Lackfilm-Strukturbildung bei der Spritzlackier-Applikation

Abstract

Neben Farbe und Glanz ist für die Charakterisierung der optischen Qualität einer Lackierung die Oberflächenstruktur ein entscheidendes Qualitätsmerkmal. In den vergangen Jahren hat sich im industriellen Umfeld für die Beschreibung der Oberflächenstruktur eine Einteilung in Strukturanteile von fünf Wellenlängenbereichen Wa (0.1 bis 0.3 mm), Wb (0.3 bis 1 mm), Wc (1 bis 3 mm), Wd (3 bis 10 mm) und We (10 bis 30 mm) etabliert. Da es beim Spritzlackieren eine hohe Anzahl an Einflüssen auf die Entstehung der Oberflächenstruktur gibt, wie z. B. die Zerstäubungsfeinheit des Lacksprays, die Untergrundstruktur oder die Lage der zu beschichtenden Fläche (horizontal/vertikal), weisen Lackierungen nach der Trocknung und Härtung oftmals deutlich unterschiedliche Oberflächenstrukturen auf. Die Lackierungen haben dadurch ein unterschiedliches optisches Erscheinungsbild, wodurch die Vermarktungsfähigkeit hochwertige Produkte nicht gegeben ist. In aufwendigen Optimierungsversuchen wird versucht durch empirische Anpassungen der Prozessparameter eine akzeptable Oberflächenstruktur zu erzeugen. In vielen Fällen können die gewünschten Oberflächenstrukturen jedoch nur durch kostenintensive Schleif- und Polierprozesse sowie Mehrfachlackierungen erreicht werden.

Es fehlte eine modellbasierte Anpassung von Prozessparametern, um gezielt die Oberflächenstruktur einer Lackierung optimieren zu können. Die Vision ist eine automatisierte Regelung der Lackierprozessparameter, mit Hilfe derer auf unterschiedlich strukturierten Substraten und unabhängig von der Lage einzelne Strukturanteile der Wellenlängenbereiche Wa bis We gezielt verringert oder verstärkt werden können, um somit eine bestimmte und homogene Oberflächenstruktur zu erzeugen.

Mit dieser Arbeit wird ein geschlossenes 3D-Modell bereitgestellt, welches die Hauptmechanismen der Lackfilm-Oberflächenstrukturbildung beinhaltet. Durch numerische Untersuchungen mit dem ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Simulationsprogrammes konnte zusätzlich ein tieferes Prozessverständnis für die Oberflächenstrukturbildung bei der Spritzlackierung erarbeitet werden. Es konnten die unterschiedlichen Einflüsse der verschiedenen strukturbildenden Mechanismen tabellarisch zusammengefasst werden und daraus Ableitungen für eine gezielte Optimierung von Prozessparametern gewonnen werden. Das 3D-Modell und die Ergebnisse aus den numerischen Untersuchungen konnten erfolgreich auf einen realen Beschichtungsversuch angewandt werden. Durch diese Arbeit ist es nun erstmals möglich, gezielt modellbasierte Optimierungen beim Spritzlackierprozesses hinsichtlich der Oberflächenstrukturbildung durchzuführen.

In addition to color and gloss, the surface structure is an important quality feature for the characterization of the optical quality of a paint film. In the past years a division into structure shares of five wavelength ranges Wa (0.1 to 0.3 mm), Wb (0.3 to 1 mm), Wc (1 to 3 mm), Wd (3 to 10 mm) and We (10 to 30 mm) has been established in the industrial environment for the description of the surface structure. Because of a large number of influences on the generation of surface structure, such as atomization fineness, substrate structure or position of the substrate surface (horizontal/vertical), coatings often exhibit significantly different surface structures after drying and curing. Thus, the paint films can have differing optical appearances, so that the marketing ability of high quality products is not assured. In costly optimization tests it is attempted to generate an acceptable surface structure by empirical adjustment of the process parameters. In many cases, the desired structures only can be achieved through cost intensive sanding and polishing processes, as well as by multiple coating.

With this work a self-contained 3D model is provided which includes the main mechanisms of surface structure formation of coating films in spray painting. By numerical investigations with a simulation program developed in the context of this work, a deeper understanding of the process of the formation of surface structures in spray painting could be provided in addition. The different influences of the various structure forming mechanisms on the wavelength ranges Wa to We are deduced. In this way measures can be derived for a targeted optimization of the process parameters. The 3D model and the results of the numerical investigations could be applied successfully to a real coating process. Through this work, it is now possible for the first time to realize targeted model-based optimizations of the spray painting process concerning the surface structure formation.