Industrielle Pulverbeschichtung: Grundlagen, Anwendungen, Verfahren

Sei t über 10 Ja !>re n besc!>äftlgen wir uns erfolgrek!> mit der Entwi< klung, de r He l"Ste llung und de m Ve r1;rleb...

Author: Judith Pietschmann

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Sei t über 10 Ja !>re n besc!>äftlgen wir uns erfolgrek!> mit der Entwi< klung, de r He l"Ste llung und de m Ve r1;rleb von Produkt en fü r die Obernäc!>enbehand lung von Me ta lle n . Sund .m Anfang doe OberOä g
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Judith Pietschm ann

Industrielle Pulverbeschichtung 3., überarbeitete Aufl age Mit 278 Abbildungen und 76 Tabellen PRAXI S I JOT-F achbuch

11 VIEWEG+ TEUBNER

Bibliografische Information der Deutschen Nat ionalbibliot hek Die Deutsche Nat ionalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationatbibliogratie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

1. Auflage 2002 2., überarbeitete und erweiterte Auflage 2003 3., überarbeitete Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten

© Vieweg+Teubner I GVN Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2010 Lektorat : Thomas Zipsner I Imke Zander Vieweg+Teu bner ist Teil der Fachverlagsgru ppe Springer Seience-Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschli eßlich aller seiner Teile ist urheberrechtlieh geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmun g des Verlags unzulässig und stra fbar. Das gilt ins besondere f ür Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverf ilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handetsnarnen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung. Heidelberg Techn ische Redaktion: Klementz publishing services. Gundelfingen Druck und buchbindensehe Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Ged ruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Pa pier. Printed in Germany ISBN 978-3-8348-0463-1

v

Vorwort Anstoß für d ie Entw ic klung und Anwend ung von Pulve rlacken ware n wie so oft öko log ische und ökonomische Erfordern isse de r Gese llschaft. In de n USA waren es die Rules 66 , die zum erste n Mal s eine Berück sichtigung von Umweltaspekten bei der Lackierung forde rten. Späte r sind ähn liche Regel ungen in viele n lndustrieländem ein geführt word en. Erste Entw icklungen von Pulverlacken wurd en in den [95 0er Jahren vorgenommen. Nach anfänglicher Zurück halt ung in der industriellen Anwendung folgte kurze Zeit später ein wahrer Siegeszug. Auch heute. mehr als 50 Jahre danach. ist die Pulverlackierung eine zukunftweisende Technologie. die sic h noc h immer ne ue Märkte ersc hließt.

Die wichtigsten An wendun gsbereich e der Pulve rlackiert echnik sind d ie Automo bil- und Zulieferer ind ustrie, da s Bauwese n, de r Maschienenba u. die M öbelindustrie und de r riesige Mark t der Hausge räteindustrie . Antreibende Fakto ren s ind sowoh l Umweltsc hutzbestimmunge n wie die EU-VOC- Richtlin ie. als auch die Forderung der Industri e nach Koste nsenkunge n und Abfallred uzierung. sow ie die Ver besserung de r co mp utergestützten Prozessa utom auslerung. Weltweit wu rde n im Ja hr 20 06 1.180.000 Tonnen Pulverlacke produ ziert. Der Anteil in Europa lieb'! bei 37%. in As ien be i 36%, NAFTA Rau nt 17% und übrige Regionen 10%. In Westeuropa ist in der Pulve rna chfrage eine Stag nat ion zu ve rzeichnen, wo bei in Osteuro pa und Asien der Markt s ich sehr sch nell e ntwi cke lt. Sc haut man sich die Nachfrage nach Produ ktgru ppen an, so sind die Epo xy- Polyester-Lacke diejenigen mit dem grö ßten Markta ntei l. Abe r auch die Poly este rsysteme. entwic ke lt in Euro pa, finden zunehme nd in anderen geograp hischen Märkten Akze pta nz . Ne ue Entw ick lunge n bei de n Pulverlacken konzentri ere n sich imme r noc h auf die strahlenhä rtenden Sys teme. eine de utliche Red uzierung de r Einbrenntem pe raturen sow ie die Entwic klung vo n spez iellen Syste men fllr- einzelne Anwe nd ungsfäll e. Im Bereich des Ba uwesens hab en sich vor allem die hoc hwetterbeständigen Systeme am Ma rkt etablieren kön ne n. Nach frage besteht auc h weiterhin nac h speziel len Funktionen, wie Anri-Gr aflt i. bessere Reini gungsfähigkeit/wenig er Sc hmutz haftung. usw. Allerdings lag der Marktant eil de r fun ktione llen Pulverlacke im Ja hr 2008 be i 6% . Aus dem englischsp rac higen Bereich s ind schon frühe r Publikat ionen zu m Thema Pulve rlack beka nnt. Mit diese m Buch w ird j edoc h ers tma ls in deu tsc her Sprache die Pulve rlackiert echn ik umfassend in ihren Grun dlagen und Anwe ndu ngen behandelt. Da rüber hina us ent hä lt es viele aktue lle und praxisnahe Infor mationen. Die Theme n dieses Fachbuchs umfasse n das Lac kmaterial. dessen Herstellung und die ve rsch iedenen Einsatzgebi ete für d ie Lac kmaterialien . Weitere Schwe rpun kte sind die Appl ikationstec hn ik mit Pra xistipp s bei Anlagenstörunge n, d ie Ge hänge und Fördertec hnik, das Einbrenne n bzw . Härte n der Lac ke, d ie Reinigung und Vo rbehan dlu ng von versc hiede nen Metalle n und Kunststoffe n, Anwen d ungsbeispiele a us de r Praxis, die Mess- und Prüftechnik sow ie aus führlic he Informat ionen. Beschreibunge n und Lösungsmöglichkeiten zu Fe hle rn im Pulverlack film . In der 3. Auflage wurd en die einzel nen Kap itel übe rarbei tet und dem aktuelle n Stand de r Tech nik a ngepasst sow ie die Qualität de r Bilde r de utlich verbessert .

VI

Vorwort

Das Buch we ndet sich an Entscheidet oder Mitarbeiter in Beschichrungsbetrieb en. Anlagen. bauer, Vorbehandlungsherstel1er oder Studenten versch iedenster Fachri chtungen mit der Ver-

tiefu ng im Bereich der Oberfl ächentechnik. Es sind aber auch all dieje nigen angesprochen, die sich ••nur" über die Technik der Pulverbeschich tung informi eren möch ten und da s Buch als Nac hschlagewerk nutzen.

Nichts und niemand ist vollkommen und so werden sich trotz aller Sorgfalt auch bei diesem Werk noch Verbesserunge n und aktuellere Informatio nen finden lassen. Anreg unge n und Anmerku ngen. inhaltlicher und formaler Natur, aus der Leserschaft begrüßt die Autorin desha lb ausdrücklich. Herzlich Dan ke sage n will ich alle n Informanten, Helfern lind Finn en , die in man nigfaltiger Weise zum Enstehen dieses Buches beigetragen haben, Ein besonderer Dank gilt Hans Mendler und Rohen Lüscher filr ihre tatkrä ftige Mitarbeit. Ebenso möchte ich de m Lektorat Masch inenba ll des Vieweg +Teu bner Ver lags für die j ederzeit konstruktive Zusa mmenarbe it und für die Unterstützung bei der Bearbeitung dan ken, Aalen, Flawil. im Septe mber 2009

Judilh Pietschmann

V II

Inhaltsverzeichnis

C eschl chte de r Pu lverlacklerung

.

Pulverlac ke 1.1

\ .2

1.3 1.4 1.5

1.6 \ .7 1.8

1.9

2

Ve rschied ene Pulverlac kty pen 1.1.1 Filmbi ldner/ßindemittel . 1.1.2 Thermoplast-B indemittel . 1. 1.3 Duropl ast-Bi ndemitte l . 1.1 .4 Epoxide 1.1.5 Hybrides 1.1.6 PolyesterrrGIC .. 1.1.7 Polyester/Hydroxyalkyla r nid 1.1.8 Aromatische Glycidylester 1.1.9 Polyurethane 1. 1. \0 Aliph atische Oxirane \ .1. 11 Acrylare 1.1. \ 2 Methyl-substituiertes TG IC 1.1.13 Additive 1. 1. \ 4 Pigmente \ .\ .15 Füllstoffe Stra hlenhärtende Syste me 1.2.1 Techno logische Unterschiede in den Verfahren N IR-, UV-

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. . . . . . . . . . . . .

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und Nt- Härtung . 1.2.2 Vergleich der Eigenschaften vo n NIR-. UV- und Nl'-Pulverlacken Effe ktlac ke Pulver-Slurry . Filmbildung bei Pulverlacken .. . 1.5. 1 Schmelz viskosität und Obe rfl ächens pannu ng Pulverlackherstellung Lagerung von Pulverlacken Me ss- und Prüftechnik bei Pulverlacken . \. 8. 1 Rieselfähigkeit (Hi eßverhalten] 1.8.2 Wirbelfähigkelt (F luidisierung) 1.8.3 Trib o fähig keit 1.8.4 Komgrößenverteilung . Wirtschaftliche Bedeutung vo n Pulverl acken 1.9. \ Der Pulverlackmarkt in Zahlen 1.9.2 Markt potenzi ale am Beispiel von N IR-, UV- und NT-Pulverlac ken

Ap plikation " 2. \ 2.2 2.3

5

"

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"

Einführung " Elektrostatische Oberllächenbesc hichtung .. . Physikalische Grundlagen der Beschlch nmgsv erfah ren " 2.3.1 Auflade mechanis men .." " " " 2.3. 2 Triboelektrische Aufladu ng "

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. . . . . . . . . . . . . . . . " .. . "" .. " ".

5 5 6 7 9 10 10 12 12 13 14 14 16 16 16 18 19 19 21

24 25

26 26 28 32

32 33 34 34 34

35 36 38

43 43 45

47 48

50

VII[

Inhalrsverzeichnls

2.3.3 lonisationsaufiadung {Korcnaaufladung} 2.3.4 Flugverhalten elektrisch aufge ladener Partikel 2.3.5 Verhältnis von Feld- und Sc hwer kraft .. . 2.3.6 Absche ideverhalte n 2.3.7 Bildung der Pulverschicht 2.3 .8 Technologischer Vergleich der Sprühgeräte . 2.4 Die Aufladesysteme in de r Praxis . 2.4. 1 Die Koron a-Aufladu ng . 2.4.2 Tribe- Aufladung 2.4.3 Vergleich der Ladungssysteme 2.4.4 Die Mundstücke . . 2.5 Pulvertransport und Förderung 2.5.1 Mechan ische Eigenschaften des Pul vers 2.5.2 Anforde runge n an das Fördersystem 2.5.3 Die Pulverfördersysteme . 2.5.4 Trennu ng des Pulver-Lu ft-Gemischs . 2.5.5 Die Pulve raufbereit ung 2.5.6 Pulveraufbereitung im Behälter . 2.5.7 Die Schla uchfüh rung . 2.6 Anlagenkonzepte 2.6.1 Ermittlu ng der relevanten Parameter 2.6.2 Anlagenkonzepte ... 2.6 .3 Beschichtungskabine . 2.6.4 Die Wahl des Kabinentyp s 2.6.5 Die Rückgew inn ungssysteme 2.6 .6 Die Dimensionieru ng der Anlage 2.6 .7 Die Beschic htungsgcräte - Pistolen . 2.6.8 Das Pulverzentrum .. . 2.6.9 Die Steuerun g 2.6.10 Die Hu bgeräte . 2.6.11 Rohrleitung vo n der Kabine zum Zyklon 2.6. 12 Kabinensystem e für die automatische Beschichtung . 2.7 Die Anlagentechnik für die Vera rbeit ung von Effekt pu lverlacken 2.7. 1 Rückgewinnungsprobleme 2.7.2 Aufladungsproblem e . 2 .7.3 Sprühbildv e ränderungen . 2.7.4 Einflu ss der Mundstücke 2.7.5 Kurzschlussbildung zwischen Pistole und Mun dstück 2.7.6 Kurzschlussbildung durch Sch ichtbildung im Pulverroh r oder Pulverschlau ch . 2.8 Sonderverfahren de r Pul ver beschicht ung 2.8.1 Pulverbeschichten ohne Pistolen - re in elektrostat ische s Wirbelbadverfah ren . 2.8.2 Co il-Coating mit Pulverlack 2.8.3 Wirbelsintern 2.8.4 Rundsprühsysteme in der Omega -Sc hleife . 2.9 Wirkungsgra dver besseru ng bei elektrostatischen S prühve rfahre n 2. 10 Geforderte Sicherh eitse inr ichtunge n 2. 11 Häufige Fehler in der Pulverbesch ichtung und Lösun gsmöglichkeite n 2.12 Das Einmaleins der Pulverbeschichtung

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54 55

56 57 57

60 61 61

65 66 67

69 71 71 72

79 82

86 90 93 93 94

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96 97 105 108 108 11 2 116 11 9

120 121

. . . . . .

124 124 124 125 125

. .

127 127

. . .

127 127 130 130 13 1 133 137 158

. . . .

127

IX

Inh alt sverzelc hn ls

3

Gehänge und Fdrdertechnik

.

3.1 Gehänge, Warenträger 3.2 Fürdertec hnik 3.2. 1 Anforderung en und Kriterien 3.2.2 Fördergut 3.3 Die Fördersysteme im Einzel nen 3.3 . 1 Handschiebebahnen 3.3 .2 Kreisförderet 3.3 .3 Verzweigu ngsfähige Kreisförderer 3.3 .4 Power& Free-Systeme 3.3 .5 Elektrohängebahn . 3.3 .6 Bodcnfördcrer 3.3.7 Sk id-Anlagen 3.3 .8 Tauchanlagen 3.3.9 Beschickungsautomaten .. 3.3 .\ 0 Tiscbkreisförderer .. 3.3. 11 Querstabförderet 3.3. 12 Bänder 3.3. 13 Rollenbahnen 3.3 . 14 Stapelautomaten 3.4 Beispiele aus der Praxis 3.4.1 Vom Kreisförderer zu Power&Free mit Kettenlaufwerk 3.4.2 Power& Free als Bod enfürderer . ..

.

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. . . .

4.2

4.3 4.4

5.3

m

173

174 178 179 180

182 184 185 185 185 186 186

186 186 189

.

193

ßauformen von Trocknern . . 4. 1. 1 Kamm ertrockner . . 4 . 1.2 Durchla uftrock ner . 4 . 1.3 Sondertonnen . Trock nungsverfah ren . . 4.2.1 Konvektic ns- ode r Umlufitroc knung . . 4.2.2 tk -Strahlungstrocknung . 4.2.3 Sonderverfahren . 4.2.4 Bewertung verschiedener Aushärteverfa hren Opt imierung vo n Lacktrocknem . . Messen der Einbrenntem peratur . 4.4.1 Gru ndlagen der Temperaturmessung .. 4.4.2 Anwendung der Temperaturmessung . . 4.4 .3 Prozessoptimierung mit Hilfe der Temperaturmessung . 4.4.4 Optimierungsmö glichkeiten im Bereich Einbrennofen an einem Beispiel ..

193 194 194 195 197 197 198

S Oberflächenvorbehandlu ng \'on vt etatlen 5. 1 5.2

.. . . . . . . . . .. . . .. .

.

Einb rennen von Pu lverlack en 4 .\

. . . . .

.

165 165 167 167 168 170 170

Reinigung und Vorbe handlung Anforderungen an den Oberllächenzu stand 5.2 .1 Reinheitsgrad 5.2 .2 Porosität . Mechanische Vorbehandlung 5.3.1 Sc hleife n und Bürsten 5.3.2 Strah len

.

.

.

200

202 203 204

205 206 209 210

21 3 .. 21 3 .. 214 . 214 218 .

. .. .

219 219

220

x

Inhalrsverzeichnls 5.4

5.5

5.6 5.7 5.8 5.9 5. 10

5. 11

5.12 5.13 5. 14

6

Wässrige Reinigungsverfahren 5.4. 1 Parameter der Rein igung 5.4.2 Reinigungsmechan ismus in wäss rigen Lösungen 5.4.3 Reimgertypen

222 222 223 227

5.4.4 Beizen

228

Phosphatierverfah ren 5.5. [ Schichtbilde nde Phosphatie n mg .. 5.5 .2 Nichtsc hicht bilde nde Phosphatieru ngen 5.5.3 Eisen.Dickschic htphosphatieru ng 5.5.4 Method en zur Charakterisierung von Phosphatsch ichten 5.5 .5 Fehler und Fehlerve rmeid ung beim Phosphaneren Chromatierung 5.6. [ Gelb- und Grünchromatie rung Vorbehandlung von Eisenwe rkstoffen Zin k und verzinkte O berfläc hen .. Bu ntmetall e und ihre Legierun gen Vorb e ha ndlung von Alu mini um 5. 10. 1 Vorbehand lung der Werkstücko ber fläc he 5. 10.2 Vorb e handlun g vo n Alumin iumgu sslegierun gen 5. \0.3 v orbehandlu ngsverfahre n für Aluminiumo ber flächen 5. [0.4 Eigen scha ften des Werkstoffs Aluminium 5. [0 .5 Stand de r Tec hnik in de r Konversionsschichtbil dung bei Aluminium 5.\0.6 Chrom freie Verfahren 5. [0 .7 Entw ick lunge n in de r Vorbehand lung Magn esiu mwerkstoffe 5. 11. 1 Vor- und Nac hbehandlungsverfahren für Mg- Legierungen 5. 1[.2 Kon versions- bzw. Passtvierungsverfa hren fllr Magnes ium 5.[ 1.3 Kon version sschichtbildung mit dem System Perma nganat. Va nadat, Molybdat. \Volframat Wahl de r passenden Vorb eha ndlung Trouble-Shocring bei No - Rinse -Vo rbehandlung Vorb eha ndlung von Kunststoffen .. . 5. 14. 1 Mechanisches Vorb e reite n VO ll Kunststoffen 5. 14.2 Das Rein igen von Kunststoffen 5. 14 .3 Beizen von Kunststoffo be rflächen 5. [4.4 Aktivierung der Kunststoffo be rfläche n ..

229 23 1 236 237 237 239 24 8 249 250 252 253 253 255 256 257 258 26 1 268 272 280 280 28 1 282 282 286 289 290 290 290 290

Pu lverbeschichtun g in de r Pr a xis

297

6. 1 Pulverbeschichtung in der Automobili ndu strie 6. [.1 Pulverbeschicht ung am Aut o - Beispiel Smart 6.2 Pulverbesc hichtun g im Bauw esen. Arch itek tur 6.3 Pulv erbeschichtung im Ind ustrie bereich 6.4 Pu lverbeschichtun g im Bereic h Weiße Wa re 6.5 Pulv erbesc hichtung in der Le uc htenind ustrie 6.6 Pu lverbesch ichtung von Holz und Holzwe rkstoffen 6 .6.1 Anforde runge n an den Werk stoff 6 .6.2 Appl ikat ionstech niken 6.6.3 Pulverlacke 6 .6.4 Beispiel de r Pulverbeschichtung von MDF mit UV-hän endem Syste m

297 297 30 1 305 309 3 [3 3 19 320 32 1 323 323

XI

Inh alt sverzelc hn ls

7

;\f ess- und Prüftec hnik

327

7. \

327 327

7.2

7.3

7.4 7.5

7.6

7.7

Aufgaben de r Prüftechnik . 7. \. \ Prüfung vo n Beschich tungsstoffe n . 7.1 .2 Prüfung des Untergrundes 7.1.3 Prüfung der App likation und Trocknung (Einbrenn vorgan g) 7.\.4 Prüfung der Besc hic htung Appeara nce 7.2.1 Glanzmessung 7.2.2 Glan zschleier -. Haze 7.2.3 \Velligkeit -Orange Peel 7.2.4 Bildsc hä rfe - Distinct ness of Image ( DIO) 7.2.5 Farbe 7.2.6 Farbmessung von Meta llic-Lac ken . 7.2.7 Be urteilung von Farbuntersch iede n . Haftfestigkeit 7.3. \ Abrei ßve rsuch . 7.3.2 Dom biege prüfung mit konische m Dom 7.3.3 Dornbiegeprüfung mit zy lindrisc hem Dorn 7.3.4 Gitterschnitt 7.3.5 Kre uzschnitt m it Kle bebandabriss . 7.3.6 Kugelschlagpriifung/P rüfung d urch ein fallendes Gewichtsstück 7.3.7 Kugelstrahlve rsuch 7.3.8 Stei nschlagprüfung, Einzelschlagprüfung 7.3 .9 Ste inschlagprüfung, Multisch lagprü fung . 7.3. 10 Tiefungsprüfung ... 7.3.1 1 Ste rnsc hnitt mit Tiefung nach Ran de! 7.3.12 Kratzpro be 7.3 .\ 3 Rad ie rpro be 7.3. 14 Twis t-Oo-teter- Prüfung . 7.3.15 Ritzhärteprüfung 7.3. 16 Dampfstrahlprüfung 7.3 .\7 Koc hlest . . . Elast izität I Biegsa mkeit . Hä rte 7.5.1 Pe ndelhärte 7.5.2 Buch ho lz- Eindruckprüfung . 7.5.3 Unive rsalh ärtemessung nach de m Kraft- Eindrin gtie fe- Verfahren . Schic htdic ke 7.6 . 1 :o lagnetind ukt i e Methode 7.6.2 Wirbelst rom- Met hode 7.6.3 Messung der Pulversch ichtdicke vor dem Einb rennen I Ve rnetzen 7.6 .4 Ze rstöre nde Schichtdic kenmessu ng - Qu ersch liff ve rfahren Korros ionsprüfunge n 7.7. \ Korros ionsprüfmethoden . 7.7.2 Kondenswasser-Prüfklimate Dl N EN ISO 6270 .... 7.7.3 Bean spruchung im Kon denswasse r- Wechselklima mit schwefeld ioxidhaitiger Atmosphäre DIN EN ISO 323 1 7.7.3 Salzsprühnebelprüfung mit versc hiede nen Nat riumc hloridlösungen D1N EN ISO 9227 .. . 7.7.4 Prüfung der Beständigkeit gegen Filifor mkorrosion

. . . . . . . .

328 328

328 329 330 332 332 334

335 . . . . . . . . . .. .

34 1 34 1

342 344

345 345 345

348 348 349 349

350 350

. ..

352 352

353 . 353

.. 353 .. 354 . .. ..

354

354 354 355 355

356 .

358

. 358 . .. .. ..

358

.

36 \

. .

363

358 359 360

360 360

364

Inhalrsverzeichnls

XII 7.8 7.9

8

9

Prüfung der Vemetzung Wetterbeständigkeit - Freibe wiu erung und Kurzzeitp rüfungen 7.9. 1 Freibe wirterung 7.9.2 Kurzbewitt erung

364 365 365 367

.

Feh ler in der Beseht ehrung

. 375

8. 1 Störungen im Lackfi lm . 8. 1,1 Fehlerbild: Krater im Lackfilm 8.1 .2 Fehlerbild: Blasen im Lackfilm 8.1.3 Fehlerbild: Nadels tiche im Lackfilm .. 8.1.4 Fehlerbild: Pickel im Lackfilm .... 8.1.5 Fehlerbild: Punktförmige Korrosionserscheinungen an der Lackoberfläche 8.1 .6 Fehlerbild: Fleckenb ildung durch äußere Einfl üsse 8. 1.7 Fehlerbild: Farbschwank ungen - durchscheinender Untergru nd 8.1.8 Fehlerbild: Haftungsverlust .. 8.1.9 Fehle rblld: Kreiden der Lackoberfl äche 8.1. 10 Fehlerbild: Sch leierbildung - Bloom ing-EfTekt 8.2 Korrosion der Metalloberfläche .. 8.2.1 Beschreibung der versc hiedenen Korrosionsarten 8.2.2 Filiformkor rosion 8.3 Beispiele von Schadensfällen aus der Praxis .. 8.3.1 Fehlerursachen . 8.4 Störungen im Lac kfilm 8.5 Troubleshooting: Diagramme und Tabellen

. 375 . 375 .. 378 380 382 .. .. .. .. . . . . .. .. .. .. ..

Sachwortverzelchnls ...

407 421

439

Entlacke n .....

9. 1 Chem ische Entlackung 9 .1. 1 Entlackungsmiu el 9.1. 2 Verfah renstechniken bei der Emlackung 9.2 Strahlen mit Trockeneis 9.3 Hochd ruckwasserstrahltechnik 9.4 Entlack ung mit Laserstrahl 9.5 Emlackung mit Plasma 9.6 Induktives Entlacken I Wirbelstromentlacken 9.7 Wahl des Entlack ungsve rfahrens

384 385 387 387 388 390 39 1 39 1 393 398 398

..

..

.. . . .. .. .. .. .. .

440 440 442 442

445 445 446

447 447 451

Gesc hichte der Pulverlackierung A ls die sti mulierende n Faktoren de r Entw icklung und Einfüh rung de r Pul verlackierung können die ökologischen und die die Erdöl-Ressourcen betreffenden Zwänge Ende der 60-er und der frühen 70·e r Jahre angesehen werden. In den USA war es 1966 die .Rule 66", die erstmals eine Beachtung von Umwe ltaspekten be i Lackierungen forderte, ehe in Deutschland im l ahre 1974 das Bundes-Immissionsschutz-Gesetz (BimsehG ) und 1986 die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) folgten. Besch ichtungen mit pulver förmigen. schmelzbaren Überzugsmassen wur den schon 1940 in ersten Anfängen durchgeführt. Es handelte sich da mals um thermoplastische Kunststoffp ulver. Das Ve rfahren se lbst würde ma n heute als .. Ftammspritzen'' bezeichnen. Im Jahre 1952 wurde das sogen annte Wirbelsinterverfahren vo n E. Gernmer (Firma Knapsack AG, Fra nkfurt/Main) entwickelt. durch das ers tmalig größere Pulvermengen für den Beschichtungssektor verbraucht wurden [ I]. Die Anwendungen beschränkten sich zunäc hst auf Elektroisolation und Rohrbeschic hnmg, mit Schichtdicken im Bereich von 200 bis 300 um. Das Aufschmelzen des Sc hutzfilms auf hinreichend vorgewärmte Werkstüc ke erfolgt während des Eintaueheus in der Wirbelsc hicht eines Ku nststoffpulvers. Der Pulverwerkstoff war zunächst Polyethylen , später gefo lgt von we iteren Therm oplasten wie Polyamid und PVc. Erst Anfang der 60-er Jahre kam mit Epoxidharz ein duro plas tische ns Material auf den Markt. Hier war es die Fa. Bosc h, die auf der Suc he nach eine m geeigneten elektrischen Isolierstoff den Grundtyp des Epo xidha rzpulvers entwickelte [2]. Es wa ren sog. .Langzeupulv er'', die 20 bis 30 Minuten bei Te mperaturen von 200 "C benötigten , um zu vernetzen. Die Eignung dieses vö llig lösungsmittelfreie n Beschlclu ungs materials auch für deko rative Zwec ke war so offens ichtlich, dass nur noch ein gee ignetes Auftragsver fahren und die feinere Vermah lung für dünne re Schichtd icken feh lten. Mit den ele ktrosta tischen Sprühpistolen der Fa. SA MES, die für das elektrostatisc he Auftragen die Bezeichnu ng .Samesleren' vorschl ugen, war Mitte der öü-er Jahre auch diese Hürde geno mme n. Sprühpistole und Hochs pannungsgenerator waren eng an die elektrost at ische n Sprühpistolen für Flüssiglack angelehnt. mit einem Pulverbehälter in der Art eines Lackdr uckgefäßes wa r die Anlage komplett [3]. Die Pulverschicht hafte te a uf kalten Werkstücken mit den gle ichen elektrostatischen Kräften ausre ichend lange, d. h. mindestens bis zum ansc hließe nden Aufsch melzen und Aus härten. Nun war es möglich geworden. aus einer Tauc hbesch ichtung vorgewärmter Werkstücke, eine Sp rühbesc hicht ung auf kalte We rkstüc ke durc hzuführen. A llerd ings war man zunächst von diesem Au ftragsverfahren enttä uscht, da der Auftragswirkungsgrad, der so hoch wie bei Flüssiglack erwartet wurde. durch die pneumatische Pulverförderung wesen tlich niedriger lag. Erst mit der au f dem Lackiergebiet vö llig neuen Mög lichke it den Overspray d irekt zurück zu gew innen, kon nte der erfolgreiche Sta rt der Pulve rlacklerung ge linge n, da jetzt der Gesamtwirkungsgrad unter Berücksichtigung des Pulverkreislaufs zur Beurteilung stand. Das war Ende 1966 . Vorläufer eines elektrostatischen Auftrags feiner Te ilchen hatte es zuvo r scho n be im e lektrostatisc hen Räu chern und dem Bestäu ben vo n Zigarre n gegeben [4]. Der nächste Entwic klungssc hr itt wa r, die Epo xidpulver durch vergllbungssichere Epox idPoly ester-Hyb ridpulver zu erg änzen . So konnte in Europa im Jahr 1968 de r erste Durchbru ch erfolgen, nachdem diese Pulver mit kürzeren Aush ärtezeite n und konstanten Q ual itäten in größe ren Mengen zur Verfügung stande n und zugleich die elekt rostatischen Appl ikationsgeräte weiter ver besse rt und zuneh mend auch für Großanlagen geeignet erschienen [5]. Es wa r

2

Geschi chte der Pulv erlacki erung

möglich geworden, die zur Reaktion benötigte Härtermenge a uf Kosten des Epoxidanteils zu erhö hen, indem man zwi schen die zur lIärtung erfo rde rlichen Carbonsäur egruppen nicht bloß einen klein en cyclisc hen Rest, sonde rn ein ga nz orde ntlic hes Makro molek ül schiebt. Dies führte zur Entw icklung der car boxylgruppenhaitigen Polyesterharze mit deutl ich verminderte r Vergilbungsresistenz. Hinsichtlich der Wetterbeständigkeit stellten sie jedoch noch keine Lösung dar [6]. Die Za hl der Pulverbescht chnmgsanlagen allein in Deutschla nd stieg vo n 4 im Jahr 1966 auf 5 1 im Jahr 1970 [7]. Anfan g der 70-er Jahre war im 1,3,S·Triglycidyllsocya nurat, kurz TG lf", ein Härter gefunde n, mit dem sich in den folgenden zwei Jahr zehnt en ein Pulverlacksystem mit großer Viel falt an Qualit äten für breiteste Anwendungen herstellen ließ. Schrittwe ise konnte n die Reaktivität, Verlauf und Flexibi lität und eine ausgezeichnete Wetterbeständigk eit erreicht werde n. Altern ativ wurden fü r Außenbeständigk eit Polyurethan zunächst mit Caprolactam als Blockierungsmittel auf de n Markt geb racht. Auch Acrylat-Pulver hatte se ine erste Entw icklung abgesc hlossen, konnte we gen Unverträg lichkeit be i Herstell ung und Verarbeitung mit anderen Pulverwerkstoffen in Europa damals nicht Fuß fassen. Nur in Japan und USA kam es Anwen dung. da hierfür grundsä tz lich separate Anlagen notwendig waren und sich dies nur bei Großverbrauch lohnt. Die Epoxidsysteme verloren an Bedeutung. blieb en dennoch für den Innenbereich und besonders wegen ihrer chemischen Bestä ndig keit gegen Laugen und Säu ren weiterhin unent behrlich . Der größte Mengenzuwachs im Pulververbrauch wu rde 197 8/79 erreicht [6]. Es stande n damals folgende Bindemittelsysteme zur Ve rfUgung: Epoxid. Polyester/Epoxid. PolyesterffG IC. Polyurethan. Ac rylat. Unterschieden wurde in Pulverlacke für den Inneneinsatz und Q uali täten für den weiter- und kreidungsbeständigen Außenein satz. Anlagentec hnisc h konn te 1972 in Patenten zur triboele ktrischcn Aufladung des Pulvers eine weitere Möglichkeit neben der Aulladu ng durch Korona im Hoch spannu ngsfeld für den elektros tat ischen Pulverauftrag aufgeze igt we rden. Es waren in (7] der Werksto ff Polytetrafluorethy len (PTFE) als Reibpartner und in [8] d ie konstrukt ive Lös ung de r Aufladeeinh eit mit Ringspa lt und spä ter 1980 d ie Aulladu ng in Schläuchen und das Vers prühen aus Fingerdüsen in [9], für die Patente erte ilt wu rden. Die trjboele ktrische Aufla dung verlangt jedoc h eine besondere chemische Ausrüstung des Pulvers. die bei den Epoxidpulvern von vorn here in gegeben war, bei Polyester und de n Hybridpulvern jedoc h erst mit leicht Elektrone n abge bende n Molekülg rup pen bei der Pulverformulierung gesc haffe n werden musste. Diese Un umgäng lichke it und eine Zurückha ltung bei eine r Reihe von Geräteherstell er auf die Rückzah lung der Entwick lungskosten für die Hochspannungsversorgung zu verzichten, hat d ie Einsatzbreite de r triboele ktrischcn Sprühpistole n lange Ze it eingeschrä nkt . Zu Beg inn der 70-er Jahre setzte eine Ideenflut ein, um an Stelle der Sprühpistolen vö llig andere Lösun gen für Pulversprüheinrichtungen vo rzusc hlage n. Sie wurden als ..Pulverspr ühgeräte der zweiten Generation" bezeichnet [10] . Hierzu zählt en z. B. de r auf der Hannover Messe 1970 von A EG vorgestellte Band zerstäuber. Ein per foriert es Kunststoffband. das aus einem fluidisiert em Pulvervorrat das Pulver aufnimmt . in die Höhe trägt wobei Lufldüsen durch die Löcher der Perforation das Pulver durch eine Vielzahl pa ralleler Korona drähte hindu rch auf die zu besc hichtenden Werkstücke blasen. Eine andere Lösung bot die Fa. Muellc r mit dem Pulver-Jet, einem Syste m von anei na nder ge koppelten Einzeld üsen, welc he jede direkt, d. h. ohne Schla uchleit ung. aus einem eigene n Fluidbehälter als Pulvervorrat gesp eist wird. Eine ähnliche Lösung ohne Pulversch lauch war die in Fran kre ich vo n der Fa. Somip 197 1 vorg este llte Pulverram pe. Mehrere Hersteller propagierten den rotierenden Sch eibenzerstäu ber und in Ab wandl ung das Pulver-Schle uderrad. um mit der Ze ntrifugal kraft die gleichmäß ige Pulve rve rteilung zu unterstützen. Einz ig überlebt hat bis vor wenigen Jahren die Pulverscheib e. in

Geschichte der Pulverlackierung

3

einem Exemplar zur Beschichtung von Waschmaschinen bei der Fa. Bosch in Gienge n. Rotierende Zerstäuber dagegen haben gegenwärtig als Glocke im Rahmen der Entwicklungen für die Karosserie- Lackierung ihre Renaissance erfa hren. Bei Koronapistolen erzielte die Fa. GE ~l A in der Schweiz zur gleichen Zeit einen Entwicklungssprung indem es gela ng. den Hochspannungstransformator und die Gleichspannungs-Kaskade in der Pisto le selbst unterzubringen und so auf das ..steife" Hochspann ungskabel verzichten zu können [ 11]. Möglich gemacht wurde diese Hochspannungserzeugung durch die Fortschritte bei der Miniaturisierung der Bauelemente Kondensator und Gleic hrichter für die Fernsehtechnik und der Durchschlagsfestigkeit von Gieß harzisolierungen. Der Einsatz von Ilochspannung birgt Gefahrenmomente. die einmal in der Annäherung oder Berührung spann ungs führender oder hochaufgeladener Anlagenteile liegen und zum anderen in der möglichen Explosions- und Brandgefahr zündw illiger Pulver-Luft-Gemische durch Funkenentladungen bedingt sind. Infolgedessen war es notwe ndig mit entsp rechenden Sicherheitsvorsc hriften diese n Gefahre n vorzubeugen. So ersc hien seitens der Berufsgenossenschaft die erste Richtlinie mit dem Titel ..Pulverbeschlchterr- als Z H 1/444 mit Ausgabedatum 10. 1971 und der Maßgabe wegen des ähnlichen Arbeitsverfahrens wie beim Farbspritzen die Forderungen der Unfal lverhütungsvorschrift •.Farbspritzen. -tauchen und Anstricharbeiten" (VG B 23) sinngemäß anzuwenden. Eine nicht erfüllbare Forderung war die nac h der Erdungskornrolle. die ein Stillsetzen der Förderbahn verla ngte. wenn beim Einlaufen eines Werkstücks oder Gehä nges ein größe rer Erdableitwiderstand als 10 kOhm gemessen wurde. Es bedurfte stichhaltiger Argumente , ehe d ieser Wert Jahre späte r auf I I\10hm korrigiert wurde. Spätestens jetzt wurde die Kabine bzw. der Sprühstand mit zwangsweiser Belüftung zur notwendigen Voraussetzung. Dazu haben sich ergänzend der Verband Deutscher Masch inen- und Anlagenbau (VD!\l A) mit dem VDMA- Einheitsbla tt 24 37 1 im März 1974 eigene Richtlinie n zur Einhaltung auferlegt, d ie sich hinsichtlich des Explos ionsschutzes auf Ergebnisse experimenteller Untersuchungen stützten. Seit Oktober 1977 müssen sich elektrostatische Ilandsprüheinrichtungen nach DlN 57 745 (V DE 0745) einer Typprüfung unterziehen. mit der siche rgestellt wird, dass diese Gerä te berührungssic her sind und sie für Pulver-L uft-Gemische keine Zündquelle darstellen. Gege n mögliche Gesundheitsschäden veranlasste der Europäische Ausschuss für Beschicht ungspulver der C EPE (Europäische Vereinigung der Verbä nde der Lack-, Druckfarben- und Künstlerfarbenfabrikanten) toxikolog ische Untersuchungen mit untersch iedlic hen Beschichtungspulvern, gestützt auf mehrjährige Kontrollen von Beschäftigten in der Pulverherstellung. Die Ergebnisse sind in einer Broschü re mit Empfehlungen für die Gefahrenverhütung zusammengefasst [ 12]. Die Broschüre erschien erst mals im Jahr 1985 und liegt inzwischen in mehreren Nachaullagen vor.

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Geschichte de r Pulv erlack ierung

Literatur zur Geschichte der Pulverlackierung Die Geschichte de r Pulverlack ie rung wurde freundlicherweise von Prof. Dr-I ng. habi l. W. Kleber zusammengetragen .

[ I]

Gemmer. E.: Kunststoff- Rundschau 7 (1960)

[2) Smuer. F.-J.: Stan d de r Pulvere ntwicklung. In: Be richte der IV. Tag. .. Elektrostatisches und Elektrop horetisches Beschichten", HIV Dresden, S. 70-7 1 (1969)

[3] Auemach. D.: Entwic klung vo n Auftragsgeräten ten. In: Plaste u. Ka utschuk 14. S. 34-38. (1967) [4]

ruf

das elektros tatische Plastbeschich-

Neunen. U.: Elektrostatik in der Technik. Oldenbourg- Verlag , München, 1954, 5.150-151

[5J Gunia, G.: De r Trend zur Automatik. Epg- Bilanz 72. Doku mentation de r Zei tsc hrift JOT, mi- Publikat ionsgcse ltscha ft, München, 1972 [6]

Che mism us, Herstellung und tec hno logische Eigenschafte n von Pul verlack en, Pulverlack 73. Tagungs band Pulverlacktagu ng Hamb urg 1973

[7J

Noll. G.: 20 Jahre Pulverlacke. Fac htagu ng Pulverlac k Harnburg. Tagungsband 1985

[8]

Kleber. 567

[9]

Ruud, J .: Pulverspritzgerät. Paten tsc hrift OE 3 100 002 Schwed. Prior ität 04 .0 1.80

w.:Triboe lektrische

Pulveraufladu ng. In: Metallo berfläche 50 (1996 ). 07, S. 564-

[i 0] Gebhardt. 0.: Pulve rbeschichtungsanlagen der zweiten Ge nera tion. In; Berichte der V. Tagung ..Elektrostatisc hes und Elektrophoretisches Besch ichten", HfV Dresden, (1972), S. 144- 149 [ 11] Braun. F.: Elektrostat ische Pulv erbeschicht ungspistole mit eingebautem Hoch spannungserzeuge r; Elektrostatisc he Auflad unge n. In: DEC HEMA-Monographien, Band 72. Verlag Chemie, Weinheim 1974 , S. 281 -292 [12] ano nym : Erge bnisse der e xperimentellen Toxikologiestud ie über wä rmehärtbare Pulve rlac ke. Euro päischer Aussch uss der Verbä nde de r Lac k-, Druck- und Künstle rfarbenfabrika nten, Brüssel 1985

5

I Pulverlacke Pulve rlack e sind Beschichtungsmat erialien, die nach der App likat ion a uf den zu beschich te nde n Subst raten du rch Wänneeinwirkung gesc hmolzen oder chemisch vemetzt werden und dadurch geschl ossene, gut haftende Überz üge ergeben. Sie haben, wie die meisten Ob erflächen behan dlu nge n, ha uptsächl ich zwe i Fun ktionen: eine dekorative und/od er eine funktione lle. Tahell e 1·1: Aufgaben einer Pulverlackschicht

Dekoration

Schutz

Farbe

mec hanische Belastunge n

Glan z

Korrosionsbeständigkeit

Verlauf/Struktur

Bew itterung Che mika lienbeständig ke it Elektroisolation

l.1 Verschiedene Pul verla cktypen Im Allgemein en setze n sich Pulver lacke zusammen au s: • • • •

Binde mittel (H arze, Härter. Beschleuniger) Pigmenten und Farbstoffen Füllstoffen (Exte nde r] Additi ven

Aufgrund ihres physikalischen und che mischen Verhaltens unterschei det man bei den BindemiUeln/Filmbildnern zwischen Thermoplasten und Duroplasten .

1.1.1 Filmbild ncr/Bindc miu cl Die Tabe lle 1-2 gibt einen Überblick über die heute wichtigsten Filmb ildnersysteme für Pulve rlacke. Bei chemisch härtenden Filmbi ldnern müssen die Verhä ltnisse vo n G lasübergangstemperatur Tg. m ittlerer Molmasse t-.l", mitt lerer Funktionalität f" und Reaktivität ge nau ausba lanciert sein . Es muss mögl ich sein, den vo rge mischten Pulverlack im Extruder aufzuschmelzen, ohne dass er me rklich vernetzt. Das Pulverlackmaterial dar f außerde m während der Lagerung nicht zu sehr sintern , so ll aber beim Einbrennen so aufschmelze n. dass es zu dem gew ünsc hten Film ve rläuft, bevor sich du rch die Verne tzu ng dan n d ie erwarteten Filmeigenscha ften einstellen. Die Harze sind desha lb meist amo rphe Polymere mit ge nügend hoher Glas übergang stemperat ur (von mind estens 40 bis 50 Oe ), so dass ein Sintern während der Lagerung unterdrückt wird. und mit einer Molmasse von einigen lausend g/mol.

6

I Pu lverlacke

Tahelle 1· 2: Bindemittelsysteme tUTPulverlacke [ I ] Üb liche Abk ürz ung

An we ndungsberei ch

Film bild ner

Thermoplastische System e

PE

Polyethyle n (L DPE, LLDPE, HDPE)

in nen

PA

Polyamid 11 oder 12

i nnen

SP

Polyeste r

in nen

EVOIl

Ethy len- VinylaIkohol-Copolymer

innen lind auße n

PVC

Polyviny lchlorid (und Copolymere)

innen und außen

P VD F

Polyviny lide nfluorid (und Copolymere)

innen und auße n

D urom ere Sy steme

Harz

Härter

EP

Epo xid har z

Phenclischer Härter lmidazolin-Derivate A nhydridaddu ktc

i nn en

Er- De D

Epox idharz

mo difiz iertes Dicyand iam id

innen

EP-SP

COO H-Po lyesterha rz

Epoxidharz

in nen

S P-TG IC

Co o n -Potyesterbarz TG IC

innen und außen

S P- HAA

COOH-Polyestcrharz

Hydroxya lky lamidhärter

innen und außen

S P-GE

COOH. Polyesterha rz

aro matisc he Glycidyle ster

innen und außen

S P· PUR

Ol-l- Polyeste rha rz

lsocyanatadd ukt Bloc kierte Urerdio -

innen und außen

AC-D DA

G lycidylacrylatharz

"'" Dodecandic a rbonsäu-

innen und außen

re

AC- PUR

O H-Acryl atharz

lsocyanataddukt

innen und außen

1. 1.2 T hermo p last-Bin de mittel Die re versibel schmelze nden Thermop laste bilden auf dem Substrat durc h Erhitzen über den Schmelz punkt einen Film, der nac h dem Abkühlen zu einem poren fre ien Überzug erstar rt. An thermop lastische Pulve rlackmat erialien werde n he ute folge nde Anforde rungen ges te llt: • • • •

bei Rau mem perat ur fest (T = 25 "C) lage rstabil bei Raumtemp erat ur ( 25 " C) und e rhö hten Te mpe raturen bis rnind. 40 °C o hne Klump enbi ld ung unzersetzt schmelzba r Schmelzte mperatu r da rfn icht zu hoc h sein

1. 1 Versch iedene Pulverlacktypen • • •

7

Sch melzvis kos ität muss Filmbildung erlauben gute Haftung auf verschiedenen Substr aten Überz üge müssen einfarbbar sein

Da Thermoplast- Bindemittel beim Aufschmelzen nicht vernetzen, muss da s Makromolekül und dadu rch auch das Molekul argewi cht bereits vor dem Aufsch melzen ausgeb ildet sei n. Hierdurch besi tze n thermoplastische Bindemi ttel bei den Applikatio nstemperaturen relat iv ho he Schmelzvis kositä ten. d ie da nn zu hohen Schichtdicke n. z. B. > 100 um führen. Weitere Nachteile von Thermop last-Pulve rlacke n sind z. ß . die durch den Erweich ungsbereich des Bindemittels besc hränkte Beanspruchungs möglic hkeit in der w ärme (E rweichung) sow ie aufwänd igere Mahlver fahren. da aufgrund der Duktil ität vo n Thermoplasten im Vergle ich zu Duro plasten bei tieferen Temperaturen gem ahlen werden muss. Neben den aufwä ndigere n Mah lverfah ren führe n besonders auch die im Vergleich zu de n Duroplasten höheren Schichtdicken zu hö here n Kosten. Ein weiterer Nach te il ist die in de n meisten Fäl len erforderliche Verwendung von Haftvermittle rn. Die Systeme sind nicht lösungsmit telbest ändig und haben eine ger inge Temperaturstabilität. 1.1.3 Duroplast-Bindemittel

Durop laste, allgemein auch thermohärtende Pulverlacke genan nt, werden nach dem Aufsi ntern auf den zu besc hichtenden Gegenstand durch Einw irku ng von Wärme chemisch vernet zt. wodurch sie ihre an fänglichen thermoplastischen Eigenschaften verlieren und du rch späte re Wänneeinwi rkung nicht wieder aufgeschmolzen wer den . Chemisch gesehen kommen für thermohärte nde Pulverlacke zwei Arten von Ver netzu ngsrea kttonen in Frage: die Polyaddition und Polykonden sation. Unter Polyadd ition ve rsteht man die Bildung von Polymeren od er Netzwe rken durch wiederholte Add ition vo n di- oder poly funktio nellen Monomeren ode r niederm olekularen Bausteinen ohne Abspalt ung von flüchtigen StotTen. Bei der Polykondensation entstehen Polymere durch Kondensationsreaktionen zwischen di- oder h öherfun ktionelle n Monomeren oder niedennolekulare n Bausteinen unter Abspaltung vo n flüchtigen Stoffen, wie z , B. Wasser ode r Alkohol. Eine weitere, in der Polymerchemie bekan nte Vemetzungsa rt. die sogenannte Polymerisationsreaktion spie lt in der Pulverlack-Industr ie nur bei den Uv-härtenden Pulverlacken eine Rolle. Folgende Anforder ungen werden he ute an duroplastische Pulverlackmaterialien gestellt: • • • • • •

• • • • •

bei No rmalte mperatur fest (Schmelzpunkt > ca. 65 "C ) bei No nnaltemperatur gut mahlbar unzersetzt schme lzbar Sch melztemperatur darf nicht zu hoch sein niedrige Schmelzviskosität in de m für die Härtung üblichen Temperaturbereich physikalisch und che misch lagerstabil bis mind. 40 °C ohne Verklumpung, che mische Vernetzung oder Versch lechterung der v er laufseigenschaften, in der Regel 28 Tage lagersta bil, Ausnah me: Niedertemperatu r-Pulverlac ke genüge nde Funktion alität, um in Kombinat ion mit entsp rechen de n Vernetzern zu Duroplasten zu vernetze n gute Haftung auf verschiedenen Materialien ohne Haftvermittler gut einfärbba r 16 spez. Durchgangswiderstand 10 10_10 Qcm relative Dielektrizitätskonstante ca. 2--6.

8

I Pu lverlacke

Die Vorteile d uro plas tisc her Pulverlac ke gegenübe r thermop last ischen liegen in de n relativ günstigen Härtungstemperaturen (ca. 120-200 "C). in der niedrigen Schme lzviskos ität in dem für die Härtung üblichen Temperaturbereich sowie der dadurch bedingten guten Untergrundbe netzu ng und de r guten Oberflächenbesc haffenheit. Fe rne r er laube n die im nicht vernetzten Zustand spröden Eigensc hafte n einfac he und wirtsc haft liche Mahlprozesse. Es hat bereits sehr viele Bemühungen gegeben, die Härt ungstem peratur fllr Duro plast-Pulverla cke hera bzusetzen. Ein wese ntl iches Hinde rnis be i diesen Bemü hunge n ist jedoch der zum Erhalt einer ge nügen. de n Lage rsla bilität er forderlic he Sch melz pun kt sowie die zur Untergrundbenetzu ng und zur Erreichu ng guter Verlaufseigenschaften erforde rlic he niedrige Sch melzvis kositä t. Ta belle 1-3 ze igt eine Übersicht über die heute verwendeten duro plast ischen Pulve rlac ksystem e, d ie auf einer Additionsreaktion basieren. Die Systeme, de nen eine Kondensationsrea ktion zugrunde liegt. sind in der Ta belle 1· 4 zusa mme ngefasst.

'labelle 1·3: Pulverlacksysteme mit einer Polyadditionsreaktion bei der Vernctzung [21

Ha rzkomponente

Härte rkom pone nte

Epox idharz (Bispheno l A-Typ)

Dicyca ndiarnid: besc hleunigt od. modifizie rt; subst . lmidazole: BFrKom plexe: Polycarbonsä urean hyd ride ; saure Polyeste r; Polyphe nole

Polyesterharze (carboxy Igruppe nhaltig)

Epo xid harze (Bisphenol A· Typ) ; Triglyc idy lisocyanurat (TG IC); hydroxylgruppenhaltige PES; Oxazoline; a romatische Glycidylester

Polyesterha rze (hydro xy lgruppenha ltig)

ve rkappte Polyisocya nate. Carbonsäurea nhydride; modifizierte Melamin- oder Harn stoflh a rze

Polyacry late (epoxidgruppenha1lig)

Ca rbonsäureanhydride: Dica rbon säu ren : saure Polyester; saure Acrylate; nor ma le Ele-Vemetzer

Pol yacry late (hydroxy lgruppenha lt ig)

Carbonsäureanhydride: ver kappte Polyisoe vanate: sau re Ac ryla re oder Polyeste r; rnodifi zie rte Metamine oder Harnstoffharze

Polyacry late (ca rboxy lgruppenhaltig )

Triglycidy lisocyanurat (TG IC); epc xid gruppenha ltige Acrylate; hydroxylgruppe nhaltige Acrylare oder Polyeste r; Ox azoline

'rebcue 1-* :

Pulverlacksysteme mit einer l'olykondcnsntionsrcaktion bei der Vcmctzung [21

Ha rzkompone nte

Härte rkom pone nte

Polyesterharze (ca rboxy Igruppe nha11 ig)

Hyd roxyalkyla mide (P rimid XL 552). Ab spaltpro dukt: Wasser

Polyeste rharze (hydro xyIgruppe nhaltig)

Tetramethoxymethyl Glycoluril (Powde rlink 1174), Abspa ltpro dukt: Methano l

9

1.1 Versch iedene Pulverlacktypen 1.1. ~

Epoxide

Als Epoxidharze kommen fü r die Herstel lung von Pulverlacken vorwiege nd feste Typen mit einem Schmelzbe reich nach Kotl er zwischen 60 bis ca. 90 "C in Frage. Den wichtigsten Epoxidharzty p stellen die aus Bisphenol A (2,2-Bis(4- hydroxyphenyl)-propan) und Epichlorhy drin (t-Chfor-z. ä-epo xy-propan) in Gege nwart von Nat ronlauge kondensierten Bisphenol-A-Epichlorhyd rin-Harze (kurz : Bis-Ai Harze) da r. Bild I-I zeigt die wesentliche Molekülstruktur.

,:.~;"-,~ Io-o-Fo-o-,",-L,",l ~-o-Fo-o-,~-,(;", c~

l[

Jt

~

Hild I-I : ldcalisicrtc Struktur eines Bis-A-IIarzes [11

•

l\

-O-CH 2-CH-CH2 Epoxid ha.rz

OH +

H- N( .

_

.

- O- CH2 - 6 H- CH2 - N( •

sticks toffha.ltige r Hä rte r

Hilt! 1-2: Epoxy Beschichnmgspulvcr: Umsetzung eines Epoxidharzes mit einem stickstotfhaltigcn Härter [261

Die Eigenschaften von Epoxidharzpulverlacken werde n in entscheidendem Maße von der verwendeten Härterkomponente beeinflusst. Eingesetzt werden bevorz ugt mod ifizierte ode r substitu ierte Dicyand iamide, Polyphenole oder auch niedermolekulare Ester von Polycarbonsaure n. Die Härtung von Epoxidharzen mit Dicyandiamld , besonders auch mit basisch besch leunigte n oder modifizierten Typen, ist in erster Linie eine Polyaddi tionsreaktion unter Bildung von N-Alkylcy anguanidine n. Neben d ieser Polyadditionsreaktion kann besonders bei höhere n Temperaturen noch eine anionisch katalysierte Polymerisationsreakt ion zw ischen noch vor handenen Epoxidgrup pen unter Bildung von Etherbrücken sow ie eine Addition von Ort-G ruppen an de r Nitrildreifachbi ndung erfolgen. In ähnlicher Weise. das heißt über eine Addition und anionisch katalysierte Polymerisationsreaktion verläuft auch die Vemetzung mit substituierte n Imidazolinen. Die Vernetzung mit Carbonsäureanhydriden verläuft in zwe i Stufen . In der ersten Stufe bilden sich durch Anlagerung einer Anhydridgruppe an eine Hydroxylgruppe Halbester. und die dabei entstande ne Carboxylgruppe add iert sich dan n an eine Epoxidgruppe unter Bildung einer Ester- und Hydroxy lgruppe. Durch die währe nd de r Vernetzungsreaktion anwesenden Carboxy lgruppe n und auc h relativ hohen Temperaturen treten als Nebe nreaktionen noch eine katlenisehe Polymerisation von Epoxidgruppen sowie die Add ition von Hydroxyl- an Epoxidgruppen in Ersche inung. Die Ver netzurig mit Polyphenolen ver läuft im Wesentlichen über eine Polyadditionsreaktion . Besonders die so gena nnten ..Tieftemperatur-Härter': sind auf Basis von Polyphenole n aufgebaut. Epoxidpulverlacke besi tzen neben sehr guter Haftun g auf versc hiede nste n Untergründen und aufgru nd ihrer se hr niedrigen Sch melzviskos ität ei nen ausgezeichne te n Verlauf sow ie

10

I Pulverlacke

gute lacktec hnische Eigenschaften. Die Härtungsbed ingungen reichen von 120 °C120 min bis - 200 °CJ5 min. Als weitere positive Eigenschaften ist die gute Beständigkeit gegen Lösemittel. Säure n und Laugen zu nennen. Negativ zu bewerten sind aufgrund des aromatischen Chara kters die schlechte Überbrennbarkeit (Vergilbung) und die Kreidung unter UV-Belastung. Epoxidpu lverlacke werden deshalb heute fast nur noch im funktiona len Bereich. wie z. B. für Kfz-Teile, in der Elektro- und Elektronikindustrie. für Armaturen und Ann ierungseisen sowie für die Beschichtung von Rohrleitungen. Pipelines etc . eingesetzt.

1.1.5 Hybrides Bei der Herstellung von EpoxidharzJPolyester-Mischpulverlacken. sogenannten Hybrides. werden geeignete Polyesterharze verwendet. die im Molekül endständige, freie Carboxy lgruppen ent halten, die über die Additio n an Epoxidgruppe n eine räumliche Vemetzung bewirken. Beim System SP-EP (Hybridsystem) werden COOH-funktionelle Polyesterharze mit ei ner Moirnasse von einigen tausend g1mol eingesetzt . Da ihre Metmasse größer ist als die der verwendeten Epoxidharze, wird es hier als Stammharz bezeichnet. Das Mischungsve rhältnis variiert dabei von 60:40 bis hin zu 10:90 von Epoxidharz zu Polyester. Das genaue Mischungsverhältnis wird durch die spez iellen Kundenanforderun gen und Anwend ungsbereiche festgelegt. Heute vorwiegend eingesetzte Mischungsverhältnisse sind 50:50 EP:PES bis zu 30:70 EP:PES. Hintergrund sind die steigenden Preise für Epoxy, so dass heute der Trend zu höheren Polyesteranteilen geht.

.

l\

o

"

- O- CH2 - CH- CH2 + H- O- C - . Epoxidharz

.

OH 0 I "- . - O - CH2- CHCH2- O- C

saurer Polyester

Hild 1-3 : Epoxy-Polycstcr Beschichtungspulv er. Umsetzung eines Epoxidharze s mit einem sauren 1'0-

lycstcr [261

Hybrides besitzen ähnliche Eigenschaften wie die Epoxid-Pulverlacke, je doch ei ne bessere Vergilbungsstabilität beim Einbrennen und geringere Kreidungstendenz unter UV-Belastung. Ein Nachteil gege nüber Epoxidpul verlacken ist die schlechtere Lösemit telbeständigk eit. Der Härtungsbereich liegt zwischen 130 °C/15 min und 200 °CJ5 min. Die Anwendungsgebiete liegen besonders im dekorativ en Bereich, beim Laden- und Regalbau. Metall-Büromöbeln, Haushaltsgeräten. Kühl-, Garten- und Campingmöbeln. Deckenelementen und Radiatoren.

1.1.6 Pol)"cster/TGI C Für die Herstel lung witterungsstabiler Pulverlacke haben sich freie Carboxy lgruppen enthaltende Polyesterharze in Kombination mit Triglycidylisocyanurat (TGIC) in den vergangeneu 30 Jahren ausgeze ichnet bewährt. TGIC reagiert über seine drei reaktiven Epoxidgru ppen mit den Carboxylgruppen des Polyesterharzes und bildet so ein dreidimensionales Netzwerk aus. Die vernetzung zwischen dem sauren Polyesterharz und TG IC erfolgt ebenfalls durch eine reine Additionsreaktion.

1.1 Verschiedene Pulverlacktypen

II

mld 1-'-: TUIC / I'ES-Estcrbilldung 13 ]

o

.

" - C" OH - C- OH

o

. .

- C- OH

o"

mld 1-5: Polycstcrbcschichtungspulvcr. Carboxylgmppcnhaltigcr Poly ester gehärtet mit TUIC [26]

PolyesterITG IC-Pu lverlacke, im Sprachgeb rauch oft auch einfach Polyesterpulverlacke genannt, zeich nen sich durch eine hervorragende Witterungs- und Kreidungsbeständi gkeit aus. Darüber hinaus besitzen sie sehr gute Überbrennstabi lität und se hr gute lacktec hnische Eigenschatten. Die Härtungsbedingungen liegen zwischen 160 °C/ 15 min und 200 °C/5 min. Die Lösemittelbeständigkeit ist gegenübe r Epoxiden und Hybrides j edoch ge ringer. Aufgr und der Witterungsbeständigk eit eignen sich Polyester für sä mtliche Außenanwendungen wie z. B. Fassadenelemente . Fensterrahmen, Garten- und Cam pingmöbel. Beleuchtungskörper und Zwe iradfa hrze uge etc. Sie finden jedoc h auch vermeh rt Anwendung im dekorativen lnnenbcreich, wo eine besonders hohe Vergilbungs- und Kreidungsbestän digkeit im Vordergrund steht. Negativ für d iesen Vernetzer ist die Kennzeic hnung des TG ICs als "g iftig" anzumerken, zudem wirkt TG IC auf der Haut leicht und am Auge stark reizend. Wie viele andere Gly cidylverbi ndungen auch, zeigt das TG IC eine hautsensi bilisiere nde Wirkung. Pulverlacke mit ei nem Anteil von z 0, 1 % TG IC in der Formulierung sind ebenfalls kennzeichnungsptl ichtig und werden in Europa imme r wen iger eingesetzt.

1,1.7 Polyester/Hydroxyalkyla mtd Als Alternative zum TG IC stehen seit 1990 die Klasse der ß-Hydroxyalkylamide zur v erfügung. Im Unterschied zu den ande ren Vernetzungsreaktionen sind hier keine Epoxid- oder lsocyanatgruppen an der Reaktion bete iligt. Die Verknüpfung erfolgt über besonders reaktive Hydroxylgruppen. Hydroxyalky lamide sind toxikologisc h völlig unbeden klich und die in ß-Stellung zur Amidgruppe stehenden OH-Gruppen besitze n ab ca. 160 "C eine große Reaktivität. Unterhalb diese r Temperatur zeich nen sich Polyester/Hydroxyalkylamid-Pul verlacke durch eine se hr gute che mische Lagerstabilitä t aus. Bei de r Vernetzung zwischen Carboxylund ß-Hydroxyalkylg ruppen handelt es sich um eine Kondensationsrea ktion unter Abspaltung von < I % Wasser.

12

I Pulverlacke

HO - CH, -CH,

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Ho - eH, - eH,

0

0

li

CH - CH - OH

11/

2

2

N - C - (CH ) - C- N H

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CH2 -CH2 -O H

HiltJ 1-6: I lyd roxyalk ylamid. P ri m id~ XL 552 13 J

o

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.

- C- OH

.

- C- OH

o"

+ 2 Hf)

HilI! 1-7: Carboxylg ruppcnhnlügcr Polyester gehärtet mit ß-Hydroxyalkylarnid [26]

Durch Zusatz von gee igneten Entgasungsadditi ven. die für die Entfernung des während der Reaktion freiwerdenden Reaktionswassers sorge n. können auch mit diesem Pulverlacksystem genüge nd hohe Sc hichtdicken erreicht werden . Neben se hr guten lackte chn ischen Eigenschaften (Härtungsbedingungen 160 oe J20 min bis 200 °C/5 min) besitzen Polyester/Hydroxyalkyla mid-Pulverlacke ebe nfalls hervorra gende Witterungs- und Kreidun gsbeständigk eit. Sie sind deshalb als Alternative zu Polyester- und Polyurethan-Pulverlacken in Außenanwendungen einsetzbar.

1.1.8 Aromatische Glycid ylester Die Vemetzungsreaktion der Glycidylester mit den Carboxylgruppen der Polyesterharze ist vergleichbar zu der des TG ICs. Auch hier erfolgt eine Polyadditionsreaktion ohne Abspaltung von Nebenprodukten. In vielen Eigenschaften sind Glycidylester mit TG IC verg leichbar. wie in der Thermostabilität. Wetterbest ändigkeit und der Gasofenbestllndigkeit. Die Reaktivität des Araldite PT 9101!l liegt etwas unterhalb der des TG ICs [4]. Als nachteilig ist die begrenzte Lagerstabilität der Lacke und die schlechtere Chemikalienbeständigkeit zu nennen. Pulverlacke mit einem Anteil von ~ I % PT 9101!l sind mit Xi (reizend) zu kennzeichnen. Bei Lacksystemen mit diesem Härtertyp ist ein höherer Extrusicnsa ufwand notwendig, da die speziell für d iesen Verrietzertyp entwickelten Polyesterharze eine höhere Schmelzviskosität haben. Um die Nachteile einzelner TGIC-Alternativen zu reduzieren. werden auch Mischungen von ß-Hydroxyalkylamid und z, ß. PT 9101!l verwendet. Im Vergleich zu reinen I3-Hydroxyalkylamld-Systemen kann so die maximale Schichtdicke ohne Nadelstiche erhöht werden [4]. Ein Vorteil der aromatischen Glycidylester ist. dass sie sich katalysieren lassen und somit die Einbrennbedingungen gesenkt werden können.

1. 1 Versch iedene Pul ver lackty pen

13

O:J O~"--J? 1:;0 "-o~oJ ca.75 % o

o

~o~ ~ h oY 0

-

GI YCldylester

/-
o

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- C - OH

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- C - OH

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OH

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" - O - CHz- CH-CH I - C z

•

-C-O -CHz-CH-CH z

o"

I OH

)

.

Hilt! 1-9: Carboxylgr uppcnhahigcr Polyester gehärtet mit (Hycidyl- Estcr [26]

1.1.9 Polyuret ha ne PUR-Pu lverlaeke ba sieren auf freien . Hydr oxylgruppen enthaltende n Polyesterhar zen . d ie mit Polyisocyanaten du rch ein e Addi tion sreaktion vernetzt werden . Derze it sind zwei Arten vo n Isocyanat-Härtern ve rfüg bar, zum ei nen m it Capro lac tam verkap ptes Isophorond iamin (1 1'0 1), zum andere n ein verkapptes 11' 0 1 mit Urethdion struktur ohne Caprolactam . In Italien we rden auc h aromatische Isocyanate. z. B. au f Met hylendianilin (M DI)- Basis ve rwe ndet, d ie jedoch e in hohes Verg ilbungs potential aufweisen und de shalb in de n übr ige n europäisc hen Lä ndern nich t verwendet werden . Zur Abspa ltung de s Caprolactam s bzw . zum Aufb rechen der Urethdionstruktur sind relativ hohe Tempe raturen erforderlich. Die Isocyanatgrup pen reagieren dann ansc hließend mit den Hydroxy lgru ppen de s Polye sters unter Bildung vo n Urethan bindungen. Es we rde n de shalb Einbrenntemperaturen von mindestens 180 °C benöti gt. Ein Nachteil der geb lockten Systeme ist, da ss das Blockierungsreag enz beim Einbrennen abgespalten wird. So ka nn der VOC -Anfall in Pulverlacke n. der mit e-Caprolactam blockiert ist. dur cha us 2 bis 4 % bet ragen. Es werden heute aber scho n zu Uretdionen dimerisierte lsocyanatpräpcly mere angeboten, die naturgemäß be im Einbrennen keine Abs paltungsprodukte mehr freisetzen . Um die Einbrenntemperaturen zu senk en. werde n diese Syste me durch Dibutaylz innd ilaurat (D BT DL) oder tertiä re Amine kataly sie rt.

14

I Pulve rlacke VerkapPullgs: mittel :

+ hydrosylgruppen· r emcer Polyester

6~ c~~- . ve rkapptes

iscc ver et

-

. -O -C -N -. o

H

"

I

Verkappungs-

+ mitte l

Hild 1-10: Polyurethan Beschichtungspulver. Umsetzung eines hydrox ylg ruppc nhaltigcn Polyesters mit einem ver kappten Isocyanal 126]

Da mit O H-funkt ionel1en Polyeste rn formulierte Sys te me besser fließen als jene mit COO Hfunktionellen. zeige n die SP-PUR-Systeme meist eine n besseren Verlauf als die anderen Pulverlacke. AC-PUR-Pulverlacke schließlich zeichnen sich durch ihre hervorragende wenerbeständlgkeit aus.

Nachteilig w irkt sich bei dem caprolactamve rkappten IPOI neben der Abspaltung de s Verkappungsmittcls di e ungenügende Kant endeckung aus. An sonsten zeigen PUR- Pulverlacke ebenfalls sehr gute Witterungs- und Kreidu ngsbestä ndig keit , kombinie rt mit sehr guten Verlaufs-

und lacktechnischen Eigenschaften. Das Anwend ungsgebiet der PUR-Pulverlacke ist desha lb deckun gsgleich mit dem der Polyester/TGlfj-Pulve rlacke.

1.1.10 Aliphatische Oxirane Unter dem Markenzeichen Uranox vertreibt die DS~1 ein Sortiment von alip hatischen Bindemittelsystcmen auf Basis von epoxidie rtcn Fettsä urees tern. Normalerweise ist die Klasse der aliphat ischen O xirane flüssig. In einem speziellen Prozess werden diese jed och dem noch flüssigen Polyesterharz zudos iert. Die er haltend en Endprodu kte sind fest. Diese Systeme sind Einkompcnentcnsysteme, die unter Verwendung eines Katalysators ab Einbrennbedingungen von 170 "C in einer Polyadditionsreaktion aushärten. Systeme auf Uranox Basis sind kennzeichn ungsfrei und zeichnen sich durch ein sehr gutes Benetzungsverhalten und guten Verlauf aus. Die Lagerstabil ität der Pulver ist begrenzt. ebenso die Überbrennstabilität und Witter ungsbeständigkeit .

1.1.11 Acrylare Die relativ neue Produktgruppe der wetterbeständigen Acryl-P ulvertecke basiert auf Acrylharzen, die mit unterschiedlich en Härtern vernetzt werden könne n. In der Regel werden heute Dicarbonsäuren, Anhydride von Dicarbonsäuren oder Isocyanat e ei ngesetzt. Die weiteren Rezept kom ponenten unterscheiden sich, ebe nso wie auch die Herstellverfahren. wenig von konventionellen Pulverlacken. Aus drei G ründen ist man bislang eher zögerlich mit Acrylpulverlacken umgegangen: Die Rohstoffe habe n einen sehr hohen Preis, die fertigen Pulverlacke sind unter normale n Bedingungen nicht lagerstabil und die Vert räglic hkeit mit anderen Pulverlacken ist nicht gegeben. Dem stehen herausragende Eigenschaften der fertigen Lacklerung gegenüb er: Verlauf wie bei lösemittelhaitigen Flüssiglacken. sehr hohe Brillanz und deutlich größere Wetterstabilität. Die Suche nach emissionsarmen oder -freien Beschichtungen hat insbesondere die Automobilindustrie auf Acryl-Pulv erlacke aufmerksam werden lassen. Mit Polyester- oder Polyurethanpulvern konnten die Eigenschaften und Anforderungen der Serienlacke nicht erreicht werden.

1.1 Verschiedene Pulverlacktypen

15

Vorteile der Acry latsysteme: • • • • • •

Absolut emissio nsfreie und abfallarme Beschichtung Der Verlauf ist verg leichbar mit Serie n-Flüssigjacken der Automobilindustrie Sehr klare Beschichtung. Die Brillanz der Klarlacke auf Metallic-Basislacken ist exzelle nt Die Wetterstabilität ist sehr gut (5 Jahre Florida) Rissfreie Klarlacke Einbrenntemperaturen von 140 "C sind möglich

Nach teile: • • • • • •

Seh r teuer (Preis zwe i- bis dreimal höher als bei Polyester-Pulverlacken) Lagerstabilität bei Raumt emperatur nicht ausreichend, Kühlung notwendig klimatisierte und gereinigte Z uluft notwen dig Verträglichkeit: auf andere Pulverlacke Wirkung wie Si likon. Abschottung von Anlagen mit konventionellen Pulverlacken notwendig empfindlich gegen Verschmutzung (Kontaminatio n) hochwertige Anlagentec hnologie notwendig

Die Summe der Vor- und Nachtei le zeigt auf, dass Acrylpulver nur für besondere Anwend ungen eingesetzt werden , wie z. B. in der Automobilindustrie. Der erste Anwender in der Fahrzeugindustrie war Harley-Davidson in USA. In Deutschland wurden Pulverlacke an der Karosse erstmals bei B\ 1W in Dingol fing eingesetzt für die Serienlackierung auf wasserverdün nbaren Basislac ken. Bei Daimler in Rastatt wird Acryl-Pulver als ..Pulver-Slurry''. d. h. im Wasser dispergiert und konve ntionell verarbe itet und beim Smart wird die Stahl-Karosserie mit Acrylpulver in Metallic Anthrazit und in Silber beschichtet. Im Falle des Smart wird das Acrylharz durch eine Polymerisation von Glycidylmethacrylat (GMA) und anderen Monomerbausteinen hergestellt. Das so erhaltene Glycidylpolyacrylat (GPA) wird mit Dicarbonsäureanhydrid in einer Polyadditionsreaktion ausgehärtet. Diese Systeme zeichnen sich durch eine ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit. hohe Abrieb festigkeit. sehr guten Verlauf und eine exzel lente Brillanz aus. Sie sind jedoch so hoch reaktiv (Härtung ab T = 130 "C mög lich), dass sie unter normalen Bedingungen nicht lagerstabil sind. Es ist eine Kühlung bei Transport und Lagerung notwend ig, wie auch ei ne Kllmatisie rung der Beschichtungsanlage sinnvoll.

o

"

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/ -\ CHz - C - O- CHz- CH

HO-C

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- C - O- CHz- CH - CHz

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GMA-Acrylalharz

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- C - O - CHz- CH- CHz- O "..

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(l; ca rbonsaur&-.Harler

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" - O - CHz- CHI - C CHz -0 .... C=O

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C =O

I OH

m it! 1-11 : Vereinfachte Darstellung der Vernetzung von Pulverlacken auf Basis Glycidylmcthacrylat (G\1A) [26)

16

I Pulve rlacke

Wird die Vernelzung über Hydroxy/Isocyanat-Reaktio nen real isiert, liegen die Einbreuntempe-

raturen aufgrund der Verkappung des lsocyanats bei Objekttemperaturen von T 2:: 180 "C. Diese Syste me sind auch lagerstabiler.

1.1.12 Methyl-substitu iert es TGI C Eine Allemative im Bereich Vemetzer ist ein Produkt von Nissan , welches der Struktur von TGl e seh r ähn lich ist. Der einzige Untersch ied liegt in de n Methylgruppen der Glycidylreste. Die technischen Eigenschaften entsprec hen des halb auch we itestge hend de nen des TG Ie. Nac hteilig ist die geringe Reakti vität, vor allem aber die Kennzeichnung des Herstellers mit Xn (ges undheitsschädlich) und den Risikosätzen 36 (reizt die Augen) und 40 (irreversibler Sch aden möglich).

1.1.13 Additive Addi tive für Pulverlacke umfassen Verla ufsmittel, Entgasungsmittel. Manierungsadditive, Wachse zur Bee influssung der Obe rfläche nhärte. Struktur- und Tex turad ditive, Katalysatoren und Rieselhilfen. Speziell die Rieselhilfen - Alum iniu moxi de oder pyrogene Kieselsäuren - sind wich tig für eine re ibungslose Verarbeitbarkeit der Pulverlacke beim Kunde n (Fluidisieru ng). Pulverlacke weisen. aufgrund der Abwesenheit von Löse mitteln , im geschmolzenen Zustand eine relativ hohe Oberfläc henspan nung auf. Dies kann auf ungenügend gerei nigte n oder vorbe handelten Metallo berflächen zu mangelhafter Benetzung, zu Kanten flucht und zu schlec hter Haft ung führen. Deshalb enthal ten Pulverlacke oll I bis 2 % Verlaufsmittel. meist Poly acrylate, die gleic hzeitig die Neigung zu Kraterbildu ng vermi ndern . Allerdings kann es bei zu hoher Dosierung zum Orangenhauteffekt kommen. Viele Pulverlack e enthalten zude m 0. 1 bis I % Benzoin. Es dient als Entgasungsmiuel und wirkt ebenfalls der Kraterbildung entgegen.

1.1.14 Pigmente Pigment e sorgen für einen deckenden, farb igen Eindruck de r Beschichtung. An sie we rden in Pulverlacken hohe Anforderungen gestel lt: Therm ische Stab ilität be i der Einbre nntemperatur möglichst ge ringe Erhöhung der Schmelzviskosität keine Reaktion mit andere n Pulve rlackbestandteilen und Sta bil ität gegenüber den beim Extrudieren und Mahlen auftretenden Scherkräfte n Am beste n werden d iese Kriter ien vo n anorganischen Pigmenten erfüllt. Bei organischen Pigme nte n muss auf hoc hwertige Typen zurückgeg riffe n werden.

