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Pulverbeschichten
Pulverbeschichten
Das Pulverbeschichten oder die Pulverlackierung ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem ein elektrisch leitf?higer Werkstoff mit Pulverlack beschichtet wird. Eine typische Beschichtungsanlage besteht aus Oberfl?chenvorbehandlung (Reinigung und / oder Aufbringen einer Konversionsschicht), Zwischentrocknung, elektrostatischer Beschichtungszone und Trockner. Die Werkstücke werden dabei durch ein F?rdersystem transportiert.
Weltweit wurden im Jahr 2006 etwa 1.100.000 Tonnen Pulverlack zur Beschichtung eingesetzt. In Europa betr?gt der Anteil von Pulverlacken am gesamten Lackmarkt etwa 10 %. Je ein Drittel entf?llt auf Europa und Asien, das verbleibende Drittel verteilt sich zur H?lfte auf Nordamerika und den Rest der Welt.[1]
Typische Untergründe für die Pulverlackierung sind Stahl, verzinkter Stahl und Aluminium. Das Hauptanwendungsgebiet ist die allgemeine Metallbeschichtung mit 35 % Anteil, gefolgt von Haushaltsger?ten (sogenannte Wei?e Ware, 21 %), Fassadenbeschichtungen (20 %), M?bellackierung (13 %) und Automobillackierung (8 %). Heutzutage werden aber auch Automobile wie der Smart oder temperaturempfindliche Substrate wie MDF-Platten pulverbeschichtet.[1]
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Allgemeines [Bearbeiten]
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DIN 55633 |
|---|---|
| Bereich | Korrosionsschutz |
| Titel | Beschichtungsstoffe - Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Pulver-Beschichtungssysteme - Bewertung der Pulver-Beschichtungssysteme und Ausführung der Beschichtung |
| Letzte Ausgabe | 2009-04 |
| ISO | - |
Die zur Pulverbeschichtung verwendeten Pulverlacke bestehen im Allgemeinen aus trockenen, k?rnigen Partikeln, die zwischen 1 und 100 μm gro? sind. Chemisch basieren diese meist auf Epoxid- oder Polyesterharzen. Daneben sind Hybridsysteme verbreitet, die sowohl Epoxid- als auch Polyesterharze als Bindemittel enthalten. Wie sich ein Pulverlack bei der Beschichtung verh?lt, wird haupts?chlich durch seine mechanischen Eigenschaften wie der Partikelgr??e und der Rieself?higkeit bestimmt. In geringerem Ma?e spielt auch die chemische Zusammensetzung des verwendeten Pulverlackes eine Rolle. Je nach Zusammensetzung neigen die Pulverlackpartikel zum Ansintern in der Beschichtungsanlage. Sie sind temperaturempfindlich und beginnen aufzuschmelzen und zu verkleben, wenn die Temperatur 50 °C übersteigt.[2][3]
Zur Pulverbeschichtung existieren mehrere Normen. DIN 55633 bezieht sich auf den Korrosionsschutz und die Bewertung von beschichteten Stahlbauten, eines der Hauptanwendungsgebiete der Pulverbeschichtung.[4] EN 15773 bezieht sich auf die Pulverbeschichtung von feuerverzinkten und sherardisierten Gegenst?nden aus Stahl.[5] EN 12981 definiert Sicherheitsanforderungen an Spritzkabinen.[5]
Weiterhin üblich ist auch die Zertifizierung durch Gütegemeinschaften, die sowohl für die beschichtenden Unternehmen als auch für Pulverlacke durchgeführt werden kann. Beschichtende Unternehmen müssen dabei Anforderungen hinsichtlich Fertigungseinrichtung, Laborausstattung, Eigenüberwachung und Qualit?t der erzielten Oberfl?chenvorbehandlung und der fertigen Beschichtung erfüllen. Hersteller von Beschichtungspulvern müssen nachweisen, dass die von ihnen hergestellten Pulver die entsprechenden Anforderungen erfüllen, etwa die Erhaltung der Farbe und des Glanzes des lackierten Objektes bei Auslagerung im Freien über mehrere Jahre.[6][7]
Geschichte [Bearbeiten]
Nach der Entwicklung geeigneter Beschichtungsger?te wurden in den sp?ten 1960er Jahren erste Beschichtungskabinen gebaut. Zun?chst handelte es sich dabei h?ufig um Umbauten klassischer Lackieranlagen, die ursprünglich für die Beschichtung mit Flüssiglack konzipiert waren.[8]
In den frühen 1970er Jahren wurden die heute gebr?uchlichen Pistolentypen entwickelt. Die Entwicklung der Korona-Pistole erm?glichte die Zuführung von Hochspannung innerhalb der Lackierpistole, was ein bis dahin übliches zus?tzliches Hochspannungskabel überflüssig machte. Diese Technologie ist heute die am meisten verbreitete. 1972 wurde die Tribopistole entwickelt, die sich jedoch erst in den sp?ten 1990er Jahren durchsetzen konnte. Erst zu diesem Zeitpunkt wurden Pulverlacke entwickelt, mit denen die dort verwendete Aufladung durch Reibung in vollem Umfang genutzt werden konnte.[8]
