばキーボード４などを用いて入力される。具体的には、実際の塗装ラインに合わせた値を入れる。
【００４４】
このうち、電着塗膜当量ｋFの決定、拡散消費電流密度Ｉｄと析出開始電気量Ｑoの決定には、高い算出精度を確保するために、実験装置による実験、例えば平板の定電圧塗装実験からの測定値を用いてある。具体的には、定電圧塗装実験は、電着塗料液が満たされた実験槽内に、平板状（所定寸法）のアノードとカソードを所定の間隔で入れ、実際の塗装ラインに合わせた温度で撹拌も行い、平板を定電圧塗装するものである。この実験により、例えば塗装電圧が５０Ｖ、１５０Ｖ、２５０Ｖで塗装時間が各６０、１２０、１８０ｓｅｃ後の電流、通電量、析出重量を測定する。そして、通電量と析出重量の測定データを単位面積当りの値に変換し、例えば塗装電圧が５０Ｖ、１５０Ｖ、２５０Ｖの場合で、１８０ｓｅｃ後の通電量と析出重量に回帰分析を適用して、電着塗装当量の逆数と析出に係らない電気量である析出無効電気量を求める。これにより、電着塗膜当量ｋFと通常の塗装時間となる１８０ｓｅｃ後の析出無効電気量が決まる。一方、各々の塗装時間における析出重量を先に決定した電着塗膜当量で割ると、塗膜析出電気量が求まる。先の析出無効電気量は、各々の塗装時間における通電量と塗装析出電気量の差であるから、各塗装電圧の析出無効電気量と塗装時間に回帰分析を適用して、各々の塗装電圧における拡散消費電流密度と析出開始電気量を求める各々の塗装時間における拡散消費電流密度から、１８０ｓｅｃ後の拡散消費電気量を求め、この値を１８０ｓｅｃ後の析出無効電気量との差から析出開始電気量を決定する。
【００４５】
なお、初期析出係数は、解析結果の膜厚に対して、大きな影響を与えないが、計算過程で生じる電流のオーバシュートや先に述べたような計算値の振動現象を防止するために有効であるような数字に決定する。
【００４６】
このようにして決定されたパラメータの具体的な数字を挙げれば、例えばつぎのようになる。
【００４７】
【表１】
0004384825.tif 000009
【００４８】
こうして、決定されたパラメータを用いての膜厚算出の処理の進行により、塗装時間の経過にしたがいサイドメンバ部分１０の解析モデルの各有限要素毎における膜厚が、逐次、算出される。そして、塗装時間が終了するまで、これら各部の膜厚算出結果が、ステップＳ１０を通じて、図７に示されるように例えば厚み寸法の違いが色違いとなる塗膜厚分布で、ディスプレイ５の表示面に出力される（ステップＳ１１）。
【００４９】
この表示を見て、サイドメンバ部分１０の各部塗膜の膜厚が十分であるか否かを確認すればよい。この際、最も塗膜が厚くなりやすい部位、最も薄くなりやすい部位、具体的には解析で得られた例えばサイドメンバ部分１０の２点（外面のａ点と内面のｂ点）における膜厚と、実験により実際に電着塗装して得たサイドメンバ部分１０の２点における塗膜の膜厚とを対比した結果、高い精度で近似していることが確認された。
【００５０】
したがって、面倒、高価となる実際の被塗装物を用いず、該被塗装物に置き換えた解析モデルのデータ処理だけで、高い精度で、被塗装物の各部に電着した塗膜の膜厚を算出することができ、たとえ膜厚がつき回りが十分でないような場合でも、解析モデルのデータを変更して電流の流れ方を変えるという具合に各部の形状を変えるという設計的な変更を施すだけで、十分な膜厚が形成され得るまでの確認が行え、容易、かつ安価にして、塗膜の管理を行うことができる。特に被塗装物表面を流れる電気量の累積は、拡散消費電流密度を超えたときだけ行われることにより、高い精度で膜厚算出ができる。
【００５１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば上述した実施形態では、被塗装物として偏平筒形の形状をしたサイドフレームを用いた例を挙げたが、これに限らず、他の形状の部材を電着塗装する場合にも有効であることはいうまでもない。また各パラメータの決定する手法、同パラメータを入力する手法も、一実施形態に限定されるものではない。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、実際の被塗装物を用いず、該被塗装物に置き換えた解析モデルのデータ処理だけで、被塗装物の各部における塗膜の厚みを算出することができ、たとえ膜厚がつき回りが十分でないような場合でも、解析モデルのデータを変更するだけで、十分な膜厚が形成される状況を確認することができ、容易、かつ安価にして、塗膜の管理を行うことができる。しかも、拡散して消費される電流に相当する拡散消費電流密度を超えたときのみ電気量の累積を行うようにしたので、より精度的に優れた膜厚の算出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の膜厚電着塗膜の膜厚算出方法を行うシステムを示すブロック図。
【図２】同膜厚算出方法を説明するためのフローチャート。
【図３】同じく膜厚算出方法の細部を説明するためのフローチャート。
【図４】電着塗装を行う環境のモデルを示す斜視図。
【図５】同電着塗装に用いる電解槽を有限要素法でメッシュ分割した解析モデルを示す斜視図。
【図６】同電着塗装に用いる被塗装物、アノードを有限要素法でメッシュ分割した解析モデルを示す斜視図。
【図７】膜厚算出を用いて、解析モデルに電着塗装した膜厚の分布を表示したときの状態を示す斜視図。
【符号の説明】
７…電解槽
８…アノード
９…カソード
１０…サイドメンバ部分（被塗装物）。
【図１】
0004384825.tif 000012
【図２】
0004384825.tif 000013
【図３】
0004384825.tif 000014
【図４】
0004384825.tif 000015
【図５】
0004384825.tif 000016
【図６】
0004384825.tif 000017
【図７】
0004384825.tif 000018