18

I Pu lverlacke

Obwo hl die Pig ment palette ruf Pulverlac ke a ufg rund der hohe n Einbre nnte mperaturc n beschränkt ist, sind nahezu a lle Farbtöne herstellbar. Jedoc h ist man im Bereich der intensiven Buntfa rbtöne (z. B. kräftiges Rot und Gelb) gezwungen. farbstarke und reine, organische Pigmen te zu verwenden, welche erheblich leu rer s ind, was sich auch a uf den Preis des fertigen Pulve rlackes aus w irkt. Frü her wu rden hierfür sc hwer mctall haltige (anorgan ische) Pigm e nte auf der Bas is vo n Blel- und Kadmiu mverbin d unge n eingesetzt. Sie finden heute j edoch wegen ihre r toxikologisc hen Eigenschaften ka um noch Verw endung . Da organische Pigm ente wesent lich feinteiliger sind als anorgan ische, ist ein erhöhter Aufwand bei der Dispergierung nötig, um die Pigmentagg lomerate in ihre Primärteilch engröße zu zerklei nern. Einfacher ist de r Umgang mit ano rganischen Pigmenten. überwiegend aus der Gr uppe der Metalloxide bzw . oxidisc he Mischphasenpigmente vom Rutil- und Spinelfty p. Diese Pigmentgruppe zeichnet sich durch eine gröbere Teilchengröße und somi t leichtere Dispergierbarkelt aus. Die Farbstärke dieser Gruppe ist meist kleiner als bei den orga nisc hen Pigmenten, dafür besitzen sie ein größeres Streuvermögen, Deckvermögen und eine überwiegend größere Temperaturbeständigkeit.

Eine beso nde re Gruppe ist die de r funktionellen Pigmente. die überwiegend au s Kor rosionssch utzpig menten besteht. Hier ist wen iger der erreichbare Farbeindruck das Ziel, vielmehr zäh lt die sch ützende Wirkung für da s Substrat. Zinkp hosphate und andere, aktiv wirkende Typen Ilnden hier Verwendung. Farbstoffe sind im Gegensatz zu Pigmenten im Bcsc hichtungsstoff löslich. Dies lässt einen lasierenden, d. h. nicht deck enden Farbeind ruck ents tehen. Mit Farbstoffen ge färbte Lacke können eine n interessanten Effe kt darstelle n, bei de m aber ein einwand freier, da sichtbare r Untergrund notwendig ist. Allerdings wird der Farbeindruck bzw. die Intensität sta rk von der Sc hichtdic ke beeinfl usst. Nach teilig beim Einsatz von Farbstoffen sind die ge ringeren Beständigkeite n wie z. B. Licht- und Wetterechtheit. Das Einarbeiten vo n Glanzpigmenten ist mit einem Extruder nur schwer mög lich. Die Plättche n werden hierbei ge knickt ode r gebrochen. So sind Effektpigmente entweder nur physikalisch untergemischt oder, um Ernmischungserscheinungen zu verme ide n, in einem Bon dingProzess auf den Pulverlackpartikeln fixiert. 1.1.15 Füllstoffe

Als Füllstoffe ko mmen übe rwiegen d natürliche Mineralien zu m Einsatz : Schwerspat. Feldspat, Kreide ode r Quarzsand [7]. Jeder Füllstoff hat spezi fische Eige nschaften und verleiht somit auch dem Pulverlackfilm seine cha rakte ristischen Eigenschaften. So beein flusse n die Füllstoff e viele makroskopische Phänomene der Lackierung: • • • • • • • •

Verlauf Kantendeckung Kantenablaufverhalten Flexibilität (Tie fung, Biegu ng) Schlagtiefungsbcstän digkeit Glanz Chem ika lienbeständig keit Dichte, Ergiebigkeit

1.2 Strahlenhärte nde Systeme

19

1.2 Strahlenhärtende Systeme Strahlenhärtende Lacke sind Beschichtungssysteme, welche durch energiereiche Strah len aktiviert und vernetzt werden. Die Formulierung der Systeme, die Strahlenart und - Intensität, wie auch die apparative Anordnung der Strahlerquellen müssen auf das zu beschic htende Substrat abgestimmt sein. Die me isten Formulierungen für strahlenhärtbare Syste me bestehen in einer ausgewogenen Mischung aus [8]: • • • •

oligonteren Bindemitteln (Harz) monomeren Reaktionspartnern (Vernetzungskomponente) Photoinitiatoren (nur für die UV -Härtung) Hilfsmitteln (diese sind nicht an der Vernetzung beteiligt)

Bewährte Bindemittel sind ungesättigte Polyester, Epoxidharze oder Polyurethane. An die Enden dieser Basismo leküle sind eine oder mehrere Acryl- oder Methacryl-Gruppen angehängt. An solchen Kettenenden mit eine r stabilen chemischen Doppelbindung C H ~ '" CHgreifen die energiereichen Strahlen an. Sie erzeuge n freie Radika le und setzen eine chemische Reaktion in Gang.

1.2.1 Tec h nologisc he Unte rschied e in den Verfa hren NIR-, UV- und NT-Härtung Das NT- (Niedrig-Temperatur-Härtung) oder .Low Bake" -Härtungsverfahren entspricht dem bekannten thermoreaktiven Vernetzungsprozess auf Basis von Epoxidharz-Pulverlacksystemcn. die sich durch einen einstufigen Schmelz- und lI ärtungsprozess auszeichnen. Schmelzen und Härten können nicht voneinander getre nnt werden. Der Energ ieeintrag in das System erfolgt über Konvektionswärme und/oder mittelwellige IR-Strahlung. Die Wärmeleitung erfolgt dabei immer über den Beschichtungsstoff in das Substrat. Infolge der relativ langen Härtungszeit kann nicht verhindert werden. dass die Masse des Substrates, auc h bei ~1 DF und Kunststoffen, vollständig durchwärmt wird (sie he Bild 1-12). Eine Vernetzung von Polyestersystemen bei Temperat uren von 100- 120 "C gel ingt nicht. Som it stehen für den NT-Bereich nur Epoxidharzpu lverlacke zur Verfügung, mit den bekannten eingeschränkten Eigenschaften. Mit speziell ausgew ählten Epoxidharz- und Härterkomponenten ist eine chemische v ernetzungsrea ktion bereits bei Temperaturen unter 100 "C möglich. Die praktische Umsetzu ng in Pulverlackformulierungen ist kritisch hinsichtlich der Lagerstabilität (Vennei dung des Verklebcns der Pulver partikel bei normaler Raumtemperaturen), was eine weite re Absenkung des Molekulargewichtes nicht erlaubt . Die heute zur Verfügung stehenden NT-Pulverlacke benötigen immer noch Vemetzungsbedingungen von mindestens 120 bis 130 "C während 10-20 Minuten. Die Gründe dafür sind vielschichtig, wobei die wesentlichsten im Erreichen einer besseren Haftung, im besseren Verlauf und einer widerstandsfähigeren Oberfläche liegen. Die Anwendung d ieses speziel len NTPulverlackes auf thermisch sensiblen Substraten ist durch die vergleichsweise geringe Temperaturbilanz fiir den gesamten Schmelz- und Vemetzungsprozess eine sinnvolle Option. N1 R-härtbare Pulverlacke sind speziell fiir diese Anwendungen optimiert und gewährleisten, dass die maximal möglic he Energiemenge für den Vernetzungsprozess ausgenutzt werden

20

I Pulve rlacke

ka nn. Die elektromagnetische Aktivierung und der strahlungs induz ierte w ärmemech anis mus sc hließe n den Sc hmelz - und Vemclzungs vo rga ng innerhalb weniger Se kunden a b. Beso nders eff ektiv a rbei tet das Sys tem a uf Mcta lloberlläc hen, weil der d urc h die Pulversch ic ht

transmittierende Anteil der Stra hlung von der Metalloberfläche reflektiert wird und zur Nutzung einer erhöhten Energiedichte in der Beschichtung führt (siehe Bild 1-12). Der Ausbärtungsp rozess. verglichen mit dem von ko nventio nellen Pulv e rlacken. ka nn damit um den Fa klor 100-1000 ve rkürzt werden [9].

Die Pulverlacke sind so konzipiert, dass die ein strah lende Energie vorw iegend zur homog enen Aufheizung im gesa mten Volumen der Beschichtung benutzt wird und somit das Substrat nur geringer ther mischer Belastung unterliegt.

Die NIR-Strahlung bietet die kurzweiligste und energiereichste Infrarotstra hlung mit einer extrem schmalband igen Ene rgieverteilu ng. Pulverlacke für diese Härtung können theoretisch mit allen beka nnten thermoreaktiven Bindemitteln auf Basis von Epoxid- und Polyesterharzen oder Acrylatharzen formuliert werden. Da alle diese Bindemittel jedoch gegenüber der NIRStrahlung (Wellenlängen zwischen 0.75 und 1.2 u m) Transparenz zeigen. ist eine Umwandlung von Strahlung in Wärme nicht möglich. Um diese Umwandlung zu gewährleisten. müssen die Pulverlacke eine entsprechende Absorptionscharakteristik besitzen. Handelsübliche Pulverlacke sind fü r die NIR-!Iärt ung ungeeignet. da sie diese Eigenschaften nicht automatisc h besitzen. NIR-Pulverlacke dagegen könne n auch mit den konventionellen Einbrennöfen wie handelsübliche Pulverlacke eingebrannt werden.

" l ow Bak e"

NIR

(Schmelzen und Härt en )

(Schmelzen und Härt en )

Obe rflächen erwä rm ung Pulverschicht Schnelle Vo lumenerwärmung I

Herzsystern

Pigmente

Grenzf läche n_ aktlvlerung

Erh itzu"'ll übe r Schichlg radie nl

20 ' C

reflektierte Strahlu ng

Hild 1-12: v ergleich der Härtungsprinzipcn ..Low Bake' und NIR19\

Einem ganz anderen Prozess unterl iegt die Filmbildung und Vernetzung von UV-härtenden Pulverlacken. Der wesentlichste Unterschied zu den thermoreaktiven Pulverlacken ist die Trennung von Schmelz- und Ilärtungsprozess (siehe Bild 1-1]). Dies erfordert einerseits ein speziell abgestimmtes Verfahrens manageme nt, erö ffnet aber andererseits große tech nologische Vorteile beim Beschichten von z. B. porösen Substraten. die bei höhere r thermischer Bean-

21

1.2 Stra hlenhärtende Systeme

spr uch ung zu r Freisetzung von niedermol e kularen und andere n flüchtigen Stoffen aus den Poren neige n. Besonders s ind hierz u MD F (Mitteldichte Faserplatte ) und viele Kunststoffe und auc h Zin k-, Alu miniu m- oder Magnesiumd ruc kguss zu ne nnen . We nn bei thermorea ktiven Pulve rlacke n der vernetzungsprozess einsetzt, führt da s zu Molekülwachstum und zwa ngs läufig zur Erhöhung der Sch melzviskos ität . Entwe ichende gasförmige Stoffe aus de r Substratoberlläche hinte rlasse n unter diesen Bedingungen kleinste Kanäl e ( Krater) im Lackfil m, die sic h selbststä ndig nic ht mehr schließen könne n (Nadelstiche, Blasen, Kocher). Anders ver hält es s ich beim getrennt von de r Hä rtung abla ufe nden Schmelzen eines UVPulve rlac kes. Hie r ändert sich die Viskos ität de r Schmelze bei einer bestimmten Temperatur nicht so lange kein UV- Licht einw irkt. So kan n die Entgasung kon tro llie rt bee influsst werde n. Vorteilhaft ist au ßerdem, dass zur Erzielung eines guten Verla ufes nur ca. 100--120 °ClO,5- 2 min Schmelztemperatur/Zeit erforde rlich s ind. Damit wird ebenfalls das Substrat nur geri nger thermischer Belastung a usgesetzt. Im ansc hließenden zweiten Schritt we rden die beschichteten Tei le mit UV-Licht wäh rend 5-20 Sekunden bestrahlt und die Beschichtung ist vollständig vernetzt.

•

1.Stufe __ . . . 2. Stufe 11 UV · Vem etz ung Schmelzen I Filmbildung

Oberlläc hen. erwJlrmung

P otolnlll.lOfen

Pulverscllichl Herzsystem

Pigmente

Homogene

Po lymerisalion des gesamten FUmvolumenli I

Erhltl:ung über

Se hlehtgr.d lent

Hild 1-13: Prinzip der UV-Ilärtung von Pulverlacken [9]

1.2,2 V erglei ch der E ige nsc h a ft e n von N IR-, UV- und N'l-Pu lve r lac k e n Alle in die untersc hiedlichen Vernetz ungsprinz ipien lassen vermu ten, dass die err eic hbaren Oberflächeneigenschaften eine Differe nzierung verl angen . G1eichennaßen kann infolge de r untersc hied lichen Ver fah ren zur Filmbild ung und Vernetzung kei n unive rseller Einsatz der Tec hnolog ien für d ie Besc hicht ung the rmisc h sensibler Substrate e rwartet werden. Nach welc hen Kriter ien kan n e ine Auswah l erfolge n?

22

I Pulve rlacke

Um diese Frage zu untersuchen, müsse n sowo hl die erzielbaren Eigensc haften als auch die Grenzen der Pulver lacktypen in z. B. herstellbaren Farben . Effekten. Beständig kelten gegen Ch emikalien u. a. betrachtet werden (siehe Ta be llen 1-6 und 1-7). Nac hdem diese Auswa hl getroffen ist. müssen die Materialeigenschaften des Substrates bezüglieh ihres Verha ltens bei den j eweil igen Schmelz - und Härtungsbedingungen erm itte lt we rden. Erfahrungsgemäß ist hierzu die Darstell ung tech nischer Daten, wie z. B. Erw eich ungspunkt bei Kunststoffen nicht alle in au sreiche nd. Erst eine Versuchsbesc hichtung in eine r Pilotan lage und ggf. die A npassung der Substrate oder der Pulv erlackformulie rung lassen das gew ünschte Ergebnis erreichen.

Tahelle 1-6: Auswahlkriterien fur die verschiedenen Tcchnologicn [9\ System

Verfü gbare Farben

Gla nzstufen (60° Winkel)

NTPulverlacke

alle Farben

60 bis 90

fein bis grob

X

-

j.

t\I R-

alle Farbe n au ßer Klar-

10 bis 90

fein bis grob

X

X

60 bis 90

fein

X

X

Flach- und ein fache 3- D Geo metrien Flach- und einfache 3- 0 Geo metrien

Pulverlacke

Struktur

Anwendung Innen/Außen

lack U VPulverlacke

kein Gelb und ge lbhaltige Farben

3· 0 Eignung

NT-Pulverlacke Aufgrund des beka nnten vernetz uugsp rozesses kön nen nahezu alle Farben bereitgestellt werden. Einschränkunge n g ibt es für einige farbstarke Rot und Ora nge, da hierzu keine ausreiche nd stabilisierten schwermetallfreien Pigmente zur Verfügung stehen. Der Chemismus zur Mattieru ng von Epoxidharzsys temen funkti onie rt erst > 160 °C Ver netzungstemperatur, so dass zzt. noch auf die Bereitstellung von Mattprodukten (Glanz < 60) verzichtet werden muss. Epoxidha rzsysteme sind nicht licht- bzw. UV-beständig, was den Außeneinsatz diese r Systeme unter direktem Son nen- und Wiu erungseintluss nicht gestattet. Trotz dieser Einschränkungen werden Nr -Pulve rtacke bereits vielfach für die se hr w irtschaftliche Beschichtung von MD F und Kunststoffen ben utzt und erfüllen die vorwiegende n dekorativen Anforderu ngen der vorher verwendeten Ftüss tglacksysteme. Vorteilhaft ist in jede m Falle die vielfac he Möglichkeit der Nutzung vorhande ner konventioneller Pulverlackte ch nik und der vergleichsweise günstige Preis des Pulvers. Durch die hohen Energiekosten wurde auch im Bereich der meta llischen Substrate darauf gedrängt. die Einbren ntemperatu ren abz usen ken. Bei den Hybrid-Systemen sind Temperaturen von 140- 160 °C bei einer Haltezeit von ca. 10- 15 Minuten möglich. Auch bei den Aerylsystemen sind Einbrenntemperaturen von ca. 150 °C angestre bt. Bei Polye ster-Systemen ist eine Obj ek ttemperatur und Haltezeit von 170 °C/ 15 min heute die unterste Einbrenngrenze. Hier sind Neuentw icklungen im lI arzbereich im Gange die eine weitere Absenkung der Temperat ur ermöglichen.

1.2 Stra hlenhärtende Systeme

23

Tah elle 1_7: Vergleich der Anwendung seigenschatte n [9 ]

Bindeminelsystem e Härtungsprinzip Temperatur / Zeit

UV

NIR

AC, PE-AC, U- AC, Ep·AC Photoc hemische Polymerisation Schmelzen < 100 °C / t oe 40 s

PE, EP-PE, EP, AC

NT (Low Bake) EP, ( AC)

Polyaddi tion

Polyad dit ion

Is

Peak 230- 250 °C

T 100/140 °C, t = IO bis 20 min

(

chemische Beständigkeit

hohes Niveau

Sta ndard

Standa rd

UV ' Lichtbeständigkeit

mittel bis hoch

mittel bis hoc h

niedr ig bis mittel

Heißdampf (10 0 °C/20 min) Bleistifthärte

bestä ndig

PE, AC

>2 H

max. H < 120

~

beständig

nicht bestä nd ig

Pendelhärte

> 170

max. H < 100/120

Ver lauf

sehr gut

besser als Sta ndard

Standa rd

Schich tdic ke ca. Preislkg

20-80 um 10-20 € 60---80 %

50-1 00 um 5-15 f 40---80 %

80-300 um 3-8€

20---40 %

5-1 0%

95- 100 %

Energ ie/rn' und Teil

90---95 %

(bezogen auf korwcmioneue Pulvcranlagc)

Anlageng röße (bezogen auf konvcntionelle Pulveranlaget

A'IR-Pulverlac ke Für diese s Verfahren können die meisten der vo n den konventionellen Pulverlacken bekannten Syste meigenschaften gen utzt werden. So beste he n nahezu ke ine Einschränkungen in der Varianz von Farben, vo n Glan zstufen und von der Bereitstel lung geeigneter Bindeminelsysteme für Innen- oder Außen an wendungen. Mit diesem System kann des ha lb, vora usgesetzt die Substratgeometrie ist geeignet, ein großes Potenzial von thermisch sensiblen Untergründen und so lchen Substra ten, dere n Beschichtung unter Energie- , Platz- und Kostengesichtspunkten mit herkömml icher Pu lverlacktech nologie nicht ökono misc h erscheint, ersch losse n werden.

UV-Pulverlacke Die Entwic klung der UV-Pulverlacktechnik wurde erst in den letzten 15 Jah ren ernst haft betrieben und folgt in der Anwendu ng vielen Parallelen au s der UV-F lüss iglac ktec hnologie . So sind aus phys ika lischen Gründen der UV-Lichtabsorption keine gelben und ge lbha itigen Farben vernetzungsfähig, besonders nicht in dem typischen Schichtdickenn iveau bei Pulve rlacken vo n 70 um . Die Rohstoffindu strie arbeitet an Lösungen zu r Überw indu ng dieses Phäno mens.

24

I Pulve rlacke

Ebenfall s können noc h keine Mattproduk te zur Verfügung gestellt werde n, da beso nders UVPulve rlacke ander en Filmb ildu ngsmecha nismen unt erliegen als Flüss iglacke. Auch an dieser The matik wird seitens de r Rohstofll iefera nten und auch der Pulver lackh erste ller gea rbeitet. Mattpr odukte sind eine Schlüss ela nforde rung für de n Einsatz vo n Uv -Pulverlacken zur Beschichtung von l\lDF in der Mö bel ind ustrie. Zu r Ze it könne n dafür nur feinst rukturierte Pulverlacke zur Abdec ke ng dieser For derung a nge boten we rden . Heute ist die Uv-Pulve rlacktec hnologie immer noch eine Nischenanwendung . Die erhoffte Marktdurchdringung konnte nicht rea lisiert wer den . Auch a uf Se iten der Entwickle r (R ohstoffund Pulverlackhersteller) wird diese Technolog ie im Moment nur verhalten vora ngetriebe n.

1.3 Effe ktlacke Man unterscheidet verschiedene Arten von Metallic-Pul verlacken im Markt. Unterschiede ergebe n sich zum einen aus der An der Herstellu ng, wie [101: • • •

einextrudierte Metallics (sind eine Ausnahme) trocken gemischte Metallics (Dry-Ble nd) gebo ndete Metallics

Zum anderen unterscheidet man auf Grund der verschiedenen Metall-Effekte in: •

Hammerschlag-Effekt: Hier sind Schichtdicken von > [00 urn notwend ig, um einheitliches Aussehen und entsprechenden Effekt zu er halten. Die Rückgew innung der Pulver ist eingeschränkt, da es zu Entmischungen von zugesetztem Metallpigment kommt. Effektschwankungen können auftreten durch unterschiedliche Schichtdicken und Einbrennbedingungen (Untersc hiede in der Mat erials tärke des Werkstückes).

•

Metallise-Effekt zugemischt: Bei einem nur leicht ausgeprägten Meta11ise-EfTekt sind Bunttöne bedingt kreislaufstabil. Metallis e-Effekt gebondet: Diese Pulver sind kreislaufstabil. Voll-Metallic zugemischt: Helle, Silber/Chromfarbtöne (z. B. ähnlich RAL 9006). Diese Pulver sind nicht kreislaufstabil und mehr oder wenige r kratzempfindlich {Schwarzmarkierungen). Ein Sicherheitsrisiko ist bei einem Anteil von mehr als 5 % Aluminiumpigment gege ben (Verp uffung). Voll-Metallic gebondet: Helle. Silber/Chromfa rbtöne (z. B. ähnlich RAL 9006). Kreislaufstabiles Pulver, wobei der Lackfi lm mehr oder wen iger kratzempfi ndlich ist. Daher ist zum Schutz des Metalleffektes oder bei sehr hohen Anforderungen an Optik und Beständigkeit eine Überbeschichtung mit transparenten Lacksystemen zu empfehlen. Sondereffekte. Perlmutt, Flitter, Glimmer u. a. Hier muss die Formulierharkeit und Verarbeitung im Einzel fall geprüft werden.

• •

•

•

Die gebo ndeten Pulverlacke zeichnen sich durch eine gute Kreislaufstabilität bei hoher Farbton- und Effektkonstanz und in einer guten Verarbeitbarkeit aus. Ein Nachteil ist der höhere Preis auf Grund des zusätzlichen Veredelungsver fahrens.

1.4 Pulver-Slurry

25

N icht gebo ndete Pulverlacke sind preislich günstige r. Schwierigke iten ergeben sich hier aber in der Verar beitung, besonders hins ichtlich Kreisla ufstab ilität und Farbko nstanz. M it Hilfe eine r automatischen bzw. regelmäßigen Zudosierung von Frischpulver und der Verwe ndu ng vo n geeig nete n S prühge räten kan n hier abe r ebenso ein befriedigendes Erge bnis erz ielt werden. Mit Hilfe eines ne u entwickelten Verfa hrens so ll eine prozesssichere Kreisla uffüh rung vo n Dry-Blend-Systemen möglic h sein [1 1]. Es wird dabei über d ie reibungselektrische Aufladung des zu versprühenden Gemenges das Misc hungsverhältnis überwach t. Anwendung findet das Verfah ren bei der Beschichtung vo n Aluminiumstrangpressmaterial mit Hartlötpulver.

Extrusion Die Effektp igmente werden hier wie alle anderen Bestandtei le des Lackes be reits beim Vormischen zugege ben und mitextrudiert. Dies hat den Vorteil eines ge ringe ren Aufwands und der Entmischu ngsstabilität des Endprodu kts. Allerdings werden beim späteren Mahlvorgang die em pfindlichen Pigmente zers tört. Es sind daher nur wenige Effekte einstellbar.

Trockenmischung - Dry-Blend Nac h dem Sie ben des Pulvers werden die Metallicpigmente zugegeben und noc hmals gemischt. Hier liege n die Metallicpigmente neben den Pulverpartikeln vor. Das Produ kt ist, wie bereits erwä hnt, nicht entmischu ngss tabil, was schon bei de r Farbton kont rolle zur Einhaltung enger Teleranzen während der Applikatio n zwi ngt.

Bond i ng -Verfahren Die Effektp igmente werde n in einem zusätzl ichen Produktion sverfahren mit dem Pulverlack vermischt. Das Endprodukt ist durc h die Anbindu ng de r Pigmente an die Pulverlackkörner weitestgehend entmisc hungss tabil. Die Palette der Effek te ist größer als bei der Trockenmisch ung, da eine hö here Pigmentierung mög lich ist [ 12].

1.4 Pulver-Slurry Bei Pulver-Slurry wi rd eine Sekundär- Dispersion unter Verwendu ng von Bindemitteln erzeugt. die auch im Bereich der Pulverbeschicht ung eingesetzt werden. Im Prinzip ist es ein in Wasser dispergierter Pulverlack. Die wässrige Dispersion hat einen Anteil von nicht flüchtigen Bestandteilen von 34 bis 37 %. der pH- Wert liegt bei 6, die flüchtigen organischen Bestandteile haben einen Anteil < I %. Da das Material auf Wasse rbasis formuliert ist. kan n es mit den üblichen Nasslackiereinrichtungen verar beitet werden. Nach dem Lackau ftrag ist ein Zwischentrockn ungssc hr itt notwendig, um das Wasser zu en tferne n. Die lack ierten Obe rfläc hen sind ansch ließend vollkommen weiß, wie bei einem Klarpulverauftrag mit konventionellen Pulverlacken. Ansch ließend wird das Material bei 150 "C über 20 min ge härtet [ 13]. Ein Vortei l des Pulver-Slurry gegenüber Pulverlacken ist die Tatsache, dass der m ittlere Komdurch messer bei Pulver-Slurry bei etwa I bis 3 11m liegen muss. Durch die Verwendung von feinkö rn igem Pulver kö nnen bei geringere r Trocken filmdichte gute Verlaufseige nschafte n erreic ht werden [14].

26

I Pulve rlacke

1.5 Filmbildung bei Pulverlacken Die chemische Ve rnetzung ist durch ein zusätz liches Anwach sen der Mole külg röße des Filmbildners wä hrend de r Filmbildung charakte risiert. Generell gi lt: Je länger die Molekülketten bei de r Vernetzung resultieren und j e verzweigtet das Netz werk ist, desto beständiger ist die Beschichtung gegenübe r chemischen und mechanischen Beanspruchungen.

Die Ste ueru ng und Kontrolle des Härtungsprozesses ist ein Kernpunkt der erfo lgreichen Pulver lac kier ung. Zu beachten sind: •

das rechtzeitige Erreichen der Härtungstemp eratur. dies bede utet eine optimierte Te mperaturführung im Einbrennofen

•

die geeignete Vernetzungsgeschwindigkeit und -dic hte durch entsprec hende Formulieru ng des Lackherstel lers

Die Te mperat ur und Vernet zungsgeschwindigkeit ist bei Pulverlacken entschei de nd aus folge nde n Gründen [ 15]: •

Die Temperaturbereiche und die daz wisc henliegenden .Sicherheitsabstände'', beginnend be i der Herstellung bis zum Einbrennen, ermög lichen eine ausreichende Lagerstabilität und auch möglichst niedere Einbrenntemperaturen.

•

Der Viskos itätsve rlauf währe nd des Einb ren nens ist das Resultat der Faktoren Te mperaturanstieg im Ofen, Sch melzviskos ität und Viskos itätsanstieg durch e insetzende Vernetzung.

Die idea le Ab folge beim Einbrennen ist: Sch melzen de r einze lnen Pulverpartikel. Verlauf und Benetzu ng der Obe rfläc he und ansc hließende Vemetzung. Ein seh r guter Verlauf beinhaltet natür lich das Risiko der Läuferbildung ( Absacken des Lackfilms, Tropfen - bzw. Nasenbildung) und eine unzureichende Kantendeckung durc h Zu rüc kz iehen der Pulverschmelze von de r Kante [16].

1.5.1 Schmelzviskositä t und O be rfläc henspa nn ung Den Visko sitätsverlauf in Abhängigkei t vo n der Einb rennze it ze igt Bil d 1· 12. Die Viskosität sinkt nach dem Sc hme lze n anfangs mit ste ige nder Temperatur ab. Mit zu neh mender Temperatur steigt gleichze itig die Vernetzu ngs reak tio n immer sch nel ler und wird sc hlie ßlich so schne ll. dass d ie Viskositätsab nahme bei ste ige nder Temperatu r durch de n Ein fluss de r wac hse nde n Film bildner- Molmasse ko mpens iert wi rd. Die Viskos ität durchlä uft hier bei weniger als 5-20 Pas ein Mini mum un d steigt dan ach mit zunehmen der Vernetzung wieder an. Vernetzungsreak tion und da mit Viskositätsa nstieg kommen zum Sti llstan d, wen n entwede r ei ne Glasübergan gstempera tur von etwa 50 "C über de r Ein bren ntemperatur erre icht oder de r Filmbi ldner vo llständig abreagiert ist [I] .

1.5 Filmb ildu ng bei Pu lverlack en

27

Temperatur I Cl

Viskosität fPa . s]

_.

..

. • 3 • •, Temperatur , . ,, ,- ,- -2 '-:-j , , ........ --i- - .

50

V'./ ,, , , , •,

40

----

,,, , I •,, I , I • 2 •• 31 • , I , ,, 1 1

30 1

\ \ \

20

10

\.

\

' .-._.-'/

1 AC -DDA 2 SP+PUR 3 EP-DeO

0 0

I I

Viskosität

Pulver1ack -Typ: "

2

200

3

./

'00

50

J

4

150

5

0

Zeit [minI

mld 1·'4: Zeitlicher Verlauf von Objekttemperatur und Viskosität eines Pulverlackes beim Einbrennen [17. I]

Je schneller die Aufheizung des Pulverlacks. desto tiefer und schmaler ist das Minimum. Verlauf lind Benetzung des Untergrunds we rde n durc h e in Fe nster aus der niedrigsten Viskosität und de r da für maßge bend en Ze itspa nne best immt . Auch hier ist ein tiefes Viskos itäts min imurn günstig .

Treibende Kraft tUT das Zusammenfließen der .Lacktröpfchen'' (Koaleszenz) ist d ie Oberfläche nspan nung . Ve rglichen mit der riesigen Oberfläche de s Pulve rs, ist die Obe rfläc he de r Besc hic htung nach de m Zusammenfl ießen ve rsc hwindend ger ing . 50 sollte eine ho he Ob erfläche nspann ung die Koaleszenz unterst ützen und den geschmolzenen Lackfilm glätten . Die Einflü sse von Schmelzviskosi tät und Oberflächenspa nnung a uf das Au sse he n einer Pulverlack ierung gibt Bild 1-15 wied er.

28

I Pulverlacke

Hoch

schlechter Verlauf z u hohe Vis kositä t

-~

•0

~

.~

'0E: s: 0

"'

sc hlec hter Ve rlauf O berffächenspannung zu niedrig

veroess rter Verlauf

Kraterbildung

• Läuferbildunq

schlechte Kantendeckung

Nieder Nieder

Hocn

Oberflächenspannun9

IJiId 1-15: Abhängigkeit der Oberflüchenqualität einer Pulverlackicrung von der Oberflächenspannung und der Schmelzviskosität [ 161

1.6 Pulverlackherstellung Die Produktion von Pulverlacken lässt sich in folgende Schritte einteilen: I. 2. 3. 4. 5. 6.

RohstolTprüfung Einwiegen der Vonnisch ung Mischen im Vormiseher Homogenisieren und Dispergieren im Extruder Abküh len des Extrudates auf RT Zwische nprüfung (Kontrolle des Extrudates)

7. Grobbrechen 8. 9.

Feinmahlen Abprüfen des Pulverlackes auf die spezifischen Eigenschaften

Die Einwaage der Rohstoffe erfolgt nach den Vorgabe n eines Rezepts. Es wird fast ausnahmslos chargenwe ise produziert. abhäng ig vom Fassungsvolumen der Ansatzbehälter.

1.6 Pulverlackherstellung

29

Das Gemenge aus Harzen, Add itiven, Pigmenten und Füllstoffe n wird anschließend extrud iert, ein Ver fahren, das für eine intensive Homogenisierung (Dispergierung) der Rohstoffe sorgt . Erreicht wird dies durch das Aufsch melze n der Harzteilc hen. verbu nden mit intens iven Sc herkräften. um alle Stoffe im Lack, allem voran die Pigmente. opt imal zu verteilen. Gerade die Pigmente liegen in Form vo n so gena nnten " Agg lomera ten" vor, eine Art Verk lump ung. Diese müssen aufgelöst und in ihre Primärteilch engröße zerk leinert werden, nur so wird das exa kte und reproduzierbare Einstellen eines Farbtones erreic ht. In der Praxis besteht ein Extruder aus einem beheizten Gehäuse und einer. oder mehreren , rotieren den Welle n. Das Rohstoffgemenge w ird nun über den Einzugs be reich der Welle durc h den Extruder in Rich tung Aust rittsöffnu ng gefördert. Hierbei schmelze n die lIarze, wodurch die Masse ihre Konsistenz in eine hoc hviskose Flüssigk eit ändert. Im weite ren Verla uf wird diese Schmelze kräftig durchgeknetet, j e nach Extruder-Bau form durch besondere Konfiguration de r Welle oder du rch W iderstandselemente im Gehäuse. Am Ende tritt die Schmelze (Extrudat) aus. wird abgekü hlt. ausgewalzt und durch eine n Sc hredde r in kleine Stücke zersch lagen. Diese Chips werden abschl ießend ver mahlen. Hierzu verwendet man Roror-Sichterm ühlen, welc he da s Einstellen einer exakten Korngrößenverteilung erlaube n. Die Chips ge langen, getragen von eine m Luftstrom. durch einen Kanal in die Mahlkammer. Sie werden von ei nem schnell drehen den Rotor er fasst und gegen die Wand der Mahlkammer (Prall futter) gesc hleudert. Der Luftstrom zieht die Teilchen in Richtung Austr ittsö lf nung. wobei sie den rotierenden Sichter passieren müssen. Nur d ie ausreichend vermah lenen Teilchen passe n ungeh indert durch das so genannte .Slchterfenster", die gröberen werden vom Sichter erfasst und w ieder in die Mahlkamm er geschleudert, wo sie erneut zerkleinert werde n. An dieser Stel le hat man auc h noch die Mögl ichkeit, durch die Zugabe besonderer Addi tive, Einfluss auf das Fluidisierungs- und Aufladeverhalten des Pulvers zu nehmen. Neu entwickelt wurde jetzt ein Verfa hren, mit de m es möglich se in soll, gezielt sphärisc he Pulverteilc hen herzustell en [19]. Bei diesem kontinuierlich en Herstellu ngsverfahren wird Koh lend ioxid in de r Sc hmel ze des Pulverlackes gelöst. Dies geschie ht unter Druck in einem statischen Miseher. Diese Lös ung wird ansc hließe nd übe r eine Düse in einem S prü hturm entspa nnt . Dab ei en twe icht da s Gas explosions artig aus der Schmelze und es bilden sich klei ne Sc hmelztropfe n. G leichzeitig kühlt sich die Schmelze durch das entspannende Gas ab. Die Sc hme lztrop fen ge fr ieren und es bildet sic h ei n hinsicht lich Teilchengröß e und Morphologie steuerbares Pulver . Bild 1-16 ze igt e ine sc hemat ische Darstel lung über de n Ablauf der Pulverherstellung. Die Bilder ] -17 bis 1-22 ze igen einze lne Schritte in der Pulve rlack produktio n.

30

I Pulverlacke

h

1

ll lh-.J..f'----111 o

1

1

,

D·

1.6 P ulverlac kherstel lu ng

Bttd 1-17: Einwiegen und Mischen der Additive und Pigme nte

31

Kild I -U~ : Extrudier ung der vorgemischten Einzclkumponcntcn - lkunogcnisic rung und Dispcrung der Mischung

Bild 1· 20: Pulverlack nach dem Walzcn auf dem Kühlhan d (obe n)

Hild 1- 19: Quasi fertiger Pulverlack am Ende des Extrude rs (links)

32

Pu lverlacke

Hild 1-21: Pulverlack wird in Chips gebrochen.

Uild 1·2 2: Pulverlackchips werden gemahlen und verpackt.

1.7 La gerung von Pul verla cken Pulverlacke sind rea ktive Einkomponen ten- Systeme, die heim Einbrennen vernetzen. Diese Verne tzungs reak tion ka nn bereits in ge ringem Ma ße bei Raumtemperaturen auftreten, vor alle m aber bei höheren Temperaturen . wie sie z. B. in der Nähe des Ofe ns oder an sonnigen Plätzen vo rkommen kön nen . Diese Ve metzungsreaktion wi rd als Vorreaktion bezeich net, da sie vor de r eige ntlic h erwünschten Härtung auf dem Objekt au ftritt. Durch diese Vorrea ktion verlieren Pulverlacke in hohem Maß an Reaktivität. Dieser Umstand ka nn über ein e abnehmende Gelzeit do ku mentiert werden. Die Abnah me der Reaktivität des Pu lvers führt mit zuneh mender Alteru ng der Lac ke zu Einschränk unge n im Verlauf, bei extrem alte n Materi alien trete n Geltei lchen und Stippen auf. Ne ben Verlaufsstörungen und der Bildung von Gel partikeln kann unsachgemäß gelagertes Pulver weitere Prob leme hervorrufen . Wird z. ß. ei n bereits gealtertes. vorreaglertes Pulver mit Frisch pulver gemischt, so kann auf Gr und der unterschied lichen Reaktivit äten eine Mattierung des Lackfilms erfolgen. Zu heiß gelagerte Pulverl acke neige n auc h zu physikal ische m Blocken. Durch die erhö hte Temperatur verk leben die Pulverlacktei lchen miteinander und bilde n Agglo merate. Das Ergebnis der Beschichtu ng wird dadu rch negativ beeinflusst (Verlaufstörunge n, Stippen). Die Lagerung der Pulverlacke sollte kühl und trocken erfo lgen. Hier sind die Vorgaben bzw . Empfehlungen des Pulverh erstellers zu beach ten.

1.8 Mess- und Priiftechnik bei Pul verlacken Ne ben der Prüfung der Lackeigensc ha ften am ausge härte ten Lackfilm. sie he Kapitel 7, gibt es eine Reih e vo n Tests. die am Pulver direkt vorge no mme n we rden können und für eine problemlose Verarbeitung beim Beschi chter wich tig sind. Pulverlacke sind du rch folgende Kenngröß en chara kte risiert. deren Bestimmung in DIN EN ISO 8 130, Teil 1 bis 13 genormt sind: • •

Komgröß e und Kom größenverteilung Dichte

1.8 Mess- und Prüftec hnik bei Pulverlacken • • • •

33

Einbrennbedingungen und Einbren nverlust untere Zündgre nze Blockfestigkeit Lagerstabilität

Neben diesen Kenngrößen sind besonders für den Verarbeiter Eigenschaften, wie Rieselfähigkeit, Wirbelfähigkeit ode r Tnb ofä hjgkeit bzw. Aufladeverha lten von Bedeutung. Tabelle 1-8 gibt einen Überblick über die verarbeitungstypischen Pulverlack-Parameter. Die Messung des spezifischen Widerstandes erübrigt sich für die typi schen organischen Pulvermaterialien w ie Epoxid. Polyester, Polyurethan, Polyethylen und Acrylat e, da sie einen ausreichend hohen Widerstand besitzen, der ein Entladen der aufgetragene n Pulversch icht hinreichend lange unterbindet. Bei geringeren spezifischen Widerständen sind Haftvermittler notwendig, damit ein Abfallen der Pulverschicht vor und .... ährend des Aufsch melzvorgangs verhi ndert wird. Ta belle 1-8: Einfl ussgrößen der Pulverlacke beim Beschichten [20J

Verarbeitungstypisehe PuIverleck-Parameter Mechanische

Elektrische

Chemische

Teilchengröße (Form )

Elektrische r Widerstand

Lage rstabilit ät

Tei lehengr öße nverteil ung Tri bofähigkeit

Gelzeit

Sc hüttdichte Wirbelfä higkeit Riesetfähigkeit Stabilität gegen Agglomeration Die Höhe der Aufladung muss einen Schwe llwert übers chre iten, damit die elektrischen Haftkräfte die Pulverschicht fest am Werkstück halten, ehe die adhä siven Kräfte in der flüssigen Phase w irksam werden. Als spezifische Aufladu ng sind zum Beispiel bei einer Pulverdichte von 1,6 g/cm' bereits 0,1 IlC /g für die Haftung an senkrechten Flächen ausreichend . Für den Auftrag mit Handpistolen werden mindesten s 0,5 IlC /g und für Automatikpistolen ;?: I IlC/g empfohlen [21].

1.8.1 Rleseltä hlgkelt (F1ieß\"Crhalten) Die Rieselfähigkeit wird charakterisiert durch die Auslaufdauer einer bestim mten fluidisierte n Pulvermenge aus einem Trichter (ähnlich der Viskosität sbestimmung von Flüssiglack en mit de m DIN-ß ec her). Der Trichter ist dopp elwan dig mit poröser Innenwand (z. B. Sinterbronze ) ausgebild et und besitzt einen definierten Auslaufdurchme sser [20]. Über den porösen Innentrichter wird mit einem bestimmten Seitend ruck eine vorher einge wogene (oder im Volu men festgeleg te) Pulvermenge fluidis iert. so dass sie sich wie eine Flüssigkeit verhält und bei Freigabe der Auslau föffnung im kompak ten Strahl mit einem Durchmesser entsprechend der Auslaufdüse aus fließt. Neben den Pulvereigenschaften (Kornforrn, Tei lchen-

34

I Pu lverlacke

spektrum) ist die Auslaufzeit vom Druck der Fluidisierungsluft, vom Ausla ufdurchmesser. dem Pulvervo lumen und in geringem M aße von K l imafaktoren abhängig. Al s günstige Geräteparameter haben sich ein Seitendruc k von p = 1 bar , eine Ausl au fdüse von 4 mm Durc hmesse r, de r Innenw inkel des Trichter vo n 45 0 und ein Testvolumen von V = 100 cm ' bzw . 60 bis 70 g erwiesen. Der erste Messwert sollte bei Frischp ulver verworfen we rde n. da sich das Pulver durch Transpo rt und Lagerung verd ichtet hat lind so je nac h ..Vorgeschichte" meist einen zu großen Wert liefert. Verunre inigunge n des Pulvers, Klump enbildung u. a. bewirken eine te ilweise oder vö llige Vers topfung des Pulve rausla ufs.

1.8.2 W ir belr.ihigkeil (F1uidisierung) Mit de r Ausdeh nung einer Pulve rschüttung d urc h Fluidisierung bzw. du rch Bestimmu ng der so ge nann ten Ta nzgas- oder Gre nzgasmenge die zum Einsatz der Ftuidisi erung erforderlich ist, ka nn ei ne wei tere Größe zur Charakte risieru ng ei nes Pulve rlacks messtec hnisch e rmitte lt we rden. Unter Fluidisie rung oder Wirbelfähigkeit eines Pulvers wird seine Eigen scha ft verstande n, bei Durchströmung mit Luft entgegen der Schwerkraft in ein Pulver- luft-Gemisch mit größere m Volumen übe rzugehen und dadu rch das mecha nische Verhalten einer Flüssigkeit anz uneh me n. Die Ausdeh nung zeigt sich als eine für einen besti mmten Pulve rlack typische Ken ngröße. Sie bleibt bis zur Bild ung einer schwebende n Pulverwolke in relativ wei te m Bereich unabh ängig von de r durchst römte n Luftmenge und setzt erst ein. we nn e ine best immte Durc hströmung überschritten wird. Diese Luftmenge. die zur plötzlichen Ausdehnung führt, hat die Bezeichnung Grenz- oder Ta nzgasme nge er halten . So ka nn die max imale. durch Fluidisierung erreich te Höhe h ma< bezogen auf die Höhe de r Ruheschüttu ng ho in einem als Wirbel bett aufgebauten Mode llzylinder das Maß der Wirb elfähigkeit bilden. Alle rdings ist es notwe ndig von gleicher Ruhesch üttu ng hoauszugehell. da dieses Verhält nis mit steigender Sch ütthöh e abni mmt [20].

1.8.3 Trtbofä hlgkelt Die Tnbofä higk eit eines Pulve rlacks ist die Eigensc ha ft. sich in einem Berührungs- und Tren nvorgang mit einem anderen Werkstoff unipola r aufzulade n. Die Tr ibofähigkeit ist Vo raussetzung für die Verarbeitbar keit mit Tribopistolen. Als ••Messgröße" für d ie T ribofä higk eit kann die auf die Pu lver masse bzw. das Pulvervol umen bezogene sog. spezi fisc he Pulve rlad ung Q * die nen. we nn sie unte r ein heitlichen Mess bedin gunge n (Luftdruc k, Luftme nge. Pulverdurchsatz und PTFE als Rohrwerkstoff) a ufgenommen wird [22].

1.8.... Komgr ößenverte ilung M it de m Bestreben die Schichtdicke zu red uzie ren. hat sich das Korn spektrum zu immer kleineren mittleren Komd urc hmessern verschoben. Beim Verm ahlen des Pulverlac kes entsteht auße rhalb des nutzbare n Bereiches ein Grobanteil. der mit Masche nweite n vo n 100 bis 120 um leic ht ausgesie bt werden kann. abe r auc h ein Feinanteil. Dieser Feinan teil wirkt sich be i der Besc hichtung negativ aus, besonders bei de r Tribobesc hlc btung, da er sich schlecht a ufladen lässt. Sta ubwo lken bildet und so mit zu An lage nve rsc hmutzungc n auch außerhalb de r Kabine führt. Pro blematisch ist ebenfalls die Lungengängigkeit der Te ilche n in Größen bereichen unte r

1.9 Wirtsc haftliche Bedeutung von Pulverlacken

35

6 um. Partikelgrößen kleiner 10 um beeinträc htigen zude m die Riesetfähigkeit des Lackes, führen zu A nsinterurigen in den Inj ektoren und auf den Prallkegeln. In der Rückgewinn ung sin ken die Abscheidegrade der Zyklone und die Nac hfilter müsse n öfte rs ge rein igt werde n. Abhilfe schafft die Verwendung von gesichtetem Pulver, bei dem der Feinanteil be reits beim Pulverhersteller durch einen aufwändigen Sic htungsvorgang abge trennt w ird. Diese ges ichteten Pulver haben eine n höheren Preis, tragen aber zu einem besseren Lackierergebnis bei und es ergibt sic h ein ge ringe rer Reinigu ngsaufwand und ge ringere Wartung von Pistolen und Injektoren.

1.9 Wirtschaftliche Bedeutung von Pul verlacken Zu Beginn der Pulverlackiertechnik war vor allem d ie Funktionalität des Beschichtungssystems gefrag t. In den sieb ziger Jahren wurden Pulverlacke aussc hließ lich au f Metallsu bstrat app liziert. Die Farbvielfalt war eingeschränkt und die optisc hen Eigensc hafte n des Lackfilms waren zunächst eimna l zwe itrang ig. Die mechanisch-techno logischen Beschichtungseigenscha ften jedoch muss ten bereits damals hohe Anforderungen erfüllen . Dies hat sich jedoch bis heute grun dlegend verändert. Nic ht nur die Substratv ielfa lt hat zugenommen, auch die Anforderungen an Farbvie lfalt. deko rative w ie technolog ische Eigenschaften sind angestiegen. Heute werde n Pulve rlacke auf Metall, Gusswerkstoffe. Glas, Holz und Kunststoffe appl iziert . Die wichtigsten Einsatzgebiete sind die Automobi l- und Zuliefererindustrie, Bauwese n, Haushaltsger äte. Maschinen markt und Möbelindustrie. Hier werden zum Teil eine breite Farbpalette. Effektlacke und Mehrschichtsysteme ge forde rt. Die optischen Eigenschaften und die Beschichtungsqualität müssen ho he Standards er füllen, aber auc h die mec hanisch-technologische n Beschichtungseigenschaften haben nach wie vor große Bedeutung. Die elektrostatische Pulverlack ierung hat gegenwärtig in Deu tschland einen Anteil von ca. 14 % der industriellen Obertlächenbeschichtung erreicht und befindet sich heute ehe r in eine r Stagnat ion als im Aufwärtstrend. In den 80er und 90 er Jahren etablierte sich die Pulverbeschichtung als ein wirtschaftlich vorteilhaftes und zug leich umweltschonendes Verfahren mit hohen Zuwachsraten. Heute ist die Umstellung de r Lackierenlagen von Flüssig- auf Pulverlack für die Anlagen. die dafür in Frage ka men, abgeschlosse n. Der Aufbau von indust riellen Fertigungsk apazi täten in Osteuropa wirkte sich in de n letzten Jahren ve rstär kt auf Westeuropa aus. In zunehmendem Umfang wurden industrielle Vorp rodu kte oder Industriegüter aus Osteurop a importiert. In Folge beste hen heute in Europa deutl iche Über kapa zitäten bei der Lackprod uktion. Dies führt insbesondere bei Standa rdprodukte n, d ie leicht ausgeta uscht werden kö nnen, zu einem intensiven Preis wettbewerb. Auch die steigende n RohstofTpreise trage n daz u bei. Um zufr iedenst el lende Wachstumsraten erziele n zu können, müssen bei de r Pulverlacktechnologie ne ue Anwe ndungsgebiete gezielt ersch losse n werden. Insbesondere der Bereich der nichtmetalt ischen Werkstoffe bietet hierbei immer noch Poten zial. Neue Entw icklungen der Pulverhersteller konzentrieren sich weiterhin au f stra hlenhärten de Systeme für den Einsatz bei temperaturempfindlic hen Substrate n, Pulver für dünne Lackfilme und die Anwend ung der Pulver im Bere ich der Automobilindustrie. Um Flüssiglackbeschichtunge n auf breiter Front ablösen zu können, müssen bei einer Pulverbesch ichtung wese ntlich dünnere Lackfilme erzielt werden. In der Rege l liege n d ie Schich tdi-

36

I Pu lverlac ke

cke n heule zw ischen 50 und 120 um . Zwa r sind Dünnsch ichtpulver mit Schichtdicke n von 30 bis 50 um inzwischen verfüg bar. allerdings ist bei kritischen Farbtönen auc h hier erst mit höheren Schichtd icken eine zuv erlässige Deckfähigkeit zu erre ichen . Bed ingt d urch die steige nde n Ene rgiekosten wurden in den letzte n Jahren vor allem Systeme mit niedrigen Einbre nntemp erature n we iterentwickleh . Bei Hybridsyste men sind Temperaturen :5 150 "C möglich und in gewissen Be reichen schon in der Anwendung. Bei Acrylaren ist eine Absenku ng der Ein bren ntempcrtur bis 120 "C möglich. selbst Ne uentwic klungen bei den Polyesterharze n lassen auch hier deutlich niedr igere Einbrenntemper aturen zu. Neben den funktionel len Beschichtungen wie Ant i-Graffiti, besse re Reinigungsfä higkelt/geringere Sc hmutzanhaftung und ant ibakterielle Lacke haben sich im Bauwesen/Architektur die hoc hwe tterbeständigen Lacke d urchsetzen können. Gewährleistungen von > 10 bis hin zu 20 Jahren auf Glanz- und Farbe, abhäng ig vom verwendeten System, konnten dem Pulver lack gegenübe r Flüssiglac k Markta nteile versc haffen.

1.9,1 Der Pulver lackmarkt in Za hlen Die Bilder 1· 23, 1· 24 und 1· 25 zeigen d ie Entw icklung der Pulverlacke im Vergleich zu anderen umweltv erträglic hen Sys temen inner halb Deutschl ands sow ie die Entwicklung der weltweite n Pulverl acknach frage und der Da rstellu ng de r Nachfrage de r Syste me in Europa . In de r Ta belle in Bild 1-26 sind die verschiede nen Anwendungen von Pulve r in De utschland und Europa da rgestellt. Hier s ieht man, dass neben de m Ba u innen und auße n die Automobilindustie lind allge mei ne lndustie die größten Anteile habe n.

Pr odukti on um welt s chone nd er l ack e 1999 b is 2008

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Hild 1-23: Produkt ion umweltschonende r Lacke 1999 bis 2008 in De utschland [24 ]

37

1.9 W irt schaftliche Bedeutung von Pulverlacken

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-

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0 2006 . 2009

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-

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-

-

-

2006: 1.180.000 T. Euro 4 .500 Mio

400 e ~

2009: 1.390 .000 T.

300

t:

~

Euro 5.200 Mio

200 100 o ~Eu ropa (West+Ost)

NAFT A

Asien

Übri ge Regionen

Hild 1-24: Entwicklung de r weltweite n Pulve rlacknachfrage [25t

180 160

140 c 120

"c 100

s

80

~

60

o o o

40 20

O.l.e

51

I i

I

Ob 2320). Während die Partikelladung mit wachsender Ström ungsgeschwindigkeit zunimmt, fallt sie mit steige nder Partikelkonzentration. Kleine Kanalquerschnitte begüns tigen die Pulveraufla dung . reduzieren aber gleic hzeitig den Durchsatz [35]. Praktisch arbei ten die Tribegeräte mit etwa dem gle iche n Luftdurchsatz wie Hoch spannungspistolen (ca. 6 m 1ih). Die Strömungsgeschwindig keit liegt bei 20 - 60 m/s, die maxi male Panikelkonzcntratio n etwa bei 15 kg Pulver pro I m' Luft.

54

2 Applikat ion

2.3.3 lon lsat ionsauff adung (Koronaa utlad ung) Bei mit Hochspannung gespeisten Sprühgerä ten erfolgt die Pulveraufladung praktisch ausschließlich du rch loue nbornbardement. Dabei werde n die Pulverteilchen durch entsprechende Gestaltung des Sprühkopfes durch das elektrisc he Feld einer Koronaentladung gefü hrt. Infolge de r Polarisation der Pulverpartikel endet ein Teil der Feldlinien auf ihre r Oberfläche und die wesentli ch schnelle ren und den Feldlinien folge nden Luftion en wer den direkt dort hin gefiihrt und lagern sich an, bis das Feld dieser Ladungen das Feld der Koronaelektrode kompensiert. Die maximal erzielbare Ladung eines kugelfö rmlgen Te ilchens von Durchmesser d im ele ktr lsehe n Feld der Koronaelektrode mit der Feldstärke EA im Aufladegebiet beträgt in Anlehnung an die von Rohmann (36) entw ickelte Gleichung (I):

,

0 01= 3 1t E o - -'-d' Er + 2

(1)

E ,~ .

Den ze itl ichen Verla uf der Lad ungszunahme auf den Part ikeln besch reibt die PauthenierGleichung (2) [3 7J.

Qol =

max. Ladun g eines kugclfö rmigcn Teilchens

Er

=

Diclc ktrizitätszahl

Co

=

elektrische Feldkonstante

d = EA = SA =

Teilchendurchmesser Feldstärke im Aufl adegebiet Stromdichte im Auflade gebiet

HochspannungsElektrode Hochspannungskaskade

Pulver-/Luftgem isch

Geladene Pulverartikel Hild 2-3: Prinzip der Koronaaufl adung

Geerdetes WerkstOck

2.3 Phys ikalische Grundlagen der Bcschich rungsve rfahren

55

Einfluss der Pulvereigenschaften Von entscheidender Bedeutung für die Ladu ng de r Pulverteilchen ist deren Korngröße. Da die Ladung kugelfö rmiger Tei lchen der Obe rfläc he proportional ist, wäch st der Absol utwe rt der Ladung q uadratisc h mit dem Durc hmesser, wä hre nd d ie a uf die Te ilchen masse m bezogene Ladung Q * hyperbolisch fäll t. Obwohl die Kornform der Pulverlacke mehr ode r we niger von der Kugelgestalt abweicht, können die für Kugel n abgeleiteten Forme ln als gute Nä her ungsgleic hungen übe rnom men werde n, so lange s ich d ie Teilchenabmessungen in den dre i Raumachsen nic ht allzu sehr untersc heide n. Maßgebend ist die Quersc hnittsfläche senkrecht zur Feld rlc ht ung, d. h. ein beliebig geformtes Tei lchen ist durch eine Kugel mit gleichgroßer Querschni ttsfläche zu e rsetzen. Dieses Prinzip verwe nde n a ber auch die meiste n Ver fa hren der Korngrößenanalyse. so dass keine Umrech nungen erfo rde rlich sind. Wie bei de r Triboa ufladung sind Pulverpartikel mit einer kugelförmigen oder zumindest nac h auße n gewölbten Ob erfläche a m günstigsten .

Einflu ss der Anlagenparam eter Vora ussetz ung für eine ausreichend hohe und stabile Pulvera ufladu ng ist zunäch st eine un ipolare Ionenst r ömung. Diese ist mittel s Spitze nelektroden. die in Nähe der Austrittsöllhu ng (a uße n ode r ein Stück in den Pulverkanal zur ückgezoge n) angeordne t sind und an einer hohen Gleichspannung liege n, relativ problemlos zu rea lisiere n. Die konstruktive Au sfiihru ng des Zerstäuber s unte r de m Gesichtspunkt einer opti male n Absti mm ung zwischen Ione n- und Luftströmung ist hie r zu beac hten . Versuche , das Pulver du rch ein Elektrodensystem im Inne rn des Sprühge räte s a ufzu lade n, haben bisher nicht zu bra uchba ren Lösungen geführt. Ursac he dafür ist, dass sic h a n der Gegenelektrode. auch we nn diese keine Spi tzen und scharfen Kant en besitzt , d urch Ver krustung ebenfalls ein e Korona a usbildet, so dass de r Elektrodenzwische nra um bipo lar ionisiert w ird. Der Pulverd urchsatz M hat einen sehr gro ßen Einfluss auf die Ladungshöhe. Durc h die Ra umladung der Pulverwo lke wird der Koronastrom unterd rückt, und zwar umso stärke r, je größer der Pulverausstoß ist, so dass die Pulverladung steil a bfällt. Diese r Effekt ist bei Sprühgeräten mit in den Pulverkanal zurückgezogene n Elektroden besonders deutlich. ln eine m gewisse m Grad ka nn aber die stromschwächende Wirkung einer Vergröße rung des Durchsatzes ode r des We rkstüc kabstandes d urch eine Span nungserhöh ung ausgeglichen werden. Die Minde stspa rmung an der Pistole wird durch die Koronaeinsatzspannung bestimmt und beträgt 30 bis 40 kv. Mit steigender Spa nnung wachsen die Feldstärke E" und die Stromd ichte S" im Aufladege biet vor der Pulveraustrittsöffn ung. gle ichze itig nimmt aber auc h der unerwünschte Anteil des Strome s freier Luftionen zu . Die maximal eingeset zte Spannu ng liegt bei etwa 100 kv [38, 39]. Die Spa nnungspolarität hat a uf den Aufladu ngsprozess selbst nur einen geri nge n Einfluss. In der Regel wird eine negative Hochspann ung gewählt, weil die Korona stromstä rke r und stabiler ist und die störenden Rücksprüheffekte a n der Werkstückoberfläche in geringerem Maße auftreten. 2 ,3.~

Flugver ha lte n elektrisch a ufgela de ner Partikel

Auf den aufgeladenen Lack- oder Pulver- Part ikel im Sprühstrahl wi rken (B ild 2-4):

•

die elektrische Kra ft:

FE "' Q · E T

•

die Sch we rkraft:

F, '" m -g

•

der Luftwide rsta nd :

