Grundlagenwissen Was ist Pulverbeschichtung und wie funktioniert sie?

Die Oberflächen von Blechteilen können durch Pulverbeschichtung sowohl geschützt als auch optisch aufgewertet werden.

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Fenster und Türen, Markisen, Geländer und sogar ganze Fassaden – mit einer Pulverbeschichtung oder Pulverlackierung werden heute viele Alltagsgegenstände, aber auch Maschinen- und Fahrzeugkomponenten überzogen.

Eine Pulverbeschichtung schützt vor Korrosion und Kratzern und auch für verschleißfeste Oberflächen. Gleichzeitig wertet eine Pulverlackierung diese Objekte optisch auf. Für lange Zeit kam eine Pulverbeschichtung aus technischen Gründen nur für metallische Oberflächen in Frage. Inzwischen erlauben innovative Technologien, dieses Verfahren auch zur Veredlung nichtmetallischer Oberflächen einzusetzen.

Gerade auch für voluminöse, schwere Bauteile eignet sich die Pulverbeschichtung.

Zertifizierungen und Normen

Auf die Pulverbeschichtung werden mehrere Normen angewendet:

• DIN 55633 regelt die Anforderungen an den Korrosionsschutz durch eine Pulverlackierung sowie die

• Bewertung von Stahlbauten, deren Oberflächen mit einer Pulverbeschichtung versehen wurden.

• EN 15773 enthält die technischen Vorgaben für die Pulverbeschichtung von feuer- oder

• diffusionsverzinkten Werkstücken aus Stahl.

• EN 12981 regelt die Sicherheitsanforderungen für die Beschichtungskabinen, in denen die

• Pulverlackierung vorgenommen wird.

Viele Unternehmen, zu deren Leistungen eine Pulverbeschichtung zählt, verfügen über unabhängige Zertifikate ihrer Fertigungstechnik und der Qualität ihrer Produkte. Auch die Lacke selbst müssen strenge Qualitätsanforderungen erfüllen und beispielsweise auch widrigen Witterungsbedingungen über mehrere Jahre trotzen.

Die Geschichte der Pulverlackierung

Die Grundlagen der Pulverlackierung wurden in den späten 1940er und frühen 1950er Jahren entwickelt. Zunächst wurden organische, pulverisierte Polymere auf metallische Oberflächen flammgespritzt. Das erste Standardverfahren für die Pulverbeschichtung war das durch den deutschen Wissenschaftler Dr. Erwin Gemmer entwickelte Wirbelsinterverfahren. Der Nachteil dieser Art der Pulverbeschichtung bestand unter anderem in sehr hohen Schichtdicken, die für viele Anwendungen nicht praktikabel waren. Mitte der 1960er Jahre wurde dieses Problem durch das Aufkommen elektrostatischer Sprühpistolen gelöst, wodurch eine wesentlich feinere Pulverbeschichtung möglich wurde. Die entsprechende Technologie wurde maßgeblich in den USA entwickelt, jedoch kamen die Pistolen für die elektrostatische Pulverlackierung von Anfang an auch in Europa auf den Markt. Mehr oder weniger zeitgleich – zwischen 1966 und 1973 – wurden auch die Grundtypen der in der Pulverbeschichtung heute noch gebräuchlichen Kunststoffe entwickelt.

In den späten 1960er Jahren wurden auch die ersten Beschichtungskabinen vorgestellt. Zunächst handelte es sich dabei um entsprechend umgewandelte herkömmliche Lackieranlagen, für deren Stromversorgung unter anderem ein separates Hochspannungskabel nötig war. Der Umschwung kam mit der Entwicklung der sogenannten Corona-Pistole in den frühen 1970er Jahren, bei der die Hochspannungszufuhr in die Pistole integriert war. Sie wurde zum Prototypen heutiger Pistolen für die Pulverlackierung.

