"Alles unter Kontrolle" - Reproduzierbar lackieren José Gamero

SCHWERPUNKT: PROZESSKONTROLLE<br />

mo<br />

<strong>Alles</strong> <strong>unter</strong> Kontrolle<br />

<strong>Reproduzierbar</strong> <strong>lackieren</strong><br />

José <strong>Gamero</strong>, Rodgau<br />

Beim Einführen neuer Farbtöne oder Lacksysteme ist die kurzfristige<br />

Optimierung der Lackierparameter problematisch. Aus diesem<br />

Grund erfolgt die reproduzierbare Parameterermittlung nicht<br />

an den eigentlichen Produktions-, sondern in Technikumsanlagen.<br />

Bild 1. Darstellung des Sprühbilds eines Hochrotationszerstäubers<br />

mittels Lasertechnik<br />

Nicht nur die Umsetzung der VOC-<br />

Richtlinien, sondern auch die gestiegenen<br />

Anforderungen an die Qualität und den<br />

Preis der lackierten Werkstücke haben<br />

dazu geführt, dass die Ansprüche an<br />

Lackieranlagen immer komplexer und<br />

umfangreicher geworden sind. Das hat<br />

einen kontinuierlichen Erneuerungs- und<br />

Optimierungsprozess in der Automobilund<br />

Zulieferbranche bewirkt, dessen<br />

Ende noch nicht absehbar ist.<br />

<strong>Reproduzierbar</strong>er<br />

Lackierprozess<br />

Insbesondere in der Automobilzulieferindustrie<br />

findet sich die gesamte Vielfalt<br />

an Lackierverfahren und Lacksystemen.<br />

In dieser Branche werden neue Applikationstechniken<br />

und Lacksysteme meist<br />

zuerst eingesetzt [1]. Das übergeordnete<br />

Ziel heißt: eine reproduzierbar hohe<br />

Lackierqualität <strong>unter</strong> flexibler Prozessführung<br />

und kostenminimierenden Aspekten.<br />

Die hierzu erforderliche Prozesssicherheit<br />

lässt sich nur über eine automatisierte,<br />

maschinelle Applikationstechnik<br />

erreichen.<br />

Die Tendenz zur Farbenvielfalt im<br />

Decklackbereich zusammen mit neuen<br />

Materialkonzepten und die damit verbundenen<br />

hohen Farbwechselfrequenzen implizieren<br />

fehlerfreie Verfahrensabläufe<br />

von der verlustarmen Farbversorgung,<br />

mit beispielsweise molchbaren Farbwechselsystemen<br />

[2], über schnelle Farbwechsel<br />

bis hin zu einer effizienten Applikationstechnik.<br />

Diese modernen Anlagenkonzepte verfügen<br />

über eine ganzheitliche Prozessüberwachungstechnik,<br />

die eine statistische<br />

Beurteilung der Effiktivität und<br />

einer Abweichung der eingestellten<br />

Parameter erlaubt. Ein möglicher Defekt<br />

der Anlage oder Parameterschwankungen<br />

sind detektierbar, eine schnelle Korrektur<br />

durch den Anlagenführer möglich.<br />

Beim Einführen neuer Farbtöne oder<br />

Lacktypen ist eine kurzfristige Optimierung<br />

nicht immer möglich. Kritisch ist<br />

erfahrungsgemäß die Einstellung der<br />

Lackierparameter. Die Parametrierung<br />

der Applikation ist eine zentrale Aufgabenstellung<br />

mit direktem Einfluss auf die<br />

Qualitätsparameter Farbton, Verlauf,<br />

Schichtdicke, Glanz und Metallic-Effekte.<br />

Daher erfolgt die Parameterermittlung für<br />

neue Lacksysteme in den Technikumsanlagen<br />

der Lackhersteller (Bild 1). Die optimierten<br />

Werte werden anschließend auf<br />

die Produktionsanlage übertragen.<br />

Einflussgrößen beim Lackieren<br />

Die Darstellung <strong>unter</strong>schiedlicher Parameter,<br />

die auf die Lackierqualität einen<br />

Einfluss ausüben, soll im Folgenden auf<br />

einige dominante Größen beschränkt bleiben.<br />

Weitere Arbeiten, die den Parametereinfluss<br />

auf die Lackierqualität behandeln,<br />

sind im Literaturverzeichnis [3,<br />

4] angegeben. In Bild 2 ist eine Vielzahl<br />

von Parametern mit direktem oder indirektem<br />

Einfluss dargestellt. Einige lassen<br />

sich nicht oder nur begrenzt direkt im<br />

Applikationsbereich ändern. Die Wechselwirkungen<br />

der Parameter im Verbund<br />

sind sehr komplex und als eine vernetzte<br />

Struktur charakterisiert (Bild 3) [5].<br />

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SCHWERPUNKT: PROZESSKONTROLLE<br />