F", = 31t·Th. ·d·v

56

2 App likation

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__ -

)0

F~~- ~

~~~ :~ -->

_ _ _ _ _ _ _~F . Hild

2 ·~ :

>

Kräfte die auf das geladene Pulverteilchen im Sprühstrahl wirken

Die elektrische Kraftkomponente setzt sich aus der Feldkraft und de r Coul omb sehe n Kraft de r S piegellad ung z usammen , wobei letztere a ber nur in un mittelbarer Nähe der We rkstückobe rfläche (ca. I mm) w irksam wird lind lediglich bei den Haftkräften zu be rücksichtigen ist. Aufgru nd der wec hselseitigen Beziehungen zwischen Feldstärke, Part ikelladu ng und Partikelgesch wi ndigkeit tritt eine wei tgehende Homogenisierun g des Feld es ein. Die für den Tra ns port der au fgeladene n Pulverpa rtikeJ maßgeb liche Feldstär ke ET ist deshalb im ges amten Raum zwi sc he n Zerstä uber und We rkstück nahezu ko nstant. Bei Hochspa nnungssprühgeräten liegt sie nur wenig unter de m sic h aus Spann ung U und Absta nd a erg ebe nde m Mittelwert E ;:: UJa, ledig lich in unmitte lbarer Nähe der Ko ronael ektrode ste igt sie sta rk an. Bei T ribo-G erä ten wir d sie d urch die Raumladu ng der Pulverwo lke besti mmt und lieg t in de r gleic hen Größe nordn ung.

2.3.5 Ver hä ltnis von Feld- und Schwer kraft Dam it die Partikel weit gehend den Fe ldlinien folge n, ist es erforder lich, dass die elektrische Fe ldkraft FE die Sc hwe rkra ft Fs um ein Mehrfaches überste igt. Unter Berücks ichtigun g de r G le ichunge n (1) und (2) erhä lt man für das erreichbare Verhältnis der beide n Kräfte bei Triboau n adun g:

(4) Koron aau ftudun g

_F_I' '" _3_'_E,_ • E FS

E" '"

r,

Er

Y E,

Er + 2

Am",

. ~ . E"O"

g- vd

'

Feldstärk e im Au fladegebiet bei Ionisation Feldstär ke an de r Partikeloberfläche Feldst ärke im Tran sp ortgebiet Dichte des Teilchenmaterials relative Diclcktrizitätszah l des Teilchenmaterials elektrische Fcldkonstumc

(5)

2.3 Physikalische Grundlagen der Bcsc hich rungsverfahren

57

2.3.6 Abscheideverhalten Da die Ladung Q der Obe rfläche A proportional ist und da mit dem Quadrat des Durchmessers d, dieser in den Luftwiderstand abe r nur linear eingeht, verringert sich die Relativ geschwindigkei t gegenüber de r umgebenden Luft m it sin kender Teilc hengröße. Für kleine Partikel von 10 um Komgröße beträgt sie z. B. bei E A = 5 kV/cm und E = 3 kV/cm nu r noch 0,75 m/s und liegt damit nicht wesentl ich über der Luftbewegung in der Kabine. Noch kleinere Teilchen werden des hal b bevorzugt mit der Abluft weggefü hrt und gel angen nich t zum Werkstück. Das zu rückgewo nnen Pulver hat folglich ei ne andere Komgrößenvertei lung als das Frischpu lver. In de n Vorrats behä lter sollten des ha lb kont inuierlich und in kon stantem Verhältnis sowohl Frisch- als auch Rückgewinnungspu lver zugeführt werden, um konstante Beschic htungsergebnisse zu erreiche n. Im mittlere n Durchmesserbereich fo lgen die zers täubte n Parti kel we itge hend de n von der Korona ele ktrode zu m Werkstück führenden Feldlinie n. Die gröberen Teilchen haben aufgrund ihrer großen Ob erfläche eine hohe Ladu ng Q. so dass auch die Feldk raft seh r star k ist und die Teilchen se lbst gege n d ie Luftströmung den Feldlinien folgen. Ihr Anteil ist deshalb in den Randzonen und auf der Werkstückrückseite beso nders hoch. Erst bei seh r grobe n Pulverkörnern (d > 60 u m) überwiegt de r Einfluss der Schwerkraft, so da ss der Auftragswirk ungsg rad für diese Kornfraktionen wieder sinkt.

2.3.7 Bildung der Putverschlcht Elektrische Haftkraft Damit die Pulvertei lchen auc h außerhalb des elektrische n Feldes de r Sprühge räte an der nicht vorgewärmte n Werkst ückoberfläc he haften, ist es erforde rlich, dass •

die Coulombsehe Kraft zw ischen der Partikel ladung und der Gegenladung (in Form der Sp iegelladung im Werkstück ) größ er ist als die Schwerkraft und

•

der spezifische elektrische Widers tand des aufgetragenen Pulvers so hoch ist, dass die Ladu ngen vo r dem Erreichen der Schme lzphase im O fen nicht abfließe n können.

Die Ladung auf de m Pu lverte ilche n influenzicrt auf de m geerdeten we rksrück eine g leichgroße Flächenladung entgegengesetzter Polarität . Diese Ladungsverteilung kann man ersetzen durch eine Punktladung im Partikelmittelpunkt und eine entsprechende Spiegelladu ng im gleichc n Abstand auf der anderen Se ite de r Werkstückoberf läche. siehe Bild 2-5 . Die Anz ugskraft zwischen zwe i gleichgroßen Lad ungen entgegengesetzter Polarität beträgt: (6)

Die Co ulombsehe Kraft der Spiegelladung fällt schnell mit dem Abstand und wirkt daher nur auf seh r kurze Entfernungen « I mm], Für ein Pulverpartikel mit einem Durchmesser d = 50 urn, einer Dichte = 1,5 gzcm' und einer spezifischen Ladung Q* = 1 /lCig ist sie z. B. bereits in einem Abstand s = 150 um kleiner als die Schwerkraft F,. S = Absta nd des Lad ungszentrums zur Elektrode.

58

2 App likat ion

+Q

-Q

Spiege l+ ladung

, F

t H'+

>

,

,- -,

I

I

25

Für die Beurtei lung der Haft kraft des a ufget rage ne n Pulvers kann man die W irkung der benachbarten T ei1chenladungen nich t unberücksich tigt lassen. Betrach tet man die Pulversc hicht al s e in aus mehreren Lagen mit der Dicke des mittleren Kom durc hmessers bestehendes homogenes Medium mit ei ner konstanten Raumladungsdichte p., so ist d ie Haftkraft der oberste n Lage nic ht mehr vom Absta nd a bhängig (wie bei zwei Kondensatorplatten mit konstan ter Ladung). Als Mindestladung für das Hafte n durch e lektr ische Kräfte erhält man für Pulverlacke mit den üblichen Param ete rn Q *m,n "" 10. 7 C/g [381·

Hild 2-5: I luft kraft der Pulverpart ikel auf der Wer kstückoberfläche durc h Spiegelladung

Schichtbegrenzungseffekt Der Prozess der Bild ung der Pulve rschicht a n der Werkst üc ko berfläche besteht a us d rei charakte ristische n, zeitlich aufeinanderfolgenden Phase n: Sc hich tbildungsphase. Beg re nzungsp hase und Sättig ungsp hase.

Schichtbildungsphase Die a ufgetragene Pulve rmasse wäc hst zunäc hst nahez u linear mit der ß esch ic htungsdauer t. Das Sc hichtgefüge des in diese r Phase a bgeschiedenen Pulve rs ist relativ homoge n und dicht. Der Sprühstrom I a n den Ko ro naelektrode n beträgt nur ei nen Brucht eil des Wertes in re ine r Luft (ohne Pulv eraussto ß): er ist abhäng ig vo n den ei ngestell ten Anlagen param ete rn und de r ko nstruktiven Fo nn des Diffusors und liegt meist im Bere ic h I = 5 bis 20 J.lA.

Beg renzungsphase Mit wac hse nder Sc hic htdic ke s nimmt a uch die Fe ldstä rke in der Pulversc hicht zu. Unmittel ba r an de r We rkstückoberfläche ist sie am größten und beträgt:

I• E,..; Ps

Ps (x)dx

S

rel. Diclcktnzirürszahl der Pulverschicht Raumladungsdichte in der Pulverschicht mittlerer Korndurchmesser Pulverschichtdicke

x

Abstand des Ladungszentrums zur Elektrode

J

2.3 Physikal ische Grundlagen der Beschichtungsve rfahren

59

Bei einer bestimmten Schichtdi cke hat sie einen so hohen Wert erreicht, dass in den durch die Kom form bedingten Hohlräume n die elektrische Festigkeit der Luft überschr itten wird und sich in der Pulverschicht Ionisationska näle ausbilden. Die zunächst an einzelnen Punkten einsetzende Rückionisat ion breitet sich innerhalb einer Übergangszeit über die gesa mte beschichtete Fläche aus, wodurch der Zwischenraum zum Sprühgerät bipolar ionisiert wird . was einen steilen Anstieg des Sprühstromes bedingt. Dagegen sinken aber die Ladung der Te ilchen und der Anteil des zur Werkstückoberfläche gelangenden Pulvers.

x m ld 2-{,;

$

Bcgrcnzungsphasc: mit wachse nder Schichtdic ke steigt die Feldstärke in der Pulverschicht.

Sättigungsphase Nach Erreichen einer Stromstärke I, die etwa gleich dem Anfangswert 10 (ohne Pulvera usstoß) oder größer als d ieser ist, wird kein Pulver mehr aufgetragen. In dem nunmehr bipolar ionisierten Feld vor der Gege nelektrode werden die nachfolgenden Teilchen durch Anlagerung von Luftionen entgege ngesetzter Polarität so weit entladen, dass sie nicht mehr haften, bzw. mehrfach umgeladen (" Vernebeln" ), b is sie unter dem Einflu ss der Schwe rkraft aus dem durch die Rückionisation gesc hwächten Feld herausfallen oder durch die Luftströmung herausgetragen werden. Bedingt durch die RUckionisation aus der bereits aufgetragenen Pulverschicht kann bei der elektrostatischen Pulverlackierung somit nur ein Überzug begrenzter Sch ichtd icke aufgetragen werden. Einerse its muss das Pulver eine best immte Mindestladung Q *mln haben, dami t es an dem nicht vorgewärmten Werkstück haftet, andererseits verursacht aber bereits diese Ladung schon bei relativ geringen Schichtdicken s eine so hohe Feldstärke in den Lufteinschlüssen. dass sich Ionisationspunkte bilden, die das Auftragen we iteren Pulvers ver hindern. Der vermeintliche Nachteil der Schichtbegrenzung bedingt andererseits den Vorteil einer weitgehend konstanten Schichtdicke auf der gesa mten Werkstückoberfläche. Die maximale Schichtd icke des eingesc hmolzenen Ü berzugs ist von den Pulvereigenschaften abhängig, in der Regel beträgt sie bei einmaligem Auftrag 120 bis 150 11m, in Ausnahmefälle n (PVC. Polyam id ) bis 500 11m. Die Rückionisation ist mit der Ausbildung von Rücksprühkratern verbu nden. Da die Ionisationskanäle in der Pulverschicht aber nicht stabil sind. sondern sich ständig an verschiedene n

60

2 Applikat ion

Punkten neu bilden und wi eder verlöschen, werden die Krater dur ch nachfolgende Teilchen

vielfach wieder abgedeckt. Es verbleiben je doch größere Lufteinschlüsse. die sich besonders bei Pulverlacken mit schlechten Verlaufeigenschaften nachteilig auf das Beschichtungsergebnis ausw irken , da sie zu Lunkern und Poren im eingesc hmolzenen Film führen. Deshalb ist es besser die Anlagenparameter so einzustellen , dass die Schichtdicke nicht durch den Särtigungse ffe kt. so ndern du rch die Beschlcluungsdauer begrenzt wird. Besonders stark w ird das Rücksprühen. we nn bei anliegender !l ochspannung die Pulver förderung ausfällt. da der feldschwächende Einfluss der Raumladun g des vers prühten Pulvers wegfallt. In diesem Fall kann man dire kt von einer Zerstörung der Pulverschic ht sprec hen. Die Rücksprüheffekte treten bei freilieg enden Koronaspitzen stärker als bei zur ückgezogenen auf. Bei positiver S pannungspolarität setzen sie sc hon bei niedrige ren Schichtdicken ein und sin d stro mstärke r (Werkstück wirkt als nega tive Ele ktrode mit niedrigerer Koronaein satzspannung). Bei Tribe-Geräten tritt das Rücksprühen dagegen später und in abgeschw ächter Form auf[40].

2.3.8 Technologischer Ve rg leic h der Sprühge rä te Die verfahre nstec hnische Nutzung der elektrischen Kräfte bedingt einerseits die Vorte ile de r ele ktrostatischen Lackie rverfahren . wie hohe Automa tisie rbarkeit. Umgriff und gute Schic htgleichmäßigkei t, zwangsläufig verursachen die Gesetzmäßigkeiten des ele ktrische n Feldes abe r auch ei nige Schwierigkeiten bzw . die Grenzen de r Anwe ndung: •

•

In teilw eise abgesc hirm ten Hoh lräumen (z. B. hinterzogene Kanten) ist das elektrische Feld sehr schwach. do rthin ge langt deshalb auch nur sehr wenig Lackmateria l. Eine Druckluft unterstützu ng br ingt nur eine begrenzte Verbesse rung wegen der Sta uwirku ng sowie der teilweisen Entladung des Pulvers durch die Rück ion isation von den vors tehenden Kan ten. An scharfen Kanten und Ecken bündel n sich die Feldl inien. hier kan n es zu einer Übe rbeschic htu ng bzw. zum Auftreten des sogenannte n Bilderr ahmenaffekts komm en.

Da die Ausbildung des ele ktrischen Feldes vo r de r Werkstü ckoberfläche wesentlich dur ch den gewä hlten Auflade mechanismus bestimmt wird. hat d ieser auch einen entsc he ide nden Einfluss auf die techn ologischen Eigenschaften des Sprühgerätes.

Beschichtungs wirkungsgrad Bei elektrostatischen Sprühgeräten ist in der Phase der Schichtb ildung der Antei l des aufge trage nen Pulvers an der ve rsprühten Gesamtpu lvermenge um so größe r. j e höher die Spa nnung bzw. die Pulverau lladun g ist, bzw. j e kleiner der Pulverdurchsatz ist. Mit Erreichen der Sättigungs phase nimmt er jedoc h sehr sta rk ab . Auch aus diesem Gru nd sind in den techn ischen Beschichtungsan lagen die An lagenparameter Spannu ng. Pulverdurchsatz und Förde rbahngeschwind igkeit so aufeinander abzustimmen. dass die Dicke der aufgetragenen Sch icht durch die Besch ichtungsdauer und nicht durc h de n Sätt igungseffe kt begre nzt wird. Bei de n ele ktrokinetischen (tribo) Aufladungs geräten wird das Erge bnis sehr sta rk von der erreichten Pulverladung beeinflusst. Liegt diese in der Höhe der Aufl adung bei den mit Ilochspannung arbe itenden Geräten ode r da rüber. so sind auc h die Beschichtungswirkung sgrade gleichwertig. Unter g leichbleibenden kinetischen Bedi ngu ngen in der Auflad ezone (Luftmcnge und -seschwindigkeit) sinkt die spezifisc he Pulverladung stark mit wa chsendem Durch satz [35]. In gleicher Weise verringert sich auch der Beschicluu ngswlr kungsgrad.

2.4 Die Aufladesysteme in der Praxis

61

Umgriff Durch die unterstützende Wirkung des umgreifenden "Fern-Feldes" der an Hochspann ung liegenden Koronaelektroden ist de r Umgritfbei Korona-Pistolen deutlich besser als bei TriboGeräten, bei denen hauptsäch lich das "N ah- Feld" der Raumladung wirkt. Eine zurückgezogene Elektrodenanordnung mindert den Einfluss der Hochspannung. Ihre Polar ität bedingt dagegen keine mer klichen Unterschiede.

Eindringverm ög en Bereits unter gleichen Auftragsbedingungen (Abstand, Sprühkopfforrn) ist mit elektrokineilsehen Beschichtungsgeräten eine größere Eindringtiefe zu erreichen. Der besondere Vorteil dieser Geräte liegt aber darin, dass man den Sprü hkopf soga r in kleine Öffnungen ein führen und so wesentlich leichter elektrisch abgesch irmte Bereiche (Hohlräume. hinterzogene Kanten, sogen annte "Sc haltensteIlen" u. a.) beschichten kann . Nähert man sich dagegen mit Korona-Sprühgeräten zu sehr de r Werkst ückoberfl äche. so setzt dort, insbesondere an scha rfen Kanten oder in der bereits aufget rage nen Pulversc hicht, eine Rückionisation ein, die zu einer Ent- ode r Umladu ng de r verspr ühten Pulverteilchen führt. Die hohe Stromstärke im bipolar ionisierten Feld verursacht auß erdem ein starkes Absinken de r Spannung an den Koronaelektroden und damit eine Schwäc hung der elektrischen Feldstärke. Die mechanisch in die Hoh lräume geb lasenen Pulverteilc hen sind praktisch ungeladcn und haften nicht. Eine Verbesse rung des Eindr ingvermöge ns wird durch Flachstrahldüsen erreicht. Die zurückge zogene Elektrodenanordnung minimiert einerseits den Strom freier Ionen. andererseits führt auch die höhere mechanische Strömungs kompone nte zu einem Abweichen der Pulverbahnen von den an die Kanten führenden Feldlinien.

2.4 Die Außadesyste me in der Pra xis Die folgende n Kapitel 2-4 bis 2- 10 wur den vor allem mit Hilfe de r umfangreichen Schriften und Informationen ....on [4 1] und [42J zusam mengetragen. Zur Aulla dung des Pulvers werden verschie de ne Systeme eingesetzt. Der Einsatz der untersch iedlichen Ver fahren hängt von de r Anwendung und de n Wünschen des Anwenders ab. Grundsätzlich wird zwischen drei versc hiedenen Aufladeve rfah ren untersc hieden: der elektrostatischen Autla dung, de r ionena rmen Aullad ung und der Tribo -Aull adu ng. Die Lutlio nenre duzierung wird bei praktisch allen Anbietern durch einen speziellen Aufsatz auf die Pistole erreicht . Weitere Systeme, die allerdings bisher keine große Verbr eitu ng gefunden haben, sind die soge nannten Hybridpistolen. bei dene n Elektrostatik und Tribo kombiniert werden, und die Innenaufladungssysteme. Sie ergä nzen die genannten Hauptverfahren.

2"t,1 Die Ko ro na-A uflad ung Die Korona-Aulladung oder Ionisationsaulladung ist das ungehinderte Austreten von freie n Elektronen aus einem elektrischen Leiter. Dieser Vorgang ist nur unter hoher elektrischer Feldstärke möglich. Die ionisierten Pul....ertei1chen werden wie d ie freien, ionisierten Luftteilehe n ....on allen geerde ten Obj ekten angezogen. In der praktische n Anwendung ist das Werkstück das erste geerdete Teil auf das die Pulverteilehen treffen und sie bleiben an diesem haf-

62

2 Applikat ion

ten. So bald das ionisierte Pulverteilch en auf da s gee rdete werksrück trifft, erzeugt es im

Werkstück eine Gegenladu ng. Da das Pulver elektrisch nicht leitend ist. kann die Ladung nicht abfließen und die Anzie hungs kraft bleibt bestehen. Der vom geer deten Werkstück abfließen de Stro m besteht aus den auftreffe nden freien Elektro nen, aus Luftionen und aus dem Influenzstro m der Gegenladung.

Korona-Pistolen bestehen aus einem Spannungstrans formator, einer Hochspannungskaskade und ei nem dünnen Draht als Elektrode. Um eine optimale und konstante Au fladung des Pulvers zu gewährleisten. wi rd die Elektrode mit einem kleinen Luftstrom gespült. Oh ne diese Spülung würde das Pulver in kürzester Zeit an der Elektrod e ansintern und ihr Elektronenfl uss deutlich reduziert werden. Der Luftstrom erhö ht zude m die KOTOna-Entladung an de r Elektrode, da die Elektronen weggespü lt werden. Von den freien Elektronen treffe n 1- 3 % auf Pulve rteitc hen. der Rest ionisiert in der Umgeb ungs luft oder bleibt frei. Diese freien Elektronen und die ionisierte Luft, zusammen als Raumladung beze ichnet, haben Einfluss auf die Besch ichnm gsqu al ität (Rück sprüheffekte). Ebenfall s großen Einfluss auf die Beschichtungsqualität hat die eingesetzte Luftgeschwindigkeit. Die Luft d ient haupt sächlich zur Förderung des Pulvers vo m Pulverbehälter zur Pistole, durch das Mundsdick zu m Objekt. Hohe Luftgeschw indigke iten unterstützen da s Eindringen in Vertiefungen; sie verstä rken aber auch die Ten denz zum Abblasen. Niedrige Luftmengen erhö hen den Abscheidegrad. könn en ab er auch das Eindringvermögen negativ beei nflusse n. Nur die Kombination der richtige n Aufladung mit der passenden Luftgeschwindi gk eit erge ben optima le Beschichtungsresultate. Das Autladu ngsprinzip mit konstanter Zuführung von elektros tatischer Ladu ng ermög licht den Einsatz dieses Pistolentyps für alle Anwendungsfälle und für praktisch alle auf de m Markt erhältlichen Pulversorten.

ElektrodensptJllun Pulver vom Pulvertlehälter 10 V Anschluss Steuerung Hild 2·7 : Schematische Durstellu ng des Aufbauseiner Korona-Pistole

2.4 Die Aufladesysteme in de r Praxi s

63

Die ionenarme Aufladung Die ionenarme Auflad ung mit nachrüstbaren Aufsätze n komm t übera ll dort zum Einsatz, wo gleich zeit ig dickere Pulversch ichte n und eine hohe op tische Beschichtungsqu alität gefordert werden. Bei der herk ömml iche n elektrostatischen Aufladung ist es nic ht immer möglich , eine ho he Oberfläc heng üte zu erziele n, wen n Verti efunge n zu dec ken sind und die vorderen Ka nten gleich zeitig glatt sei n müssen. Entwe der können die Ve rtiefungen nich t ausreic hend beschichtet we rde n oder es entstehen an den Kant en zu gro ße Schic htdicke n, wobei ab Schichtstärken vo n 60-70 um Or angenhaut entste hen kann. Diese resu ltiert a us eine m Übersc huss a n freien Ionen. die sich du rc h die zu dicke Pulve rschicht nic ht me hr über das Obj ekt entladen können und zu eine r unregelmäßigen Besc hichtung führe n. Ein Aufsatz eines geerdeten Metallri ngs ode r einer Metallspitze ver hindert. dass ein Großteil der freien Ionen (Ra um ladung) zum Werk stü ck ge langt. inde m sie diese zur Erd ung der Pistole zurüc kführt. Bild 2-8 . Typische Einsat zgebiete fllr die se Art der Pistolen sind die Beschi chtung von Sch ublade n, Felgen und Profilen. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Besc hic htu ng mit Stru ktu rpulver. bei dem ein wesentlich gleichmäß igeres Muste r bzw. Oberflächenstruktur e rre icht wird. Zudem red uzieren diese Pisto len be im Hand besc hic hten den Pulverr ückschla g. Als Nachtei l kann augeführt we rde n, dass die Elektrod e(n) des Au fsatzes Verschleiß te ile sind oder bei ma nuellen Pistole n die Handhabu ng ersc hwe re n.

Hilt! 2-8: Funktionsprinzip der ionenarmen Aufladung. Die Pulverschicht ist bei Schichtdicken kleiner 60 bis 9Q um (Pulver abhängig) noch nicht homogen geschlossen. so dass die Luftionen über die Erde abfließen können. siehe Abhildung links. In der Abbildung rechts ist die Pulverlackschicht homogen. d. h. es können keine Luftionen mehr über das geerdete Werkstück abfließen. Mit der Zusatzerdung bewegt sieh da Hauptteil der Ionen zu dieser Erdung und nicht zum Werkstück. Damit bleibt dieses weitestgehend frei von freien Luftionen '''21.

Die Pulverglocke Die Funkt ion sweise de r Pulve rglocke entspric ht der a us de m Nass lack- Bere ich bestens beka nnten G locke. Die Auflad ung des Pulvers geschieht über die Lade kante des rotiere nden Pralhe l1e rs. Die Rotationsgeschwindigkeit ka nn j e nach Pulverart und ge wü nsc hte r Wolkenbild ung verände rt werden. Die Pulv erzu führung e rfo lgt dur ch das Mittelrohr. Die Hoc hspannungskaskade wurde vo n de r elekt rostatische n Pulverpistole überno mme n und in de n Glocke nkörpe r eingeba ut. Eine Zusa tzluft e rmög licht die Strahlve rstellung und die Erhöhung der Vorwärtsgeschwin digkeit in Ric htung Objekt ( Bilde r 2-9 und 2- 10).

64

2 Applikat ion

Mit dem Einsatz der Pulverglocke w ird ein äußerst gleichmäßiger Schic htauftrag bei einem hohen Auflragswirkungsgrad erz ielt . Durch ihren Einsatz kan n die Anza hl der Zerstä uber j e nac h Anwendu ngsfall reduziert werden und durch d ie hohe Gleichmäßigkei t des Pulverauslrages d ie mittlere Schichtstärke reduziert we rde n. Letzteres bietet ein hohes Pulvereinsparungspotenzial. Pulverglocken erre ichen nur eine sehr beschränkte Eindringtiefe und sind da her in erster Linie fUT die Beschichtung von großen , fl ächigen Tei len geeignet. Bei de r Kabinenauswa hl sollte unbed ingt dara uf geac htet werden. dass Pulvergloc ken große, we iche Pulverwolken aufba uen und deshalb sehr sensibel auf Luftströmungen reagieren. Der maximale Pulverausstoß liegt tUTPulverglocken bei 60 0-700 glmin.

Hild 2-9: Schematische Darstellun g ei ner Pulverglocke. 1 = Formluft. 2 = Kaskade. 3 = Pulvcr r ohr. u = Hochspa nnung

Hild 2- 10: Pulvergloc ke in de r Lackicrung des Smart


65

Die Innenaufladung Die meisten Koro na- Pistolen besitzen ein e Außena ufladung. Die Elektrode ist am äußersten Ende der Pistole ange brac ht. Das nächstliege nde, geerdete Tei l ist das Werkstück. Das elektro stati sche Feld baut sich zw ischen dem Werkst ück und der Elektrode auf. Die Aufladung des Pulvers entsteht in der Nähe der Elektrode. Be i der lnnenaufl adu ng liegt die Erde in der Pistole selbst. Das elektrische Feld baut sich in der Pistole auf. Die Au lladung des Pulvers geschie ht in der Pistole und in der Nä he der Elektrode. Die meisten freien Ionen werden dabei d irekt zur Erde gele itet . Das hat zur Fo lge, dass die Raum ladung klei ner ist als be i der A ußenaufl adung und dass das Eindringvermögen erhöht wird . Die Probleme liegen be im Ansinte rn von Pulver und Beschlagen der gee rdete n Elektrode. Durch d ie se hr kurze Ladungsstrecke ist der Pulverd urchsatz sta rk eingesc hrä nkt.

2A. 2 Tribo-Au ßad u ng: Das Tribo-Verfahren bedient sich der Reibu ngsaufl adung. Der Vorgang erfordert eine vergleichsweise hohe Luftgeschwindigkeit, da dann im Rohr Turbulenzen entstehen, welche die Anzahl der Kontakte erhöhen. Das eingesetzt e Kunststoff material ist vorwiegend Teflon. Die Tribe-Aufladung ist nur bed ingt regulierbar. Da die Fördergeschwindigkeit des Pulvers alleine nicht ausre icht, um in der Pistole die geforderte Ladung au f das Pulver zu erzeugen. wird die Durchtrittsgeschwindigkeit des Pulvers durch die Pistole mit einer Zusatzl uft erhöht. Dadurch ist eine Regulierung der gewünschte n Ladung auf das Pulver nur bedingt steuerbar.

Pulver-Luft-Gemisch

Pulverzufu hr Hild 2-11: Schematische Darstellung eines Aufbaus einer Trihopistole

Der Vorteil der Tribe -Aufladung liegt in der guten Eindringtiefe. Diese Aufladung erzeugt keine freien Luftionen. Deshalb ist das Eindringen von Pulver in Vertiefungen. wie bei Briefkästen und Felgen besser als bei der Koro na-Pistole. Die beschichteten Oberflächen sind glatter, die O rangenhaut ist weniger ausge prägt. Die Konstruktion der Pistole ist einfach. Die Mundstücke fü r die Zerstäubung des Pulvers können beliebig ausgebi ldet werden. Nachteile

66

2 App likat ion

de r Tribe-Aufladung sind ihre ge ringe Fle xibilität, höherer Versc hleiß und die Rückgewinnung des Pulvers. Nicht jedes Pulver ist mit Tribo verarbeitbar. es braucht spez ielle Zusätze oder eine spezielle For mulierung. Frisch pulver lässt sich am besten aufla den, mehrmals zurückgewo nnenes Pulver kann nicht mehr verwendet werde n. Je höher de r Fei nstallteil des Pulve rs wir d ur nso weniger tribofähig ist es.

2A.3 Vergleich der Ladungssysteme Die wesent lichen Vo rteile der Tribo-Beschi chtun g lasse n sic h wie folgt zusammenfasse n: •

Übe r- und Zweitbeschichtungen sind prob le mlos mög lich .

•

Gle ichmäßigere Schic htst ärkenvertei lung bei komplizierten Teilegeometrien. Spez iell bei Rohrkon struktionen mit ge ringer Bau tiefe. praktisch keine Farad ay'sc hen Käfige

•

Das Obe rfl äc he nfinis h kann mit Tribo- Beschichtung ve rbess e rt we rde n. da keine freien Feldlinien vo n Hoc hspannungserze ugern vo rha nde n sind .

•

Höhere r Automatisierungsgrad bei fil igra ne n Werk stücken. Eine Handbeschic htun g ist unter Umstä nden ga r nicht notwendig.

•

Tribo-Beschichtungssyste me sind bei gleiche r Pistolenanzah l gü nstiger in der Ansc ha ffung als Koronasysteme.

•

Oft ma ls volla utomatische Beschichtung mit ge ringere m Steuerungsaufwand

Tribo oder Korona ? Die Fragestellung in der Pra xis ist meist die, unter welc hen Bedingungen bzw. We rkstückgeometrien eine Tribobesch ichtu ng vorteilhafter gege n über der Korona beschic ht ung ist. Dies gilt be i: •

groben Sc hwei ßko nstrukt ionen (z. B. Scha lungselementen)

•

Inne nbeschic htung [z . B. bei Rohre n)

•

tiefen Teilen mit Faraday 'schen Käfi gen

•

sehr komplizierten Tei legeometrie n

• •

ra uer O ber fläch e (z. B. Guss), hie r ka nn mit re lativ ho hcr Schichtstär ke a uf Prozesse wie Schleife n und Spachteln zum Teil verzichtet we rden ex tremen Verlau fsanforderungen

•

de r Forderung nach sehr gleichmäßigen Sc hic htstär ken

•

Meh rfachbesc hichtu ng

Die Nac hte ile von Tribo gegenüber Koron a s ind : •

de r größere Ve rschleiß in de r Pistole und damit höhere Kosten

•

ein zum Teil höhe rer Luftve rbra uch

•

nic ht alle Pulve r sind für die Tribe-A nwend ung einzusetz en

•

ein stä rkerer Schic hta ufba u auf Ge hängen

•

ein geringere r Pulv erdurchsatz. damit sind oftmals me hr Pistolen notwendig, vor allem bei flächi gc n Teilen


67

Verarbeitungsrichtl inien zur Triho -Beschichtung Für eine optimale Tribo-Beschichtung müssen hinsichtlich des Pulvers und des Kornspektrums einige Voraussetz ungen erfüllt sein. Auch der Verarbeiter sollte einige Regeln beachten, um mit der T ribe-Beschichtung ein optimales Ergebnis zu erzielen. Anforderun gen an das Triho-Pulver

Die Zusage, dass das Pulver tribo-fähig ist, reicht nicht aus. Das Pulver muss auch kreislaufstabil sein. Vor allem Effe kt-Pulver können hier zu Problemen fuh ren. Der Pulverkornanteil kleiner 8 um sollte mög lichst gering sein. Gründe f ür einen geringen Feinkorna nteil

Ein Kornanteil < 8 um von max. 6 % ist nur einsetzbar bei Zyklonabscheidung. Bei Filterabscheidern besteht die Gefahr, dass das Kreislaufpulver zu fein wird. Wirtschaftlich betrachtet sollte auch bei der Zyklonabsche idung der Kornanteil < 8 um möglichst gering sein, da der Zyklon diese Partikel zum grössten Teil nicht abscheidet. Das Auftragen von diesem Feinkorn auf das zu beschichtete Teil ist sehr schwierig. Vor allem bei Schub laden/Schränken entsteht der so genannte Ausblaseffekt. d. h. der Feinan teil wird durch d ie Luftwirbel im Gehäuse ausgeblasen und durch die Rückgewinnung abges augt. Somit ist d ieser Feinanteil zum größten Teil Verlust und sollte vermieden werden.

2 A. ~

Die M u ndstüc ke

Pistolen können. je nach Beschichtungsbedürfnis mit unterschiedlichen Mundstücken versehen werden. Um optimale Beschichtungsresultate zu erhalten, muss die Wahl des Mundstücks den effektiven Beschichtungsbedürfnissen angepasst sein. Die Mun dst ücke erfüllen zwe i Aufgaben, sie zerstäuben das Pulver und erze ugen eine homogene Pulverwo lke (Bild 2-12). Abhängig vom Aufladungsverfahren sind sie auch Träger der Elektrode.

Hild 2-1 2: Pulv erwolk enprof ile. oben im Bild mit Flachstrahld üse. unten im Bild mit Prallplatte

68

2 App likat ion

Die Prallplane Seit Begin n der Pulv erb eschic htung ist die Prallplatte

bekannt. Der stark gebündelte Pulverstrahl trifft auf eine n Prallkegel und wi rd dabei ause inande rge rissen . Es entste ht eine homogene Pulve rwolk e. die s ich langsa m de m gee rdeten Werkstüc k nä hert. Die Wolke kann nur bedingt gesteuert we rde n und das Eindringverm ögen ist klein. Sie wi rd für Flachteile und hohe Fläc hen leislunge n eingese tzt .

Ililt! 2- 13: Prallplatte

Die Flachs trahldüse Die Flac hstrahldüse ist ein Mundstück mit einem Sc hlitz . Das Pulve r im Rohr wird vo r de m Schl itz besch le un igt und und nach de m Sch litz verzögert und dam it in ho he Turbulen z versetzt. Die Pulverw olk e hat einen ell ipse n-

förmigen Querschnitt und kann gut auf das Objekt ausgerich tet we rde n. Sie wird IUr komplexere Teile mit Vertiefunge n ei ngesetzt .

Hild 2- 15: Pulverwolke mit Prallplane

HiltJ 2- 14: Flachstrahld üse

Hild 2- 1(.: Pulver wolke mit Flachstrahldüse

2.5 Pulvertransport und Förderu ng

69

Hild 2- 17: Mundstücke und Verlängerungen HiT die elektrostatische Aul1adung

Die Dralldüse Mit ihr wird versucht, de n Pulverstrahl mit e inem tangent ial eintrete nden Luftstrahl anseinander zu reißen. Die zusätzlich im Beschic hrungsraum eingeführte Luft stört abe r die Beschichtungsqua lität. Deshalb findet diese Düse ke ine große Verbreitung.

Das Metallicm undst ück Metallicp ulver kan n zu einem Kurzschluss in der Pistole führen. Weil das Metallicpulver leitend ist, muss die Aufladung des Pulvers außerhalb der Pistole stattfinden. Beim Metallicmundstüc k befinden sich die Elektroden desha lb außerhalb des Pulverroh res und de r Düse.

2.5 Pulvertran sport und Förderung Das Pulver muss in der Beschichtungsanlage vom Gebinde oder dem Pulverzentrum zu den Spr ühorganen trans portiert werde n. Zusätz lich wird das nicht applizierte Pulver in der Kabine gesam melt. zurückgewon nen und wieder dem Zwisc henbe hälte r zugeführt. Das Pulver befindet sich daher stets in Bewegung. Beim Trans port sowo hl von Behälter zu Behälte r als auch vom Behälter zu den Sprüho rganen iSI es wic htig, dass d ie Struktur. z. B. die Korngröße erhalten bleibt. Grundsätzlich wird zw ischen der Schwebforde rung und Dichtstromforderung unterschieden.

70

2 App likat ion Schwebeförd eru ng Fö rdorr ichtung

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Luh gesc hw indi g keit g rö ßer als Schwebc gos chw indigkoit L uft gesc hw ind ig keit '" 20 - 35 mJs

Dichtstromför derun g mit .Pfu-Pr c'' I' ; För derr ic htung

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Förderu ng du rc h lufti mpulse l uft goschw indi gkeit = 6 . 10 mls

Dichtstrom f örd erung mi t Ooppelk ol ben -Mem br an pum pe

I',

o

, 0... 00

os°0

I', ~ 0

0 _

0

"0 I mJI1l

200 bis 300 mvh < I m JI1l

mit Abwurfzyklon

nicht notwendig

Minizyklon und/oder Filter

nicht notwendig

Farbwechsel

g..-cignct +

geeignet ++

geeignet

geeignet +++

Anschaffungspreis

hoch

mittel

hoch

hoch

Betriebskosten

hoch

niedrig

hoch

niedrig

Belastung des Pulvers

hoch

gering

hoch

gering

Trennung PulverLuft-Gemisch

2.5A Trenn ung d es Pul ver-Luft-Gemisch s Die Absa ugu ng des Pulvers aus dcr Kabi ne erfo lgt nor ma le rwe ise unt cr Be rücks ichtigu ng der s icherhe itstec hnischen Vo rsc hriften, a lso mit großen Luftme ngen. Bevo r das Pulver in den Pulve rbe hä lte r zurückgefüh rt werden ka nn, mu ss es vo n der Luft getrenn t we rden. Für diese n Vorgang we rde n Abscheidesyste me w ie Monozyklon. Mult izyk lon, Patro ne n-, Platten- ode r Taschen filte r e ingesetzt .

Der Monozyk/on Der Zyk lon mac ht s ich das physik alische Gesetz der Ze ntrifugal kraft z u Nutzen. Die tangential in de n Zyklon e intretende n Pulve rpa rtikel werden d urch die Rotat ion an die Außenwand gesc hleudert. Mit Hilfe der spiralförmig bewegt e n Luft we rden die Pul ve rpa rtikel in Richtung des Zy klona uslaufs gefo rdert und gesamme lt. Die Luft wird über das Zen tralrohr abgesaugt. G rund sä tzlich gilt: j e höher die Eintritt sge sc hwindigkeit . j e kleiner de r Zyklond urc hmesse r und j e g rößer die Pulve rpa rtike l des to höhe r ist der Absch eidegrad. Über Leck s angezog ene Fa lschluft führt zu sc hlec hte ren Abscheid egraden. Vo rtei le: • •

koste ngünstiges Ab scheid esystem gee ignet für Far bwechse l

Nach teile: • • • • • •

G roße Partike l werd e n besser ab geschieden a ls klei ner e. Verä nde rung des Korn spekt rum s Ab sch eideg rad 90 bis 97 % Möglic hkeit von Pulve ransint erun gen (max. Luftgesc hwin digkeit 20 bis 22 mJs) vo luminös, große Ba uhöhe Ro hrle itun g zwi schen Kab ine und Zyk loneintritt e rforder lich.

80

2 App likat ion

Eintrittsquerschnitt

Innenrohr

---o'---c Au nen rohr

Konus ------------~ Eintritt ta ngen tial

Hild 2· 3U: Bauweise eines Zyklons

Der Plattenfilter Für die Pulverabscheld ung im Platten filter (B ild 2· 3 1) we rden ges interte poröse Kunststoff materia lien eingesetzt. Zur Verkleineru ng der Porosität wird die Oberfläc he mit einem Tefl onü-

berzug beschichtet. Das Pulver wird am Filter abgeschieden und die saubere Luft über einen Endfi lter durch de n Ventilator abgezogen. Im Betrieb nimmt der Filterkuchen am Plattenfilter kontinuierlich zu. dadurch wird der Druckwiederstand erhöht und die Luftmenge verr ingert. Durch zyklische Druckstöße wird der Plattenfilter von innen abgereinigt und der Filterkuchen abgewo rfen. Vorte ile :

• • • •

robustes, langlebiges Filtermaterial sehr hoher Abscheidegrad, nahezu 100 % kompakte Bauweise geei gnet für ve rsc hiedenste, auch ebrasive Materialien

Nach teile: • •

nicht geeignet für Farbwechsel hoher Energieverb rauch

Uikl 2·31: Schnitt durch cine Filterplane

2.5 Pulvertransport und Förderung

81

Der Patronenfilter Patronen sind zylindrische Filter mit endlos gefalteten Filtermaterialien. Bild 2· 32. Zur Filtration wird ein Filterkuchen aufgebaut. der zyklisch abgeblasen wird. Für die Filterreinigung werden Druckluft-Jetsysteme oder Drehflügelab reinigungen eingeset zt. Der ReinigungsetTekt in der Tiefe der Faltung ist problemat isch. Vorteile: • • •

hoher Abscheidegrad kleiner Druckwiderstand hohe Luftleistung

Nachteile: • Patronen sind verschleißanfällig (Abrieb -7 " Fusseln" ) • nicht geeignet für Farbwechsel • feuchtigkeitsempfindlich • Vcrstopfungsge fahr bei feinen Pulvern

+

Hild 2-32: Aufbau eines Patronenfilters

82

2 App likation

Tahe lle 2·7 : Vergleich Zyklon- und Filtcrabschcidung Kri teri um

Monozyk lon mit Nachfihcr

Planenfilter

Patro nenfi lter

Abscheidegrad

90 - 97 %

> 99 %

> 99 %

Farbwechsel

ja

nein

nein

Luftdurchsatz

, mß

gro ß

groß

Luft widerstand

rmnc!- hoch

hoch

mittel

A bsolutfilter

notwe ndig

em pfeh lenswert

empfehlenswert

Lebensdauer

Jahre

> 5.000 h

2.000 h

Störanfälligkeit

niedrig

klein

mincl

Ver hältnis Leistung - Vo lumen

groß

kle in

mittel

Anschaffu ngsp reis

hoch

hoc h

mirtel

2.5.5 Die Pu lveraufbereitung Das zurückgewonnene Pulver muss vor de m Gebrau ch von Fasern, Grobpartikeln und Schmutz gereinigt werden. Dazu werden mechanische Siebe und/oder Ultraschallsiebe mit verschiedenen Maschenweiten eingesetzt. Folgende Anforderung en sollten von Siebmasc hinen erfüllt werden; • • •

Trennen von Pulver und unerwü nschten verschmutz ungen Auflösen oder Aussieben vo n Pulverklumpen Austragen der Verschmut zungen .

Abhän gig von den Qualitätsanforderungen we rden verschi edene Siebmasc hinentypen emgesetzt.

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Hild 2-33: Schematische Darstellung der Sicbung mit Schmutzaustrag [67]

2.5 Pulvertranspo rt und Förd erung

83

Das Rüttelsieb Das Pulv er wird au f ein vibrie rendes Siebgewebe gefü hrt. Durch die Kombination von Hor izo nta l- und Vertika lbewegunge n fallt das Pul ver du rch das Sieb . Die Sc hmutz pa rtikel werden z urückge ha lten. Die meisten Rüttelsiebe haben keine Vorrichtung zur automatischen Schmutzaustragung. Der Sc hmutz muss manuell abgesaugt we rden . Vo rte ile: • • •

günstige, e infac he S iebvo rrichtung re inigungsfreundlich versc hleißarm

Nac hteile: • • •

kein auto matischer Sc hmutza ustrag Ma sch enweiten 300 bis 500 um nic ht geeignet für hohe Q ua lität sansprü che

Rotationssieb (Zentrifugalger öt) Im Rotatio nssieb we rden die Pulverpartikel mittels Zent rifuga lkraft du rch den S ie bkorb ge· sc hleudert. Die Zu füh rung des Pulvers e rfo lg t ko ntin uierlich übe r e ine Sc hnec ke zu de n Schleuderfl ügeln. Bild 2-34. Die Sch mutzp a rtikel we rde n autom atisch z ur Sc hmutza ustrags öffnung gefördert.

Vo rteile: • •

auto mati sc her Sc hmutza ustrag Masch enweit en ab 200 um möglich

Nach teile: • • • •

Farbwec hsel a ufw änd ig viele be wegte Te ile wart ungs intensiv kontinuierl iche Zuführung erfo rde rlich

4

Bild 2-3-1 : Aufbau eines Rotationssiebs I = Motor.

i

t

8

2 = ankommen des Pulver + Schmutz, 3 = Schnec kenförderer, -l = Siebkorb. 5 = Sch leude rflüge l. 6 = Schmutzaustragsöffnung. 7 = gesiebtes Pulver.

8 = Schmutz

84

2 Applikation

Hauptspa nnvor richtun g

A bfluss von Übergrößen

Siebgewebe ---JI-~.

Oberes Gewicht

K1emmring Ober er Rahme n

Flachtisch

f eingut Abtluss (:;i",??'~;i:!'i

Tragrahmen

Tischdom

Unteres Gew icht

Mo tor

vomenewmkei. Einstellbereich von O· bis 90·

Grundrahmen

7 6

5

9":"--'

L

•

I

mld 2-35: Funkt ionsprinzip eines Vibrations- oder Taumelsiebes I (Irundzylindcr, 2 Feingutauslauf 3 Motorsa ttel. 4 Vibrations motor. 5 Klappschrauben. 6 Siebrahme n. 7 Abdeckhaube mit Überla ufstutzen. 8 Kontrollstutzen. 9 lsohc rfcdcm. 10 Einlau f für Aufgabegut

Vibrations- und Taumelslebmaschienen Das Ta ume1sieb wird eingese tzt. wenn hohe Qualität gefo rden wird. Durch die klar definierten, einste llbaren Beweg ungen der Siebmasc hine sammelt sich da s Pulver im Zentrum des Siebs und die Schmutzpart ikel werden an den Siebrand gefördert. wo sie automatisch ausgesch ieden werde n.


85

Vibrations-Taumelsiebe sind Siebe mit einem Unwuchtmotor-Antrieb. Der Materialeintrag erfolgt auf die Mitte des Siebes. Durch die kreisförmigen Taumelschwingungen wird das Pulver splralför mig nac h außen bewegt. das Fei ngut durch das Sieb nach unten getrenn t. Vorteile: • •

automatischer Schmutzaust rag Maschenweiten von 100 11 m möglich, schonende Pulverförderung

Nachteile: • Farbwechsel sehr aufwä ndig • große Maschine • hohe Investitionskosten Vibratio ns- und Taumelsiebe könne n ergänzend mit einer Ultraschallre inigungsei nrichtung ausgerüstet, bzw. nachgerüstet werden. So kann die Maschenweite redu ziert und der Durchsatz erhöht werden.

Das Ultraschallsieh Das Ultraschallsieb wird eingesetzt, wenn eine hohe Qualität gefordert ist. Durch den Ultraschallsc hwingkopf wird das Sieb bzw. das Pulver in Bewegung geha lten und so ist eine deutlich schnellere Siebung bei kleinere n Maschenweiten mög lich. Ultraschall-Siebe sind praktisch liberalI einsetzbar und führen in der Regel zu einem höheren Durchsatz. Vorteile: • hohe Siebleistung • kurze Reinigungszeiten, automatischer Schmutzaustrag möglich • Maschenweiten von 80 11m und kleiner möglich • homogene Vermischung von Overspray und Frischpulver mög lich • geringe Wärmeentwicklung Nach teile: • Je feiner ein Sieb ist, umso größer die Gefahr von Gewe berisse n. • höhere Kosten in Anschaffung und Unterhalt

Hild 2·3(1: Schnelle. einfache Lösung eines Ultraschallsiebes

86

2 App likat ion

Die Wahl der Maschenweilen Die Qualität der Siebung ist abhä ngig von der Wah l de r Maschenweite und von der Siebart. Vibrationssiebe benötigen bei gleic her Leistung größere Sieb flächen als Rotationssiebe. Tabelle 2· 8 zeigt eine Zusamme nfassung der wic htigste n Eigenschaften der verschiedenen Sie bmasch inen .

Tahd lc 2-8: Die Siebmaschinen im Vergleich

Kriterien

Rüttel sieb

Rotati onssieb

Vibra tions

Ultraschallsieb

Taumelsieh Siebqua lität

ge nügend

Maschenweiten

300 bis 500 um

Schmut zaustrag

gut

sehr gut

seh r gut

200 bis 300 11m

120 bis 250 11m

63 bis 200 um

nein

a uto matisc h

automatisc h

a utomatisc h

Fa rbwechsel

j"

bedingt j a

nein

j a. j e nach Ty p

Wartung

klein

mittel

klein

mittel - kle in

Inbetriebna hme

ei nfach

einfach

kompliziert

einfach

Preis

güns tig

angemessen

hoch

etwas höher

2.5.6 Pulveraufbereitung im Beh älter Da das Pulver oft schwer ries elfählg ist, kann es nicht ohne Weiteres aus de m Behälter gefördert werde n. Das Pulver neigt zu Agglomerat ion, die durch gee ignete Maßnah men verhindert werden muss. Folgende Techn iken finde n heute Anwendung: • • •

Aufbereitung durch Rührwerke Aufbereitung durch Fluidisierung Aufbereitung durch eine Kombination von Fluid isierung mit Vibration.

Der Pulverbehälter hat d ie Aufgabe, das Farb pulver für die Sp rühorga ne bere itzustellen. Dabei so llte das Pulver mög lichst schonend behande lt werde n. Darüber hinaus müssen das Frisch pulver und das zurü ckgewonnene Kre islau fpulver mög lichst gleichmäßig vermisc ht werden. Eine gleichmäßige Pulverwolke hängt weitgehend von de r Wirkungswe ise des Inj ektors ab. Bild 2-37 zeigt die Problematik der Bildung von Kratern und Luftkanälen im Pulver. Mit geeigneten Maßnah men (F luidisierunglVi hratio n) muss das Pulver gleichmäßig in Bewegung ge halten werden.


87

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Hihl 2-3 7: Rechts: Bildung \'(10 Luftkanäle n und Kratern im fluidisicrt cn Pulverbeh älter. links: glcichm äßigcs, homogene s Pulver/Luftgemisch [.t2]

Der Rührwerkbehälte r Mir Hilfe des Rührwerkes wird die Zusammenballung des Pulvers verhindert. Der Rührwerkbehälter kann für alle Pulvertypen eingesetzt werden. Speziell geeignet ist er für schwer fluidisierbare Pulver. Allerdings werden d iese Behälter heute in Europa nur noch selten eingesetzt. Bild 2-38 zeigt den Aufbau eines Rührwerkbehälters. Die Injektoren für die Sprühorgane sind unten seitlich befestigt, der Boden hat eine Entleer ungsklappe.

Vorteile: •

• • •

für alle Pulverarten, kleine und große Mengen geeignet regelmäßige Pulverförderung (Ansaug ung direkt unter dem Behälter) keine Veränderung des Kornspektr ums Behälter kann gut ent leert und gereinigt werden

Nachteile: • • • • •

zusätzliche Rührwerkmechanik Pulver wird durch Rührwerk belastet, nicht geeigne t fllr Feinst- und Metallicpulver teuer in der Anschaffung limitierte Anzahl der Pistolen ( 12 Stück) Injektoren schwer zugänglich , bei gefülltem Behälter schwer zu demontieren

88

2 Applikat ion

o

Hild 2-3M: llandbcschicht ungsanlagc mit Rührwerkbehälter

Der fluidisierte Behälter Die Fluidisierung ist die be kannteste Meth ode der Pulveraufbereitung. Druckluft strömt durc h einen gleichmäßig poröse n Boden und macht das Pulver fließfähig. Je nach Pulverqualit ät. ZusatzstotTen und Komgrößenverteilung neigt das Pulver mehr oder weniger zu Klurnpenbildung. Als Folge davon bilden sich Kanäle und Krater , d ie einen rege lmäß igen Pulverausstoß beeinflussen. Die Tendenz zur unregelmäßigen Fluidisierung wird verstä rkt. wenn das Pulver beim Anlage nstopp absinkt und die Anlage neu gestartet w ird. Durch gee ignete Vorfluidisierung können diese Effe kte ve rhindert ",'erden. Das Volu me n des fluidi sierten Pulvers erhöht sich um den Faktor 2, dies bedeutet, dass die Beh älter im Ruhez ustand nur halb gefüllt werden dürfen, um im Arbe itsbetrieb ein Überlau fen des Pulvers zu vermeiden. Vorte ile : • • •

einfac he, gü nstige Kon struk tion kann filr Farbwechsel ge reinigt wer den Inj ektoranschlüsse auf dem Deck el leicht zugä ng lich

Nachteile: •

Brücken- v Kraterbildung

• • • • • •

Pulverentmischung Pulverausstoß ist niveauabh ängig regelmäßige Fluid isierung für gro ße Behälter sc hwierig Pulverau fbau am Rand Fluidluftverbrauch 20 bis 40 mJIh pro m 1 Fluidboden erschwerte Rein igung des Pulverbehälters

89

2.5 Pulvertransport und Förderun g

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3 ,

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nild 2-39: Funktionsweise eines Fjuidbchältc rs. I = Trans portluft. 2 = Pulverschlauch.

3 = F1uidisicrungslull

Kombinationsbeh älter Fluidisierung / Vibration Um die Nachteile des Iluidisierten Behälters zu beseitigen . wird die Pul veraufberei tung mit zusätzlicher Vibration unterstützt. Durch die Vibrat ion wird die Klumpen. und Kraterbildu ng im Behälter verhinde rt, Luftkanäle (s iehe Bild 2-3 7) we rde n so fort ge brochen, das Pul ver kann im Behälter gleic hmäßig fl ießen. Vorteile: • • • • • •

konstante. rege lmäßige F1uidisierung auch für Pulver mit Feinkom spektru m geeignet ca. 30 % ge ringe rer Luftverbrau ch gegenüber ein er Fluidisierung ohne Vibra tion kein Randaufbau optimales Pulver-zt.uft gemis ch kann eine gü nstige Alterna tive zur Ultraschalltechnik sei n

Nac hteile: • • •

erhöhte Investitionen. da zusätzliches Gerät notwendig falsche Vibration kann zur ..Pulververhärtung" füh ren bei Außcnvibration muss der Behälter den Sc hwingunge n standha lten

90

2 App likat ion

IlihJ 2· -10:

Funktion sweise des Kombination sbehältc rs Fluidisicrung/Vibration

Pulverförderung direkt aus dem Originalgebinde Das Liefergebinde wird als Pulve rbehälte r verwe ndet. Die F1uidisieru ng erfolgt lokal am An-

saugrohr. Die Fließfähigkeit des Pulvers wird unterstützt durch den Vibrationsboden. auf dem das Gebinde steht.

Vorte ile: • • • •

schne lle Fa rbwec hsel, ideal für hä ufige Farb wechsel kein Umfülle n und Reinige n des Pul verbehälters für alle Pulveran lagen geeignet minimaler Fluidluftve rbrauch

Nachte ile: •

Liefe rge binde muss de n Vibrati one n stand ha lten

2.5.7 Die Sc hla uc h fü hr ung Die folgenden Richtli nien gelte n nur für Anla ge n mit Inj e ktorfdrderung. Bei Ve rwe ndung der DD F-Technologie ist die Sc hla uchführung - abgese hen dav o n, dass Knicke vermie de n werden mü sse n - praktisch irrelevant. Um e inen gleichmäßigen Pulverausstoß zu e rha lte n, ist j edoch e ine gew isse Sc hla uchlä nge notwe nig . Hier gilt: je länge r umso besser.

2.5 Pulvertransport und Förderu ng

91

Unmittelbar nach de m Inj ektor sollte ei ne .Beruhigungsstrecke-' in Form eines gera den Pulversc hlauc hes eingebaut werde n. Schon bei der Planung der Anlage muss au f den richtigen Standort des Pulverbehälters geachtet werde n, um mög lichs t kurze Schlauchlänge n realisiere n zu kön nen . Bei der Schla uchführung ist auf eine knickfreie Verleg ung zu achten, und die vorgeschriebenen Radien sind einzuha lten, wie in Bild 2-41 dargestellt. Nur so ist ein g leichmäß iger und kontinuierlicher Pulvertransport gewährleis tet.

Radi us 150 bis 200 mm

Knickschutz

Hild 2·41: ßcispicl einer optimalen Schlauc hführung [42)

Eine optimale Pulverschlauchlänge liegt bei ei nem Innendurchmesser von 10 bis II mm bei kleiner 10m und bei Innendurchmesser von 12 bis 13 mm bei kleiner 12 m, wenn sich dies aus de n Anlage ngegeben heiten realisieren lässt. Die folgende Ta belle 2-9 gibt einen Überblick über die Abhä ngigkeit des Pulverausstoße s und des Lu ftverbrauchs vom Schlauchi nnendurch messe r und Empfe hlungen über geeignete Pulversch lauchdurchmesser abhängig vo m gew ünschten Pulverausstoß. Tubelle 2-9 : Angaben zur Schla uchdimcnsionicrung bei empfohlener Pulverausstoßmenge durch lnjektorfördcrung an de r Pistole. Die Werte gelle n bei einer max. Sc hlauchlänge von 12 m 167J.

Pulverschlau chinnendurch messer [nun ]

Querschnittsfläch e [mm"]

Druckluftverbrauch in m'zh

Pulverausstoss glm in

8

50

ca. 2,0 - 3,0

< 50

10

78

ca. 2,8 - 4,0

30 - 200

II

95

ca. 3,3 - 5,5

50 -300

12

113

ca. 3,7 - 6,8

100 - 400

14

154

ca. 5,7 - 7.8

400 - 700

92

2 App likat ion

Die Bilder 2· 42 und 2· 43 zeigen Beispiele fiir eine gute Schla uchführung. die Bilder 2-44 und 2-45 sind Beisp iele wie die Pulverschläuche nicht verlegt sein so llen. Als Pu lversch lauch sollte n immer die vom Anlag enherstel ler empfohle nen Schläuch e verwe ndet werden. PVC- Sch läuche od er weic hmacherhalt iges Materia l sind nicht geeignet.

Hild 2-·U und Bild 2-·B : Beispiele für e ine optimale Schlauchfü hru ng. Sch läuche sind knick frei und übersichtlich angeordnet. Ein Wechsel des Schlauchs ist relativeinlac h und schne ll durchz uführen .

IJild 2-U und 2-4S: Beispiel wie Pulverschläuche nicht ver legt werden sollte n: zu lange und unübersichtlich verlegte Schläuche

2.6 Anlagenkonzepte

93

2.6 Anlagenkonzepte 2.6.1 Er mittlung der relevant en Param eter Wird ei ne neue Beschichtungsanlage geplant. steht am Anfang häufig der Wunsch oder auch die Verpflichtung, ein umweltschonendes Beschichtungsverfahren anz uwende n oder nach einer weitgehenden Automa tisierung des Beschichtungsprozesses. Aus dem zu besch ichtenden Tei lespektrum und der gewünschten Anlagentechnik ergebe n sich berei ts viele relevante Parameter. die e ine Auswahl zwische n verschiedenen Anlagenkonzepte n. System-, Kabinen- und Rückgewinnungstypen vorgebe n. Auch der zu wählende Automat isierungsgrad wird zu ei nem große n Teil bereits hier bestimmt. v orgaben aus dem zu beschichte nden Teilespektrum. Zunäc hst ist d ie Festlegung der wesentlichen Parameter vorzunehmen. die einen Einfluss auf die Gestalt ung der Anlage haben . Dies sind: • • • • • • • • •

logistische Gegebenheiten Budgetvorgaben Einsatz der Werkstücke (innen. auße n, agressive Umgebung wie Meeresklima oder ehemielabors) die Menge der zu beschichtenden Teile die Werkstückgeometrie die erforderlichen Sch ichtstä rken die erforderliche Beschic htungsqualität Anzahl der Farben. Häufigkeit der Farbwechsel mit RUckgewinnung die prozentuale Verteilung auf Haupt- und Sonde rfarben

Weitere Paramete r. die einen Einfluss habe n. betreffen die Vorgaben aus der Anlagentechnik •

Fürdersystem

• •

Gehängegestaltung Vorbehandlung

und die bau lichen Verhältn isse, wie • • •

Platzverhältnisse Böden andere störende Einflüsse wie Pfeiler, Ra um höhe oder Deckenstrukturen

Die Böden müssen elektrostatisch leitfähig sein und im Umfeld des geplanten Kabinenstandortes dürfen keine die Beschichtungsqualität störenden Einflüsse wie Luftturbulenzen oder Lösemitteldämpfe vorhande n sein. Auch sind zu hohe Raumtemperat uren zu vermeiden.

94

2 App likat ion

2.6.2 Anlage nko nzepte Nachfo lge nd werde n die gä ng igsten Anl age nkonze pte kurz vorgeste llt. Sie sind alle sowohl m it no rma len Kab inen , als auch m it den sogenannten Sch ne llfarbwechse lanlagen rea lisierbar.

Zwei R ückgewinnungsanlagen Dieses Konzept ist geeignet für konvent ionellen Farbwechsel mit zusätz licher Rüc kgewinnung . Nach de r Kabine n- und Pistolenreinigung werden die Rückge winn ung ssysteme ausge-

wechselt. Dies kann durch Umstecken der Pulverschläuche oder durch eine automatisierte Umstellung erfo lgen .

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BOB

Rild 2-46 : Kabin e mit zwei Rückgewin nungsan ta-

gen

Verfah rbare Kabinen Durch verfahrbare Kab inen, die wec hselweise betrieben werden, ist die Kabinenreinigung auße rhalb des Kcuenförde rers mög lich.

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Bild 2-·H : Beispiel für verfahrbare Kabinen

95

2.6 Anlagenkonzepte

Kabinen mit getrennten Förde-e rlinien Zwei komplett getrennte Fördererlinien werden durch zwei Beschichtungskabinen gefü hrt. Während in der eine n Kabine beschichtet wird, kann die andere Kabine gereinigt werden.

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Farbe 1

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Bild 24K:

:

Kabin en mit

getrennten Linien

Verfahrbare Kabinen mtt zwei Fördererlinten Durch zwei Förderer in Kombination mit verfahrbaren Kabinen wird eine sehr hohe Flexibilität erre icht. Nachteilig bei d iesem Konzept ist der große Platzbedar f.

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IArbeitsposit ion

I

Arbeitsposit ion

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Arbeitsposition

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Arbeitsposit ion ~

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Hild 2-49: Verfahrbare Kabinen mit zwei Fördere-linien

Kabinen mit Power& Free-Förderer Beim Power& Free-Förderer durchlaufen die Tei le gemeinsam die Vorbehand lung und den Ofen, steuern aber getrennt die jeweilige Kabine an. So kann e ine Kabine gereinigt werden, während die andere in Betrieb ist. Meistens sind Power& Free-Fördersysteme nur dann wirtschaftlich einsetzbar. wenn noch andere fördertech nisc he Aufgaben durch dieses Fördersystem gelöst werde n können.

96

2 App likat ion

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Hild 2-511: Kabinen mit l'o\\'cr&Frcc- Ftlrdcrung

2.6.3 Heschicht ungskabi ne Eine gesc hlossene Beschichtu ngskabine ist ein an alle n Seite n wäh rend des Sprühcns des Beschichtu ngss toffes geschlossener rä umliche r Bereich, mit Ausnahme der Öffnungen HiT den

Ein- und Auslauf der Werkstücke. Diese Bauweise, die die Applikationsgeräte. Zuleitungen und Bewegungsautomaten umfasst, ist üblich für Flüssig lackbeschicht unge n. Eine te ilweise geschlossene Beschich tungs kabine ist ein an allen Se iten geschlossener räumlic her Bereich mit Ausnah me de r Öffnungen fUT die a utomatischen elektrostatischen Spr ühvorric htungen und/ode r die Arbeitsöffnungen für die Handbeschichtung. Diese Kabine wird vor allem filr pulverförmige Beschichtungsstoffe eingeset zt. Alle Beschichtungskabinen müssen während des Sprühens des Beschlcht ungssto ffes tech nisch belüftet werde n. Diese Forderung resultiert aus der Notwe ndigkeit, explosive Gemische we itgehend auszuschließen, Gefährdun gen durch das Einatmen der Teilc hen- Luft-Ge mische zu vermeide n und die Verschmutzung des Kabinenumfelds mit Pulver zu minimiere n. Als Werkstoffe für Kabinenwände werden Metall. Glas oder Kunststoff eingesetzt. Die Abstände zum eigent lichen Beschichtungsbereich müssen groß sein, damit die Wände selbst nicht zum Beschichtungsteil werden , den n alle leitfäh igen Teile sind wie das Werkstück zu erden. Heute werde n vielfach Kunststoffkabinen eingesetzt. Als elektrischer Nichtleiter hat Kunststoff den Vorteil, sich mit dem ersten Pulveranflug aufzuladen, die nac hfolgenden Pulverteilchen abzustoßen und damit selbst als Drückerelektrode auf die Sprühwolke zu wirken. Dies ist umso wirkungsvoller, je dichter die Kabinenwände um den Beschichtungsbereich angeordnet sind. Der verwendete Kunststoff muss schwer brennbar und die Außensei te der Kunststoffwand oder Teilbereiche dürfen nur im Abstand von z 9 mm mit einem leitfähigen Material hinterlegt sein, um G leitstielbüschelentladungen auszuschl ießen. Ein wicht iger Punkt ist die Luftführung in der Kabine. Der Luftvolu menstrom errec hnet sich aus der Menge des pro Ze iteinheit versprühten Beschichtungsstoffes. An den Kabinen öffuun-

2.6 Anlage nkonzepte

97

ge n sind Luftgeschwindigkeit en von 0,4 bis 0,7 m/s zu erfüllen [44]. ln der Regel wird eine Einströmgesch windigkeit vo n 0,5 m/ s angestrebt.

2.6A Die Wahl des Kabin entyps Grundsätzlich unterscheidet man bei den Kabinentypen zwischen Kabinen für den Einfarben-, de n Mehrfarben- und Schnellfarbwechsel-Ei nsatz . In der Regel sind die An lagenelemente he ute in Modulbauweise aufgebaut. So sind die einzelnen Systemelemente. je nach Bed ürfnis und Anwendungsfall. untereinander austauschbar. Materialien für Pulverkabine n können j e nac h Hersteller besch ichtete s ode r rostfreies Metall, einwa ndige oder doppelwandige Kunststoffausführung ode r Glas sein. Für die Kabinenbaumaterialien Sta hl und Kunststoff gibt das Bild 2· 5 1 eine n Eindruck hinsichtlich der Reinigungszeiten und der Pulveran sammlung. Bei Kunst stoffkabinen wird die Kabinenwand durch die negati v oder positi v geladenen Pulverteilchen ebenfalls negativ oder positiv aufgeladen und diese werden dadu rch zurückges toße n. Der Untersch ied im Verlau f der elektrost atischen Feldlinien bei einer Stahl- und Kunststoffk abine ist in Bild 2-52 darge ste llt. Die elektrischen Feldli nien beg innen immer an der Elektrode und enden an eine m geerdeten Tei l.

Stah lblec h unbeschichtet: Rein igungszeit. Pulveransammlung:

100 % 100 %

Stahlblech beschichtet: Rei nigungszeit. Pulveransamm lung:

95 % 95 %

Kunststoff (San dwich): Reinigungszeit: Pulveransammlung:

40 % 10 %

Hilt! 2-5 1: Reinigun gszeiten und Pulveransammlung an den versc hiedenen Kabinenmat erialien

98

2 App likat ion

Bild 2-52: Links: Verlauf der Feldlinien in einer Stahlkabine. rechts: Verlauf der Feldlinien in eine r Kunststoffka bine

Im Folgenden sollen die Vor- und Nachteile der versc hiedenen Kabinenmaterialien bzw. versch iedene Baufor me n von Kabinen aufg eze igt we rde n.

Die Stah lkabi ne Vorteil e

Nach teile

• • • • • •

• • •

kostengünst ig

einfac he Montage Eleme ntba uweise bei iebig e Formgebung

harte Obe rfläche Erfüllung der Sic her he itsa nforderu ngen

• • •

viele Fugen wände pul veranziehend

Pulveransammlungen nach längerer Betriebszeit Rein igung (Schaben. Bla se n) komplizie rt und te uer

ze itaufwändiger Farbwechsel je nach Konstruktio n zusätzliche Bodenreinigung notw endig (Wisc her. Rakel)

Stahlkab inen eigne n sich für den Einsatz in Einfarbenanlagen ode r bei Beschichtung auf Verlust. Längere Produ ktionszeiten führen zu großen Pulveransammlungen. die auc h im Einfarbenbetrieb regelmäßig entfernt werden müssen, Bei Rückgewinnungsbetrieb und Farbwechsel muss die Kabinenreinigung in zwei Schritten erfolge n: zuerst Schaben, dann Blasen. Dadurch erhöht sich die Reinigungszeit er heblich.

99

2.6 Anlage nkonzepte Die Kunststoffkabine Vortei le

Nachtei le

• • • •

• • •

praktisch fuge nfrei pulverabstoßend Reinigung du rch Blasen schnelle Farbwechsel

•

höhere Anschaffun gskosten Oberfläche nicht kratzfest Sicherhe itsvor schriften erforde rn aufwäudige Konstruktion regelm ässige Wartung erforde rlich

Glaskabi ne mit Bodenräumer Vorteil e

Nac hteile

• •

kratzfest Kabinen hell, bessere Eins ichtmöglichkeit im gereinigten Zustand

•

•

arbeits fre undlich . spe ziell bei hellen Farben

• • • •

zusätzliche Bod enreinigung notwendig Pulverrückstände in Ecken längere Farbwechselzeiten regelmäßige Wartung erforderlich Glasbruchgefahr bei Montage

Kuns'stoffkab inen im Vergleich Bei Kunststoffk abinen sind die grundsätzlichen Vortei le gegenüber einer Blech kabine immer dieselben . Jedoc h d ie Bauform der Kabine führt zu Unte rschie den , z. B. bei der Rein igungsda uer. Generell unterscheidet man zwische n den klassischen Rechteckkab inen. Rundkabi nen und Kabinen in Tropfenform [45].

Kabine mit Retnlgungsautomat Vorteile

Nachteile

• •

automatische Innenreinigung kürzeste Reinigungszeit unabhängig vo n Kabinenhöhe

•

Absaug ung auf de r ganze n Kab inen länge

•

• • •

einfache r Rohrleitu ngsanschluss

• •

ger inge Pulveranhaftungen Kabinen he ll, bessere Eins ichtmögl ich keit im gereinigten Zustand

•

arbeits fre undlich . speziell bei hellen Farben

kein Zerkratzen der Wände

•

hohe Investitio nskosten große Bauhöhe. normalerwe ise Grube erforderl ich hoher Druck luft- und Energieverbrauch

100

2 App likat ion

K abin e mit Retn fgung sautomat und A ustrage band

Vorteil e

Nac htei le

• •

• • •

• •

auto matisc he Innenreinig ung Absa ug ung a uf de r ga nze n Kabine nlänge (links und rec hts) begeh bar, nied rige Bauh öhe. kei n Zerkratze n der Wände kei ne Ablagerungen auf dem Kabin enboden

hohe Investit ions- und Unterhaltskosten bewegte Te ile Banda bdic htung mit Ve rsehrnutzung unter Band

•

zusä tzliche Ba uteile (Bandreparatur/-ersatz)

•

extreme Luftgeschwindigkeit an der

• •

komplizierter Rohrleitu ngsansch luss

Rand a bsaug ung == Ans inte rungen

hoher Druckluft- und Energieverbrauch

K uns tstoffka hi ne m it feste m Bode n und eingelegtem Abluftkana l sow ie stirnse itiger A hsa ugu nji!;

Vorteile

Nac hteile

• • •

• • • •

einfache Konstrukt ion

niedrige Bauhöhe schne ller Farbwechsel

K unsrstortka btnc mit

Austra~ebß n d

Ze rkrat zen von Wänden und Boden Pulverablagerungen im Bodenbelag Kabinenlänge und Höhe begre nzt nur bedingt begehbar

und srtr nsettlger Absaugung

Vorteile

Nachteil e

• • • •

•

bewegte Komp onenten

•

Ze rkratzen de r Wände

permanenter Pulveraustrag keine Ablagerung auf Kabin enboden schneller Farbwechsel bedingt begehbar

•

Kabinenlän ge und Höhe begrenzt

R undkabine Vorteile

Nac hteile

• • •

•

• •

einfache Konstruktion keine bewegten Teile keine nicht kontrollier baren Hoh lräume akzeptable Luftfü hrung einfacher Rohrleitungsanschluss

• • •

Ze rkratzen von Wänden und Boden Pulverablagerung auf dem Einlege keil ho her Energ ieverbrauc h Reinigung großer Obe rflächen

101

2.6 Anlage nkonzepte R undka bi ne mit H and öffnu ngen Vortei le

Nac hteile

•

kleine Kabinenoberfläche. schnelle Reinigung

•

Reinigu ng ohne Begehung möglich

• •

•

Wände weit entfernt . dadurch wenig Pulverablagerung

• •

einfac her Rohrleitungsanschluss

• •

Größe. Bauhöhe und Breite je zwei Vor- oder Nacb beschicht ungsstationen nicht möglich

Handb eschicht ung ohne zusätzlic he ÖtTnungen

ger inger Energieverbrauch zusätzlic he. verlustfre ie HauptfarbenRückgewinn ung

Wird höchste Beschichtungsqualitär gefordert. so sollten folge nde Bed ingungen erfüllt sein: •

Die Kabine muss mit einem separate m Besc hichtu ngsraum ausge rüstet sein. Dieser muss im Überdruck mit gereinigter Luft betriebe n werden.

•

Die Siebma schi nen müssen mit einer Schmutzaustragun g ausgerüstet sein.

•

Die Kab inenwände müssen pulverabstoßend sei n.

•

Bei Mehrfarbenbetrieb mus s nach der Filtereinheit ein zusätzlicher Mikrofilter installiert werde n.

•

Bei der Kab inenreinigung muss da s Personal faserfreie Spezialkleidu ng tragen .

•

Filtermaterialien dürfen keine zusätzliche Verseh rnutzung verursachen (Abbau von Fasern).

In d er Regel sind versc hmutz ungen, d ie kleiner als 70/80 11111 sind, auc h mit se hr guten Sieb ma sc hine n nich t bzw. schwer zu entfer ne n. Dad urc h kö nne n Stö reffekte a uf der O berfläche a uftreten! Frisch- und Kreislaufpulver ist zu sieben. Maschenweiten von über 120 11m sind nicht ausreiche nd. Je nach Pulver und Qualitätsanforderungen sollte zwischen 90 und 120 11m abgesiebt werden. Der Trend geht ganz klar in Richtung Ultrasc hallsieb mit automatischer Schmu tzaust rag ung.

Die Bedeutung p ulverabstoß ender Wände Stahl-, Glas- sow ie auch Kunststoffwände werde n mit de m am Werk stück vorbe igesprühte n Pulver (Overspray) bedec kt. An den Wänden und Decken der Kabinen bilden sich sogenan nte ..Pulv erku chen".

Von Zeit zu Ze it kön nen sich die Pulve rablager ungen vo n der Kabinendecke lösen und so mit Pulverkleckse auf den Beschic htungsobjekten verursac hen . Pulveransammlung an den Kabinenwänden müssen nach ein paar Stunden. jedoch mindestens einmal pro Tag von den Wänden abgestre ift und in den laufenden Pulverkreislauf zurückgeführt werden. Diese nicht unbedeutende Pulvermenge. die auf ein mal in den Pulverbehälter zurückbefördert wird. kann die Pulverqualität und da mit die Beschichtung negativ beeinfl ussen.

102

2 App likat ion

Nachte ile können sein: • • • •

Verä nderu ng der Korn größen verte ilung Ver minderung des Aufladeverhalte ns extre me Belastung der S ie bmasc hine Überflut ung des Pulv erbehälters

Wie bereits erl äutert. können Pulveransammlu ngen an den Wänden sehr schnell eine mi ll imeterstarke Dicke e rreich en und d en Pulverkreisla uf stark bel asten.

Hierzu e in Beispie l: 3 mm T roc ken pulve r en ts prechen ca. 1 m m Pulve rlackfi lm 100 um Pulve rlac kfil m = 120 bis 160 g Pulver/m1000 um ( I mm ) I'u lve rlackfilm = 1,2 bis 1,6 kg Pulve r/m 2

•

Schnellreinigungskabine

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10

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Hild 2-53 : Beispiel einer Schnellreinigungskabine aus Kunststo ff.

I Kabinensystem. 2 Schalt- und Steuerschrank. 3 Pulverzentrum. 4 Zuste llwagen. 5 Bewegungsautomal. 6 Objekt unbcschich tct. 7 Obje kt beschichtet. 8 Zyklon. ') Feinstaubabscheider. 10 Handpistole. 11 Automurik pistnlcn, 12 auto ma tische Rcstpulvcr absack ung

2.6 Anlagenkonzepte

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103

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Hilll 2-5-1: Schematische Darste llung eines Kabinenkonzeptes mit Pulverversorgung und Rückgcwinnung bei einer Schnellwechselkabine. I Pulverkonditio nierung. 2 Pulvert ransport. 3 Ladung (Pistole n). -I Ovcrspray Rückfü hrung/PulverLuftgemisch Trennung. 5 Pulvcrsicbung und RUcktransport ins Pulverzentrum. 6 Filtration der Luft im Absolutfilter. 7 Absack ung lies Ab fallpulvers

Il i tt! 2-55 : Be ispiel einer Beschiehtuugskabinc aus Glas. Vorteil dieses Kabinenwerksroffcs ist die gute Sicht in den Bcschichtungsraum.

104

2 App likat ion

Schnellfarbwechselkabinen Ab fünf Far bwechse l pro Tag lohn t sich der Einsatz ei nes Sc hnellfa rbwechse lsys tems mit ein er spez iell für d iese Anwendung konstruierten Kabine. Diese sind wahlweise ganz ohne oder mit bis zu zwe i HandbeschichtungsöfTnungen. die als Vor- ode r Nac hbesc hichtungsst atio n ausge· legt werden, ausgestattet. Eine vertikale Pistole na nordnu ng vere infach t eine o bj e kt bezoge ne Einstellung und spart Platz. Die Kunststoffwände der Kabinen verhindern eine Pulveransammlung, was durch eine zentra le Absaugung unterstützt w ird. Die Reinigu ng der Kabine erfo lgt in der Regel man uell mit e iner Luftd üse nlan ze: Systeme mit Rei nig ungsa utomaten s ind ebenfalls möglich.

Ta helle 2-1U: Auswahlkriterien für Kabinenoberbauten in Zusammenhang mit dem Farbwechsel

Auswahlk rirerien :

Blech

Blech

Kunststoff

Kunststoff HolziM DF

beschic htet

rostfrei

Sa ndw ic h

Folie

Sandwichplane n

8

8

