Neue Märkte

Science

Die Kombination einer pistolenlosen Pulverauftragstechnik mit hocheffizienten Infrarotstrahlern ermöglicht die schnelle lösemittelfreie Pulverbeschichtung von Blech.

27. August 2010

Die Pulverbeschichtung von Coils und Platinen vereinigt die materialspezifischen Stärken der lösemittelfreien und qualitativ hochwertigen Pulverbeschichtung mit den verfahrenstechnischen Vorteilen der Beschichtung vor dem Umformen (Precoating). Bisher liegt der Anteil der mit Pulverlack vorbeschichteten Coils und Platinen in Europa allerdings bei weniger als fünf Prozent der gesamten Precoating-Tonnage an Stahl- und Aluminiumblech. Der größte Teil wird mit Flüssiglacken in Bandbeschichtungsanlagen bei Durchlaufgeschwindigkeiten bis über 200 m/min per Walzlackieren beschichtet. Die hohe Produktivität dieser schnellen Anlagen können aktuelle Pulverlack-Precoating-Anlagen mit ihren maximal etwa 20 m/min nicht bieten.

Ursache der Geschwindigkeitsbegrenzung sind zwei wesentliche technische Hürden: Zum einen wird der Pulverlack mittels Luft auf das Substrat gesprüht. Dazu müssen – trotz zusätzlicher elektrostatischer Anziehung – so große Mengen Pulver versprüht werden, dass bei mehr als 20 m/min Durchlaufgeschwindigkeit eine nicht mehr beherrschbar hohe Anzahl Sprühorgane nötig wäre. Gleichzeitig führte die großen Menge des auftretenden vagabundierenden Pulverstaubs zu unrealistisch großvolumigen Absauganlagen. Zum anderen liegen die Einbrennzeiten der heute angebotenen Pulverlacke im Bereich mehrerer Minuten, sodass bei höheren Durchlaufgeschwindigkeiten zu lange Einbrennzonen erforderlich wären.

Vor diesem Hintergrund entwickelte das Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb an der Universität Stuttgart (IFF) zusammen mit dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF) und dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz mit Unterstützung des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) eine Pulverbeschichtungstechnik für Coils und Platinen, die ähnlich hohe Durchlaufgeschwindigkeiten wie bei der Flüssiglack-Bandbeschichtung sowie komplexe dreidimensionale Umformprozesse erlaubt.

Neue Märkte für vorbeschichtetes Blech

Im Fokus der innovativen Precoating-Technik stehen neue Märkte für vorbeschichtetes Blech, etwa im Automobil- und Maschinenbaubereich sowie in der Bau-, Möbel- und Verpackungsbranche. Die am IPF entwickelten hochumformstabilen Pulverlacksysteme eröffnen in Verbindung mit den am Fraunhofer IWU entwickelten substratoberflächenschonenden Umformtechniken neue Wege zur wirtschaftlichen Herstellung form- und maßgenauer komplexer Bauteile aus pulverbeschichtetem Aluminium- oder Stahlblech. Der mögliche Komplexitätsgrad liegt weit über dem der bisher aus pulverbeschichtetem Blech formbaren einfachen Teile.

Wesentliche Entwicklungsziele hinsichtlich deutlicher Kosten- und Qualitätsvorteile gegenüber der klassischen Stückgut-Pulverbeschichtung nach dem Umformen (Postcoating) waren ein geringerer Platz- und Energiebedarf der Precoating-Anlage sowie ein geringerer Pulvermaterialverbrauch. Dazu wurde die am IFF gemeinsam mit dem IPA entwickelte, auf dem elektrostatischen Fluidisierbettverfahren basierende pistolenlose ›Transapp‹-Pulverauftragstechnik um neue anlagen- und verfahrenstechnische Komponenten erweitert. Insbesondere eine innovative gepulste Hochspannungstechnik führt zu sehr gleichmäßigen Schichtdicken und dadurch zu erheblichen Pulverlackeinsparungen. Das Transapp-Beschichtungsmodul benötigt nur einen Bruchteil des Platzes sowie weniger als ein Drittel der Druckluft und der Absaugleistung einer vergleichbaren konventionellen Pulverbeschichtungsanlage. Gründe sind die nicht erforderlichen Sprühpistolen und die dadurch nahezu verlustfreie Pulverapplikation sowie die extrem kurzen Beschichtungszeiten.

Sekunden statt Minuten

Kompakte Anlagendimensionen erfordern zudem kurze Einbrennzeiten der Pulverschicht weit unterhalb der heute üblichen mehreren Minuten. Hierzu verwendet das Stuttgarter Forscherteam energetisch hocheffiziente kurz- und mittelwellige, elektrisch oder gasbetriebene Infrarotstrahler. Voraussetzung waren Lackrezeptur-Entwicklungen der Polymerforscher am IPF, die auch bei kritischen Farbtönen und Glanzgradwerten hochqualitative Beschichtungen bei gleichzeitig extrem kurzen Einbrennzeiten bis in den Bereich weniger Sekunden erlauben. Bei den Versuchen am IWU zeigte das neue Pulverlacksystem auch bei komplexen mehrachsigen Umformprozessen keinen Haftungsverlust und kaum sichtbare Veränderungen des Pulverlackfilms, zum Beispiel hinsichtlich Glanzverlust und Mikrorissbildung. Marktübliche Pulverlacke zeigen hier oft deutliche Schwächen, insbesondere nach längerer Lagerung der pulverbeschichteten Platinen.

Die Stuttgarter Forscher entwickelten verschiedene Konzepte zur Umsetzung der neuen Precoating-Technik. Für kleine und mittelständische Unternehmen interessant sind kompakte Anlagen zur Pulverbeschichtung von Blechzuschnitten in kleinen Losen. Attraktiv ist hier die hohe Flexibilität hinsichtlich wechselnder Platinengrößen und Pulverlackmaterialien.

Als Alternative zu konventionellen Flüssiglack-Bandbeschichtungsanlagen wird ein Konzept vorgestellt, bei dem Blechbänder mit über 100 m/min pulverbeschichtet werden können. Bestimmend für die Anlagendimension sind hier die Länge der Vorbehandlungsanlage sowie der IR-Bestrahlungs-, Nachvernetzungs- und Kühlzone. Ein wesentlicher verfahrenstechnischer Vorteil des Pulver-Coilbeschichtungsanlagenkonzepts gegenüber konventionellen Flüssiglack-Bandbeschichtungsanlagen liegt auch hier im schnelleren Materialwechsel. Aufgrund der extrem kompakten Bauweise des pistolenlosen Pulverbeschichtungsmoduls können die Beschichtungseinheiten entsprechend dem Produktionsprogramm innerhalb weniger Minuten ausgetauscht werden.

Dr. Michaela Gedan-Smolka, IPFUlrich Strohbeck, IFFMatthias Demmler, IWU

Hintergrund

Das Vorhaben der Entwicklung einer hocheffizienten Pulver-Precoating-Technik wurde aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen ›Otto von Guericke‹ e.V. (AiF) im Rahmen des Zutech-Programms gefördert (AiF-Vorhaben 271 ZBG) und von 15 meist mittelständischen Industrieunternehmen unterstützt, die das gesamte betroffene Branchenspektrum von der Lack-, Hilfsstoff- und Blechsubstratherstellung über die Beschichtungs- und Umformtechnik bis zu den Endanwendern repräsentieren. Der ausführliche Abschlussbericht kann über die Deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung e.V. (DFO), Eurocenter Neuss, Europadamm 4, 41460 Neuss oder kausch@dfo-online.de bezogen werden.

Erschienen in Ausgabe: 04/2010