1976 wurden Beschichtungskabinen mit Bandfilter vorgestellt, die Farbwechselzeiten von unter 20 Minuten erm?glichten. 1978 wurden Beschichtungskabinen mit abgerundeten Ecken vorgestellt, die leichter zu reinigen waren. Kabinen aus Kunststoff, die die Reinigung durch erschwerte Anhaftung von Pulverpartikeln weiter vereinfachte, wurde 1986 vorgestellt.[8]
Die Flachstrahldüse, die heute bei 80 % der Pulverbeschichtungsanlagen im Einsatz ist, wurde 1985 erfunden und l?ste in der Folge die bis dahin übliche Pralltellerdüse ab. Die sogenannten plattenlosen Düsen, bei denen die Pulverwolke durch Luftdüsen erzeugt wird, wurden kurz danach vorgestellt. Sie konnten sich jedoch nicht in der Industrie durchsetzen. Ebenfalls von geringerer Bedeutung ist die Entwicklung der sogenannten Pulverglocke, einem Rotationszerst?uber für Pulverlacke.[8]
Ab 1990 werden Pulverlackf?rderger?te angeboten, die die F?rderung direkt aus Gebinden erm?glicht. Diese Technologie befindet sich heute in breitem Einsatz.[8]
Vorbehandlung [Bearbeiten]
→ Hauptartikel: Oberfl?chenvorbehandlung
Unter dem Begriff Oberfl?chenvorbehandlung oder Vorbehandlung werden die Schritte zusammengefasst, die vor der Beschichtung mit Pulverlack durchgeführt werden. In der Regel sind dies die Reinigung, sowie die Aufbringung einer oder mehrerer Konversionsschichten. Diese dienen dazu, eine bessere Abstimmung zwischen Untergrund und Lack zu erzielen. Eine unzureichend durchgeführte Vorbehandlung kann zu Kratern im Lackfilm führen.
Durch die mechanische Vorbehandlung werden grobe Verunreinigungen wie Rost oder Zunder entfernt. Typische bei der Pulverbeschichtung angewendete Verfahren stellen Schleifen, Bürsten und Strahlen dar. Die Entfettung erfolgt meist mit L?semitteln oder w?ssrigen Reinigern. Bei der Reinigung mit w?ssrigen Reinigern ist die Reinigung der Oberfl?che h?ufig mit der Phosphatierung verbunden. Verfahrenstechnisch erfolgt die Reinigung meist durch Spritzen oder Tauchen.[9]
Es schlie?t sich das Aufbringen einer Konversionsschicht an. Die Entfettung reicht zwar für eine reine Oberfl?che meist aus, Konversionsschichten vergr??ern durch ihre Rauigkeit zus?tzlich die aktive Oberfl?che. So verbessert sich die Lackanbindung. Typische Verfahren im Bereich des Pulverbeschichtens sind die Phosphatierung auf Stahl, das Anbeizen auf verzinktem Stahl, die Chromatierung, sowie die Anodisierung auf Aluminium. Aufgrund der zunehmenden gesetzlichen Einschr?nkungen für chromhaltige Schichten werden chromfreie Vorbehandlungsmethoden bedeutender.
Vor der Applikation des Pulverlacks muss die Oberfl?che des Werkstücks absolut trocken sein. Der dazu verwendete Haftwassertrockner gleicht dem sp?teren Pulverlacktrockner, ist jedoch meist einfacher ausgeführt. Je nach Qualit?tsanforderung kann das Abblasen mit Druckluft ausreichen.
Applikation [Bearbeiten]
Der Begriff Applikation bezeichnet den Auftrag des Pulverlacks und die unmittelbar damit verbundenen Prozessschritte. Er beschreibt also den eigentlichen Beschichtungsvorgang.
Aufbereitung und F?rderung des Pulvers [Bearbeiten]
Aufbereitung [Bearbeiten]
Damit das zu beschichtende Pulver aufgetragen werden kann, muss es zun?chst zur Lackierpistole transportiert werden. Typischerweise wird das Pulver vom Frischpulvergebinde in einen Beh?lter gef?rdert. Dort wird es, falls mit Rückgewinnung gearbeitet wird, mit aufbereitetem Rückgewinnungspulver gemischt und gelangt von dort zur Pistole. Das nicht auf das Werkstück übertragene Pulver wird zur Aufbereitung transportiert und von dort wieder in den Kreislauf zurückgebracht. Wichtig ist, dass die F?rderung schonend ist, so dass die Eigenschaften des Pulvers nicht wesentlich beeinflusst werden.[3]
Die Pulverlackpartikel werden bei den meisten F?rderverfahren zun?chst fluidisiert, so dass der Pulverlack gef?rdert werden kann. Teilweise werden zus?tzlich Rührwerke oder vibrierende Elemente eingesetzt. Wird das Pulver direkt aus dem Originalgebinde gef?rdert, so findet nur eine lokale Fluidisierung statt.
