Pulverbeschichtung von flachen Substraten

Die Pulverbeschichtung von Coil und Blechzuschnitten (Platinen) vereinigt die materialspezifischen Stärken der lösemittelfreien und qualitativ hochwertigen Pulverbeschichtung mit den verfahrenstechnischen Vorteilen der Beschichtung vor dem Umformen ("Precoating"). Pulverlack-Precoatinganlagen nach dem Stand der Technik mit maximalen Durchlaufgeschwindigkeiten von ca. 20 m/min erreichen allerdings nicht die hohe Produktivität heutiger Flüssiglack-Bandbeschichtungsanlagen mit Durchlaufgeschwindigkeiten bis über 200 m/min. Die technischen Hürden liegen zum einen darin, dass Durchlaufgeschwindigkeiten von mehr als 20 m/min eine nicht mehr beherrschbare hohe Anzahl von Pulversprühorganen erfordern würden. Zum anderen liegen die erforderlichen Einbrennzeiten der heute angebotenen Pulverlacke im Bereich mehrerer Minuten, so dass bei hohen Durchlaufgeschwindigkeiten zu lange Einbrennzonen erforderlich wären. Darüber hinaus zeigen marktübliche Pulverlackmaterialen bei komplexen mehrachsigen Umformprozessen oft deutliche Schwächen in Form von Haftungsverlust und sichtbaren Veränderungen des Pulverlackfilms, z.B. Glanzverlust und Mikrorissbildung, insbesondere nach einer längeren Lagerung des pulverbeschichteten Blechsubstrates vor dem Umformen. Vor diesem Hintergrund hat das Fraunhofer IPA in Zusammenarbeit mit dem Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb an der Universität Stuttgart (IFF), dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF) und dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz eine hocheffiziente Pulverbeschichtungstechnologie für Coil und Platinen entwickelt, die eine ähnlich hohe Produktivität wie bei der Flüssiglack-Bandbeschichtung sowie komplexe dreidimensionale Umformprozesse erlaubt. Das Vorhaben 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. Diese repräsentieren das gesamte betroffene Branchenspektrum von der Lack-, Hilfsstoff- und Blechsubstratherstellung über die Beschichtungs- und Umformtechnik bis zu den Endanwendern. Im Fokus der innovativen Precoating-Technologie stehen neue Märkte für vorbeschichtetes Blech, u.a. 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- bzw. Stahlblech. Der mögliche Komplexitätsgrad liegt weit über dem der bisher aus pulverbeschichtetem Blech formbaren einfachen Teile - meist für die Bauindustrie- wie beispielsweise Profilteile, Kassetten und Gehäuseverkleidungen. Wesentliche Entwicklungsziele hinsichtlich Kosten- und Qualitätsvorteile gegenüber der klassischen Stückgut-Pulverbeschichtung nach dem Umformen "Postcoating" waren ein geringerer Platz- und Energiebedarf der Precoatinganlage sowie ein geringerer Pulvermaterialverbrauch. Dazu wurde die am IPA/IFF entwickelte, auf dem elektrostatischen Fluidisierbettverfahren basierende pistolenlose "TransApp"-Pulverauftragstechnik um neue anlagen- und verfahrenstechnische Komponenten erweitert. Insbesondere der Einsatz einer innovativen gepulsten Hochspannungstechnik führt zu gleichmäßigen Schichtdicken und dadurch zu erheblichen Pulverlackeinsparungen. Das "TransApp"-Beschichtungsmodul weist nur einen Bruchteil des Platzbedarfs sowie weniger als ein Drittel des Druckluftverbrauchs und weniger als ein Drittel der Absaugleistung einer vergleichbaren konventionellen Pulverbeschichtungsanlage auf. Gründe sind die nicht erforderlichen Sprühpistolen und die dadurch nahezu verlustfreie Pulverapplikation sowie die extrem kurzen Beschichtungszeiten. Kompakte Anlagendimensionen erfordern zudem kurze Einbrennzeiten der Pulverschicht weit unterhalb der heute üblichen mehreren Minuten. Hierzu werden energetisch hocheffiziente kurz- und mittelwellige Infrarotstrahler eingesetzt, wobei sowohl elektrisch als auch gasbetriebene Systeme zum Einsatz kommen. Voraussetzung waren Pulverlack-Entwicklungen am IPF, die auch bei kritischen Farbtönen und Glanzgradwerten hochqualitative Beschichtungen bei gleichzeitig extrem kurzen Bestrahlungszeiten mit Hochleistungs-Infrarotstrahlern bis in den Bereich weniger Sekunden erlauben. Bei den Versuchen am Fraunhofer IWU zeigte das neue Pulverlacksystem auch bei komplexen mehrachsigen Umformprozessen keinen kritischen Qualitätsverlust. Im Rahmen des Vorhabens wurden verschiedene Konzepte zur Umsetzung der neuen Precoatingtechnologie entwickelt. Für kleine und mittelständische Unternehmen interessant sind kompakte Anlagenkonzepte zur Pulverbeschichtung von vorbeschichteten Blechzuschnitten bei kleinen Losgrößen. 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 Pulverbeschichtungs-Coilanlagen-konzepts gegenüber konventionellen Flüssiglack-Bandbeschichtungsanlagen liegt auch hier im schnelleren Materialwechsel. Die extrem kompakten Beschichtungseinheiten können entsprechend dem Produktionsprogramm innerhalb weniger Minuten ausgetauscht werden.