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17.10.2019

Trocknen

Trocknen: 30.11.2012

Mit numerischer Simulation zu effizienter Lacktrocknung

Lacktrockner gehören zu den größten Energieverbrauchern in Lackieranlagen. Mit Hilfe der numerischen Simulation lässt sich zeigen, dass Konvektionstrockner oft ein hohes Optimierungspotenzial hinsichtlich der Geschwindigkeit und Gleichmäßigkeit der Werkstückaufheizung aufweisen. Die dadurch reduzierbare Trocknungszeit ermöglicht kürzere und energiesparende Trockner bzw. einen höheren Teiledurchsatz.

Simulation der vergleichmäßigten Aufheizung bzw. der verkürzten Aufheizzeit im Konvektionstrockner bei einem komplexen Bauteil durch die gezielte Anpassung der Düsenströmung an das Werkstück.

Simulation der vergleichmäßigten Aufheizung bzw. der verkürzten Aufheizzeit im Konvektionstrockner bei einem komplexen Bauteil durch die gezielte Anpassung der Düsenströmung an das Werkstück.

In heutigen Konvektionstrocknern werden dickwandige Bereiche der lackierten Teile oft zu langsam und dünnwandige Bereiche zu schnell aufgewärmt. Dies kann zu Qualitätseinbußen bei der Beschichtung, aber auch bei den Werkstücken selbst, beispielsweise in Form von unerwünschten Verformungen führen. Die Orientierung der Trocknungszeit an den massereichsten Werkstückbereichen führt oft zu langen Trocknungszeiten bzw. zu langen Trocknerstrecken, verbunden mit hohen Energie- und Kapazitätsverlusten.

Zum Erkennen von Optimierungspotenzialen und Bewerten von Maßnahmen steht am Fraunhofer IPA ein Werkzeug in Form eines Simulationsprogramms für die Lacktrocknung in Konvektionstrocknern zur Verfügung.

Simulation der momentanen Temperaturverteilung auf der Werkstückoberfläche während der Aufheizung im Konvektionstrockner: Dargestellt ist die Situation vor und nach der gezielten Anpassung der  Düsenströmung an das Werkstück. Quelle (drei Grafiken): Fraunhofer IPA

Simulation der momentanen Temperaturverteilung auf der Werkstückoberfläche während der Aufheizung im Konvektionstrockner: Dargestellt ist die Situation vor und nach der gezielten Anpassung der Düsenströmung an das Werkstück. Quelle (drei Grafiken): Fraunhofer IPA

Maßnahmenbewertung

Mit der Vorhersage des örtlichen und zeitlichen Temperaturverlaufs und der Lösemittelverdampfung auf dem lackierten Werkstück eröffnen sich neue Möglichkeiten, Schwachstellen im Trocknungsprozess zu analysieren und verfahrenstechnsche bzw. konstruktive Verbesserungsmaßnahmen virtuell zu untersuchen. Beispiele für solche Maßnahmen sind die Optimierung der Werkstück-Anordnung im Konvektionstrockner und die gezielte Anpassung der Düsenströmung an die jeweilige Werkstückgeometrie. Ziel dieser Maßnahmen ist eine schnellere und gleichmäßigere Aufheizung der Werkstücke durch eine genau dosierte Anströmung der dickwandigen und dünnwandigen Werkstückbereiche. Durch die mittels der Simulation optimierte Aufheizung der Werkstücke lassen sich die Trocknungszeit und damit – infolge der kürzeren Trocknerstrecke – die Energiekosten reduzieren bzw. der Teiledurchsatz erhöhen. Durch die gleichmäßigere Aufheizung wird die Gefahr von Beschichtungsfehlern – verbunden mit erhöhtem Nacharbeitsaufwand – reduziert bzw. der Einsatz neuer umweltfreundlicher Lacksysteme und Trocknungsprozesse erleichtert. Am Fraunhofer IPA wird die Simulation des Lacktrocknungsprozesses  inzwischen auch als Bestandteil der "digitalen Fabrik" und damit als ein modernes und effektives Werkzeug zur Optimierung von Fertigungsprozessen und Fabrikabläufen eingesetzt. 

Simulation der momentanen Temperaturverteilung auf der Werkstückoberfläche während der Aufheizung im Konvektionstrockner: Dargestellt ist die Situation vor und nach der gezielten Anpassung der  Düsenströmung an das Werkstück. Quelle (drei Grafiken): Fraunhofer IPA

Die Bilder zeigen am Beispiel eines vereinfachten Großmotor-Modells die simulierten Aufheizkurven vor und nach der strömungstechnischen Optimierung des Konvektionstrockners. Durch die gezielte Anpassung der Düsenströmung  an das Werkstück kann die Aufheizzeit der dickwandigen Bereiche deutlich verkürzt und die Aufheizung aller Werkstückbereiche insgesamt  vergleichmäßigt werden.

Gesteuerter Wärmeeintrag

Das Fraunhofer IPA setzt das Simulationswerkzeug auch zur Optimierung und Neugestaltung von Karosserietrocknern ein. Im Rahmen der Innovationsallianz Green Carbody Technologies – InnoCaT werden im Teilprojekt "Neue Trocknerkonzepte für energieeffizienten Betrieb" mit Hilfe der Simulation wirtschaftlich umsetzbare Maßnahmen zur Energieeinsparung in bestehenden Trockneranlagen ("Brown­field") untersucht sowie energieeffiziente Trocknerkonzepte in Verbindung mit der Planung neuer Lackieranlagen ("Greenfield") entwickelt. Ein wesentliches Ziel stellt auch hier der gesteuerte Wärmeeintrag in das Werkstück, d.h. die Karosserie dar, um dickwandige Bereiche schneller aufheizen zu können, ohne die dünnwandigen Bereiche zu überhitzen. Die damit verbundene Möglichkeit zur Verkürzung der Trocknerstrecke bietet signifikante Einsparpotenziale hinsichtlich Wärme- und Elektroenergie sowie hinsichtlich Platzbedarf, Gebäude-, Anlagen- und Betriebskosten.

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, Dr. Michael Hilt, Tel. +49 711 970-3820, michael.hilt@ipa.fraunhofer.de, Dr.-Ing. Karlheinz Pulli, Tel. +49 711 970-1125, karlheinz.pulli@ipa.fraunhofer.de, www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung

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