Wird eine Rückgewinnung verwendet, so muss das erneut dem Kreislauf zugeführte Pulver zun?chst von Fasern, Grobpartikeln und Schmutz gereinigt werden. Hierzu kommen verschiedene Siebtypen zum Einsatz, etwa Rüttel-, Rotations-, Taumel- oder Ultraschallsiebe. Das Rückgewinnungspulver wird dem Frischpulver in einem festzulegenden Verh?ltnis zugesetzt.[3]
F?rderung [Bearbeiten]
Bei der F?rderung des Pulvers wird zwischen Pr?zisionsf?rderung (50 bis 500 g/min) und Massenf?rderung (meist mehr als 5 kg/min) unterschieden.
Die Pr?zisionsf?rderung dient der Zufuhr des Pulverlacks zur Lackierpistole. Um Fehler und Unregelm??igkeiten in der Beschichtung zu vermeiden, erfordert dies eine m?glichst gleichm??ige, genaue und pulsationsfreie Dosierung. Typische zur Pr?zisionsf?rderung eingesetzte Ger?te sind Pr?zisions- und Stabinjektoren. Pr?zisionsinjektoren f?rdern eine definierte Pulvermenge vom Beh?lter zur Pistole und sorgen dort durch Beimischung von Dosierluft zur Konstanthaltung der gesamten Luftmenge. Bei Stabinjektoren ist keine Fluidisierung notwendig, da die Ansaugung am Boden des Beh?lters erfolgt.[3]
Die Massenf?rderung dient dem Transport des Pulverlacks zwischen zwei Beh?ltern, was eine gleichzeitig wirtschaftliche und für den Pulverlack schonende F?rderung erfordert. Bei der Massenf?rderung gebr?uchliche Methoden sind die Schubf?rderung (auch Pfropfenf?rderung) und die Saugf?rderung. Die Saugf?rderung arbeitet mit einem durch viel Luft erzeugten Unterdruck, der das Pulver mitrei?t. Die notwendige Trennung von Luft und Pulver wird über Mini- oder Multizyklone oder Filterabscheider vorgenommen. Bei der Schubf?rderung wird eine Druckkammer mit zwei Ventilen so geschaltet, dass das Pulver durch im Wechsel eingebrachte Luft vorw?rts geschoben wird. Eine Trennung von Luft und Pulver ist nicht n?tig.[3]
Eine Methode, die sowohl für die Pr?zisions-, als auch für die Massenf?rderung eingesetzt werden kann, ist die sogenannte Digitale Dichtstromf?rderung (DDF), die nach dem Prinzip einer Gegendruckf?rderung arbeitet. Gegendruckf?rderung bedeutet das abwechselnde Ansaugen von Vakuum und Pulverlack in zwei Kammern. Bei diesem Verfahren ist keine Fluidisierung notwendig. Gleichzeitig ist wenig F?rderluft für eine genaue Dosierung notwendig.
Aufladung [Bearbeiten]
Moderne Pulverlacke werden elektrostatisch appliziert. Bei der elektrostatischen Pulverbeschichtung wird zun?chst eine elektrisch geladene Pulverwolke erzeugt. Die gleichnamig geladenen Partikel werden zur Werkstückoberfl?che transportiert. Dort schlagen sie sich nieder, haften dort elektrostatisch und bilden die Pulverlackschicht. M?glich ist eine Aufladung durch Hochspannung (Corona-Aufladung oder Ionisation) oder Reibung (triboelektrische (kurz Tribo) oder elektrokinetische Aufladung).
Aufladungsarten [Bearbeiten]
Bei der triboelektrischen Aufladung erfolgt die Aufladung durch Berührung von Pulverpartikeln und Wandung der Lackierpistole, wodurch Elektronen aus dem Beschichtungsstoff gel?st werden. Damit die Berührungsfl?che m?glichst gro? wird, ist der Kanal meist ringspalt- oder spiralartig ausgebildet und innen mit Teflon beschichtet. Die Trennung der Pulverlackteilchen von der Lackierpistole erfolgt schneller, als sich die Ladung wieder verteilen kann. Dadurch bleiben die Pulverpartikel geladen. Zuletzt wird das Pulver an der Düse zerst?ubt.[10]
Bei der Ionisationsaufladung werden die Pulverlackpartikel an einer Elektrode vorbeigeführt, an der eine Spannung von 30 bis 100 kV anliegt. Diese Hochspannung ionisiert die die Pulverlackpartikel umgebende Luft. Die Elektrodenspitze weist eine blau-wei?e Lichterscheinung, die namensgebende Corona auf. Beim Passieren des elektrischen Feldes zwischen Elektrode und geerdetem Werkstück durch die Lackpartikel werden Luftionen an die Partikeloberfl?che angelagert. Es treffen jedoch nur etwa 1 bis 3 % der Luftionen auf Pulverteilchen, also ein sehr geringer Teil. Der Rest wird als Raumladung bezeichnet. Bei der sogenannten ionenarmen Corona-Aufladung befindet sich eine zus?tzliche, ringf?rmige Elektrode an der Spitze der Lackierpistole. Diese nimmt die überschüssigen Luftionen auf und leitet deren Ladung ab. [10]
