Kunststofflackierung Lack härtet mit bis zu 90 % weniger UV-Licht

Schön müssen sie sein: Kunststoffbauteile im Automobil-Innenraum werden zunehmend mit Hochglanzlacken beschichtet, wofür üblicherweise lösemittelhaltige Zweikomponentenlacke eingesetzt werden. Mit einem Förderprojekt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt ist es jetzt gelungen, die Hürden für UV-härtbare Lacke in diesen Anwendungen zu beseitigen und zahlreiche Vorteile zu erschließen.

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Knuth Werkzeugmaschinen GmbH

Thermacut GmbH

evopro systems engineering AG

Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Mankiewicz Gebr. & Co. GmbH & Co. KG

UV-Lacke würden bei diesem Einsatz bessere technische Eigenschaften mitbringen, da sie eine höhere Kratzfestigkeit aufweisen. Außerdem würden sie zur Ressourcenschonung beitragen, weil mit ihrem Einsatz eine wesentlich geringere Ausschussquote möglich ist, keine Lösemittel anfallen, ein Recycling des Oversprays zu 100 % möglich ist und der Energieverbrauch bei der Trocknung deutlich sinkt.

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Da die sichere Aushärtung auf den oft stark strukturierten Bauteilen aufgrund der heute noch hohen erforderlichen UV-Dosis schwierig ist, kommen UV-Lacke in der Praxis hier nicht zum Einsatz. Das Ziel eines Förderprojektes der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) bestand laut Mitteilung der Organisation in der Entwicklung UV-härtender Beschichtungen, die für eine sichere Aushärtung mit einer um bis zu 90 % verminderten UV-Strahlungsdosis auskommen. Damit wird ein prozesssicheres Durchhärten auch auf komplexen Bauteilen möglich.

UV-Dosis und -Intensität soll für die Lackaushärtung auf ein Zehntel gesenkt werden

Verfügbare UV-Lacke in diesen Anwendungen benötigen eine Dosis von 1,5 bis 2 J/cm² in Verbindung mit einer Intensität von 0,7 bis 2 W/cm² für eine definierte Durchhärtung. Das Ziel des Projektes lag in der Entwicklung einer UV-Lacktechnik, die eine rein UV-induzierte Härtung der Lackschicht auch bei geringen Leistungsdichten ermöglicht und gleichzeitig eine kratzfeste Oberflächenschicht auf Kunststoffen ergibt. Mit dem neuen System sollte die kritische Dosis auf 0,2 J/cm² in Verbindung mit einer Intensität von 0,2 W/cm² reduziert werden.

Der favorisierte Lösungsansatz war in zwei Stufen aufgebaut. In der ersten Stufe wurden mit neuen Rezepturen die Grundlagen entwickelt, um auch mit gängigen UV-Lampen bei reduzierter Leistung eine gute Durchhärtung des Lackes zu erreichen, so dass insbesondere dreidimensionale Kunststoffoberflächen gut gehärtet werden können. Diese erste Entwicklungsstufe war Bestandteil des Projektes. In einem Folgeprojekt als zweiter Stufe sollen diese Ergebnisse dann auf die Besonderheiten von LED als Lichtquelle übertragen werden, die eine einfache Nachführung der Lampen entsprechend der Bauteilgeometrie zulassen und damit die Anwendungsmöglichkeiten weiter verbreitern können.

Die bisher nur sehr begrenzte Möglichkeit, UV-Härtetechnologie auf Kunststoffoberflächen umzusetzen, ergibt sich aufgrund der thermischen Belastung der Kunststoffe, die die Maßhaltigkeit negativ beeinflussen. Diese wird verursacht durch den hohen Infrarotanteil der UV-Lampe im emittierten Strahlungsspektrum. Um insbesondere dreidimensionale Kunststoffoberflächen gut härten zu können, wurden die fehlende UV-Intensität und -Dosis chemisch kompensiert. In der zweiten Stufe wurden die Ergebnisse auf reale 3D-Kunststoffteile übertragen und diese Lackschichten mit den gängigen Prüfmethoden der Automobilindustrie geprüft und bewertet.

Neue Lackformulierungen senken den Bedarf an UV-Licht zum Aushärten

Durch Variation der Photoinitiatoren, der Reaktivverdünner und der Oligomere in neuen Formulierungen konnten die gute Durchhärtung auch bei geringer UV-Leistungsdichte und -Dosis erreicht werden. Besondere Anforderungen ergaben sich durch die geplante Einsatzfähigkeit dieser UV-Lackschichten im Interieur- und Exterieurbereich der Automobilindustrie, die mit Abstand die höchsten Anforderungen an Kratzbeständigkeit, Oberflächenstruktur, Vergilbung oder Oberflächenhärte hat.

Im Zuge der Entwicklungen gelang es, Formulierungen für UV-härtende Lacke zu finden, die auch bei sehr geringen Intensitäten von 300 mW/cm² und einer deponierten UV-Dosis von 1000 mJ/m² zu einer kratzbeständigen Oberflächenbeschichtung reproduzierbar durchhärten. Für spezielle Anwendungsbereiche gelang es sogar, die UV-Intensität auf bis zu 50 mW/cm² und die deponierte UV-Dosis auf 700 mJ/m² zu reduzieren.

Da der Lack von den Produkteigenschaften her die Anforderungen potenzieller Kunden erfüllt, ist hinsichtlich der weiteren Schritte geplant, die entwickelten Lacke im praktischen Einsatz zu prüfen. Dazu werden derzeit im anwendungstechnischen Zentrum der Firma Mankiewicz Gebr. & Co. in Hamburg als Projektpartner Tests mit den neuen Lacksystemen durchgeführt.

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