Die Technik für die Beschichtungskabinen und die Spritzpistolen, aber auch die Lacke selbst wurden seit den 1970er Jahren kontinuierlich weiterentwickelt. Heute sind über 90 % der Anlagen für die Pulverbeschichtung mit sogenannten Flachstrahldüsen ausgestattet. Seit den frühen 1990er Jahren befinden sich Pulverlackfördergeräte auf dem Markt.

Im Zuge dieser technologischen Entwicklungen hat sich die Pulverbeschichtung weltweit etabliert. Seit dem Ende der 1980er Jahre zeigt der Markt für die technischen Anlagen sowie der Lacke für die Pulverlackierung ein sehr dynamisches Wachstum. In Europa wurden bereits vor einigen Jahren rund 10 % aller Lackierungen durch eine Pulverbeschichtung vorgenommen. Die Hauptanwendungsgebiete waren und sind die allgemeine Metallbeschichtung, die Pulverlackierung von Haushaltsgeräten („weiße Ware“), Fassadenbeschichtungen sowie die Möbel- und Automobillackierung. Seitdem dürfte sich der Marktanteil der Pulverbeschichtung nochmals deutlich vergrößert haben.

Heute ist es durch innovative Verfahren auch möglich, temperaturempfindliche Werkstoffe wie Kunststoffe einer Pulverlackierung zu unterziehen. Digitalisierung und Industrie 4.0 werden perspektivisch auch die Pulverbeschichtung technologisch revolutionieren.

Das Verfahren: Wie geht eine Pulverbeschichtung vor sich?

1. Oberflächenvorbehandlung

Gezielte Vorbehandlung: Raustrahlen und Sweepen verbessern Haftung.

Eine Pulverlackierung beginnt mit der Vorbehandlung des zu lackierenden Werkstücks. Sie besteht aus mehreren Arbeitsschritten. Zunächst werden die Werkstücke an entsprechenden Halterungen befestigt. An diesen Gestellen werden sie durch den gesamten Applikationsprozess befördert. Wichtig ist, dass diese Vorrichtungen die elektrische Leitfähigkeit der Werkstücke sicherstellen, indem diese geerdet werden.

Anschließend werden die Werkstücke von Oberflächenrückständen wie Staub, Zunder, Rost, Schmutz und Fett befreit. Unter industriellen Bedingungen durchlaufen sie hierfür eine vollautomatische Waschstraße. Zur Reinigung dienen bei Zimmertemperatur verdampfende Reinigungsmittel auf Azetonoder-Ethanol-Basis, die auf der Oberfläche der Werkstücke keine Rückstände hinterlassen. Zur Entfernung von Fettrückständen finden auch Lösemittel oder wässrige Reinigungsmittel Verwendung. Zur Reinigung werden die Werkstücke meist gespritzt oder getaucht. Mechanisch wird der Reinigungsprozess bedarfsgerecht durch Bürsten, Strahlen oder Schleifen unterstützt.

Anschließend werden zur Vorbereitung der Pulverlackierung mehrere Konversionsschichten auf das Werkstück aufgetragen. Diese vergrößern die aktive Oberfläche und damit auch die Lackanbindung. Typische Verfahren sind hier die Phosphatierung von Stahl, die Anbeizung von verzinktem Stahl sowie die Chromatierung, Anodisierung oder Eloxierung von Aluminium. Aufgrund entsprechender gesetzlicher Vorschriften verlieren chrombasierte Konversionsverfahren an Bedeutung. Falls das Werkstück vor der Pulverbeschichtung auch einen Korrosionsschutz erhalten soll, wird dieser ebenfalls als Konversionsschicht aufgebracht.

Zum Abschluss der Vorbehandlung für die Pulverlackierung werden die Werkstücke getrocknet. Typischerweise werden dafür Haftwassertrockner eingesetzt. Vor der eigentlichen Pulverlackierung muss die Oberfläche der Werkstücke absolut trocken sein. Eine gründliche Oberflächenvorbehandlung ist für eine sachgerechte Pulverbeschichtung unverzichtbar, um Lackablösungen oder Krater in der Lackschicht auszuschließen.

