Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Vorhersage der Oberflächeneigenschaften zerstäubender Lackapplikationstechniken durch Modellierung der Filmbildung beim Tropfenaufprall

Für die zerstäubenden Lackapplikationsverfahren als wichtigste Lackierverfahren in der Industrie sind viele Effekte bei der Bildung des Lackfilmes noch unverstanden. Dies führt zu Einbußen in der Effizienz durch Lackierfehler, z. B. durch Lufteinschlüsse, durch zu hohe Schichtdicken und ineffiziente Lackierparameter zur Erreichung einer guten Appearance und durch aufwändige Sonderprozesse zur Erzeugung innovative Farbeffekte. Zu einer nachhaltigen Lösung ist es erforderlich, den relevanten Prozess des Auftreffens der Lacktröpfchen und dem anschließenden Verfließen genauer zu untersuchen, wofür die Kapazitäten gerade bei KMU nicht ausreichen. Möglich wird dies auf der einen Seite bei numerischen Verfahren durch ständig fortlaufende Weiterentwicklung von Lösungsalgorithmen in Verbindung mit Steigerung von Rechnergeschwindigkeiten, so dass physikalisch komplexe Prozesse ausreichend genau modelliert werden können und auf der anderen Seite erlauben es moderne experimentelle Messtechniken wie optische Profilometrie, Hochgeschwindigkeitskamera oder erweiterte Rheometrie die erforderlichen Eingangs- und Vergleichsdaten zu bestimmen. Zudem gibt es auch neuere apparative Entwicklungen, wie Tropfengeneratoren, die im Projekt zur Verfügung stehen. Die erzielten Erkenntnisse werden bei Lieferanten von Rohstoffen (Form und Größe der Effektpigmente), bei Lackherstellern (komplexe rheologische Einstellungen), bei Applikationsherstellern (Tröpfchengröße und -impuls) und bei Lackanwendern (Prozessbedingungen für einen robusten Prozess) sowie bei Beratungs- und Messtechnikfirmen neue, innovative Produktentwicklungen erlauben. Neben den großen Unternehmen sind in diesen Branchen viele KMU zu finden, die sehr schnell und flexibel aus den Projektergebnissen neue Geschäftsmodelle entwickeln können. In dem interdisziplinären Kontext sollen eine hohe Prozesssicherheit bei geringem Materialbedarf ermöglicht und gleichzeitig effizient neue Farbeffekte eingeführt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Der Spritzlackierprozess besteht aus der Materialversorgung, der Lackapplikation, dem Ablüften und dem Einbrennen. Während sich mit der Zerstäubung und dem Tropfenflug viele Untersuchungen, sind im Fall von Lackanwendungen dem Tropfenaufprall nur wenige grundlegende Studien gewidmet.

Im Projekt konnten Daten zur Auftreffgeschwindigkeit, Tropfengröße, Schichtdicke, Viskosität und Oberflächenspannung zur zeitliche Dynamik des Ausbreitens bzw. Krater-Einschlags erhalten werden, sowohl simulativ als auch experimentell mit der Hochgeschwindigkeitskamera. Es wurden verschiedene Aufprallregime (Aufsetzen, Kraterschlagen, …) identifiziert und mit dimensionslosen Kennziffern (Reynoldszahl etc.) in Zusammenhang gebracht.

Lufteinschlüsse konnte sowohl in der Simulation als auch im Experiment gefunden werden. Kritische Einschlüsse konnten mit extrem großen Tropfen in Verbindung gebracht werden. Vor allem Luftblasen mit Kontakt zum Substrat (sehr frühe oder sehr schnelle Tropfen) verbleiben lange im Film und können somit zu Pinholes führen.

Es ist gelungen, das Simulationsmodell um ein starres Pigment zu erweitern. Damit konnte Studien zur Geschwindigkeit, Anfangsorientierung etc. durchgeführt werden, mit dem Resultat, dass unter bestimmten Umständen (Geschwindigkeit, Viskosität, Größe) das Pigment zufällig durcheinandergewirbelt wird und somit der Farbeffekt reduziert wird. Die Validierung konnte nur teilweise erreicht werden.

Die Ergebnisse ermöglichen nun erstmals systematische Optimierungen der Prozesse bei den vielen mittelständige Lackierbetrieben. Außerdem ist die Grundlage gelegt, um die Entwicklungen von Lackmaterialien auf eine digitale Vorhersage auszubauen.