Zerstäuber<br />

• Lackmenge<br />

• Glockendrehzahl/Zerstäubung<br />

•<br />

• äuberluft<br />

• Hochspannung<br />

Lack<br />

• Lacktemperatur<br />

• ät<br />

• Lackrezeptur<br />

• Lacksystem<br />

Bild 2. Es gibt viele<br />

Einflussgrößen, die sich auf das<br />

Lackierergebnis auswirken<br />

• Glockengeometrie<br />

• äuberfabrikat<br />

• Bewegungsgeometrie<br />

Grenzflächenspannung hat die Drehzahl<br />

maßgeblichen Einfluss auf die Zerstäubungsqualität.<br />

Bild 4 zeigt die verschiedenen<br />

Zerstäubungsmodi, die sich einstellen<br />

können, wenn die Drehzahl bei konstanter<br />

Lackmenge verändert wird.<br />

Bei niedriger Drehzahl stellt sich das<br />

Abtropfen (a) ein. Wenn die Drehzahl<br />

steigt, wird der Strahl- oder Fadenzerfall<br />

(b) erreicht. Eine weitere Erhöhung der<br />

Drehzahl führt in den laminaren Lamellenzerfall<br />

mit Randkontraktion (c), um<br />

schließlich nach einer weiteren Steige-<br />

Lackierergebnis<br />

Sonstige<br />

Kabine<br />

• Lufttemperatur/Luftfeuchte<br />

• Luftströmung/Luftsinkgeschwindigkeit<br />

• ä<br />

• ücktemperatur<br />

• Flash-off-Zeit<br />

• Ofentemperatur<br />

Diese Komplexität erfordert eine<br />

genaue Kenntnis der physikalischen Zusammenhänge,<br />

um eine qualitative und<br />

quantitative Beschreibung ermöglichen<br />

zu können. Ein einseitiges Erhöhen der<br />

Lackmenge beispielsweise bewirkt zwar<br />

eine größere Schichtdicke, es ergeben<br />

sich jedoch weitere Sekundäreffekte, die<br />

nicht berücksichtigt werden oder nicht<br />

gewollt sind.<br />

Primäre Lackierparameter<br />

Das Variieren der Lackmenge hat bei<br />

sonst konstanten Parametern einen direkten<br />

Einfluss auf die Tropfengröße und<br />

–verteilung. Außerdem beeinflusst die<br />

Lackmenge das Verdunstungsverhalten<br />

der Tropfen im Flug und den Lösemittelrestgehalt<br />

des Lacks. Dadurch ändern<br />

sich die Viskosität und der Verlauf des<br />

Lacks auf der Substratoberfläche. Unerwünschte<br />

Veränderungen der Oberflächenoptik<br />

können das Resultat sein.<br />

Ähnliche qualitative Einbußen erfährt<br />

das Lackierergebnis, wenn andere primäre<br />

Lackierparameter modifiziert werden.<br />

Zu den Primärparametern, die der Anlagenbediener<br />

direkt beeinflussen kann,<br />

zählen Lackmenge, Drehzahl, Lenkluft,<br />

Hochspannung und die Kabinenbedingungen<br />

wie relative Feuchte, Temperatur,<br />

Luftströmung sowie Luftsinkgeschwindigkeit.<br />

Nachfolgend wird der Einfluss<br />

auf das Lackierergebnis auf Grund der<br />

Variation eines Primärparameters am<br />

Beispiel der Drehzahl und der Lenkluft<br />

exemplarisch und qualitativ erläutert.<br />

Tropfenspektrum variieren<br />

Die Glockendrehzahl hat einen großen<br />

Einfluss auf die Zerstäubungsgüte. Über<br />

die Drehzahl lässt sich das Tropfenspektrum<br />

steuern. Die Umfangsgeschwindigkeit<br />

nimmt mit steigender Drehzahl zu,<br />

während die mittlere Tropfengröße bei<br />

sonst konstanten Parametern abnimmt.<br />

Dadurch ändert sich auch das Verdunstungsverhalten.<br />

Beim Verarbeiten von wasserbasierenden<br />

Lacksystemen mit einer hohen<br />

Bild 3. Die Wechselwirkungen der Parameter sind komplex und miteinander vernetzt [5]<br />

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Jahrg. 57 (2003) 6

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SCHWERPUNKT: PROZESSKONTROLLE<br />

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rung in den Modus des turbulenten Lamellenzerfalls<br />

