Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Digitale Optimierungswerkzeuge zur prozesssicheren Oberflächenaktivierung von Polyolefinformteilen aufbauend auf fundierter Oberflächenanalytik (SiBeFla)

Kunststoffe auf Polyoefinbasis gewinnen immer mehr an Bedeutung. Für die Beschichtung, Verklebung oder Folierung müssen diese Werkstoffe aktiviert werden, wobei die Beflammung sich als kostengünstigste Variante erwiesen hat. Speziell für Beschichtungsaufbauten ohne Haftvermittler ist für 3D-Formteile eine homogene und ausreichende Oberflächenaktivierung essenziell.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die digitale Abbildung des Beflammprozesses zur gezielten Prozess- und Produktoptimierung. Dazu werden zunächst die Auswirkungen unterschiedlicher Beflammparameter auf die Oberflächenaktivierung und Lackhaftung quantifiziert und das Zweistoffgemisch Brenngas/Luft hinsichtlich Mischung, Ausbreitung und Temperatur fluiddynamisch berechnet. Damit wird die Aktivierung in Abhängigkeit der Beflammparameter beschrieben, in ein bestehendes Simulationstool integriert und an komplexen 3D-Formteilen getestet. Die Simulation wird abschließend durch Haftfestigkeitsuntersuchungen an lackierten Bauteilen feinjustiert und die Visualisierung um die Darstellung der Lackhaftung ergänzt.

Die Ergebnisse dieses Vorhabens dienen der prozesssicheren Aktivierung von Polyolefinformteilen, vor allem im Hinblick auf den technisch neuen und anspruchsvollen Lackierprozess ohne Haftvermittler. Damit wird vor allem KMU, die in der Automobilzulieferindustrie z. B. die Kunststofflackierung durchführen, die Möglichkeit gegeben, den Beflammprozess bauteilangepasst und prozesssicher zu gestalten und die notwendige Beständigkeit der lackierten Bauteile zu gewährleisten.

Ergebniszusammenfassung:

Der Beflammvorgang und das anschließende Lackieren wurden reproduzierbar am Fraunhofer IPA hinsichtlich der Haftfestigkeit von Beschichtungen auf Polypropylen-Spritzgussteilen untersucht. Dabei wurde die Haftfestigkeit der Beschichtungen mittels des Hochdruckwasserstrahltests bestimmt. Die Untersuchungen und Beschreibungen der Vorgänge beinhalteten systematische Versuchspläne nach DoEs, die Charakterisierung der Oberflächen mit analytischen Verfahren, die anschließende Visualisierung des Beflammvorgangs mittels Infrarotkameras, fluiddynamische Simulationen der Flammen und dynamische Simulationen des Prozesses.

Zentrales Ergebnis dabei ist, dass für die Beflammwirkung vor allem die Temperatur und die Sauerstoffkonzentration direkt auf der Oberfläche entscheidend sind. Es treten verschiedene Haftfestigkeitsverluste auf, vor allem adhäsives Versagen an der Grenze Substrat zu Lack und kohäsiver Bruch im Substrat direkt unter der Oberfläche. Aus diesen Gründen kann eine dynamische Simulation nur einen Teil der Haftfestigkeitsveränderungen beschreiben.

Die Optimierung der Haftfestigkeit von Beschichtungen auf Polypropylen im Allgemeinen und des Beflammvorgangs im Speziellen kann mit den Projektergebnissen massiv beschleunigt werden, da nun systematisch und mit entsprechenden Hilfswerkzeugen vorgegangen werden kann. Es sind mit diesem Projekt die Grundlagen gelegt, dass in Simulationsprogramme für den Beschichtungsprozess das Thema Beflammen integriert werden kann.