Schnelle Pulverbeschichtung für Pulverlack-Precoatingprozesse

Im Rahmen eines europäischen Forschungsvorhabens der AIF e.V. CORNET (Collective Research Networking, Laufzeit bis Ende 2017) wird das elektrostatische Fluidisierbett für den Einsatz in einem Demonstrator beim Kooperationspartner CRM im belgischen Lüttich für Coilbreiten bis zu 250 mm gerüstet. Produktionsähnliche Versuche bei CRM mit Metall-substraten bei einer Substratdicke von ca. 1 mm sind ab Herbst dieses Jahres geplant. Die Weiterentwicklungen des elektrostatischen Fluidisierbetts für diesen Einsatzzweck betreffen insbesondere folgende Punkte:

• Optimierungen der Hochspannungstechnik hinsichtlich des produktionsähnlichen Betriebs unter Erhalt der Flexibilität hinsichtlich der individuellen, kundenspezifischen Gestaltung durch Vermeidung des Eingießens hochspannungsführender Komponenten in hochspannungsfeste Harze.
• Homogenisierung der Strömungsverhältnisse im Fluidisierbett durch angepasste Auslegung der strömungstechnischen Parameter, beispielsweise der Differenzdrücke, wodurch die für die hochspannungstechnischen Komponenten kritische Vibration des Fluidisierbetts entfällt und trotzdem eine gute Fluidisierung des Pulverlackmaterials erreicht wird.
• Vermeidung von Zündgefahren durch Reduzierung der Zündimpulsladung auf 200 nC, wodurch kostspielige sicherheitstechnische Maßnahmen entfallen können.
• Verbesserung der Schichtdickenhomogenität und der optischen Verlaufsqualität (z.B. Vermeidung von Rücksprühern) insbesondere an der Kante, u.a. durch entsprechende Strombegrenzung an jeder Einzelelektrode.

Nach der kompakt gestalteten Applikationstechnik, die derzeit bei CRM in die bestehende Coilcoating-Anlage mit Pulver-Zudosierung, Füllstandsregelung, lüftungstechnischen Anlagen, Pulver-Filterung und mit optionaler Rückgewinnung integriert wird, ist dort die schnelle Temperaturbehandlung mittels mittelwelliger elektrischer Keramikstrahler geplant.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten am Fraunhofer IPA zeigen, dass sich das Aufschmelzen und Vernetzen von Pulverlackschichten bei geringeren Strahlertemperaturen, wie das bei Verwendung der mittelwelligen Keramikstrahlern der Fall ist, günstig auf die Beschichtungsqualität auswirkt. Durch Wärmeisolierung kann dabei die benötigte Strahlertemperatur des geregelten Strahlers auf unter 700 °C abgesenkt und die Energieeffizienz erheblich verbessert werden. Reflexionserscheinungen bei der Temperaturbehandlung heller Farbtöne sind bei mittelwelligen Strahlertypen im Vergleich zu kurzwelligen Strahlern wesentlich unkritischer, da das Spektrum vom sichtbaren Licht weiter entfernt ist. Beim Einsatz von mittelwelligem Infrarot kann bei den bisher untersuchten Lacksystemen auf Infrarot-Additive im Pulverlack zur Verbesserung der Absorption von IR-Strahlung verzichtet werden. Dies zeigen Versuche mit einem Polyuretdion-basierten, hochreaktiven Niedertemperaturpulver des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden IPF, das speziell für die hohen Anforderungen an die Umformbarkeit im Zusammenhang mit den Precoatingprozessen entwickelt wurde. Obwohl bei den Pulverlack-Precoatingprozessen eine Kühlzone vor dem Wiederaufwickeln des Coils nach der Temperaturbehandlung erforderlich ist, um ein Verkleben des Coils zu vermeiden, so dass keine Restwärme am aufgewärmten Substrat für die Nachvernetzung der Pulverlackschicht mehr genutzt werden kann, liegt die Temperaturbehandlungsdauer bei nur ca. 20 sec.

Die hinsichtlich des Precoatingprozesses kritischste Zielgröße beim pulverbeschichteten Aluminiumsubstrat ist die Umformbarkeit. Im Technikumsmaßstab wird diese am Fraunhofer IPA durch die Kugelschlagprüfung (Inchpound-Test) bei einer Schlagbelastung von 160 inch pound getestet und am Fraunhofer IWU mit „echten“ Umformtests verifiziert.

Neue Option für kundenspezifische Entwicklungen

Bei steigender Strahlertemperatur und damit steigender Leistungsdichte wird zwar die Temperaturbehandlungsdauer geringer, das Einbrennfenster dabei aber gleichzeitig immer kleiner. Dies führt so weit, dass bei sehr hohen Strahlertemperaturen und / oder dem Einsatz von IR-Additiven kein Einbrennfenster mehr existiert. Ursache dafür ist, dass die Oberfläche der Pulverlackschicht nach der Temperaturbehandlung bereits thermisch geschädigt, aber dabei der Untergrund nicht bzw. noch nicht ausreichend chemisch vernetzt ist. Dies zeigt sich dann entweder bereits beim Kugelschlagtest oder später bei den produktionsähnlichen Umformtests. Bezüglich der Testmöglichkeiten bestehen jetzt neue Optionen: Das kürzlich eröffnete, neue Technikum der TransApp Technologies GmbH, einem Spin-off der Längle Group im österreichischen Vorarlberg, erlaubt es, weitere kundenspezifische Entwicklungsarbeiten für individuelle Kundenanforderungen durchzuführen. Dort kann mit einer Linearschiene von ca. 7 m Länge und einer max. Werkstück-Traglast von 30 kg eine Werkstück-Fördergeschwindigkeit von bis zu 2 m/sec realisiert werden. Der Sprühabstand wird durch Heben oder Senken des Fluidisierbettaufbaus variiert. Bis zu 2 m lange und 0,4 m breite Substrate können als Stückgut über die Beschichtungseinheit gefördert werden. Hohe Feldstärken bei bis zu 100 kV Hochspannung sorgen für hohe Pulver-Abscheideraten pro Zeiteinheit und damit hohe mögliche Prozessgeschwindigkeiten.

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, Dr. Michael Hilt, Tel. +49 711 970 3820, Michael.Hilt@ipa.fraunhofer.de, Markus Cudazzo, Tel. +49 711 970 1761, Markus.Cudazzo@ipa.fraunhofer.de, www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung; TransApp Technologies GmbH, A-Klaus, Matthias Burtscher, Tel. +43 5523 5966, Matthias.Burtscher@laengle.com, www.laengle.com