(d) überzugehen. Für die<br />

Lackiertechnik relevant beziehungsweise<br />

notwendig ist der Modus (b), da die Einstellungen<br />

eine reproduzierbare, enge<br />

Tropfengrößenverteilung sicherstellen.<br />

Die anderen drei Modi sind durch stochastische,<br />

breite Tropfenspektren charakterisiert.<br />

Sprühbild formen<br />

Die Lenkluft wird über einen um den<br />

Glockenteller herum befindlichen Düsenkranz<br />

geführt. Sie formt das Sprühbild,<br />

indem sie das radial von der Glockenkante<br />

nach außen strömende Tropfenspray<br />

auf das axial ausgerichtete Werkstück<br />

umlenkt. In Bild 5 ist der Einfluss<br />

der Lenkluft auf die Sprühbildausformung<br />

qualitativ dargestellt.<br />

Mit zunehmender Lenkluftmenge wird<br />

der Sprühstrahldurchmesser verringert<br />

und der Tropfen axial stärker beschleunigt.<br />

Die veränderte Strömung des Sprays<br />

kann dazu führen, dass ein erheblicher<br />

Teil des Sprühstrahls mit der über dem<br />

Substrat radial abströmenden Luftströmung<br />

mitgerissen wird. Das bedingt einen<br />

erhöhten Oversprayanteil und einen<br />

reduzierten Auftragswirkungsgrad.<br />

<strong>Reproduzierbar</strong>e<br />

Lackierergebnisse<br />

Das Ziel sind reproduzierbare Lackierergebnisse<br />

mit geringer beziehungsweise<br />

ohne Fehlerquote. Obwohl der erhöhte<br />

Automatisierungsgrad ein wesentlicher<br />

Schritt zur Erfüllung dieser Kriterien ist,<br />

gibt es verschiedene Gründe, die das<br />

Erreichen dieser Ziele erschweren. Ein<br />

Grund kann der Einsatz neu entwickelter<br />

wasserbasierender Lackmaterialien sein.<br />

Diese erfordern in der Regel ein wesentlich<br />

kleineres Applikationsfenster.<br />

Das genaue Einhalten der Lackierparameter<br />

bedingt eine vollständige Prozessüberwachung,<br />

um auftretende Abweichungen<br />

schnellstmöglich zu identifizieren<br />

und zu beheben. Besonders das Verarbeiten<br />

von wasserbasierenden Lacksystemen<br />

hat zu solchen Maßnahmen geführt,<br />

da diese gegenüber den konventionellen,<br />

lösemittelbasierenden Lacksystemen<br />

„empfindlicher“ auf Parameterschwankungen<br />

reagieren.<br />

Die Notwendigkeit einer hohen <strong>Reproduzierbar</strong>keit<br />

tritt aber nicht nur bei<br />

den Lackierereien auf, sondern in erhöhtem<br />

Maße auch beim Lackhersteller, der<br />

beispielsweise einen kontinuierlichen<br />

Nachweis über die Einhaltung der Farbtöne<br />

erbringen muss. Die Vielfalt der<br />

Bild 4. Die Drehzahl des<br />

Rotationszerstäubers hat maßgeblichen<br />

Einfluss auf die<br />

Zerstäubungsqualität<br />

Lacksysteme, Farbtöne sowie der Applikationsparameter<br />