10 10

Da ue rhaftigk eit

8

Kratzfestigk eit

7

-' -'

_.

7

6

Re inigungsfreu ndl lchkeit

5

5

Ge ringe Pulve ransa mmlung

4

4

Geringe Pulve rhaftung

5

4

10 10 10

S ic her heit

10

8

8

7

8

6

8

9

bis 6 Pistolen

10 10 10

10

8

8

10 10

10

bis 10 Pistolen

10 10

10

Geringe Investitio n

8 8

10 10 10

bis 15 Pistolen

5

5

10

5+

6

mehr a ls 15 Pistolen

2

2

10

2

6

bis I Farbwe c hsel ! Tag

10

10

8

8

8

bis 2 Farbw ech sel ! Tag

8

8

8

8

8

3 bis 4 Farbwechse l ! Tag

5

5

10

10

10

5 und mehr Fa rbwechse l pro Tag

2

2

8

6

O bjekthöhe bis 1500 mm

10

10

10

8

8

8

8

O bj ekthö he bis 2500 mm

5

5

10 10 10

10

O bj ekt hö he bis 200 0 mm

5

5

Obj ekthö he bis 300 0 mm

5

5

8

5

4

Obj ekthö he < 3000 mm

5

5

6

5

4

Ausbaubarkelt

10

10

5

2

5

10 = sehr gut gee ignet, 1 = nicht geeignet , limitiert auf 2.5 rn

* Folie wird

8

bei jedem Farbwechsel erneuert. + Folienbreite

2.6 Anlagenkonzepte

105

Kabine mit Rakelsystem Diese Kabinen eignen sich für den Einfarbenbetrieb. Sie haben auch bei großen Luftmengen nur einen mittleren Platzbedarf und sind mit eine m Rakel ausgerüstet. Durch ihre einfache Konstruktion sind sie äußerst betriebssicher und wartungsfreundlich und stellen keine große n Anforderungen an ihren Botreiber. Die Pulverwege sind kurz und damit auch sehr pulverschonend.

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• ,.

Bild 2-56: Schematische Darstellung einer Kabine mit Rakelsystem für Ein farbensysteme

2.6.5 Die Rückgewinnun gssyst eme Zyklone habe n die Aufgabe, das aus der Kabine zurückgewonnene Pulver von der Luft zu trennen und das Pulver somit wieder nutzbar zu machen. Das zurückgewonnene Pulver wird vom Zyk lon direkt in das Pulverzentrum oder in die Pulverbehälte r zurückgefordert . Die von den Zyklonen austretende Luft beinhaltet immer noch Pulverfe instpart ikel und muss desha lb in einem Nachfilte r nochmals gereinigt werde n. Der Monozyklon macht sich das physikalische Gesetz der Zentrifugalkra ft zu Nutze. Das in der Kabine abgesa ugte Pulver-Luft-Gemisch wird oben am Zyklon tangential eingefü hrt. Während sich die Luft spiralförmig nach unten bewegt, lagern sich die Pulverteile an der Wand ab. Von dort fo lgen sie der Grenzströmung zum sich verjüngenden Teil des Zyklons und werden in einem Behälter aufgefangen. Der Luftstrom kann nicht vollständ ig vom Pulver getrennt werden. da die Luft Feinstpartikel mitreißt. Diese separiert der Nachfilter von der Luft. Der Multizyklon hat die gleiche Aufgabe wie der Monozyklon und funkt ioniert auf diesel be Weise. Nur verwendet er statt einem großen mehrere kleine Zyklone. Entsprechend benötigt er eine geringere Bauhöhe als der Monozykle n. ist aber aufw ändiger zu reinigen. Der Multizyklon arbeitet im Saugbetr ieb, seine Leistung ist deshalb stark von absoluter Dichtigkeit abhängig. Schlechte Abscheidegrade werden meist von Lecks verursacht. Heute wird der MulrlzykIon nur noch selten eingesetzt.

106

2 App likat ion

Monozyklon Alle Far bwechselk abinen. sowo hl Blech- als au ch Kun ststoffk ab ine n werd e n mit Monozyklonen a usgerüstet. Der Ab scheideg rad ei nes Mo no zyklon s beträgt ca. 95 %.

I

111

Hild 2-57: Schematische Darstellu ng einer Anlage mit Mon ozyklon

Rückg ewinnung bei Schnettwechselkabt nen Bei Schnellwechselkabinen werden in der Regel Monozyk lone mit Vibrationssieb. Auslaufkonus und Sc hubfo rde rung eingesetzt. S ie s ind praktisch "s el bst rein igend". Die Rein ig ung besc hränkt sich a uf die Au slaufpartie und den ko nischen Ausla ufte il. Der Absch eid egrad variiert je nach Pulverbea ufschlag ung zwisc hen 95-97 %. Die Unte rschiede der e inze lnen Liefe ra nten s ind in den Deta ils zu suchen. Die Zykl o ne unt ersch eiden sic h in Bauhöh e und Durc hmesse r. Aus Platzg ründen mü ssen te ilweise Kompromi sse e ingegange n werden. Bei g rößeren Durchmesse rn sin kt die Umfangsgeschwin dig keit. und de r Absc heidegrad ve rschlechtert sich. Nie drige Ge schwi ndigkeit en ver hindern die Ans inter ung vo n Pulve rpa rtikel. Kle inere Dur chmesse r er hö hen den Ab scheidegrad. Die höhere Umfa ngsgesc hwi ndigke it kan n z u A nslnterungen führen. Die Luft beweg ungen auf der Höhe der Siebmasc hine so llten möglichst geri ng gehalten werden, um Ansinterurigen au f de m Sie bge we be z u verhinde rn. Bei kurzer Bauh öhe blei bt der Luft ein e zu ge ringe Beruhigun gsst reck e. was z u Pulververlusten sow ie Pulve rans interungen auf dem S ieb und im ko nischen Auslaufte il fuhre n kann. Tah elle 2· 11: Gcgcnübcrstcuung der v or- und Nachteile der Rückgewin nungskomponenten

MONOZYKLON MIT NACI IFlI.TER

Vorteile

Nac hteile

Große Bandbreite

Große ßauhöhc

Mehrfarbenbetrieb

Einfache Konstruktion FILTERSYSTEM

Einfaches System mit hohem Abscheideg rad

kompakte Bauweise platzsparend

keine Rohrverbindungen

Wirkungsgrad-Vcrlustc Nur Einfarbenbetrieb Standzeiten der Patronen od er Platten Illr je de Farbe eine Filtereinheit crtor-

derlieh

2.6 Anlage nkonzepte

107

Der Wirkungsgrad von Pulverruckgewinnungsanlagen Je nach Rückgew innungssyste m beträgt der Pulverabsc heideg rad ca. 90 - 99 % . Vom versprühten Pulver bleiben je nach Tei leart ca. 15 - 80 % auf dem Beschichtungsobjekt haften. Das Arbeitsblatt gibt eine Hilfestell ung welche Kriterien bei der Wahl des Rückgew innungssystems zu beachte n sind.

Die Wahl des Rückgewinnungssystems Folgende Punkte so llte n bei der Wahl des Rtickgewinnungssystems abgeklärt werden: I. wcra ur wi ru speziell Wert Il:elegt?

a) Hoher Absc heidu ngsgra d:

c) Sc hne ller Farbwec hsel:

_

b) Minimaler Platzbedarf: 2. Anlagekosten max. Kosten: 3. Anzahl d er Fa r ben

s.t.

I Farbe

2· 5 Farben

5-50 Farben

über 50 Farben

über 200 Farben

3.2 Gibt es Ilauptfarben? Wenn j a. Hauptfarben in % angebe n: I Farbe 2 Farben 3 Farben 4- 10 Farben

- - _%_-_% - - _% - - - -% . 3.3 Besteht die Möglichkeit, dass zwei Großaufträge gleichzeitig beschichtet werden müssen? Ja

/ Nein

4. Anzah l d er Fa rbwec hsel Wie viel Farbwec hsel müssen durchgeführt werden? Im Durchschnitt:

_ _ x pro Tag _ _ x pro Monat

_ _ x pro Woche

Im Extremfall:

_ _ x pro Tag _ _ x pro Monat

_ _ x pro Woche

5. Sta ndor t d er Pul verka bine Halle nhöhe.

_ _ _ rn

Max. Grun dfläche:

____ m 2 (wenn noc h keine Planung vorha nden ist) __ I

6. Pulververb rauc h pro .Iah r :

7. Auslast ung de r An lage (St unde n pro Ta g/W och e) I

%

108

2 App likat ion

2.6.6 Die Dimensloni erung der Anlag e

IJiId 2-58 : Sehernmische Dars tellung einer Schnellfarhwcchscl kahinc : Magiezylin der mit Pu lverrückgcwinnung, Steuersehrunk. Pulverzentrum und zwei Pistoleneinschüben an den gegenüberliegenden Seiten

Die verschiedenen Kabinentypen und Rückgewinnungsanlagen sind alle in verschiedenen Größen erhältlich. Ihre richtige Dimenslonlerung ist wicht ig, da eine zu groß gewählte Kabine n ur unnö tig Kosten verursac ht, währe nd e ine zu kle in ge wählte A nlage sc hnel l zu Lasten der

Beschichtungsqualität und der Sicherheit geht. Die wesentlichen Parameter zur Größenbestimmung der Kabine und ihres Rück gewinn ungssystems sind : • • • • • •

die errechnete A bluftmenge d ie ei nge brac hte Pulve rmeng e die Pist ole nzahl de r g ew ünsc hte Rückgewinn ungsgrad d ie Q ua litätsa nfo rd erung en d ie Plat zver hältnisse.

2.6.7 Die ßcschichtu ngsgcr ät e - Pistolen A ufgru nd von Ve rsuc hen im Tech nik um de s A nlage nba uers oder Pulverhe rstellers s ind d ie ei nz use tzende n Pisto lenty pen und deren Zahl zu ermi tte ln. Die Koro na- Pistole ist eine Hochspa nnungs pisto le, d ie fü r a lle Pulve rarte n e ingesetzt werd en kan n. Mit der io ne narmen ode r ionenreduzierte n Au fladeform ste hen Pisto le n zur Ve rfüg ung, d ie ei ne A ppl ikat io n d ickerer Pulve rschich ten oh ne d ie Ausbild ung de r une rw ünsc hte n O ra ng enhaut er mög lichen. Für d ie Be sc hich t ung vo n Emai lpu lvern wer de n e benfa lls diese Pistol e narten eingesetzt, jedoc h a ufg ru nd der abrasiven Eige nsc haften de s Ema ilp ulvers si nd diese aus an de re n Mate rial ien he r-

2.6 A nlage nkonzepte

109

gestellt. Die Tribe- Pistole bra ucht ei n speziell be ha nde ltes Pulver. Die Pulve rg lock e wird s innvo llerwe ise nur dan n e ingesetzt . wenn in e iner Kabine a ussc hlie ßlich Flac hte ile bescbichtet werden. Für d ie versc hiede nen Applikationen ste hen, je nach den A nfo rde ru ngen . die das zu beschic htend e O bj ekt a n d ie Be sch ichtu ng ste llt. a uc h ve rsch iede ne M undstücke für d ie Pisto le n zu r Ver fügung.

Anordnung von Applikationsgeraten und Bestimmung der Pistolenzahl Für die a uto matisc he Lackierung werden d ie Pisto len sta rr oder auf Hubge räten a ngeo rdnet. Da d er Pu lvera usstoß eines Sprühge rätes nur in ge wissen Gre nzen variab el ist. müssen meh rere Pisto le n g leichze itig e ingesetzt we rden . Vorte ilhaft ist dabe i d ie variab le Anordn ung der G eräte zueinander, wobei darauf geachtet werden mu ss , das s s ich die g leic hpoligen Sprühwolke n gegensei tig a bsto ße n. Ei ne versetzte Anord nu ng u nd/oder d as Oszillie ren q uer zur Be weg ung sricht ung de r zu besc hichtenden Werkstücke, be ugt e ine r Stre ifenbildu ng vor . Da be i einer Mehrfach anordnun g d ie G röße und Fo rm de r Sprü hwolken. ih re Rau mladu ng, de r Ab· sta nd de r S prühköpfe unte reina nde r, de r A bsta nd z um Werkst tick und da s de n Pisto len zuge wandte O berfläche nprofi l Einfluss nehme n, g ibt in der Regel nur der e xper ime ntelle Versuch hinreic hend Aufsch luss über das zu erwartende Ergebnis. Voraussetzung für ei n gleich bleibe ndes Lac klerergeb nis ist e ine konsta nte Dos ie rung de s Pulve rs zu den Pisto len und eine ausreichende A uflad ung. Eine Me ss ung bzw . Kont roll e d er Pulve rförderu ng ist bishe r sehr aufwä ndig [ 46, 47J. Eine Ausnah me bildet d ie Messung d es Au fladestro ms bei Pisto len mit T riboa ufl ad ung. da hier bei konstan te m Luft volu me nstrom der Ableitstrom der T rib opistole eine pulverspez ifische Maßzahl für den Pulve ra usstoß ist. Bei Ver fa hre n mit Rückgew innu ng ist a uch d ie Ve ränderu ng vo n Frisch- z u Kreisla ufp ulve r bei de n Besc hich run gsve rs uchcn z u berücks ichtigen. Bild 2·59 zeigt mög liche Anord nungen vo n Sprühgeräte n und Bild 2·60 ist d ie starre Mehrfachanord nung vo n Sprühpistolen zur Beschichtung der Karosseri e zu sehen [45 ].

'I

b)

0)

d)

Hild 2·59: Möglichkeiten der Anordnung von Pistolen zur Pulverapplikation a) Optimierung des Abstandes zwischen den Pistolen leicht möglich. geringe Hubhöhe tca. 950 mm). Lacklerhöhe ca. 850 mm. b) größter Ilub erforderlich. dafür unempfindlich gegen Ausstoßschwankungen einzelner Pistolen. Pulverüberangebot an den Umkehrpunkten. llubhö he ca. 1.500 mm. Lacklerh öhe ca. 300 mm. c) geringster Hub. Gefahr der Streifenbildung bei ungleicher Dosierung. Vorteil: nur ein Öffnungsspalt in der Kabine notwendig. Hubhöhe ca. 600 mm. Lackicrhöhc ca. 1.200 mm. d) häufiger Mittelweg für e ine reduzierte Ilubhöhe und einfacher S prühbildübc rdcc kung in horizontaler und vertikaler Richtung. Hubhöhe ca. 1.200 mm. Lacklerhöhe ca. 600 mm

2 App likat ion

110

mld 2-(,(1: Mehrfachanordnun g von Pulverpistofcn am Beis piel der TopCoat-Klarpulvcrlackicrung einer Karosserie

Kenngr öß en f ür die Beschichtung mlt mehreren starr oder aufBewegungs automa tenangeordneten Pistolen Das Lackierfenster A bezeic hnet die Fläc he, die mit an nähe rnd gleicher Sch ichtdicke in de r vorgegebenen Zeiteinheit von einer Seile besc hichtet werden kann. Die Lackierhöhe h ist die Höhe. die mit sta rr angeo rdne te n oder mit Hubgeräten bewegten Pistolen mit annähernd gleleher Sc hic htdic ke bepu lvert werde n kann. Die Transportgesc hw indigkeit v ist die Geschwindigkeit. mit der die zu lackierenden Teile durch die Kabine gefördert werden. A =h ·v

Um eine gewünschte Sch ichtdicke s zu erz ielen, muss die Menge m, an Pulver pro Zeit t versprüht werden. Daraus erg ibt sich die theoretisch notwend ige Sp rühleistung. d . h. Ausstoß an Pulver je Zeiteinheit. Dies muss unter Berücksichtigu ng des Aultrag wirku ngsgrades Tl für eine Flächenbeschichtung und entsprec hend dem Werkstü ckformat n erhöht werde n. Zu r Berechnung de r notwendigen Volumenausb ringme nge (Pulve rauss toß) ist d ie Dichte ödes Beschichtungastoffes notwendig. s · A ·ö mm = - - -

0 "'

Die notwen dige Mindestzahl der Pistolen POlIn erg ibt sich aus dem notwen dige n Masseausstoß m; dividie rt du rch die Ausstoßmenge m, der Pistole.

111

2.6 Anlagenkonzepte

Im Experiment muss nun die Anordn ung so gestaltet werden, dass eine hohe Sch ichtdickengleichmäßigkeit erreicht wird. Erfahrungsgemäß lässt sich dies bei bewegter Anord nung leichter als mit starrer Anordn ung lösen, wenn nicht schon vorab klar ist, dass die geforderte Höhe nur mit bewegter Anordn ung der Pistolen erreicht wird. In Bild 2-59 sind Vorsch läge zur Anordnu ng der Geräte aufgeze igt [44]. In Tabe lle 2- 12 und Bild 2-61 sind Richtwerte fü r die Bestimmung der Pistolenzahl angegeben. Tabelle 2-12: Eignung von Autom atikpistolen für versc hiedene Teilepro file abhängig von Pistolenvorsatz. Pulverausstoß und Sichtfläche nleis tung Schlauchinn en Pulv ergluc ke 0 in mm

Pulver-

Pisrolcn vor sarz

ausstoß glmin.

•

E E

l'ralltcllcr

Breit-

Spalt-

0 in mm

fla chstrah l

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30

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UJ

•• ••

• I• • •• I• ••

- - - . geeignet

I

•

•• •• •• • • • I ••

Sichtfl üchenleistung m2/min

•• •• •• •• ••

500 g

1.8m'

350 g

1.5 rn'

250g

1.2 m'

200 g

1 m'

100g

0.5 m'

SOg

0.4 m'

•

besonders gee ignet

Teil c-

proliI

I f

J

3

11 2

2 Applikat ion

Bre itfla chs t rah ld üse Koro na und Tri bo

Pr alltellerdü se Koro na und T r ibo

Für Fläche n und Vertiefunge n Pulvcrausstoss max. 300 g/min (Korona) Pulveraussmss max. 250 glmin [Tribo j

Pulv crausstoss max. 300--400 g/min (Korona)

Spaltdü se Koro na u nd T ri bo

Pulverglock e Ko rona

Für komplizierte und tiefe Obj ekte Pulverausstoß max . 150-200 glmin (Ko rona) Pulverausstoß max. IIMl--150 gl min (Tr iho)

I lc rvo rragc ndc Ffüchcnlcistung und hohcr Auftragswirkungsgrad Pulverausstoß max. 500-60() glmin

Für Ffächc nbcschichtu ng Pulverausstoss max. 200-250 glmin [Tribo)

Für groß flächige Te ile

IJild 2-(,1: Pulverausstoß fllr Korona- und Tribo pistole n mit unte rschied lichen Düsen

2.6.8 Das Pulverzen trum Klassische Pulverzentren als Versorg ungsein heit en mit eige ner Absaugung und Endfi lter kommen ausschl ießlich bei injektor betriebene n Anlagen zum Einsatz . Bei Einsatz der DDFTechnologie sind Pulverzentren hinfällig Die Aufgabe des Pulverzentrum s ist es, das über den Zyklon zurückge wonnene Pulver. inklusive der Frischpulverzu fuhr, meist aus dem Origina lgeb inde , über Pulverleitu ngen den Beschichtungspisto len zuzufü hren. Der Farbwechsel sollte hier möglichst schnell, sauber und vollautomatisch auszuführen se in. Es gibt Vibrationstisc he für die Aufnahme des Origi nalgebin des und Vibrationstisch e für die Aufnahme eines Frischpulverge bindes . Die Hub- und Senk station mit angebauten Inj ektoren und Tauchrohr en sollte vorte ilsweise nivea ugesteuert sei n. Die Tauchrohre sollten ört lich fl uidisiert werden. Um einen sa uberen Farbwechsel durchführen zu können. müssen Düsenstöcke für die automatische Innenreinigu ng von Saug rohren, Inj ektoren, Pulversch läuche und Pistolen so rgen. Ein Rückführ schlauch lenkt das zurückgewon nene Pulver direkt in das Gebinde zurück. Durch eine direkt eingeba ute oder über den Nachfilter des Zyk lons geführte Abluftei nheit wird eine Staubent wicklung bzw. Versehrnutzu ng verhinde rt. Idealerwe ise sollte die Steue rung aller Funktionen vom Pulverzentrum her ausgeführt werde n können. Ist das Pulverzentrum ohne eigenstän dige Absaugung ausgelegt, muss auf die richtige Dimensionierung des Zyklon-Nac hfilters geachtet werden.

2.6 Anlagenkonzepte

113

Das Pulverzentrum ist ein wesent licher Bestandte il des Farbwechse lsystems und trägt in hohem Maße zur Qualität der Endprodu kte bei. Optimale Vibration und ört liche Fluidisierung in Kombination mit einer niveaugesteuerte n Tauchrohr-Eintauchtiefe sind Vorausset zungen für gute Beschichtungsresultate. Eine selbststä ndige. großz ügig ausgelegte Abluft verh indert den Austritt von Pulverpartikeln während des Arbeitsprozesses und vor allem während der Reinigung beim Farbwechsel. Funktion des Pulverzentrums. •

Transport des zurückgewonn enen Pulvers über den Zyklo n in das Origi nalgebinde.

•

Frischp ulver-Zudosierung in das Gebinde. möglichst kontinuierlic h und dem Verbrauc h angemessen.

•

mit entsp rechenden Injektoren das Pulver über Sch läuche oder Rohre zu den Pistolen zu fördern

•

Beim Pulver- ode r Farbwec hsel müssen folge nde Baugruppen gere inigt werden: die Förderwege des Pulvers vom Zyklo n zum Pulverzentrum die Pulverzudosierung die Injektoren, Tauchrohr. Pistolen, Schlä uche die Siebmaschine das Pulverzentr um selbst

In der Regel lassen sich bei den Pulverzentren nur die Injektoren mit Ansa ugrohr, Schläuc hen und Pistolen innen automatisch reinigen. Alle anderen Bereiche mü sen s manue ll oder mit manueller Unterstützung gere inigt werden .

MagieCenter

Bild 2-62:

Beispiel e ines Pulverzentrums

11 4

2 Applikat ion

2.6.8./ Beispiele f ür den Auf bau eines Potverzentrums Konzept Stabinj ektor lind Pulverzentrum Bei diesem Konzept werden Stabinje ktorrohre und die Niveausonde außen, sow ie die Stabinjektoren, Schläuche und Pisto len innen pe r Knopfdruck automatisch ausgefah ren und impulsmäß ig ge reinigt. Je nach Ausfüh rung, z. ß . mit Monozyk lon. w ird die Pulverwalze du rch Trennung zum Zyklon ebenfa lls automatisc h über den Nachfilter gerein igt. Manuell muss die Kunststoff au fnahmeplatte unten mit lnj ektorspitzen, sowie der Zw ischenraum, ggf mit Sieb und Rahmen ausgeblasen werden. Die Absa ugung erfo lgt über de n Zy klon zum Nac hfilte r. Zuletzt muss der Pulverkan on ausgetauscht werden. Der Farbwechsel dauert ca. 3 bis 5 Minuten.

Bild 2-63 : ßcispicl eines Pulver zentr ums mit J OStabinjcktorc n aus dcm Pulverbehälter unter dem Monozyklon

Konzep t Pulverzentrum mit DDF-Ted mik und US-Sieb PAle (Pu/ver Management Center) Das Konzept PMC Integral ist eine Integration der Pulveraufbereitung und Zudos ierung in den geschlosse nen Pulverkreislauf und lässt sich auch als Nachrüstung in e ine bestehende Anlage nkonfigu ratio n einbauen . Bei Nachrüstunge n werden die bestehenden Komponenten Kabine und Applikatio nstechnik weiterverwendet. Neu integriert werden der DDF- Pumpenschrank mit de n en tsprechenden Dljf-- Pumpen.

2.6 Anlagenkonzept e

115

Das

P ~l C· K onze pt

umfasst die folgenden Funktionen:

•

präzise Frischpulverzuführung aus dem Gebinde auch über lange Transportwege hinweg (bis zu 40 m lang)

•

Ultraschallsiebung des Frisch- und Rückgewinnungspulvers

•

automatischer Sc hmutzaustrag

•

Pulverent nahme ohne Fluidisierung

•

präzise und schonende Förderung

•

Emkopplung des PJ\tC vom Zyk lon bei Kleiristme ngen ohne eine Rückgewi nnung

•

automatische Reinigung des Systems inklusive Pulvertransportleitung

Besonders bei schnel len Farbwechseln bei denen ohne eine Rückgewinnung gea rbeitet wird sind Stillstandszeiten der Anlage von Bedeutung. Das PMC· Konz ept ist für diese Klei nmenge nbeschichtung geeignet. da ein Teil des Farbwec hsels sc hon währen d der Beschichtung ausgeführt werde n kann. Hierzu wird das System zum Zyklon über einen Schiebe r entkop pelt. Die gewünschte Pulvermenge wird bei der Frischp ulverpumpe eingestel lt. Diese Pumpe mit einer Fürderkapazität bis zu 5 kg/min. liefert in Se kunden d ie minimale Pulver menge (ca. 700 g) da mit das Pumpsystem zu den Pistolen hin arbeiten kann. Anschließend kann die Frischpulverpumpe gereinig t und das Pulver bereits gewechselt werden. Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist die Ausführung der Transportleitunge n. Da für de n Pulvertransport nur ge ringe Luftmengen benöt igt werden, kann ein sehr kleiner Schlauchdurchmesse r (6 mm) gewählt werde n. Durch d ie niedrigen Fließgeschwindigkeiten ist ein Ansintern des Pulvers in den Schlauchleitunge n nicht möglich.

m ld 2-M : Beispiel eines Pulver Management Centcrs I' Me

11 6

2 Applikat ion

2.6.9 Die Steuerung Während ein einfaches Handgerät mit einer einzel nen Pistolensteueru ng auskommt. hat eine autom atisc he Anlage höhere Anforder ungen bis hin zur Ges amtanlagenste uerung . Folgende Automatisierungsstufen sind heute im Beschichtungsbereich möglich:

Automatisierungsstufe J: Automatisierungsstufe I ist die Lückensteuerung für Pistolengruppen. Bei dieser Funktion wird das zu besc hichtende Obj ekt ant Kabineneingang von e iner Lichtschra nke erfasst und alle Pistolen wer den etwas verzögert eingescha ltet. Bei einer Lücke werde n die Pistolen wiede rum mit einer Verzögeru ng ausgeschaltet.

Hild 2-6:' : Beispiel einer Automatisie rungsstufe I

Automattstemngsstuf e 2: Die Lückensteuerung für Einzelp istolen . Bei dieser Funktion werden die Pistolen einzeln eingeschaltet. Bei einer Lücke werden sie w iederum mit einer Verzöge rung au sgeschaltet. Ab dieser Automatisierungsstufe kann die Steuerung in eine übergeordnete Kab inensteuerung (S PS) integriert werden.

2.6 Anlagenkonzepte

Hild

117

2-66: Beispiel einer Automatisierungsstufe 2

Automatisierungsstufe 3: Die Lückensteuerung und Breitenzustell ung. Die Lückensteuerung funktio niert wie bereits besch rieben. Bei der ß reitenzustellu ng werden die Hubgeräte bei Beschichtungs beginn auf die Breite des breitesten Wer kstückes eingefahren und nach Beendigung des Beschichtungsvorgangs wieder aus der Kabine ausgefahren.

11 8

2 Applikat ion

Hild 2-67: Beispiel einer Automatisie rungsstufe 3

Automatisierungsst uf e -/: Die Höhenerken nung und Bre itenz uste llung mit vertikale r Pislolenanordnung. Die Breite uzuste llung erfolgt wiede rum auf das breiteste Obj ekt, wogegen hier die Beschichtungshöh en erkannt werden und nur so viele Pistolen eingeschälte n werde n, wie zur Besch ichtung des j eweiligen Werkstückes notwendig sind.

IJild 2-MI: Beispiel einer Aute matisie rungsstufc a

Automattstemngsstuf e 5: Die Höhenerkennung und Breitenzustellung mit horizonta ler Pistolenanordnung. Die Breitenzustellung erfolgt hier wied erum au f da s breiteste O bj ekt. Hier passt sich die Höhenerkennung auf die Hubgerätebewegung der ZvAchse der Höhe de r einzelnen O bjekte an. Entsprec hend der Hubh öhe werde n die Pistolen zu- oder abgeschaltet sow ie d ie Pulvermenge mit den Einsch üben gerege lt.

Automatisierungsstute 6: Der vollautomatische Betrieb. Die Objekte werd en nicht mehr aufgrund der erfassten Geo metrie besch ichtet , sondern nur noch über die Lichtsc hranke erkannt und da s zu dem jeweili gen Objek t gehörende Beschichtungsprogramm in Ga ng geset zt. Hier erfolgt auch die Breitenzu-

11 9

2.6 Anlagenkonzepte

stellung auf die entsprec hende Werkstückbreite und nicht mehr nur auf das breiteste Objekt. In diese Stufe fällt auch die synchronisierte Beschichtung, bei der die Hubgeräte mit dem O bjekt mitfah ren und mehrere Achsen miteinander verfa hren werden müssen.

Hild 2-(19: Beispiel einer Autom atisierun gsstufe 6

2.6.10 Die Hubgerät e Hubgeräte haben d ie Aufgabe. die Pistolen zu bewegen. Je nach Anwend ungsfall sind verschiedenc Ausführungen wählbar. Während für den einfachsten Fal l ein einfaches Kurzhubgerät durchaus gen ügen kann, muss für eine komp lexere Beschichtung ein Hubgerät mit Mitfahrrnöglichkeit eingesetzt werde n.

-

Bild 2-70 : Beispiel ei nes Hubgerätes für die Pistolen

120

2 App likat ion

Das Hubgerät und se ine opt imalen Einste llunge n sind bei m Beschic htu ngsversuch zu ermitteln und zu dokumentieren. Durch die kundenspezifische Auslegung der Hubgeräte wird erst eine exakt reproduzierbare Beschichtungsleistung von ein heit licher Gleichmäßigkeit und Schichtstärke möglich. Die Automate n kö nnen j e nach Aufwa nd in bis zu drei Dimensionen arbe iten. Im Großbetrieb bedeu ten mehrere zweidime nsiona le Hubgeräte mit mehreren Pistolen nichts Außergewöhnl iches mehr, zumal diese von einer ei nzigen kompakten Steuer ung aus behe rrschbar sind lind eine einheit liche Qualitätsbesc hic htung gara ntieren. Die HubgerätSteuerung befinde t sich im Schaltschrank des Pulverbeschichtungsgerätes. Eine Mikroprozessor-Steue rung garantiert die konstante Hubgeschwindigke it und die exa kte Einhaltung der Umkehrpunkte. Die auf Förde-gesch wi ndig keit und Hubhöhe abgest immten Einstellung können abgespeichert und jederzeit abgerufen werden.

2.6.11 Ro hrleitung vo n der Kabin e zum Zyklon Die fachmännische Ausführung der Rohrleitung ist von größter Wichtigkeit und beeinflusst in hohem Maße die Qualität des Farbwechsels. Jeder Kabinenhersteller hat seine spezifischen Rohrleitu ngen, wobei es bei den Materialien Untersc hiede gibt: Verz inkte Lutrungsroh re Vorteile

Nachteile

• • • •

• • •

kostengünstig. einfache Montage

alle Formen mögl ich Bogen erhältlic h Sicherheitsanforderungen können einfac h erfüllt werden

viele Nahtstellen Teilsegmente in Bogen Gefahr von Pulvera nsammlungen in Nahtstellenlßogen

Rostfreie, na htl os geschweißte Ro hre Vorteile

Nachteile

• • • •

•

keine Pulverablagerungen keine Nahtstellen Bogen aus einem Stück Sicherheitsanforderunge n werden ei nfach erfüllt

hohe Kosten

Kun ststoffrohre Vorteile

Nachteile

• • •

•

keine Nahtstellen keine Pulverablagerungen Bogen aus einem Stück

•

Erfüllung der Siche rheitsvorschriften schwieriger zusätzliche Erdung zur Verhinderung von Gleitbüschelentladungen notwendig

2.6 Anlagenkonzept e

121

Rechteckroh re so llten aus strö mungstec hnischen Gründe n keine Verwendung finden. Das Luftgeschw indigkeitsprofil in Rechteckro hren sorg t in allen Fällen für Verw irbelungen und somit für unkontro llierbare Pulverab lagerungen. Allgemein kann gesagt werde n, dass rostfreie Rohre alle Anforde runge n an ei ne optimale Rohrleitung erfüllen. Natürlich muss die Dirnensionierung von Durch messer und die Auslegung von Übe rga ngsst ücken rund oder rechteck ig nach de n Regeln der Strömungsle hre vo rge nommen we rden .

2.6,12 Kabi nensyste me für die a utomatische Beschicht ung Eine Pulverbesch ichtungsanlage für die halb auto marische bz w. automatisc he Beschichtung besteht au s folge nde n Sys temelementen.

N uchfilter: Er hat die Aufgab e, die Abluft der Beschic hnmgs kabine von Pulverpartikeln zu re inigen. Dabei dür fen die vom Gesetzgeber vorgegebenen Maximalwert e nicht überschritten we rden. Versc hiede nste Fabrikate mit Patronen und Pla tten filtern stehen zur Verfügung. Da es sich beim Pulver vo rwiege nd um Fe insta ubpartike l ha ndelt , ist de r Filter entsp rechend großzügig zu dimensionieren . Die Ablu ftmenge wird anhand der Kabin enöfTnungen so ausgelegt. dass an allen Öffnungen eine mittlere Lu fteintrittsgesc hwindigkei t vo n 0.5 m1sec. für Blechkabinen und 0.5 • 0,70 mJsec . für Kunststoffkab inen gewährleis tet ist. Wird die Abluft des Pulverz ent rums auch im Nac hfilter verarbeitet, ist die Abluftme nge um ca . 3.000 m1/h zu erhö hen. Tiefere Werte für eine Pulverzentrumsabsaugung führen zu Verunreinigungen des Arbe itsplat· zes.

Putveri entrum (111Ir IlIj ektor(lIIltlgell): Es er leichtert bei einem Farbwec hselsyste m die Verarbeinmg verschied enster Farben ohne Kontamin atio nsgefahr. Das Pulver wird ent weder aus einer Pulverbox ode r auch dir ekt aus dem Gebind e verarbeitet. In der Regel ve rfügt das Pulve rzentrum über ein Abteil. Bei sehr hohen Qualit ätsanforderu ngen oder bei Extrernfarbwechse l wird ei n Pulverzentrum mit zwe i Abte ilen benutzt. vo n denenj ede über ein eigenes Abluft sys tem und über eine getrennte Pulverschlauchführung ve rfü gen. App li li.lIl imu-geräte für (He (l(f tfmull;'\'c!l e Besd liclJllI flg: Während ein ein faches Handgerät mit

einer einzelnen Pistole nsteuerung auskommt. hat eine automatische Anlage größere Bedürfnisse. Im einfachsten Fall braucht jede Pistole und jedes Hubgerät eine eigene Steuerein heit (einen eigenen Einschub). Mit jedem weiteren Automatisierungsgrad werd en zusätzliche Ste ue reinschübe benötigt, um die einzelnen Schritte zu steuern und sie aufeinander abzustimmen.

S tenemngen: Grundsätzlich besteht eine Anlagensteuerung aus einem Ste uersc hrank mit verschiedenen Einschüben. we lche die ei nzelne n Funktio nen der Pistolen. Hubgeräte. etc. ste uern. Pütoleueilu d liihe: Sie werden für die ele ktrostatische und pneumat ische Anste uerung der Pistolen und Inj ektoren eingesetzt . Am Ste uereinsc hub ist die Hoch spann ung sowie Förder-, Zusatz- und Spülluft einz uste llen. Die Durchllussmessung erla ubt ein genaues Einj ustiere n des optimalen Pulverausstoßes. Es sind ve rschiedene Automatisierun gsgrade möglich. Die Pneumatik -zl-luid isierein heite n vertei len die Druckluft an die Pistole nsreuerein sch übe, regeln die Fluidlu ft- und den Airm overdruck sowie die Vorfluidisierung. Mit eine r Pulverschlau chS püleinhe it lassen sich die Pulverschläuche reinige n. Je nach An wen dungsfall können die Pistolen einzeln ode r in Gruppe n ges pült we rde n. Kontrotlsteuenmgem Die Verrieg elsteuerein schü be d ienen zur Kontro lle und Freigabe von Verriegelfunktionen in Anlagen mit lluidis ierten Pulverbehältern sowie zur Anzeige des Pulverbehähers tatus. Diagn osesystem e dienen zur Überwa ch ung de r Funktion von Pistolen und Hubgeräten.

122

2 App likat ion

Jlllhgeriite_~'elll!r""gell : Diese Ste uerunge n die nen de r freien Prog ra mmier ung von Hubgerätu nd Ac hse nbeweg ungen in ve rschiedene n Verfahrpositionen.

Halbautomatische Ausf ührung der Hubger ätesteuerungen Tiefenverstellachse mit Antrieb und fünf Arbeitspositio nen. Die gew ünschte Position wird über ei ne Steuerung mit Tastatur e ngewählt. Über Fastsc halter wird die automatische A ußenrein igung links oder rec hts d er Kab ine a ktiviert . Vortei le

Nac hteile

• •

Lösu ng im mittleren Preissegment freie Wahl der Tiefenposition (Flac hteile benötigen andere Pistole nabstände als geformte Tei le )

•

•

besonde rs geei gnet für viel fä lt iges Te ile spektr um. gleichzeitige Rei nigung be id er Pistoleneinh e ite n

•

ke ine Obj ek te rke nnung notwend ig

•

Tie fenposition manue ll vorgewählt. Feh lma nipulat ion en mög lich für volla utomatische App likat ion mit var iable n Produkten nicht geeignet

Vollautoma tische Ausfuhrung der Hubger ätesteuerungen T ie fenverstel lac hse mit An trie b für eine Ar beitspos itio nswahl in 2 cm-Schritte n. Die Arb eit spo sition wird über ei ne O bj ekterkenn ung vo rbestimmt Die Außenreinigu ng wir d über die SPS ausgelöst. Vortei le

Nac hteile

• •

gee ig net fü r vo lla utomat ische Ap plikati o n

• •

•

ke ine Ko llision sge fa hr mit O bj ekte n

gleichzeitige Pistolenrei nigu ng link s und rec hts

•

teu re Lös ung die aut omatisch angefahre ne Arbeitspositio n e nts pricht nic ht unbed ingt der op timalen Besc hichtu ngspos ition SPS-Störungen kön nen z u Bet riebsunte rbrechungen führen

F ri.H'IIp lllverl'er.HIrgllllg.\ .\lellertlllge,,: Die Frisc hpu Iver-Steuereinschü be überwachen und steuern den Pu lvert ransport aus dem Gebinde in de n Pulverbehä lte r.

Frischputverversorgnng: Frischpulversysteme werde n ei nge setzt, wen n der Pulververbrauch hoch ist und die Qua litätsa nfo rderung en ei ne ko nstante Zumischung von Frisc hpulver z um zurückgewonnenen Pulver erfor dern . Ab häng ig vo n de r Anlagengröße ( Anzahl Pisto len) und de m Liefergebinde de r Pulverlie ferante n, ko m men versc hiede ne Systeme zum Einsatz. Das reicht von de r Frisc hpulverversorg ung aus de m O rig ina l-25 kg-G ebin de de s Pulverherstellers. bis hin zu m Fürdersystem für d ie d irekte Frisc hpulververso rgung aus de m O rig ina l-25D500 kg-B ig-Bag d es Pulverherstellers.

2.6 Anlagenk onzept e

123

All l onltl l ikpiMO/(",: Vorau ssetzun g fü r eine au tom atische Auß enr einigu ng ist eine glatte Ob erfläc he. Schlauch- und Ka bela nsch lüsse müsse n sich außerhalb der Kabi ne n be finden. Ohjekl"iHII!IIerftell mlllg 1I//l1 Objeftlhreite"erkelllumg: Durch den Einsatz von Monozykl onen für die Pulverrückge winnung ist mit Pulververlusten von 3-5 % zu rechnen. Es ist daher sinnvo ll die Pistolen nur zu betreiben. wen n auch Obj ekte die Kabine passieren. Mit der Objekth öhene rkennung kann diese Forderung erfüllt werden. Die Obj ektbre itenerkennung wird dort sinnvo ll eingesetzt, wo klar definierte Form en zu beschichten sind und de r automatische vo rgewä hlte Pistolenabstand auch die besten Beschicht ungsresultate e rgibt. Bei va riablen Obj ektforme n ist eine individ uelle Zustellung der einzelne n Ac hsen du rch den Anlagenführer vorzuziehen.

A momatische Reinigung des Knbi neninnennmmxr Die a uto matische Reinigung des Kab inenInnenr au ms wir d do rt eingesetzt, wo die Kabinenab messung ab ca . 3 m Obje kthöhe die manuel le Reinigung mit Luftlanzen nic ht meh r zulasse n ode r das Betreten der Ka bine n aus Sicherheits- oder Qu alitätsgrü nden nicht gewü nsc ht sind. Die Innenreinigung erfolgt in zwei Arbei tsgänge n. zuerst Abb lasen und dan n die Feinre inigung mit Schwämme n. Bei der erst en Durc hfa hrt we rden die Ka bine nwä nde abge blase n. Be i der zwe iten Dur chfahrt wird mit Schw ä mme n die Feinreinigung du rchgefü hrt. Die Vorsch ubgeschwi ndigk eit beträgt ca. 4 m pro Minute . Für die Gesamtr einigung werde n, j e nac h Kabin enlänge. 4----6 Minuten benötigt. Bei größe re n Produ ktionsch argen muss die Kabine zuvo r gro b mit einer Luftlanze ausgeb lasen werde n. Die Reinigungsautomaten sind zum Abblase n von größeren Pul veransamml ungen nic ht geeignet. Alle Pistolenschlitze und Hand öffn ungen mü sse n manuell mit der Druckluftlanze gereinigt werden, bev or die Reinigun gsmasc hine in Betr ieb geno mme n wir d.

Der Schnellfarbwechselablauf I.

Türe n schließen. Ein-/Auslauf/Hand beschichtung = I min.

2.

Pistole n zum Referenzpunkt fah ren, Tiefe nachsen ausfahren , gleichzeitig Pistolen a ußen a bblase n. bei Bed ar fwi eder hole n. Während dieses Vorganges wir d das Gebinde e ntfernt = 0,4 min.

3.

Pistole ninne nreinigu ng, Absen ken des Inj ektorbloc kes. Pulsierend es Durchb lasen von Ta uchrohr. Inj ekt or, Pulve rschlauch und Pistole. Dieser Vorga ng wird für de n linken und rec hten Pistolen satz una bhäng ig durchgefüh rt. Während dieses Vorganges we rde n die Tauchro hre und Inj ekt oren a ußen mit Druc kluft ge reinigt = 1,5 min.

4.

Pistolen außenreinigu ng wird wiederho lt = 0,3 min.

5.

Kabin enreinigung unte r Abluftbetrieb . Für alle Kabin entypen gü ltig: Reinigung der Pisteleuschlitze. Reinigu ng der Handbesc hichtun gs öffn unge n, man uell = I min.

6.

Kabin enin nenreinigung. manuell oder mit Auto mat = 4 bis 6 min.

7.

Zy klon, Sie bmasc hine und Schubförderung reinigen, Konus absenke n, Sieb a usschwe nken und abb lase n = 0,5 min.

8.

Reini gung der Schubför derung m it Gegenb lasen und Konus ausblasen = 0,6 min.

9.

Konus au ssc hwe nken , Zy klon auslaufpart ie kontrolliere n und abblase n = 0.2 min.

10. Tauchro hrkontrolle, evtl. I x täg lich abbla sen, Konus einsc hwe nken , Sie b hochfahre n. Wäh rend dieses Vorga nges w ird da s ne ue Farbge binde im Pulve rzentru m platziert, und die Injek tore n we rde n abg eta ucht. Hiermit ist der Farbwec hselvorgang beend et = 0, 1 min.

124

2 App likat ion

Werde n sehr hohe Qualitätsansprüche geforde rt, ist die Kont rol le der Pistole nmu ndstücke so wie das Austau schen der Pulverschläuche unumgä nglich. Für 10 Pistolen rec hnet man mit

einem Ze itaufwand von ca. 5 min.

2.7 Die Anlagentec hnik fü r die Verarbeit ung von Effe kt pulverlac ken Die ste igende Nac hfrage nach Effe ktp ulve rlac ken. speziell nach Metallicpulvern. hat zu verschiedenen Neuentwicklungen geführt. die sich im Markt immer größerer Bel iebtheit erfreuen. Die me isten ha ndels üblichen Applikationssyste me berü cks ichtige n die speziellen Eige nsc hafdes Metallicpulvers bei der elektrostatischen und mecha nische n Konzeption ihrer Pistolen

t ell

und Pistolensteuer ungen recht gut. So können die meisten der heute eingesetzten Metallicpulver problemlos und ohne spezielle Vorkehrungen verarbeitet werden. Dennoch können die folgenden Probleme bei der Verarbeitung auftre ten: •

Rückgewinnungsprobleme

• •

Auflad ungsprobleme (Kurzschlüsse) Sprühbildverände rungen.

2.7,1 Rüc kgew in n u ngs p ro b le me Hier entstehen in erster Linie Probleme bei der Verarbeitung der nicht gebondeten Pulver. die zur Entmischu ng neigen. Aus anlagentechnischer Sicht kann nur der Rat gege ben werden. mög lichst gebondete Pulver zu verwenden. diese in Systeme n mit möglichst wenig Pulver im Kreislauf zu verarbeiten (im Fluidtopf ca. I bis 2,5 kg Pulver) und fllr eine kontinuierliche Frischpulverzufuhr zu sorgen. Ursachen für die Rückgewinnungsprobleme bei der Verar beitung nicht gebondeter Pulver können sein: • • • •

•

häufige Reinigung zuviel Pulver im Kreislauf keine kontinuierliche Frischpulverzufuhr Pulveraufb ereit ung in Rüh rwerkb ehälte r Fluldis lerung und Vibration führen zu Er nmischungen.

Sie müssen jedoch von Fall zu Fall abgeklärt werden.

2.7.2 Auflad ungs pro bleme Ladungsprobleme entstehen in den meisten Fällen durch Kurzschlüsse. vor allem im Innenund Außenbereich der Pistolen und Mundstücke. Durch die Entstehung eines Kurzschlusses fließt der ganze Ladungsstrom in Richtung Erde ab. Dadurch werden die Pulverpartik el nur ungenügend oder gar nicht mehr aufgeladen. Eine Beschicht ung ist unmöglich. Folgende Ursachen können die Quelle von Kurzschlüssen sein: • • • •

Ablagerungen am Pistolenkörper Kurzschlussbildung im Bereich zwischen Pistole und Mundstück Schichtbildung im Pulverrohr oder Pulverschlauch Kurzschlussbildung durch Pulverablagerungen außen am Pistole nk örper .

2.7 Die Anlagentechnik für die Verarbeitung von Effektpulverlacken

125

Die Isolationsstrecke zwischen dem Mundstück und der leitenden Pulverschicht ist zu klein. es kommt zum elektrischen Überschlag. Die Ansammlu ng von Pulver auf den Pistolen ste llt ein erhebliches Gefahrenpotenzial dar und kann zu unkontroll ierbaren Entladungen und Funkenbildung führen. Hier hilft nur ein regelmäßiges Abblasen des Pistolenkörper s. Der eingesetzte Mundstücktyp hat einen großen Einfluss auf die Oberflächeneffekte.

2.7.3 Spr ühbildve r ände r unge n Ein bekann tes Phänomen der Metallic- und Effektbeschichtung ist, dass diese Pulver mit unterschiedlichen Pistolen ode r Steue rungen verarbeitet. ungleich e Oberflächeneffekte zeigen. Dies liegt an der unterschiedlichen Aufladung und dem dar aus folgende n Schichtaufbau auf dem Objekt. Aber auch während dem Beschichten können Sprühbildverände rungen auftre ten. Dies liegt dann in der Verände rung des Pulver-Pig ment-Gemisc hes, das während der Aufbereitung und Förderung des Pulvers entsteht. Hier hilft nur ei ne dos ierte und kontinuierliche Frischpulverzufuhr. Generell kann gesag t werde n, dass je höher de r Pigmentanteil eines Pulvers ist. desto kritischer auch dessen Aufbe reitu ng und Zerstaubeng ist. Auch bei de r Aufbereitung des Pulvers für den Trans port kön nen Fehler vermieden werden. Mit einem tluidisierten Pulverbehälter lassen sich bei normal pigmentiertem Pulver gute Resultate erzielen. Der Einsatz von gleichzeitige r Vibration und Fluidisierung muss aber unbed ingt vermieden werden. da die Vibrationen d ie Trennung der Pulverpartikel vers tärken. Ideal IUr die Verarbeitung von Metallic pulver ist der Einsatz eines Rührwerkbehälters. Der Vorteil dieser Verarbeitungsart liegt auf der Hand: Das Pulver wird weder vibriert noch Iluidisiert, sondern äußerst pulverschollend ge rührt. So findet keinerlei Entmischu ng statt. Mit diesem Pulverbehälter können auch die schwier igsten Metallicpulver sicher verarbe itet werde n. Hohe Sicherheit in der Verarbeitung bietet hier die DDF-Techno logie. Das im PMC nur ganz leicht Iluidis ierte Pulver wird durch den Dichtstrom im Pulverschlauch praktisch entmlschungsfrei gefö rde rt. Nach der Rückgewinnung mischen sich zurückgewo nnenes und Frischpulver schon auf dem Ultrasch allsieb. Im Kreislauf befi nden sich nur ca. 5--6 kg Pulver. Trotzdem ist zu beachten. dass bei langen Serien auf Rückgew innung das Mischverhältnis zwischen zurüc kgewo nnenem und Frischpulver ge nau beobac htet werden muss .

2.7..t Einfluss der M unds tücke 2. 7.-1. 1 Die Flachstrahldüse Der Vorteil de r Flachstrahldüse liegt hauptsächlich in de r hohen Aufladung des Pulvers und de m damit zusammenhänge nde n hohen Auftragswirkungsg rad. Bei flächigen Teilen wird ein Auftrags w irkungsg rad von 60-70 % erre icht. Die Flachst rahldüse kommt vor allem bei Automatikanlage n mit Rückgewinnung zum Einsatz. Hier ist eine kontinuierliche Frisch pulverzu fuhr eine absolute Notwen digkeit, um g leichmäßige Beschichtungsresultate ohne Effektve ränderunge n erreichen zu können. Werden stärker pigmentierte Pulver verarbeitet, kann es durch den im Flachstrahlmundstück integrierten Elektrodenhalter zu einer Trennung des Pulvergemisches kommen. Die Metallpigmente lagern sich da nn im Inneren des Mundstückes ab. Die Agglomerationen lösen sich in

126

2 Applikation

Klumpen und verursachen Spucker. Da d iese Ansammlungen von Metallpart ikeln leitend sind, führen sie bereits nach kürzester Betriebszeit zu Kurzschlüssen, indem sie auf die Pulverablageru ngen auf dem Mundstück und auf der Pistole zurückschlage n.

Der Einsatz eines Flachstrahlmundstückes mit versteckter Elektrode kann in viele n Fällen Abhilfe schaffe n. Hier w ird die gespülte Elektrode innerhalb des Körpers bis zur Pulveraustriu sötTnung ge führt. Der Auftragswirkungsgrad ist in diesem Falle 10-1 5 % ge ringer als bei der nor malen Flachstrahld üse. dafü r ka nn abe r ohne Spucke r besc hichtet werden. Wird auch noch darauf geachtet. dass die Spülluft der Elektrode so eingestel lt ist, dass sie den Pulverstrahl nicht teilt, können mit diesem Mundstück sehr gute, stabile Resultate erzielt werden.

2. 7.-1.2 Die Rund strahldüse Durch die größere Isolationsstrecke zwischen der Elektrode und den Pulverablageru ngen auf der Pistole ode r im Pulverrohr ist die Gefahr von Kurzschlüssen wesentlich kleiner als bei der Flachstrahldüse. Trotzdem sollten ausschließlich gespülte Düsen zum Einsatz kommen, um Ablagerungen auf dem Prallteller zu vermeide n. Diese fü hren so fort w iede r zu einem Kurzschluss. Die Rundstrahldüse ergibt in den meisten Anwendungs fällen gute bis sehr gute Resu ltate. Vor allem auf flächigen Tei len ist die Oberfläc hengüte sehr gut. Aufgr und der langsamen Fortbewegungsart der Wolke ist das Eindr ingvermögen nicht sehr ausgeprägt. In schwierigen Fällen kann ein kleiner Prallteller von 15-20 mm das Eindr ingverm ögen verbessern. Der Aufladewirkungsgrad der Pistole ist verg lichen mit de m Einsatz einer Flachstrahldüse wesentlich kleiner, er sinkt auf unter 50 %. Entsprechend weniger Pulver bleibt am Obj ekt haften und entsprechend mehr Pulver gelangt in den Rückgew innungskreislauf. Tendenziell neigt die Rundstrahldüse daz u, die Metall pigmente vorn Pulver zu trennen, was zu unregelmäßigen Metalliceffekten (Wolkenbildung) führen kann. Dieser Nachteil kann aber in den meisten Fällen durch eine kont inuierliche Frischpulverzufuhr korr igiert werde n.

o o

IJid 2-71: Spezielle Mundstücke mit Außenaufladung für die Metallic-Be schichtung

~~

~

2.8 Sonderve rfahren der Pulverbesc hichtung

127

2.7.5 Kurzschlussbild ung zwischen Pistole un d M undstück Beim Einsatz von normalen Pistolen. welc he nicht speziell für die Verarbeit ung von Metallicpulvern konzipiert wurde n, kann es im Bereich der Hochspannungsübertragu ng auf das Mundstüc k zu Kurzsc hlüssen kommen. Ideal ist der Einsatz einer Pisto le mit ve rlängertem Pulverrohr. Wird eine no rmale Pistole eingesetzt, so ist beim Wech seln des Mundstückes auf eine sorgfaltige Reinigung der Kontaktfläehe zwischen Pisto lenkörper und Mundst ück zu achten. Ebenso muss die Überw urfmutter gut sitzen und fest angezogen sein. dami t das Mundstück satt auf der Pistole sitzt.

2.7,6 Kurzschlussbi ld ung d urch Schichtbild u ng im P ulverrohr oder Pulverschla uch Einige EtTektpulver neigen zu Ablage rungen und Bildung einer leitenden Schic ht im Pulver rohr und im Pulv erschlauch. Über diese Sc hicht wird die ganze . in de r Pistole erzeugte Lad ung abgefü hrt und ein Beschichten unmög lich. Ein regelmäßiges Ausblase n des Pulverschlauchs und Pulverrohrs ist de r beste Schutz vor Ansinterungen. Auch kann der Einbau einer Verwirbelu ngszone den Aufbau einer leitenden Schic ht verhindern . Gute Resultate werd en auch mit dem Einsatz ve rlängerte r Mundstücke mit erhöhte r Dichtungsfläche erz ielt.

2.8 So nderve rfa hren der Pulverbesc hichtung 2.8.1 Pul verbeschi chten oh ne Pistolen - rei n elek t rosta tisches wi rbel ba dve rfa h re n Beim Brennier-Verfa hren [48] wird das Besc hichtu ngspu lver nicht direkt auf die zu beschichtenden Teile mit Hilfe von Pistolen gesprüht, sondern es wi rd auf zwe i Flächenel ektroden gebracht. Die Größe dieser Elektroden richtet sich nach den zu besch ichte nden Werkstück en. Durch eine Mod ulbauweise lassen sich kostengünstig verschiedene Größen realisieren. Die Pulveraufladung erfolgt mit e iner im Bereich vo n 0 bis 50 kV rege!baren Gleic hspann ung. der eine 12 kV Wechselspannung überlagert ist. Die Wechselspannung sorgt durch die ständige Umpolung der Elektrod enoberfläche für die ele ktrostatische Aufl adung und Abstoßu ng der Pulverteilchen von der Obe rfläche . Die ge ladenen Teilchen tauchen dann in das zwischen den Elektroden und dem Werkstück aufgeba ute elek trische Feld der G leichspannung ein. Sie folgen den Feldlinien zum gee rdeten Werkstück. Durch das stä ndige Anziehen und Abstoßen der Pulvertei lchen entsteht eine diffuse Pulverwolke. Bei kleinen Anlagen reichen die elektrosta tischen Kräfte aus, um das Pulver zum Te il zu bewegen . Bei größeren Volumen wird die homogene Pulverwolke durch Einblasen von Luft erreic ht.

2.8,2 Col l-Coa ti ng mi t Pufvert ack Die Verwend ung von Pulverl ack im Bereich der Bandbeschichtung fand bisher nur wen ig Interesse. Dennoch sind sei t 1989 in Europa schon einzel ne reine Pulverbeschich tungsanlagen

128

2 App likat ion

für Band und/oder Blech in Betrieb gegangen. Betreiber sind hauptsächlich mittel ständische Unternehmen , die tei lweise au ch ruf den eigenen Bereich der Weit erv erarb eitung zu Bauteile n beschicht en. Vorwiegend wird Aluminium vera rbeitet. bei einigen Anlagen auch verz inktes Stahlblech, Gal fan'~ (Überzug aus einer Legierung von 5 % AI I Zn) oder Ga lva l u me~ (Über. zug aus 55 % A l l Zn). Die max imale n Subslratbreiten liegen zwi sch en 1.250 bis 1.700 mrn, mit Aus nahme der Anlage der Firma A lcan, wo Blec hbreiten bis 2.400 mm verarbeitet we rde n könn en. Die Werkstoffdick en betragen j e nach Auslegung der Anlage 0,4 bis 3,0 mm, bei A luminiumblechtafeln teilweise bis 5 mm. A lle bisherigen Anlagen sind von konvention eller Bauart und arb eiten mit elektros tatischen Automatik-Sprühpisto len bei vo rwiegend horizont aler Appl ikation . Aber au ch eine senkrec hte Applikation. Metallband läu ft nach oben du rch die Bcschic htungszone, ist gegeben. Die derzeitigen Anla gen sind mit bis zu 20 Sp rühpisrole n ausges tattet. die einen gleichmä ßigen Auftrag über Bandbreite und -lange erzie len müssen . Die maximale Durch laufg eschwind igkeit liegt zwischen 8 lind 15 mim in. Einige Horizontalan lagen erlauben den wahlwe isen Einsatz von Band und Blech , aber auc h von Pro filtafeln. Die Wärmebehandl ung er folgt im Allgemeinen durch eine Kombination vo n Infrarotstrahlung und Umlufttroc knung. Es we rden Objekttemperaturen vo n 180 bis 250 "C erreicht, wo be i der gesa mte Prozess in weniger als 1.5 min abgeschlossen ist. In der Regel we rde n die Pulverlacke (auf Polyesterbasis) einsc hichtig auf einer Seite des Bandes au fgetragen, wobei die Schich tdicke n im Bereich vo n 50 bis 80 11m liegen. Ne u und vielve rsprechend ersc he int die Anwe ndung der NIR (n ahes lnfrarotj-Trocknung, so dass Trocknungszeiten von deutlich unter I Minu te erre ichbar sind [49).

2.8.2. 1 Anlagentechnik Anlagen mit Bandgeschwindigkeiten von 20 m/mi n applizieren den Pulverlack mit Coronaoder Tribopistolen. die Vern etzung des Lackfirns erfolgt in Infrarot- bzw. Kouvektion söfen . Anlagen mit Geschwi ndigke iten vo n 20 bis zu 60 mlm in setze n ebenfalls Corona- ode r Tribopistolen ein , wo bei für die sch nellere Bandgeschwindigkeit meh r Pistolen erforde rlich sind, was zu eine r Behinderung im Beschictnungsprozess werden kann. Als Lösung bietet sich hier die Pulverglocke an . Als Einbrennöfen können lnfrarot-, Konvektio ns- oder Induk tionsöfen bzw. N" IR-Tec hni k eingesetz t werden. Hochgeschwindigkeitslinien mit mehr als 60 m/min be nötigen eine vö llig neue App likationstec hnik [50).

Aufbau einer Coll-Coatlng-Anlage Eine typische Anlage beinhaltet d ie folge nde n Statione n: I. 2. 3. 4. 5. 6.

Reinigung und ch em ische Vo rbeha nd lung Haftwassert roc knung Abk ühlzon e Lackapplikation Einbren nen I vernetzeng Abkühlzone

2.8 Sonderverfah ren der Pulver beschichtung

129

Bild 2-72: Sehemarisehe Darstellung einer Pulwr-Bandocsl,:hkhlungsunlagc

2.8.2.2 Neue Verfahrensentwi cklungen Neue innova tive Verfahren bei der Bandbeschicht ung mit Pulver sind das ..Powder C loud''Verfah ren der Materials Seie nces Corp ., USA, das EMB-Ver fahren (elektromagnetisches Bürstverfahren] der DSM, Niederlande und die ..TransApp-- Technik de s IPA Frauenhofer Institut Prod uktionstech nik und Automat isierung.

Das Powder-Cloud-Verfahren (MSC -Technologie): Bei der MSC-Techn ologie erfolgt die Erzeugung und Dosierung des Nebe ls über rotierende Bürsten. Der mit Luft durchsetzte Pulvernebel wird über eine Reihe von Koronadrähten gelei tet, die das Pulver auflade n. Das Ladu ngs-Masse-Ver hältnis ist aufgrund der elektrostatischen Feldlinien se hr hoch, was bedeutet, dass ein gleichmäßige s elektros tatisches Feld über die gesamte Breite des Bandes erzeugt wird. Die Pulvertei lchen kön nen so die Gre nzschicht der sich schnell bewegenden Substarobe rfläc he durchdr ingen und sich sehr gle ichmäßig abscheiden [5 1].

Das elektromagnetische Burst- Verfahren (EM B): Einen ganz ande ren Weg geht da s vo n de r niederländischen DSM Resins vorgeschlagene Magnet bürs ten -Ver fahren (EM B), abgeleitet von dem bei Kopiergeräten und Laserdruckern be nutzte n Prinzip. Zum Transport de r Pulverteilchen ist keine Luft als Med ium meh r erforde rlich. Gr undlagen sind die Verwen du ng von in der Rege l magnetisierbaren Trägerteilchen und eine intensive triboelektrische Autladung vo n Pulver und Träger. Das Verfah ren eig net sic h für Bänder aus Stahl und Alum inium und erlaubt ebe nfalls hoh e Appllkation sgeschwin digk elten [49, 52].

130

2 App likat ion

IJild 2-73 : Transfer-Walze und Magnetbürsten [521

Das EHR- Verfahren (auch als "Solid Block 't- Verfahren bekannt) Be i diese m Verfa hren wird der Pulverlack in ei nem noch festen, vorgesch molzenen Zustand

auf das bei 80 "C vorgeheizte Coil gepresst. Die vernetzeng erfolgt in eine m Tunnelofen. Zwe i Anlage n in Austra lien und eine in Singapore arbeiten mit diesem Applikationssystem . Die Einschränkungen liegen aber bisher bei der noch niedrigen Bandgeschwindigkeit und einer nicht zufriedenstelle nden Qual ität der Filmob erfläche . Dieses Verfah ren wu rde von Akzo (Co urtau lds Paints) in Aust ralien patent iert [53].

Das TransApp-Verfahren Im sogena nnte n TransA pp-Verfah ren wird der Pulverlack nic ht versp rüht . so nde rn über hohe e lektrische Fe ldkräfte auf das d urchlau fende Flachma te ria l appl iziert. Die se hr kurze Tra nsfe rstrecke bewirkt, dass sic h die Pulverpart ike l homogen und nahez u vollständig auf dem Substrat niedersc hlagen. Ho he Sprühverlus te treten hier nicht a uf, wodurc h Absaug kab inen und Pulverrückgewi nnungsa nlage n überflü ssig s ind. Das Verfahren eignet sich für leitende wie a uch nicht le itfä hige Su bstrate [54).

2.8.3 W ir bels inter n Be im wirbels inte rn ist kei ne Aufladung des Pulvers nötig. Das Werks tüc k wird auf die Reaktionstemperatur des Pulvers erwärmt und in das fluid isierte Pulver getaucht. Das Verfahren eig net sic h für Klei nte ile und d rahtähnliche Werkstüc ke, wie zum Beispie l Geschirrsp ülkörbe. wo große Sch ichtdicken gefordert sind. ohne besonde re Anforderungen an die opt ische Beschichtungsqualität zu ste llen [55. 56] .

2.8.-1 Runds p rü hsysteme in d er O mega-Sc hleife Dieses Konze pt wi rd bei langen. vertikal hängende n Profilen bzw . von überei nander angeo rdneten Te ilen begrenzter Breite (je nac h Durchmesse r de r Omega -Schleife) angewendet [6 1).

2.9 Wirkun gsgradverb esserun g bei ele ktrostatisc hen Spr ühver fahren

131

Die Vorte ile dieses Verfahrens sind: • • • •

kompakte Anlage hohe Bcschichtungsgleichm äßig keit bei großem Teiledurc hsatz und vo ller Anlagenauslastu ng sehr wirtschft liche Betriebsweise I Rundsprühkopf ersetzt bis zu 12 Sprühpistole n. dadur ch auch weniger Versc hleißteile

Nachteile und Grenzen des Verfahrens sind: • • • • •

geringe Flexibilität bzw Teilegeom etrie Sprüha bstand nicht var iabel Pendeln der hängenden Profil e für kleine Losgröß en nicht geeignet (hohe r Umrü staufwand) Pulveranpassung erforde rlich

2.9 Wirkungsgradverbesserung bei elektrostatischen Sprühverfahren Eine tec hnische Lösung ist selte n eine End lösung, sondern meist ein Kom promiss, den n es müssen viele Fakto ren beacht et und für den jewe ilige n Anwendu ngsfall abgewoge n werden, Auch der Lackierprozess muss als ganzheitlic hes Konzept betracht et wer den . In Tabel le 2- 13 und Bild 2-74 sind die wichtigsten Eintl ussgrößen aufgez eigt - ausgenommen das Beschichtungsteil selbst - die einzeln ode r in ihrem Zusammenwirken für den Auftragwirkungsgrad bestimmend sind [57]. Gesetzgebung : 0 TA-luft , VOC USA: Clean Air Acl UK: Environmen l al

Proteenon Act

Verfahren ,

r-r- Anlage, Geräte

Wirkungsgradverbess erung heißt Elektrostat ische Appli ka tion

Kostensenkung und Ab fall reduzierung auf um weltakzeptabl e Werte

'Gegenwärt ig poli tisc he und öffentli che Meinung

Lö sem i lt el l ac ~

Wasserlac k Pulverlack

Uild 2·74:

Einnüsse. die eine Wirkungsgradverbesserung notwendig machen könne n

132

2 App likat ion

Tabelle 2-13 : Technische Möglichkeiten zur Wirkungsgradverbesserung bei elektrostat ischen Sprühvcrfah-

rcn

Techn . Mög lichkeit

Z ielstellung

Messtechnik

O nline-M essung

Rückgew innung

Direkter StofTkreislauf

Fe ldan passung vo n We rkst-Sprühger ät durch lfd. Umrüstung

3-D-Feldberechnung. Personalschulung

A bsaugung

Red uzierung de r Frem dkräfte

Art der Auflad ung : Koro na. Tri bo

Expe rime ntel le O ptimie rung

Sprühge räte. Pisto len, Glocken

SprühbiIdopt imierung Anpass ung an die w e rksrückform. Sc hla uch fllhrung

Hand- und Automatikbeschichtung

Experimentelle Optimierung

Rücksprühen

Vermeiden

Optimierung der Sc hichtdic ken

Aufgaben. Vorgaben ein halten

Me ngena usstoß

Online-Anpassung

Ve rarbeitungs parameter

Laufende Überw achung

Diese Einflussgrößen lassen sich de n folgende n dre i Gebieten zuordnen: • • •

Verfahren. Anlagen. Ge räte Applikation, von Hand ode r automatisch BeschichtungswerkstofT(Pul ver, Wasser- ode r Lösernine llacke)

Bei der Pulverlackierung w urde zu Beginn durch die Möglichkeit des Ove rspray- Recycling d ie Notwendigkeit eines hohen Erstau ftragsw irkungsgrades in Frage gest el lt bzw. eher als nebensächlich beurteilt. da ein Gesamtwirkungsgrad von na hezu 100 % mögl ich ist. Inzwischen hat man erkannt, dass es durcha us notwendig ist, bereits ei nen ho hen Ersta uftragsw irkungsgrad zu erzielen. Die folgenden Punkte können dazu beitrage n den Erstauftragswirkungsgrad bei der Pulverbesch ichtung zu verbessern: •

Die Dicke der Pulverschicht erfahrt eine Selbstbegrenz ung, die sich zunäc hst in ge ringere n Auftragsmengen pro Ze it und durch Einsetzen des Rücksp rühe ns äußert. Hier kan n mit einer Online-Kontroll e der Schichtd icke der Pulverauftrag zum optima len Zeit pun kt gestoppt werden. Denn der Anteil. der nicht mehr zum Werkstück gel angt , nimmt mit steigender Sc hichtd icke zu. wi rd abgesaugt und mindert den Wirkungsgrad. Einflussgrößen sind die Höhe der Aufladung. der Pulverausstoß. der Abstand zw ischen Sp rühgerä t und Werkstüc k und dessen Oberflächenprofil. Den Einfluss des Abstan ds zum Werkstück auf den Erstauftragswirkungsgrad verdeutlicht Bild 2-75. Prinzipiel l ist der Abstand vom Sprühkopf abhängig. wobei die Prallteller

2. 10 Gefordert e Sicherheitseinrichtunge n

133

unempfindlicher rea gieren als der Flachstrahl. Weiter e Untersch iede bestehe n zwischen Korona- und Triboau flad ung. •

• •

Die Verarbeitungse igensch aften der Pulverlacke haben ebenfalls einen Einfluss auf de n Erstauftragswirk ungsgrad . Bei Pulver zählt die Teilch engr öße daz u. Pulver mit einem a usgeso nde rten Fein anteil. sogenanntes gesichtetes Pulver, führt direkt zu eine n verbesse rten Wirkungsgrad. Eine entsc he idende Verbesserung erg ibt sich mit der lackiergerechten Konstruktion der Werkstück e und Aufhän gehilfsmittel. Anlage ntechnik. wie Lücke nsteuer ung. Applikatio n mit Roboter, Vermeidu ng vo n Nac harbcit oder Maßnahmen für einen schnellen und effizienten Farbwec hsel tragen ebenfalls zu einem verbesserten Wirkungsgrad bei [58].

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AstoIenabs tand (nm)

Hild 2-7S: Abnahme des Erstau nragswirkungsgrads in Abhängigkeit vorn Abstand zwischen TriboSprühpistole und Flachem Werkstück [57]

2.10 Geforderte Sicherheitseinrichtungen Zur Gewährleistung eines gefahrlosen Betr iebs elektrosta tischer Besc hichtungsanlagen werden vom Hersteller und vo m Betreiber die Einhaltung von arbeitsschutz- und sicherheits technische n Anforderunge n verlangt. Diese Forderungen sind in Nonnen und Regeln festgelegt. In den BiIdem 2-76 und 2-77 sind die Gefahrensituationen und Sicherhe itskr iterien bei elektrostat ischer Beschichtung gege nüberges tel lt.

2 Applikat ion

134 Arüagen_ spezifIk

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Blld 4-1: Sehemausehe Darstellung eines Durchlaufo fens mit Schiebetoren mit Powcrscl'rcc -Fördcrung

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o 0 Uild 4-2: Durstellung eines A-Ofens mit nur teilweisem A-Fonnlijrdersystem

.... 1.3 Sonderformen Trogtrockner Als Trogtrockner (Bild 4· 3) wird eine Bauform bezeichnet. bei der d ie Beschickung taktweise senkrecht von oben erfolgt. Hier verh indern Klapptore übermäßige Wärmeverluste. Trogtrockncr befinden sich häufig in Tauchbeckenanlagen mit Hub- und Fahrwerktransport. Sie kommen zum Einsatz. wenn (sperrige) Werkstücke mit einem Beschickungsautomaten (Hub- und Fahrwerk) durch die Anlage transportiert werden . Die Abdichtung der Ofenatmesphäre erfolgt bei Belegung mit dem Gehängedeckel. unter dem das Werkstück aufgehängt ist, bei Abwese nheit von Gehä ngen durch Klapp- oder Schiebedeckel.

4 Einbrennen von Pulverlacken

196

Gehänge de ckel (Systemtraverse)

I

I Werkstü ck

'\ Luftführung

Uild 4-3: Schematische Darstellung eines Trogtrockncrs

Kombi- oder Blocktrockner Da die Werkstücke vor de r Pulv erbeschic htung in der Regel chemisch vorbehandelt werden, ist in den meisten Anlagen neben dem Pulvereinbren nofen ein Wasserl rockner erforde rlich. Kombiniert man beide. so ergeben s ic h fo lge nde Einspa rungsmöglic hkeite n [11: •

Durch eine gemeinsame Tre nnwa nd e ntfällt für j eden Ofen der Transmiss ionsverlust durc h eine Au ßenwa nd .

•

Die Abluft des Pulverofens kann in der Regel de m Haftwassertroc kner beigemischt und von dort als Ablu ft abgeführt werden. So wird ein Abluftrohr eingespart und Ene rgie entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen Pulverofen und Haftwassertrockner zur ückgewonnen.

Der Pulverofen wird bei diesen Blocktroc knern meist in U- Form gebaut. so dass oft ungefähr gleiche Gehäuselängen resultieren. In Bild 4A ist der Anlagenplan für eine Pulverbeschlchtung mit einem Blocktrockner dargestel lt.

4.2 Trocknungsverfahren

197

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Vorbe handlu ngsanlag e

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Hild 4-4: Anlagenlayout für eine Pulverbeschichtung mit Blocktrockner

4.2 Trocknungsverfahren Nach der Art der Wärmeübe rtragung unterscheide t man zwischen • •

der Trocknung durch Konvektion und de r Aushärtu ng durc h Strahlung unterschiedlicher Art.

....2.1 Konvektio ns- oder Umlu fttrocknung Bei der Konvektions- oder Umlufttrocknung wird ei n Warm luftstrom an das Werk stück gefuhrt, wobei es an der Oberfläche zu einem Energie- und Stoffaustausch kommt. Die warme Luft kühlt sich ab und überträgt dadurch Wärmeenergie auf das w erkstuck. Dabei erhöht sich die Objekttemperatur. und gleichzeitig erwärmt sich der Lackfilm. Zur Beheizung von Umlufttrocknem kön nen alle bekannten Med ien eingese tzt werden. In der Praxis gebräuchlich sind Erdö l, Erdgas, elektrischer Stro m, W ärmeleitöl, Heiß wasser und Dampf. Die Auswahl w ird durch wirtscha ft liche oder betrieb sspez ifische Gesichtspunkte sow ie durch die benötigte Einbrenn- bzw . Trocknungstemperatur bestimmt. Man unterscheidet zw ischen ind irekter und direkter Beheizung . Bei indirekter Tro cknerbeheizung erfo lgt die Energ iezufuhr an d ie Umluft über Wärmetauscher . Be i direkt beheizten Trocknem wird das Trocknermedium durch Beimischung von He izgasen erwärmt. die durch die Verbrennung von Gas oder ggf. Heizöl entstehen. D irekte Beheizung ist energ iegünstiger . kommt jedoch nur dann in Frage. wen n der Re inheitsgrad der Rauchgase eine Qu alitätsbeeinträchtig ung der Werkstückoberfläche ausschi ießt.

198


Gewi sse Gefahren liegen hier bei m Verg ilben oder auch beim Einbringen vo n Rußteilehen durch unvoll ständi ge Verbrennung. ISI zur Entsorgung des A bluftstroms eine thermische Nachve rbre nn ungsan lage erforder lich. so kann deren Verbrennungswärm e für die direkte oder indi rekte Beheizung des Lacktrockners mit herangezogen we rden. Bei besonders hohen Qualit ätsansprüchen können Umluft und Frischluft des Trockners gefi ltert werde n, um die noch ..o ffe ne" Lac kobertläche zuverlässig vor Verun reinig unge n zu schützen. Für die Umwä lzung der lIeissluft werd en Ventilatoren, üblicherweise in radial er Bauart. eingesetzt. Konvektionstrockner arbeiten in der Regel mit Umluftgeschw indigkeitcn zwisch en I und 2 mls. Gelegentlich kann es tro tz des gro ßen Energiebedarfs der Umluft ventilatoren sin nvo ll se in, die Ausbla sgeschwi ndigkeit wese ntlich zu erhöhen . ln der Praxi s wer den hierzu Werte bis zu 25 mls gewählt.

Der w ichtigste Vorte il der Umlufttroc kne r - und damit die Erklärung für ihre we ite Verbre itung - liegt in ihrer universel len Verwe ndba rke it für ein breites Fertig ungsprogram m. Geometrisch unterschiedliche Teile mit ähnlichem Verhältnis des Gewichts zur Ob erlläc he erreichen die gleiche Aufheizgeschwi ndigk eit. Daher können versch ieden gro ße und verschiede n ge formte Werkstü cke ähn licher Materialst ärke bei gleiche m Temperaturverla uf d . h. gemeinsam. getrock net werden. Auch be i seh r untersc hied lich gefo rmten Parti en gro ßer w erkstu cke findet ein Temperaturausgleich statt. Bed ingt durch die gleiche Temperaturführun g ist au ßerdem d ie Gefahr des Überb rennen s. d. h. einer Schädigung des Lackfilms du rch Übe rhitzung bestimmter Werkstückpartien. minimal. Wegen der geringen Differenz zwisc hen Umluft- und Obj ekttemperatur fuhr en auch Betriebsstörungen mit Fördererstillstand in der Regel nicht zu Ausschussproduktion . Dennoch ist daraufzu achten, dass die vom Lackherstelle r vorgegebenen Objekttemp eraturen und Ilaltezeiten nic ht allzu we it überschritten wer den, da dies zu Farbveränderungen führen ka nn. Bei Störungen und Stillstandszeiten sind geeignete Maßna hmen zu treffen. um die Ofent emperatur abzusen ken bzw. d ie Teile aus dem Ofen zu fahren.

4.2.2 IR-Strahlungstrocknun g Eine andere Möglichkeit de r Energiezufuh r zum Aushärt en von Besc hic htu ngsstotfe n sin d Infrarots trahle n. Die Intensität de r IR-Strahl ung hängt vom We llenl ängenspekt rum und dam it von der Strahl ertemperatu r ab. Gru ndsätzl ich wird zw ischen lang- . mitte l-, kurz- und ult rakurzw elliger Strahlung unterschieden [2]. siehe Tabelle 4- 1. Bild 4-5 zeigt die Wellenlängenbereich e der e inzelnen Strahle rtypen. Ta belle 4- 1: Zusammenhang zw ischen Wellenlänge und Temperatur de r IR-Strahlung

Wellenlänge in um

Tem perat ur in "C

Langweilig

3- 6

200 - 700

m itte lwe llig

1.5 - 2,5

750 - 1.500

kurzweilig

1 - 1,5

1.500 - 2.700

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3.000

ultrak urzwe llig

4.2 Trocknungsverfahren

199

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Blld 4-5: Wellenlängenbereiche der verschiedenen Strahlungsquellen

