Beschichtung hochwertiger Karosserieoberflächen mit Pulver-Slurry

Abstract

Die Beschichtung von Karosserieaußenflächen erfolgt heute vorwiegend durch elektrostatisch unterstützte Hochrotationszerstäuber (ESTA-HR) an Lackierautomaten, die zunehmend durch Lackierroboter ersetzt werden. Dieser technologische Wandel basiert auf den Qualitäts- und Kostenvorteilen, die sich beim Einsatz der Roboter ergeben. So kann beispielsweise durch die höhere Flexibilität der Bewegung die Zahl der erforderlichen Zerstäuber pro Lackierzone deutlich reduziert werden. Um dennoch die geforderten Taktzeiten zu erreichen, werden aber immer höhere Durchflussmengen mit den Hochrotationszerstäubern verarbeitet, wodurch die bisherigen Zerstäubersysteme zunehmend an Verarbeitungsgrenzen stoßen. Neben der Ausbildung eines homogenen Strömungsfeldes hinsichtlich Schichtdickenverteilung und Strahlstabilität sowie der Reduzierung der Eigenverschmutzung des Zerstäubers ist vor allem die erzielbare Zerstäubungsfeinheit bei Steigerung des Lackvolumenstromes eine Fragestellung zukünftiger Weiterentwicklungen. Hinzu kommt der Einsatz neuer und umweltfreundlicherer Lacksysteme, die die Prozessfenster zusätzlich einschränken und so zu erhöhten Anforderungen an die Anlagen- und Applikationstechnik führen. Das Klarlackmaterial Pulver-Slurry, ein in Wasser dispergierter Pulverlack, repräsentiert solch ein völlig neues Materialkonzept, das mit der bisherigen Applikationstechnik verarbeitet wird. Die Weiterentwicklung und Optimierung von Hochrotationszerstäubern an diese Rahmenbedingungen erfordert jedoch das grundlegende Verständnis der ablaufenden physikalischen Vorgänge. Ziel dieser Arbeit ist es daher, durch systematische Untersuchungen die Grundlagen für dieses Verständnis zu schaffen. In der hier vorliegenden Arbeit wird das rheologische Verhalten von Lackmaterialen unter den im Lackierprozess vorliegenden Randbedingungen untersucht und vorgestellt. Hierfür wird der Lackierprozess systematisch in Teilprozesse zerlegt, um die physikalischen Randbedingungen zu definieren. Durch die Bestimmung der auf das Material einwirkenden Kräfte kann das Fließverhalten der Lacke bestimmt werden. Beginnend mit der Filmströmung auf dem Glockenteller werden so die aufeinanderfolgenden Prozessschritte bis hin zum Filmverlauf auf dem Substrat charakterisiert. Mit den entwickelten Versuchs- und Messanordnungen können die aufgestellten Modelle und durchgeführten Berechnungen verifiziert werden. Dabei zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen theoretischer Betrachtung und Versuch. So können die rheologischen Eigenschaften von Pulver-Slurry für jeden Abschnitt des Gesamtprozesses dargestellt werden. Durch gleichzeitige Betrachtung eines Metallic-Wasserbasislackes und Wasser wird das Spektrum der zu bewertenden rheologischen Eigenschaften erweitert, und die Methodik an weiteren Fluiden verifiziert. Mit den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen ist der Zusammenhang zwischen den grundlegenden viskoelastischen Eigenschaften und dem Zerstäubungsverhalten bzw. dem Applikationsergebnis hergestellt. Zudem wird wichtiges Grundlagenwissen zu den Teilschritten der Lackapplikation bereitgestellt, das nun als Eingangsdaten für Simulationsrechnungen eingesetzt werden kann, und zudem die technischen Anforderungen an zukünftige Zerstäubergenerationen liefert.

With the increasing paint flow rates enabled by the use of painting robots and new paint systems, necessary optimizations of the painting process can only be achieved by gaining basic knowledge on the individual process steps. Also, the description of the process steps within definite physical models is a significant request for universally valid computer simulations. Moreover, present empirical investigations often cannot be transferred to different paint systems, since the process parameters are directly coupled to the coating result without taking into consideration the physical interrelations of the individual process steps. The present work presents the rheological behaviour of the clear-coat system "powder-slurry" during the separate process steps of the paint application by high-speed rotary bell atomizers. First step to reach this goal was to take the coating process apart into its basic sub-processes. Experimental and theoretical investigations allowed for to determine the flow conditions in the individual sub-processes. The derived strain of the paint finally led to the rheological properties of the materials considered. These properties play a decisive role in the entire process and determine the coating result. In addition to powder-slurry, also plain water and a water-based metallic paint were examined to verify the results obtained. From a rheological point of view the atomization process with the occuring high shear rates has been shown to be the decisive event in the application process. Irrespective of the shear stress before atomization, the further behaviour of the materials is determined by the shear stress in this significant process step. To get sufficient knowledge on the dynamic viscosity on the atomizer disc it has been necessary to determine the film thickness as well as the corresponding film velocity. A relationship for the film flow of Newtonian fluids on rotating discs was used and extended for shear-thinning materials to calculate these quantities. The theoretical results show that the viscosity drops to very low values at the bell edge due to the high shear rates. The shear rates by far exceeded those used in quality assurance which did not show any indication for the expected result of the atomization. A measuring setup for the film flow has been developed that allowed for the verification of the described calculations under process conditions. The results obtained correspond to the calculation results within the measuring accuracy. This setup also made it possible to analyse critical states, for example, at the onset of the application or for the application at a low flow rate. Within the scope of the present work it was possible to represent the rheological properties of powder-slurry at each step of the application process up to the paint film levelling. By at the same time taking into consideration, a water-based metallic paint extended the spectrum of the relevant rheological properties and allowed for a verification of the methods with a second paint system. Important basic knowledge on processing paints by high-speed rotary atomizers could be acquired through the obtained results. This specific knowledge is needed on the one hand to improve computer simulations of the coating process by providing detailed input data, and on the other hand to formulate the specifications for the development of atomizers and the appropriate paint systems.