Innovative Hochrotationszerstäuber für Lackierprozesse / 05.04.2017

Mit 80.000 Umdrehungen zum optimalen Lackauftrag

Transparente Darstellung des neuen kompakten Hochrotationszerstäubers für einen verbesserten und sparsameren Lackauftrag. © Eisenmann

Ziel des Projektes ist, einen Hochrotationszerstäuber zu entwickeln, der durch seine werkstofftechnische Gestaltung und durch sein verfahrenstechnisches Konzept möglichst energieeffizient arbeitet und zugleich die Lackierungsqualität steigert.

Bei der Serienlackierung von Automobilkarossen und Anbauteilen kommen Hochrotationszerstäuber aufgrund ihrer hohen Materialausbeute und dem hohen Materialdurchsatz zum Einsatz. So wird die Karosserie eines Autos zum Beispiel mit einem Hochrotationszerstäuber bei Drehzahlen bis zu 80.000 Umdrehungen pro Minute lackiert. Der Lack wird dabei an der rotierenden Glockentellerkante zerstäubt und durch Lenklüfte auf die Oberfläche gebracht. Ein elektrostatisches Hochspannungsfeld von 65 bis 90 Kilovolt (kV) zwischen Zerstäuber und Bauteil erhöht den Auftragswirkungsgrad. Dieser Lackierprozess steht als energieintensiver Produktionsschritt im Fokus heutiger wirtschaftlich-ökologisch begründeter sowie gesetzlich forcierter Kohlenstoffdioxideinsparungen. Außerdem erfordern anfallende Lackschlämme und die Emission flüchtiger organischer Verbindungen immer effizientere Auftragungsverfahren. Konventionelle Hochrotationszerstäuber geraten dabei zunehmend an ihre Grenzen.

Neues Verfahren spart Lack und Energie

Die im neuen Hochrotationszerstäuber realisierten Verbesserungen.
Die im neuen Hochrotationszerstäuber realisierten Verbesserungen. © Eisenmann

Aus diesem Grund steht im Rahmen des Verbundvorhabens „Energieeffiziente und ressourcenschonende Lackauftragsverfahren durch Hochrotationszerstäuber nicht konventioneller Bauart“ eine detaillierte Betrachtung zugrundeliegender physikalischer, verfahrens- und werkstofftechnischer Zusammenhänge des Zerstäubungsprozesses im Vordergrund. Auf dieser Basis soll eine energetisch optimierte Auslegung und ein ressourcenschonendere Betrieb effizienter Zerstäuber ermöglicht werden. Durch eine schlankere Bauform sind kleinere Massen zu beschleunigen; das ermöglicht dem Hochrotationszerstäuber höhere Rotations- und Transversalgeschwindigkeiten. Im Vergleich zum Stand der Technik soll der Zerstäuber im Prozess eine homogenere Lackschicht mit geringerer Schichtstärke auftragen. Verbunden mit einem engen Tropfenspektrum soll der Lackvolumenstrom bei gleichbleibender Zerstäubungsfeinheit gesteigert werden.

Grundlegende Untersuchung von Tropfenbildung und Zerstäubung

Behandelte Aufgabenbereiche zur Optimierung des Lackierprozesses mittels Hochrotationszerstäuber: Neben der Entwicklung des Zerstäubers wurden Auslegung, Beschichtung und Kantenform des Glockentellers und das Lackierergebnis untersucht. © Eisenmann

Am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik (IMVT) erfolgten die experimentellen Untersuchungen auf Basis von newtonschen Modellflüssigkeiten. Die Nachstellung realer Klarlacksysteme basierte dabei auf Wasser-Glyzerin-Mischungen. Diese Flüssigkeiten dienten zur experimentellen Ermittlung und Charakterisierung des Zerfallsverhaltens an der Glockenkante und zur Messung der resultierenden Tropfengröße. Im Bereich des Fadenzerfalls konnten der Strahlradius, die Strahlbahn und die Tropfengröße mit einem physikalisch-mathematischen Modell beschrieben werden. Es zeigte sich eine gute Übereinstimmung der experimentell ermittelten Größen mit den berechneten Werten. Mit zusätzlichen Ähnlichkeitsbeziehungen zur Tropfengröße wurde zudem der Einfluss aller relevanten Betriebsparameter aufgezeigt. Beim Einsatz des Doppellenkluftsystems konnte durch die Vermessung der Tropfengröße mit einem Laserstreulichtmessgerät und der Tropfenbewegung mit einem Laser-/Phasen-Doppler-Anemometer erfasst werden, welche Einflüsse die aufgeprägten Luftströme haben. Neben diesen analytischen und experimentellen Studien lieferten numerische Betrachtungen der Glockeninnenströmung Informationen hinsichtlich Filmhöhe und Filmgeschwindigkeit. Dabei konnte der Gültigkeitsbereich dieser Bewertungsgrößen von rotierenden Scheiben auf die Flüssigkeitsverteilung in der Zerstäuber-Glocke eines Hochrotationszerstäubers erweitert werden. Die numerische Betrachtung des Doppellenkluftsystems ermöglichte einerseits die energieeffiziente Auslegung dieser Komponente als auch die Beschreibung der Auswirkungen auf die Tropfenbewegung und der daraus resultierenden Massenverteilung auf dem Bauteil.