Sta u nach der Wellenlänge wird gelegentlic h auch nach der Strahlwandtemperat ur zw ischen Hell- und Dun kelstrahlern unte rschieden. Dem nach entsprechen die sogenannte n Dunkels/ruhter etwa de m unteren langweiligen Bereich. Die Stra hler sind Ka näle a us Schwarzblech, in de nen Rauchgase bei Temperaturen von 300 bis 400 "C umge wälzt werden . Geb rä uchlich ist diese Strah lerform vor allem in Fälle n, bei de nen Abwärme mit einem entsprec henden Te mperaturnivea u zur Verfüg ung steht, z. B. bei Karossentroc knem mit thermisc her Abl uftrei nigung in der Auto mob ilindus trie. Infolge der großen Massen haben d iese Stra hler ein relativ träges Regelve rhalt en. Der Konvekt lonsverl ust ist wegen de r großen (Wärmetauscher-} Obe rfläc he hoc h und führt zu erheb liche r Au fheizung der Luft. Im mit tel-, kurz- und ultrak urzweIl igen Be reich finden üblic herweise elekt rische Strahler Verwe ndu ng. Diese bieten u. a. den Vorteil, dass eine gerrauere Regelung der Objek ttemperatur möglich ist. IR-Strahlen werden von Gegenstä nden je nach de ren Beschaffe nheit und Oberfläc he abso rb iert oder reflektiert. Hell e, glatte Oberfläc hen reflektieren wie bei m Licht einen größeren Srrahlungsanteil als raue und dunkle. Nur der nich t- refle ktierte Strahlungsanteil wird in Wär me umgew andelt. Er führt zu einer Erhöhu ng der Te mperatur des Werkstücks und einer Erwärmu ng des Lackfil ms von inne n hera us. Der Vo rte il de r IR-Strah lungstroc kn ung liegt in der Möglic hkeit. in kü rzes ter Zeit viel Energie zu übertragen. Daraus folgt eine sch nel lere Betrie bsbereitschaft der Trockne r, ei ne raschere Au fheizu ng der Werkstücke und eine nicht unerhebl iche Platzersparn is durch kürzere Trockenstrecken. Diese Vorte ile s ind dann vo ll auszunutzen, we nn das Trocke ngut dtinnwand ig, flächig und gle ichbleibend ist. Komplizierter geformte Werkstücke mit unterschiedl ichen Dicken und Strahlungsschauen heizen sich jedoch unterschiedlich rasch auf. Dabei ist die Differenz um so größer, je höher die Strahlertempe ratur liegt. Deshalb kann es an bestimmte n Stellen sehr leicht zur Überhitzung der Beschichtung kommen. Dies ka nn mit großem regelungstechnisc hen Aufwand oder m it wese ntl icher Erhöhu ng des Umluftanteils vermieden werden. was abe r die eigentlichen Vorteile der Strahlungstrocknung zunichte mac ht. Mittelwellige ele ktrische Infrarotstrah ler ( IRM.S trah ler) ste llen die gebrä uchlic hste Strahlerform da r. Sie s ind robust und von langer Lebe nsdauer. Dem steht als Nac hteil ein relativ träges Regelve rhalte n gegenüber: Die Aufh eizung .aus dem Stand" auf volle Leistung benötigt ca. I bis 2 Minuten.

200


Kurzwei lige elektrische Infrarotstrahler sind den IRM· Strahlem beim Regelverhalten überlegen. haben aber eine wesent lich kürzere Lebensdauer. Gas- Infrarotstrahler verbinden die Vorteile der Strahlungsheizung mit dem preis werten Energiet räger Gas.

Luftführung bei Strahlungsheizung ist ein wichtiges Thema. denn wie bere its erwähnt. wird im Strahlungsofen di e L uft ungew ollt erhitzt. Um H itzestau zu vermeiden und di e Wärmeübertra-

gung gleich mäß iger zu gestalten. wird im Strah lungsofen Umluft umgew älzt und auch Ablu ft aus dem O fenraum abgefü hrt. Bei elektrischen Ig -Strahle m und bei den Gasstrahlern ist eine Umspülu ng der Stra hler sinnvo ll, um eine Überhitzung zu vermeiden. Bei Gasstrah1em müssen überdies die Verbrennungs produkte abgefü hrt bzw. verdün nt werden. Die Belüftung erfolgt über eigene Gebläse oder im Verbund mit dem benachbarten Umluftofen.

....2.3 Sondenerfahren Be i anderen Schnellhärteverfahren. wie Uv-Stra hlungstrocknung ode r Elektron enstrahlh ärtung. d ient die Strah lung im Gegensatz zur IR-Strahlung nicht zur Erwärmung. so ndern zum Auslösen der Polymerisation des Bindem ittels in so genannten strahlen härte nden Lacken. Die Hochfrequenztrocknung (Erwärmung durch induktiven oder kapazitiven Widerstand der Güter im hochfrequen ten Feld) ist ebenfalls ein Spezialgebiet. Für die Beschichtung von Metallen kommt dabei nur die induktive Trocknung in Betracht. Sie wird gelegentlich bei der Beschichtung von Rohren, von Draht sowie von Verpackungsbändern eingesetzt.

Trocknen mit " nahem Infra-Rot " - NIR Bei der Infrarot-Beheizung wird die thermische Energie mittels elekt romagnet ischer Wellen übertragen. Das lnfrarot-Strahlungsspektrurn reicht von 0.76 um bis 1000 um. Bei der NIRTechnologie (Na hes Infra-Rot) wird das Infrarot-Strahlungsspektrum nahe dem sichtbaren Licht zwischen 0.76 um und J.2 um genutzt. Der Energieübertrag der Strahlung ist gemäß dem Stefan-Bolzmannschcn Gesetz proportional zur Differenz der vierten Potenz der Wendel- und Objckn emperatur. Das bedeutet, dass eine Zunahme der Strahlertemperatur zu einer ungleich größe ren Erhöhung der Energieübertragung führt. Die abgegebene Strah lungsinte nsität nimmt mit r' zu [3. 4]. Bei der NIR-Techno logie werden als eigentlic he Strahlungsquelle Hochleistungshalogentarnpen eingeset zt. die mit Wendeloberflächentemperaturen von bis zu 3500 K arbeiten. Aufgrund der hohen. übertragenen Leistungsdichten bei der neuen Technologie ist eine temperaturkontrollierte Beheizung des Objektes über eine Regelung der Strahler erforderlich. Die geringe Masse der Heizwendel hat den Vorteil, dass die Strahlungssysteme spo ntan auf Stromschwankungen reagie ren und sich extrem schnell regeln lassen. Die Heizquel le erreicht innerhalb sehr kurzer Zeit die volle Strahlungs leistung und ist gena uso schnell wieder abgeschaltet. Die primäre Prozessvariable ist die Oberfl ächentemperatur der zu beheizenden Obje kte. die mittels spez iell an die Strahlungscha rakterist ik angepass te Strahlungspyro meter berührungslos erfasst wird. Auf diese Weise kann eine Closed-loop- Regelung realisiert werden. Die schnelle Ansprechzeit des neuen Systems in Verbindung mit dcr berü hrungslosen Energieübertragung lässt eine schnelle Regelung des Prozesses zu und ermöglicht somit eine automatisierte Prozessko ntrolle. Die im NIR-Spektralbereich ausgesandte Strahlung ist mittels spezie ller Reflektorsysteme se hr effizient ausrichtb ar. Je nach der zu beheizende n Oberflächenkont ur kann gezielt über ellipsoi-

201

4.2 Trock nungsver fahren

dise he und parabolische Refl ektoren die Strahl ung dera rt gebündelt werden, dass sie mit extrem hohen Strahlungsdich ten homogen über die gesa mte Oberfl äche aufgebracht werden kann. Dies ermög licht eine gez ielte Beheizung von Flächen ebe nso wie die Intensitätsbündelung auf Linien und Punkte. So lässt sich eine homoge ne Energiedichte über eine konturierte Oberfläche erzeugen . Zudem ist die Strahlu ngsfokusvierung bei Hinterschneidungen durch speziel l ausgeformte Reflektorsysteme ebenfalls mög lich. Aufgrund de r hohen Strahlungsd ichte und der Tiefenwirkung der Nlg-Technolo gie wird eine homoge ne Au fheizung der Besch ichtu ng auf die Aushärtetemperatur schon in wenigen Sekunde n erreicht. Die notwendige Schwellentemperat ur ist innerhalb von etwa fünf Sek unden erreicht. Dad urch wird eine Vemetzu ng des Pulvers ges tartet, nachdem der Beschic htungsstoff größtenteils verlaufen ist. Für die vollstä ndige Vernetzung des Pulverlacklilmes muss, abhängig vom Pulversystem. die Temperatur noch einige Sekunden am Objekt geha lten werden. Nach der Abkühlung ist die Beschichtung dann ausge härtet. " Lo w

NIR@

Bake"

(Schm e lze n und Hä rte n )

(Sc hme lzen und Härt en )

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NlR4lrah unll

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•

wärm.mg!

•

Erh lt lung über Sch lchl gradlenl

Hi lI! 4-6: Vergleich der Ilärtungsprinzipicn bei konventionellerTroeknung .Lo w Bake" und NIR-Troeknung

Induktives Erwärmen Einen ganz ande ren Weg geht die induktive Trock nung [5J. Hier wird das zu trock nende Werkstück in ein Magnet feld geb racht und durch d ie im Werk stück entstehende n Wirbelströme erwärmt. Die wärme wird dadurch direkt im Werkstück erzeugt. Damit trocknet die Be. sch ichtung immer von innen nach außen, nicht wie bei andere n Verfahren von auße n nach innen. Die induktive Erw ärmung ist für alle Trocknungsve rfahren gee ignet. Es könne n damit auch lösem iuel haltige Lacke und Pulverlacke getrocknet werden. Die induktive Trocknung soll die Haftung zwischen Pulverlack schicht und Werkstückoberfläche deutlich verbesse rn. Außerdem ist nac h Angaben eines Herstellers eine relat iv sch nelle Erw ärm ung - te ilweise im Se kundenbere ich - möglich . Auch Werkstücke mit große n Abmessunge n können getrocknet werden,

202


denn die Energie wird j e nach Wah l der Frequenz nur an der O berfl äche umgesetzt, da s heißt dort, wo man die Erwärmu ng benötigt .

Die zur Erwärmung eingesetzte Induktionsspu1e ist meistens ein dem Werkstück angepasster Ring. od er Linien- Induktor . Durch entsprechende Auslegung der Induktionsspulen ist es auch mög lich, an einem Werk stück nur einzelne Zonen zu erw ärmen. Eine Vorausse tzung ruf den Einsat z der induktiven Trocknung ist, da ss die w erksrück gecmerrien die gleichmäßige Verteilung des Stroms zulassen, so dass überall die gleiche Temperatur erre icht wird. Ideal sind beis pielsweise Tei le wie Rohre, Stangen ode r Bolzen. In der Automobilindustrie werden damit auch Antriebswellen, Bremsscheiben. Kupplungspedale oder Radlager getrocknet.

Die induktive Erwärmung ist mit herkömmlichen Trocknungsarten kombinierbar. Beispielsweise können Teile induktiv vorgew ärmt und mit Konvektion oder Strahlung ausgehärtet werden. Der Vorteil: So wird sehr schnell ein geringfUgig unter der Endtemperatur liegendes Temperaturniveau erreicht. wodurch sich der gesamte Trocknungsprozess deutlich verkürzt.

Mikrowetlentrocknung Ein ganz neues Verfahren ist die Mikrowellentrocknung. Auch hier wird eine Erwärmung der Lackschicht von innen nach außen erreicht. Hochfrequente. elektromagne tische Wellen durchdringen die Lackschicht und erwärmen das Substrat. So wird auch hier verhindert. dass sich der Lackfilm. wie es bei der Trocknung mit Konvektionswänne der Fall ist. zuerst an der Oberfläche schließt. Die Wellenlänge der Mikrowellen liegt zwischen I mm und 15 cm. Erzeugt werden sie in einer Magnetfeldröhre (Magnetron). der Frequenzbereich beträgt 2,45 GHz. Aufgrund der Tatsache. dass die Mikrowellentrocknung intensiv wirksam und dadurch sehr schnell ist. sollen sich im Vergleich zur Konvektlonstrocknung kürzere Anlagen und somit insgesamt geringere Kosten ergeben. Dazu kommt. dass die Anlagen nicht genehmigungsptlichtig sind.

Thennoreaküonstrocknung Eine andere Art der Trocknung, ist die Trocknung mit Thermoreaktoren. Geeignet ist das Verfahren fllr Pulver- und Nasslacke. Thermoreaktoren sind katalytische Infrarotstrahler. Sie emittieren sowo hl lnfrarotstrahlung. als auch Konvektio nsw ärme. Die vom Thermoreaktor emittierte Strahlung ist reine Wärmestrahlung, die im mittleren Infrarot-Wellenbereich liegt. Da das Emissions-Spektrum von 2 bis 8 um reicht, kann die Leistung sehr tlexibel eingestellt werden. Auch mit diesen Systemen soll die Trockenzeit und damit die Durchlaufzeit stark reduziert werden können. Die Energie-Einsparung soll bei etwa 50 Prozent liegen.

4.2.4 Bewer tu ng verschiede ner Aushärteverfah re n In Tabelle 4-2 wurde eine Bewertung verschiedener Aushärteverfahren hinsichtlich ihrer Einsatz möglic hkeiten. d. h. für welche Werkstücke bzw. Materialien ist der Ofen geeignet, dem Platzbedarf, Energieeinsatz. Kosten und nicht zuletzt dem notwendigen Pulverlack vorgenommen [1 ].

203

4.3 Optimierung von Lac ktroc kne m Tabelle 4-2: Einsatz und Bewertung verschiedener Aushärtesysteme

Umluftaushärteö fen

IRM + Umluft.

NIR

N IR + konv. UV

Filigrane Werkstücke

+++

++

--

--

Unte rschie dlich e Werk stückd icken

+++

++

+

+

v ormontierte Prod ukte

--

--

+++

+++

Te mpe rature rnpfindlieh e Te ile

--

--

+++

+++

-

-

+++

+++

Glas

+++

+++

+++

+++

MDF, Holz we rkstoffe

--

--

+

+++

Gusswe rkstoffe. poröse Materialien

-

-

--

+++

Platz bedarf

+

+++

++

Ene rgieeinsatz

-

+

++

+

Anlage nkosten

1

1,3

1,5 -1 ,8

2 - 2,2

Pulve rkosten

1

1

2- 3

2- 3

Kunststoffe

4.3 Optimierung von Lacktrocknern Der Wärmebedarf eines Trockners wird bestimmt durch • • • • •

den Mate rialdu rchsatz. die vom Beschichtungsstoff vorgege bene Härtungstem peratur. die notwe ndige Au fheizung von Frisch- und Umluft, die Wärme ve rluste d urc h Lufta ustritt a n den Ein- und Auslauföffnungen sow ie durch die Aufheizung des Fördere rs und Trans mlssion swärrneverlu ste.

Der Materialdurchsatz ist eine vorge ge bene Größe , der An teil de r Tra nsmi ssionswärme ge ring und von unte rgeo rdneter Bedeutu ng. All e a ndere n Posit ione n mü sse n sor gfältig untersucht und gegeneina nde r a bgewogen werden, da mit sowohl eine energiesparende als a uch insgesamt kostengünstig e Lösu ng gefu nden we rde n kann . Ta belle 4-3 zeigt die vers chiede nen Möglich. keite n, wo im Ofen Energie ve rbrauc ht w ird. Der wic htigste Faktor ist die für de n Besc hic htungsstoffn otwe ndige Einbrenntem peratur, denn eine um 10 "C red uzierte Einbrenntemperat ur verringert de n Energiebedarf um über 7 % [2]. Ein Pulverlack mit ent spr echendem Einb rennfe nster mu ss für die Anfor der ung natürlich ve rfügba r se in.

204


Tah elle 4-3 : Art des Energieverbrauchs im Ofen und die Abhängigkeit von Gegebenheiten

Art des Energieverbrau chs

Abhän gig keit

O berflächenverlu ste. Transmission

Oberfläch e, Wärm edu rchga ngskoeffizie nt, Tem peraturdi ffere nz

Frisc hlu fterwä rmu ng

Luftmenge. Te mpe raturdiffe renz

Sc hleusenverluste

Schleusenfläche. Temperaturdifferenz

W erkstückerw ärmung

Massendurchsatz. Temperaturdifferenz

Erwä rmung des Förde rers und der Gehänge

1\1asse nd urc hsatz, T emperaturd ifferenz

Um mög lichst wenig Material zu erwänn en, das nicht gehärtet werden muss, soll der Fördcrer ein-

schließlich der Gehänge so leicht wie möglich sein. Dieser Wunsch ist abzuwägen gegen die Forderung nach einem robusten. wenig störanfälligen Fördersystem, das eine lange Nutzungsdauer haben soll und deswegen nicht zu knapp dimensioniert sein darf. Der Lufthau shalt ist das heikel ste Problem. Eine Erhöh ung der nach VBG 24 notwendigen M indestabluftmenge kan n hilfreich se in, um den Austritt heißer Luft an den Ein- und Auslau föffn unge n des Trockners zu reduzieren. G rößere Abluftmengen bed ingen jedoch eine größere Frischluftaufheizung und eine größere Dimen sionierung de r ggf. erforderlichen A bluftreinigungsa nlage. Außerdem kann unkontro llierter Luftwechsel an den Öffn unge n der Trockner auch durch eine noch so große Abluftmenge nicht vö ll ig verh indert werden. Deshalb ist es zweckmäß ig. die Abluft mögl ich st kl e in zu halten und den Aus tritt he ißer Luft in den Raum durch wir ksa me Sc hleusenko nstruktio nen zu unterbinden. Als effe ktivste Lösung sind Trock ne r in hochgestellter Bauform mit A-Schle usen am Einund Auslauf an zusehen. Der Ver lust an Austrittswänn e ist sehr gerin g, und die Ab luftmenge kann ge ring ge halten werden. Durch die Energ iee insparung amo rtisieren sich die Investitions meh rkos ten häufig in kurzer Ze it. Sind A-Schleusen z. ß. bei überla nge n Werkstücken nicht zu realisieren. so sollten wen igstens Uml uftschleusen vorgesehe n wer den . Bei Ta ktan lage n sind Schiebetüren vorteilhaft . Für das Einstellen des Lufthaushalts be im Produktionsanlauf so llte stets ein Fachmann hinzugezogen werden. Die Notwe ndigkeit guter Isolier ung und sorgfältiger Gehäusemontage ist se lbstverständlic h. Ebenso kann scho n die Wahl des richtigen Heizmittels zu Energ ieeinsparu ngen fü hren.

4.4 Messen der Einbrenntemperatur Optimale Einbrennbedingu ngen sind nicht nur maßgeblich für die Qualität eine r Lack ierung, sie ermöglichen auch eine Redu zieru ng des Energ ieverbrauchs. Die Messung und Kontrolle de r Ofentemperatur ist daher ein wicht iges Instrument in de r betrieblichen Eigenü berw achung. Angesich ts steigender Energiekosten und Qualitätsanforderungen an Lackierungen und Besch ichtungen ist die exakte Kenntnis der Tem peratu r sowohl im Einbrennofen als auch am Werkstück selbst, ein qualitätsentscheidendes und nicht zuletzt auch wirtsc haftliches Kriterium.

4.4 Messen der Einbrenntemperatur

205

....4.1 G r undlage n der Tem pera tur messu ng Die Erfassung von Tempera turen kann mit unterschiedlichen Messmethoden erfolgen. Verbreitete Techniken sind Thermoelemente (Typ K. J. N und dergleichen). Widerstandsthermometer (PT- 100. PT I000) und die berührungslose Messung (zum Beispiel mit Infrarot) [6, 7J.

Aufbau von Oberflachenfuhlem Das Messsignal eines Oberfläc hen fühlc rs wird nach folgendem Zusammen hang gebildet T~1 =: T I +T2

TI T2 TM

Umlufttemperatur Werkstücktemperat ur gemessene Temperatur

Bei einem idealen Oberflächenfühler ist der Einfluss der Umlufttemperatur T I =: O. das heißt. das Messele rnent ist durch einen Isolator vollkommen ernko ppelt.

Thermoelement Ein Thermoelement (Bild 4·7) besteht in seiner Grundform aus zwei Drähten unterschiedlicher Legierung. An der Verb indungsstelle. die entweder punktgeschweißt und/oder verdri llt ist. fallt in Abhäng igkeit von der Temperatur eine Ther mospannung ab. Dieser Zusammenhang ist nicht linear. Da diese Spannung sehr klein ist. muss das Messsignal fü r eine Auswert ung extrem verstä rkt werden. Der Vorteil eines Thermoelements in seiner Urform ist die schnelle Rea ktionsfähigk eit . Der Nachteil ist ein vergleichsweise hoher Messfehler durch die fehlende Linearität. Hild .f-7:

Bau form eines Thermoelements des Typ K

Widerstandselement PT-IOO Ein Widerstandsmesselement (Bild 4-8) besteht aus einem Keramikplättchen als Trägermaterial mit einem aufgedampften Widerstand. Als Reaktionsmaterial wird zum Beispiel Platin (PT) verwendet. Dieser Widerstand ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur in einem linearen Zusammenha ng. Der Vorteil dieses Syste ms ist die hohe Messgenauigkeit und der lineare Zusammen hang. Ein Nachteil ist d ie theoretische Trägheit solcher Systeme. Hild .f-K: Hauform eines Widerstandselements PT-100

Ofenmessung Für die Ofe nmessung bieten verschiedenste Hersteller Messgeräte in unterschiedlichen Preiskategor ien an. ln Tabelle 4-4 ist der prinzip ielle Systemaufbau eines Ofenmessgerä tes dargestellt und eine Fehlerbetrachtung der unterschiedlichen Syste me. Für den Anwender sind besonders d ie Mög lichkeiten der Auswert ung und Dokumentation wichtig. Die folgenden Mindestanfcrderungen für die Dokumentation sollte die Software eines Ofe nmesssyste ms enthalten:

206 • • • • • •


Messstelle nplan Angabe des Prüflings mit Wandstärke Anga ben zur Fühlerbaufor m Lacka ngaben Bewertung der Einbren nbedi ng unge n nach Fenster- ode r Limit meth ode O rdnungssystem. wie z. B. Dateim anager.

Zum Standa rd der Softw are- Pakete ge hören die Darstellung entsprec hende r Diagramme, Berec hnung vo n Min imal- und Ma ximal- We rten. Datenbanken für Lackparamete r.

Tu bell... ~~ : Systemaufbau eines OIen messgerätes und Fehlerbetrachtung

T hermoe lement Typ K

Wide rstandsmessung PT 100

± "C Bereich

Bereich An schl ussleitu ng

0,5

Stec kve rbinde r

0,5 Steckverbinder

z-Le itertec hnik

a-Leitencchnik

Ansch luss leitung

Kalibrierung

0,5

AutoCalUnit

d wege n On Boa rdTemp.

1,0

d wege n O nBoardTem p.

o o

AutoCalUnit

See beck Effekt 0,2

Verstärker

0,5

Verstärker

N D-Wand ler

0. 1

N D-Wandler

0, 1

3,3

Summe ±

0,1

±

Linearität, 3P-S pline

o o

Linearität

Summe

Systemaufbau

4"'.2 Anwend ung der Te m pera tur messu ng Die Te mperaturmess ung in der Praxis kann in zwe i Anwendu ngsbereiche unterte ilt werde n; •

Regelmäßige Kontrolle der Einbrennbed ingu ngen. Qualitä tskontro lle. Einmessen von Ser ientei len

•

Prozessoptimierung. also Reduzierung der Energ iekosten und der Taktze it

Einhrennhedingungen Ne ben der Vorbehandlung und Lackapplikation ist die korrekte Einhalt ung der vo m Lackherste ller vorgegebenen Einbrenn bedingung die dritte Prozessgröße für eine qualitativ ei nwan dfreie Beschichtu ng. Werden diese nicht einge ha lten. entstehen Fehler. wie sie in Tabelle 4·5, bezoge n auf die Einbrennb edi ngungen aufgelistet sind .


207

Tabelle 4-5: Fehlerbeim Einbrenncn von Lackicrungcn und deren Ursachen Fehler

Ursache

Fehlerer kennung

Mangelnde Haftung

Einbrennze it zu kurz

O fenmessung

Temperat ur zu niedrig

Gitte rschnitt

Taktzeitfehler Zu hoher G lan zgrad

Einbrennzeit zu kurz

O fenmessung

Temperatur zu niedrig

Glan zgradmessung

Taktzeitfehler Zu niedriger G lan zgra d

Einbren nze it zu lang

O fenmessung

Temperatur zu hoch

Glan zgradmessung

Taktzeitfehler Star ke Vergilbung

Einbrennzeit zu lang

O fenmessung

Temperat ur zu hoch

Farbmessu ng

Taktzeitfehler Nicht ausreichend vernet zrer Lackfilm ~ Schlechte Wetterbeständigkeu

Einbrennzeit zu kurz

O fenmessung

Temperatur zu niedrig

Glan z- und Farbmessu ng

Taktzeitfehler

Vernet zungs prüfung

Mit de m folgenden Beispiel soll gezeigt werden, wie die Ist-Temperatur in einem Umluftofen von den gew ünschten Temperaturen abwe ichen kann. Der Beireiber war der Meinung, es wäre alles in Ordn ung, da die Anze ige am Schaltschrank für den ge wünschten Sol l-Wert von 2 10 "C einen Ist-w e rt von zw ischen 208 bis 2 14 "C angezeigte. Eine Temperat urmessu ng im Ofen ergab da nn j edoch hohe Abweichungen. w ie das Messprotc koll, Bild 4-9 zeigt. Für die Abweichungen konnten folgende Ursachen ermittelt werden: •

die Temperaturanzeige war nicht kalibriert (Fehler +3 "C, Otfset --0,8 0C) ,

•

der einzige Luftfü hler im Trockner war sehr weit vom Warmlu fteintritt entfernt. das heißt annähernd am kältesten Punkt des Trockners.

•

die Luftführung war mangelhaft, durch zwei Lufte inlässe im ersten Drittel des Trockners.

Für den ß etre iber entstanden dadurch hohe Energ iekosten, der Pulve rlack w ies Überbrennungen und mangelnden G lanz auf und zusätzlich kam es, abhäng ig vom Farbt on. zu Farbunterschiede n durch Vergilbung. Als Lösung des Problems wurde der Luftfühler versetzt und kalibriert sowie die Lu ft führungskanäle entsprechend geändert.

208


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00 10

00 15

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1}41 26

Hild -l-9: Ergebnis der Temperaturmessung eines Umluft-Einbren nofens . Bei Einbrenntemperaturen von

180 "C O bjekttemperatur und einer gewün schten U mlu tuc mpcrarur von 2 10 " C wird deutlich. dass eine viel zu hohe Umluftte mpe ratur vorliegt.

Verti k ali nl age . VOR Opt lffiie ru nl}

sc» 125.0

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MOOO

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IJild 4-111: Temperaturprofil des O tc ns einer Vertikalanlage \'OT der Optimierung.

Forderun g: 170 "e/l O Minuten O bjekttem peratur

1-00.00

(~,

..."" ul

4.4 Messen de r Einbrenntemperatur

209

Ein weiteres Beisp iel zeigt den Zusta nd e ines Ofens eine r Vert ikalbesch icht ungsanlage (Bild 4- 10). Das Hauptproblem be i dieser Anlage war d ie zu niedrige Lufttempe rat ur im Einlaufbereich des Trockners. Dies führt dazu, dass die O bj ekttemperatur am unteren Profilende nur für 12:25 Minuten d ie geforderte n 170 "C und mehr erreichte , wä hrend am obere n Ende für 29:45 Mi nuten d iese Temperatur überschritten wird . Am unteren Ende ist dahe r der Pulverlack nicht ausreichend eingebrannt. Reklamationen sowohl wegen Nic hterreichen de r Einb rennbed ing ungen als auch Spätfolge n durch unterschied lich es Vergilbungsve rha lte n innerhalb eines Pro filstabes sind daher vorp rogrammiert. Auch eine Tak tze iterhöhu ng ist ausgeschlossen. Als Abh ilfe wurden neben der neuen Einste llung aller Zuluftgitter im unteren Einla ufbereich be idse itig jeweils 2 Gasstrahler installiert. Dad urch ist der Abstand zw ischen dem obe ren und de m untere n Profil ende über de r geforderten Te mperaturgrenze von 170 "C deutl ich geringer geworden. Es besteht nun auc h die Mögl ichkeit, d ie Ta ktzeitiDurchlaufgeschwi ndigkeit zu erhöhe n oder alternat iv dazu die gesamte Ofentem peratur als Energiespa rmaßnah me zu senke n.

4A. 3 Prozessoptimierung m it Hilfe d er Tem pera tu r mess u ng Feh ler im Zusammenhang mit der Temperatu rmessung bzw . -steuerung können sehr einfac h vermieden werden, indem eine regelmäßige Kontrolle des Ofens und eine Überprüfung der Te mpe ratu rfühler vorgenommen wird . Da in der Regel PT- IOO-Elemente zum Einsatz kommen. kann j eder Anwe nder mit einfac hsten Mitteln eine Kalib rie rung selbst du rchführen. Zur Kalib rierung kann wie folgt vorgegangen werden: Benöt igt werden je ein Messwid erstand mit R I = 100 211 ,34 -c,

n (Ohm) =

0.0 0 "C und R2 '" 180

n '"

Zuerst wird der O fTset, das heißt die Nullp unktversc hiebu ng korr igiert. Dazu wird der Tem peraturfü hler am Trock ner abgeklemmt und durch R I ersetzt, die Anze ige am Ste uersc hran k wird auf 0,00 "C ges tellt. Dan ach wird R2 augeklemmt und die Anzeige arn Ste uersc hrank auf 2 11,34 "C eingestellt. da mit ist sozusagen die Verstär kung einges tellt. Diese Prozedur ist pro Tempcraturmessstelle inner hal b von einige n Minute n ausfLih rba r. Damit ist die ko mplette Messkette. also Leitungsfehler und Fehler am Verstä rker im Schaltschrank, abgeglichen. Die Kosten für die Messw iders tände sind ger ing im Vergleich zu eine m Schadensfall bzw. Fehlchargen. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Rei nig ung der Fühle r. So wie sich im Laufe der Jahre an den Trocknerwänden eine Schic ht aus Sta ub und Lackresten ab lagert . wird auch der Te mperaturfühler von einer Schicht überzogen . Diese Schich t wi rkt wie ein Isolator und dämpft das Messslgnal. das heißt die gemessene Temperatur ist niedriger als der tatsächliche Zustand. Dadurch bekommt die Ste uerung eine nied rigere Ist-Temperatur. der Troc kner wird im Laufe der Jahre also immer heißer. Je nach Versc hm utzungsg rad reicht es in der Regel, wen n die Te mperaturfüh ler einma l jä hrl ich mit einer Drahtbürste ge reinigt werden. Häulig findet man, auch bei großen Troc knem. nur einen einzigen Luftfühler zur Steue rung. Das ist eindeut ig zu weni g und zudem nicht prozesssicher. Be i Ausfa ll dieses Fühle rs oder falscher Anzeige steh t die kom plette Anlage st ill. Sinnvo ll sind zumindest drei Fühle r, wobei als Führungsgröße de r Mittelwert verwen det wird .

2 10


...A .... Optimierungsmöglichkeiten im Bereich Einbrennofen an einem Beispiel Bevor überhaupt an eine praktische Optimierung eines T rockners zu denken ist. müssen die Ist-Zustände erfass t werden . Dabei ist minde sten s d ie Messung der Umlufttemperatur im Bereich der w arenträger erforde rlich. Die Messung der Lufttemperaturen im Bereich der Kühlzo ne und de r Oberflä chentem peraturen des Trockners im Bereich des Daches und de r Wände ist für eine weit ere Optimierung sinnvol l.

In Tabelle 4-6, Spalte Variante I, ist der theoretische Energieverbrauch eines Ofens aus der Anlage eines Lohnbeschichters mit Power& Free-Sys tem mit einer Warenträgergröße von 6,5 x 2.1 Meier dargestellt . Es wird im Wesentlichen Aluminium beschichtet. Die An lage ist etwa zeh n Jahre alt und wird mit Erdgas indirekt beheizt. Für die Energiekosten wurde ein Wert aus Arbe its- plus Leistungsp reis für Großabnehmer (bis 2 Mio. KWh/a) im Landkreis Regensburg ange setzt. Um Klarheit zu bekommen. ob ein Optimierungspotenz ial überhaupt vo rha nden ist, muss die eingesetzte Wärmemenge und deren Kosten auf die verschiedenen Verbraucher aufgete ilt werden. Im zwe iten Sch ritt kann dann (siehe Spa lte Variante 2) überlegt werden, welehe Verä nderunge n wirtsch aft lich vertretbar sind. Ein wese ntlicher Faktor für ric htige Einbrennbedingungen ist die Verteilung der Uml uft. Treten große Te mperat urunterschiede auf. so muss schließ lich die Verweilzeit nach den schlechteste n Bedingungen ausgelegt werden. Ferner muss zwisc hen der angezeigten Trocknertem peratur am Schaltschrank und der tatsäch lichen Tem peratur im Bereich der Warenträger eine gewisse Übereinsti mmung hergestellt werden. Hier können , je nach Platzierung der Te mperaturfühle r, se hr große Untersch iede aufreten. Wie da s Besc hichtungsgu t se lbst. müssen auch die Warenträger mit den er forde rlichen Gehängen bei jede m Ofendurchgang erwär mt werden. Hier ist eine Verände rung an bestehenden Einr icht ungen fast unmög lich. Bei Neuanschaffung so llte j edoc h unbed ingt auf die Wand stärken. sowohl de r Trave rsen oder Warenträger als auch der Gehä nge, geach tet werden . Im vo rliegende n Beispiel war ein versch leißbedi ngter Ersatz der Warenträger erfo rde rlich. Bei der Neuansc haffung wurde da her d ie Wandslä rke der Traversen von 5 auf 3 mm und die der Gehä ngewandstä rke von 3 auf 2 mm reduziert. Die Konturen wurden lasergeschnit ten opt imiert. Diese Maßnahmen führen zu einer durchsch nittlichen Gewichtsredu zieru ng von etwa 34 kg pro w arenträger. Durch diese Gewic htsreduzierung sind hier Einsparungen vo n ca. 18 % möglich. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Isolierung. Bei einem vorhande nen Trockner ist das Nach isolieren meist schw ierig und aufwä ndig. Im Falle einer Neuanschaff ung sollte deshalb auf die Außentemperaturen geac htet werden. Wic htig ist vor allem eine gu te Iso lierung im Dachbereich . In der Optimierungsberec hnu ng für dieses Beisp iel wurde eine Nachisolierung nur des Dachbereiches m it ein bezogen, was einem Optimierungspotential von 17 % entspreche n würde. In diesem Beispie l j edoch stand der Aufwand in keinem Verhä ltnis zum Nutzen, womit diese Änderung nicht wirtschaftlich sinnvoll ist.

21 1


Tabelle ~-6 : Gegenüberstellu ng vo n zwei Varianten. Variante 1 '" Ist-Zustand und Variante 2 '" optimierter Zustand. zur Reduzierung des Energieverbrauchs be i einem Lohnbcschichtcr Formeln

Einheit

Umlufnemperatur Warentemperatur mittlere Jahrestemperatur Frischluft Raumtempe ratur

Benennung

tu TW

'C 'C 'C 'C

215,00 200,00 10 ,00 22,00

205,00 190,00 50,00 22,00

Gewicht Ware pro Wa renträger scez . Wärmekapaz ität Ware Aulh eizzeit Ware Gewicht Warenträger spez. Wärmekapazität Warenträger

rn ware

kgiC harge kJ/(kg' K)

360,00

360,00

0 94

094

m"

22,00 165,80 0 ,49

17,00 131,14 0,49

8500,00 0,49 60,00

8.500,00 0 ,49 45,00

650,00 1,005 1,293

650,00 1,005 1.293

10 ,00

10,00 9,50 5,00 0,10 385,00 0,070

T,

re C Ware t ware

mM oM

Gesamtgewicht Trockn er spez . Wärmekapaz ität Trockner Aulheizzeit Trock ner

mT.

Frischl Abluftmenge soez. Wärmekapazitä t Luft mittlere Dichte der Luft

mc""

Außenabmessung Trockner

". n.

Wa renträger

Sctuchtbetneb

Wi r1 25 "C) und entsprec hen d lange Ze iten (t > 2 min) wirken sic h vortei lhaft auf da s Erge bnis a us. Eine zusätzliche Bewegu ng der Tei le ode r Umwälz ung ist e ben falls vortei lhaft.

5.3 Mec hanische Vorbehan dlung

219

5.3 Mecha nische Vorbehandlung Zie l mec hanisc her Oberflächenvorbereitungen ist es, Verunrei nigungen dadurch zu entfernen, indem man sie abträgt und gleichzeitig einen Obe rfläche nzusta nd schafft, der eine gute Haftung von Beschichtungen ermög licht. Es erfo lgt meist auch ein gleichzeitige r Abtrag der Substratoberfläche . Die mecha nischen Methode n eignen sich vorrang ig zum Entferne n feste r Verunre inigunge n. Dabei geh t es vor allen Dingen um Zunde r, Korrosionsprodukte und auch alte Beschichtungen. Als Besonderheit beim mechanischen Vorbere iten gilt, dass nicht nur die Verunre inigungen entfernt werden, sondern auch eine neue aktive O berfläche entsteht. Dabei wird dem Substrat ein neues Oberflächenprofil, das heißt eine veränderte Rauheit aufgeprägt. Daneben kann es zur Verfest igung der Oberfläche oder zu Kerbw irkungen kommen. Welche Art der mechanischen Obe rflächenbe handlung vorgesehen wird, hängt von Faktoren wie den Eigenschaften de r Verunrein igungen, der Art des Reinigu ngsobj ekts. dem Reinigungsziel und von örtlic hen und w irtscha ftlichen Gegebenheiten ab. Auc h sind die Forde rungen des Umweltschutzes und der Arbeit ssicherheit zu beachten . Es ist zu beac hten, dass durc h Strahlen. Sch leife n und Polieren oxidische Fremdschichten. Fette und Öle sowie Tren nmittel von der Oberfläche entfernt und auc h Defekte beseitigt bzw. übe rdeckt werde n können, ande rerseits jedoch auch neue Fremdschichten und Defekte erzeugt werden können. Vielfach werden durch d ie mecha nische Oberfl ächenbehandlu ng Fremdschichten und Defek te unter d ie Oberfläche ..verlagert", und Probleme mit der Haftung und de m Korrosionsschutz treten erst nach ein iger Zeit auf. Aus füh rtich wird über die mechan ische Oberllä chenvorbereitung in (16, 17J und vor allem in [ 18] beric htet.

5,3.1 Sc hleifen und Bürsten

Schleifen

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Verformung

-

Sch leifkom

OOI . ... e..-

••

0

•

'. 000 .... (2OOO" j

•

•

•

Hilt! 5- 1.1: EDX-Spcktrurn eine r Gclb-L'hmmatschicht auf AIMg J

•

•

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266

Hild

5 Ober fläche nvorb eha nd lung vo n r>.letallen

5- 1 ~ :

REM-Aufnahmc einer Schicht hergestellt aus einer Grünchromaticrung, Substrat

Schiehrgewic ht LOgl m 2

-'--""','-'-

,

Hild 5-16: EDX-Spcktrum e incr Grün-Chromatschicht auf AIMg I

-..

AI~l g L

5. 10 Vorbehand lung von Alumini um

267

Grunchromatierung Die Lösungen der Grü nchromatierun g enthalten sta tt Salpete rsäure Phosphorsäure und üblicherwe ise keinen der bei der Gelbchromatier ung verwendeten Beschleuniger. Orönchromarierungen ze igen ohne eine nachfolgende Beschichtung einen etwas geri ngeren Korrosionsschutz als die Gelbchroma tierungen . Sie sind empfindlicher bei kritischen Legierungs zusammensetz ungen als d ie Gelbchromatierungen. In Komb ination mit Lac kschichten ist prakt isch kein Unterschied im Korrosionsschutz festzuste llen. Rea ktionsablau fu nd Schichtzusamme nsetzung bei ei ner Grünchr omatierung au f Aluminium:

-+

Beizreaktion .

2 AI + 6 H'

Grönchromatlenm g:

CrzOt + 8H+ + 6 (H) -+ CrJ+ + Cr(O H).1 + 4 HzO +3 H+ h

Cr + PO/" -+ 2 AI" + 6 11 20 -+

2AtJ+ + 6 (11) CrP0 4 A I20 j 3 H 20 + 611 +

Chrom-Phosphaischicht: CrP0 4x 6 IIz0 76 - 88% AI20 J 3 H20 12 - 23% Es en tstehen durch Reakt ion der Che mikalien in der Chromatierungs l6sung mit der Alu miniumob erfläche schwer lösliche feine Krista lle, die fest mit der Oberfläche verwac hsen und eine dichte mikroraue Sc hicht bi lden . Bei der Gr ünchromarierung wird eine kristalline Chrom(111)-Aluminium-Phosphat-Oxidhyd rat-Schicht ausge biIdet.

Chrom(/11)· Passivierung Der Reaktionsmechanism us bei der Abscheidu ng der Passtvierungsschicht au s Cr 1' -hahigen Lösungen ist in zwei Te ilbe reiche zu gl iedern: I. die Aktivieru ng der Metallob erfläche 2. die Abscheidu ng der Passivierungsschicht Die Aktivierung der Aluminiumoberfläche erfolgt bei d iesem Prozess ebenfalls durch Fluoride. Die Sch icht ist ein Mischoxid aus Cr- und Aluminiumoxiden bzw. -hydroxiden. Vor- und Nac hteile der Cr( III)-Schichten: • • •

• • • • •

Cr( 11lj-Oxide sind sehr stabil guter Korrosionsschutz und Haftgrund für Beschichtungen anzuwenden für Aluminium und ve rzinkte Oberflächen, wobei für einen opt imalen Korrosionssc hutz die Opti mierung der Passtvierung auf das j eweilige Gr undmaterial empfohlen wird ein gewisser Korrosionsschutz ist auch ohne Lackierung gege ben farbige Schicht, j e nac h Grundmate rial und Legierung ist ein gelb licher Farbto n zu erziele n Sch ichtgew ichtbestimmung erfolgt wie bei der Gelbchromatierung Nac hteil ist ein sehr enges Prozessfenster hinsichtlich des pH-Wertes der Prozess reag iert em pfindlich aufVerschleppungen , Hydroxidverschleppungen führen zum Ausfallen von Cr(O HlJ, Phosphat-Verschleppungen führen zu m Ausfallen vo n Cr P0 4

5 Oberflächenvorbehandlung von Metallen

268

Heute werden in der Rege l Form ulierungen auf Basis vo n Cr(IIl) Salzen und org anischen Säuren (Oxalsäure) od er au f Basis von Cr(1Il}Sa lzen und mineralisc hen Säu ren eingesetzt. Ne uen Generatio nen vo n Cr(Il l)-Vorbehandlungen werden auch selbsth ei1ende Eige nschaften nachgesag t durch die Einlage rung von ch emisch inerten Nanopartikeln. Die Wanderung dieser Partikel in Risse ode r Feh lstellen/Beschädigungen des Konversionsfilms verursac ht den SelbstheilungselTekt. Die Nanopartikel bilde n nach Angabe n der Hersteller ein en quasi To pCoat auf dem Chrom atfilm beim Tauchen. Die Dicke der Schic ht liegt bei c irca 400 nm. Optimale Badtem perat ur ist T = 30 "C, pll-Bereich 1,8 bis 2,2, die Schichtbi ldu ng erfo lgt inner halb 30 Seku nden. Bei pl-i-We rten < \, 8 kom mt es zur Filmauflös ung be i höheren pl-i-Werten > 2,2 fallen die Nanopart ikel aus, bevo r es zu einer Filmb ildung kommt.

5.10,6 C hro mfre ie Ver fa hre n Aufgrund de r scho n benannten Nachteile des Chrom( VI) suc ht man sc hon se it längerer Zeit nac h Alternativen. Ta belfe SOS: C hromfreie Ve rfahren und de ren Anwendungsrn ögfich keitc n

A luminiu m

• • • • • • • •

Anodisation Zrffi

C"

Chrom( lll ) Phosphatierung SA M Sila n Nano Keram ik Schic hten

Zink

• • • • •

Chro m(lIl) Phosphatierung Cer Silan Na no Keramik Schic hten

Stahl

• • •

Phospharierung

Silan Nano Keramik Schich ten

Titan-Zirkonverf ahren Seit langem ist die Verwendung von Übergangsmetallve rbindu ngen - insbesonde re von Z ir· kon und T itan - zur Vorbeha ndl ung von Aluminiu mo berflächen bekann t. Es werden sa ure Lösungen angewa ndt, in denen Zi rko n bzw. Titan oder be ide komplex ge löst sind und die weitere anorganische und/ode r organische Additive entha lten. Als Komplexierungsmiuel wird meist Fluorid eingesetzt. Es wird ein dreistufiger Mech anismus für den Aufbau der Konversionssc hicht im Beha ndlungsba d angenom men , der mit einer Be izrea ktio n beg innt, be i der Aluminiumoxi d und -metal! aufgelöst werden . Die frei gese tzte n Alumin iumionen reag ieren sowohl mit Wasser (Hydro lyse) als auc h m it de m Übergangsmetallkom plex (Um ko mplexierung ). Schließ lich kommt es an de r Obe rfläche zur Ausfällun g von hyd ratisie rten Oxidsc hichten des Al uminiums und des Übergangsmetalls. die zudem noch Kom plexbildner und andere Lösungsbestandteile entha lten können. Es findet keine Redoxreaktlon statt, die Ox idationsstufe des T i/Z r ist +4 in der Lösung wie auch in der Sch icht. Die Sc hichtb ildu ng startet bevorzugt im Bereich der intermetallis chen Phasen.

5.10 Vorbehandlung von A lumin ium

269

Die Schichtbildung erfolg t nach folgende m Prinzip: I. An den intermetallischen Phasen (bei Al uminium) ents teht Wasserstoff'{ Hj},

2. Es kommt zu eine m Anstieg des pH- Wertes, wobei die Löslichkeit des Oxides sinkt . 3. Es kommt zu einer Oxid-Fällu ng, zuerst und vorwiegend an den interm eta llischen Phase n. In Bild 5· 17 ist de r prinzipielle Aufbau einer solchen farblosen Schicht skizz iert. Bild 5-18 ze igt eine Aluminiumoberfläc he im Rasterelektro nenmikroskop mit einer Zr/TiSc hicht im Bereich einer intermetallischen Phase, Bild 5-19 zeig t das Analysene rgeb nis der EDX· Analyse dieses Bereiches.

AI-Metall

Hild 5-17: Schematischer Schichtaufbau bei Titan/ZirkonVerfahren [62J

Bild 5-HI: REM-Aufnahme einer Zr/Ti Schicht auf einer AIMg I-Oberfl äche

270

5 Oberflächenvorbehandlung vo n r>.leta llen

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Hild 5-19: Ergebnis der EDX-Analysc im Bereich der intermetallischen Phase aus Bild 5-1 8 (heller Bereich )

Die Sc hichtdicke bzw. das Sch ichtgew icht wird in der Regel nicht direkt bestimmt. sonde rn über die auf der Oberfläche per Röntgen-Fluoreszenz ge messenen T itan- bzw. Zirkonauflagen. Sie liegen im Bereich bis zu 30 mg/rn", Voraussetzung filr eine Vorbeha ndlung mit Ti/Zr-Verb indungen sind eine hohe Wasserquali tät direk t vor sowie bei Spül proze ssen auch nach der Konversionsbehandlu ng (VE-Wa sser). Die Sc hichten sind se it viele n Jah ren für die Behandlung von Getränkedosen aus Alumi nium im Einsatz. Auch für Al uminiumband, das mit Lebensmitteln in Kontakt kommt (z. B. Schraubversch lüsse von Glasüaschen), ist diese Art der Kon versionsbehandlun g im Einsatz. Seit kurzer Zeit wird sie auch für die Vorbehandlung vo n Alumin iumprofile n eingesetzt. In der Karosserievorb ehandlung haben derartige Ver fahren ebenfalls Eingang gefunden. Die Vorbehandl ung des Audi AB vor der kathodischen Elektrotauchlackierung beruht auf der Bildung einer de rartigen Kon versionsschicht. Auch im Rohbau einer Karosserie , die Aluminiu m enthält. komm t dieser Verfahrenstyp zum Einsatz. Hier dient er allerdings vo rrangig dem Ziel, einen g leichmäß igen Untergrund für Verklebungen und Verschweiße n des Aluminiumblechs zu gew ährleisten. Dazu wird das Blech nach dem Umformen (T iefziehen) gereinigt und in einem kombi nierten Schritt gebeizt und gleichze itig mit einer dünnen Konversionsschicht überzogen. Die Erzeugung der Titan-/Zirk on-K onversionsschich t auf de m Coi l hat darüber hinaus den Vorteil, dass d ie Punktschweißbarkeit des Aluminiumblech s auch über eine länge re Lagerze it gegeben ist. Ohne eine derartige Beha ndlung nimmt der O berflä chenwiderstand de s Blechs aufgru nd de r fortsc hrei tenden Bildung des natü rlichen O xidfi lms ständig zu; dad urch w ird die

5. 10 Vorbehand lung von Alumini um

27 1

Sc hweißbarke it scho n nach kurzer Zeit in Frage gestellt. Die Konversionssch icht verhinde rt ein derartiges Wach sen der Oxidschicht und hält den Oberfl ächenwiderstand au f einem niedrigen Nivea u weitgehend konstant. Eigenschaften der Zrffi Schichten: • Schichtbildung erfolgt in Sekunden • gute Lackhaftung und Korroslo nsbestandtgke h, allerdings abhäng ig von der Aluminiumlegierung und dem Lack system (Lacktyp Pulver od er Flüssig) • multimetallfahig, j edoch nicht im gleichen Proz essbad • Schichten sind farblos • Prozess reag iert empfindlich auf Verunreinigu ngen ode r Verschlepp ungen

Trikat ion-Zinkphosphatterung Für die Vorbehandlung vo n Automobilk arosserien ist seit mehr als 10 Jahren die TrikationZinkphosphatieru ng Stand der Technik [62]. Sie wird angewandt in Kombina tion mit eine r nachfolgenden kathodischen Elektrotau chlackierung, auf die dann die übrigen Lackschichten au fgetragen werde n. Der Behandl ungsprozess. der sowohl im Ta uchen als auch im Spritzen durchgeführt werden kann. umfasst prinzipiell folgende Prozessschritte. die te ilwe ise meh rfach ausgelegt sein können: Reinigung Spülung Aktivlerung Phosphatierong Sp ülung Nachspülung (optio nal] Spülung mit VE-Wasse r In der Aktivierung wird die Obe rfläche mit Titanphosphatpartike ln belegt. auf denen in der anschließenden Stufe die Zinkp hosphatkristalle aufwac hsen. Das saure Phosphatierbad enthält neben den Kationen des Zink s, Mangans und Nickels einen Beschleu niger (z. 8. N itrit) sowie weitere Addit ive, die für eine optimale Schichta usbildung benötigt werden. Die Zinkp hosphatierung war ursprünglich für Stahloberfläc hen. später zusätzlich fü r verz inkten Stahl konzipiert. Als Aluminiumteile an der Rohkarosse eingeführt wurden, die ebenfalls mit einer Z inkphosphatschicht (nickel- und manganhaltiges Hopcit Znl(PO. )1 . 4 H ~O) belegt werden sollten. musste der Prozess mod ifiziert werden, da freie Aluminiumionen schon in ge ringen Konzentrationen die Phosphatierung auf Stahl stören (Phosphatier-Glft ). Dieses Problem kann durch Zusatz von Fluorid gelöst werden. Dieses komplexiert einerseits da s aufgelöste Aluminium, so dass es die Bildung der Phosphatschicht nicht mehr stört. und sorgt andere rseits durch Ausfällung dieses Komplexes als Natriumsalz (Ktyolith Na J AIF6 ) für die Entfernung des gelösten Aluminiums aus der Phosphatierlösung. Die Mengen an gebildetem Kryolith können allerdings recht beträchtlich sein - man rechnet mit 8 bis 12 glm~ Aluminiu moberfläche. was die Handhabung des Prozesses bei größer werdendem Aluminiumanteil erschwert. In Bild 5-20 ist die Zinkphosphatierung auf Aluminium schematisch dargestellt; Bild 5-2 1 zeigt eine phosphatierte Aluminiumoberfläche, wie sie in einem Rasterelektronenmikroskop erscheint. Die Nachspüllösung beim Phosphatierprozess ist in vielen Anlagen nach wie vor chromhalrig. in vielen Fällen w urde aber bere its auf eine zirkontluoridhaltige Lösung umgeste llt.

5 Oberflächenvorbehandlung von Metallen

272

o

Entfe tten I Beizen I Deoxidieren Aktivierung (aus TiPh-Kol1oid-Lös.) AIOx-Auflösung

o f) c)

e

Beschleuniger-Reduktion o Komplexierung der AI-Ionen e Kryolith-Fällung Q Bildung stabiler ZnPh-Keime

Metall -Oxidation

o

Cl 6 TiPh 100·300 nrn x 7 · 15 nm

AIOOH+ 3W ..... A I» + 2H20

~~-.i

Wachstum der ZnPh-Kristalie

e NO

l " . 20 "+ 2W ..... NOi+ H20

o

o 3Na' + AIF. )- ..... NaJAIF&

o AI3+ + 6F ..... AIFs

3Zn 2' + 2H2P04" + 4H20 :::~"",..,: zn3(Po.lz'4 H 20 + 4W

$.

OA1..... AI3++3e ·

• AI

AIQx

Hild 5-20: Ablau f der Zinkphosphaticrung auf Alum inium 1621

Hild

~2 1 :

REM Aufnahmen ei ner Zinkphosphatschicht au f Alumi nium: ungeschliffen links und gc-

schliffcnc Oberfl äche [rechts) 162 J

5. 10.7 Entwic k lungen in der V or behandl ung Im Folgenden werde n Verfahren beschrieben, die in d ieser Form noch nicht oder nur versuchsweise in der industriellen Fertigung eingesetzt werden. Es handelt sich einerseits um ein neues Konversionsverfahren. andererseits um Adsorptionsverfahren.

5.10 Vorbehandlung von Aluminium

273

Das Cerat- Verfahren Seit Beginn der 80er Jahre ist die inhibierende Wirkung von cerhaltigen Lösungen auf Aluminiumoberflächen bekannt [64]. Da Cerverbindungen. analog den Chromverbindungen, in zwei Wertigkeitsstufen vorliegen können, wird ein vergleichbarer KOrTosionsschutz-Mechanismus mit mobilen Cerionen in einer cerhaItigen Konversionsschicht diskutiert. Derartige Schichten zeichnen sich noch durch eine weitere Besonderheit aus: Sie weisen eine ähnliche Färbung wie die Gelbc hromatierung auf. Die Prozessfolge umfasst analog einer Chrornatierung Reinigen, Beizen oder Deoxidieren, Konversionsbehandlung und Trocknung. Der Aufba u der Konversionsschicht wird ganz wesentlich von Potenzia lunterschieden auf der Oberfläche bestimmt, wobei die Abscheidung an kathodischen Stellen beginnt. Aufbau und Zusammensetzung der Schicht hängen damit auch in gewissem Umfang von der Legierungszusammensetzung ab. Generell kann man davon ausgehen. dass auf dem Metall eine Aluminiumoxidschicht gebildet wird, auf der eine im Wesentlichen aus Cerd ioxid (Ce02) bestehende Schicht aufwächst. Diese Schicht kann zusätzlich noch Aluminium enthalten und ganz oder teilweise nanokristallin (Fluoritgitter ) vorliegen. Die Schichtgewichte liegen im Bereich von 0, 1 bis 1,0 g/m2• Die Behandlungslösung basiert auf Cer( lIl)-salzen und enthält je nach Anwendung weitere Zusätze: Im Flugzeugbau käme als weitere Komponente Wasserstoffperoxid (I h0 2) zum Einsatz, um die Behandlungszeiten auf wenige Minuten beschränken zu können. Weitere Beschleuniger sind nicht notwendig, da die eingesetzten Leg ierungen (z. B. AA 2024) größere Mengen Kupfer enthalten und damit kathod ische Bereiche von vornherein in ausreichender Menge vorliegen. Für d ie im Automobil- und Architekturbereich überw iegend verwendeten Legierungen der AA 5xxx- und AA 6xxx-Serie trifft dies jedoch nicht zu. Hier sind weitere Beschleuniger, z. B, in Form von Übergangsmetallkomplexen. notwendig, Im Gegensatz zur Chromatlerung kommen im Cerat-Verfahren keine Fluoride zur Anwendung. Die bei der Behandlung von Aluminium in der sauren, etwa 40 bis 50 °C warmen Lösung ablaufenden Reaktionen sind sehr kompliziert und noch nicht gänzlich aufgeklärt, Wie bei anderen Konversionsreaktionen sind auch hier u.a. Beiz- und Fällungsreaktionen maßgeblich beteiligt, wie in fo lgenden, stark vereinfachten Reaktionsgleichungen beschrieben: Beizreaktion. 2A1+6 H+ ~ 2AI.l++ 31h Schichtbildung. lCe + 11 202 +l H20 ~ 2Ce0 2+6H+ Die gebildete Cerntschicht ist eine geeignete Grundlage für unterschied liche Lacktypen. Pulver- und Lösemittellacke sind ebenso applizierbar wie anodische oder kathodische Elektrotauchlacke. Die bislang durchgeführten Korrosions- und Lackhaftungs-Prüfungen belegen, dass vergleichbare Resultate zur Chromatierung erreicht werden können [62]. Eigenschaften der Cer-Schichten: • • • • • • •

Schicht ist farbig, ähnlich einer Chromatierung Dichte, gleichmäßige Schicht. Dicke ca. 100 nm Gute Korrosionsbeständigkeit und Lackhaftung bei Aluminium Kein Fluorid in der Lösung Viele Prozesssehrtue und zeitaufwändige Schichtbildung. da das Cer(IY) an der Substratoberfläche aus Cer(l ll ) gebildet werden muss Relativ teuerer Prozess Funktioniert im Moment nur durch Tauc hen

5 Ob erflächenvorbehandlung vo n Metalle n

274 • • •

Lösu ng selbst ist stark sauer Lösungen ent ha lten He l «('ce i,), wirkt star k korrosiv a uf d ie Umgebung Anzuwen den im Moment ausschließlich auf Aluminium. erste Versuc he auf verzi nktem Untergrund

Das SAM- Velfahren Die Abkü rzung SAM ste ht für Self Asse mbling Molec ules [62.64], also Moleküle, die sich auf einer Ob erfläche se lbst in eine gewisse Ordnun g bringe n. Das Prinzi p, organische Moleküle mit funktionel len Gruppe n auf eine Oberfläche aufzubringen , so dass au fgrund der räumlichen Nä he die Wec hselw irkung zwische n den Kohlen stoffketten ausreicht, d ie Moleküle auszurichten, ist se it langem be kannt. Ande rs als bei den klassischen Konversionssch ichten erfolgt bei diesen Adsorpti on sschichten ke ine Beizre aktion. so nde rn funkt ionelle G ruppen eines orga nische n Molekül s, z. B. Phosphonsäuregruppe n, reag ieren m it einer hydrat isierten Metalloxideberfläche in einer Säure-Base -Reaktio n nach Gleichung (1) (schematisch): Schic htbildung. Me(O Hh + (HO)JP-R -? Me(OhP-R + 3 HlO

GI. ( I)

Im strengen Sinne handelt es sich also um eine Ch emis orpt icn . Aus Gleic hung (I ) ge hl ein wesentli cher Vorte il dera rtiger Verfa hren hervor : als Reakt ion sproduk t entste ht lediglich Wasser, ein Eintrag von Metall du rch Abbe izen findet nicht statt und stellt deswegen für die Entso rgu ng auc h kein Pro blem da r. Außerdem wird deutlich, waru m diese Verfah ren sich hauptsäch lich für d ie Behandlu ng vo n Aluminiumoberflächen eignen: Die hydrat isierte Metalloxidoberfläche, an die die organischen Molek üle ge bunden sind, haftet ihrerseits fest auf dem Metall. Dies ist bei anderen Substrate n, r. B. Z ink, nic ht der Fall.

Mono-molekulare SAM Sc hicht

0,

\

Me hrlagige SAM Sc hicht

/

AI-OXid/Hydroxid Sc hicht Hild 5-22: SAM-ochanddtc AIMg l -OocrOlichc [62]

Ein idealisiertes Mod ell der en tstehe nden Schicht, d ie auf de r Al uminiummatrix monomolekul ar vo rlieg t, währ en d intermetall ische Aussc heidungen meh rla gig bedeckt werden, zei gt Bild 5-22. Gl eichzeitig wird aus dieser Ab bildung deu tlich. dass der Kor rosionsschutz durc h Blockade der kat hod ischen und anodischen Tei lrea ktio n wi rksam wird. Werden die Molek üle an be iden Ende n mit einer funktione llen Gruppe ausgestattet, ist nicht nur die Anbindung an das metallische Subst rat. sondern auch an einen ansc hließend aufge tragenen Lack mög lich.

5. 10 Vorbe hand lung von Alumini um

275

Der SAM-Prozess umfasst eine alka lische ode r saure Rein igung der Aluminiumoberfläche. gege benenfalls schließt sich nach eine m Spülvorga ng ein sa ures Dekap ieren an. Wichtig ist ei n mehrfaches. abschl ießend mit vo llentsa lztem Wasser durchgeführtes Spülen, da mit keine Salzrückstände in die wäss rige, saure S A ~t - Lös u ng ein getragen werden. Die Adsorpti on der Moleküle an der O berfläche gesc hieht in der Regel so sc hnell, dass diese Tec hno log ie auch für die Bandb ehand lung mit ihren üblicherwei se kurzen Behandlu ngszeit en gee ignet ist. A ls An wendungsgebiet wird zur Zeit u. a. die Beiz pass tvie rung von A luminium vor dem Schweißen und Kleben in der Automo bilfertigung untersu cht. Weni ger gee ignet sind SAMSc hichten für ein e anschl ießende kathod ische Elektrotauchlackierung, da dabei die Aluminiumoberfläc he tei lweise ang egritTen wird. Sehr gute Erge bnisse liegen dagegen für die Vorbe hand lung von Autofclgen aus Aluminium sowie aus dem Bereich der Bandind ustrie für Archit ekt uranwendungen oder Lebensmittelverpackungen vor.

Die Silan- Technolog ie Ein ähn liches Prinzip der Anb indung einer Vorbeh andl ungssch icht an eine Metalloberfl äche wie bei der SAM-Besc hichtung w ird bei der Silan-Tec hno logie [62. 65. 66] verfolgt. die in den letzten Jahren zunehmend an Aufmerksamkeit gewo nnen hat. Als Haftvermittler in orga nisch basierten Sys temen seit vielen Jahren bekannt, wu rde diese Verbindu ngskl asse in j üngerer Zeit filr die Ob erflä chenbehandl ung von Metallen adaptiert und kann prinzipiell auf allen übliche n Oberfläc hen (Sta hl, Zink, Aluminium oder ents prechen de Legierungen) eingesetzt werden . Als Silane werden dabei Moleküle mit folge nder For mel bezeichn et: RZ _ Si (O RI}l R I ist meist ein e Methyl- ode r Ethylg ruppe. RZ repräsent iert eine Alkylkette. die eine funktione lle Gr uppe. z. B. eine Aminogruppe, trage n ka nn oder eine weitere Alkoxy- Silyl-Gruppe. Typische Vertreter so lcher Silane. w ie sie in der Oberflächenbehand lung zum Einsat z kommen . sind : y-APS: H2 N-CH :CH; CH: -Si {OC: H'}.l BTSE: (C: H,O )JSi-C H:C H:-Si(OC 2 H, h Einzeln e oder meh rere Silane werden normalerw eise in einer wasserb asierte n Lösun g zunächst hydroly siert, so dass sich Si(O ll)-G ruppen bilden. die ei ne gute Haftung zu einer Oberfläche herstellen kön nen. Da neben de r Hydrolyse auch Kondensationsreaktionen unter Bildung von Ollgomeren bzw. Polymeren ablau fen können, bedarf es einer so rgfaltigen Auswa hl der RohstotTe und ei ner genauen Einhaltu ng der Reaktionsbed ingungen. Die so hergestellt en Konzentrate werden vom Chem ikalienlieferant für die Obertlächenbehand lung zur Verfügung gestellt. Die Behand lung der Obe rfläche setzt eine wasserbenetzbare hydr atisiert e Ox idschicht voraus. die in der Regel durch eine alkalisc he Reinigung mit ansc hließe nder Spü lung erre icht wird . Für die Applikation der Si lane wurde zunächst ein Zwei-Stufen-Pro zess entwickelt : Hierbei wird zunächst ein nicht-funktionelles Silan (z. B. BTSE ) auf die Oberfläche aufgebrac ht; dabei werden starke Me-Ocg i-Bindungen erha lten. Im Ansc hluss daran wird ein funktionell es Silan (z. R. y-APS) mit der Ob erfläche in Kontakt geb rac ht, das über Si-O-S i-Bindunge n an die BTSE-Schich t anko ppelt und dessen funktionel le Gruppe (z. B. d ie Aminogrup pe) für die Haftung anschließend aufgebrachter Lacke, Kleb er usw. zur Verfügu ng steht. Mittlerweile können abe r geeignete Mischun gen vo n Si lanen zu r Verfügung gestellt we rde n. die in einem einzige n Schritt aufgebracht werde n und den noch eine feste Bindung zur Metall-

276


e berfläc he aufweisen. Auß erdem werden be im ansc hließende n Trockne n der Si lansc hicht res tliche Si-O H-Gruppen kond ensiert. was zu einer mehr oder weniger starken Vern etzung de r Schicht füh rt ( Bild 5-23). Üblicherw eise werden tUTden Korrosion ssch utz unte r Lack Schichtdic ken in de r Größ enordnung von 50 bis 100 nm angestre bt. Dick ere Schichten könne n für den Korrosion ssch utz des blanke n, nic ht weiter beschichteten Blec hs eingestellt werd en .

Hild 5-23: Schematische r Aulhau von Silan-Schichten auf Aluminium [62. 66)

Entscheidend für die Schichtdic ke ist in der Regel die Konzentr ation der Silane in der Behandlungslö sung, während Beha ndlu ngszeit. Temperatur und pH-W ert nur eine untergeordnete Roll e spielen. Die bisherige Erfahrung zeigt , dass je nach Substrat, organischer Beschicht ung und Anwendungs fall unterschiedliche Silane zum Einsatz kommen sollten. Am weitesten fortgeschritten sind Vorbehandlunge n für verzinkte Oberflä chen. vorallem in der Ba ndanwendung. Grundsätzlich können diese Systeme j edoc h bei jeder denkbaren Art de r Vorbe handlung eingese tzt werden. Eigen scha ften de r Silanschichten bzw . des Silan-Ve rfahrens: • • • • • • • •

•

gute Haftungseigenschaften auf der Metalloberflä c he wie a uch guter Haftgru nd für Lacke ein gewisser Selbstheihmgseffekt wird den Schichten nac hgesagt gute Umfo rrnharkeit Schichtdicke liegt im Be reich 60 bis 100 nm anz uwe nde n für Leic htmetalle ( AI, Mg), Zink bzw. verzinkte Oberflächen. Sta hl schlechtere Korrosion sbestä ndigke it im Verg leic h mit einer Chroma rierung reagie rt emp find lich auf Ve run reinigung e n der Metalloberfläche Au swa hl spezieller funk tional er Gruppe n notwendig fllr eine gute Lac kha ftung vernetzung bzw . Selbstvernetz ung der Silane in de r Lös ung muss verhindert we rde n

5.10 Vorbehandlung von A lumin ium

277

Voranodisat ion In organ ischen und anorga nische n Säuren sowie Mischsäuren kann mit Hilfe des ele ktrische n Stromes bei Alumini um eine festhaftende Oxidschicht erzeugt werden. Diese Eloxa lschichte n sind in der Tech nik schon lange bekan nt und werde n in verdichtetem Zustand in Schichtstärken von 20-25 11m zum Schutz und zur Dekoration des Aluminiums im Bauwesen angewe ndet. Als Konversionsschicht ist bisher die sogenannte Vcranodisationsschicht, hergestellt unter definierten Bed ingungen, von der GSB International zur Herstellung einer Haftvenn itt lerschic ht bei Aluminium zuge lassen. Es wi rd eine Elektro lytzusammen setzung von 180 bis 200 gl i H1 S0 4 gewählt. wobe i die folge nden Parameter einzuhalten sind: max. Alu miniumgeha lt Chloridgehalt Temperatur Str omdic hte Schic htdic ke

15 g/I < 0, 1 g/ I

20 -JO°C I - JNdm2

3 - 8 1l m

Die Tei le werden nicht verdichtet. Da eine nicht ve rdichtete Ox idschicht sehr empfi ndlich auf Versc hmutz unge n reag iert Feuchtigkeit, lI andschweiß oder Fette und Öle wer den beg ier ig au fge nommen und sind mit einer Reinigung nicht mehr zu entfernen - sollten die so vorbehandelten Oberfl ächen d irekt der Besch ichtung zugeführt werden. Für die Handhabu ng, z. B. Umhängen der Werkstüc ke, sind immer sa ubere Handschuhe zu tragen.

Bildung und Auf bau der Oxidschicht Al uminiumoberflächen bilden mit de m Luftsauerstoff eine festhaftende Oxidschicht mit einer Dicke vo n ungefä hr 10 nm. Sie bildet eine natür liche Schutz - und Deck sch icht, die das Aluminium sehr gut vor atmosphärische n Einflüssen schützt. Nach Altenpohl 167] führt die natü rliche Oxidschic ht zu einer Potenzialveredelung von - 1,69 V auf ca. -0,47 bis -0,55 V, was daz u füh rt , dass sich Alumi nium ed ler als Zink verhält. Die an der Luft geb ildete Oxidsch icht besteh t aus einer kompakten Sperrschicht aus Alu miniumoxid der Dicke J bis 5 nm und einer darüberliegenden porösen, wasserhaltigen Deckschicht aus Aluminiumo xid und Baye rit. Sie ka nn je nach den vorherrschenden Umgebungsbedingungen au s verschiedenen Modifikationen des Alum iniumoxids bzw. Ahrminiumhydrcxids bestehen. Auc h werden die umgebu ngsbedingten Verschmutzungen m it in die Sch icht eingebaut. Die Oxidschicht ist im pli-Bereich von 4,5 bis 8,5 prakt isch unlöslich.

Anodlsche Oxkischtchten Anod ische Oxidschichten [68] kön nen nur an einem als Anod e geschalteten Metall erzeugt werden. Durch die Einwirkung de s elektrischen Stro ms entsteht während der Elektrolyse an der Anode atomarer Sauerstoff, der mit dem Alu minium reag iert, wobei sic h A lumin iumox id bi ldet. Dieses ist auf der Meta llober fläc he fest verankert. Diese kompak te Sch icht setzt dem Stro mdu rchgang W iderstand entge gen und wi rd infolge de r Badspannung durchschlagen. Der Elektro lyt rückt in diese Durchschlagspore nach und es bi ldet sich an dere n Grund, d. h. dort wo sie au f das metallische Aluminiu m trifft, wieder eine neue, kompa kte Schic ht aus, Da sich unzählige solcher Poren neben einander befinden , wäc hst die Schicht glei chmäßig ins Metall

5 Oberflächenvorbehandlung vo n Metallen

278

hinein fort. Dabei hat nu r immer die frisch und unmittelbar am Metall gebildete Sc hicht den kompakten. d ielektrischen Charakter. Der bereits ge bildete und durc hschlagene Teil wäc hst während der Anodisation imm er we iter, wird d urc h den in die Poren nachrücken den Elektrolyten aufgeloc kert und in d ie poröse und sau gfähige Hauptschicht umge wan delt . Die Oxidsch icht wächst in das Metall hine in, d . h. die ursprüngliche Metallo be rfläc he w ird in die Ox idschicht verwandel t. Die Sc hicht wächst zu ei nem Dr ittel in die Metalloberfläche hinein und zu zwe i Dr itteln nach außen. Der Sch ichtaufba u nach außen ist in dem größere n Vol umen der Oxid sc hic ht begründ et. Die Schichten beste hen aus e iner undu rchläss igen Sperrsc hicht und einer poröse n Dec kschicht, de ren erreichbare Dic ke und Po rend urchmesser vo n de r Stromdic hte. Ze itdauer. Temperatur und Sä ure konze ntration abhä ngen. Die Po re ndic hte bet rägt et wa e ine Milliarde Poren pro mm' ä ußere r O berfläche . Bild 5-24 zeigt die Ox idschicht im Modell nach Ke ller, Hunter und Robinson [69]. und Bild 5-25 ist e ine Oberflächen aufnahme der Oxidschicht im REI\1.

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Uild 5-24: Modellvorstellung ei ner Oxidschicht des Aluminiums hergestellt im Gs-vcrrahrcn. Porenmodell noch Kelle r.Hunter und Robinso n

5.10 Vorbehand lung von Alumini um

279

mld :\-2 ~ : Oberflächenaufnahme einer Aluminiumoxidschicht. Grundmaterial A IMg I. Herstellung der Schicht im (iS- v erfahren; links: Oxidpor en in der Aufsicht. rechts: Poren im Querschnitt

Eigenschaften der Schicht bzw. des Verfahrens: • • • • • • •

sehr gute Korrosionsbeständigkeit variabe l einstellbare Schichtd icken Elektrolyt enthält nur Schwefelsäu re ist nur im Tauchen möglich anzuwenden bei Aluminium und Magnesium spezielle Anlagentechnik notwendig bei unzureichendem Spülprozess kann es zu Lackhaftungsproblemen kommen, vor allem nach Feuchtebelastungen

Nano- Keramik-Schichten Die Schichtbildung über Keramik ähnliche Metalloxide in Nanopartikelgrö ße ist ein relativ neuer Prozess. Die SChichtbildung erfolgt in 2 Stufen: I. Belegung der Oberfläche mit Metalloxid partikeln 2. In den Zwischenräumen der Oxidpartikel werden Ti- oder Zr-O xyfluoroglas- Partike l abgeschieden bzw. angelage rt + Nanopartikel Die so erhaltene Schicht ist gesch lossen. sehr dicht aber dünn. Die Dicke liegt im Bereich von 20 bis 50 nm. Eigenschaften der Nano-Keramik-Schicht bzw. des Verfahrens: • • • • • • •

gute Haftungseigenschaften mu ltimetallfä hig kurze Prozesszeit, Schichtbildung erfo lgt inner halb 20-30 sec. Prozess ist phosphatfrei und enthält keine organischen Zusätze Applikation im Tauchen ode r Spritzen mög lich im Vergleich zu einer Chrom atieru ng schlechtere Korrosionsbeständigkeit als Ersatz für Eisenphospharierung gedacht

280


Neu entwicke lt bzw. weiterentwickelt wurde das Ver fahren als Ersatz fiir die Zin kphos phatierung. Mit der neuen Vorbehandlung kan n der Prozess deutl ich verk ürzt werden. Bei der Zinkphos phatier ung sind 1\ Zo nen ink lus ive S püle n d ie Rege l. Bei m Na nokeram ik- Verfahre n könn en Aktivierung und Passivierung entfallen und so verkü rzt sich der Prozessablauf auf 7 Zo nen.

Die Schichten si nd amo rph und setzen sich zusa mmen aus Zr(OH)" Hersteller nicht näher beschr ieben.

zrO, und

Partikel n vom

Der Prozess ist a uf Alumin ium, Stah l und Zink a nzuwe nden. die Korrosio nsbeständigkeit ist nach Herste l1eranga be n mit unte rschiedliche n Lacksysteme n ( KTL, Pulver, Flüssiglack) gut bis se hr g ut (Stahl > g ut I Al, Zn '" se hr gut). Voraussetzung für die Korr osto nsbestä ndlgkelt und Lackhaftung ist e ine o ptima le Reinig ung der Metalloberflächen. Das Sys tem ka nn im Spritzen und Tauc hen a ngewe ndet werden, beste hende Anlage n kö nnen umgerüstet werden, jedoch müssen Behälter und Pumpen aus Ede lsta hl sei n.

5.1 t Magnesiumwerkstoffe Mag nesium und sei ne Legierungen s ind die le ichtesten, aber auch unedels ten Konstruktio nswerksreff e (No rma lpote nzial vo n Mg: - 2,34 Vo lt). Mag nes ium bildet an Luft und in Wasser d ünne Passivfilme . welch e aber in wässrigen Lösu ngen mit e inem pll -We rt < 10 nicht beständig sind. In wässrigen, a lkalischen Lös ungen mit e inem pH-We rt > 10,5 ist die Pass ivsch icht se hr stabil, da gebildete Risse in der Pass ivsch ic ht a ufg run d vo n Druckspannungen mit Mg(O Hh zugesetzt werden, man s pricht au ch vo n e ine m Aushe ilen de r Sc hicht. Um Magnes iumlegierungen für tech nische Anwe ndu ngen vor Ko rros ion zu schü tzen, werde n die O berflächen mit Passi vie rungse lektro lyten beha nde lt. Durch den dabei ab laufe nde n Redoxvorgang (o hne e ine äuß ere Stromq uelle ) bildet sich e ine Ko nversio nssc hic ht. die a us Ox ide n des Magnes iumwerkstoffes und oxidisc hen Reaktio ns prod ukten des Passivlerungselek trolyte n beste ht.

5.11,1 ver- und Nach be ha nd lungsve r fah re n für Mg-Legierungen

Vorbehandlung (70-73] Für die Entfettung sind üb liche Entfettungs mittel, wie s ie in der Ga lva notec hnik geb rauc ht werden, jedoch keine stärker sa uren Lösungen zu ve rwenden. Auch Fe(N 01h/C rOiNaFMisc hunge n werden für metallisch bla nke O berflächen em pfoh len [72]. Zu bevo rz uge n si nd a llerdings aufg rund ihrer ge ringeren ko rrosiv en Wirkung stark al ka lische Medien. Für de n ansc hl ieße nden Beizvo rga ng könn e n, je nach Erforderni s, sc hwach sa ure Beizen angewandt we rden, mit ansch ließendem g ründ liche m Spü len und Neutralisation. Alle Vo rbeha ndl ungss c hritte müssen naturgemä ß auf den spezie lle n Be ha ndlungsabla uf abgestimmt werden.

5. 11 Mag nesiu mwerkstoffe

281

Nach behandlung [70-73] Die Neutra lisation der noch anhaftenden Elektrolytreste nach dem Spü len erfolgt in einer oxidierenden Lösung , meis t unter Fluoridzusatz. Nac hträg lich wird vie lfach ein Sealing(Imp räg nier)-Vo rga ng emp foh len zum Schließen der Oxidsc hichtpo ren. Dabei wird eine glatte, abriebfeste Oberfläche erzie lt. Hierzu kommen z. B. Kunstharze, Silikatlösu nge n ( Wasse rglas ), Einlagerung von PTFE-, Grafit- oder MoSr Part ikeln, Fette, Ö le und Wachse in Frage. Das Problem bei einer che mischen Vorbe handlung de r Mg-Oberflächen ist der starke Angr iff' der Metalloberlläche auch in niedrig dos ierten Prozessbädern. Es bildet sich sehr schne ll ein Beizbast. der für eine einwandfreie Bildung einer Konversionsschicht wieder vo llstä ndig von de r Oberfläche entfernt werde n muss. Die Vorbehandlung einer Magnesiu moberfl äche vor der Beschichtung ka nn folgendermaßen aussehe n: •

Reinigen stark alkalisch - nicht beizend

• •

Sp ülen Beizen (option al. abhä ngig von der Obe rfläc henbeschaffen heir). Für AZ 9 1 Leg ierung wird das Beizen in einer Mischung aus Schwefel- und Salpetersäure emp foh len. Für AM 50/60 Legierungen emp fiehlt sich das Beizen in Oxalsäure.

• •

Sp ülen Konversionsbehandlung

•

Sp ülen in Vb-Wass er

•

Tr ock nen