Die wesentlichen Vorteile der Tribo-Beschichtung sind die gute Applizierbarkeit mehrerer Schichten und tendenziell bessere Schichtdickenverteilung. Da Faradaysche K?fige hier fast keine Bedeutung haben, wird eine bessere Eindringtiefe erreicht. Weiterhin zeigt sich eine bessere Automatisierbarkeit und h?ufig geringere Anschaffungskosten. Zudem kann die Pistole bei der Handbeschichtung beliebig nahe an die Oberfl?che herangeführt werden. Da hier keine ungebundenen Ionen vorliegen, sieht die Oberfl?che oft entspannter aus. Effektlacke k?nnen dagegen nur selten mit der Tribo-Technik appliziert werden, da das gewünschte Effektbild nicht erreicht wird.[11][12]
Die Vorteile der Corona-Applikation liegen im geringeren Verschlei? der Lackierpistole, dem niedrigeren Luftverbrauch und der universellen Eignung (viele Pulverlacke, darunter die meisten Effektpulverlacke, sind für die Triboaufladung ungeeignet). Zudem ist durch den h?heren Pulverdurchsatz oftmals die n?tige Anzahl an Pistolen geringer. Der Umgriff, ein Ma? für die Bildung einer Schicht auf der Rückseite des Werkstücks, ist ebenfalls bei der Corona-Applikation meist besser. Bei der klassischen Corona-Aufladung gelangen freie Luftionen zum Objekt. Aufgrund der Absto?ung gleichnamiger Ladungen wird der ungest?rte Aufbau einer gleichm??igen Schicht gest?rt, was sich als sogenannte Orangenhaut, eine sehr wellige Lackoberfl?che, zeigt. Durch die Verwendung der ionenarmen Aufladung kann dieser Umstand eingegrenzt werden.[11][12]
Schichtbildung [Bearbeiten]
Durch die gleichnamige Aufladung der Pulverlackpartikel beziehungsweise der an ihnen anhaftenden Luftionen sto?en sich diese ab und bilden eine gleichm??ige Pulverlackwolke aus. Diese folgt den Feldlinien des elektrischen Feldes. Somit gelangen Pulverlackpartikel auf die Rückseite des Werkstücks, wodurch dort ebenfalls eine Beschichtung stattfindet. Hohlr?ume und hinterzogene Kanten werden dagegen gem?? dem Prinzip des Faradayschen K?figs nicht oder nur schwach beschichtet. Sehr kleine Partikel werden in die Abluft hineingezogen und der Rückgewinnung zugeführt, wodurch das Rückgewinnungspulver feiner als das Frischpulver wird. Sehr grobe Partikel fallen durch die Schwerkraft nach unten und stehen somit nicht für die Beschichtung zur Verfügung.
Jedes auf das Werkstück auftreffende ionisierte Teilchen erzeugt im Moment des Aufpralls auf das Werkstück eine Gegenladung. Durch die Anziehung zwischen beiden Ladungen haften die Partikel am Werkstück. Durch die gleichnamigen Ladungen ist die Schichtbildung sehr gleichm??ig. Um das Herunterfallen des Pulvers zu verhindern, ist es n?tig, dass die elektrische Anziehung (Coulombsche Kraft) zwischen Partikelladung und Gegenladung gr??er ist als die Schwerkraft. Dies erfordert einen hohen elektrischen Widerstand des Beschichtungspulvers, da die Entladung sonst zu schnell erfolgt. Die Beschichtung ist bis zu einigen Stunden haftf?hig, ehe das Pulver durch allm?hlichen Ladungsausgleich abf?llt.[10]
Die Schichtbildung selbst verl?uft zun?chst linear. Bei weiter wachsender Schichtdicke nimmt die Feldst?rke innerhalb der Pulverschicht zu, so dass ab einer gewissen Schichtdicke die elektrische Festigkeit der Luft überschritten wird. Es kommt zum Spannungsdurchschlag und damit zu einem Gegenstrom geladener Luftionen. In der S?ttigungsphase werden nachfolgende Teilchen durch den Gegenstrom so weit entladen, dass sie nicht mehr haften k?nnen oder durch die Schwerkraft aus dem Feld fallen. An diesem Punkt erfolgt kein Pulverauftrag mehr, stattdessen zeigen sich durch den Gegenstrom sogenannte Rücksprühkrater, eine Beschichtungsst?rung. Aufgrund dieser Selbstbegrenzung der Schichtdicke wird üblicherweise bei einer deutlich niedrigeren Schichtdicke als der maximal erreichbaren Schichtdicke gearbeitet. Diese liegt bei handelsüblichen Pulverlacken bei etwa 150 μm.
Da die Pulverpartikel den Feldlinien folgen und deren Dichte an den Kanten h?her ist, ist die Schichtdicke an den Kanten meist h?her. Dieser sogenannte Bilderrahmeneffekt ist ein Vorteil beim Korrosionsschutz, aber ein Nachteil bezüglich der Passgenauigkeit der beschichteten Werkstücke.