Bader Pulverbeschichtung GmbH zeigt im Video die Arbeitsschritte der Pulverbeschichtung.

2. Applikation des Lacks

Nach dem Abschluss der Vorbehandlung werden die Lackpartikel aufgetragen. Auch die Applikation des Lacks besteht aus mehreren Arbeitsschritten:

Förderung und Aufbereitung des Lacks

In der Regel wird der Lack direkt aus dem Gebinde in einen Behälter gefördert. Falls auch mit rückgewonnenem Pulverlack gearbeitet wird, erfolgt dort auch die Vermischung von frischem Pulverlack mit wiederaufbereitetem Rückgewinnungspulver. Vor der Förderung innerhalb der Anlage werden die Lackpartikel in der Regel fluidisiert (mechanisch verschüttelt und verwirbelt), so dass sie Fließeigenschaften gewinnen.

Bei der Förderung der Lackpartikel wird zwischen Massen- und Präzisionsförderung unterschieden. Die Massenförderung dient dem Transport des Lacks zwischen verschiedenen Behältern pro Minute werden hierbei mehr als 5 kg Lackpulver bewegt. Durch die Präzisionsförderung gelangt der Pulverlack in Mengen von 50 bis 100 g/min in die Lackierpistole. Um eine unregelmäßige Pulverbeschichtung zu vermeiden, ist bei diesem Arbeitsgang eine exakte, gleichmäßige und pulsationsfreie Dosierung des Lackpulvers wichtig. Sie wird mit speziellen Injektoren vorgenommen. Ein sehr modernes Förderungsverfahren im Rahmen der Pulverbeschichtung ist die digitale Dichtstromförderung, die sowohl zur Massen- als auch zur Präzisionsförderung Verwendung finden kann. Sie erfolgt nach dem Prinzip der Gegendruckförderung, in dem in zwei Kammern abwechselnd Lackpulver angesaugt oder ein Vakuum erzeugt wird. Das Verfahren ermöglicht eine exakte Dosierung der Lackpartikel, auf eine Fluidisierung des Lackpulvers kann verzichtet werden.

Aufladung und Applikation des Lacks

Die eigentliche Pulverbeschichtung wird mittels Pulversprühpistolen vorgenommen. Mit den Pistolen sind grundsätzlich auch manuelle Lackapplikationen sowie der Betrieb von Handlackierungsanlagen möglich. Der Regelfall ist heute jedoch zumindest in größeren Unternehmen die vollautomatische und digital gesteuerte Pulverlackierung. Häufig eingesetzt werden sogenannte Pulversprühkabinen, die bis auf die Öffnungen für den Transport der Werkstücke komplett geschlossen sind. Sie bestehen aus Glas, Metall oder Kunststoff. Höchste Qualitätsanforderungen an eine Pulverbeschichtung erfüllen sogenannte Umkabinen, die unter Überdruck betrieben werden. Der gesamte Pulverkreislauf geht in ihrem Inneren vor sich, so das Staub- und Schmutzeintragungen ausgeschlossen sind.

Die Applikation des Lacks erfolgt auf elektrostatischem Wege durch die elektrische Aufladung der Lackpartikel. Die Pulversprühpistole erzeugt eine elektrisch gleichnamig geladene Pulverwolke, deren Partikel sich auf der Oberfläche der Werkstücke niederschlagen, dort elektrostatisch haften und die Pulverlackschicht bilden. Für die Aufladung der Lackpartikel gibt es verschiedene Verfahren, die sich nach der technischen Ausstattung der jeweils verwendeten Sprühpistole richten:

Ionisation (Corona-Applikation)