5.11.2 Konve rsions- bzw. Passivlerungsverfahren für Ma gn esium Die Chroma tle rung vo n Mag nesium oberflächen wird auch heute noch in großem Umfang durchgeführt. Die entsprec henden Verfah ren werden insbesondere in den M f l-Spez itikationen M3 171 Typ I bis Ty p 3 beschri eben (74]. Dabei we rde n zur Passivierung Chromsäure ode r deren Salze eingesetzt. Die che mische Passivlerung mit chrom(VI)-haltigen Elektro lyten ist relativ einfac h durch zufüh ren, hat aber den Nachteil, dass der Elektrolyt aber auch die gebildeten Schichte n Cr6 + enthal ten und somit besondere Vorsch riften bei der Verwend ung ge lten. Darüber hinaus stellt die Wied erverwertbarkeit chromatierte r Gegenstände aus Magnesium oder se inen Legieru ngen ein Problem dar, da diese aufgrund der in der Konversion sschicht ent ha ltenden Schwermetalle nur mit Aufwa nd zu sogenannte n High-Purity-Materfalien recycled werden können. N icht zuletzt aus Gesundheits- und Umweltschutzgründen wa r auc h hier das Bestreben von Herstellern und Verarbeitern. Alternat iven zu den Chromatierungen zu finden und zu entwieke ln. Auch die EU-R ichtlinie 2000/53 {59], in der ab 2002 eine Besch ränk ung von 2 rng/Cr" pro Fahrzeug ge fordert ist, hat dazu beigetragen über den Einsatz von neuen Verfahren nachzudenk en. Heute fordert d ie Automo bilindustrie auf allen O berflächen Cr6+· freie Konve rsion sschic hten, Als chrom(V I)· fre ie wässrige Passlvierungsl ösungen für Magnesium sind u. a. folgende Basissys teme bekannt:

282 • • • • • • •

5 Obertlächenvorbehandlung von Metallen

Sta nnat (Oow Che mieal) Phosphat (D ow Chemical No. 18) Phosphat-Pe rmanganat [75J Permanganat-Säuren ( UN O], H 2S0 4. H F) [76] se ltene Erde n- Ionen [77 ) Zirkonium fluorid [78] Ce rat-Ve rfähren [62J

Nac hteil bei einzelnen dieser bekannten Verfahr en ist. dass die Lös ungen nicht langzeitstabil sind, s ich e rst bei höheren Tem pera ture n. T = 40- 80 "C, eine Passivierungswirkung zeigt ode r dass sie einen zu geri ngen Selbstheilu ngsetTekt und Korrosionsschutz bie ten. Gerade der Selbsthellu ngseffekt, wie in [79] a uf c hromatiert en Zinkschic hten untersucht und besc hrieben. ist für eine dauer hafte Passivierung auf uned len Metallen VO ll Bedeutung.

5. 11.3 Konversionsschichtbildung mit dem System Perman ganat, Va nada t, Mclybdat, Wolframat Das Verfahren [80] umfasst die Schritte: Entfette n, Beizen, Passivieren. Troc knen. wa hlweise Sealing od er Lackieren. Das Passivieren kan n d urc h die bekannten Ve rfahre n im Ta uc hen, S pritzen. Sprühen erfolge n. Die wäss rige Passivierung slös ung besteht aus Kaliumper mangana t in Kombination mit den Anionen Va nadat, Moly bda t oder Wo lframat. Das System ist ein zum Werkst off Magnesium angepa sstes Redoxsystem und hat mit dem abl a ufe nden Reaktionsmecha nism us des Ch romarierens eine hohe Ähnlic hkei t. Die Passivicr ung erfolgt be i Ra umte mperatu r und ist für alle gebräuc hlichen Magnes iumwerkstoffe w ie Druc kgu ss-, Guss - oder Knetlegie rungcn anwendb a r. Die Konvers ion ssch ic ht besteht a us den Oxide n des Magnesiums ( MgO). Manga ns ( Mn:OJ. MnO: ) und mindestens einem O xid a us der Grup pe von Vanad ium, Molybd än ode r Wolfram . Die Korrosionssc hutzei genschaften (Salzsprü hbesrändigkeit) de r Passivschichte n a uf AZ 9 1 und A\l 50 wurde n mit eine m Stan dard-Ch roma rierve rfah ren ve rgl iche n. Beim te mporären Korrosionssc hutz werden bei beiden Verfahre n nur ge ringe Korrosionssta ndze iten erh alten. Durch Ve rdic hte n der Oberfläche n, z , B. mit einer So l-Ge l-Lösu ng oder durch Lackieren kann ein sehr hohe r Korrosion sschutz er zielt werden. Die Dicke de r Konversionssc hicht liegt bei maximal 1 11 m. Sie ist elektrisch leitend und kann da mit auc h fllr die elek trop hore tisc he Lec ktemng ei ngesetzt werde n.

5.12 Wahl der pa ssenden Vo r behandlung Viele Fa ktoren beeinfl ussen die Wahl des für den Anwendungsfa ll passenden Vorbehandlungsverfahrens: •

Metallt yp und Qualität

•

Oberfläc henzustand

•

An forderunge n an die Ob erll äch enbehandlung und Anwendu ngs bereich des End produktes

•

Wirtschaft liche und umw eltb edingte Betrachtungen (meistens eine Frage de r besse ren Alt ernative unter mehr od er weniger gle ichwe rtige n Vorbehundlungss ystcme n)

5.12 Wahl der passen de n Vorbehand lung

283

Ein Kriterium, mit dessen Hilfe eine Zuordnung und Einte ilung der geeigneten Vorbehandlung getroffen werde n kann, ist die Zuordnung des Prod uktes zu einer Korrosions klasse . Die Einteilung in Korrosionsklassen bzw. Beanspruchungss tufen ist in DIN EN 12329 für verzinkte Oberflächen [81) und in Dl N ISO 12944· 2 [82] beschriebe n und erläute rt. Die Einteilung der Korrosionsklassen hier wurde in Anlehnung an diese Normen vorgenommen . Ko rrosio nsk lasse 0: Innenklima mit einer relative n Luftfeuchtigkeit von weniger als 60 % . Se hr geringes Korrosionsrisiko, ge ringe Aggress ivität, dekorative Anwendung oh ne Beanspruch ung. Korrosionsk lasse I : Innenraumbeanspruchung in warmer, trockener Atmos phäre. geri nges Korrosionsrisiko. Korrosionsk lasse 2: Innenklima mit Temperaturschwankungen und Feuchtlg keitssc hwan kunge n. Außenk lima im Binnenland. von Industriegebieten entfernt. Mittleres Korrosionsrisiko. Korrosionsk lasse 3 : Freibe witterung unter min ieren Bedingunge n. In Ball ungsräumen und in der Nähe von Industriegebieten. In Wasser und Küste nnähe. Großes Korrosions risiko. Korrosionsk lasse 4: In Bereichen mit permanen ter hoher Luftfeucht igkeit. In Industriegebieten mit hoher Schadsto llbelastung und in Räu men, in denen Chemikalien verar beitet oder eingesetzt werden, zum Beispiel Laborräume. Schwimm- oder Thermalbäder. Abhäng ig vom Grundmetall und von der Kenntnis der richtigen Zuordn ung des Produktes zur Korrosionsklasse. können anha nd der Tabellen 5-9 bis 5- 14 empfohlene Vorbe hand lungsmethoden gefunden werden. Bei der in de n Tabe llen vorgegebenen Chroma tierung wird von einer Gelb- oder Grü nehromatierurig mit entsprechenden Sc hichtge wic hten ausgega ngen. Die chromfreien Verfahren sind hier nicht mit aufgezeigt worden, da erst wenige Erfahrungen vorliegen. Empfo hlene Vorbe handlung Kann verwendet werden

~ !'\icht empfohlen/ungen ügend

11 11111 11111 1111 1Empfohle n, aber gewöhnfleh nicht verlangt

284


T ah elle 5-9: Empfohlene. nicht empfohlene Vo rbehandlunge n von verzin kten Stahloberflächen

Vorbehandlung von verzinktem Stahl ßch undlung sart

Korrosions"lasse

RcinigcnlEntlCllcn Strahlen

Eiscnphosphaticrung

Zinkphosphnticrung C hrom aticrung

T ah elle 5- 10: Empfo hle ne. nich t empfohlene Vorbehandlungen von Eisen und Stah l

Vorbehandlung von Eisen und Stah l Behandlung san

Korrosio ns klasse

RcinigenlEnltlmcn Strahlen Eisenphosphaticrung Zinkphosphalicrung Chromaticrung

T abeüe 5- 11: Empfo hlene. nich t empfohlene Vo rbehandlunge n von A lumini um

Vor beha nd lung von Alum inium Behandlung san

Rcinigc nlEnt fcllcn Strahlen

Eisenphosphaticrung Zinkphosphaticrung Chromaticrung Vor anodis arion

Kor rosionsklasse

5 . 12 Wah l der passenden Vo rb ehand lun g

285

Ta be lle 5- 12: Empfohlene, nich t empfohlene Vorbehandlungen von Magnesium Vorbehand lung von M agne sium

Korrosionsklasse

Behandlungsart Reinigen/ Entl;:lIcn

11

Strahlen Eiscnphosphllt ierung Zin kphosphllticrung Ch rom atic rung Anodisation

Die natürliche Oxid haut oder G usshaut der Magnesium obe rfläche darf nicht durch die Reinigung oder Entfettung angegriffen we rden.

I)

Tu bc üe 5-13 : Empfohlene. nicht em pfohlene Vorbehandlungen von Kupfer und Messing Vorbehandl ung von Kup fe r und M essing Behandlun gsart Reinigen/ Entlellen Strahlen Eiscnphosphat ierung Zin kphosphllticrung C hromaticru ng

Ta be lle 5- 14: Empfohlene, nich t empfohlene Vorbehandlungen von Alumini um/Zin k Vo rbe ha nd lung Behandlungsart Re inigenlEntfetten Stra hlen Eisc nphosphaticrung Zin kphosphaticrung C hromaticrung

VOll

Alu/Z ink


286

5.13 Tro uble-Shooting bei No-Rinse-Vorbehandlung In den folgenden Tabelle n wurden die Erfahrungen aus der Praxis [83] bei der No-RinseVorbehandlung zusammengetragen und Fehler, Fehlererkennung und -verrneidung bzw. -behe-

bung aufgelistet. 'ra bcue 5- 15: Schlechtes Ablaufv crhahc n des No- Rinsc. Mcd iulIls/Troptcnb ildung

Mögliche Ursach e

Abhil fe

A nmerkun gen

Zu hohe Produktkonzentration

Zugabe von VE·Wasser

Einfluss a uf Vorbeha ndl ungsqual ität hinsicht lich de r Kor ros lonsbeständig ke lt Rücksprache mit Chemieliefe-

ranten Ma nge lnde Sc hrägsiel- No- Rlnse-gerecht e Bestück ung Jung / falsches Aufh än- der Ge hänge ge n der Tei le

Nicht geeignetes Teilespektru m (z. B. schöpfende Teile)

Umste llung auf alternativ e Verfahren der Appl ikatio n - z. B. elektrostatische Applikation

Zu ho he Viskosität des No-Rinse-Mediums au fgrund erhö hter Badtemperat ur oder zu hoher Objekttemperaturen

Überwachung de r Badtemperat ur

Schlech te Benerzbarkeit

Bewusstsei nsbild ung der Mitarbeiter für neue Techno logie

Diese r Punkt ist bere its im Vorfeld zwische n Anlagenbetreiber und Che mielieferan ten zu klären --+ Syste mgrenze n der No-Rlnse-Tech nik

Vermeid ung einer zu starken Wärmeübertragung durch die Teile (z. B. durch Kühlung der vorgeschalteten Sp ülen ) Zugabe von Ablaufadditiven zur Optimierung des A blaufv erheltens Überprüfung der Vorbehandlung (R einigu ng) Zugabe von Ablaufadditiven

Nach Rücksprache mit dem Chemiel ieferanten

5.13 Trou ble-Shooti ng bei No- Rinse-Vorbehandlu ng

287

Tabelle 5- 16: Optische Beeinträchtigung nach dem Ha ftwassertrockner bzw , Ein brennofen

M ögliche Ursach e

Ab hilfe

Spürbare Unebenh eiten Aufkonzen lration a n Abla ufka nten und in (siehe schlech tes Ablau fverbalTo träumen ten)

Anm erkunge n Einba u einer stufenlos rege lbaren Abblasstet ion (ggf. manue ll) vor der Einfahrt in den Haftwassertrockne r Ausreiche nd lange Abtro pfzei ten bzw. -zonen berücksic hti-

g,"

Mec han isc hes Nacharbeiten (ka nn zu Fe hlern in der Besc hichtung bzw . Haftungsproblerne n füh ren) Pickelbildung nac h Haftwassert roc kne r

Eintrag von Sch mutzpa rtike ln in den Polyme rfilm

gg f. nacht räg licher Einba u eines Filters. we nn bereits vorSchaumbildu ng im No- Rinse-Bad handen Kontrolle und Aus tausch des Filte rs Kontrolle de r Spülwasserqualität vor No - Rie se-Zo ne ( pHWe rt. Leitfähigk eit. Einhalte n der vorgegebenen Parameter) Ggf. mec han ische Nach arbeit (ka nn zu Fehlern in der Besc hicluung bzw . Ha tlungsproblerne n führen)

Kraterbildu ng nach dem Einbre nnen des Pulve rlackes

unzureichende Trocknung im Haft wassert rockne r

Überprüfung der Trocknungsparameter im Haftwassert roc kner, Erhöh ung der Tem peratur bzw . länge re Verweil zelt en

Tahelle 5-17: Unzureichende l.ackhafl ung

I An mer kungen

Mög liche Ursach e

Abhilfe

Lackabp latz ungen a n Ab laufkanten

Zu hoh e Sch ichtdicke des No -Rinse-Medium siAu fko nze ntratio n

Unzureichende Lac khatlung nac h Gitte rschnitt prüfung

Unzureichende Entfe ttung

Vorgeschaltete Aktivzonen ( Entfett ungs- und Beizbäder bzw . Phosphatierun g) übe rprüfen

Schlechte Benet zung

Zugabe eines Abla ufad ditiv s zur O ptimierung de r Beuetzba rkeit (nach Rück sprac he mit Chemieliefera nten)

5 Oberflächenvorbehandlung vo n Metalle n

288 Tah elle 5-11\1: Probleme bei der Badführung

M öglich e Ursach e

Abhil fe

An merkungen

Koag uliere n der Polymer korn pone nte (Auspo lymeris ie-

Zu hohe Badtem perat uren

Ei nbau Badkühlung

Eintrag von Fremd substa nze n (reduzierende bzw . nc utra lisierende Medien]

ent sprechend den V orgaben

runglFadenbildung)

Verwe nd ung nicht gee igneter Pumpen (a bhängig vo n No- Rinse Syste m)

Ko ntrolle de r Badpa rameter (pH- Wen , Feststoffgehalt. Le itwert ) K ontrol le der vorgeschalteten V E-SpülelVermeidu ng von

Verschleppu ngen Austausch des Pumpentyps

Sc hau mbild ung

Eintrag von Fremdsubsta nz

Zugabe vo n zuv iel Ablaufadditi-

""

Ko ntroll e der Badparamete r entsprechend den Vorgaben des C hem iel iefera nten (pli- Wert. Festst offge halt . Leitwert) Ko ntrol le de r vorgesc ha lteten VE-S pü lelVerme idu ng von Ver sch leppu ngen Zugabe ei nes geei g neten Entsch äumer s ( Rücksprac he mit C hemie! ieferanten)

Sc hlamm bildu ng

Eintrag von Sc hmutz partikel n übe r Gehänge oder durch Versc hleppunge n Alteru ng de r Polym e r. kom pon ente

Ve rfärbung/ Eintrübung des Bades

Kontrolle der Badparameter entsprechend den Vor gaben Beachtung von vo rgege benen Standze iten bzw . T urneverZe iten

Einlöse n von Fre mdion en d urc h chemische Reak tion vo n NoRin se Medium und zu be handeInder O berfläche

Re inigun g de r Bäder in Stillstand zeiten

Verar mung an Polymerkomponente (Sc hlammbildu ng)

Te ilerneuerungl Verw urf des Ele ktro lyten (nac h Rüc ksprac he mit C hemi elieferanten]

Eint rag von Fremdsubsta nze n du rch Verschlepp urig bzw . ehemiseher Reaktion

Vermeidung zu nied riger An sa ug höhe n der Umwä lz pumpe n (Gefa hr der Aufw irbe!ung vo n Feststo ffen ~ Einba u von Schmutzpartikel n in de n Polymerfilm)

5.14 Vorbehand lung von Kunststoffen

289

5.14 Vorbehandlung von Kunststoffen Die meisten Kunststoffe müsse n vor der Lackicrung einer gezieh en, genau auf Werkstoff und Ansprüche abgestimmten Vorbehandlung unterzogen werden. Dabei überwiegen die nasschemischen Verfahren, wie alkalische oder sa ure Reinigung wie sie auc h aus dem Metallbereich bekannt sind. Für verarbeitete Thermoplaste wird in der Regel die alkalische Entfettung mit ansc hließendem Spülen in destilliertem Wasser gewäh lt. S~l C -Tei1e (sheet mould compo und) werden ebenfalls meist alkalisch vorbehandelt. Bedingt dur ch die Vielfalt der Kunststoffe und deren unterschiedliche Eigenschaften existieren zahlreiche Spezialver fahren. deren Einsatz auf bestimmte K unststofft ypen beschrä nkt ist, beispielswe ise Korona- und Plasmabehandlung oder auch das Beflammen von Polyolefinen.

Tabelle 5-19 : überblick ober verschiedene Methoden der Vorbehandl ung bei Kunststolle n [84J

Reinigung / Vorbeha ndlung

Kunststofftyp pp

Polypropylen

Beflam men, Korona-Entladu ng. Plasmabehand lung

PP/EPDM

Polypropylen/EthylenPropylen-Oien-Blends

ab 20-25 % EPOM keine Vorbehandlung, bei weniger EPO\l Behandlung wie PP

PUR

Polyurethane

bei Trennmittel wässr ige alkalische Reinigung, sonst saure Reinigung

PC

Polycarbonate

Abwasc hen mit Alkohol

PßT

Polybutadienterephthalat

wässrige alkalische Reinigung

POT/PC


PA

Polyamide


AßS

AcrylnitrillButadien! Styrol-Copolymere

wässrige alkalische Reinigung oder Abwasche n mit Alkohol

PS

Polystyrol


PVC

Polyvinylchlorid


PM M A

Polymethylmethacry lat

Tem pern

PPS

Polypheny lensuIf d

Abwasc hen mit Alkohol

Pli

Polyharnstoff


POM

Polyoxymethy len


PPE

Polyphenylenether


PPO

Polyphenylenoxid


290

5 Oberflächenvorbehandlung vo n Metalle n

S.I ·tl Mechanisches Vor bereiten von Kun ststoffen Das mechanische Reinigen ist bei Thermoplasten nicht von großer Bedeutung. Sie sind sehr ",'eic h und schmieren leicht bei m Sch leifen. Duromere und da runte r auc h die faservers tärkten Duromere lassen sich hingegen gut durch Schleifen vorberei ten. Beim Schleife n werden hier neue Oberflächen und eventuell auch Fasern freigelegt, die aufgr und der hohen Polarität eine gute Haft ung zeigen . Bei Integral schäumen können allerdings Poren engeschliffen we rde n. die sich durch eine Beschichtung nicht mehr abdec ken lassen. Hier muss dan n der Abtrag sorgfältig kontrolliert werden [23]. Die Stä ube, die bei m mechanischen Vorbereiten entstehen, können leicht die Oberfläc hen erneut ver unreinigen. Sie laden sich elektrisch auf und schlagen sich wiede r auf der berei ts ge reinigte n Oberfläc he nieder. Vo n dieser sind sie nur schwe r zu entfe rne n. Hier ist ei n Abblasen mit ionisierter Luft am wi rkungsvollsten. Bei Kunststoffen hat das her kömm liche Strahlen keine Bedeutung, da es in der Regel die Oberflächen zu star k aufreißt. Zum Entfe rne n von Lacksc hichten kann jedoc h mit Kunststoffgran ulat so ges trahlt we rden. dass darunte r liegende härtere Primer nicht bee influss t we rden.

5.I ·t2 Das Reinig en von Kun ststoffen Der Einsatz wässriger Reiniger vor dem Besch ichten kann bei Kunststoffen pro blematisch se in. Denn der Reinig er sollte die Ob erflä che mög lichst gut benetzen können. was aufgrun d der hohen O berflächenspannu ng des Wassers oft nicht erreichbar ist. Wässrige Reiniger erfo rde rn daher Zusätze, die eine ausreic he nde Benetzung ermö gliche n. Wässrige Reinig er finden Anwendung. we nn sich die Kunststoffoberflächen bei der Reinigung nicht verände rn sollen. Erfahrungsgemäß sind sie gut gee ignet, wenn gröbere Verschm utzungen zu entferne n sind. Zu berücksichtig en ist dabei, dass ein ige Kunststoffe erhe bliche Wasser me ngen aufnehmen können - ein meist unerw ünsc hte r Effekt, den hohe Badtemperaturen noc h verstä rken.

5.1".3 Beizen von Kun ststoffoberfl äch en Das Beizen von Kunststoff en war bis her durchaus üb lich, de nn es lassen sich dadurch gute Haftungseigenschaften erzielen. Zu be rücks ichtige n ist aber, dass viele Kunststoff e chemisch reaktio nsträge sind, und ents prech end aggressiv müssen die Beizb äder sein. Zur Vorbehand lung von Polyethy len kann zum Beispiel ein Beizmittel aus konzentrierter Schwefelsä ure verwendet werden, das große Konzentrati on en an Chro mat enthält. In dieser Lösung w ird dann bei 60 bis 80 °C gebeiz t. In der Produktion ist d ie Anwendu ng eines solc hen Heizbades he ute unmög lich. Beim chemischen Beizen von Kunststoffen mit we niger aggressiven Chemikalien ist eine zusätzl iche Aktivierung er forder lich. zum Beispiel mit Plasma oder UV-Strahlung.

5.1..... Aktivicr ung der Kunststoffoberfl ächen Um auf de n Kunststoffoberflächen eine ausreichende Lackhaftung zu erz ielen. ist eine Aktivie rurig dieser notwendig. Eine Möglichkeit hierzu bie tet die Fluorierung der Obertlächen in der Gasphase [85]. Die Reaktion von Iluorhalt igen Gasgemische n (Fluor/St ickstoff) mit Polymeren kann mit Hilfe

Literatur zu Kapitel 5

29 1

neuer Tech niken, der Gasphasenfluorierung leicht und reproduzierbar durchgeführt werden. Durch die Subst itution von WasserstofTatomen an der Polymerkette durch Fluoratome erhalten die Oberflächen eine n starken polaren Charakter. ohne eine Beeinflussung des Basismaterials. Dadurch kann der Lackfilm die Oberfläche besser benetzen. was in einer verbesserten Lackhaftung resultiert. Vorteil dieser Aktivierung ist ihre reproduzierbare Aktivierung der Kunststoffoberfl ächen und sie bleibt über mehrere Monate stabil.

Literatur zu KapitelS [ I]

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292

5 Obertlächenvorbehandlung von r>.leta llen

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Ve rwe ndete Bild er in Kapite l S

FEM:

5-6 bis 5-8, 5-13 bis 5-16. 5-1 8, 5-19. 5-24, 5-25

Chemetal1 GmbH, Frankfurt:

5-17,5-20 bis 5-23

297

6 Pulverbeschichtung in der Praxis

6.1 Pul verbeschichtung in der Automobilind ust rie Das Jahr 199 1 wa r der Beginn des Pulverlac kes a n der Ka rosse. Als Ste inschlagsc hutz wurde n Pulverfülle r ve rwendet. Die Anzahl de r Lin ie n ist sei t diese r Ze it von zwei (C hrysle r Belv edare und Jefferso n No rth ) auf 14 gestiegen. Im Jahr 2000 wurden bereit s circa 3,5 Millionen Fahrzeuge welt weit mit Pulverfüller beschicht et. Am An fa ng war lediglich de r vo n Stei nsc hlag gefährdete untere Bere ich mit Pulve r beschic htet, in der Regel a uf e ine vorgetroc knete KTL-Schicht . Mittlerweile wird die gesamte Karosse mit Pulv erfüller besc hic htet , üb licherweise auf ausgehä rtete m KT L. Die Sc hic htdicke n heute liegen ve rtika l bei 57 11m, horizo nta l be i 68 urn und im Unterbodenbereich werde n 130 11 m aufgebracht. Bei de n Pulv erfüller ko mmen Epo xy- Poly estcr- und Polyeste rfo nn uJierungen zum Einsatz [ 1], In Euro pa ha ben vo r a llem BMW und Da imle r die Anwendu ng vo n Pulve rlac ken am Fa hrze ug vo rangetriebe n. 1997 erfolgte e rst ma ls die Einführ ung vo n Pulve rkla rlac k in de n Serienbetrieb be i BMW. Im We rk Dingolfi ng wurde n die Karo ssen der J er. 5er und 7e r Re ihe m it ein em Ac ry latpulve rsystem be sc h ichtet. Das Pulv er wurde e lektrostatisc h übe r Pulverpistole n a us de m fl uidis ierte n Zusta nd ap pliziert . Die Fluid isie rung wa r not we ndig, um e ine n gleichmäßigen Pulve rfl uss und die Zerstörung vo n eventuell auftre te nde n Agglomeraten zu gewä hrleiste n. Appliziert w urde vo llautomatisch unter Rein rau mbedi ngungen. Die Hä rtung des Ma te ria ls erfolgte be i 140 "C, 30 Minu ten lang, die Lacksc hichtstä rke liegt be i ca . 60 ± 7 um [2] .

6.1. t Pulverbeschichtung a m A ulo - Beispiel Sma r l Die Lac kic rung des Smart war im Bere ich der Autom o bilhe rsteller und we ite n Bereichen de r Lac kierbranche e ine Sensation. Erstma ls ka m be i e ine m Fahrzeug Pulver lack für die Dec klackie rung serie nmä ßig z ur Anwend ung [3, 4, 5]. Die Karosser iesic herhei tsze lle aus ve rzinktem Sta hlb lech ist wah lwe ise in zwei Metalleffe ktBasisfa rben lackiert und wir kt a ls nur teilwei se sicht barer .,o ptisc her Body". Alle Anba ute ile. wie Türen, Kotfl ügel, Stoß stangen , Motorha ube und Heckklappe sind austa usc hbare Kunststoff- Body pa nne ls, die in ve rschiede nen Fa rben erhältlich und wa hlwe ise anzuba ue n sind. Be i de r Prod ukt io n und beson de rs bei de r Besc hich tung wu rde n ne ue Wege gew äh lt. Ein aus drückliches Z iel war es, auc h öko logisch ne ue Ma ßstäbe zu setzen, a lso den Energieverbrauch zu minim ie ren und Emiss io ne n, Abwasser und So nde rabfall we itestge hen d zu vermeiden.

Lackierung Das ab solut Neue bei der Besc hichtung des S mart wa r der Aufbau des Gesamtsyste ms: Nac h der Zi nkphos phatierung, KT L-Grundie rung als optimaler Ko rrosionsschutz auc h in Ho hlräumen und Hintersch ne idunge n und einem partiellen Pul ver-Steinsch lagsc hut z wird nur noc h e ine e inz ige Metallic- Pulve rschicht aufgetrage n. Diese Sc hicht ist run d 80 um dick, deshal b

298


w ird der sonst üb liche Füller-Auft rag unnötig. Mit de m Einsatz von pigm ent iert en Ac rylharze n konn te auf den zusätz lichen Klar lack- oder Klarpulv er-Auft rag verz ichtet werden. Es werde n so bei praktisch unveränderter Gesamt-Schichtstärke zwei Auftragsgänge eingespart.

Pulver-

Konvent ionelle lackierung

Lacki erung

Klarla ck

~ ~

30 11m

Basislack

PulverDecklack

2O~m

ca. 80 u m

Füller

35 11m KTLGrundierung

-

KTLGrundierung

20 um

-

Phosphatierung 3 ~m

20 um

IJild 6· 1: Schichtnutbau beim Smart im Vergleich zu einem üblichen Flüssiglackaufba u im Auromobijbercich

Anlagentechnik Im Frühj ahr 1995 wu rde im Werk Holz gerlin gen eine Versuchsa nlage errich tet, um alle Prozess parameter für den spez ifisch en Anwend ungsfall testen zu kön nen. Dadurch konnten die notwendigen Erkenn tnisse zu Applikation, Klimafenster, Pulverversorgu ng, Verträglichke it vo n Stei nschlagschutz- und Decklackpulver ode r auch Trocknungsverhalten gewonnen werden.

Die schichtbildende Zinkphosphatier ung wird ohne eine zusätz liche Nac hpassi vierung eingesetzt. Die Vorbehandlu ng erfolgt in einer c-Zonen-Tauchanlage. m it nachfolgender KTL im Doppelb ecken. Die kataphoretische Tauchlackierung ist bleifrei. In beiden Bereichen wird mit stan dzeitverlängern den beziehungs weise frisch- und abwassersparenden Venneid ungsmaß na hmen gearbeitet und bei der KTL wurden drei in Kaskade geschalteten Ultrafiltrat-

6.1 Pulverbeschichtung in der Automobi lindustrie

299

Spülzonen als platzsparende Kornpakt-Beckenanlage aneinandergebaut. Der gena ue Vorbehandlungsabla ufsieht folgendermaßen aus: Tauchentfetten bei 60 °C, Spritzentfetten bei 60 "C, Tauchspülen I und 11 , Aktivieren, Tauchzinkphosp hatieren, Tauchs pülen 1lI. IV und V, KT L bei 23 °C mit anschl ießendem 3 x Sp ülen. KTL Einbrennen bei 185 °C über 25 Minuten im A-Trockner. absc hließen d Kühlzone. Der Tra nsport der auf Skids aufgesetzten Karosserien wird durch progra mmgesteuerte Hubund Fahrwerke übernommen, während in de n nachgeschalteten Bereichen meist Tragkettenfördcrer oder Rollenbahnen eingesetzt sind. Für den direkten Pulverbere ich wurde ein spez ielles Fördersystem entwickelt. Es besteht im Wesentlichen aus zwei Verfahrwage n. die de n Transport de r Karosse überneh men. Dazu ist mitt ig in der jewei ligen Kabine eine frei überspannende Fah r- und Führungsschiene installiert. Die Kabinen sind durch flächenbündiges Einsiegeln de r Schei ben inne n vollkommen glat tfläc hig ge halten. um Pulverablagerungen ge nerell auszuschließen. Auch die neue Bodenkonstruktion erleichtert den direkten Weg des Ove rsprayp ulvers in die Pulverrückgew innung. Entsprechend den Ergebnissen aus der Versuchsanlage erfolgt der vollautomatische Pulverauftrag über Roboter beziehungsweise Automaten ge nerell mit Pistolen. In bestimmten Bereichen kan n wahlwe ise mit Frischpu lver ode r einem wählbaren Anteil an Pulver aus der Rückgew innung gefahren werden. Die Verarbeitung muss bei 20 °C und 50 % relativer Luftfeuchte erfolgen. Zur Energieeinsparu ng wird mit kleinem Frischluft- und hohem Umluftantei l gefahren, wobei der Frischluftanteil var iabel ist. Insgesamt wurden in Harnbach vier im Prinzip baugleiche Kabinen installiert. Eine Kabine filr Amich ip. zwei Kabinen für Einschicht Finish- bzw. Basecoa t-Auftrag und eine für zusätz lichen Clearcoat (z. B. bei Silbe rmetallic). Die Kabinen sind mit Ein- und Auslaufschle usen für saube re Luftabtrennung und zusätzlich mit G lasschiebetü ren ausgestattet, die während des Beschichtungsprozesses gesc hlossen bleiben. Eine abso lute Neuhei t ist, dass die Kabinen keinen Zwischenboden haben: Das Overspraypulver fallt direkt in die unterhalb der Anlagenebene in einer Grube angeo rdnete n Pulvertrichter und wird von da aus de r Filterrüc kgewinnung zugeführt. Die Pulverappl ikation in den einz elnen Kabinen erfo lgt mit Kor ona-Pistolen. Die Anlage fllr Ste inschlagpulver wird mit 2 Robotern mit j e einer Twin- Pistole betr ieben. Die Base Coa t I und 2 An lagen sind mit je einer Tw in-Pistole ausgerüstet. Zusätzlich befinden sich je Se ite noch zwe i bewegliche Auromatik-Corona- pistolen, eine statio näre Korona-Pistole mit Flachstrahl sow ieje ein Pulver behälter für Neu- und Mischpulver. Die stationäre Pistole im Schwellerbereich wird mit Mischpulver betr ieben. die bewegl ichen Seiten pistolen mit Neupulver. So werden die Karosseriefläc hen. welche eine höchste optische Qualität erforde rn nur mit Frischpulver besch ichtet. Es wurde hierfür ein spez ielles Pulverumschaltve ntil entwic kelt. Für die g1eichbleibende Luftmengensteuerung wur de das AFC-Modul (Air Flow Control) eingesetzt. Es beinhaltet die Kontrolle der Luftdurchflusssenso ren und Proportionalventi le. Es stel lt sicher, dass die Luftmenge für de n Pulvertransport an jede r Pistole exakt den Sollwerteingabe n en tspricht und immer konstant bleibt. Für die Pulveraushärtung hat sich in diesem Fall die reine Umlufttrocknung mit indirekt gasbeheizten Öfen als zweckmäßig erwiesen. Hierbei reduzieren A-Schleusen den Energieeinsatz. Die Ö fen sind doppelbahnig konzipiert und platzs parend zu einem Block zusammenge fasst . Die Einbrennzeiten liegen bei 10 Minuten Aufheizze it auf ca. 175 "C mit ansch ließender Haltezeit von jewei ls 15 Minuten. Die Trockner sind innen d ichtgeschweißt und im Aufh eiz- und Schleusen bereich aus nichtros tendem Stah lblech gefertigt. Die Abluft der Pulvereinbrennöfen wird, da nicht lösemittelbehaftet, über Kanäle direkt über Dach geführt.

300


Nach Passieren der de n Troc kne rn nachgeschalteten Kü hlzone erreiche n fertig beschichtete Karossen den soge nannten Finishbereich. Dort wi rd die qualitat ive Beurte ilung der einzelnen

Werkstücke nach vereinbarten Qualitätskrite rien durchgeführt. Die generelle Einstufung erfolgt nac h: •

i.Oi- Karossen

• •

Spot-Rcpair- Ka rosse n Ausschleusen ruf 2. Pulverdurchlauf

i.Oc-K arossen verlassen das Lackie rgebäude über das Zwischengeschoss und die do rt instelIierte Hoh lraumkonserv ierung und werden im Hochregallager bereitgestellt .

Spol-Repair-Karossen werden in drei Kabinen nach üblichen Reparaturverfahren fertiggeste llt. Ein eve ntuell notwend iger 2. Pulverdurchlau f w ird zunächst in e ine r Nach arbeits kabine vo rbereitet. Danach wi rd die Karosse der jeweiligen Decklacklinie wieder zugeführt.

nild 6-1: Bleifreie K'I'Ld.ackicrung der zinkphosphaticrtcn Karossen

nild 6-3: Pulverauftrag mit Pistolen

6.2 Pulverbeschichtung im Bauwesen. Architektur AlM

30 1

Abluft

Frischl uft

Filter ____

EISENMANN

FilterAbblasEinheit Pu lverRückgewinnungs

behätter

Hild 6-'-: Schematische Darstel lung der Pulverkabine mit Pulverversorgung und Rückgewinnung

6.2 Pulverbeschichtung im Bauwesen, Architektur Am Beispiel der Anlage WARE MAIl soll eine moderne Anlage für die Beschichtung von Bauteilen für den Architekturbereich vorges tellt werden. Erstmals wurde bei dieser Anlage die Vorauodisa tion ohne Umhängen rea lisiert [6].

302

6 Pulverb eschichtung in der Praxis

Die Warema Renk hofTGmbH ist ein Tei l der Ren khoff AG. Die Gruppe ist Mark tführer tUT tec hnischen So nnensc hutz in Europa. Das Gesamtuntern ehmen ist ze rtifizi e rt nach DlN/ISO 900 1, die Warema RenkhotT GmbH ist Lizenzinhaber des Qualität sze ichens AI 63 1. Seit de m Jahr 1962 werden die Prod ukte farblieh ges ta ltet, wo bei zu Beginn de r Korrosionsschutz für die Anwendung i m Außenbereich i m Vo rdergrund stand. Der Trend zu bunten Fassade n im Baugewe rbe hatte seh r bald einen großen Einfluss auf die farbli ehe Gestaltung der Prod ukte. Um de r steigende n Nachfrage gerec ht zu werden, wurde 1972 die erste gro ße Lackie ranlage ge baut. Als die alte Anlage 199 1 an ihre absolute Kapazitätsgrenze ge langte, war der Weg für eine neue Pulverbesch ichtungsanlage gee bnet. Diese Anlage. die 1993 in Betrieb ging und auch heute noc h Maßstäbe setzt, war im Ja hre 2000 im Dreis chicht-Beirieb bereit s wieder an der Kapazitätsgrenze. Dadurch war die Entscheidung für eine neue Anlage, WARE MA 11 , ge fallen.

Eckdaten und Anforderungen an die neue Anlage Die neu zur vertügung stehe nde Prod uktio nsfläche liegt bei ca. 3000 ms, die Anliefer- und Aus lieferungszone umfasst ca. 2700 mt. Die Anlage hat drei Aufga bestationen. zwei Pulverkabin en und zwei Abnahm estat ionen. Gefordert wa r das gleiche Pow er& Free-S ystem wie in de r Pulverbesch ichtung I. Völlig neu da gegen ist d ie Vorbehan dlu ngsstrecke ausgelegt, mit de r klassischen Chromatierung und der wahl weisen Vo ranod isation ohne ein Umhänge n de r Te ile vornehmen zu müssen. Zusätzlich wurden in dieser Anlage grö ßere Pufferstrecke n rea lisiert. Die Abwasseranlag e ist für beid e Anlage n konzipiert worden . Ne ueste Steuerungs konzepte unter Verwendung von SPS S7 und Leitrechnersystem SQ F Prozess visualisie rung s- und Auftragsverwaltungssystem mittels Indu strie-P Cs und SQ F Software so llte zum Einsatz kommen und ein zentrale r Datenpool fllr beide Anlagen gesc haffen werden. Eine Anbi ndung des vo rha ndenen Farblage rs mittels Pulverlagerverwaltungssoftware war ebe nso gefordert.

Besonderheiten der neuen Anlage •

Die Fördertechnik ist im Auf- und Abga bebereich 200 mm tiefer angeord net als im Rest der Anlage, um da s Teilehandling zu verei nfachen.

•

Power& Free-System mit spez ieller Ada ptierung der Autltängungen an der Traverse; sehr groß e Pufferstrecke vo r der Vorbehandlung

•

Sp ritzvorbehandlung mit sec hs Kamm ern, die nach der vierten Kammer getre nnt ist. Dadurch wird eine seh r kompakte Bau weise möglich. Optiona l können Tei le anodisiert werden, ohne umhänge n zu müssen. Kombination von Entfett ung und Dekaplerung im Sp ritzverfah ren; Anodi sierung und zwe ifache Spüle im Tauchver fahren . ....eiteres Nac hbehandeln in den S pritzkammern; Taktzeit der Vorbehandlu ng ca. 180 s

•

großer Haftwassertrockner mit max. 90 °C Umlufttem peratur

•

Handk ab ine mit Ginerrost und Bode nabs augung

•

Pulverkabine von Speedk ing mit Ste uer ung Optitronik; jeweils acht Automatikpistolen pro Sei te, verti kal angeordnet

•

Einbrennöfen mit vorgesc ha lteter Ange lierzo ne, die wahlweise direkt oder indirekt gas beheiz! werden kön nen

6.2 Pulverbeschichtung im Bauwesen, Archite ktur

303

•

große Pufferstrecken bei den Abnahmestationen; Leertraversen-Zwischenpuffer. mit der Möglichkeit. leere Teileträge r dire kt vo r die Kabine zu stelle n

•

ausgereifte Leitrec hnersreuerung. die es u. a. zulässt, die Traversen im Fließbild automatisch m it Farbin formatio nen zu versehen, die online visualisiert werde n

•

•

c'

• • I I

, ~

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•

0

~

· i ! • • ·

0

~

304

Hild {,-6: Spritzverbehandlung

Hild (.-7: Bereic h der Pulverbeschichtung


6.3 Pulverbeschichtung im Industr iebereich

305

In der Auftragse rfassu ng sind sämtliche produktionsrelvanten Auftragsdaten im ZugritT. Wichtige Informationen wie z. B. Auftragsnummer und Fertigungste rmin können selektiert und zu eine r Liste überfälliger Termine zusammengeste llt werden . Sehr wichtig ist hier der dire kte Zugriff auf die Farbpulverbestände; es kann kein Material einge lastet werden, zu de m kein Pulver vorhande n ist. Sämtliche Auftragsdatensätze werden mit Hilfe eines Datenscanners übermi ttelt. Durch Markieren eines Auftrages kann dieser direkt im Fließbild angez eigt werde n. In de r Farbdate nverwalt ung sind sämtliche wichtige Informationen ve rfügba r. Eine Besonderheit ist die Errechnung der RG B-Bildschirmdaten aus de n Lab-Werten. zur Darstellung de r Farbtöne. Es ist so mög lich, bei der Auftragseinplanung eine vernü nftige Farbreihenfolge zusammen zu ste llen. Selbst Sonde r- und NCS-Farben k önnen dargestellt werden . Aufwändige Schalte rano rdnunge n auf mechanisch erstellten Fließb ildern en tfallen bei diesem neuen Konzept. Sämtl iche schaltrelevanten Zustände werden visualisiert und können per Maustaste im Handbetrieb betätigt werden . Die Anlage wird ei ngesc haltet, Störungen werden quittiert. Stopper. Ketten, Schm ierstationen. Ö fen, usw. werden auf dieser Ebene bedient. Durch die Leitrechne rsteuereng ergibt sich d ie Möglichkeit. von mehreren Rechn ern aus para llel zu arbeiten. Ein speziel l entw ickeltes Internet-Tool erm öglicht es Warema und al len beteiligten Firmen. vom eige nen Hause aus aufjede Masc hine zuzugreife n.

6.3 Pulverbeschich tung im Industriebereich Mit diesem Beispiel so ll ein innovatives Konzept zur Einbindung der Pulverbeschichtung in de n Prod uktionskreislauf und Pulverapplikation mit Robotern vorgestellt werden [7. 8]. Realisiert wurde diese Anlage bei der Firma Stenge! Apparateb au GmbH mit Sitz in Ellwangen-Pfahlheim . Die Firma ist ein reiner Zulieferbetrieb filr die Bürom öbelindustrie. den Lade nbau und die Weißwarenindustrie. 150 Mitarbeiter verarbeiten jährlich 5000 Tonnen Stahlblech und 1000 Tonnen Edelstahl in Materialdicken von 0,5 - 6.0 mrn. Aufgrund von Kapazitätsproblemen bei der alten Beschichtu ngsanlage musste eine neue Anlage gep lant und gebaut werde n. Im Oktober 200 I ging die Anlage in Betrieb. Sie ist ausge legt auf maxima le Abmessungen von 3200 x 800 x 1700 mm (L x B x 11) fllr kubische Te ile sowie 3600 x 1700 mm für flache Teile . Der Durchsatz beträgt 360 mvh beziehungsweise 3 tlh. Da bis zu 3000 versch iedene Artikel zu beschichten sind, wurde das Anforderu ngsprofil der neuen Anlage vor allem ausge richtet auf ein Höchstmaß an Flexibilität. Die fo lgenden Leistungsmerkmale wurde n definiert: A ur- u nd Abga beplä tze • •

Räum lich kompakt Seh r ge räumig aufgrund umfangreicher Kommissionier- und Verpac kungsarbeiten

•

Kontinuierliches Arbeiten möglich (kein Zeitverlu st für das Aus- bzw. Einfahren des Laufwagens)

• •

Einstell bare Bandgeschwindigkeiten pro Linie Pufferung von beladenen Laufwagen zur Überbrückung der Pausen

306

6 Pulverb esch ichtun g in der Praxis

Vorbehandlung

•

Abwasserfrei

•

Zone I: Vorentfetten mit Öla bscheider

• •

Zo ne 2: Entfett en und Phos phatieren Zo ne 3-5 : Spülzone n (komplett m it vs- wasser)

•

Nac h der Vorbeh and lung Maskier- bzw. Ausblasmöglichkeit

11 a ttwassert rockn er •

Zeit/Tempe ratur: 15 Minuten. 150 °C

• •

Gas, d irekt beheizt Nutzung der Abgaswärm e des Pulvere inbrennofens

Pulverkabinen • Steuer ung mit aut omatischer Höhcn-, Breiten-, und Lückensteuerung

•

Tei lebezogene Prog ramme nach defi nierten Programmnamen

• •

Automatische Programma nwahl Mit je einem Roboter zum Vorbeschichten vo n Serientei len

•

Zusätz lich manuelle vorbeschichtungs mögllc hkeit

•

Ge nerelle Pulverrückgew innung

•

Schnelle Farbwech sel (innerhalb 15 Minuten)

Einbrenn ofen

•

ZeitITemperatur: 25 Minuten, 200 °C

• •

Gas , indirekt beheizt Energiesparend mit Sch leusensteuerung über Lic htsc hran ken

Fördersystenn •

Power & Free mit 8 übergreifend en Fürdersystemen

Anlagensteuerung Bei der Steuerung der An lage wu rde auf PCs gesetzt. da so eine e infac he Bedienbarkelt möglich ist. Die gesamt e Anlagene instell ung ist innerha lb von 30 Sekunde n zu realisieren und eine S peicherung der Anlagenparameter für jedes Prod ukt ist möglich. So ist eine vollaut omatische Anlage ne instel lung bei wied erkehrenden Produ kten du rchführbar und sinnvo ll bei einer Artikelzahl von 3000. Weit ere Vortei le sind eine gewisse Prozesssicherheit. lückenlose Dokumentation und exa kte Nachkalk ulatio n. Der Zustand de r Anlage und die Prod ukte, welche ge rade bea rbeitet we rden, k önnen an j edem

pe angez eig t werde n. Diese Informationen sind hier sehr wichtig. da drei Produ ktionsstätten im Umkreis vo n 8 km bed ient we rde n müssen .

6.3 Pulverbeschichtung im Industriebereich

307

Die Steuerung und Übe rwachung der kompletten Anlage erfo lgt mit SPS. Über ei ne Profibuskarte erfo lgt ein permanenter Datenau stausch mit einem pe, wom it die gesamte Anlageneinstell ung über de n PC vorgenommen werden kann.

Flexibilität durch Automatisierung der Kabinen Für flexible Abläufe bei de r Pulverbeschichtung ist nicht nur der schne lle Farbwechsel der Kab ine maßgeblich. sondern die Umrüstzeit insgesa mt. d. h. vom letzten bis zum neuen Warent räge r. Jeder Warenträge r ist cod iert und durchläuft ein speziell für die Werkstücke abgestimmtes Programm für Vorbeh andlung, Haftwassert roc kner. Pulverkabine I oder 2. Einbrennofe n und Abnah mestation. Die Transportgeschwindigkeit ist varia bel einstel lbar von 2 bis 3,8 mImin. Ein wic ht ige r Punkt bei der Beschichtung mit Sc hnellfarbwechselsy ste m und Power& FreeFörderer sind die Stapelzonen vo r der Kabine, dam it ein Farbwechsel wieder au fgeho lt werden kann . Die Vorb ehandlung kann so während eines Farbwechsels wei ter angefahren werden ohne eine Reduzierung bzw . e ine Unterbrechung. Dur ch de n Stape l nach de r Kabi ne können die zu beschichtenden Werk stück e in einem Durchlauf ohne Anhalten in die Kabine ge fah ren we rde n. bevor de r Ware nträge r in den sc hnel leren Förderer zum Einb rennofen eingrei ft. Die Pulverr ückgewinn ung erfolgt über einen Monozyklo n. der nebe n dem Pulverzentrum angeo rdne t ist. Mir Pfropfenförderu ng gelangt das Pulver auf kürzestem Weg zum Pulverzentrum in da s Origi nalgeb inde . Für Hauptfarben ist eine Ftlsc hpulverzudosierungsanlage vorgesehen. Bei kritischen Pulvern erfo lgt die Sieb ung über Ultrasc hall. Da auch einige Metallic-P ulver verarbeitet werden, ist die Kabine mit zwe i Vorbeschichtungsöffnungen und je zwei vertikal an geordneten Automatiköffn ungen ausgerüstet. Die zweite Vorbesc hichtungsöffnung kann sowohl zur Handbeschichtung als auch bei größere n Se rien zu r Roboterbeschichtung genutzt werden. Als wichtig wurde de r Sic htkon takt des Anlagenführers im Bereich der Öffnu ng zu Pulverpistole n, Werkstücken, Anlagensteuerung (PC) und Pulverzentr um angesehen. Die Ano rdnung der Anlage nkomponenten wirkt sich auch auf den Pulverwechsel aus, der in 15 Minuten bewältigt werde n muss. Wenige Meter neben dem Pulverzentrum befindet sich das automatische Pulvermagazin. Die Steuerung der Kabine erfolgt mit SPS, die Eingaben und Program mverwaltung werden über einen pe mit Tou ch Screen vorgenommen. Das Herzstück der Pulveran lage ist das Beschichterterminal. das neben der Beschlclu ungs öffnung angebracht ist. Auf der Arbeitsse ite sieht der Bcschich ter alle aktuellen Einste llunge n de r Anlage und kann durch Tastendruck am Bildschirm schne ll Veränderungen vo rnehmen .

308


IJiId (,-H: Besc hichtungska binc n m it Pulverzentrum und Rüc kgewinnung. Bei der Anordnu ng der Ko m-

ponenten waren schnelle Farbwc-chsclzeitcn ausschluggebend.

.\ ulnm alisa t inn mit I' C · S le ue ru nj! .\ 13 I. Te ileerke nnung Bre ite und Höhe, lnfrarol - Lichtraster < 10 111m für sparsamen Pulvereinsatz

2. Taktgeber HiTSchiebe register

3. Steuerung der gesamten Anlage. Siemens S 7 mit Bus ve rbin-

dung

4. pe mit Touch-Scteen Siemens 5. Pulverküche mit Bus Proper-

tionalstcucrung und Bus Eleklroslatikstcucrung 6. Be wegungsautornaten mit Ve rschie beachsen und i -Achsen oder Ro bo te r übe r Bus anges teuert 7. Ycmctzung mit Kunde n tlir Produkt ionsd aten Serviceverbindung für neue Updates IJiIJ (,-9 : Schematische Darstellung der Anlagcnautcmatisarion

6.4 Pulverbeschichtung im Bereich Weiße Ware

309

6.4 Pulverbeschichtung im Bereich Weiße Ware Die Firma Gorenje in Velenj e/Slowenien gehö rt mit jährlich produ ziert en 2 Millionen Haushalts-Großgeräten, insbeson dere Herden. Waschmaschinen und Kühlschränken, zu den größten Hausgeräteherstel lern Europas. Das ebenso qualitä ts- wie umwelt bewusste Unterne hmen harte ab 1997 die Oberflächen behandl ung vo n Kühlmöbeln und Wasch maschinen komp lett auf Pulverbeschicht ung umgestellt, Um Anteile am internationalen Markt langfristig sic hern und mög lichst noc h ausba uen zu können , entsc hloss man sich 1999 zu r Erricht ung ei nes neuen Kühlgerätewerks. Die Kapazität beträgt 5,600 Geräte unterschied!icher Typen pro Tag [9. 10], Um in der neue n Anlage ein Max imum an Wirtschaft lich keit zu erreiche n, sollte der Mater ialIluss in allen Fertigungsbereichen weitestgehe nd automatisiert und soweit sinnvoll m it der Obe rflächenbehandlu ng verknüpft werde n, Installiert wurde n drei Haupr-Förderlinien , eine für rohe Flachteile (T üren, Kühltruhenbleche. Gitte r) eine für fertige (lackierte und geschäumte) Türen, die dritte Linie für Blechge häuse durchgehe nd vom Roh - bis zum Fertigteil. Die Flac hteile werde n noc h in der Fert igung (sorten bedingt) zu 10-30 Stück in Körbe gelade n und über vier Hub- und Senkstationen eine m Powe r& Free- Förderer aufgegeben. Dabei wird jeweils ein Korb eine m der binär festcodierten Power& Free-Wa genzüge zugeordnet. Die entsprec hende Artikeln ummer kommt im Normalfall vo m Produktio nsfeitsystem. alternat iv kan n sie man uell eingege ben werde n, Die in einem 15-strängigen Sortiers peicher zwisc henge lagerten Körbe gela ngen auf Abruf bis unmittelbar vor die Lackiererei. Dort werden die Werkstücke manuell aus den Körben entno mmen und lackier gerecht einem weite ren Power& FreeFörderer aufgegeben, der sie durc h den gesamten Oberflächenbehand lungsbereich schleust. Der Ablauf innerhalb der Gehäusefertigung ist noch weitgehende r auto matisiert, Dort konnte ein vo llautomatisc her Materialfluss vom Coilblech bis zu r Endmontage realisiert und ein entsprec hende r Rationalisierungseffekt erz ielt werden, Wesentlich dazu beigetragen hat die Entscheid ung , ei ne neuart ige. für die Hausgeräteindustrie unkonventionelle Fertigungs methode einzusetze n, Es w ird hier das ko mplette Rohgehäuse automatisc h direkt vo m Coil vo rgefert igt. Dadurch konnte im Endmo ntagebe reich der personalintensive und ge legentlich zu Beschädigunge n führende Zus amme nba u lack ierter Flachteile zu fert igen Gehäusen entfallen. Die Reduzierung de r Arb eitsgä nge an den End montagel inien ermöglichte auße rdem eine Straffung der Taktzeit pro Ge rät und letztendlich die Einsparung einer kompletten Montage schic ht. Der Ablauf ab Rohgehäusefertigung sieh t folgendennaßen aus: Von den insgesamt drei gg f. in untersc hiedl ichen Taktzeiten arbeitende n Blechfertigungsmasch inen werde n Roh gehäuse über Hub- und Senksta tionen automa tisch an bereitgestel lte. binär festcodierte Power& FreeWagenzüge aufgegebe n. Dabei wird die entsprec hende Artikelnu mmer vo m Produktlo nsleitsystem der Steueru ng mitgete ilt. Auc h hier ist alternat iv manuelle Eingabe möglich , Nächste Statio n ist der Rohwarenspeicher mit 2.000 Plätzen, an der die SPS die eingehenden Werkstücke sortenrein ge puffert der Leittechnik meldet. Über den Leitstand werden dara us Charge n ge neriert und zum gegebe nen Zeit punkt in Richtung Oberflächenbehandlung au f den Weg ge brac ht. Jed er Power& Free-Wagenzug führt jetzt alle relevanten Daten einschließl ich der vo rgese henen Endmontagel inie mit. Bei Bedarf kann der Rohwarenspeicher auch umfahren werden; So ge nannte Schnellläufer ge langen über Bypass direkt in de n Oberflächenbeha ndlu ngsbereic h.

310


Vollau/omatische Pulvertackierung in Höchs touatttat Als Vorbe hand lung ist eine IO-Zonen-Spritzwaschmaschine mit Zweistufen -Entfeltung und separater Eisenphosphatierung ohne Passivierung installiert worden. Mit der Aufteilung in Vor- und Hauptentfettung. sehr gründliche n Zwischenspü lgängen in zwe i Dreier-Kaskaden und der Schlussspü lung mit vollentsalztem Wasser wird eine sehr gute Qualität erreicht. Für den Pulverauftrag wurden insgesa mt vier Kabinen in Glas-Bauweise vorgese hen: •

zwei mit Pulverabscheidung über hochleistungsfähige Sinter-Lamellenfilter für Gehäuse hzw. Flachteile in der Stan dardfa rbe weiß,

•

eine ge meinsame Kabine mit Zyk lon-Rückge winnung, Pulvercenter und insgesa mt 10 Farbwec hsele inheiten für bunte bzw . silberfarbige Werkstücke,

•

eine Kabine mit Filterabscheidung, für zusätzlichen Klarp ulvera uftrag bei Metalle ffektLac kier ung.

Nachspritzen von Hand ist in den Kabinen möglich, die Beschichtung aller derzeit anfallenden Werkstücke läuft jedoch vollautomat isch ab. Ausgeklügelte Applikationstechnik u. a. mit auf Z-Achse aufgesetzte n Sp rühsystemen sorgt für einwandfrei beschichtete Teile. Nach de r Pulveraushärtung trennen sich die Wege beide r Power& Free- Förderer. Flachte ile und Gehäuse erre ichen über separat ver laufende Kühl- und Stapelstrecken den jewei ligen, mit pe und Etikettendrucker ausgestatteten Kontrollplatz. Ein Großte il der Oberllächenbehandlungseinrichtungen w ird doppe lt genutzt. Gehäuse- und Flachteile-Förderer durc hfahren parall el den gesamten Vorbe handlungs bereic h mit Spri tzwaschmaschinc. Blaszone und Il aftwassertrockner sow ie den Pul....eraushärteofen. Diese Lösung ist investitionskostengünstig und kommt mit weniger Hallengr undfläche aus. Beim Einlauf in d ie Vorbehandlung wird jeweils der vom Power& Free-Wagenzug mitgefü hrte Datensatz gelesen und gg f der Farb kabi ne eine Vorwarn ung zugeste llt. Gehäuse und Flachtei le in de r Sta ndardfarbe we iß bleiben auch während de r Pulverbeschichtung auf ihrem För derstrang . Sind allerdi ngs Sonderfarben vorgesehen. werden die \Vage nzüge mit Gehäusen - bzw. die mit Flachtei len vom ande re n Förde rstrang - nach de r Vorbehandl ung auf einen sepa raten För derer ausgesc hle ust. durch die Farbkabine trans portiert und zur Pulveraushärt ung wieder in die im Hauptstrang entstande nen Lüc ken eingeschleust. Für d ie gelegen tlich zusätz lich erforder liche Klarp ulverbeschichtung sieht die Ste uerung eine entsprec hende Lüc kenbild ung vor. Flachteile werden manuell abgenommen, unter entsprec hender Kennzeichnung sortenrein in Paletten abgelegt und zur Zwischenlagerung ode r auch Nacharbeit abtransportie rt. Paletten mit Türen werden späte r gezie lt der Sc häu manlage zugefü hrt. Einbau teile wie z. B. Gitter der Endmontage zur Verfügung gestellt. Gehäuse dagege n verbleiben auch während der Kontrolle noch auf dem Power&FreeGehänge. auf das sie bereits in der Rohgehäusefert igung aufgegeben wurden. Über Lesestelle wird der Wage nzug identifiziert. Zusä tzlich gibt der Kontrolleur se in Prüfergebnis in die Ste uerung ei n und löst damit die Erstellu ng eines entsprec hende n Etiketts aus. Nach der Etikettierung g ibt er den Laufweg in Richtung Nacha rbeit ode r Gehäuse-Übergabe zum Zwischenspe icher frei.

6.4 Pulverbesch ic htung im Bereich Weiße Ware

31 1

Hilt! 6-111: Übergabe Rohgehä use- Fertigung auf Po\\ cr&I'n.-c-Fönlcrcr Rohwarenspeicher

Nächst eStatio n ist ein aus Flac hfö rde rtec hnik bestehe nder Zwischenspe icher. de r Platz für insgesamt 2.400 Ge häuse bietet und somit die Prod uktion einer ganzen Sch icht a ufneh men ka nn. Er wurde platzsparend über die ganze Länge des Gebäudes au f einer begehbaren Bühne o berha lb de r Produktionseb ene ang eo rdnet. Vom Kontro llplatz kom me nd. übe rg ibt der Power& Free -Fördere r i. O.-Gehäuse j eweils zu zweit über Hubstation en mit entsprechendem Datentra nsfe r an Elektrobahn- Shuttles. Diese legen die Werkstü cke sortenrein direkt auf den vorgege benen Speic herfö rdere m ab. Entsprechend dem Beda rf der insgesa mt sec hs Endm ontagel inie n werden d ie Gehä use abge rufen, wie de r vo n Shuttles übe rno mmen und über Ab nahme -Hubsta tionen den der vo rgese hene n Endm ontageli nie zugeordneten Schäump lätzen zugeführt, um unmi ttel bar danac h e ndgültig fertiggestel lt zu we rden. Die dazu benötigte n, inzwischen eb en falls beschich teten und a usgeschäumte n Tü ren wer den vo n einem Power&F ree-Förderer mit Sortier- und Spe iche rfunktio n j ust-in -time zum e ntsprechenden Endmontage platz ge brac ht. Weite rführende Plachfördertechnik bringt de n fertige n Küh lsch rank zur Funktio nsprüfung und spä ter in de n Verpackungs be reich.

312


Bild 6- 11 : Einlaufin die Vorbehandlung. Ge häuse und Flachteile durchlaufen parall el den gesamten vorbchandlungsboreich

-

-

EISENMANN

Hild (,-12: Glaskabine mit Zy klonabschcidung für die farbige Besch ichtung von Gehäusen

6.5 Pulverbeschichtung in der Leuchtenindustrie

313

ni ld 6-13: Kühlschrankendmonta ge mit dar über liegender TürenZuführun g

6.5 Pulverbeschichtung in der Leuchtenindustrie Die Zumtobel Gruppe mit Konzern sitz in Dorn birn, Vorar lberg (Öste rreich), zählt zu den wenigen G lobal Playem der Lichtindustrie. Die Unternehmensgruppe ging aus der 1950 gegründeten ..Elektrogeräte- und Kunstharzpresswerk W. Zumtobe l KG" hervor [11 ]. Im Werk Dom bim werden folgende Produkte hergestellt: •

Industriele uchte n [ Fe uchtra umleu chte n, Lichtb andsysteme. Lichtleist en . Hellenreflektorleuchten)

•

B üroleuchten (Einbauleuchten. Anbau- und Pende lleuchten )

• •

Sicherhe itsleuchten Leuehren höherer Schutzart und Reinraumleuchten

Tei lespektrum und Werkstoffe im Lackierwerk •

Le uchtenge häuse. Reflektoren und Leuchtenteile (vorw iegend aus Stahlblech oder Stahlblech verzi nkt)

• • • •

Profilteilegehäuse (Alu- Slranggussprotile) Druckgussteile (Alu- und Zinkdruckg uss) Kleinteile aus Stahl und Aluminium Kunststoffteile werden nass lackiert

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Im März 2007 wurde im We rk Schwe ize rslraße eine neue Pulv erbesc hic htu ngsanla ge in Betrieb genommen. Die neue Pulverbeschic htungsanlage ersetzt zwe i Lackie rstraßen. die seit 1986/87 in Betrieb waren , eine Elektrot auchl ackiera nlage ( AT L) und eine Elek trostatikNass lackieranlage.

Ab den 1990-er Jahren wurde in der Leuchtenindustrie zunehmend vorlackiertes Bandmaterial zur Fertigung von Leuchtengehäusen. Reflektoren usw. eingesetzt. Neben den geringeren Koste n d urc h den entfallenden Lack ierproz ess war es da mit mögl ich. Kompl ett-Fertigu ngsan lagen einzusetzen. die in der Lage waren, soz usagen von der ..Coi l-Coating-R ollc" weg in einem Fluss das verpackte Endprod ukt herzustellen.

Auch Zu mtobel setzte zu neh mend aufvorbesc hichtetes Material mit s pezie ller Fügetech nik. Das verbl ieb ene Produ kte-Port folio für Stücklac kierung bzw . Beschichtung ze igte sich in e iner gro ßen Teile-Varianz mit kleinen Losgrößen. ei nem hoh en Sonderanteil und einem deutlich ge ringeren Antei l de r Farbe .Leuchtenw eiß' ' mit häufig notwendigen Farbwechseln. Die einst gut konzip ierten Anlagen passten nicht mehr zu den Anforderungen. d ie nun an den Beschichtuugsberrieb zu stellen waren. Die Anlagen ware n zu wenig flexib el und ein gleichartiger Weiterbetrieb aufgrund des ges unkenen Antei les an lackierten Teilen wirtschaft lich und technisch nicht mehr sinnvo ll.

Technische Daten de r An lage •

max. Tei legröße L x H x T:

4.200 x 2.000 x 600 mm

•

Taktzeit:

24-30 WarenträgerlStu nde

•

Gesch wind igkeit Tei1eförderanla ge:

0 2,20-2.60 m/min

Verfahrenstechnik •

Tei leaufgabe und -a bnahme. Powe r& Free- Fördercrsystem

•

Vorbe hand lung mit sechs Zone n: Entfetten, 3x S püle n, Konvers ion Cr-Frei auf Basis von Nanokompositen, Spü len

•

Haftwassertrockner. bis 160 °C

•

Zwei vo llautomatische Pulverbcschichtungskabinen mit j e 18 Pistolen (Corona)

•

Frischpulverstation {Big-Bag] für Großgebinde

•

Einbrennofen: 170-200 "C

Pulverlacke •

Poly estersysteme. matt. glatt verlaufend

•

Sch ichtstä rkenbe reich: 080 11m wei ß und bunt, 0 60 um meta llic

•

Metallic- Pulverqualit äten ge bondet

6.5 Pulverbeschich tung in der Leuchtenindustrie

"

x

liillll'l' I' Hild (.-14 : Anlagenlayout der Vorbehandlung und Pulverbeschichtu ng

3 15

316


VBH-Ghemiestat ion

Pli lverversorgung (big-bagJ

Hild (...15: Ansicht lIalle Neubau mit Einbrennofen. Pulverkabinen. Kühlzone Vßfl-Chcmicstation.

Pulverversorgung (big-bag}

Vorspeict1erstapel im OG

Be- und e neaoesteaen komb iniert Entladestellen Speicher für leere Wa renträger

Hild (.-16: Ansicht Lackicrhallc Bestückungszene

6.5 Pulverbeschich tung in der Leuchtenindustrie

317

Besonderheiten der neuen Beschichtungshalte •

Eigener Hallenbereich für Pulverbeschichtung

•

Die Pulveran lage steht in einer separaten Halle und ist räumlic h vo m Bestückungsbereic h und weiteren Fertigu ngsfl ächen getrennt

•

Aufwändige Hallenbelü ftungstechnik

•

Zuluft für Pulvera nlage im Erdgeschoss über zugfreie. textile Quellau slässe

•

Zuluft im Obe rgesc hoss für VBI!· Bereic h über eigene Belüftung

•

Z u-/Abluftanlage für Abkühlzone

•

Die Abluft de r Endfilt er w ird wahlweise in d ie Halle zurück gefüh rt (kalte Jahreszeit) ode r über Dach abgeführt (therm ische Entlastung im Somrncrbetrieb].

•

Alle Belüftungssysteme und Abluftsyste me werden vollautomat isch ge steuert .

•

Das Beleucht ungsnivea u in den Pulverkabinen und den Hallenbereichen Besc hichtung und Bestückung ist optimal ausge führt.

•

Akustik-Dämme1cmente in der Beschic htungshalle zur Minderung des Geräuschpegels in der Halle (besonders von Endfiltern und Pulverkabinen)

•

Co -L öschanlage an beide n Kabinen, Sprinklera nlage in allen Hallenbereic hen. Wand hydranten und Feuerlöscher, Automat ische Brandm eldean lage

Spezielle a nlagentec hnisc he 1\Iaß na hmen Pulverkabinen mit insgesamt 18 Beschichtungspistolen 14 Pistolen auf den Vertikal- Hubgeräten 2 Pistolen auf Achsen m it automatischer Positionierung für stat ionäre n Betrieb 2 Hand beschichtcrpistolen Komb inierte Aufga be- u nd Abna hmestellen Haken und Gehänge müssen an der Abnahmestelle nicht entfe rnt werden , sie fahren am warenträge r hä ngend an d ie daneben liegend e Aufga bestelle weiter und k önnen neuerl ich mit Rohteilen bestückt werden. Die Entladestelle mit Speich erstapel ist variabel auch für die Kleinteilebestückung nutzbar; die Beladestelle wird gleichzeitig para llel genutzt und über Kopf mit leeren Warent rägern versorgt. An lagensteuer ung ma nuell oder über Lelt re chne r möglic h Einfache Tastensteuerung für Befehlseingabe an einen jeweiligen Warenträger. z. B. " zurück zu m Aufgabeplatz" ode r ,.Te ile nur Waschen" usw . Automatisierte Lösung mit Übernahme der Auftrag sdaten in den Leurechne r de r Anlage. Die Daten sämtl icher Auft räge werden dabei vom Werks- Leitsystem se lbsttät ig an den Leitrechnet der Beschichtungsanlage übergeben. Die Identifikatio n des Auft rages erfo lgt mittels Barcodescan direk t vom Mate rialbegleitschein.

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Ene rgieeins pa r ung •

Nutzung der Abluft wärme des Einbrennofens im Haftwassertrockner

•

Nutzung der Wärme über dem Einbrennofen und dem Haftwassertrockner zur Vorerwärmung der Hallenzuluft

•

Frequen zumrichter bei allen VB H ~Pumpe n

Hild 6-17: Pulverbeschichtung. Zwei Kabinen Illr den paralcllcn Belrieb bei Engpässen oder schnellen Farbwechsel o hne Prod uktio nsunte rbrec hung

Ergehnisse nach den ersten Betriebsmonaten Die geplanten Einsparungen wurden mit der neuen Anlage bere its im I. Betriebsj ahr erreicht. obw ohl der Übergangsbetrieb bei der Te i1ebestüc kung mit Durc hlau fkette einen höheren Perso naleinsatz erforderte. Marktsehig wurde die Umste llung der Beschichtungstechnologie kau m spürbar wahrge nommen . Aufgrund der ger ingen opt ischen Unterschiede zur nasslackierten Aus füh rung konnten alle Standardprodukte ohne Aufwa nd wie geä nderte Artikelnummern usw. umgestellt werden. Eine klare Tre nnung wurde nur bei abgegrenzten Proj ektaufträgen durchgefü hrt, um in diesen Fällen die Kunden mit nur einer Ausführung zu beliefern.

6.6 Pulverbesch icht ung von Holz un d Ho lzwerkstoffen

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Wä hre nd und nach der Umste llung gab es keine einzige Reklamation be i ausgelieferten Leuc hten. Mit dem Konze pt der Ano rdnung von zwei Beschichtungskabinen fü r parallelen Betrieb sind Farbwechsel keine kri tische Größe - eine Pulverkabine ist in Betrieb, die ander e Kab ine wird gleichzeitig gerüstet. Ebenso können damit auch Kapazitätssteigerungen durch einen Parallelbet rieb rasch realisiert werden .

6.6 Pulverbeschichtung von Holz und Holzwerkstoffen Bereit s in den I980-er Jahren wa r das Interesse de r Industrie für die Anwendu ng von Pulverlacken bei Holz und Holzwerkstoffen geweckt. Zu Beginn der 1990-er stande n dann erste Formulierungen zur Verfügung. Die Erfahrungen mit diesen Sys teme n wurden aber ledi glich in den Versuchslabors einiger Lackhe rsteller unter de n rein lacktec hnischen Gesichtspunkte n gesammelt. Die erste indust rielle Anwendung de r Pulverbeschichtung vo n Holzwerkstoffen erfolgte 1994 . Bei .,lIali Büromöbe l" in Eferdi ng/Österreich fand eine Technologie zur Beschichtung von MDF-Teilen mit Strukturpu lverlack Eingang in die Serien fert igung. die gemei nsa m mit de r Firma T igerwerk in Wels entwic kelt wu rde und als Wood-D ual-V erfa hreu bekannt ist [12, 13]. Gefordert wa r hier ein verfah rensangepasstes Oberllächendesign und eine elektrisch leitfähige Grundierung auf Wasserlackbasis mit sorg falti ge m Lackzwisc henschliff Inzw ischen hat Hal i Bürosysteme die Pulverbeschichtung von MDF wieder eingestellt. Die hohen Ansprüc he an die Ob erflächengü te und die notwendig e Reproduzierbarkeit waren nicht gegeben. Schon ge rings te Schwankungen inne rhalb de r MDF-Plattenprodu ktion führten zu Stör unge n. Ein nicht zu vernac hläss ige nder Kostenfaktor wa r die notwendige Obe rfläc henq ualität der MDFPlatten und d ie aufwän dige Grundierung vor der Pulverbeschichtung [14]. Ein weiterer Grund wa r, dass die bislang pulve rbesc hich tete n Teile zu einen auslaufenden Möbclprogramm gehö rten. Zwischenzeitlich sind nur wenige Anwe ndungen hinzugekommen. Bekannt sind nebe n Phonomöbe ln aus MDF und Buchenholzsp ielzeug auch ge flochtene Sitzmöbe l aus Bambus ode r Peddigrohr ( Rananm öbcl) [15]. Als Beschichtungsma terial wird hier ein Niedrigtemperaturpulver verwendet. Diese Syste me haben inzwisc hen Einbrenmemperaturen von 100 bis 130 "C. Im Verg leic h zu anderen Branchen mit intensiver O berflächenvered lung hä lt sich die Holz verarbe itende Industrie bisher sehr zurück. obwohl auch hier die Elf -Gesetzgebung eine drastische Reduzierung der VOC-Emiss ionen und der Lackabfalle verlangt. Die Gr ünde fllr d iese Zurückha ltung liegen vor allem darin, dass die Pulverlacke und die Applikationstechnologien im Hinblick au f die mit der Holzbeschichtung ve rbundenen Schw ierigkeiten noc h nicht vollstä ndig ausgeräu mt sind. Probleme bereiten vor allem d ie hygros kopisehen Eigenschaften aller Holzwerkstoffe. sowohl bei der elektrostatischen Applikation und the rmischen Aushärtung der Pulverlacke als auch im späteren Gebrauch der beschichteten Erzeugnisse. Die Pulverbeschichtung von Holz od er Holzwerkstoffen erforde rt, spez iell be im Einsatz von UV-hä rtenden Pulverlacken. ei ne enge Zusammenarbeit zwischen Lackhersteller, Anwcnder und Anlagenhersteller. FUr die einzelnen Anwcndungen sind immer spe zielle Konzepte zu era rbe iten.

320


6.6.1 Anfor de r ungen a n d en Werkstoff Der elekt rostatisc he Beschichtungsprozess [ 16] erfordert einen spezifisc hen Oberfläc henwlderstand Rn :5 101() n, beziehungsweise bei leitfäh iger Hinterlegung einen spezifischen elektrische n Durchgangswid erstand p :5 108 fhn . Die W iderstände trockener Holz werkstoffe (zum Beispiel nach Lage rung bei in Betriebsstätt en üb lic hem Raumk lima von 23 "C und 50 % relativer Luftfeucht igkeit) liege n deutlich über diese n Grenzwerten. Die relativ hohen Temperaturen für den Schmelz - und vernetzungsp rozess der handelsübliche n Pulve rlac ksyste me stelle n große Anspr üch e a n de n Träge rwerkstofT. Er muss temperat urbeständig sein (min des tens 110 bis 140 "C für Niedrigte mperat ur-E poxid harze (NT- EP), für höhere Ansprüche 160 "C bei Epoxid! Polyester (EP/PE) beziehungsweise 180 "C bei PE ode r PUR. Pulveri acken) und dar f während der Filmbildung nicht ausgasen. Zur Vermeidung von Rissbildungen im späteren Gebrauch so llen die dem Holz eigene n hydrop hilen Eigensch aften unterdrückt werden, das heißt bei Ände rungen der Umgebungsfeuchte darf der lI olzwerkstoff nur we nig Wasser aufnehmen ode r abge be n und somit auch nur ge ring. fiigig quell en ode r schwinden .

Mass ivholz Holz unters cheidet sich in se inem Aufbau wesentlich vo n den bisher zur Pul verlack ierung eingese tzten Substraten. Es ist ein natürlich gewach sen er an isotrope r Rohstoff. Hau ptbestandteil sind die im Wesentlich en in axialer Richtung verl aufend en Fasern. Sie umsch ließen Gefäße. die ab 150 um Durch messer auf den Schnittfläc hen mit bloßem Auge als Poren erkennbar sind. lm Mittel beträgt ihr Durch messer nur 10 bis 80 11m, bei Laubhölzern kön nen sie abe r bis zirka 350 11 m weit sein. Dieses Hohlraumsystem nimmt bei den meisten einhe imischen Hölzern 50 bis 60 % des Gesamtvolumens ein und ist mit Wasser. Wasserdampf und Luft gefü llt. Um ge fährliche Spannunge n im Massivholz zu vermeide n, müsste d ie Aufueizgeschwi ndigk eit unter dem für einen guten Ve rlauf ther moreakt iver Pulverlackfilm e notwendigen Gradiente n bleiben, mit der Folge eines schlechteren Ver laufs und Ausbildung einer Orange nhaut. Die harzhaitigen Nade lhö lzer sind für eine Pulverlackierung nic ht geeignet. Das Harz wird scho n bei Te mperaturen vo n 70 bis 80 "C an die Oberfläche gepress t. Gü nstiger verhalten sich Laubhölzer, insbesondere d ie zers tre utpo rigen m it kleinem Porendurchmesser. Die maximal zuläss ige n Temperaturen für d ie Wärmebe handlung liegen be i 110 bis 130 "C, sons t kön nen Trocknungs risse, Verw indunge n oder Ze llkollapse auftreten. Die Verarbe itungstemperature n für thermo rea ktive NT-E P- ode r stra hlenhärtende UV-Pulverlacke liegen zum Te il unterh alb dieser Werte. Problemzon en sind Q uersch nittsfl ächen (Hirnho lz) sowie Anomalien im Wuchs oder se kundäre Holz ve ränd erungen.

Holzwerkstoffe Gü nstigere Bedingu ngen für die Pulve rlackie rung bieten aufgrund ihres homoge rie re n und im Herstellungsprozess beeinfl ussbaren strukturel len Aufba us die Holz werkstoffe. insbesondere die mittel- und hoc hdichten Faserplatten (MD F und HOF), aber auch Part ikelwerk stoffe wie Fein spanplatten . Bei den Faserwer kstoffen wird im Herstel lungsprozess das Ausgangsmaterial ( Nadelh olz, auch ge mischt mit eine m Anteil Laub holz ) durch ei ne mechanisch/thermische Behandlung bis zur Holzfaser bezieh ungsweise zum Fase rbündel aufgeschlossen. wobe i bestimmte Anteile wie die

6.6 Pulverbesch icht ung von Holz und Ho lzwerkstoffen

321

Harze herausgewaschen werde n. Nac h der Mischung m it dem Bindemittel (meist 8 bis 12 % Harnstoff- oder Phenol-Pormaldehy dharz) und Additiven zur Verbesserung der Wassera bwe isung (0.5 bis 1.5 % Paraffin) sowie gegebene nfalls Zusch lagsto ffen zum Schutz gege n Schädlingsbefall und fiir die Erhöhu ng der Feuerhemm ung schließt sic h der Pressvorgang an. Die Temperaturen erreiche n an der Plan enober- und -unterseite zir ka 260 "C, der Druck kann Werte bis 10 MPa erre ichen. Die Pressdauer beträgt 10 bis 15 Sekunden pro Millimeter Platrendicke. Über die Fase raufberei tung. die Auswah l des Bindemittels. des Temperatur-Dr uck-ZeitRegimes beim Pressvorgang könne n unter anderem die Platteneigenschaften de m Anwendungsprofil angepasst werden. In der Regel haben die Platten eine hochverdichtete Randzone vo n fast I mm Dicke (Rohdichte p '" 1000 kg/m\ wäh ren d sie in de r Mitte lockerer gepackt sind (p '" 600 bis 750 kg/ m' ). Die größte Sc hwie rigkeit fiir den industriellen Einsatz liegt in der Rissbildung im Pulverlackfilm auf der Schmalfläche (Schnittfläche ) bezie hungsw eise in den Profil en während des späteren Gebrauchs. Änderunge n der umgebenden Luftfeucht igke it bewirken infolge des begrenzten Wasserd iffusio nswiderstandes der Besch ichtung oder über einen dire kten Feuchteeintritt an unbeschlchreten Ste llen bezieh ungswe ise Beschäd igungen auch eine Wasseraufnahm e oder -abgabe des hydrophilen Substrats. Das feuchtigkeitsabhängige Quell. und Sc hwindve rhalten senkrecht zur Plattenebene ist bei Span- und Fase rplatten beso nders stark ausgeprägt, der d ifferentielle Quellwert beträgt bei m it UF-Harz geb unde ner MD F 0.8 bis I % Dehnung pro I % Feuchtezunahme. So kann zum Beisp iel eine Veränderungen der re lativen Luftfeuchtigkeit vo n 30 % auf 80 % den Feuc htege halt um 5 % versc hiebe n und bei einer 20 mm star ken Platte eine Dickenänderun g von 1 mm verur sachen. Eine hermetische Umhüllung ist prakt isch nur schwer realisierbar. Aber auch dan n ka nn es durc h Temperaturgefalle in der Platte (zum Beisp iel bei einseitiger So nneneinwirkung) zu Versc hiebungen des Feuchtegehalts und da mit zu partiellen Dickenänderungen ko mmen. die vo rn Lackfilm aufgenommen werden müssen.

