Optimierung der Pulverlackapplikation durch Anwendung experimenteller und numerischer Untersuchungsverfahren

Abstract

Für einen zunehmenden Einsatz der Pulverbeschichtungstechnologie müssen die komplexen Zusammenhänge bei der Pulverapplikation, insbesondere die der Partikelgrößenverteilung, und deren Auswirkungen verstanden werden. Dazu mussten im ersten Schritt neue Messverfahren entwickelt werden, um die Problematik sichtbar zu machen und im nächsten Schritt diese dann zu lösen. Dazu zählen: die Überwachung der Prozesssteuergrößen (Pulvermassenstrom, Partikelgrößenspektrum, Elektrostatik, Luftströmung und Klima), die Ent-wicklung eines neuen Testverfahrens für Pulversprühorgane, die Entwicklung einer Simulationsmethode zur Vorhersage des Kreislaufverhaltens (KAP-Sim-Verfahren), der Einsatz eines neu entwickelten Ladungsspektrometers für Pulverlacke. Mit Hilfe dieser Messverfahren wurden bei den experimentellen Untersuchungen folgende Prozessparameter der Pulverbeschichtung untersucht und optimiert: Partikelgrößenspektrum des Pulverlacks, Pulverlackrück-gewinnungsmethode und die Verteilerdüsen der Sprühorgane.

Für die künftig vermehrte und vor allem effizientere Anwendung von Pulverlacksystemen werden vom Anwender u.a. flexiblere Pulversprühpistolen gefordert, d.h. Pulversprühpistolen, bei denen die Ausdehnung der Sprühwolke stufenlos formbar ist. Die vorliegende Arbeit zielte u.a. darauf ab, solche Pulversprühsysteme unter Anwendung aerodynamischer und elektrostatischer Lösungsansätze zu entwickeln und in Form von Pulversprühpistolen zu realisieren. Entwickelt wurden dabei zwei völlig unterschiedlichen Lösungen, die getrennt realisiert wurden. Auf elektrostatischem Gebiet wurde vor allem der Einfluss von Lenkelektroden untersucht, die sich besonders in Kombination mit einer reibungselektrischen Aufladung des Pulvers als wirksam erwiesen. Auf der anderen Seite konnte mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation eine neuartige Pistole ausgelegt und optimiert werden, bei der die stufenlose Einstellung der Sprühwolke mittels zusätzlicher Steuerlüfte erfolgt.

Die Simulation stellt somit künftig ein wichtiges Instrumentarium bei der Vorausberechnung komplexer Pulver-Beschichtungsprozesse dar. Bei Konzi-pierung solcher Systeme wird dabei vermehrt die Simulation eingesetzt. Damit verkürzt sich auch die Produktentwicklungszeit. Die Pulversprühpistole stellt dabei nur eine Komponente im Beschichtungsprozess dar. Künftig werden nicht nur einzelne Pulver-Applikatoren am Computer simuliert und entwickelt, sondern auch ganze Beschichtungsprozesse und -anlagen.

In the course of an increasing employment of powder coating technology, the complex interrelations in the powder application, mainly the particle size distribution and its influence, must be understood. For that, in the first part a new measuring method had to be developed, to make visible the problematics and in the next part to find a solution for it. This includes: the monitoring of the process control parameters (powder mass flow rate, particle size distribution, electrostatics, air flow and climate), the development of a new testing method for powder spray systems, the development of a simulation method to predict the recycling behaviour (KAP-SIM-method), the employment of a newly developed charge spectrometer for coating powder. With the aim of these methods in the experimental optimization measures the following process parameters were taken into consideration: particle size spectrum of coating powder, coating powder recovery method and the distribution nozzles of the spray systems.

For an increasing and efficient use of powder coating systems in the future, the users demand more flexible powder spray guns. That means powder guns with which the dimensions of the spray cloud may be shaped continuously. The present thesis was aimed at realizing such powder spray systems in form of powder spray guns using aerodynamical and electrostatical solution approaches. Two completely different solutions were separately realized. On the field of electrostatics mainly the influence of steering electrodes was tested. In combination with tribo charging powder this electrodes are very effective. On the other hand, a new pistol could be dimensioned and optimized with the help of numerical simulation. The continuous regulation of the spray cloud was realized with additional controlling airs.

In the future, the simulation will be an important tool in the investigation of complex powder coating processes. In the development of such systems the simulation will be used more and more. With it, the development time of the product is reduced. Therein the powder guns are only one part in the coating process. In the future, not only powder applicators will be simulated on the computer but also whole coating processes and coating lines.