Bei einer Aufladung durch Ionisation werden die Lackpartikel an einer Elektrode entlanggeführt, die eine Spannung von 30 bis 100 kV aufweist. Durch die Hochspannung wird die Umgebungsluft der Partikel ionisiert. Wenn die Lackpartikel das elektrische Feld zwischen dem geerdeten Werkstück und der Hochspannungselektrode der Spritzpistole passieren, lagern sich an ihrer Oberfläche Luft-Ionen an. Allerdings handelt es sich dabei nur um 1 bis 3 % der vorhandenen Luft-Ionen, die restlichen freien Ionen werden als Raumladung bezeichnet. Im Rahmen der sogenannten ionenarmen Corona-Aufladung werden diese Ionen durch eine zusätzliche Elektrode an der Spitze der Pulversprühpistole aufgenommen, so dass deren Ladung abgeleitet wird. Namensgebend für dieses Verfahren ist die Corona – eine blau-weiße Lichterscheinung an der Spitze der Hochspannungselektrode.

Der wichtigste Vorteil der Corona-Applikation liegt in ihren universellen Einsatzmöglichkeiten. Viele Lacke und insbesondere der größte Teil der Effektpulverlacke sind für andere Aufladungsverfahren ungeeignet. Vor allem die ionenarme Corona-Aufladung unterstützt das Entstehen einer sehr glatten Lackschicht. Der Luftverbrauch sowie der Verschleiß der Lackierpistolen ist bei diesem Verfahren geringer als bei anderen Aufladungsvarianten.

Triboelektrische oder elektrokinetische Aufladung

Bei einer triboelektrische Aufladung wird die elektrostatische Aufladung durch die Berührung der Partikel mit den Wandungen der Lackierpistole bewirkt, aus deren Beschichtungsmaterialien sich im Rahmen eines Reibungsvorgangs Elektronen lösen. Um möglichst große Berührungsflächen zu erzeugen, sind die Sprühpistolen für eine triboelektrische Aufladung mit einem Ringspalt- oder Spiralkanal versehen, der mit einer Teflon-Beschichtung ausgestattet ist. Da sich die Lackpartikel sehr schnell von der Lackierpistole lösen, bleibt ihre elektrostatische Aufladung auch während des Zerstäubungsvorgangs erhalten.

Die triboelektrische Aufladung ist hervorragend für eine Pulverbeschichtung mit mehreren Lackschichten geeignet. Weitere Vorteile des Verfahrens bestehen in geringeren Anschaffungskosten und guter Automatisierbarkeit. Bei einer manuellen Pulverbeschichtung ist es möglich, die Pistole beliebig nahe an die zu lackierende Oberfläche heranzuführen. Allerdings ist dieses Verfahren nur für wenige Effektlacke verwendbar, da hiermit das angestrebte Effektbild nicht erreicht wird.

Alternative Aufladungsverfahren

Alternative Aufladungsverfahren für die Pulverbeschichtung sind die Wirbelsinterung, das Coil-Coating-Verfahren sowie das Auftragen von Pulverlacken als wässrige Suspension. Letzteres kommt vor allem in der Automobilindustrie zum Einsatz. Die Wirbelsinterung wurde für die Applikation thermoplastischer, nicht vernetzender Pulverlacke verwendet und ist heute nicht mehr gebräuchlich. Durch das innovative Coil-Coating wird die Pulverbeschichtung von Stahlbändern (Coils) direkt im Walzwerk vorgenommen. Da diese die Walzstraße mit sehr hoher Geschwindigkeit durchlaufen, besteht eine Herausforderung dieses Verfahrens darin, eine ausreichend schnelle Vernetzung von Stahl und Pulverlack zu erzielen.

Einbrennen (Vernetzung) und Trocknung

Der vorletzte Arbeitsgang der Pulverbeschichtung ist das Einbrennen oder Vernetzen des Pulverlacks in die Werkstückoberfläche. Es erfolgt in einem Ofen oder Trockner. Die Einbrenntemperaturen für eine Pulverlackierung liegen meist zwischen 140 und 200°C. Theoretisch sind Temperaturen zwischen 110 und 250°C möglich. Lacke, die bereits bei Temperaturen von weniger als 140°C vernetzen, werden als Niedrigtemperaturlacke bezeichnet. Zum Teil erfordern sie eine Verlängerung der Einbrenndauer.