Düsen [Bearbeiten]
Die Düse an der Lackierpistole dient der Zerst?ubung des Pulverlacks und somit der Ausbildung einer homogenen Pulverlackwolke. Zum Einsatz kommen je nach Aufladungsvariante Pralltellerdüsen, Flachstrahldüsen, Fingerdüsen oder Rotationsglocken.
Die ?lteste Technik ist der Prallteller, der seltener auch als Prallplatte bezeichnet wird. Der stark gebündelte Pulverstrahl trifft auf die Platte und wird dort auseinandergerissen. Dies erzeugt eine langsame, nur bedingt steuerbare Pulverwolke mit geringem Eindringverm?gen. Der Prallteller wird daher meist für flache, gro?fl?chige Teile verwendet. Flachstrahldüse bezeichnet ein Mundstück mit Schlitz. Die austretende Wolke hat einen ellipsenf?rmigen Querschnitt, der gut auszurichten ist. Diese Düsenart wird h?ufig für komplexe Teile mit Vertiefungen verwendet. Die Fingerdüse wird für Werkstücke mit komplizierter Geometrie und geringer Tiefe verwendet. Bei der Verwendung dieser Düsenart k?nnen kurze Kabinen und somit eine leichtere Reinigung realisiert werden.[10]
Bei der Rotationszerst?ubung, also der Applikation über Glocken, die bei der Flüssiglackierung zu den Standardverfahren geh?rt, erfolgt die Aufladung des Pulvers über die Ladekante des rotierenden Glockentellers. So wird ein sehr gleichm??iger Schichtauftrag bei gleichzeitig hohem Auftragswirkungsgrad erzielt. Der Durchsatz ist mit 600 bis 700 g/min (gegenüber bis zu 400 g/min bei der Pralltellerdüse) sehr hoch.[10]
Anordnung der Sprühpistolen [Bearbeiten]
Die richtige Anordnung der Sprühpistolen dient der Erzielung einer gleichm??igen Schichtdicke. Welche Anordnung die passende ist, h?ngt dabei wesentlich von der Werkstückgeometrie und der verwendeten Düse ab. Variabel ist zun?chst der Einsatz von starr angebrachten Pistolen oder Hubger?ten. Hubger?te haben die Aufgabe, die Pistolen (einzeln oder gruppenweise) zu bewegen. Die Hubger?te bewegen die Pistolen üblicherweise vertikal, es sind jedoch mehrachsige Ausführungen m?glich. Es sind vertikale, horizontale, diagonale oder rautenf?rmige Anordnungen der Pistolen üblich.[13]
Die Mindestanzahl an Steuerger?ten ergibt sich aus der Summe an Pistolen und Hubger?ten, wenn je eine Steuereinheit Verwendung findet. Je h?her der Automatisierungsgrad ist, desto mehr zus?tzliche Module sind zur Abstimmung n?tig. Dies beginnt mit einfachen Lichtschranken zur Einschaltung der Pistolen und kann bis zu einer Gesamtanlagensteuerung gehen.[10][13]
Pulversprühkabinen [Bearbeiten]
Als geschlossene Beschichtungskabine wird eine an allen Seiten geschlossene Kabine bezeichnet, die nur ?ffnungen für den Ein- und Auslauf der Werkstücke besitzt. Eine teilweise geschlossene Beschichtungskabine hat zus?tzlich seitliche ?ffnungen für die Sprühvorrichtung oder Handbeschichtungsanlagen.
Pulversprühkabinen werden aus Metall, Glas oder Kunststoff gefertigt, wobei letzterer Typ aus einem schwer brennbaren Material gefertigt sein muss und besondere Vorschriften bezüglich Erdung einhalten muss. Kunststoffkabinen sind pulverabweisend, so dass die Verschmutzungsneigung geringer und der Erstauftragswirkungsgrad h?her ist.
Pulversprühkabinen k?nnen zus?tzlich mit einem Reinigungsautomat für die Innenreinigung, einem Austrageband oder Abluftkanal am Kabinenboden und einer auslaufseitigen Absaugung ausgestattet sein. Weiterhin k?nnen pulverabstossende W?nde und Rakelsysteme zum Einsatz kommen. Hinsichtlich der Rückgewinnung kann in Pulverkabinen eine Filterbandrückgewinnung oder Multizyklonrückgewinnung verwendet werden. Spezielle Anforderungen erfordern Rundkabinen (leichte Reinigung) oder Schnellfarbwechselkabinen.
Für h?chste Qualit?tsanforderungen ist das Umbauen des gesamten Pulverkreislaufes mit einer unter überdruck betriebenen Umkabine m?glich. Um in diesem Fall Staubeintragungen zu verhindern, besitzt die Umkabine h?ufig eine Klimatisierung.[13]
Rückgewinnung [Bearbeiten]
Ob eine Rückgewinnung sinnvoll ist oder nicht, h?ngt im Wesentlichen vom Verh?ltnis der Kosten für einen Farbwechsel im Verh?ltnis zu den Kosten für den andernfalls vergeudeten Anteil des aufgetragenen Pulverlacks ab.