und deren Einfluss auf<br />

das Lackierergebnis erfordern eine hohe<br />

technische Ausstattung der Technika von<br />

Lackherstellern.<br />

Die heutigen Technikumsanlagen müssen<br />

technisch so ausgerüstet sein, dass<br />

sie neben ihren „klassischen“ Aufgabenstellungen<br />

wie dem Erstellen von Farbtontafeln<br />

und dem Überprüfen von Chargen<br />

beispielsweise auch die Linienbedingungen<br />

der einzelnen Kundenwerke<br />

nachstellen und zur Fehlerbehebung beitragen<br />

können.<br />

Auf Grund der Variabilität von Lackieranlagen<br />

ist das keine leichte Aufgabe.<br />

Besonders bei der Neuentwicklung von<br />

Farben ist eine Sicherstellung der <strong>Reproduzierbar</strong>keit<br />

der Parameter notwendig,<br />

um die Applikationsergebnisse richtig interpretieren<br />

und zuweisen zu können.<br />

integrierte Softwarelösungen für den Betreiber von Lackieranlagen<br />

DE software &<br />

control GmbH<br />

Mengkofener Str. 21<br />

D-84130 Dingolfing<br />

Arbeitsvorbereitung<br />

Auftragssteuerung<br />

Produktdokumentation<br />

Anlagensteuerung<br />

Anlagendokumentation<br />

Analyse und Statistik<br />

Info-Center<br />

Materialflusssteuerung<br />

Lagerverwaltung<br />

Qualitätsdatenerfassung<br />

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Fertigungssteuerung für Lackieranlagen<br />

www.de-gmbh.com - www.MachineAtWeb.com - eMail: de@de-gmbh.com<br />

Tel +49 (0)8731 3797 0 - Fax +49 (0)8731 3797 29<br />

Jahrg. 57 (2003) 6 49

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SCHWERPUNKT: PROZESSKONTROLLE<br />

Bild 5. Einfluss der Lenkluft<br />

auf die<br />

Sprühstrahlformung<br />

Die Vorteile eines solchen Maschinenkonzepts<br />

können jedoch nur dann effektiv<br />

genutzt werden, wenn die Einflussgrößen,<br />

wie Strömungsverhältnisse, Temperatur<br />

und relative Luftfeuchte, über ein<br />

integriertes Kabinenkonzept kontrolliert<br />

und geregelt werden. Eine Bedingung, die<br />

häufig <strong>unter</strong>schätzt wird, aber für die geforderte<br />

Zielsetzung notwendig ist.<br />

Fazit<br />

Dieser Umstand und die umfangreichen<br />

Testreihen, die erforderlich sind, haben<br />

zur Entwicklung der „LabPainter QC301“<br />

(Bild 6) von LacTec geführt.<br />

Mobiles Prüfsystem<br />

Der LabPainter ist ein mobiles, kompaktes<br />

Prüfsystem, das sich aus verschiedenen<br />

Einheiten zusammensetzt. Zentraler<br />

Bereich der Anlage, sowohl räumlich wie<br />

auch technisch, ist die Zerstäubertechnik.<br />

Die Applikationstechnik verfügt über<br />

einen elektrostatisch <strong>unter</strong>stützten Hochrotationszerstäuber<br />