Während des Vernetzungsvorgangs wird zwischen der Haltezeit – dem Zeitraum, für den der Lack auf der Einbrenntemperatur gehalten wird – und der von der Dicke der Lackschicht abhängigen Aufheizzeit unterschieden. Aus der Summe von Halte- und Aufheizzeit ergibt sich die Verweilzeit des Werkstücks im Einbrennofen. Die Verweilzeit sowie die exakte Ofentemperatur hängen vom Einbrennfenster des Lacks, dem Werkstückdurchsatz sowie von trocknerspezifischen Faktoren ab. Die Haltezeit für eine Pulverbeschichtung liegt zwischen 5 und 30 Minuten.

Materialien für die Pulverbeschichtung

Mit einer Pulverbeschichtung können praktisch alle Metalle versehen werden. In der Praxis werden jedoch vor allem Edelstahl und Aluminium mit einer Pulverlackierung versehen. Ausnahmen bilden lediglich kalt gelötete Metalle, Werkstücke aus Reinzink sowie Objekte, auf deren Oberflächen sich Silikonrückstände befinden. Wichtig ist, dass alle Elemente eines Werkstücks, das mit einer Pulverbeschichtung veredelt werden soll, hitzebeständig sind, um den Einbrennvorgang zu überstehen.

Axalta Coating Systems auf der Tube/Wire 2018

Thermoplastische Pulverlacke für die Pulverbeschichtung

Die Pulverbeschichtung ermöglicht, ein breites Farbkartenspektrum inklusive von Sonderfarben sowie unterschiedliche Glanzgrade zu realisieren. Effektpulverlacke erzeugen beispielsweise Metallic- oder Glanzglimmereffekte. Ebenso ist es möglich, eine Pulverbeschichtung mit antimikrobiologischen, antistatischen oder Anti-Grafitti-Eigenschaften auszustatten oder ihr besondere Robustheit zu verleihen. Lediglich Leucht- und Neonfarben der RAL-Karte werden aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Lebensdauer für eine Pulverbeschichtung nicht mehr verwendet.

Wichtig ist es auch, Fehler beim Pulverlackieren durch Kenntnisse im Gesamtprozess zu vermeiden.

Schichtdicke und Partikelgröße von Pulverlacken

Die Schichtdicke einer Pulverlackierung beläuft sich typischerweise auf 60 bis 120 μm, jedoch sind auch von diesen Werten abweichende Beschichtungsdicken möglich.

Die Pulverlacke für eine Pulverbeschichtung bestehen aus körnigen, trockenen Lackpartikeln mit einer Größe zwischen einem und 100 μm. Sie werden in der Regel auf der Basis von Epoxidoder Polyesterharzen hergestellt. Hybridsysteme sind in der Lage, beide Substanzen als Bindemittel zu verwenden. In bestimmten Anwendungsbereichen kommen für eine Pulverlackierung auch PVC, Polyurethan, Polyamid oder Acryl zum Einsatz. Für das Verhalten eines Lacks während der Pulverbeschichtung sind seine mechanischen Eigenschaften – beispielsweise seine Rieselfähigkeit und seine Partikelgröße – ausschlaggebend. Ihre chemische Zusammensetzung spielt demgegenüber nur eine sekundäre Rolle. Da die Lackpartikel temperaturempfindlich sind und ihr Schmelzpunkt bereits bei etwa 50°C liegt, neigen sie während der Applikation häufig zum Versintern.

Alle zwei Jahre findet die Paintexpo Leitmesse für industrielle Lackiertechnik statt. In Karlsruhe zeigt die Branche, welche neuen Möglichkeiten es für die wirtschaftliche Oberflächentechnik von Funktionsteilen und Baugruppen gibt.

Meeh

GSB-konforme Beschichtungsanlage auf kleinem Raum

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