Bei sehr h?ufigen Farbwechseln und geringen Stückzahlen ist eine Rückgewinnung nicht lukrativ, da die Kosten für die Reinigung h?her sind als die Kosten für das vergeudete Pulver. Anlagen mit diesem Anforderungsprofil verzichten daher h?ufig auf die M?glichkeit der Rückgewinnung. Bei hohen Stückzahlen oder der Verwendung sehr weniger Farbt?ne (im Extremfall von nur einem Farbton), ist eine Rückgewinnungseinrichtung sinnvoll. In diesen Anlagen werden Pulverabscheidegrade von bis zu 99 % erreicht, das hei?t, dass nur 1 % des verarbeiteten Pulvers als Abfall anf?llt. Der Auftragswirkungsgrad ohne Rückgewinnung, also der Anteil Lack, der bei einmaliger Beschichtung auf die Werkstückoberfl?che gelangt, liegt dagegen meist bei nur 30 bis 50 %. Das ist niedriger als bei einer Flüssiglackieranlage.
Rückgewinnungstechniken [Bearbeiten]
Im Einfarbbetrieb kommen Filterbandanlagen (in Kombination mit Rakel, zus?tzlichem Nachluftfilter oder Zyklon) zum Einsatz. Die Variante mit Zyklon erlaubt dabei als einzige einen Farbwechsel pro Tag. Reine Filterrückgewinnungssysteme k?nnen ausschlie?lich für der Einfarbenbetrieb verwendet werden.
Bei der Verwendung von Multizyklonen (mit oder ohne Rakel) sind in begrenztem Umfang (mehrmals am Tag) Farbwechsel m?glich. Für h?ufige Farbwechsel ist der Einsatz eines Monozyklons n?tig. In Schnellfarbwechselkabinen wird dieser mit einem Vibrationssieb, einem Auslaufkonus und einer Schubf?rderung kombiniert. Auf diese Weise werden selbst bei h?ufigen Farbwechseln Pulverabscheidegrade von 95 % erreicht.[13]
Einfluss der Partikelgr??e [Bearbeiten]
Die Partikelgr??e ist bei rückgewonnenem Pulver üblicherweise kleiner als bei Frischpulver. üblicherweise wird beides daher in einem festen Verh?ltnis gemischt und für die Weiterverwendung aufbereitet. Frischpulversysteme zur genauen Steuerung dieses Verh?ltnisses sind n?tig, wenn der Pulververbrauch hoch ist und gleichzeitig eine konstante Zumischung von Frischpulver zum Erreichen der geforderten Qualit?t n?tig ist.[13]
Besonderheiten bei der Verarbeitung von Effektpulverlacken [Bearbeiten]
Besonders anspruchsvoll ist die Rückgewinnung, wenn Effektpigmente in der Pulverlackformulierung verwendet werden. Diese werden je nach Herstellungsart nachtr?glich zum Pulverlack zugegeben und sind dadurch nicht in die Partikel eingearbeitet. Es liegen also mehrere Arten von Partikeln im Material vor, die verschiedene Teilchenformen und -gr??en aufweisen. Das kann bei Verwendung einer Rückgewinnungseinheit zur Verarmung an Effektpigmenten in der gesamten Mischung führen. Dadurch ver?ndert sich das Aussehen der Lacke w?hrend der Beschichtung einer Serie. Bei Effektpulverlacken, die nach dem Dry-Blend-Verfahren, also einer blo?en Mischung von Pulverlack und Effektpigmenten, hergestellt wurden, wird der Effekt durch eine bessere Aufladung der Effektpigmente verst?rkt. Diese anwendungstechnische Schw?che wird durch das Bonding-Verfahren, bei dem Pulverlack- und Effektpigmentpartikel miteinander mechanisch verbunden werden, deutlich verringert.[12]
Sicherheitsaspekte [Bearbeiten]
Aufgrund der elektrischen Aufladung und der gleichzeitig erzeugten Pulverwolke besteht die Gefahr einer Explosion, durch die verwendete Hochspannung k?nnen Stromschl?ge auftreten. Deshalb sind verschiedene Sicherheitsvorkehrungen beim Pulverbeschichten zu treffen.