6.6.2 Applikationstechniken Für die Pulverbeschichtu ng vo n Holzwerkstoffen [ 16] kommen drei versc hiede ne Tech nologien in Betracht : •

der Einschic ht-P ulverlackauftrag direkt auf die MDF-O berfläche. mit Low Bake ode r UV· härtenden Systemen.

•

Applikation einer leitfähigen Grundierung auf Flüssiglackbasis und anschließende PulverDecklackierung,

•

eine d irekte Pulverlack-G rundierung mit Füllerwirkung und ansc hließender Flüssig lackbesch ichtung.

Einschtclu-Pulverlackierung Der Einschicht-Pulverlackauftrag beinhaltet das höchste Einsp arungs pote ntial. ist aber auch am schw ierigsten zu realisieren. Er erforde rt einen möglichst glatte n Unte rgru nd. Mechanische Bearbeitungsverfahren wie Sägen und Fräsen ge nüge n de n Anforderungen an eine Einschic htlacklerung nur in begrenztem Maße. Die Fase rn weic hen zum Te il de n Werkzeugschneiden aus und bilden eine samta rtige Obe rfläc he. Das am ihd Dresden entwicke lte Thermog lätten

322


ka nn de n bisher notwendigen ProfilschlitT a blösen. Das Prinzip dieser Feinbearbeitung bes ieht darin. mittels eines glatten, der Kont ur des gefrästen Profils angepassten Werkzeugs unte r gleichzeitiger Einwirkung von Wärme und Druck die beim vorherigen Fräs- oder Sch neid vorga ng freigelegten Holzfasern zusammenz upressen lind dauerhaft im plastifiz iertc n Untergrund zu binden. Dabei werden in den Pro filen oder auf Sc hnittflächen die Oberflächenschichten verd ichtet und so nahezu gle iche Eigenschaften wie an der im Plattenherstellun gsprozess hoc hve rdichteten Breit fläche erzeugt.

Ein zwe ites Problem stel lt die Korrelation zwischen Feuchtegehalt und elektrischer Leitfä higkeil dar. Einerse its ist für die zur elektrostatischen Applikation notwendigen Leitfähigkeit ein gewisser Mindestfeuchtegehalt erforderlich (2= 8 %). andererseits kann diese Feuchte während der Erwärmungsp hase den Prozess der Lackfilmbi ldung durc h austre tenden Wasserdampf erheb lich stören. Mit einer Vorbehandlung durc h Trocknung im hochfrequenten Kondensatorfeld ist es möglich. de n Feuchtegehalt des Bcschicht ungst rägers auf einen fllr die Filmbildung unkritische n Wert zu senken, ohne dabe i die elektrisc he Oberflächenleitfähigkeit einzubüße n. Diese Erwä rmu ngsmethode hat gegenüber der forcierte n Trockn ung im Konvektio nsofen de n Vorteil , dass sich von au ßen nach innen kein star ker Feuchtegrad ient aus bildet und des ha lb auch keine, von der Schmalfläche ausgehende n und parallel zu Plattenebene in der Mittelzone ve rlaufe nden Risse entstehen. Für flächige Teile ist dieses Verfahren gu r geeignet. Bei flächige n Werkstücken zeigen sich hinter der Werk stü ckr ückseite angeo rdnete Gleichspa nnuugs - Koronaau fladestäbe mit zur Pulveraufladung entgegengesetzter Polarität als vorte ilha ft. In Vergleich zur üb lichen Komakterdu ng durc h Nadelspitze n oder leitfähige Hinterlegung können bei Anwend ung der Ladu ngskompensation die W iderstandsgrenzwerte zirka zwe i Größ enordn ungen höher liegen und fo lglich troc kenere HolzwerkstofTe eingesetzt werde n. Mit der Herabsetzung des Feuchtegehalts (b is 2= 5 % ) vermindert sich deutl ich die Gefahr der Blasenbildung im Pulverlackfi lm.

Leitfähige Flüssiglack-Grundierung und Pulverdecklack Mit de r Flüsstglack-Gr undier ung kann du rch den nach dem Schleifen glatten Untergrund auch eine glattere Pulverlackoberfläche erzie lt werden als be i de r Direktbeschic htung. Die eigent liche n Vorteile der Pulve rbesch ichtu ng werden jedoch gemindert, da die Abfallprob1emat ik bleibt und die Bearbeitungsschritte wie Zwischenschliffe nicht en tfallen können. Beim Lackzwischensc hliff ist äußers te So rgfa lt erforderl ich. Hindurchragende Fase rbündel oder durc hgesch lifTene Kanten verursac hen Besc hicht ungsfehler.

Pulverlack-Grundierung und Flusstglackfintsh Pulverla cke sind prinzipiell auch als Gru ndier ung geeignet. Durch das Schleifen und Überlack ieren kö nnen die geb ilde ten Mikrobläschen kaschiert werden. Die Überlac kier ung nach einem Zwischensc hliff kann mit umweltfreund lichem Wasserlack erfolge n. In de r Regel wird ein Farbdecklack aufget ragen, der den gew ünschten Seidenglanz erzeugt und die notwen dige Kratzfestigkeit gewährleistet.

6.6 Pulverbesch icht ung von Holz un d Ho lzwerkstoffen

323

6.6.3 Pulverlacke Thermoreaktive Pulverlacke Als Nied rigtemperatur-Pulve rlacke sind überw iegend Epoxidh arze oder Epoxid/ Po lyester in de r Anwendung. Das Proz essfenster für den Sc hmelz- und Vemetzungs prozess liegt bei Epoxidhar zen zwischen Temperaturen von 110 bis 140 °C . bei Epoxid/Po lyestern zwischen 130 bis ISO -c. Eine deutliche Ern iedrigung de r Vera rbe itungstem peratur ist aufg rund der notwendigen Lagerstabi lität der Pulverlacke nicht zu erwarten. Außerdem ist mit der Absen kung der Schmelztempe ratur auch eine Verschlechterung des Ve rlaufs und der Haftfestigkeit zu erwarten. Ein entsche idende r Schr itt zu Tem peratu ren unter 100 °C setzt die Entwicklung kristallirrer Bindemi ttel voraus, was ge genwä rtig aber nicht abzusehen ist. Die Epoxid harze zeichnen sich durch sehr gute Haftfestigkeit und chemische Beständigk eit aus, sie sind desha lb als Gr undierpulver prädes tiniert. Nachteil ist ihre ge ringe Lichtbeständigkeit und geringe Kratzfestigkeit.

UV-hiirtende Pulverlacke Die UV-härtbaren Pulverlacke ha ben in den letzten Jahren eine intensive Weiterentwicklung erfahre n. Als Bindemittel/H ärter-Systeme werden höhermolekulare Harze mit reakt iven Gr uppe n verwendet. dere n Vernetzung bei der Bestra hlung mit energiereichem Uv-Licht durch einen auf das Bindemittel und die Pigmentierung abgest immten Photoin itiator ausgelöst wird. Im Wesentlichen sind folgen de Syste me in der Erprob ung : Rad ikalische Polymerisation •

Polyester Acrylare. ergibt flexi ble Lackschic hten

•

Uret han Acrylare. ergi bt harte Schic hten

•

Mischungen beider Kom ponenten. um entsp rechende Lackeigensch aften zu erhalten

Die Uv -Pulverlacke könn en mit der üblichen Technik app liziert we rde n. Bei etwa 100 bis 120 " C Oberflächente mpe ratur schmilzt die aufgebra chte Pulverschicht und ver läuft zu einem ho moge nen Film. Der Schme lz- und Filmbildungsprozess dauert circa ISO bis 180 Sekunde n [17J. Der chemisc he v emetzungsprozess wird erst durch (JV-St rahlen angeregt. wo be i die Photoinitiatoren ges palten we rden und von den gebildete n fre ien Rad ikalen eine Copoly merisatio n de r Komponenten des Bindemittelsy stems initiiert wird. Die UV-Zon e wird innerhalb vo n 15 bis 20 Se kunden passiert. Die Trennung von Verla uf und Vernetz eng ist ein entscheide nde r Vo rteil der UV-P ulverlacktechnologie.

6.6..t Beispiel der Pulver besc hicht ung von Ml>F mit Uv-här tendem System Die erste Beschichtungsanlage für MDF-Platten mit eine m Uv-härtenden Pulverlacksystem wurde 1999 in Süd Wales vom sch wedischen Möb elhersteller Stilexo in Betri eb ge nom men

[1 81· Im Juli 2002 hat bei der Firma Sau ter in Überli ngen die ers te Anlage in Deutschland zur Pulve rbesc hichtung von MDF mit Uv- härte nde n Sys temen die Produktion aufge nommen .

324


Fertigungsablauf und Anlagenleclmikfiir die Pulverbeschichtung [19] Die vorbereiteten, gere inig ten Werkstücke werden auf den Ken enförderer au fgeh ängt und laufen in die Vorheizzone (Preheate r) ei n. Die Infrarot-St rah lung in Verbindung mit einer gesteuerte n Luftfü hrung sorgen für das gleic hmäßige Erhitzen de r MDF-Obe rtläc he. Die erzielte Oberflächentempe ratur liegt bei ca . 60 " C. Der Feuchteanteil der Platte {ca. 6 % ) beginnt dabei tei lweise zu verdunsten und tritt an die Plattenoberfläche. wodurch die für das elektrostatische Verfahren benötigte Oberflächenleit fähigke it gewährle istet wird . In der direkt ansc hließenden automatischen Beschic htungsanlage er fo lgt di e Applikation de s U v -Pulvers au f Vorder- und Rückseite. Hierbe i wi rd eine Schichtdicke zwische n 80 und 1I0 ).l m anges trebt. Overspray w ird abgesaugt und über den Zy klon zurüc k zum Pulve rbe hälter tra nsportiert . Die Applikation erfolgt mit Co rona-Pisto len. Ansc hließend wird das Pulver durch IR-Stra hlu ng und Konvektionswänn e aufgesc hmolzen. Dieser Vorga ng daue rt ca . 180 s, die Temp eratur beträgt kurzzeit ig 100 bis 130 "C. Danach durc hläu ft das Te il den UV-Kanal. wobei die Vernetzeng durch UV-Lampen realisiert wird . Dauer ca. 60 s. die Temperatur bet rägt kurzzeitig zwischen 110 bis 130 "C. Zu r besseren Handhabung wird das beschichtete Tei l danach durch einen Luftstrom auf 40 °C abge kühlt. Die beschichteten Te ile sind danach stapelfähig und kön nen gelagert werde n. Im Ja hr 2003 entschied man sich bei de r Firma Ledro Keuke ns für die Pulverbeschichtung von MDF. Ledro Keukens war ursprünglich au f Kücheneinrichtungen für Privatkunden ei ngerichtel. Heute ist da s Unte rne hmen einer der renommiertesten Küchen- und Badezim merprod uzen ten Europas [20]. Als Pulverlack wird ein Niederte mperat urlack. speziell für die An wendu ng für Holzwerkstoffen entwickelt. ei ngese tzt.

Hild 6. 18: Pulverapplikation der MDF·Plaltcn be i Ledre Kcukcns

Literatur

325

Die MD F-Plalten werden vo r der Beschichtung vorgewännt. Dafür we rden gas kataly tische Ö fen eingesetzt, ebenso für den Einbrenn prozess des Pulvers. Mittels der genau definiert gesteuerten Keramik-Katalysatoren und der indire kten Gasbefeuerung werden die MDF-Plalten vo rgewärmt, dann besch ichtet und anschließend das Pulver eingebrannt. Gegenüber Heißluftöfen und UV-An lagen ist die Gas kata lysatortechnik besser steue r- und regelb ar. Bei der Pulverapplikation ist es wich tig, dass alle Parameter der Elektrostatik exa kt gesteuert werden können und feins te Ändc runge n der Charakteristik der MD F-Plattcn so ko mpensie rt werden.

Literatur [ I]

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[2]

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Gohl, H.: Der Smart im Pulverkleid. In: JOT, 04, 199 7

[5]

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[6] Aipers, M.: Warema ll - eine Anlage setzt neue Maßstäbe. Vortrag anlassfleh der EPS 2002,28 .02. bis 0 1.03.20 02 in München

[7]

Stengel, J., Marcon, H: Vollautomat isc he Pulverbeschichtung vom Feinsten. In: JOT , 05, 2002

[8]

Stengel, J: Pulverbeschichtung opt imal automat isiert. Vortrag anlässtich der EPS 2002, 28.02. bis 0 1.03.2002 in Münc hen

[9]

Bachmann, S .: Log istikkonzept weit über die Oberfl ächenbehandlu ng hinaus. Informationsschrift der Fa, Eisenmann . Holzgerlingen

[10] Bachmann. S .: Pulverlackierstraßen in höchster Automation. Te il 2: KühlschrankLackierung mit Einbindung vor- und nachgeschalteter Bere iche. Vortrag DFO Pulvertag in Lübec k, 200 1, DFO Berichtsband Nr. 48 [ 11] Habisreutinger. J. : Mit Pulver statt Nass lac k - Perfektes Oberflächenfi nish für Leuchten. EPS Tagung 2008, München. Febr. 2008 [12] H öd elmoser, S. r.: Pulverbeschichtung von MDF- Platte n in der Praxis. .,Der Pulvertreff '95"', München , Febr. 1995

[13] Radoczy. I.: Das Wood-Dual-Verfahren zur I\1DF-Veredlung, In: I-Lack 63 (1995 ) 3, S. 96--98

[14] Rijkse. K.: Neue Möglic hkeiten mit Niedr igtempera tur-Pulver . In: JOT, 05, 1998, S. 36-39 [15] Pulver auf Holzwerkstoffen - w er wagt den näc hsten Schritt? In: JOT, 02, 200 I [16] Baiich. H: Pulverbesc hichten von HolzwerkstofTen. In: JOT, 10, 1998, S. 4()""51

326


[1 7] Zimmermann, F.: Pulverbeschichten von MDF in der Praxis aus der Sicht des Pulverherstellers. EPS-Tagung 2003, München Februar 2003, Tag ungsband S. 97- 105

[18] Anonym: Pulverbeschichtung von MDF Platten - ohne Zwischenschritt zur fertigen Oberfläche. In: JOT, 06, 2000, S. 8-10 [i 9] Mayer, C; Pulverbeschichten von \ 1DF in der Praxis aus der Sicht des Loh nbeschic hters. EPS-Tagung 2003, München Februar 2003, Tag ungsband S. 107-11 2

[20] Anonym: Pulverbeschichtete MDF-Küchenelemente aus Belgien. In: JOT

w etter e Lit eratur zur Holzbeschichtung mit Pu lverlacken blauer. K.; u. a.: UV-Pulverlacke - erste Erfahrungen in der Anwendung. In: JOT Journal für Oberflächentechnik . 38 ( 1998) 5, S. 36-39

Bauch. H : Fortschritte bei der Pulverlacklerung von Holzwerkstoffen. Pulverlack-Kongress 1996, Hamburg, 23.-24.09.1996, Tagungsband S. 95-1 10 Sa ndig c.; u. a.: Reibgl ätte n - ein rationelles Verfahren zur Feinbearbeitung von Profilen in MDF. In: Ho lz-Zentralblatt Nr. 6 vom 12.01.1996, S. 81 ~8 2

Sandig, C: Rollglätten - Alternative zum Schleifen? In: HK Holz- und Kunststoffbearbeitung 33(1998)5, S. 64-67 Bauch, H.: Verfahren zum elektrostatischen Beschichten von Holz und HolzwerkstotTen. DE 195 33 858 Al Bachmann. S.: Pulverlackierstraßen in höchster Automation. Te il 2: Kühlschran k- Lack lerung mit Einbindung vor- und nachgeschalteter Bereiche. Vortrag DFO Pulvertag in Lübeck, 200 1, DFO Berichtsband Nr. 48 Verwen dete Bild er in Kapitel 6 Eisenmann. Böblingen :

6- 1 bis 6· 4. 6·10 bis 6-\3

Warema Renkhoff. f\.larktheidenfeld:

6-5 bis 6-7

MS Oberflächentech nik. CH-Balgach: 6-8 bis 6-9 Zumtobel, Dornbirn

6- 14 bis6- 17

Gema, SI. Gallen

6- 18

327

7 Mess- und Prüftechnik

7.1 Aufgaben der Prüflechnik Jede Lackier ung oder Beschichtung soll dazu beit rage n, •

das lackierte Material vor de n Angriffen der Umgeb ung zu schützen,

•

de n optischen Eindruck z. B. einer Fassade während der gesamten Nutzu ngsdauer zu erhalten,

e

die funktionelle Aufgabe zu erfüllen. für die eine Oberfläche oder ei n Bauteil konzip iert wurde.

Um d iese Ziele zu erreiche n, müssen alle Materialien und Arbeitsverfahren ge prüft und aufeina nder abgestimmt werden. Die gebrauchsfertige Beschichtung steht natür lich im Vorder grund. Schl ießlic h ist das eigentliche Produ kt, der lackierte Gegenstand. zu prüfen. Für die Kontrolle des Besc hichtu ngse rge bn isses und de r Prod uktion we rde n d ie meisten Prüfun gen nach der endgültigen Aushärtung der Lackierung vorge nommen und einige wenige können be reits wäh rend des Lacklerprozesses eingesetzt werden. Die Anforderungen an die Beschi chtung erge ben sich aus dere n Einsatzzweck und we rde n in der Regel vom Kunden ode r in Q ualitätsric htlinien festgelegt. Nonnen ent halten in der Regel keine Vorgaben über ei nzuhaltende Mlndestanforderungen. Sie besc hre iben j edoch detailliert die vergehensweise bei de r Prüfung und Dokumentation der Pr üfergebnisse. In der Prüftechnik von Lackbesc hicht ungen g ibt es eine Vielzahl von Verfahren und Verfahrensdurchfli hrungen. In diesem Kap itel solle n einige der w ichtigs ten und am hä ufigste n angewendeten Prüfmethoden fiir Besc hichtungen bzw . besch ichtete Ober fl ächen vorgestellt werden. 7.1.1 Prüfung von Beschlchtungsstoffen Die Prüfung der gelieferten Beschichtungsstoffe ist im Prinzip e ine Warenei ngangskontro lle. Der Lacklieferant mac ht im begleitende n Sicherheitsdate nblatt bzw . Spezifi kat ionsdaten blatt Angaben über die Zusammensetzung. die chem isch-phys ika lische n. anwendu ngstec hnische n und sicher heitstechnisc hen Eigenschaften und Kennwerte. Er ist verantwo rtl ich für d ie Einstufung und Kennzeichnung und für d ie Angaben zu Umga ng, Lagerung und Entsorgung der Produ kte. Der Anwertde r prüft die Übereinstimmu ng de r angegebe nen mit den tatsächlichen Eigensch aften oder Kennwert en . Die schne lle Wareneinga ngsprüfung vo n Beschichtungsstoffen w ird durch die Tatsache erschwert , dass d ie meis ten anwendungstechnischen Eige nschaften nicht an flüssig en oder festen (bei Pulvertacken) Beschichtungsstoffen zu testen sind, sondern dass erst d ie fertige Lackierung ze igt. ob d ie mec hanischen, op tischen oder Beständig keitseigenschaften den An forderungen entsprechen. Dies kann eine zeitaufwän dig e Eingangskontro lle bedeuten. Eine andere Mögl ichkeit ist e ine Ve reinba rung zw ischen Lieferan t und Anwen der, in welcher der Lieferant die geforderte Q ua lität garantiert, oder es werden nur solche Mater ialien verwendet die ein unabhängiges Quali tätssiege l tragen, das von unabhängigen Organisationen vergeben und ständig kontro lliert w ird. Ein Beis pie l im Bere ich der Stückbe-

328


schichtung von Bauteilen sind die Qualitätszeichen Al 63 1, fiir d ie Beschich tung vo n Aluminiumbauteilen ode r ST 663 im Bereich verzinkter Stahl der GSB-lnternational [1].

Weitere Qualität sgem einschatl en sind im Bereich der Industriebeschichtung. d ie QlB [2] und eben falls im Bereich de r Archit ektur d ie Q ualicoat [3]. Grundsätzlich w ird nicht so viel w ie mög lich ge prüft, sonde rn so wenig w ie nötig. Die zur Anwendung gelangenden Prüfu ngen richten sich imme r nach den Anforderunge n und de m Einsatzzweck des beschichtete n Gegenstandes.

7.1.2 Pr üfung des Untergrundes Ähnliches gilt für die Prüfung de r geliefe rten Werkstoffe. di e zu lack ieren sind. Die Entfernung von arteigenen und artfremden Obe rfläc henve runreinigungen. von Trennmitt el n ode r so nstigen Sto ffen, die eine Haftung des Besc hichrungssto ffes au f dem Untergru nd beeinträchtige n. ist Vorausse tzung für eine optimale und dauerhafte Lack ierung. Die Übe rprüfung der Reinheit e iner Werkstückob erfläche vor der Beschichtung kann mit verschiedenen Verfahren, wie sie bereits in Kapitel 5 beschrieben wurden, durchgefüh rt wer den. Eine schnelle Prüfung zur Vorbeha nd lung der Werkstückober fläche und Ilaftung der Lackschic ht bietet der Kochtest. Er ist in den Qualitätsrichtli nien der GSB-International [ I] vera nkert als Test zur Kontrolle der Güt e der Vorbeh andlung. siehe Absc hnitt 7.3. 17.

7. 1.3 Prüfung der Ap plika tio n und T rockn ung (Einbrennvorga ng) Bei der Überprüfung der Applikation und de r Trocknung stehe n die Schichtdicke. die visuelle Beurteilung auf Gleichmä ßigkeit der Appli kation und Prüfung au f Versc hmutzunge n im Lackfilm und die Kontro lle dcr Einbrenn bedingu nge n im Vordergrund. Um ein gleichmäß iges Aufschmelze n und ei ne ausreichende Vernetzung des Pulverlackfilms im Einbrennofen zu erreichen. müsse n die Werkstücke eine bestimmte Objekttemp erat ur über eine gew isse Zeit erreichen und halten. Nur mit einer optimalen Aus härtung der Lackschicht könn en die Eige nschaften. wie Haftfestigkeit. ausreic hende Elastizität. Beständigkeit gegen Wetter und Umwelt belastungen. Glanz und Farbko nstanz, Härte erre icht werden. Die gena ue Temperaturverteilung im Einbrennofen muss bekann t se in, um Aussch uss zu vermeide n und eine gleichbleibende Qualität zu ga rantieren. Im Beschich tungsbclrieb so llte die ordnungsge mäße Funktion des Einbrennofens in regelmäßigen Abständ en mit Hilfe von O fentemperatur-Messgeräten überprüft werden.

7. IA Pr üfung d er Beschi chtung Eigenscha ften vo n Beschic htun gsstoffen. die sich durch chemisc he und physikalische Kennzah len ausdrücken lassen. z. B. die Dichte oder das Kom vert eilun gsspektrum. können an Pulve rlac ken re lativ schn el l und mit einem geringen Aufwand kontrolliert werden. sofern die notwendig en Prüfgeräte zur Verfügun g stehe n. Anders verh ält es sich mit eine r Reihe von anwe ndungstech nische n Eigenschaften. Die Lichtbeständigkeit eines Autom obillackes ode r die Korrosionssch utzwirkung eine r Beschichtung lässt sich eben ers t endgültig feststellen. wenn der Gegenstand über eine ge wisse Zeit se ine ihm zugedachte Aufgabe erfü llt hat. Mit Hilfe vo n definierten Zeiträumen und Orten in der Freibewitterung und Kurzzeitbewirterunge n versucht man Auss agen zum Langz eitverhalten der Beschichtung zu treffen. Allerdings

7.2 Appearance

329

lässt sich d ie immer wieder ges te llte Frage nach eine r Korrelat ion von Erge bn isse n der Kurzprüfung zu denen de r Langz eitbewin erung oder ga r de r Praxis - etwa nach der Formel: x Minuten Kurzzeitprüfu ng, z. B. Weatherometer, = y Jahre, Freibewitterung = xy Jahre Praxis nicht beantwo rten. Besch leun igte Prüfver fahren sind dazu geeignet. eine Rela tion herzustellen. So ll ein bew ährtet Besch ichtungsstoff durch einen anderen ersetzt werden, können beide Produkte nebeneinander ge prüft we rde n. Aus den auf diese Weise erhalte nen Erge bnissen lässt sich ab leiten, ob die Beständigkelten gleic h. versc hieden od er se hr versc hiede n sind. Eine solche Aussage kann mit Hilfe immer besser ent wickelter und spez ifizierter Prüfgeräte sehr schnell erhalten werden, abe r sie macht keine endg ültige Aussage über das Verhal ten des Systems unter Praxisbedin gunge n. Prüfvorschriften ex istie ren in Fo rm von •

No rme n,

•

Rich tli nien und Regeln. vor allem branchenspezi fisc h.

•

Werk snonnen und

•

Vere inba runge n zwisch en Liefera nte n und Kunden.

Innerhalb des Unternehm ens müsse n alle Prüfvorschr iften in verbindliche Verfahre nsa nweisungen umgesetzt werden, den n Prüfungen sind ein wesentlich er Bestandteil der Q ualitätssiche rung eines Un terneh mens. Sie müssen nachvo llziehbar besch rieben se in. Ihre Ergebnisse sind sorgfä ltig zu dokumentieren, den n sie können be i Reklamationen hilfreich sein.

7.2 Appea rance Wahrnehmung des Erscheinungsbildes Ein glei chmäßige s Erscheinungsbild gilt bei viele n Erzeugnisse n als wicht iges Qualitä tsmerk mal. G lan zeffekte beruhen auf dem Zusammenwirk en von Licht und physikalischen Ob erfl äche neigenschaften. Sie hängen aber auch von phys iologischen Bewertungsmaßstä ben ab . Das mensch liche Auge ist nach wie vor das beste Instrument zu r Beurteil ung von Glanz- und Farbu nterschieden. Dennoc h ist die visuelle Obe rfläc henprüfu ng unzureichend, da •

meist keine defi nierten Ab musterungsbed ingu ngen vorliegen und

•

versc hiede ne Prüfer unterschiedlich sehen und bewerten.

Zusätz lich ist die subjektive Glanz- und Farbe mpfi ndung auch vo n der persö nlichen Erfah rung geprägt. Bei der visuel len Bewertung des Erscheinu ngs bildes sind folge nde Faktoren betei ligt:

Bescha@nheit der Oherfläche: Material (z. B. Lack, Kunststoff ode r Metall) und Stru ktur (z. B. glatt, rau, wellig)

Art der Beleuchtung: Vorausse tzung für die Beurteilu ng ist eine ge richtete Beleuchtung. Bei diffuser Be leuchtung ist auch die Reflex ion di ffus und der Glanzeindruck verm indert. Beobachter: bei der visue llen Wahrneh mung spielt das Sehverm ögen und die Stimmu ng des Beobachters ein e entsche idende Rolle. Entsc heiden d ist abe r auc h, wora uf wir unser Aug e konzentrieren . Wird der Blick au f eine reflektierte Lichtquelle fokussiert, so wird die Abbildungsqualität de r Oberfläche, d. h. die Fähigkeit, Obj ekt e wiedererkennba r zu sp iegel n, bewe r-

330

7 M ess- und Prüftech nik

let. Die Oberfläc he kann brillant oder matt erscheinen (Glan z). Bei der S piege lung ei ner Kante kann der dunkle Bereich etwas erhel lt sein (G lanzschleier, Haze) und die Kantenbegrenzung

kann scharf oder verschwommen sein (DOI - Distinctness of Image, Brillanz) [4]. Wird de r Blick auf die Oberfläche selbst fokussiert. wird zusätzlich ein Eindruck über Größe und Form von Strukt uren erhalten. Gesehen wi rd dies als ein w elli ges M uster heller und dunk-

ler Felder. Diese Welligkeit wird häufig als Orange Peel oder Verlaufsstörung bezeic hnet. In Bild 7·] sind beid e Beobachtungsformen nochmals da rgestellt. we lche zum Gesamteindruck des Ersc heinungs bildes be itragen.

physiol ogische Erscheinung apperance "

I

J

!

Farbe

G .~

Betrachtung m it Focus auf das Bild der

Betrachtung mit Focu s auf die Leckooerü äcbe

LidllqueHe

!

ergibt die Abb ildungseigens cl1aft distiroetness cf image

ergibl die

Vertaufstörung

_.-

orange peel

langweilige Verlau fsslönm g Iongwava

k u ~ lI ;ge

Verlaufsstörung sroortwava

(010 )"'

....

Refl ectorrHllet lWrl specular

Gl anuchle....

"'~

.-

Bildsctlärfe imegeelarily

Hild 7· ) : Schema der Oberfl äche nbeschreibung • Da in de r deutschen Sprache keine einhe itlichen BegriOc existieren. wurd en die international üblichen Bezeichn ung nach lIunter [51aufgeführt. •• Der Begr iff DIO wird im englischen Sprachraum als Synonym fllr Bildschärfe benu tzt.

7.2.1 G lanz mess ung G lan z ist eine visuelle Wahrnehmung. die bei der Betrachtung vo n Ob erfläche n entste ht. Die G lan zwah rneh mung ist umso ausgeprägter, je ge richte ter das Licht refle ktie rt w ird.

lIot"ilgltm z: Auf ebe nen, völlig glatten, polierten Oberflächen können Spiegelb ilder de utlich erkannt werden. Das einfallende Licht wird an der Oberfläche geric htet reflektiert, d. h. nur in die Hauptref lexionsrichtung. Der Reflexionswi nkel ist gleich dem Einstrahlwinke1, siehe Bild 7·2. Mi/tel· bis MtllIgltlllZ: Vo n rauen Oberflächen w ird das Licht nicht nur in die Hau ptreflexionsrich tung, so ndern auc h diffus in andere Richtu ngen refle ktiert. Dadu rch ist die Abb ildu ngsqualität der Oberfläc he vermindert. Ein reflektiere ndes Obj ekt wird hier nicht me hr brillant, so ndem verschwommen abgebildet, siehe Bild 7-3.

7.2 Appearance

331

100 J.I g/mJ 50 1

•

Stad tklima (Nü rnher g) :

60 J..lglm 50 2

•

Land klima (Olpe ):

30 J.lglm 50 2

1 J

Dera rtige Prüfungen sind, wege n der Da uer der Unte rsuchung, ruf die Grund lagenforsc hung zwar sinnvo ll und wichtig, für die Entwicklung und Fe rtig ung a ber meist nicht brauchba r. Desha lb wu rden Kur zzeitprüfmethoden en twic kelt, mit denen verschie dene Umw e ltbeding unge n zwa r in e iner versc hä rften Fo rm, aber da mit kürzere r Vers uchsdauer simuliert werd e n. S ie s ind nation al od er internatio nal ge nor mt. ge ben j edoch immer nur Hinweise a uf die Korrosio nsbeständigke it e ines Sc hutzsys tems - niema ls e ine 100 % -ige Auss age . In de r Korrosionsprüfung vo n Beschicht unge n haben s ich folgen de Ver fa hren in de r Prax is bewährt und als Q ualitätsprüfunge n mit defin ierte n Bedin gungen durchgesetzt : Konden swasserpr üfunge n

DIN EN ISO 627 0 [56]

Konden swasserwech se lprüfunge n mit Sc hwe feldiox id (5 0

1)

Salzsprühnebelp rüfu nge n

DIN EN ISO 323 1 [5 7] DIN EN ISO 9227 [42]

Zusätzlic h we rden aber oft ma ls Kombinatio nsprüfungen angewendet. die besser mit de n tatsächlichen Umweltbedingun gen und La ngzeitergebnisse n ko rrelieren als Prüfungen in e inem Mo no klim a. Dies kann zum Beispiel e ine Kom bination a us Klima wec hsel- und Salzsprü hnebe lprüfunge n se in. wie es im Be re ich de r Aut omobilhersteller üb lich ist und im VDA· Wec hseltest 621-41 5 [59] beschrieben wird. Be i der Kom binatio nspr üfung in der Au tomo bilindustrie werd en Kraftfa hrze uge bzw . deren Ba uteile mit zyklisc h wech selnd er Beanspru ch ung getestet (I Prüfzyklus dauert 7 Tage ). I Tag

=;

24 h Sa lzsprühnebe lprüfung

4 Tagee

4 h Zyk len Kond enswasser-Wechsel klima

2 Tage e

48 h Raumt emp erat ur 18 bis 28

-c

Eine ähnlic he Kombinatio nsp rüfun g verwende t zum Be ispiel die Stiftung Warent est bei de r Ermittlu ng der Ko rrosion sbeständ igkeit von Konsumgegen stän den . In der Nor m OI N EN ISO 11997- ] [74] werden zyklische Bean spruchungen defin iert, u.a. auc h mit ei ner zus ätz lichen Uv -Bes trahlung.

7.7.2 Kondenswasser-Pr üfklima te Dl N EN ISO 6270 Diese Fo rm der Prüfung s imuliert das Ver ha lten von Werkstoffen in fe uchte n Umgeb ungskli mate n. Durc h das Anwärmen der Proben in mit Wasserdamp f gesättigter Luft ko mmt es z ur Kondenswasserbild ung. die für fe uchte Klimate typ isch ist. Die Bean spru ch ung kann dab ei

361

7.7 Korrosionsprüfungen

entwede r in Konstantk limaten ode r in Wechselklimaten (mit Zw ischenabküh lung) erfolgen. Diese Prüfungen mit milder Korrosionsbeanspruchu ng eigne n sic h gut zur Untersuchung von Phosphatierungen, Chromatierungen und Passivierungen. Bei Beschichtungen wird die Blasen bildung und Unterw anderung des Lackfilms beurteilt. Alle drei Prüfungen werde n im gleichen Typ vo n Prüfkammer durchgefüh rt, es ändern sic h lediglich die einz elnen Prüfabsc hnitte. Kondenswasser-Konstantklima

DIN EN ISO 6270- I-kontinuierliche Kondensation

Kondenswasser-Wechselklima DIN EN ISO 6270-2 mit Änderung der Feuc hte und der Te mperat ur und mit Ände rung nur der Temperatur Eine Zusammenfassu ng der Prüfbedi ngungen zeigt die Tabell e 7-5. Ta lJdle 7-5: Prü fbedingungen nach [)IN EN ISO 6270-2

Kurzbezeichnung

Dauer eines Zyk lus

KK

Gesamt

KF\V

KTW

Temperat ur

relati ve Luft feuchte

24 h

40 ±3 "e

etwa 100 %

Gesamt I. Abschni tt 2. Abschni tt

24 h 8h 16h

-

Gesamt I. Abschnitt 2. Abschnitt

24 h 8h 16h

-

40 ±3 "e

rs uszs -c

40 ±3 "e 18 bis28 "C

etwa I 00% unter 100 %

etwa 100 % etwa 100 %

7.7.3 Beanspru chun g im Ko ndenswa sser-wechsel klima mi t schwefeldloxtd hattlger Atmosp hä re I>IN EN ISO 323 1 Die Schwitzwasseratmosphäre ist aggressiver, wenn korrosionsfördernde Gase zugeleitet werde n. Durch diese Prüfung besteht daher die Möglichkeit, Feh ler in Korros ionsschutzsystemen schneller zu erkennen. Da metallische Grundmaterialien in verschiedenem Ausmaß korrodieren, ist die Zeitspanne bis zum Korrosionsbeginn des Grundwerkstoffs ein gutes Maß für de n Korrosionssch utz der Besch ichtung. Zur Durchführung der Prüfung w ird die Bodenwanne des Gerätes mit destilliertem (entionisiertem) Wasser gefüllt. und der Probenraum auf 40 ± 3 "C erwärmt. Es ist lange bekann t, dass die atmosphärische Korrosion von Metallen sta rk vom Schwefeldioxidgehalt der Atmosphäre abhängt. Bei organ ischen Besch ichtungen kann so die Sc hutzw irkung der Lacksch icht getestet werden. Diese Abhängigkeit wird im Kestern ich-Verfahren simu liert. Es sind zwei Variante n de r Prüfung üblich: mit 0,2 und mit 2.0 Liter Schwefeldioxid auf300 I Prüfra umvo lume n. leder Zyklus da uert 24 Stu nden, Tabel le 7-6. I. Absch nitt: 8 Stunden bei 40 ± 3 "C und Beta uung 2. Abschnitt: 16 Stunde n Belüftung bei Raumtemperatur und Luftfeuchte unter 75 % Das in den gesc hlossenen Prüfraum einge leitete Schwefeldioxidgas löst sich rasch im Wasser der Bodenwan ne (2 Liter). Die Schwefeld ioxidkonzent ratio n im Gas raum beträgt dann nur 117 der theoretischen Konzentration von 0,067 Vol. % . Durch Wec hselwirkung mit den Proben

362


und Ox idation sinkt d ie Schwefeldioxidkonze ntra tio n am Ende des Prüfabschnitts auf Null ab. Nac h der ge forde rten Zah l a n Zy klen wer den die Proben he rau sgenommen, ges pült und nach einer Stunde be urteilt. Ta helle 7-6: Zusa mmen fassung der Prüfbeding ungen nach [)[N EN [SO 323 1

Kondenswasserklima

Dauer eines Zyk lus

Te mperatur

Relative Luftfeuchte

Prüfbedingungen

Gesamt: 24 h I. Prüfabschnitl: 8 h 2. Prüfabschn itt: 16 h

-

-

40 ± 3 °C 18 bis 28 -c

etwa 100 % max. 75 %

0.2 I

1,0 I

2,0 I

SO"·Zuga be pro Zy klus bei 300 I Prüfk amm er

IJild 7-22: Korr osionsprüfgerät für Kondenswasserwechsel- und -kons tamk limatc

7.7 Korrosionsprüfungen

363

7.7.3 Salzs prü hnebelprü fung mit verschiedenen Natri umchloridlösu ngen

IlIN EN ISO 9227 Die Sprühnebelprüfunge n dienen zur Simulation des Meere s- und Küstenklimas und de r Korros ion du rch Auftau salze. Sie sind zeitl ich sehr ge raffte Prüfmeth oden . die als Hau ptbestandteil eine 5 %-ige Natriu mchlor idlösung en thalten. die kont inuierlich vers prüht wird. Es werde n drei Sprühnebelprüfunge n unterschieden, die meist im Dauerve rsuch auf die Prüflinge aufgesprüht werden. Festgeha lten wird die Bea nspruchu ng in Stunde n. Vor der Kor rosionsau slagerung werden die Proben m it einem Ritzwerkzeug defi niert geschädigt. Je nach Vorgab e wird ei n Andrea skreuz oder zwei para llel verlau fende und eine im 90° Winkel da zu verl aufende Ritzspur angebracht. Die Art de s Ritzwerkz eug es und die Ausru hrung haben einen entscheide nde n Einfluss auf da s Ergebnis. Nach der Prüfun g wer den in der Regel die Unterwander ungen au sgeh end vo n den Ritzspuren und d ie Blasenbildung beurteilt. Die Probenbleche sind in einem Winkel vo n 60 bis 75° zur Senkrec hten im Prüfraum aufzustellen. Die augerit zte Seite zeigt nac h oben und die Proben dürfen sich nicht berühren. Nac h der ge forde rten Prüfdauer werden die Prüflinge herau sgenommen. mit Vb-wasser abges pült und ei ne Stunde später beurteilt. Neutrale Salzsprühnebc lprüfung

DIN EN ISO 9227-NSS

Essigsäure-Salzsprühnebelprüfung

DIN EN [SO 9227-AASS

Kup ferbeschleu nigte-Essigsäure-Salzsprühnebelprüfung

DIN EN ISO 9227-CASS

Durch die Zugabe vo n Essigsäure und Kupferchlorid werden die korrosiven Bedingungen gegenüber der neutralen Sa lzsprühprüfung (SS) verschärft, so das s die CA SS-Prüfung besonders in der Überprüfung der korrosionsbeständigsten Werkstoffsysteme eingesetzt wird . Tabelle 7-7 zeigt eine Zusammenfassung der Prüfbe di ngungen nach DIN 5002 1. Tubelle 7·7: Prüfbedingungen im Salzsprühtest

Kurz bezeichnung

zu versprühende Lösung Te mperatur in der aufgefangene Lösung Prüfkammer pH-Wert NaC I g/ l Zusätze NaCI gl l

NSS

50 ± 10

keine

35 ± 2 °C

50 ± 10

6,7-7.2

AASS

50 ± 5

I)

35 ±2 °C

50 ± 10

3, 1-3.3

CA SS

50 ±5

2)

50 ±2 °C

50 ± 10

3. 1-3,3

I) Essigsäure zum Einstellen des plf-wertcs aufL ! - 3.3 2) 0.26 ± 0.02 gll CuCI2 x 2 lI i l und Essigsäure zum Einstellen des pll-Wcncs auf L ! bis 3.3


364

Bild 7-23:

Blick in eine Sprü hkammer. Anord nung der Prüffinge im Probenraum

7.7..4 Prüfung d er Beständigkeit gege n Ftltfor mkorrosion Filiformkorrosion ist laut Definition in DIN EN 3665 [60] e ine Korrosion , die unter Beschichtungen a uftritt , welch e a uf Träge rmate rial a us Metall a ufge brac ht we rden. Sie geht im Allge meinen von unge schützten Kant en ode r örtlichen Schäde n, die durch die Beschichtung hindurc hgeh en. aus. Mit Hilfe des Prüfve rfahrens sollen die Umge bungs beding ungen simulie rt wer den . unter welche n diese Art der Korros io n vo r allem stattfinde n kann.

Dazu ge höre n: •

Stö rste llen in der Beschicht ung

•

Anwesenheit von Starters alzen. sogena nnten Init iatore n -+ Animpfen der Probe n in HC LDampf

•

Für das Wac hsen der Korros ionsfad en ist ei ne ge wisse rela tive Luftfe uc hte notwend ig ~ Lageru ng de r Proben in einem Klimasc hrank ( Prüfk ammer) bei einer Temp e rat ur vo n 40 ± 2 °C und ein e r relative n Luftfe uchte von 8 2 ± 3 %.

~

An ritzen der Proben

Die Auswertung erfolgt e ntweder anha nd der Vergleic hsbilde r in de r No rm oder es wir d die mittlere Faden lä nge bestimmt. In den Qu alitätsrichtlinien der Gs ü -t nrernauonal [I] wird neben der Fade nlänge zusätzlich auch die Fade nhäuligkeit bestimmt. Die Erfa hrunge n mit der Aus we rtung de r Fade nhä ufigk eit ze igen, dass ge rade mit d iese r eine deutliche Untersche idung und Klassifiz ierung der Bestä ndigkeit eines Schichtsystems gegen Filifo rmkorros ion möglich ist.

7.8 Prüfung der vernetzurig Um die Verne tzung des Pulve rlackfilm s zu prüfen stehen grunds ätzlich zwei Method en zur Verfüg ung: I. 2.

Einfac he Prüfung vor Ort im Beschich t ungsbettie b mit Hilfe einer Art Lösemittelbeständigkeit stests Ana lytische Methode n wie thermomec hanische Analyse (TMA) ode r Different ial Sca nning Calorhnetry ( DSC) [6 1].

7.9 Wetterbeständigkeit - Freibe witterung und Kurzzeitprüfungen

365

Für eine Prüfung im Betrieb wird ein Wattebausch mit Lösemittel (bei Pulverlacken Xylen ode r ein Mittel we lches vom Pulverherstel ler bezeichnet wurde) getränkt. Anschließend sind auf der zu überprüfenden Oberfläche innerhalb 30 Sekunden ohne besonderen Druck 30 Doppelhübe (Hin- und Herbewegungen) auszuführen. Nach 30 M inuten Wartezeit w ird d ie Oberfläche beurteilt [3]: I.

Die Schicht ist sehr matt und weich.

2.

Die Schicht ist sehr matt und m it dem Fingernagel kratzbar.

3.

Leichte Abna hme des G lanzes (weniger als 5 E).

4.

Keine erke nnbare n Veränd erungen der Oberfläche, Lack schicht ist nicht mit dem Fingernagel kratzbar.

Da Lacksch ichten gegen die ve rschiede nen Lösemittel unterschiedliche Beständigkelten zeigen, ist es wichtig bei der Prüfung ein Lösemittel zu ve rwenden, welches die Lack schicht nicht sofo rt da uerhaft schädigt. Die Auswahl des Lösemittels sollte mit dem Pulverherstelle r geklärt werden . Auc h die Menge und vor allem die Ausführung der Hin- und Herbewegung kann das Ergebnis ebenfalls stark beeinflussen. Diese Prüfung so llte nach M öglic hkeit immer als Verg leichs prüfung durchgeführt werden . Dies bedeutet als Referenzprobe ist ein ausreic hend vernetzter Lackfilm des gleic hen Pulvers zu pr üfen.

7.9 Wetterbeständigkeit - Freibewitterung und Kurzzeitprüfungen Die Freibew itterung und Bewh terung in Geräten soll hier nur kurz darge stellt werden, da zu diesem Themenbereich eine Vielzahl von Veröffentlichunge n und Buchbeiträgen zur Verfügung stehen.

7.9. t Frcib ewit tcr u ng Die Wetterbeständigk eit vo n Lacken (F reibewitterung ) erfordert in erster Linie Zeit. Die Freibewitterung findet an ausgewä hlten Standorten unter deren Umgebu ngsbedingu ngen statt und gibt Aussage über die Haltbarkeit der Beschichtung gegc n atmos phär ische Einflüsse. Wenn nichts Anderes vere inbart ist. werden Probenplatten nach DIN EN ISO 151 4 [62] mit de n Maßen 300 x 100 mm verwendet. Zur Langze itbew itterung werden beschichtete Proben auf großen Bewitt erungsständen unter einem definierten Winkel zur So nnenstrahlung ausgela gert . Die Auslagerung kann hinter Fensterglas (für Besch ichtungen im Innenraum) oder direkt erfolgen. Nac h de r geforderten Auslage rungsdauer werden Farbton. G lanz und Kreidu ng gernesscn und mit de n Werten der un bcw itterten Lackierung ve rglichen . Die Sonne nstrahlung bew irkt den Abba u de r Lackfilme und du rch den Einfluss von Luftscha dsto ffen werden G lanz und Farbton verä ndert. Bei starker Ver witterung der Lackoberfläche treten Risse und Haftungsverluste auf. Zur Bewertung der Beständigkeit ge hört die Erfassung von metere legischen Daten wie Temperatur (Luft-, und gg f Probent empcratur). Bestrahlungsstärke, Niederschlagsmenge. Des weiteren hat der Standort einen Einflu ss auf das Ergebnis; r . B. in Industriegebi eten ste igt der Schwefeldiox id-Gehalt od er in Küstennähe die Sa lzbe lastung gegenü ber einer mittle ren Atmosphä re. Die Freibewitlerung konnte in Florida optimie rt werden , weil dort im Gegensatz zu Mitteleu ropa sehr konstante Welle rverhältnisse herrschen.

366


Die Alternative zur Florida -Bcwitterun g ist eine beschleunigte Freibewitterung [63. 64 , 65] mit Hilfe von so genannte n So nnen lichtkonzentratoren, E~HvlA Q UA ~- oder Q-Trac~-Prüfung . Auf Prüfstationen in PhönixlArizona werden Bewitterungsversuche mit Bewitterungsrnaschine n durchge führt. Zeh n Sp iege l reflektieren das So nnenlicht auf die Proben. Dadu rch sind die Proben etwa der achtfachen Sonnenbestrahl ung ausgesetzt. Durch einen Vent ilator we rde n die Ob erflächen gekühlt, und in eine m bestimmten Zyk lus mit destilliertem Wasser benet zt. Mit de n Geräten soll e ine besch leunigte Freibewittcrungsprüfung m ögl ich sein. A ls Maß der Bewin crungsdauer wird hier die gewünschte Strah hmgsdosis in f\.lJ /m 2 vorgegeben . 1 FloridaStandardjahr ent spricht ca. 280 ~Ulm 2 T UVR (total UV radiation ].

IJild 7-24: Auslagerung in Fjorida, Gelände der Fa. Q-Lab in Homestcad Plorida

Hild 7·25 : Auslagerung in Arizona. Prüfruck für d ie Durchführu ng der beschleunigten ßc wittcrung

7.9 Welterbeständigke it - Freibew itlerung und Kurzzeitprüfungen

367

Bild 7·26: Links: Anordnung der Proben gegenüber den Spiegeln. rechts: Abbildung der Spiegel zur Fokussicrung des Sonnenlichts

7.9.2 Kura bcwitter ung Um die Freibewt uer ungsversuche zu besc hleunigen, wurden Geräte entw ickelt, in denen Versuchsei nflüsse gleichmäßig und einheitlic h auf die Proben einwirken. Eine Kurzbew itterung bede utet, die Einwirkunge n von Licht und Wasser so zu optimiere n, dass die eintretenden chemischen Abbaurea ktionen schneller vor sich ge hen. Beim künstlichen Bewiuem in Geräten zeig t sich das Alterungsverhalten durch die Veränderu ng de r Eigenschaften der Beschichtung. Kriterien fllr die Veränderu ng kön nen. z. B. Glanzverlust oder Farbveränder unge n sein. A llgemei n gült ige Zusammenhänge zwischen de n Alteru ngsvorgängen bei künstlicher und bei natür licher Bewhterung lassen sich wegen der große n Anzahl von Einflussgrößen nicht herstellen. Bestimmte Zusammenhänge können nur erwartet werde n. wenn w ichtige Einflussgrößen, wie spe ktra le Verteilung der Bestrah lungsstä rke im photoche misch w irksamen Bereich. Probentemperat ur. Art und Zyklus des Befeuchtens sowie re lative Luftfeuchte. gleich sind. Je besser es geli ngt, die Prüfbedingungen exakt zu defi nieren und einzuhalten, desto besser sind Reprod uzierbarkeit und Korrelation zwischen den Ergehnissen de r Freibewitterung und der Beanspruchung in Geräten. In der Kurzbewitterung g ibt es grunds ätzlich zwei Gerätetype n. Solch e die als Strah lungsquelle Xenon boge nstrahlem verwenden. oder j ene die mit unterschiedlichen Leuchts toffröhren arbeiten . Ein weiterer Untersc hied ist in der Art der Befeuchtung zu finden. Einige Geräte arbeiten mit de r Flutung des Probe nraums. die meisten j edoch mit der Befeuchtuug über Konde nsation oder Spr ühen. Xenonstrahler in Verbindung mit eine m Filtersystem strahlen ein Lichtspektrum ab, das dem Sonnenlicht sehr ähnlic h ist. Unterhalb des Strahlers befindet sich eine Q uarzschale mit einer selektiv reflektierenden Schicht. Die Strah lung tritt bis auf den infraroten Tei l durch die Quarzschale hindurch ; die Infra rotstrahlung wird reflektiert und verlässt die Prüfkammer durch eine entsprec hende Austrittsstelle. Die Uv -Lichtanteile des Xenonstrahlers werden von Spiegeln über de m Strahler reflektiert und der Probenoberfläche zugeführt. Die Strahlung kann durch das Einsetzen von Filtern aus UV-Spezialglas (künstliche Bewitterung) oder aus Fensterglas (künstl iche Bestrah lung) modifiziert werden. Die geprüften Proben werden nac h sich wieder holenden Zyklen befeuc htet (DIN EN ISO 1134 1) [66].

368

7 M ess- und Prüftechnik

Tahe lle 7-8 : Zyklen in der Kurzbcwittcrung gemäß f)IN EN ISO 11 34 1

Verfahren

Zykl us A

Zyklus B

Zy klus C

Befe uchtungsda uer

18 min

3 min

entfällt

T roc knu ngsda uer

102 min

17 min

permanent

Zy klus A wird vorzugs we ise bei künstlicher Bew itterun g von bunten Lackierungen. Zy klus B für we iße Beschichtungen angewendet und Verfahren C bei m Bes trahlen hinter Fensterglas.

Hild 7-27: Tisch gerät für die Prüfung mit Xenonbogcnstrahlcm

Hiltl 7-28: ,,",üM für die Prüfungen nach DIN ION ISO 11507

Auch mit dem QUVle· Gerät lassen sich die schädigenden Einfl üsse der Außenbewitteru ng im La bor nac hstelle n. Regen und Tau kö nnen mitte ls ei nes Betauungssystems nachgeahmt we rde n. Mit Hilfe von UV-Le uchtstoillam pen werden die Einflüsse des Sonnenlich ts sim uliert. Die Bewitterungstem perat ur wird auto mati sc h geregel t ebe nso wie der täg liche Wec hsel zwisc he n UV- Bestra hlung und Betauun g . Die üblic he n Param eter für Tests mit Leuchtstoffröhrenge räten si nd in DIN EN ISO 11507 [67J festgel egt. Ein Prüfzyk lus ka nn wie folgt a usse hen : Betauu ngszeit:

4 Stunde n

Betauu ngstempe ratur:

40 "C

Bele uchtungszeit .

4 St unden

Be le uc htungstemperat ur:

50 "C

Be le uc htungsdaten :

3 13 nm - 0,75 W/(m 2 h)

Mit dem QU V*-G erät stehen zwe i La mpentypen z ur Verfüg ung, UV A- und UV B- Rö hren. A lle Lampen prod uzieren neben sic htbare m oder infrarotem in ers ter Linie ultraviolettes Lic ht. Dieses untersc heidet sic h in de r Ge sa mtmenge an a bgestrahlter UV - Energie und im Wellenlängenspektru m. Aufg rund der Untersc hiede können die Ergebni sse unterschie dlich a usfallen. Will man den Abba u des Bind emittels. d. h. Glanzve rlust und Kre idu ng prüfen . benutzt man UVB-St rahl er. Bei de r Prüfung a uf Far bveränderunge n wird mit UVA- Röhre n geprüft. da deren Spektr um dem des So nnenlichtes ä hnlicher ist.


369

Hild 7-29: QUV-I'rülgerät mit Bl ick in den Probe nraum

Literatur zu Kapite l 7 [I]

Qual itätsr ichtl inien der GSB- Intern ationa l. AI 63 1. GS B-Interna tiona l Geschäftsstelle, Franziskanergasse 6. 73525 Schw äbisch Gmünd

[2]

Qualitätsgemeinscha ft Industriebesch ichtung Q IB, Ifo Schwäbisch Gmünd

[3]

Qualicoat. Postfach 10, CH- 8027 Züric h

[4]

Byk Ga rdner, Instrumente 2002 , physika lisc he Testge räte. Gercrsried. 2002

[5]

Hunter, R. S.: Th e Measu rement of Appearance. Wiley New York, 1975

[6]

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[7]

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[8J

ASTM D 523, Ausgabe 1989. Spiegelglanzmessu ng

370

7 Mess- und Prüfte ch nik

[9]

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37 1

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372

7 Mess- und Prüftech nik

[52] DIN EN ISO 23 60, Ausgabe 2004-04, Nichtleitende Übe rzüge auf nichtmagnetischen met all ischen Gru ndwerk stoffen - Messen der Schichtdicke - Wirbelstromverfahren ( ISO 2360: 2003)

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[64 ] Woatton. A. B.: Natur al a nd Acc ele rated O utdoor weatherlng . In: Polym ers Pai nt Co lour Journal, Vo l. 177, Nr. 4 199, 1987 [65] I'ietschmarm: J. ; Junk ert, M.; Blecher, A .: GS B-Systemprüfu ngen - Kur z- und Freibewitte rung im Vergleich. In: JO T, 2000 [66 ] DIN EN [SO 1134 1, Aus gabe 2004· 12, Beschic htu ngsstoffe - Künstl ic hes Bewittem und kü nstli c hes Bestrahlen - Bea nspruc hung d urc h ge filterte Xenonbogenstrahlu ng ( ISO 11 34 1: 2004); De utsche Fass ung EN ISO 1134 1: 2004 [67] DIN EN [SO 11 507 , Au sgabe 2007- 05 , Beschichtungsstoffe - Beanspruchu ng von Beschic htungen d urch künstliche Bew üte run g - Bean spruc hung du rch lluor iszie rende UVStra hlung und Wasser ( ISO 11507 :2007); Deutsc he Fassung EN ISO 11507 :200 7 [68] Richtlinie VdL-RL 10: Zu lässige Farbto leran zen für unifarbe ne Pulverlacke bei Architekt ura nwend ungen, Au sgabe April 200 3, Ver ba nd der de utsc hen Lackindustrie e.v., Ka rlsrraße 2 [,60329 Frankfurt am Main [69] DIN Fac hberic ht 49 , Verfahr en zur Vereinbar ung von Farbteleranzen. 1995, Beuth Verlag, Be rlin

Lite ratur zu Kapitel 7

373

[7 1] D1 N 55945, Ausgabe 2007- 03, Besc hichtungssto tTe und Beschichtungen - e rgä nze nde Begriffe zu DIN EN [SO 4618 [72] DIN 6 175-2, Ausgabe 200 1-03, Fa rbtoleranzen für Auto mo billackie rungen - Teil 2: Effek tlac klerunge n [73] DIN EN ISO 4628-8, Ausgabe 2005-05, Beschic htun gsstoffe - Beurteilung vo n Beschich tungssc häden - Be wertung de r Menge und der Größe von Schäde n und de r Intens ität vo n gleic hmäß ige n Veränderunge n im Ausse he n - Teil 8: Bew ertu ng de r von einem Ritz a usge hende n Enthaftung und Korrosion ( ISO 462 8-8:2005): Deutsche Fass ung EN ISO 4628-8:2005 [74] DIN EN ISO 11997- 1, Au sgabe 2006-04, Beschichrungssroff e - Bestimmung de r Bestä nd igkeit bei zyklische n Korrosions bedingu ngen. Teil I: Nass (Salzsp rtlhne bcl) I trocken I Fe uc hte Te il 2: Nass (Salzsprühnebel) I trocke n I Feuc hte l UV-Strahlung Weitere Lit erat ur zu Kapitel 7

Lücken, 0. : Prüftech nik bei Lack herstell ung und Lac kve rarbeit ung. Vince ntz Ve rlag Hannove r, 1992 berger-Schmm, A.: Praktisc he Fa rbmessung. Muste r-Schmid t Verlag, G öttin gen. 2., übera rbeitete Aufl age, 1994 Moeller, E.; Ritter. R.: Industrielle Lac kic rtec hnik - Stoffe, Verfah ren, Anlagen, Weka Verlag Augsbu rg, 1997

ubeno. N. ( Hrsg.): Powder Coating - The Complete Finishers Hand book, 2. Aull age, 1999. The Powder Coating Institute, Alexan dria, US A

Kittel, H.: Lehrbuc h de r Lack e und Besch ichtungen, Ban d V lll, Teil I, Untersuc hung und Prüfung, W, A, Colo mb Ver lag, Berfin, 1980

Verwe ndete Bild e r in Kapitel 7 FEM:

7- 11 bis 7- 15, 7- 18, 7-21 bis 7-23, 7-25 bis 7-26

Q- Lab:

7-24

Fischer Messtec hnik:

7- 19,7· 20

Byk-Gartner:

7-2 bis 7· 10, 7· 16, 7· 17

Atlas Mate rial Testing Technology BV:

7·28

375

8 Fehler in der Beschichtung Die Vielfa lt und d ie Eigenschaften vo n Wer kstoffoberflächen bestimmen entscheide nd den

Gebrauchswert der Gegenstände unserer Umwelt. Entsprechend groß ist die Bedeutung der Oberfläche in fast allen Be reichen der Wirtscha ft, abe r a uc h fllr den priva ten Ve rbrauc he r.

Unsachgemäße und/oder fehlerhafte Verarbeitung. eine falsche Auswah l bzw. fehlerhafte Oberfläche nbehandlu ng des Materials, ei ne fehlerhafte App likat ion der Lacksys teme oder eine unsac hgemäße Lage rung de r Fert igtei le füh rt zwa ngsl äufig zu Störungen bzw. Sc hädig unge n de r Oberfläche und somit, abhä ngig vom Gebrauchswe rt und der Lebe nsdaue r des Objekt es, zu Reklamatio nen.

Schäden können verursacht werden durch: •

Fehler bei de r Lac kprod uktion

•

Fehler im G rundmateria l

•

Fehler im Beschlc htungsbetrieb

•

Fehler bei Transpo rt und Lage rung vo n besc hic htete n We rkstücken

Feh ler zeigen sich hä ufig ers t nac h der Besch ichtung am fert ig lackie rten Produ kt, oft aber auc h erst nach dem Einbau und einer gewisse n Gebrauchsdaue r. Trotz einer funktioni e renden bet riebliche n Eigenüberw ac hung lassen s ich stä rende, d. h. dekorative und funktion elle Mängel, am fertig lac kie rte n Bauteil nic ht imme r ver hindern. Die Ursache des/der Feh ler ist oft schon d urch das Ersc he inungs bild der Stö rung einzugre nze n, wobei aber einze lne Schadensb ilder durch verschiedene Ursach en hervo rgerufen werden können.

8.1 Störu ngen im Lackfilm In diesem Ka pitel soll en die versch iedenen Arte n von Störunge n im Lac kfil m besch riebe n, die Ursache n dargest el lt und Mög lich keiten zur Reparat ur erlä utert we rden.

8.1.1 Fehlerb ild: Krater im Lackfilm Krater, a uch Fischa uge n (fish eyes) genannt, sind kre isförm ige Mulden mit einem Durc hmesser vo n 0,5 bis 3 mm . Das Erscheinungsbild reich t von sehr flachen Mulden in de r letzten Lac ksc hicht (bei Meh rsc hichtlackie rungen) bis hin zu gravierenden Be netzu ngsstörunge n, die bis zum Gru ndmate rial durchgehe n. Trotz eines einheitlichen Aussehens gibt es für Krater eine große Zahl unte rsch iedlic her Ursache n. Diese anhan d des Erscheinungsbildes allein zu identifi zieren ist meist nicht möglich. Für die Krate rbildun g gibt es zwei Mec hanismen : Zum einen kom mt es immer da nn zur Entstehung von Kra tern wä hrend der Filmb ildung. wenn flüchtige Bes tandteile lokal isiert und spontan freigesetzt werde n, die Viskosität der Lacksch icht jedoc h bereits so stark a ngestiegen ist. dass de r Lac kfilm an den hierbei au fp latze nden feinen Blasen nicht wiede r zusamme nfließen

376

8 Fehler in der Beschichtung

ka nn. Zum ande ren kan n es zur Kraterbildung kommen noch vo r der eigentlichen Fümbildungsphase, wenn Tröpfchen einer Substanz mit höherer Oberflächenspannung auf den noch flüssigen Lackfilm treffen und von diesem nicht oder nur verzögert aufgenommen werden.

•

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•

-

•

Hild 8· 1: Mlkroskoplschc Aufnahme von Kratern

in einem Pulyesterp ulvcrlackfdm

Hild 8-2: Krater in einem Pulverlackfilm verursacht durch Rückstände von Öl oder Feit

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IJild H-3: Krater im Lack lilm hervorgerufen durch Silikonverunreinigungen

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Uild 8-4: Krater im Lackfilm hervorgerufen durch .Ausgasungcn" aus dem Grundmaterial. Ursache in diesem Beispiel : Vorkorrosion des Grundmalerials

8.1 Störungen im Lackfilm

377

Hild So:;: Krater im Lackfilm hervorgerufen durch ..Ausgasurigen- aus dem Grundmarerial. Beispiel hier: Zinkdruckguss

Ursachen fü r eine Kraterbildung •

Ö l, Fett, Wachs und Silikonrückstän de

•

Der Pulverlack selbst. Unverträglichkeit mit anderen Pulverlacken (die Verträg lichkeit von unterschiedl ichen Systemen wird von den jeweiligen chem ische n Eigenschaften und da rüber hinaus maßgeblich durch die Oberflächen spannun gs-. Reaktivitäts- und Viskositätsu nrerschiede beeinflusst)

•

Unzureichende Reinigung der Substratoberfläche

•

Korrosionsprod ukte (z. B. Weißrost) auf der Oberfläche

•

Rückstände aus der Vorhehandlung

•

Unzureichende Schlussspüle, Antrocknu ngen von Spülwasse r und Verunreinigungen (Versch leppungen)

•

Verunrein igungen aus der Umgebung. die sich auf dem Substrat oder auf dem noch nicht vernetzte n Lackfilm niedersch lagen und zu Störunge n fuhren

•

Feuchte Oberfläc hen (unzureichende Trocknung)

•

Ausgas ungen durch den Umergru nd (Hohlräume und Poren im Grundmateria l, in denen sich Rückstände aus der Vorbeha ndlu ng sammel n können und beim Einbrennvorgang quasi explosionsart ig wieder austreten und zu Störu ngen führen)

•

Nass- und Pulverlacke in einer Kabine appliziert - in einem Ofen getrocknet.

Ver ursacherfur den Eintrag von Ölen. Fetten oder Silikonruckstanden •

Der Mensch: Arbehskleidu ng, Gummihandschuhe, Haut- und Haarp flegem ittel

•

Die Lackierkabine: Schmiermittel aus beweglichen Teilen, Trennmittel aus Kunststoffanbauteilen. Schläuche und Abdichtmasscn. ungenügende Öl- und Abwassersc heiderreinigung, unsaubere Decken- und Bodenfil ter

•

Das Lackmaterial. Verunre inigunge n im Lack durch Transport und Lageru ng, Rückgewinnungspu lver

37 8


•

Das Werkstück : Trennm ittelreste auf Gussteilen. Zieh- und Gle itmit telreste. Lötpasten, Rückstä nde aus Verpackungs material ode r Däm m- Matten

•

Der Lackierprozess/Hilfsmittel ; ungeeignete Reinigungs mittel und Putzt ücher. Rückstände von Klebebändern. versc hmutz te Förde r- und Dosierluft

•

Die Umge bung: Ansaugen ve runreinigte r Luft aus anderen Betriebsteilen in die Kabine.

Vermeidung der Krater In den oben ge nann ten Punkten sin d viele Fehlerquellen au fgezeigt. die in eine m Lackfilm Krater ver ursac hen kö nnen . Um diese zu vermeiden. können hieraus Vorsorgemaßnah men abgele itet we rde n. Gr undsät zlich sind silikonfre ie Produkte zu verwe nden. es ist auf eine gründlic he Reinigung der Oberfläche n zu achten und in jedem Fall in de r Vorbehandlung eine Sc hlussspüle mit YE-Wass er zu verwe nden. Vorkorrodierte Ob erflächen als Haftgr und für Lacke einzusetze n wird in jede m Fall zu Problemen führen. Sol lte man Glück haben und es treten keine Störungen im Lack film in Form von Kratern auf. so wird man spätestens beim Einsatz des Bauteiles im Außenbereich nach kurzer Zeit Unterwanderungen und Blasen erhalten.

Reparatur Es bleiben nur zwe i Mögli chkeiten: entweder die komplette Lacksch icht entfernen und neu besc hichten oder de n Lack soweit abschlei fen bis die Störungen entfernt sind und die Schicht glatt und eben erschein t. Die Ne ubesch ichtung erfo lgt m it geeigneten Lackmaterialie n.

8.1.2 Fehl er-bild: Blasen im La ckfilm An Beschichtungen ist die Bildun g von Blasen eine Folge von Enthaftung und Volumenvergrößerung unter de r Lackschicht. Inhalt der Blasen können Ga se oder Flüssigkeiten sein, die entweder von außen du rch Osmose in die Beschichtung einged runge n oder aus de m Substrat (z. B. Holz) ausgetreten sind. Bei Meta lloberfl ächen (z . B. Sta hl) bilde n sich meist unter den Blasen Korrosionsprodukte des Metal ls, Lackfilme neh men bei entsprechende m Ange bot (Feuchtwetter] eine gew isse Menge Wasserda mpf au f und bei tro ckenem Weiter verdunstet das Wasser wieder. Dieser Vorgang ist üblich und sc häd igt im No nnalfall den Lackaufb au nicht. Bei unsachgemäßer Vorbere itung des Untergrundes können hygroskopische. d. h. wasserziehende Substanzen (Sa lze) als Verunreinigunge n zurückbleib en. Diese bew irken lokale Konzentrationen vo n Feuchtig keit. die den Lackti lm als Blasen abhe ben. Blasen kö nnen als Erhebungen in verschiedener Größe. Anordnung und Häufigkeit auftreten. Sie können zw ischen einzelne n Schich ten. aber auch unter dem gesa mten Lacka ufbau entstehe n. Trocknet de r Lackfilm aus (trocke nes Wett er) bi lden sich die Blasen größte nte ils w iede r zurüc k.


379 \

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Fingerprints

mit! 8-6: Hluscn im l.uckfihn verursacht durch Handschweiß (Fingerabdruck auf dem Grundmatenah

Ursachen f ar eine Blasenbildung •

Die zu lackierenden Oberfläche n wurden nicht ausreichend gerein igt. Verunrein igungen durch Salzr ückstände (a us der Vorbehand lung, durch Handschweiß) bleiben auf der O berfläche. Die Anordnu ng der Blasen lässt Rückschl üsse auf die Ursache zu, z. B. perlschnurartig == Wischspuren oder Abla utsp uren. nestförmlg = Fingerabdr ücke

•

Ausgas ungen aus dem Grundmaterial, meist einzelne Blasen.

Vermeidung von Blasen Die zu lackierenden Flächen soll ten intensiv gereinigt werden. Rückstände der mechanischen Bearbeitung und der chemischen Vorbehand lung sind zu vermeide n. Um Antrocknungen oder Ablaufspuren zu ver hindern , sollte am Ende der Reinigungs- bzw. der Konversionsbehandl ung ein Spülen in VE-Wasser durchgeführt werden. Zur Vermeidung von Fingerabdrücken auf den gereinigten Ober flächen, sollten die Tei le nicht oder nur mit geeig neten Handschuhen (saubere Baumwollhandschuhe) angefasst werden.

Reparatur Entlacken der Werkstücke mit anschließende r Reinigung der Oberfläche, neuer Aufbau der Konversionsbeschichtung (z. B. Chromarieren. Phosphatieren) mit anschließender Neubeschic htung . Die Notwend igkeit eines Neuaufbaus der Konversionsschicht ist abhä ngig von den an das Bauteil gestellten Anforderungen.

380


Bild H-7: Links: Blasen im Lackfilm deutlich geworde n nach Korro sjonsprüfung: rechts: nach dem Kochtest. Ursache: Handschweiß - Anfassen der Teile nach der Konversionsbehandlung ohne Handschuhe

Hild tl-tl : Links: Blase n im Lackfihn hervorge rufen durch Veru nreinigungen auf dem Urundmatcrial: rechts: perlschnurartige Abla ufspuren (nicht ausreichende Spüldauer oder Qualität des Spülwassers)

8.1.3 Fehl er-bild: Nadelstiche im Lackfilm Nadelstiche ode r Pinho les sind kleine feine Obe rflächen störu ngen (Poren. Löc her) in der Lackeberfläche. Sie sind im Grunde eine Variante de r Kraterbildu ng. allerd ings mit der Besonde rheit. dass die kraterförrnige Erscheinung sich in Form se hr feiner Poren in der Lackschicht fortsetzt . Maßgebend für Nadelstiche sind Ursachen, die de m Untergrund ode r den tieferen Lackschichten zuzuordnen sind. Das ist z. B. der Fall beim Entweichen von Luftresren, Feuchtigkeit, Reaktionsprodu kten. wobe i dann die bereits angetrocknete (vernetzte) Lackschicht sich nicht mehr schließen kann. Obwohl bei de n meisten Pulverlacken beim Einbrennvorgang keine bzw. nur ge ringste Mengen an flüchtigen Bestandt eilen freigesetzt werden, können durch Feuchtigkeit, Abspaltp rodukte und/oder Lufteinschlüsse beim Einbrenne n Störunge n in Form von Nadelstichen hervorgerufen werden. Pulverlacke werden meist so formuliert, dass sie diesen flüchtigen Bestandteilen erlauben den Lackfilm zu verlassen ohne bleibende Störungen zu hinterlassen.


381

Hild H-9: Nadelstiche in einem l'olycstcr-l'ulvcrtack verursacht durch flüchtige Bestandteile

Bei ei ner hohen Zahl von Nadelstichen im Lackfilm kann dies auch zu einer G lanzveränderung, Mattierung, in g länzenden Syste men führen.

Ursache der Nadelstiche •

Feuchtege halt des Pulvers zu hoch (z. B. durch falsche Lagerung)

•

Zu hohe Sch ichtd icke; während des Einbrennvorganges können die flüchtigen Bestandteile nicht mehr vollständig entweichen

•

Unverträglic hkeit mit ande ren Pulverlacken

•

Zu sch nelle Autheizk urve; dadurc h ist nicht ausreic hend Zeit gegebe n. damit Lufteinschlüsse oder Feuchtigkeit aus de m Lackfllm entwe ichen können

•

Poriges Grundmaterial (G usstei le).

Vermeidung von Nadelstichen Pulverlacke so llten grundsätzlich trock en und nicht über 25 "C ge lagert werden. Um Nadelstiche durch zu hohe Schichtdicken oder zu schnelles Au fheizen bzw. zu hohe Temperaturen zu vermeide n, sind die Angaben des Pulverherstellers zu beach ten. Bei jedem Pulverwechsel muss eine so rgfältige Reinigung der Kabine und Pistolen erfolgen . Dabei ist vorab zu prüfen, inwieweit die verwendeten Pulver miteinander verträg lich sind. Bei porige m Grundmaterial können spez ielle Hilfsmittel zur Entgasung bzw. spez ielle Pulver verwendet werde n.

Reparatur Um eine Lackoberflä che ohne Stö runge n zu erhalten, kann entwede r das Werkstück ernlackt und neu besc hichtet werde n oder es wird der Lack soweit abgeschl iffen bis die Störungen entfemt sind und die Schicht glatt und eben erschei nt. Die Neubesch ichtung erfolgt mit geeignete n Lackmaterialien.

382

8 Fehle r in der Beschichtung

8.1..t Fehlerblld: Pickel im Lackfilm Pickel od er Stippen im Lackfilm sind Erhebunge n ode r auch Einschlüsse von Fremdpartikeln und/oder Verschmu lzun gen . Die Ursach en fllr Stippen könne n sehr untersch ied lich se in: Schmutzteilchen bel iebiger Art. Schleifs taub. Metallpartikel. Pigmentagglomerate, GelTeilchen u.a. Bei Pickel oder Stippe n liegt die Grö ße des Fremdpartikels im Bereich der Lackschichtd icke od er dar über.

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HiltJ K-HI: Erhebung im Lack film verursacht durch Stofffasern

, Uild !'I-lI : Pickel im Lackfilm durch Metallspäne

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8.1 Störungen im Lac kfilm

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383

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mld S-12: Pickel verursacht durch Agglomerat

Hild S-I3 : Pickel durch zu große Aluruinlumpig-

von Füllstoff

mente

Ursachen fu r Pickel /Stippen •

Fasern, Flusen vo n Re inigun gstüchern oder Kleid ung

•

Metalls päne. Pressfl öhe. Fehler im G rundwerkstoff ( Überlap pungen). Sc hweißstellen

•

Ansi merungen vo n Ve rsch mutzurige n a us dem O fen

•

Ver unreinigungen vom Förde re r oder der Transpo rtkette

•

Sc hmutzei ntrag über Anlage nreinigu ng

•

Yersc hmutz unge n im Pulver selbst, z. B. verursacht du rch unsachge mäße Lager ung

•

Andersfarb ige Part ikel im Lackfi lm d urch e ine unzure ic he nde Re inigu ng be im Fa rbwechse l, bei nebeneinander stehende n Kabinen d urc h Farb parti ke lübertrag oder Verse hrnutz ung be im Pulve rhe rstelle r.

•

Pulverlack. unzu reichende Disp erglerung - zu große Meta llpig mente - Agg lomerate von z. B. Fü llstoff.

Vermeidung der Stippen Die genan nten Fehle rq uellen beinhalten die ents prec hende n Vor so rge maß na hmen. Gru ndsätz lic h so llte im Beschicht ungsbetrieb e ine Warenei ngangsko ntrolle des Pulve rs vorgenommen werde n. So können Verschmutze nge n. verursach t d urc h den Pulve rlackherste lle r bzw . Lieferanten sc hne ll und ei nfach erkannt werden. Eine zusätzliche, se hr hilfre iche Ma ßna hme ist, den Pulve rlac k vor der Applikation über ei n Ultrascha lls ieb zu schi cken (im Pulverzentrum). Die Maschenweite so llte nicht g röße r a ls 120 IlIl1 sein.

Reparatur Je nac h Ve rursachet de r Störung und Anza hl de r Störunge n ist das Werkstüc k zu ernlec ken und neu zu besc hic hten. Be i Pressfl öhen und ei nged rückte n Meta llpartikel n muss die O berfläc he noc hma ls mecha nisch nac hgear beitet werden .

384

8 Fehler i n der Beschichtung

8.1.5 Fehl erblld: Punktförmige Korrosionserscheinungen an der La ckoberfl äche Durch Funkenflug und Industriestaub (Flugrost) kommt es zu pu nktförmlg en Korrosion serscheinu rigen an der Lackoberf läche. Die Metallpartikel ox id ieren bei hoher Luftfeu chtigkeit und " fressen" sic h da nn in die Lackobertläche. Auch können durc h eine mechanische Bearbeitung oder Bremsabrieb (Bahn, Straße nbahn), heiße teils gl ühende Part ike l auf die Lac koberfl äche n gesc hleudert we rden und brennen sich do rt in die O berfläche ein.

Grundwerkstoff

IJild H-14: Eingedrüc kter Eisenpartikel in die Lackoberfl äche

Ursachen •

Industriestaub: Niederschläge aus Kamin en vo n Gießereien lind eisen ve rarbe itende n Betrie ben, Schiene nabrieb und Straßensplitt

•

Funke nflug: Abbrand von Oberleitungen der Straßen- und Eisenbahnen. Funkenflug vom Hexen, Schwei ßen oder Sch leifen; die heißen, tei ls glühenden Part ikel brennen sich in die Lackober fl ächen ein.

Vermeidung So fortiges Entfernen der Metallpartikel und regelmäßige Pflege der Lackierung könn en zur Vermeid ung beit ragen. Bei Flex- und Schweißarbeiten umstehen de Lackob ertlächen abdecke n.


385

Reparatur Handelsübliche Mctalls taubentferner anwend en und eventuel l nachpolieren. Falls die Metallpartikel tiefer liegen. mit feinem Schleifpapier die fehlerhafte Oberllächen anschleife n und da nn aufpolieren.

8.1.6 Fe hler-b ild: Flecke n bild ung durch äußere Einflüsse Es handelt sich hier um A nä tzung e n ode r Verfärbu ngen auf der Lackoberfläche durch unterschiedliche Verur sacher. Das Fehlerbild zeigt sich fleckartig in verschiede ner Form, Farbe und Größe.

Hild 8-15: Abzcichnung der Zwischenlage Pappe H in einer pulve rbcschichtetcn Lackoberfläche. RAL 80 17

bei einer Fcuchtlugerung

IJild 8-1(,: Wasseraufnahme des Lackfilms in feuchter Verpackung. durc h unsachgemäße Lagerung der Bauteile im f reien

Hild 8-17: Farbveränderung von Metalliclackierungen durch Mörtel

386

8 Fehler in der Beschi chtun g

Hild !:I-IN: Mnttic rungcn in der Lackoberfl äche verursacht durch Folien verpac kung

Hild 8- 19: Manierungen durch Kleber der Abdcckfolic

Ursachen •

Ind ustrieabgase. z , B. HS0 2. Der Fehler zei gt s ich durch großflächige oder fleckige Mattie rungen bzw. Gla nzverluste.

•

Teer

•

Inse ktensekrete

•

Vogelkot

•

Saure oder alkalisc h reag ierende S ubstanze n, z. B. M örtel

•

Feuchtigkeit, Wasserau fnahme des Lackfilm s in geschlossenen Ver pack unge n mit Konden swasse rbilduug. S ichtbar wird dies a ls he lle Flecken untersc hiedliche r Größe und Form.

•

Weic hmache rdiffusion aus Verpac kungsfol ien. Dieser Fe hler ist als Mattie rung der Lacko berfläche zu erkennen.

Vermeidung Frem dsubstanzen immer sofort von der Ob erfläche ent ferne n. Rege lmäßige Pflege de r lackierten O ber fläc hen. Um Fleckenbild ung durch Verp acku ngsmaterial zu ver me iden mü ssen geeignete Materialie n verw endet we rde n. Die Verpackung muss eine Luftzir ku lation ermöglichen und so llte nic ht übermäß ig lange a uf de r lackie rten Oberfläche verbleiben.

Reparatur Die Repa ratur or ientiert s ich a m Schad ensbild . Bei klei nen Flächen kan n man versuchen die Fe hlstell e zu sc hleifen und den Lack auszu polieren. Bei großflächigen Fe hlerbilde rn muss der Be reich a ngesch hffe n und überlackiert werden. Flecken bildung verursacht durch wasscraufuahme kann zum Te il durch ein nochmaliges Aufhe izen de r Lacksch icht auf über 150 "C entfe rnt we rden . Die ist j edoc h nur bei Bauteilen möglich die diese Wär mebe lastung aus halte n bzw . nic ht zu groß fü r die Ein brennöfen sind.