und zwei konventionelle<br />

Pistolen. Über eine Schnellwechselplatte<br />

sind die Zerstäuber aller herkömmlichen<br />

Fabrikate montierbar. Durch diesen<br />

flexiblen Aufbau lässt sich der Farbton<br />

der Linienanwendungen<br />

nachbilden.<br />

Das Maschinenkonzept ermöglicht<br />

es dem Betreiber bei<br />

Einhaltung aller sicherheitstechnischen<br />

(EX-Zone 1, isolierter<br />

Aufbau) und funktionalen<br />

Anforderungen, mit minimalen<br />

Platzverhältnissen auszukommen.<br />

Die erforderliche Kabinengröße<br />

beträgt 2100 x 2500 x<br />

2400 mm 3 . Die Kosten für die<br />

notwendige Konditionierung<br />

der Kabinenluft lassen sich<br />

dadurch deutlich verringern.<br />

Durch eine gegenläufige Bewegung<br />

zwischen dem Applikationsorgan<br />

und dem Substrat<br />

reduziert sich zum einen die<br />

Bauhöhe, und zum anderen<br />

lässt sich der Zerstäuber langsam<br />

verfahren. Dies trägt zu<br />

einem stabilen Sprühbild bei<br />

und minimiert mögliche Störungen, die<br />

aus starken Beschleunigungen resultieren<br />

würden.<br />

Das Sprühbild bildet die parametrierten<br />

Einstellungen exakt nach. Das erhöht<br />

die <strong>Reproduzierbar</strong>keit. Der integrierte<br />

Matrix-Farbwechsler erlaubt einen automatischen,<br />

schnellen Farbwechsel mit<br />

minimierten Lackverlusten.<br />

Über die Steuerung lassen sich die<br />

Lackierprogramme und Parametereinstellungen<br />

definieren und programmieren.<br />

Darüber hinaus sind Prüfvorschriften wie<br />

Keilfunktion, Farbtontafeln oder Fingerprints<br />

möglich. Die Steuerung der Anlage<br />

erlaubt neben der Kontrolle und Überwachung<br />

der Funktionseinstellungen Dokumentationsauszüge<br />

in Papierform mit Etikettenausdruck.<br />

Bild 6. Das flexible Maschinenkonzept LabPainter QC301<br />

Auf Grund der rasanten Entwicklung von<br />

neuen Lacksystemen und Applikationstechniken<br />

ist die <strong>Reproduzierbar</strong>keit der<br />

Lackierparameter für die Lackhersteller<br />

von großer Bedeutung. Kleinste Parameterschwankungen<br />

können die Lackierergebnisse<br />

so beeinflussen, dass eine objektive<br />

Beurteilung der Lackformulierung<br />

nicht mehr möglich ist. Eine Sicherstellung<br />

der Parametrierung ist für den<br />

Lackhersteller unabdingbar geworden.<br />

Kontakt<br />

LacTec GmbH<br />

63110 Rodgau<br />

Tel. 0 61 06 / 84 47-0<br />

Fax 0 61 06 / 84 47-51<br />

E-Mail: jose.gamero@lactec.com<br />

www.lactec.de<br />

Der Autor dieses Beitrags<br />

Dr. José <strong>Gamero</strong>, Jahrgang 1964, studierte<br />

in Essen Maschinenbau mit dem Schwerpunkt<br />

Energie- und Verfahrenstechnik. Er<br />

promovierte an der TU Bergakademie<br />

Freiburg am Institut für Fluidmechanik.<br />

Heute ist er bei LacTec für den Bereich<br />

Schulung und Marketing zuständig.<br />

Literatur<br />

[1] J. <strong>Gamero</strong>: Standards schaffen, Offline-<br />

Lackierung von Kunststoffteilen, mo 56<br />

(2002) 4<br />

[2] J. <strong>Gamero</strong>: Neues Farbwechselkonzept für<br />

Lackierroboter, JOT, 07/2002<br />

[3] J. Domnick: Bewertung von Applikationstechniken<br />

<strong>unter</strong> dem Gesichtspunkt neuer<br />

Automatisierungskonzepte, DFO Automobiltagung,<br />

Dresden 2001<br />

[4] T. Scholz: Experimentelle Untersuchungen<br />

zur Mehrphasenströmung im Sprühkegel<br />

eines elektrostatisch <strong>unter</strong>stützten Hochrotationszerstäubers,<br />

VDI Verlag, 1998<br />

[5] O. Leisin: Gut-besser-optimal, JOT, 09/2002<br />

50<br />

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