Die Pulverkonzentration in der Luft muss entweder kleiner als 50 % der unteren Explosionsgrenze sein oder unterhalb von 10 g/m3 liegen. Die Kabine muss aus nicht brandunterstützenden Werkstoffen bestehen, bei Kunststoffkabinen müssen sehr energiereiche elektrostatische Entladungen verhindert werden. Der Erdableitwiderstand des Werkstückgeh?nges muss kleiner als 1 MOhm sein, alternativ kann die m?gliche Entladeenergie des Werkstücks weniger als 5 MJ betragen. Automatische Pulversprühkabinen müssen eine automatische Brandmeldeanlage besitzen, geschlossenen Pulverrückgewinnungsanlagen müssen ein Explosionsschutzsystem besitzen.[13]
Zum Schutz der Angestellten sollten spannungsführende Anlagenteile in geschlossenen Beschichtungskabinen angeordnet sein, sowie die Zug?nge durch Abschalten und sofortige Erdung bei Betreten gesichert sein. Bei Handbeschichtungsanlagen ist zus?tzlich die Stromst?rke oder die Entladungsenergie begrenzt. Eine Flammsperre (CO2-L?schanlage) vor dem Zyklon ist ebenfalls n?tig.[13]
Alternative Applikationstechniken [Bearbeiten]
→ Hauptartikel: Wirbelsinterung
Eine alternative Applikationstechnik ist das Wirbelsintern. Dies ist die gebr?uchliche Applikationstechnik für die ursprünglichen, thermoplastischen Pulverlacke, die nicht vernetzen. Die Verwendung für vernetzende Pulverlacke ist ebenfalls m?glich. Dabei wird ein erhitztes Werkstück für kurze Zeit in ein mit Hilfe von Druckluft fluidisiertes Pulver aus Kunststoff getaucht. Das Pulver schmilzt durch die hohe Oberfl?chentemperatur des Werkstücks und bildet dort eine Kunststoffschicht. Falls n?tig, folgt die Vernetzung in einem Trockner. Das Wirbelsintern wird insbesondere verwendet, wenn eine hohe Schichtdicke gewünscht ist.
Bei Klarlacken für die Automobillackierung ist die Verwendung von Pulverlack als w?ssrige Suspension, die als Pulverlack-Slurry bezeichnet wird, bekannt. Dabei wird der Pulverlack in Wasser aufgeschl?mmt und wie ein Flüssiglack appliziert. Die Trocknung findet bei diesem Verfahren in zwei Schritten statt. Zun?chst wird das Wasser in einem Abdunstschritt aus dem Film entfernt. Im zweiten Schritt wird der Pulverlack wie üblich ausgeh?rtet.
→ Hauptartikel: Coil Coating
Eine relativ neue Technik ist die Beschichtung von Pulverlack im Coil-Coating-Verfahren, einer Art der Beschichtung, die bei flüssigen Lacken üblich ist. Beim Coil Coating findet die Beschichtung des Stahlbandes direkt bei der Herstellung im Walzwerk statt. Da die Stahlb?nder (Coils) sehr hohe Geschwindigkeiten aufweisen, liegt die Hauptschwierigkeit darin, den Pulverlack schnell genug zu vernetzen.
Vernetzung [Bearbeiten]
Der Vernetzungsvorgang, das sogenannte Einbrennen, beginnt mit dem Aufschmelzen des Pulverlacks im Trockner. Dabei nimmt die Viskosit?t des Systems zun?chst ab und durchl?uft ein Minimum. Je weiter der Vernetzungsvorgang fortschreitet, desto h?her wird die Viskosit?t wieder. Es hat sich gezeigt, dass der beste Verlauf erzielt wird, wenn dieses Viskosit?tsminimum schnell erreicht wird. Das Minimum ist in diesem Fall st?rker ausgepr?gt und die Oberfl?che des Lacks wird glatter. Bei überschreiten der optimalen Einbrennbedingungen des Lacksystems, beginnt sich dieses zu zersetzen.
Bei wirtschaftlicher Betrachtung kommt dem Einbrennvorgang eine entscheidende Bedeutung für die Energiekosten zu. Einsparungen an dieser Stelle sind jedoch gef?hrlich, da die technischen Eigenschaften des Lacksystems bei unvollst?ndiger Vernetzung m?glicherweise nicht erreicht werden.
Einbrennbedingungen [Bearbeiten]
Einbrenntemperaturen für Pulverlacke liegen theoretisch zwischen 110 und 250 °C. Bei industriell verwendeten Einbrennlacken liegen die Einbrenntemperaturen meist zwischen 140 und 200 °C. Systeme, die bei 140 °C vernetzen, werden bereits als Niedrigtemperaturpulverlack angeboten. Bei entsprechend verl?ngerter Einbrenndauer k?nnen Pulverlacke bereits bei unter 120 °C vernetzt werden.[14]
Die Haltezeit betr?gt 5 bis 30 Minuten. Sie gibt den Zeitraum an, w?hrend dem der Pulverlack auf der Einbrenntemperatur gehalten wird und h?ngt im Wesentlichen vom Pulverlackmaterial ab. Die Aufheizzeit h?ngt dagegen im Wesentlichen von der Dicke des Substrates ab. Die Summe beider Zeiten ist die Verweilzeit. Die genaue Einstellung von Ofentemperatur und Verweilzeit h?ngt vom Werkstückdurchsatz und vom Einbrennfenster des Pulverlackes ab. Dazu kommen trocknerspezifische Einflüsse wie das Aufheizverhalten der Luft, W?rmeverluste und die Aufheizgeschwindigkeit des F?rderers.
Trockner [Bearbeiten]
Typische Pulverbeschichtungsanlagen werden mit Durchlauftrocknern ausgerüstet, die getaktet oder kontinuierlich beschickt werden k?nnen. Im Takt gefahrene Anlagen bieten sich für gr??ere Werkstücke und geringe Durchs?tze an, da zwischen den Werkstücken die Tore geschlossen werden k?nnen. Kontinuierlich beschickte Trockner werden h?ufig mit sogenannten A-Schleusen gegen W?rmeverluste ausgerüstet, bei denen sich Ein- und Auslauf tiefer als die eigentliche Trocknungseinheit befinden. Dadurch wird der Verlust an aufgeheizter Luft minimiert, da diese aufsteigt und den Trockner nicht verlassen kann.