Das beste Material für die Zerstäuber-Schale finden

In dem vorliegenden Forschungsvorhaben wurden am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF) alternative Werkstoffe für den Einsatz als Konstruktionswerkstoff für Hochrotationszerstäuber-Glocken untersucht, um ein neues energieeffizientes und ressourcenschonendes Zerstäuberkonzept zu entwickeln. Neben der bisher verwendeten Aluminiumlegierung EN AW-2024 kamen die Werkstoffe Titan Ti6Al4V, Stahl X5CrNiCuNb 17-4-4 und CKF als auch die Beschichtungen vom Typ Cr-Ni und DLC (Diamond-Like-Carbon) zum Einsatz. Es erfolgte eine eingehende Charakterisierung und detaillierte Untersuchung der Grundwerkstoffe sowie beider Beschichtungsarten. Im ersten Schnitt wurde anhand von metallografischen Schliffen die Mikrostruktur der Werkstoffe analysiert und mittels Zugversuchen die statischen Festigkeitskennwerte ermittelt. Die Kennwerte der zyklischen Festigkeit ergaben sich aus der Analyse von glatten, polierten Proben. Wesentliche Komponenten von Hochrotationszerstäubern werden zusätzlich tribologisch und korrosiv beansprucht. Aus diesem Grund waren hierfür Experimente zu Korrosion und Verschleiß an den Werkstoffen ohne und mit Beschichtungen erforderlich. Die Basis der numerischen Untersuchungen bildeten die ermittelten Werkstoffkennwerte. Zu Beginn stand dabei die Analyse der Beanspruchung der gesamten Zerstäuber-Schale im Vordergrund. Die Untersuchung der lokalen Beanspruchung an unterschiedlichen Förderstrukturen wurde anhand der Submodelltechnik durchgeführt. Anschließend erfolgten die Bewertungen der Berechnungsergebnisse nach FKM-Richtlinie und eine iterative Optimierung der Zerstäuber-Schale hinsichtlich Masse und Lebensdauer.

Video: PKW-Lackierung

Die physikalischen Zusammenhänge beim Zerstäubungsprozess erfassen

Der Schwerpunkt bei der EISENMANN SE in diesem Forschungsvorhaben lag darauf, die physikalischen Wirkzusammenhänge beim Zerstäubungsprozess realer Lacke zu erarbeiten und darzustellen. Die hier gewonnenen Kenntnisse wurden für die gezielte Entwicklung einzelner Zerstäuber-Komponenten genutzt. Insbesondere Auswirkungen durch die geometrische und werkstofftechnische Ausgestaltung der Glockenteller sowie der Lenk- und Formluftgeometrie auf das Tropfengrößenspektrum sind umfangreich abgebildet worden. Dieses Vorgehen bildet eine solide Basis für zukünftige Produktgestaltungen. So können nachfolgende Entwicklungsprojekte zur Gestaltung eines optimierten Hochrotationszerstäubers gezielter durchgeführt werden. Dies wird letztendlich zu ressourcenschonenderen Validierungsabläufen im Anlagenbau und im Einsatz bei den industriellen Kunden führen. Mit den Messmethoden zur Bestimmung der Tropfengrößen und der Beschichtungsqualität konnten innovative Produktkonzepte untersucht, bewertet und optimiert werden. Durch das erarbeitete Grundlagenwissen zur Hochrotationszerstäubung in der Lackiertechnik lässt sich außerdem, über die im Projekt erarbeiteten Vorhersagemodelle hinaus, gezielter auf Simulationsmodelle hinarbeiten. Dadurch wird der Anteil notwendiger Kundenvalidierungen weiter reduziert. Zusätzliche Beschichtungsoptimierungen, die heute gegebenenfalls experimentell auf komplexen Bauteilen nicht immer umsetzbar sind, werden damit ermöglicht und eine Über- und Fehlbeschichtung vermieden. Die Grundlage zur Effizienzsteigerung der Anlagen ist somit gegeben.

Video: Eisenmann Paint Application

Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben
Energieeffiziente und ressourcenschonende Lackauftragsverfahren durch Hochrotationszerstäuber nicht-konventioneller Bauart

Förderkennzeichen:
03ET1091A,B

Laufzeit:
01.06.2012 – 31.05.2016

Projektbeteiligte:

Projektleiter: Jan Reichler

Konzeption, Konstruktion, Demonstratorbau und betriebliche Tests
Eisenmann Anlagenbau, Holzgerlingen

Zerfallsverhalten und Tropfengrößenspektrum, Modelle zur Vorhersage des Tropfendurchmessers
Universität Stuttgart, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik IMTV

Verformungsverhalten der Bestandteile des Hochrotationszerstäubers
Universität Stuttgart, Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre IMWF

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.