Overspray away IPA-Forscher optimieren die elektrostatische Spritzlackierung

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Weniger Sprühnebel (Overspray) und höhere Effizienz beim elektrostatischen Spritzlackieren verspricht eine neue Modellierungsmöglichkeit vom Fraunhofer-IPA.

Hochspannung hilft, Sprühverluste zu vermeiden, wie die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) erklären. Welche physikalischen Prozesse bei der elektrostatisch unterstützten Spritzlackierung ineinandergreifen, zeigt jetzt erstmals ein Computermodell. Mit dessen Hilfe lassen sich Lacke, Lackieranlagen und Abläufe in Lackierbetrieben optimieren, wie man betont. Schließlich könne man nur etwa verbessern, wenn man versteht, was man tut.

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Doch beim elektrostatisch unterstützten Spritzlackieren war man bisher auf Trial-and-Error angewiesen, wie die Forscher anmerken. Gehen wir aber noch ein paar Schritte zurück. Die elektrische Lackapplikation wurde in den 1940-er-Jahren entwickelt, um Sprühverluste zu reduzieren. Das Prinzip ist einfach: ein rotierender Zerstäuber, die sogenannte Glocke, die unter Spannung steht, erzeugt negativ geladene Farbtröpfchen und beschleunigt diese auf mehrere hundert Stundenkilometer. Der Flug der Tröpfchen wird gelenkt durch ein Hochspannungsfeld zwischen der Glocke und dem zu beschichtenden Bauteil. So lässt sich der Sprühnebel, der normalerweise zu Verlusten von über 50 Prozent führt, auf 20 Prozent reduzieren.

Unerwartete Erkenntnisse bei der Grundlagenforschung

Um den Prozess weiter optimieren zu können, muss man nach Aussage der IPA-Forscher wissen, wann, wie und wo die Tröpfchen elektrische Ladungen aufnehmen. Aber genau das habe aber bisher niemand erforscht. Im Forschungsprojekt „MoELa“ hat ein IPA-Team deshalb zusammen mit Ingenieuren der Hochschule Esslingen jetzt diese Lücke geschlossen, wie man betont. Im ersten Schritt hat man experimentell untersucht, wie sich die Leitfähigkeit eines eigens angefertigten Modelllacks durch Zugabe von Additiven verbessern lässt. Diese modifizierten Lacke wurden dann von einem Lackierroboter auf Bauteile gesprüht. Eine Hochgeschwindigkeitskamera dokumentierte den Prozess. Mithilfe der Bilder ließen sich Geschwindigkeit und Größe der Tröpfchen feststellen. Gemessen und ausgewertet wurde dabei auch die Menge der negativen Ladungen, die auf dem beschichteten Bauteil ankamen. Das Ergebnis habe die Experten überrascht, denn sie hätten erwartet, dass die Zahl der registrierten Ladungen größer werde, wenn mehr Lack versprüht wurde. Das war aber nicht der Fall! Die Menge der Ladungen blieb erstaunlicherweise gleich, heißt es dazu. Eine Erklärung fand das Forscherteam erst durch die anschließende Simulation.

Widersprüchliches Ergebnis mit neuer Simulation erklärbar

Am Computermodell, das, wie betotn wird, erstmals alle Phänomene des elektro-hydrodynamischen Lackierprozesses berücksichtigt, haben die Experten dann zweieinhalb Jahre gearbeitet. Berücksichtigt wurden unter anderem die Viskosität und Leitfähigkeit der Lacke, die Form und Rotationsgeschwindigkeit der Glocke sowie die Höhe der angelegten Spannung. Die Simulation der zuvor durchgeführten Experimente zeigte, dass sich die Ladungen, die von der Glocke abgegeben werden, auf der Grenzfläche zwischen Lack und Luft befinden. Bei einer Erhöhung der Lackmenge wird der Lackfilm auf der Glocke zwar dicker, die Oberfläche bleibt aber gleich – deshalb verändert sich auch die Menge der Ladungen nicht.

Die Simulationen könnten Lackherstellern zukünftig dabei helfen, die optimale Menge von Additiven für elektrostatische Lackierprozesse zu ermitteln. Die digitalen Modelle unterstützen aber auch Anlagenbauer bei der Erprobung neuer Glockendesigns oder Abläufe. Lackierbetriebe können mithilfe der Simulationen virtuell die Prozessparameter für unterschiedliche Bauteile optimieren. Damit wären bisherige zeit- und materialaufwendige Probelackierungen auf ein Minimum reduzierbar.

Einige Randinformationen zum Projekt „MoELa“

Das Fraunhofer-IPA bearbeitete vom 1. Juni 2021 bis 30. November 2023 gemeinsam mit der Hochschule Esslingen das Forschungsprojekt „Modellierung der Tropfenaufladung bei der elektrostatisch unterstützten Lackierung zur Minimierung von Lackverlusten und Anlagenausfällen durch Verschmutzung – MoELa“. Das Projekt begleiteten 24 Unternehmen aus dem Bereich Lackherstellung, Anlagenentwicklung und Lackanwendung. Es wurde vom Bundministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Kennzeichen 21873 N) gefördert.

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