Kammertrockner k?nnen chargenweise beschickt werden und sind nicht an Taktzeiten gebunden. Der Einsatz erfolgt bei variierenden Einbrennbedingungen, die durch verschiedene Materialst?rken, unterschiedliche Einbrennzeiten oder die Verwendung unterschiedlicher Pulverlacktypen notwendig werden k?nnen. Im Labor- und Technikumsbereich sind Kammertrockner daher üblich. Die Aufheizzeit kann bei diesem Ofentyp verl?ngert werden, da die Temperatur bei jedem ?ffnen der Trocknertür absinkt. Moderne Typen fangen die aufsteigende Luft auf, so dass der Temperaturverlust reduziert werden kann.
üblich ist die Aufheizung des Trockners durch Konvektion. Das bezeichnet die Energieübertragung durch einen Warmluftstrom, der am Werkstück abkühlt und diesem so die W?rme übertr?gt. Aufgrund der relativ gleichm??igen Aufheizung werden solche Trockner h?ufig verwendet, wenn unterschiedliche Werkstückformen gleichzeitig lackiert werden sollen. Die Beheizung erfolgt indirekt über W?rmetauscher oder direkt durch die Beimischung von Heizgasen (Gas?fen). Letzteres stellt jedoch zus?tzliche Anforderungen an das Lacksystem (Gasofenstabilit?t), sowie an den Reinheitsgrad des Heizgases. Grund dafür ist die m?gliche Reaktion von Stickoxiden aus dem Heizgas mit Pulverlackbestandteilen, die zu einer intensiven Vergilbung führen k?nnen. Meist wird der Pulverlack deshalb mit Antioxidantien stabilisiert.
Die W?rmeübertragung durch IR-Strahlung kann bei der Beschichtung von dünnwandigen, fl?chigen Objekten angewendet werden. Sie erreicht eine schnellere Energieübertragung und ist somit besser zu steuern, schneller betriebsbereit und erm?glicht eine deutliche Platzersparnis. Bei unterschiedlichen, gleichzeitig eingebrannten Objekten oder komplexen Formen wird dagegen eine hohe Temperaturdifferenz an verschiedenen Stellen des Objektes erzeugt, was an der ungleichm??igen Strahlungsverteilung (Schatten) liegt.
F?rdertechnik [Bearbeiten]
Zur F?rdertechnik geh?rt der Werkstückf?rderer selbst, sowie die Art der Geh?nge für die Werkstücke. Für die Wiederverwendbarkeit dieser Einrichtung ist die Entlackung von F?rderer und Geh?nge entscheidend.
Das Geh?nge verbindet Werkstück und F?rderer w?hrend des gesamten Prozesses und wird daher meist mitbeschichtet. Je schlechter die Geh?nge lackiert werden k?nnen, umso langsamer baut sich die Lackschicht auf dem Geh?nge auf. Dies reduziert die Entlackungskosten, da die einzelnen Geh?nge h?ufiger verwendet werden k?nnen, bevor eine Entlackung notwendig ist. Zus?tzliche Kosten entstehen, wenn das Gewicht (erh?hte Aufheizenergie bei der Vernetzung) oder die Oberfl?che (erh?hter Pulverlackverbrauch) des Geh?nges zu hoch ist. Von besonderer Bedeutung bei der Pulverbeschichtung sind eine gute Erdung und die Verhinderung einer Beschichtung der Aufh?ngepunkte, da die Erdung des Werkstücks über die Aufh?ngepunkte stattfindet. Insbesondere bei der Tribo-Aufladung ist eine gute Justierung entscheidend, da sonst Fehlbeschichtungen auftreten.
Der F?rderer transportiert die mit dem Geh?nge verbundenen Werkstücke durch die Lackierstra?e. In Klein- und Technikumsanlagen sind Handschiebebahnen üblich. In typischen Pulverbeschichtungsanlagen werden meist Power-&-Free-F?rderer genutzt, da durch sie Speicher und Puffer leicht realisiert werden k?nnen und die Anlage flexibler wird. Kreisf?rderer sind dagegen kaum noch üblich.[13]
Die Entlackung spielt neben der offensichtlichen Anwendung, der Wiederverwendung von Werkstücken, auch bei der Reinigung von Geh?ngen und F?rdererteilen eine gro?e Rolle. Durch die Mitbeschichtung des Geh?nges bauen sich im Laufe der Zeit Schichten auf, die die Beschichtung weiterer Werkstücke beeintr?chtigen. Da Pulverlacke üblicherweise eine h?here Schichtdicke als Flüssiglacke aufweisen, kommt der Entlackung eine besondere Bedeutung zu. Zur Anwendung kommende Verfahren sind das Stickstoff-K?lte-Verfahren (auch Cryo-Clean-Verfahren), die thermische oder die chemische Entlackung.