8.1 Stö rungen im Lac kfilm

387

8. 1.7 Fehler bild. Fa r bsc hwa n kunge n - du rchschein ender Un tergr und Bei du rchsc he inendem Untergrund spricht man in de r Rege l von einem sch lechten Deckvermögen des Lackes. Dies ka nn be i Pulverlac ke n vorwiegend zwei Gründe haben:

Ursachen •

Schlecht dec kende r Farbton. z. B. schwermetallfre ie Pig mentierungen beso nde rs bei Ge lbund Rottönen.

•

Starke Sch ichtd ickenschwan kungen bzw . eine zu ge ringe Lac ksch ichtdic ke

•

( Kein far blie h angeglichener Unte rgrund).

Vermeidung Ausreiche nde Schicht dicke appli zieren. nach Vorga ben des Lackherstellers. Eve ntue ll Vorve rsuc he mit Sc hwarz- Weiß-Bl ec hen oder Vers uche in unterschied licher Schic htdic ke a uf dem zu lackie rende n Untergrund um die notwendige Sc hichtd icke zu erm ittel n.

Reparatur Die Lac ksc hic ht noc hmals anschleifen und überlac kieren in a usreichen der und gle ichmäß ige r Schich tdic ke.

IJild S.211: Durchscheinender Untergrund mit Be- Hihl S.2 1: Farbunterschiede durch Schichtdickenschrifhmg: Luckschichdicke zu gering untcrschk..dc

8.1.8 Fehler bild : Haft un gsverlust Der Haftungsverlust von Lackschichten zeigt s ich in zwei versc hiedenen Bildern. Man unterscheidet da bei d ie I-Iaftungsstö rung zu m Untergrund des gesamten Lac kaufbaus und de m mangelnden Ver bun d zw ischen einzel nen Lac ksc hichten.

388

8 Fe hler in der Besc hichtung

Ursachen •

Haftungsfeindlich e Substanzen. die auf dem zu lackierenden Untergrund verblieben sind wie z. B. Siliko n, Öl. Fett, Wa chs, Sc hmutz, Rost, Schleifrückstände und Passtv ie rungsoder Oxidsc hichten

•

Eine ungeeignete bzw. unzureic he nde Grundie rung bzw. Vorbehand lung (Konversionsschic ht]

•

Unz ureic hende oder fehlerhafte Vor bereitung des Untergru ndes - unzureichende Reinigung

•

Fehler bei der Lacktroc knun g bzw. Härtung.

Vermeidung Um Haft ungsverluste zu vermeiden, müssen für die verschiedenen Grundmatcrialien die geeigneten und ausreiche nden Reinigu ngen d urchgefü hrt und Haftvermittlungsschichte n ein gesetzt werden . Die An wendung vo n c hemischen Konv ersio nssc hic hte n ode r Grundie run gen richtet sich immer a uch nach den an das Ba uteil oder w erksrück gest ellten Anforde rungen.

Reparatur Es mü ssen alle Schic hten mit gestörter Haftung entfernt we rden . Ein grün dliches Ansc hleifen und Reinige n des Untergru ndes ist notwe ndig. Da nach erfo lgt der Ne uautba u mit geeigneten Grund- und Deck lacksystemen.

Hild 8- 22: Großflächige Lackablösung. Ursache unsachgemäße Vorbehand lung der Aluminiumpanclc

Hild 8-23: Für die Anwendung im Außenbereich nicht ausreichende Vorbeh andlung des Aluminiumsubstratcs (I'hoshaticrung)

8.1.9 Fehler-bild: Kreiden der Lackoberfl äche Beim Kreiden kommt es zu einem Freilege n der Pigmente d urc h den Binde mittela bbau an de r Lackoberfläche.


389

Ursachen •

Witterungsei nflüsse wie agg ress ive Umweltbelastungen mit SChwefe ldioxid und Stickoxiden in Verbind ung mit Feuchte und Uv -Belastung

•

Nich t geeignete Bind em ittel für eine Anwend ung im Außenbereich

•

Unzureichende Härtung der Pulverlackschichi

•

Schlechte Pflege de r Lackoberf läche.

Vermeidung •

Die Einbrennbedi ngungen des Pulver herstellers sind zu beachten und einzuhalten.

•

Nu r für de n Außenbereich geeignete Systeme verwe nden, z. B. Poly ester-, Polyu reth an-, ode r Ac ryl systeme

•

Regel mäßige Pflege de r Lackoberf lächen.

Reparatur Mit für Lackob erflächen geeigneten und vom Hersteller empfohlenen abrasiv wirkenden Reinigungsmiueln die Oberfläc he aufpolieren und anschließend konservieren . Fall s die gekreidete Oberflä che so nicht mehr zu reparieren ist. muss die geschädigte Fläche angesc hliffe n und ne u lack iert we rde n. Hinweise über die Reinigung von Lackoberfläche geben die Richtlinien der G RM [ I] .

Hild H-24: Pulverbeschichtung nach neun Jahren Bcwittcrung. Helle Bereiche: Krcidung der Lackoberfläche; dunkler. farbintensiver Bereich nach der Reinigung


390

8.1.10 Fehler-bild : Schleier bild ung - ß1ooming- Effekt Be kann t ist. dass einige Ha rzkom bination en . welche üblicherweise auc h für Pulverlacke Anwendu ng finden. unter besti mmten Vora ussetz ungen eine Art Schle ierbildung an der Lackoberlläche zeigen. Dieser Effekt wird als Blooming [2] bezeichnet. Diese r tritt bei Wer kstücken auf. die mit einem Pulversystem mit Ha rzformulierung beschic htet sind. welches zum .Blooming'' neigt und dar über hinaus nach dem Einb rennen und Vernetzen noch zusätzlich über eine ausreichend lange Zeit obe rhalb der Glasü berga ngstempe ratur ge halten we rde n. Der Effe kt zeigt sich als wei ßlic h ersc heinender Schleier bzw. Patina. Zu einer Schleierbild ung kommt es a uch bei e inze lne n Pulve rformulie rungen. we nn diese ehe r im untere n Be reich des Einbr ennfensters, d. h. be i der vom Hersteller vorgegebenen niedr igsten Obj ekttempe rat ur und kürzeste n Halte zeit . ausge hä rtet we rden.

Ursachen / Voraussetzungen •

Pulverlac k de r zu Sc hleie rbildung neigt

•

Ve rwendete Harze in der Pulve rformulie rung

•

Dick- und d ünnwandige Teile werden bei gleichen Te mpe raturen einge bra nnt --+ Dic kwandige Teile wer den im unte ren Ein bren nfe nster ge härtet

•

Langsa me Abkü hlung de r Werkstück e

•

Länge re Lage rung de r Te ile im Ofen. z. B. belasse n der Te ile im O fen nach dem Absch alte"

Vermeidung •

Die Einbre nnbedingunge n des He rstellers beachten

•

Beschichte te und gehärtete Filme nic ht längere Zeit über der Glasübergangstemperatur lage rn

•

Pulverlac ke verwende n d ie nic ht zu d iese m Effe kt neige n

Reparatur Mit einer Rein igung der Lacko berfläche ist der Sc hleier auf de m Pulve rlackfilm relativ ei nfac h zu e ntfe rne n.

8.2 Korrosio n der Meta lloberfläche

391

Hild 1'1 -25: Zwei Beispiele für (Ilanzvcrändcrung bzw. Schleierbildung. Nach dem Einbrennen um unteren Einbrennfenster zeigte sieh diese Schleierbildung. Sie ist durch eine Reinigung der Oberflächen zu beseitigen. wie im jewe iligen Bild rechts unten zu sehen ist.

8.2 Korrosion der Metalloberfl äche 8.2. t Beschreibung der verschi ed en en Korrosionsarten Korrosion ist nach DIN EN ISO 8044- 1999 die Reaktion eines metall ischen Wer kstoffes mit seine r Umgeb ung. die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewi rkt und zu Beeinträchtigungen der Funktion eines meta llischen Bauteils oder eines ganzen Syste ms füh ren kann. Meist verläuft die Korrosion elektroc hemisch. sie kann auch chemischer oder meta lIphysikalischer Natur sein. Korrosion steht also für die Reaktion, während Korrosionserscheinungen mit der Korrosionsart zusammenhängen und mess bare Änder ungen am Werkstoff bzw. Bauteil bedeuten. Als Korrosionsschaden werden die Beeinträchtigungen der Funktion des meta llischen Bauteils oder des Systems bezeichnet [3]. Man unterscheidet Korrosionsarten ohne und solche mit zusätzlicher mechanischer Beanspruchung [4, 5]. 8.2. J. J Korrosionsarien ohne mechanische Beanspruchung

•

Hacnenkorrosion : G leichmäß ige Korrosion mit nahezu gleicher Abtragungsrate auf der gesamte n O berfläche.

•

Mulde nkorrosion: Korrosio n mit ört lich unterschiedlicher Abtragungsrate. Die Ursache beruht auf der Wirkung von Korrosionselementen. Die Erscheinungsform ist gekennzeich net durch Mulden. deren Durchmesser wesentl ich größer als ihre Tiefe ist.

•

Lochkorrosion: Korrosion. bei welche r der elektrolytische Metallabtrag nur an kleine n Oberflächenbereichen abläuft und kraterfö rmige. die Obe rfläche unterhöhlende oder nadelstichartige Vertiefungen entstehen. Außerhalb der Lochfraßstellen findet praktisch kein Flächenabtrag statt. Die Tiefe der Lochfraßstelle ist in der Regel tiefer als ihre laterale Ausbreitung. Wie bei der Muldenkorrosion ist die Lochkorro sion an das Vorliegen von Korrosionselementen geb unden.

392


•

Spalt korrosion: Ört lich beschleunigte Korrosion in Spa tren. verursacht durch Konzentrationsunterschiede im Korrosionsmedi um und die so erfolgende Bildung von Korrosionselementen

•

Komaktkorrosion. Verstä rkte Korrosion eines metallisc hen Bereichs; Sie ist auf e in Korrosionselement zurückzuführen, das aus ei ner Paarung Metall/ Metall oder Metall /eie ktronenleitender Festkörper mit unte rschied lichen freien Korrosionspotentialen gebi ldet wird. Dabei ist der besch leun igt korrodierende metallische Bereich d ie Anode des (galvanischen) Korr osionselements. Sie wird deshalb auch als galvan ische Korrosion bezeichnet.

•

Korrosion durch unterschiedliche Behift ung . örtlich verstärkte Korrosion durch unterschiedlichen Sauerstoffzutritt im Medium. Ausbil dung eines Korrosionselements. wobei die weniger belüfteten Bereiche sch neller abgetragen werden

•

Korros ion UnI!!r Ablagerungen {Beruhrungskorrosion): Ört lich verstärkte Korrosion bei Berührung mit Fremdkörpern. Diese Korrosionsart kann entweder eine Spa ltkorrosio n bei Berührung mit elektrisch nicht leitenden Festkörpern ode r eine Kontaktkorrosion bei Berührung mit elektronenleitenden Festkörpern sein.

•

Selektive Korrosion: Korrosionsart bei der Gefü gebes tandteile. korn grenzennahe Bereiche ode r Legierungsbestandteile bevorzugt korrodieren. Hierzu gehören: Interkrista11ine Korrosion (selektiver Angriff der korngrenzennahen Bereiche): lnterdentritische Korrosion (selektive Korrosion entlang dentr ittscher Ausscheidungen im Gnssgefüge) ; Trans kristalline Korrosion (selektive Korrosion, die annähernd parallel zur Verformungsric htung durch das Innere der Körner ver läuft); Entzinkung (se lektive Auflös ung des Zinks bei Kupfer-Zink- Legierungen unter Bildung von tropfen- oder schichtförmigem Kupferschwamm); Spongiose (selektive Auflösung der Gefügebestandteile Ferrit und Perlit des G usseisens in Fällen mangelhafter Schutzschichtbildu ng]: schic htförmige r Korrosionsangriff (selektiver Angriff von Seiger ungszenen. der zum Aufblättern und/oder Aufwölbe n des Werkstoffs führt)

•

Säurekondensationskon'oslon [Taupunktkorrusion}: Korrosion durch Säure. die durch Taupunktsunterschreitu ng kondensiert

•

Kondensw asserkmrosion {Schwitzwasserkarrasion): Korrosion durch Wasser, das sich infolge Taupunktunterschreitung auf Metalloberflächen niedersch lägt

•

Stiltstandkorrosion: Kor rosion die nur während des betrieblichen Stillstands einer Anlage abläuft

•

Mikrobiologische Korrosion: Korrosion metallischer Werk stoffe unter Mitwirk ung von Mikroorganismen und deren Stoffwechselprodukten

•

Anlauf en : Reaktion von Metallen mit Gasen unter Bildung dünner Schichten, die Interferenzfarben hervorrufen oder den Gla nz herabsetzen

•

Verz undern : che mische Korrosion von Metallen in vorwiegend sauerstollh altigen Gasen bei hohen Temperaturen.

8.2 Korrosion der Meta lloberfläche

393

8.2.1.2 Korrosionsarten bei gleichzeitiger Wirkung von Korrosion und mechanischer Beanspruchung r l, 51 Je nac h Art der mec hanischen Beanspruchung unterschei det man:

•

Spannnngsrisskorrosion: zeitlich konstante Zugspannungen, resultierend aus Lastund/oder Eigenspan nungen

•

Schwingungsrisskorrasion. zeit lich veränderl iche Spannungen , meist zyklisc h. Die Spannungen können als Zug-, Druck-, Zugschwell-. Biege- oder Torsionsspannungen vorliege n sowie aus Kom binationen dieser Spa nnungsarten bestehen.

8.2.2 Filiformkorrosion Filiformkorrosion ist auf beschichteten Stahlteilen scho n lange bekannt und auch genau untersucht worden. Sie wurde bereits 1944 von Sharmann beschrieben als das Wachsen von haaräh nlichen Korrosionsspuren. Er bezeich nete dies als Korrosion unter dem .Film'' [6]. Dieses Erscheinungsbild wurde später dann auc h auf anderen Materialien gefu nde n. wie Aluminium und Magnesium. Im Flugzeugbau ist die Filiformkorrosion von organisch beschichtetem Alumin ium schon länge r bekannt, währe nd man im Bau wesen erst in den letzten Jahren vor allem in Küstengebieten auf sie aufmerksam gewo rden ist. Besonders betroffe n waren und sind Gebiete nahe des Meeres und besonders dort. wo die Luft mit maritimen (Sa lze und hohe Luftfeuchtigkei t) und industriel len Partikeln (Sta ub. sa urer Regen, S0 2) belastet ist.

Ursachenfür Filiformkorrosion Damit Filiformkorrosion ents tehen kann, müssen best immte Voraussetzungen gegeben se in: •

Es müssen Störstellen in der Lacksch icht vorhande n se in, z. B. Ritze, Kratzer , Poren. Mikrorisse, Spalten, zu ge ring besch ichtete Kanten. eingesc hlossene Salzkristalle ode r Staubpartikel.

•

Die Anwesenheit bestimmter Startersalze. sog. Initiatoren, ist notwendig. Solche Startersa lze sind vor alle m Chloride. abe r auch Sulfate und Nitrate.

•

Bei der Entstehung und de m Wachstum de r Filiformkorrosion muss eine erhöhte relat ive Luftfeuchtigkeit vorhanden se in.

Treffen diese drei Faktoren zusa mmen. so ist das Auftreten von Filiformkorrosion sehr wahrschei nlich. Diese Voraussetz ungen sind am ehesten in Küstengebieten mit ihrer salz haltlge n Atmos phäre und in Industriegebieten gegebe n.

8.2.2./ Filiformkorrosion aufAluminium und Aluminiumlegierungen Aluminium wird von Filiformk orrosion nur betro ffen. wenn das Metall mit einem organischen Überzug (Lack) beschichtet wurde oder wenn der Oxidfilm die Beschichtung darstellt. Unter der Beschichtung bildet sich ein akt ives Korrosionselement. welches sich mit einer geringe n Gesch windigkeit fortbe weg t und eine Spur von Korrosion sprodukten hinterlässt. Der Angriff zeigt sich hier nicht in der gewo hnten Ausbildung von Unterwande rungen oder Blasen. so ndern in Form von dünnen. scharf beg renzten Fäde n. siehe Bilder 8· 26 und 8·29 .

394

8 Fehler in der Besch ichtung

Die Merkmale der Filiform korrosio n wurden von verschiedenen Autoren überein stimmend beschrieben. Diese wese ntlichen Merkmale werden bei der Filiformkorrosion von Stahl, Aluminium und Magnesium beobachtet: •

Die Fäden laufen auf unregelmä ßigen Bahnen, je doch a uch über längere Strecken gerichtet

[7.8.9]. •

Die Fäden kre uzen einand er nicht P . 8. 9,10].

•

Für das Wac hse n der Fäden ist Sa uerstoff notwendig [8. 9, 11J.

•

Für das Fadenwachstum ist eine erhöhte relative Luftfeuchte notwendig (o ptim al bei ca. 80 % relative r Feucht e) [8. 9, 10, 11].

•

Der Fadenkopf enthält eine konzentrierte Salzlösung mit niedrigen pl t-Werten [7, 8, 9, 10, 12].

•

Im Fadenru mpf (Stamm ) sind troc kene Korrosio nsprod ukte entha lten [7, 8, 12].

•

Von den Sta rtersalzen ver bleiben die Anionen im Fadenk opf, geringe Mengen finden sich au ch im Fadenstamm, während die Kationen nicht gefunden werden [8].

IJild 8-26 : Filil()rm KOffilslon im Gehrungsbereich eines Fenste rflügels

lJild 8-27: Filiformkorrosion an einem gefrästen Wasserschlitz nach 10 Jahren Frcibcwittcrung in Italien

Hild 8-28: Ergebnis nach Fjlifonn korrosions prüfung nach [)IN EN IS03665. Prüfdauer 1000 h

Uild 8-2? : Ergebnis naeh 28 Tagen Filiformko rrusionsprüfung naeh I'PAP 3002 und sogenannter Schubladenkorrosion nach Lagerung im Raum-

klima


395

Damit die Filiformkor rosion starten kann müssen einige Faktoren erfü llt werden. Dies betrifft vor allem die umgebungs- und stando rtbed ingten Parameter.

Die umgebungs- und sta ndortbedingten Einflüsse betreffen: •

die Lage des Obj ektes,

•

eine Beaufschlagung der Bauteile mit salz hahiger. feuchter Luft (sogenannten Starte rsalzen wie z. B. Chlorid),

•

eine gewisse Zeit zur Einwi rkung der korros ionsaus lösenden Stoffe.

•

die Zer fließg renze der Startersa lze muss erreicht werden.

Jedes Salz hat bei einer gegebenen Temperatu r eine soge nannte Fließfeuchte. Durch die Hygroskop ität der Sa lze können sie bei bestimmte n relative n Luftfe uchten der Atmosp häre so viel Feuchtigkeit entz iehen, dass sie anfangen zu zerfließen. d. h. in Lösung gehen. Für viele Sa lze bzw. Sa lzmischungen liegt dieser Bereich bei einer Temperatur von 20 "C etwa zwische n 60 und 95 % relativer Feuchte. Dies bede utet j edoch nicht. dass unterhalb von 60 % relativer Feuchte keine Filiformkorrosion ents tehen kann. Je höher die Luftfeuchtigkeit ist. umso sicherer ist es, dass die Zerlließfeuchtigkeit de r Starter erreich t wird. Ist das Tei l dagegen konstant von einem Wasserfilm überzogen ents teht keine Filiformkorrosion. Küstengebiete ode r Gebiete mit hohcr relativer Luftfeuchte im Jahresschnitt sind für das Entstehen der Filifor mkorrosion prädesti nierte r als Geb iete mit einem geringen FeuchtigkeitsJahresd urchschnitt [ 13].

Ais bauteilbedingte Parameter gelten: •

Defektstelle n oder Poren im Lackfil m

•

mechanische Beschädigungen

•

mangelhaft beschichte te Stellen mit geringer Schichtdicke

•

konstruktiv bed ingte Sc hwachste llen. wie z. B. Kanten, Gehrungen und Bohrungen

•

eine fehlerhaft ausgeführte oder fehlende chemische Vorbehandlung

Entstehen lind Ver/au/der Korrosion Im Allgemeinen wird die Filiformkorrosio n nac h de m nachfolgend besch riebe nen Schema ablaufen. Sie wird ausgelöst durch die Einwirkung von Starters alze n. vor allem durch Chloride . Der Angriff erfolgt an Fehlstellen der Beschichtung, so z, B. an Poren, Lackabplarzungen, Beschädigunge n und an Kanten mit ge ringe r Lackschichtdicke. An diesen Schwachstellen setz t sich das Startersalz fest. Bei bestimmter relativer Luftfeuchtigkeit nimmt das Sa lz Wasser auf bis die Zerfließgrenze erreicht wird und sich ein hochkonzentriertes Elektrolyttröpfchen geb ildet hat. Durch den Sa uerstoff der Atmosp häre ents teht an dieser Stelle eine Korrosion szelle. An der saue rstoffreic hen Stel le (Verletzungsstelle) bildet sich die Kathode und an der sa uerstoffarmen Stelle entsteht der Fadenkopf, die Anode. An der Anode wird Aluminium aufgelöst und an der Kathode w ird de r Saue rstoff unter Bildung der Aluminiumkorrosionsprodukte reduzie rt.

396

8 Fehle r in der Besch ichtung

Der Fade nkopf wa ndert vo n der Ver letzungss te lle weg. hine in in d ie Besch ic htung. Die treibende Kraft für das Fadenwachsturn sind die Sauersto fTho nze ntrations untersc hiede zwischen Anode und Kathode. Bild 8-30 zeigt den propagiert en Mec hanismus der Filiformkorrosion auf Al um in i umsubstrat e n.

11( Fade nkopf ) ,........, ...

-

t" v u

Fade nsch wa nz

Korros ion$

\tU Sc hwachstell e! LackoSes c h ädi gu n g

anod isc her kathodischer

Ber eich

Bereich

t

= anodisc he Reaktion: AI geht in Lösung

e

= kathodische Reaktion: Redu k~on des H+ zu H2

U =

,

kathodische Reaktion: Reduktion des O 2 zu OH-

(ai

~=:::;+ Faden kopf

----;= = =-+• Fade nsch wa nz

U Korros ions p Oll-V" ,*,=-0 0 +- ~;"..."...._ Cf O~\t U 11,0 . 0 , o

0

0

I h)

Hild 8-3U: Schematische Darstellung des Mechanismus der Filiformkorrosion. (a) zeigt einen Längsschnitt durch einen Faden. (h) eine Draufsicht j la].

Aussehen der Filiformkorrosion Filiformkorrosio n äu ßert sich in haarähnlich en bzw. faden förmlgen Unterwanderungen von unterschiedl icher Breite. die ausgehend vo n Störste llen. in ge rade r oder gewundener Bahn zwischen der Metallobertlä che und dem Lack vordringen, wobei der Lack aufgeworfen wird. Verantwo rtlich dafü r ist die aktive Korrosionszell e im Fadenkopf in dem die eige ntlichen Korrosionsvorgänge ablaufen. Der Fadenstamm ist inaktiv und mit trockenen. stabilen Korrosio nsprod ukten ange füllt. Die Fäden können große Längen erreichen. aber nur eine re lat iv geringe Breite.


397

Die Filiformkorrosion ist zwar mit dem Lochfraß und andere n aggressiven Korrosion sarten ver>.. . andt, da sich de r Faden kopf aber immer we itersc hiebt, ist die Korrosionstiefe relativ gering, so dass für tragende Teile im Allgemei nen keine Gefahr beste ht. Die Korrosion stiefe ist stark von der Legierungszusammen setzung abhängig. Bei Legierungen wie z. B. AIMg l und A IMgS iO,5 ist sie relativ ger ing, be i Legierungen die Cu, Zn oder höhere Si-An teile entha lten ka nn sie wesentl ich größer (> 100 ur n] sein [7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 19].

Möglichkeiten der Vermeidung von Filiformkorrosion Die Ursachen und der Mechanism us der Filifo nn korrosion wurden in Arbe iten von Hoch, Tobias und Slaboug h [9, 10, 1\) ge klärt. Die Einflüsse des Grundmaterials. der Reinigung, der Vorbe hand lung und der Lacksysteme sind inzw ischen von zahlreichen Instituten und Aluminiumve rarbeitern untersucht worden [16, 19,20], Umfangre iche Unters uchungen über de n Einfluss der anodischen Oxidat ion als Vorbe handlungs methode zur Vermeid ung von Filiformko rros ion wu rden vo n Pietsc hmann und Pfeifer [16] vorge ncrnmen. Die Erge bnisse d ieser Untersuch ung habe n gezeigt, dass mit der Vora nodisation die Filiform korrosion zu unterbinden ist. Freib ewitte rungsversuche von [2 \) und [22] ergaben eine sehr gute Beständig keit der vora nodisierten Proben mit verschiedenen Lacksysteme n. Heute wird im Bereich der Architektur an Sta ndo rten mit eine r spez iellen ko rrosiven Belastung und Umgeb ungsbedi ngu ngen für ein mög liches Auft reten von Filiformkorrosion die sogenannte Vorano disatio n als Haftvenn ittlungs- und Korrosionsschut zschicht eingesetzt, In de n Vorschriften des Qual itätszei chens Al 63 1 [28J sind die Anforderungen hinsichtl ich Ausfüh rung und Schichteige nsc hafte n de finiert worden.

Reparatur Ist ei n Baute il von Filiformkorrosion betroffen, bleibt in der Regel nur die M öglichkeit dieses auszubauen, zu entlacken und neu zu beschichten . Kann das betroffene Te il nicht meh r ausge ba ut werden ode r sind die Kosten dafü r zu hoc h, bleibt nur die Ausbesserung vo r Ort, Hierzu wird die betroffene Fläche bis zum Gru ndmate rial abgeschliffen und die Fläch e anschließend vo n Schleifstau b und sonstigen Versc hmutz ungen ge reinigt. Ansch ließend so llte, um eine n dauerhaften Schutz zu erreichen, die Metallo berfläche m it der Tampona nod isation vo rbe handelt werden. Hierbei wird eine circa 3 bis 8 um dic ke Aluminiumox idschicht erzeugt, die das Bauteil langfristig vor Korrosion schützen kann. Anschließend muss die Fläc he sorgfaltig mit ausreichend Wasser ..ges pült" w erden , ge trock net und kann dann mit eine m entsp reche nden Flüssiglac ksystem über lackiert wer den. Die Ausfü hrung der Tampon anod isation wird vo n [23] ausführlich beschrieben.

398

8 Fehle r in der Beschichtung

8.3 Beispiele von Scha de nsfä llen aus der Praxis An verschiedenen Beispielen aus der Praxis soll erläutert werd en wie und wo die besch riebenen Fehler entste hen können und wie sie sic h dem Betrachter ze igen.

Das Ergebnis und die Q ual ität der Pulverbeschichtung wird von sechs Säulen getrage n [24]. Diese sind das Werkstück , d ie Vorbe handlung, d ie Applikation, der O fen, der Pulverlack und die Umgebung. Bei allen sechs Punkten kann es zu Störungen kom men, die sich dann in den

besc hriebenen Fehlern (Kapi tel 8.1) zeigen können. In viele n Fällen ist es möglich die Ursach e zu lokalisieren. Dabei kann oftmals scho n ein Mikroskop und Ska lpell sehr hilfreich sein. Mit mode men Analysenverfahren, wie zum Beispiel de m Rasterelek tronenmikroskop (R EM) mit ene rgiedispersiver Röntgenmikroanalyse (EDX). lk -Spe ktroskop ie, aber auch den klassischen Verfahren zur Bestimmung der Lackeigenschaften lasse n sich Fehlerursachen erkennen. Es ist daher für j eden Besc hichtet ratsam im Rahmen seiner Möglichkeiten eine regelmäß ige Produktions- und Prod uktkontrolle aufzubauen. Die Prüfung von Beschicht ungen hat immer ei nen direkten ode r ind irekten Zusammenhang zu de n Fehlern bzw. Sc häde n die mögticherweise auftreten können . Die Prüfung vo r de m Versagen hilft. die Anwendbarkeit zu ermi tteln. die Formulierungen festzulegen. die Q ualitätssicherh eit während de r Produk tion beizubeha lten. die Entwicklung von App likations- und Lage rparamete r zu untersuchen und nicht zuletzt mögliche Fehler vorab zu erken nen und zu vermei den. Die Prüfung nach dem Auftreten eines Fehlers unterstützt die Such e und Feststellung der Ursac hen. um nicht zuletzt spätere Fehler ähnlicher Natu r zu vermeiden.

8.3.1 Fehler ursac hen Fehler zeigen sich hä ufig erst nach de r Beschichtung am fertig lackierten Produ kt, oft abe r auch erst nach dem Einbau und eine r gew issen Ge brauchsdauer. Trotz einer funktion ierenden betrieb lichen Eige nübe rwac hung lassen sic h stö rende, d. h. dekorative und funktionelle Mängel am fertig lack ierten Bauteil nicht immer verhinde rn. Die Ursache filr eine Störung kann in versch iedene n Bearbeit ungsschr itten ges ucht werden. So sind bei der Herstellung des Lackes. bei der Beschichtung se lbst. beim Transport und Lage rung der Werkstücke oder im G rundmaterial Ursachen fü r Fehler zu suchen.

8.3. J. J Fehler bei der Herstellung des Lackes Fehler bei der Lackformulierung können sei n: •

die Dlspe rgle rung und Homogenisle rung des Pulvermaterials im Extruder

•

die Komgrößenverteilung des Pulvers

•

ungeeignete Auswahl der Pigmente I Bindemittel

•

Störungen im Lackfilm durch Gel-Te ilchen, Bindemittel

•

Störunge n durch Additive

8.3 Beisp iele von Schade nsfällen aus der Praxis

399

Härter/ Bindemittel Werden. z. B. bei der Herstellung von Pulve rlacken. nicht die richtigen Mischungsverhältnisse Härter/Bindemittel eingehalten, so kann es beim eingebrannten Pulverlackli lm zu mangelnder Lackfilmhaftung kommen, und die Empfind lichkeit des Lackfilmes gege nüber Lösemitteln und Reinigungsmitteln ist ebe nfalls größer.

Pigm ente Durch die Verwendung thermisch instabiler Substa nzen sow ie wenig Uv-besrändiger Zusätze ode r nicht lichtechter Pigmente kann es bereits innerha lb des vom Hersteller angegebenen Einbrennfensters zu gut sichtbaren Farbveränderu ngen kommen. Auc h spielt in diesem Zusammenhang die Art der Ofenbeheiz ung eine große Rolle. Erfolgt die vemetzung von Pulverlacken in eine m durch Gas direkt beheizten Einbrennofen. können die geb ildeten Stickoxide unstabilisierte Pigmente und Harze verändern und damit Farbtonschwankungen bewi rken. Oftmals fallen diese Farbtonschwankungen erst beim Zusammenfügen de r Bauteile auf, z, B. bei Fensterrahmen ode r Flügeln im Gehrungsbereich. so dass in der Rege l eine Nach besse rung nur bedi ngt sinnvo ll ist. Wurden UV-instab ile Pigmente verwendet, kom mt es inne rhalb kurzer Zeit auf den der Sonne ausgesetzten Flächen zu Farbv eränderungen. ohne dass da mit eine Mattierung (Verw itterung) verbunden ist.

Additive Zur Verbesser ung des Lackfilmverlaufs dienen soge nan nte Additive. d. h. Wachse und niedenno1ekulare Kunststoffe, die während des Aufse hruelzens auf die Oberlläche aufschwimmen und durch Änderung de r Oberflächenspannung des Lackfilms beispielsweise den so ge nannten Orange nhaute ffekt bee influssen können. Auch lassen sich. z. B. mit Hilfe von Wachsen, Pulverlac ke mattieren. Es kann bei Verwendung bestimmter Additive und/ode r einer Überdosierung zu einer Schleierbildung an der Lackobe rfläche kommen (siehe Punkt 8. 1.10). Hier bildet sich bei einer Vernetzurig des Lackfilms im Bereich de r unteren Einbrennbedingungen ein Film auf der Oberfl äche. de r sich bereits bei de r Handhabung der Teile nach de m Beschichten unangenehm bemerkbar macht. Es entstehe n schon durch das Handling de r Teile Wischspuren und feine Kratzer, die sich beim Einbau nicht meh r ohne Probleme beseitigen lassen. Reibt man mit eine m entsprechenden Reinigungsmittel diese Flächen ab. ändert sich insgesa mt der Glanz. Ein derartiges Teil. beispielsweise ein Blecheleme nt innerhalb einer gesch lossenen Metallfassade. wird sofort auffällig und in der Regel bemängelt. Auch wirkt sich dieses Verhalten des Lackfilms sehr negativ aus. wenn z. B. dick- und dünnwandige Teile miteinande r durch den Einbrennofen gefahren wer den . Bei de n dünnwa ndigen Tei len wird durch das schnellere Erreichen der Einbren ntemperatur und durch evtl. höhere Obj ekttemperaturen der Lackfilm ohne Schleierbildung se in, wäh rend bei de n dickwand igen Te ilen diese Schleierb ildung auf der Lackoberfläche auftr itt. Diese Addit ive können sich aber auc h auf der Obe rfläche des Grun dmate rials bzw. der Konversionsschicht niederschlagen. was zu einer unzure ichende n Lackfilmhaftung führt. Dies kann sich beim Bearbeiten de r Tei le, z. B. beim Zuschneide n durch ge ringe Abplatzungen am Sägeschn itt bemerkbar machen. Probleme bei der Dispergieru ng und Homogenisie rung der Lackrohstoffe führen zu Leckst örunge n, wie z. B. Nadelstichen im aufgesch molzene n und ge härtete n Film. Auch nicht vollkommen gelös te Harzteilchen können im ausgehärteten Film zu Oberflächenstörungen (Krater. Stippe n) füh ren. Nicht vollständig dispergierte Pigmente bzw . Pigmentagglo merate erschei nen im Lackfilm als pu nktförrnige Verunreinigungen der entsprechenden Pigmentfarben.

400


Ta belle 8- 1 zeigt die verschiedene n Fehlerrnöglichkeiten bei de r Herstellung des Pulve rlackes und erläutert die Ursachen und Erscheinungsbi lder der daraus result ierenden Stör ung.

Ta belle ß-J: Fehlermöglich keiten bei der l.uckhcrstcllung

Fe hlerm öglic hkeit

Problem

Erscheinungsbild

Bindemlttel/Härter-

Unzureiche nde Vemetzung

Mangelh afte Wetterbeständigkeit unzureichende mechanischtec hnolog isc he Ke nnwe rte

Verhält nis

mangelnde Lackhaftung Pigmentierung

Verwe ndu ng von nicht licht - Unzureichende Wetter beständig keit deutliche Farbveränderungen an den ech ten Pigme nten der Sonne ausgesetzten Oberlläche n innerhalb kurzer Zeit

Homogen isierungl Dis pe rgierung

Ung leichm äß ig gemischter Lack

Krater, Stippen ode r a ndersfarbige Partikel oder unpigmentiene Lackteilchen (Gelteilchen] im Film

Binde mittel

Für den Anw end ungsz wec k nicht geeignetes Binde mittelsys tem

Kreid e nge n bei Bew in erung Temperatura bhängige Fa rbunterschiede

Additive

Falsch e Dosie rung der Add itive, z. B. Wac hse oder nie der mo lekulare Kunststoffe

Aufsc hwimmen ode r Abs inken de r Addi tive -e Sc hleie rbildung oder Störung der Lackhaftu ng

8.3. 1.2 Materialfehler Fe hler des Grundma te rials können se in: •

Rückstände auf de r Oberfläc he (Korrosionsschutzöle . Kleb erü ckstä nde, Besc hriftungen mit wasserfes ten Filzstiften oder anderen)

•

Einsch lüsse und Lunker (be i G ussteile n)

•

Graphitrüc kstä nde a uf Alumi nium- Profi lmaterial

•

Do pplungen ode r Pressfehler ( Press flöhe)

•

Einge drückte Metallspäne aus der mec hanisc hen Bea rbeit ung

•

Vork orrosio n.

Beschriftungen. Transportschutz der Roh/eile Pro bleme bei der Beschichtung entstehen, we nn die zu lacki erend e n Rohteile eine zu starke Sch icht von Korros ion sschutzöl haben ode r es be reits dur ch eine Rea ktion mit der Luft und Uv-Strahlun g zu einer Ver harzung der Schic ht geko mme n ist. Folge ist, dass es bei den he utige n mode rne n Besc hic ht ungsanlage n, die eine Verlä nge rung der Verweilze it in den Vo rbeha ndl ungslös unge n nicht zulasse n, zu einer unvo llständ igen Reinigu ng komme n kann. Das

8.3 Beispiele von Schadensfällen aus der Praxis

40 1

Ergebnis ist ein gestörter Lackfilm. meist mit kraterartigen. sich häufenden Vertiefungen. eine ungenügende oder fehlende Konversionsschicht an diese n Stellen und daraus resultierend eine ungenügende Lackfilmhaftung. In diesem Zusammenhang müssen auch Kleberückstände sowie Kennzeichnungen von Rohteilen mit wasserfesten Filzstiflen genannt werden. Diese Rückstände sind auf den Sichtflächen bereits vor dem Einfahren in die Vorbehandlungsanlage zu entferne n, da sie sich nicht in jedem Fall vollständig entfernen lassen. Das führt zu einer unvollständ igen oder fehlenden Konversionsschicht sowie gut sichtbaren Niveauunterschieden im Lackfilm. verbunden mit einer ungenügenden Lackfilmhaftung.

Fertigung Ein weiteres Problem des Grundmaterials sind Graph itrückstände aus der Fertigung der Aluminiumprofile. Diese lassen sich meist nicht mit den üblichen Reinigungssch ritten entfernen. Graphit wird d irekt nach dem Pressen der Aluminium1egierung als Auflage- und Gleitblock für das Profil verwendet. Rückstände des Graphits auf den Profilen sind nur mit Hilfe einer intensiven alkalischen Beize zu entfernen. Der Fehler zeigt sich in einer fehlenden Konversionsschicht und dadurch einer fehlenden Lackhaftung und ggf. Benetzungsstörungen oder Erhebungen im Lackfilm. Zu Pickeln und Erhebungen im gehä rteten Lackfilm führen sogenannte Pressflöhe. d. h. kleine Erhebungen (ähnlich Spänen) aus Aluminium auf dem Profil. Auch eingedrückte Späne aus der Bearbeitung führen zu diesem Erscheinungsbild.

Transport und l.ageruug der Roh/eile Die Beschichtung von vorkorrodierten Oberflächen ist immer kritisch. Abhängig von der Tiefe der Korrostonsan fressu ngen muss die Vorbehandlung entsprechend vorgenommen werden, um eine einwand freie und saubere Oberfläche zu erhalten. Kann die Korrosion nicht vollständig entfernt werden kommt es zu Lackstö rungen. wie Kratern, oder zu Lackha ftungss törungen. Oftmals erhält man durch die notwendige lange Beizzeit eine narbige Oberfläche die sich durch die Lackierung nicht vollständig ausgleichen lässt. Tabelle 8·2 zeigt d ie verschiedenen Fehlermöglichkeiten die bereits im Grundmaterial liegen und erläutert die möglichen Ursachen und Erscheinungsbilder der daraus resultierenden Störung.

402

8 Fehler i n der Beschic htung

Tah elle 8-2: Fehlermöglichkeiten im Grundmaterial

Fe hle rm öglic hkeit

Problem

Ersc he inungsb ild

Eingedrüc kte Späne ode r

Lassen s ich in der vorbehand- Pickel im Lackfi lm

Schm utz

Jung nicht entfernen

Vor korros ion

Untersc hied licher ß e iza ng riff auf die O berfl äche -+ narbige Obe rfläche

Une be nhe iten im Lackfilm

Unvollstä ndiges Entferne n der Lacke nthaftu ngen - Krater und Bl asen Ko rrosions prod ukte Graphitstreife n bei Aluminium strang presstei len

Rück stände lassen sic h nich t entfe rnen

Einsch lüsse, Lunker im G rund mare rial

Ansa mmlung vo n Vorb ehand- Ausgasungen, Krater, Blase n lungslösu ngen in de n Lu nke rn ....,. sc hlagartiger Austritt diese r Substanz ode r a uch von Luft im Einbrenn ofe n

Rückstä nde vo n Beschr iftunge n, Korrosio nsschutzwachse n ode r Ö len

Lässt sich in de r c hemisc hen Vo rbehandlung nic ht immer vo llstä ndig entfe rne n

Proble me bei Lackhaftung und Korrosion dur ch fehlende Konv ersio nssc hich t in diesen Bereiche n

Entha ftunge n de r Lac ksc hiebt. Krate r oder Blase n

8.3.1.3 Fehler im Beschichtungsbetrieb Fe hler im Besch ichtungsbetrieb kö nnen se in: •

Vo rbe ha ndlung - Re inigu ng, Konversi onssch ichten

•

Sc hiehtdicke

•

Sauberke it in de r App likation - Rei nigu ng de r Kabinen

•

Proble me in de r Applikation

•

Übe r- bzw . Unte rbrenne n des Lac kfilms

Vorbehandlung Ein Be re ic h im Beschichtungsbetrie b, in de m e ine g roße Zahl von Fehl ermöglichke ite n gegebe n ist, ist die che mische Vo rbeh a ndlung . Hier ko mmt es durch e ingebrac hte Fenrückständ e, ver brauchte Lösungen und ungenügende S pülung zu Lacka bplatzungen bei m Zusc hneiden de r Te ile so w ie zur Blase nbildung und Lacka blösunge n be i e iner s päte ren Bewitte rung. Auch das Anfasse n vo n vorbehandelten, mit einer Kon versio nssc hic ht verse henen Werks tüc ke n mit ungesc hützten Händen kan n inne rha lb von zwei Jahren bei ei nem Einsatz im Außenbere ich zu fe inen Blase n im Lackfil m führe n. d ie de n Hautlinien e ntspreche n (Sa lzrückstä nde a uf de r Oberfläche d urch lI andsc hwe iß). Fehl er in der Vorbeha ndlung lasse n sich se hr sc hne ll und e infac h du rch den sogena nnte n Koc htest festste llen. Hierzu wi rd das Musterte il zwe i Stunde n

8.3 Beisp iele von Schade nsfällen aus der Praxis

403

in ernionisiertes. kochendes Wasser getaucht. Fehler in der Konversionsschicht zeigen sich da nn durch eine Blasenbildung im Lackfilm. Auch die schon angesprochenen Fingerspuren/Finge rabdr ücke können hier deut lich dargestellt werden. Sc hwierigkeiten, die mit der Anwe ndung neuer Verfa hren auftreten können, sind Haftungsprob leme und Lac kablösungen. Ursache der Fehler ist hierbei oftmals eine ungenügende Spülung der Oberflächen bzw . ein zu hohes Schic htgewic ht. verursacht durch Antrocknungen der Vorbehandlungs lösu ng an Ablaufkanten. Vor allem bei den soge nannten Chromfrei-Verfa hren wird nicht wie üblich nach der Konversionsbehandlung in VE-Wasser gesp ült, sondern scho n vorab. Dies ist notwend ig, da die Lösungen sehr anfällig auf Versch leppungen aus der Entfettung und Beize reagieren. Nach der Konversionsbehandlung werden bei den No-RinseVerfahren die Werkstüc ke nur noch mit Pressluft ode r eine m feinen Wassernebel abgeb lasen. Antroc knunge n an den Ablaufkanten und Ablaufspuren bei nicht ausreichende m Absprühen bzw. Abblase n führen zu höheren Sch ichtdicke n und diese dann zu Haftungsproblemen der Lackschichten.

Reinigung/Sp ülen Ein weite res Problem kann die Reinigung der Teile betreffen. Immer kürzere Taktzeiten in der Entfettung und Beize. bzw. kürzere Reinig ungstunnel. können dazu beitragen. dass d ie Te ile schnel ler zu Unterwanderungen und Korrosionserscheinungen neigen. So zeigten Versuc he mit Aluminiumprofilab schnitten gleicher Legieru ng, Gelbchromatierung und an nähernd gleiche m Schichtgewic ht. jedoch mit unterschiedlichen Reinigungsabläufen und Ze iten se hr deutliche Unterschiede in der Filiforrnkorrosionsbeständigkeir. Proben mit einem höheren Beizabtrag zeigen in Freibewitterung [23] und auch Laborversuchen [29J deutlic h bessere Kor rosionbestä ndig ketten als diese mit einem ge ringen Abtrag. Ein weiteres wichtiges Kriterium für eine gute Lackhaftung ist das ausreichende Spülen der Oberflächen. Besonderes Augenmerk sollte hier auf die Schlussspüle gelegt werden. Um Auftrocknunge n bzw. Salzrüc kstände zu ver meiden, sollte die Schlusssp üle mit vollentsalztem Wasser betrieben werden. Werden w ie z. B. im Arch itekturbereic h große Anforde rungen an Korrosionsschutz und Lackh aftung geste llt, so llte das abtro pfende Wasser von den Werkstücke n eine n Leitwe rt -e 30 I-IS/cm nicht übersch reiten [28].

Verschmulzungen Die Sa uberkeit im Beschichtungsbetrieb. insbesondere im Bereich der Bcschichtungskabine und der Rückgew innung, gehö rt zu den wichtigsten Kriterien innerhalb der Fertigung. Schon ge ringe Mengen verble ibender Pulverlackpartikel eines vorher eingese tzten Pulverlackes können in der nac hfolgende n Beschichtung zur Mattie rung des Lackfilms führen. Veran twortl ich für diesen Effekt sind Unvert räglichk eits reaktionen der Lacke. Ebenfalls führe n Rückstände von far blieh unter schiedl ichen Pulvern zu Störungen (Far bumerschieden) im Lackfilm. Auch Sch mutzpartikel ode r Metallspäne, die bei de r chemischen Vorbe hand lung nicht entfernt worden sind, können zu Fehlstellen im Lackfilm führen. Besonders feine Metallspäne. wie sie beim Sch neide n oder Bohren entstehen, können sich beim T ransport in Stapelbehälte rn in die Obe rfläche eindrücken und werden durch eine chemische Behandlung nicht mehr besei tigt. Eine Sichtprobenprüfung beim Aufklemmen der Te ile vor dem Beschichten ist desha lb in jedem Fall sinnvo ll.

404


Teilegeometrie - Konstruktion Eine nich t zu unte rschä tzende Rolle bei der Oberflächenbehandlu ng spie lt die besc hic htungsgerechte Konstruktion und Fe rtigung de r Teile. Bei de r Anna hme von Aufträgen ist auch da rauf zu achten, dass die Te ile besch ichtungsgerecht konst ruiert lind gefe rtigt sind. Zu diesen Bedin gungen gehö ren u.a. die Ve rmeidu ng vo n Sacklöchem und Spalten. in denen sich später

Vor behan dlungs flüssigkeiten sammel n könne n. Diese Vorbehandlungsrüc kstände treten dann wä hre nd des Einbrennvorganges aus den Spalten exp losio nsa rtig heraus und führen auf den darunter befind lichen Tei len zu Stippe n und kraterartigen Vert iefungen. in deren Mitte sich die Auftrockne ngen befinden .

Applikation Besonders schw ierig ges tal tet sic h das wo lken fre ie Lac kieren vo n sogenannten Metallicfarben auf großen e benen Flächen. Trotz der Möglichkeit. mit den vorhande nen automat ischen Bescblchnmgsgeräte n relativ gleichmäß ige Schichten aufzubr ingen. kom mt es bei Verwe ndung VOll Rückgewinnungspulve r und/oder durch eine unregelmäßige Zugabe von Frisch pulver zu einer unterschiedlichen Aufbringung von Metall ic-Teilchen bzw. Metallic- Pulverteilchen auf die We rkst ücko berfläche. Das Ergebn is ist dann eine wolkige Oberfläche. die e rst ab einem Betrachtungsab stand von mehr als 20 m sichtbar wird. Außerdem spielen der Absta nd dcr Pulverpistole zum Werks tück und die elek trostatischen Eigenschaften des Pulver lackfilms ein e wesentliche Rolle. Unz ureiche nde Abstände bringe n eine Streifenbildung auf großllächige Blechtei le. Auch das Nachbeschichten von Ha nd an Abkantungen führt zu einer ungleichm äßigen Lac kfilmauftragung und dan n zu der bereits erwä hnten Wo lkenbildung. In diesem Fall ist zu empfehlen. Untersichten. Abka ntungen u.ä. an We rkstüc ken vor der Automati k-Beschichtung von Hand vorz ulackieren und danach erst die Gesamt fläche durch einen definierte n, gleichmäßigen Lackauftrag zu beschichten. Ta belle 8.3 zeigt die verschiedenen Fehlermöglichk eite n die im Beschichtungsbetrie b entstehe n könne n und er läutert die möglichen Ursac hen und Ersc heinungsbilde r de r daraus res ultierenden Störung .

Einbrennofen Verändert sich im Einb rennofen d urch Ausfa llen eines Bren ners oder eines sogenannten Heizregisters die Te mpe ratur und Wärme ve rteilung, so ka nn es örtlich zu ei ner Unte rvernetzung des Lack films kommen . Die Lac kfilme zeigen dan n bereit s bc im Verarbeiten ein e xtre m sprödes Verhalten. auc h ist die Haft ung nur mäßig. Verb unde n sind diese Unte rve rnetzunge n a uch mit einem unzureich ende n Bewitte rungsve rhalten. was sehr schnell zu einem Kreiden der Ober fläche n führt . Untervernctzungen könne n nur mit Hilfe einer DTlvlA-Analyse ( Dynamische The rrnornec ha nische Analyse) oder einer DSC (Different ial Scann ing Calorimetry ) einde utig bestimmt werden. Ein schneller , oftmals in der Praxis verwendeter Wischtest mit Lösemitteln wie z. B. Aceton zeigt ledig lich bei einer deut lichen Unterverne tzung des Lac kfilms ein Ergebnis. No rmalerweise ist bei einem ausreiche nd vernetzten Pulverlackf ilm. bei dem mit einem in Aceton getränkten T uch ca . 5 mal mit sanftem Druc k über die Oberfläche gewischt wi rd kein Anlösen des Lac kfilmes mög lich. Bei nic ht vo llstä ndig vernetzten Filmen zeigt sich hier schon ein Artlösen des Lac kfilms. tei lweise ist diese r vollständig abz uw ischen. Beein flusst wi rd dieser Test natü rlic h von de r Menge an Löse mittel. de r Prüfdau er und de m Druck der a uf den Lackfilm ausgeübt wird.

8.3 Beispiele vo n Sc hade nsfä llen aus der Praxis

40 5

Tab elle 8.3: Fehlermöglichkeiten die im ßcschichtungsbctricb entstehen können und mögliche Ursachen und Erscheinungsbilder der daraus resultierenden Störung Feh lermög lichkeit

Prob lem

Erschei nungsbild

Vorbehan dlu ng

Mangelhafte Ausführung Spülfehler. Antroc knungen, abwisch bare Ko nversionsschichten, zu ho he oder zu niedr ige Sch ichtgewichte

Sch lechte Lackhaftung - Abplatz ungen

Applikation

Ein bre nnofe n

Ko rrosion

Unzure ic hende Re inig ung Andersfarbige Punkte im Lackfilm. Bei de r An lage be i Farbwec hse l Unverträglic hke it de r Pulve r Nadelstiche, Krater, Man ierungen.

Sc hicludickenschwank un-

g,"

Fa rbuntersc hied e. ungleichmäßige r Verlau f des Lackfil ms

Materialverwec hslung oder Mischen zweier Systeme

Unverträgl ich keitsrea ktion. Matt ie rungen , Nadelstiche

Über- oder Unter brenne n des Lackfilms

Verg ilbungen bei bellen Fa rbe n, bzw . Farbve rä ndc rungen. Be i Unterbrennen sch lechtere mec han ische Eigenschafte n Lack ist spröde, Wetterbeständ igkei t unz ure ichend, Lösemitte lempfind lichk eit, schlechtere Lackhaftu ng.

ko ntinuierliches Einfa hren vo n beschichteten Te ilen in de n Ofen, hohe Luftgeschw indigkeit im Tü ren bereich

Vaga bundierende Pulverteilchen. die s ich auf anderen We rkstücke n niede rlassen, führe n zu Versenm utzu ngen im Lac kfi lm - andersfarbige Punkte, Erhe bungen, Picke l

Liegt bei e inem Sc hadensfall der Verdacht vor, dass es sich um e ine Untervemetzung des Lackfilms bandelt so kann in ei nem Paralle lversuch de r W isc htest verwendet we rde n. Para llelve rsuch bedeutet. dass die Probe gete ilt w ird. e in Tei l wird nochmals be i a usreichende r O bje kttemperat ur und Ha lte zei t nac hvernetzt. der andere verblei bt im Ausgangszustand. Bei beide n Probe n wird nun de r Wischtest d urchgeführt . Im direkte n Vergleich kann nun e ine Aussage über das Verha lten de r Lackfilme bei Einwirk ung von Lösemittel getroffen werden. Um ei ne Untervemetzung aber de utlich nac hzuweisen ist, wie sc hon gesagt. ei ne DT MA- ode r DSC- Ana lyse notwe ndig. Eine we itere Fehle rque lle stel lt de r Einbre nnofe n dar. Voraussetzung fil r eine Einh altung de r sogenann ten O bjektt emperatur ist eine gena ue Kennt nis übe r d ie Ofencharakteristik und das Aufheizverhalten im Einbrennofen. Dickwandige Tei le einer großen Masse so llten neben d ünnwa nd igen Te ilen nicht zusamme n ei nge brann t werde n. Wä hrend in de r Reg el diese d ünnwa ndige n Te ile aus reichend verne tzt s ind, komm t es be i den dic kwa ndigen Elemen ten zu einer Unte rvern e tz ung mit den bereits ge nann ten Folgen . Abhi lfe lässt sich nur schaffen, wen n

406

8 Fehler in der Beschi chtun g

im Besch ic htungsbetr ieb ein e ntsp rec hendes Messgerät zur Obj ekttemperaturme ssung ode r Ind ikatorklebestrei fen zur Verfügung stehen. die beim Erreic he n eine r best immte n Objekttemperat ur einen Farb umsc hlag be wirken. Zu la nge Verwei lzeilen oder zu hohe Einbrenntem pe rature n bewirken eine Vergilbung des Lackfilms, der bis zur Zerstör ung gehen kann . Besonde rs bei unbunten Farben, wie weiß ode r gra u, ze igen s ich diese Verg ilbungc n sehr deu tlic h. Se lbst wenn diese Fa rbve rände rung nicht bea nsta ndet wird, sollte n diese Teile nicht ein er Bewir terung a usgesetzt werden . da sie sehr schne ll zur Kreid ung ne igen.

8.3. 1.-1 Transport- und Lageru ngsfe hler Fe hler die be i Transport und Lagerung entste hen können: •

Manierungen . Abze ichnungen und Flecke nbildung durch Verpac kungsmate rial

•

Tre nnm iuel a uf Gum midicht ungen

•

Luftdi c hte Verpackung

•

Weic he r Lac kfilm ~ Druckstelle n

~

Schwitzwasse rbild ung

~

Manie rungen. Flecken

Verpackung Eine n Tei l der vor kommende n Schädig unge n des Lackfilms nehmen die sogena nnten Transportschäden ein, bei denen d urc h eine unsachgemäße Ve rpac kung die Ware später Sche uerstellen sowie Druckstellen a ufweis t. Durch hohe Druckbelastung kommt es a uc h bei Zwische nlage n a us Sty ropo r oder a nde ren luftgefüllte n Folie n zu partielle n Druckpunkten, die e rst beim Entfern en der Schutzfolie nach dem Einbau s ichtba r we rde n. Eine Beseitigu ng du rc h Polieren ist nur bedi ngt mög lich. Ein we iteres Problem ste llt die sac hge rechte Lage rung der Teile a n de r Ba ustelle bis zum Einba u dar . Dur ch luftdicht ve rpac kte Fassadenelemente ode r in luftdi cht ver pac kten Transportpaletten ka nn sic h Kondenswasser bilden , das in de n Lackfil m eindringt und durc h Q uelle n zu Manierunge n führen kann. Es ist deshalb sehr wichtig, entwede r die Teile an einem gesc hützten Ort bis zum Einbau zu lage rn oder für ei ne ausre ichen de Belüftung de r Transportbehälte r zu sorgen sowie ein Beregnen zu ver meiden. Bei der Verw end ung von sogena nnten weich rnache rhaltigen Verpack ungsfolien. in de r Regel aus PVc, ka nn es ebe nfa lls durch Einwirke n von Wärm e zu Mau ierungsefTekte n im Lac kfilm komme n. Der in der Folie e ntha ltene Weichmache r diffundiert bei erhöht en Te mpe rature n in de n Lac kfilm und kann ähnlic he Ersc he inunge n wie ein orga nisches Löse mittel bewirke n.

Transport und Lagerung Auch bei der Lage rung und dem Tr ansport vo n Rohmaterial ist auf eine sau bere, troc kene Lagerung zu achten. Die Lage rräume so llen trocken und gut belüftet se in. Beim Tra nsport nass gewordenes Halbze ug so llte vo r dem Einordne n trock engeri eben we rde n, nasse Verpack ungen sind zu e ntfe rne n. Die Bildun g von Konden swasse r ist zu verme iden , da hierdurc h Korrosion ver ursac ht werde n kann. Ta belle 8·4 zeig t die versc hiede nen Fehle rmöglic hkeit en die bei Tra nspo rt. Lagerung und Verarbeitung, z. B. Metallba u e ntstehen können und e rläutert d ie möglich en Ursac hen und Erschei nungsb ilder der daraus res ultiere nden Störung.

407

8.4 Störungen im Lackfilm Tabelle H-4: Fehlermöglichke lten be i Transport. Lagerung und Verarhcitung Fehlermög lichkeil

Problem

Erscheinungsbild

Verpac kung

.Weic he- Lackfilme

Druckstelien. Auflage punkte sind sichtbar. Flecken bildung. Aufhellu ng des Lackfilms. sc hwer zu entfe rnende s Verpackungsmaler ial --+ Manie rungen

Lagerung im Freie n, lange Lagerung in Verpackung Verpac kungsmateriaI

Weich macherhaltige Folien

Verfärbunge n, Manierungen

Reinigung

Anwendung von ungeeigneten Reinigungsmitteln

Lackanlösungen, Verfärbunge n, Mattierunge n

Dichtmaterial. Klebstoffe

Für die Anwendung nicht geeign ete Materialien

Keine Haftung des Dicht- oder Klebstoffes, Verfärbungen , Anlösunge n des Lackmaterials

8.4 Störungen im Lackfilm An verschiede nen Beispielen aus der Praxis so llen hier Störungen im Lackfilm erläutert werde n, welche durch die in Kapitel 8. 1 beschriebe nen Fehlerbilder verur sacht wurden .

Pick el im La ckfilm

Pickel im Lackfilm-Metattparttket Die folgenden Bilder zeigen Beispiele von Pickeln im Lackfilm. verur sacht durch eingedrückte Metallspäne oder Pressflöhe.

•

Hild H-3 1: Makroaufnahme ili:r Lackstörungen. Fehlerursache hier: eingedrückte Metallspäne

Hild H-32: Im Zentrum ili:r Störungsind dunkle. metallische Pnrtikcl zu erkennen.

408


IJild 8-33 : Querschliffim Fehlerbereich. l m Lack-

film selbst und an der Grenzfläche Lack/Grundmater ial sind auflic gcncdc Metallpartik el sichtbar.

IJild 8-34: REM-Aufnahme der Lackstörung im Querschliff Ursache der Stör ung ist ein Lackfilm noch oben aufgeschwommener Metallpa rtikel.

"

120 um

Hild H-62 : Krater und Blasen in der Lackschicht auf feuerverzinktem Stahluntergrund

4 17

8.4 Stö rungen im Lackfilm

m it! 1:1-63: Behälter. feuerverzinkter Stahl. pulvcrbeschichtet. mit Blasen im Lackfil m

m it! 1:1-6.4: REM-Aufnahme der Oberfläche im Bereich der Blasen. Auf der Oberfläche sind Korrosionsprodukte I .U sehen.

Lunker im Gusswerkstoff Ein mit Pulverlack beschichtetes Gehäuse aus Aluminiumdruckguss ze igte nach der Beschichtung und dem Einbrennen der Lacksch icht deutlich Blasen. Ein Q uerschlitT im Bereich dieser Blasen und Krater ergab im Gr undwerkstoff Lunker und Hoh lräu me. Durch diese ..Fehlstell en" des G rundmaterials kann es während des Einbrennvo rga nges zu Ausges unge n von Luft. Feucht igkeit oder Rückständen der Vorbehandlung kommen. Diese verursachen dann die hier festges tellten Blasen oder Krater.

m ld S-6 ~: Querschliff durch die Fehlstelle in der Lackschicht. Ursache: Blasen aufgrund von einem porigen Untergrund

..Korrosion" der Lackoberfläche Fleckige und meuterte Metallic-Lackoberfl äche Eine Fassa de in Harnburg zeigte kurz nach Fert igstel lung Ablaufspu ren, Maule rungen und Flecken auf de r Lackbeschicht ung. Es han delt sich hier um einen Metallic-Pulverlack mit

418


Al urnin iump igmenlen als EfTektgeber. Die Besch ichtung wurde einschichtig ohne eine zusä tzliehe Klarlack-Dccklackierung ausge führt . Mit einer Rei nigu ng der gesa mten Obe rfläc he solltcn diese Fehler beseitigt we rden . Erste Reinigu ngsversuche ergaben Far bveränderungen auf der Oberfläche. Unters uch unge n der Lackoberfläc he im Bereich der Ablaufspu ren erga ben eine Korrosion de r Effektpigmente. Bild 8-67 ze igt die REM- Aufnahm e de r Lackoberfläche mit de n Alumin ium korrosionsp rod ukte n an de r Oberfläche. Die Farbveränderungen he rvorgerufe n durch die Rein igung sind a uf eine n chemischen Angriff bzw . eine Veränderung der Pigmen te durch die Reinigungsmiltel zur ückz uführe n. Um diese Feh ler zu verme iden. so llte bei Metallicbeschichtungen mit einem hohen Anteil vo n Aluminium pigment imme r zusätz lich eine Decklacki erung mit einem Klarlack erfolge n.

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Uild 8-66: Lackoberfl äche mit Ablaufspuren

Hild 8-67: REM-Aulhahmc dcr Lackoberfläche mit Korrosion der Aluminiumpigmente

Feh ler bei d er Me ta llic- Beschic htu ng

Ungleichmäßig, wolkig erscheinende Oberflache Eine Fassade mit vorgehängten Metallkassetten ist mit einem Metallic- Lacksystem beschichtet worden. Nach de r Mon tage der Eleme nte wurde das ungleichmäßige Aussehen und die deutlich sicht bare n Farbunterschiede be mängelt . Der Fehle r zeigte sich in Form von I.

du nkle n Bereichen an den Blechkanten und

2.

in einem ungleichmäßigen und wolkigen Erscheinungsbild, siehe Bild 8-68.

Die Ursache des Feh lers lässt sic h wie folg t erkl ären: Die Blec he wu rde n zue rst in einer Automatikkab ine beschichtet un d ansc hließend im Bereich der Kant en nochmals von Hand nachbesch ichtet. Die Sc hic htdicke an den Kanten lag be i d - 130 um und auf den Flächen bei d - 80 um . Solch ho he Untersch iede in de r Sch ichtd icke bew irke n be i de r Metallic-Lack ierung Farbunte rsch iede . Auc h die Aufladung des Pu lvers, der Abstand Pistole - We rkstück und der Lack selbst habe n eine n großen Einfluss auf das Ergebnis der Beschichtung. Der Fehler ist durc h einen gleic hmäßige n Lackauftrag und einer Änder ung im Beschichtungsablauf zu vermeiden. Wird die Handvorbeschichtung der Kanten vor der Automat ikbeschichtung ausgefü hrt ist auf de n Flächen ein gleichmäßige res Bild zu erzielen.

8.4 Stö rungen im Lackfilm

4 19

Hild H-Ml: Fassadenelemente mit dunklen Kamen und ungleichmäßigem und wolkigem Erscheinungsbild

Fehler im Profil ma teri al

Haftungsp robleme an Profi lanf ang und -enden Al uminiumiso lierprofile aus dem Fensterbau. beschichtet mit einem Poly ester-Pulver lack. Farbton RAL 90 10 zeigten am Profila nfang und -ende Haftungsprob leme der Lackschicht. Zusätzl ich waren Blasen und Krater (Kocher) in der Schic ht zu finden. Die Untersuchu ng der Lackobe rfläc he und de r Grundmetalloberfläche nach Ablösen des Lackfilms ergab im Fehlerbereich einen hohen Antei l von Vorbehandlungsrückständen auf der Lackoberfläche und auc h auf dem Grun dmaterial. Dies ist nur möglich, we nn im Haftwassertrockner oder auch im Einbrennofen aus Hohlräumen Rückstände aus de r Vo rbe hand lung aust reten und sich auf dem Grun dmateria l und auf dem Lac kfilm niederschlagen. Bei der Untersuch ung der Isolierstege konnte im Bereic h de r Anfangs - oder Endstücke ein e fehlerhafte Versteg ung festgestellt werden. In diesen Bereichen ware n Hohlräume mit einem Durchmesser vo n ca . [ mm zu finden. Durch Kapillarwirkung könne n Vorbehandl ungslös ungen in die Hohlräume eindringen. weiche in de n Spü lschritten nicht mehr vo llständ ig zu entfernen sind. Auch durch sehr intensives

420


S püle n kan n in diesen engen Hoh lräumen kein S püleffekt erzie lt we rden. Im Haftwassertrockner ode r im Einbrennofen entweic hen diese Sto ffe und schlagen sich. wie in d iesem Fall au f der chromatierten Obe rfläche und auf dem Lackti lm, nieder. Dies führt zu Haftun gsproblem en des Lackfilms lind Störungen in der Lackschic ht. Der Niederschl ag dieser Rückstände wird unter Umständen auch mit durch die Lu ftströmungen im Haft wassert rockner oder Einbrennofen beeinflusst. Eine EDX-A na lyse des Belages im Bereich der Versteg ung und des Belages auf der Aluminiumoberfläche nach dem Ablösen des Lackfilms erga b eine Übe reinstimmung der lnhaltstoffe. Im Belag konnten die Elemente Natrium, Phosphor und Saue rstoff nachgewiesen werden. siehe Bilder 8·70 und 8· 71.

Hild H·69: Profi lstücke mit llathmgsproble mcn

der Lackschicht

Hild H· 70: REM·Aufnahmc des Belages auf dem Grundmalerial

, Hild H· 71: Ergebnis der EIJX· Anal)sc des Belages auf dem Grundmaterial

Fehler durc h verschmutzungen Verschm utzungen im Lackfi lm können entstehen dur ch eine unzureichend e Reinigung der Pistolen ode r der Kabine. abe r auch schon im Pulver vorliege n. Siehe hierzu Diagramm 8·1 5 mit Hinweisen zu denkbaren Ursachen für diese Art des Fehlerb ildes im Lack film .

8.5 Troubleshooting: Diagramme und Tabellen

42 1

• • • Hild H-72 : Verunreinigung durch weißen Pulv erlack: I g weiß auf 10 kg sc hwarz

Hild H-7J: Verunreinigungen in einem Strukturlack mit verschieden farbigen Lackpartikeln

Wetterbeständigkeit Farbveränderungen. abhä ngig von der Auslage rung sricht ung (Standort) und der Wetterbeständigkei t des Beschichtungssystems zeigen die Bilder 8-74 und 8-75.

Die Bilder zeigen eine rot lackierte Tür ein es Gebäudes. Die Profile wurden mit einem Pulverlack besc hichtet , d ie Füllung ist mit einem Co il-Coating-System lackie rt. Der Farbton war bei beiden Systemen gleich, circa RAL 30 16. Heute nach 10 Jah ren Freibewitterung in den Niede rlande n ist ein deutlicher Farbuntersc hied zwischen der Pulverlackierung und dem Coil-Coating-Lack zu sehen. aber auc h die Himm elsrichtu ng spielt eine en tscheidende Rolle. Die Tür in Richtung Süden zeigt die grö ßten Farbuntersc hiede, wob ei jetzt nach 10 Jahren beim Coil-Coaun g- Lack nichts meh r von der Or ig inalfarbe zu erken nen ist.

m ld H- 74: Türe in Richtung Osten

Hild H-75: Türe in Richtung Süde n

8.5 Troub leshooting: Diagramme und Tabe llen Die folgende n Flussd iagra mme besch reibe n die Maßnahmen, die bei Auftre ten verschiedener Feh ler ergriffen werden kö nnen. um die Fehlerursache zu loka lisieren und zu beseitigen.

422


Pro bleme in der Besc hicht ung sind oftma ls nicht a n e iner Ursache festz umache n. so nde rn s ind die Folge von verschiede nen Fehlern die eine systematische Suche notwendig macht. Nur so könn en einze lne Punkte als verursachet festgeste llt oder ausgeschlossen werden.

Gerade deshalb erforde rt die systematische Fehlersuche eine gewissenhaftes Vorgehen und ein gew isses Maß an Verst ändn is HiT die Zusammen hänge.

Ist die Kratertildung aufgetreten nach einem Pulverwechsel ?

Wa r das zuvor applizierte Pulve r ein Stl'\lkturpulver mit spezielien Additiven ?

~

Gründlich e Reinigung der komp letten Lackieranlage

,------''/'_-----, Zeigen sich die Krater auch auf Testblechen oder andere n Werk stücken?

f-

~

Überprüfung der Reinigung und Vortl ehandlung I Spüle I Trocknu ng

I

,-----_--'J'_ _---, Wa r der Pulvertl ehälter schon geöffnet ?

, - - - - _' / ' _ - -

r

Kontaktieren des Pulve rherstellers

...I Reinigung der Anlage und "'1Versu ch mit Origin al-Gebinde

~ _ _ -----.J

,---------''1'' -----_, 151die Bildung der Krater plötzlich aufge treterl ?

-

Ilo"

Überprüfung der Luftv ersorgung

... Überprüfung der Filter

I

,-----,..-,,--::-' 1', ..-,,--, Ist die Kratertildung aufgetreten mit/n ach nicht

iib lichen Meilen in der Nähe der Anlage ?

Überprüfung von mög lichen Eintragungen in die l ackierkabine we lche -~ Rückstände von Störsubslanzen bewirken

r --

J

I

,----------,_'1'_----, Wurden Reparalu rarbe iten I Austausch von Anlagenkomponenl en vorgenomm en ?

Diag ramm 8-1: Ablaufschema

f--- ...

Sicherstellung, dass alle verw endeten Teile und Hilf smillel (Kleber, Sprays) gete stet und für Pulveranlagen geeignet sind

rürdie Fehlersuc he beim Auftreten

'I'-

---,

Al.lstausch der Filter

von Kratern im Lackfilm

8.5 Tro ubleshooting: Diagramme und Tabellen Ist das Pulver beständig gegen das verwendete Lösemittel ?

Pulver kann unterbrannt sein

423

...

Überprüfung der Einbrenn bedingungen im Prod uktmerkbkatt

Einbre nnvers uch ... nach Einstellung der Parameter

, - _'1'_-, Ofenprofil mit den je weiligen Teilen überp rüfen

Einbre nnversuch

f-----... nach Einstellung der Parameter

I

, -_ '1'_ - , Teile ein zweites Mal durch den Ofen schicken

I

, -_ '1'_ - ,

, -_ '1'_ - ,

Pulverhersteller kontaktieren

Pulverhersteller kontaktieren

r - -'I'----, Über prüfung mit

dem

Pulverhersteller

L,

,-------''1'_-----, Ist der Lösemitteltest ein Teil der PfÜfspezifikationen de s Herstellers ?

-I

'------,-----'

Anfrage nach einem speziellen , ~I beständigerem Pulver beim Hersteller

Ve rgleich mit korrekt ~ Il" eingebrannten Testblechen vom Pulverhersteller

~

ve~-eo-d~e~te---'

Das Lösemittel kann zu aggressiv für das Lacksystem sein

-

Diagram m 8-2: Geringe Chemikalien und Lösemitt elbeständigkeit der Beschichtung

424


..

RedllZierung der Schichtdicke

~--,, --~ Einbrennen bei hohen Temperaturen oder über den empfohlenen Werte n

-

Pulver härtet zu schnell ! u.a. kann nicht entwe ichen

..

Feuch~gkeit

..

Absenken der Ofenlemperatur ! Einbrennen innerhalb des vorgeg ebenen Einbrennfensters

I

~~-,,-~~ W ird ein Substrat verwendet das zu Ausgasungen neigt u a. Guss, spritzverzinkte Oberflächen) ?

..

Wer1r.stücke tempern rce. 10 · e über der Einbrenntemperalur)

r:----,-"

Prüfung des Pulvers auf Feuch~g keit

..

~

War der Karton offen ?

Anwendung von speziellen Pulvern

Versuch mit neuem Karton ! Charge

...

'----------8

~--"'--~ überprüfung der Luftversorgung I evnfeuchte Luft ?

ü berprüfung von Trockner und Fil1er

() ilt~ rllmm

ü berprüfung der ..~erbedi ngungen

8-3 : Fehlersuche heim Auftreten von Nadelstichen im Lacklihn

425

8.5 Trou bleshoo t ing : D iagramme und T abell en Ersche int die O berfläc he abgegriffen schleiriq • mattiert ?

Wu rde da s Pulv er gemischt f- ~ mit dem ei nes anderen Herstellers ?

~

~

Pulve r sind nich t verträglich

zu lange gelagertes Pulv er

~

Reinigung de r Anl age zwi schen de n ei nzelnen Chargen

, - -,,----, Pulverlackhersteiler konta ktie ren

Z eigt der Lackfilm Nadelstiche ?

f-

~

Ist die Lac kschichtdicke zu hoch (> 1 0 0~m ) ?

~

Reduzierung der Schichtdicke

, - - -,,------, Mögliche Ausgasungen des Grundmaterials prüfen in dem Probenbleche od anderes Material lackiert wird

"Ausheizen" der Werkstücke oder Pulver mit l-r- ~ speziellen Zusätzen für gasende Materialien verwenden

I

"

Überprüfung der Druckluft, Luftfilter, Trocknung

Wurde der geforderte Glanzbereich erreicht ?

JI

~

Austausch der Filter

~

Pulverla ckher-

steiler kontaktieren j;

()ia~ ramm

I--

Pulver auf Feuchtigkeit überprüfen. Lässt sich das Pulver mit der Hand zusammenpressen, fUhll es sich feucht an?

lJ

~

Lagerbedingungen prüfen, neuen Karton prüfen

, -- ,,----,

s..-I: Manierungen in der Beschichtung. geringerer Glanz als vorgegeben

Pulverlackhersteller kontaktieren

426

8 Fehle r in der Besch ichtung

Zeigen alle Teile die gleic he nicht korrekte Farbe ?

.. Ist die Schichtdic ke zu gering?

..

e~-,Ci,7h-"-m---'

Handelt Rot-, Gelb- , oder Orangel One auf Bas is von organischen Pigmenten ?

Ist e s eine neue Charge d es Pulvers ?

r --

I

T-

I--

---,

Ha ndelt e s sich um eine neue Farbe ?

L-

,---

Werden die gleic hen Proze ss-I ~ Anlagen param eter verwe ndet (Ofen. Temp , I Ze rt) ?

Ober~="'C-:;d.='-'

I

~

korrekt en

Einbrennbedingungan

r - -T-

~

r - - T-

8-~:

Pu lverhersteller kontakt iere n, Mustert afeln anfordern

_ _ T_

I

Anderung der

~

... Einbrennbed ing ungEln

...

--,

Durchfü hNng von Versuc hen zum Einbrennen

Aus füh rung von Versuchseinbrennu ngen

151 die Farbe hier in Versuche in Ordnu ng kan n die Farb ände rung verschiedenen t-- ~ Ofe ntypen , z.B. bei ~ ... an de r Gasdirekt g asbeheizl en zusa mme nsetzung Ofen , Versuch in 00. de m Ty p der einem Elektroofen Befeuerung liegen

---,

Einfluss de r Ofenabg ase

Diagra m m

Wi rd zu einer fixierten ... Fertrm ustervortaq e vergliChen (Farbgrenzmuster)

---,

Prüfen des Ofenprofils und npassung der Einst ellung en

L"

übe rprüft ?

Erhöhun g de r Schichtst ärke um deckt ähiqe Lackschichi zu erhalten

W urde die Farbe bei korrekt er Beleuch tung überprüft ?

---,

W urde das Qfe nprofil

scrscntstäreen

im Prod uktmerk blatl

r - -T -

-------1

W-

...

siehe Diagr amm f ür zu ge ringe

Pro blem von unk orrekter Farbe der Besch ichtu ng

I--

Pulverliefera nten um gasofenbest ändige ~' FormulieNng der Pulve rcharge anfrage n

8.5 Troubleshooting: Diagramme und Tabellen Pulver kann unterbrannt sein (Glanz zu hoch)

~ ~

427 Durchführung von Einbrenntests zur Ermittlung ~ der Haltezert und Temperatur für dieses Teilespektrum und Ofentyp

Überprüfung der Angabe n des Produktmerkblatts

Überprü~-"-g-d~e-,-

,

OfenproT f ils"mrt diesen \-----, ""- v~~~~~~ :~n~~:~~~~t~~rP. enen '- """' E'mbrennbed'mgungen an das at rl< ) I T ( emper u UNen Teilespektrum

I

, - -"' - nochmaliges Einbrennen der Teile

I

l---- ~

Erhöhung der Einbrenntemperatur und/oder -eea

~di~e--

Überprüfu:9- -'-'C, Anwesenheit von Lösemitteln oder Entfettungsdtl mpfen im Bereich der Beschichtung

I

,--"-Pulverhersteller kontaktieren

r- ~

llial':r amm ß..(, ; Problem einer zu niedrigen Lackhärte desLackfilms

neue, spezielle Formulierung des Pulvers kann notwendig sein, um die speziellen Anforderungen erfüllen zu können

428


Erscheint die

.

Wurde das Pulver mrt

Lac kobertl äche

... dem eines anderen

Herstellers gemixt?

hazyoder seedy ?

'---:w:-;"--'r:~--'"---, verschiedene Chargen eines

-

..

Lackes gemischt ?

Pulver sind unverträglich

Reinigung des

Haben Sie einen ausreichenden Umschlag des

...

Sprayequipments (Pistole n, Kabine)

zwscöen den einzelnen Chargen

Lagerbestandes ?

r - -T

verbfau:.c,c,,C, , C'" - 1 Chargen zuerst - strikte Lagertührung und Kontrolle

Pu!verhersteller kontaktieren

Reduzierung der

..

r-_ T_~ Zeigt der l ackfilm kleine Nadelstiche ?

.

Ist die Lackschichtdicke l U hoch, l .B. > 100 11m ?

$chichtdicke durch

geeigneteMaßnahmen (Reduz ierung der

Kreuzgange, des Pulverausstosses, Erhöhung der Transportgeschwindigkeit

r--'T-'~ MÖQliche Ausgasung des Substrates uberprüfen

Ausheizen des Substrates oder Verwendung von speziellen Anli-Gasing-Pulvem

l":~C.C,c,~=g"C"CgJ

Anlage, und Filter auf Feuchtigkeit überprüfen

erreicht?

Austausch oder Einbringen von zusatzlichen Filtern

.

I cc-----:T----:c-cl

T_~ Wurde der korrekte Glanzbereich

-

...

Pulverhersteller kontakti eren

Pulver auf Feuchtigkeit öcerpeöten 11_SICIl das p......" mrt <SeI Hand ZU&ammen~ undfüh~ oi

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