Digitalisierung für den Lack

Experten des Fraun­hofer IPA haben jetzt neue Messmethoden zur Bestimmung von Kennwerten entwickelt, mit denen das Verlaufsverhalten von Lacken direkt beschreibbar ist. Über ein Simulationsprogramm können Lackverarbeiter so mit einem Rotationsviskosimeter das Verlaufen des jeweiligen Lacks vorhersagen.

Scherabhängigkeit der Viskosität eines Wasserbasislacks. Grafik: Fraunhofer IPA -

Schon seit einiger Zeit werden die Prozess- und Produktionsdaten in Lackierereien erfasst. Das betrifft nicht nur die Fertigungssteuerung, sondern auch Stückzahlen und Verteilungen von Werkstücken, Farben etc. über die Lackierlinien bis zur Aufzeichnung der Lackmengen mit einer zeitlichen Auflösung von 100stel Sekunden. Zunehmend verstärkt wird die Erfassung von Qualitätsdaten automatisiert, wie Fortschritte in der Anwendung von Deflektometrie oder Terahertz-Strahlung zeigen. Aus diesem Grund bietet es sich an, die Prozessdaten mit den Qualitätsdaten zu vernetzen. So stehen schon viele Ansätze zum maschinellen Lernen zur Verfügung. Ziel wäre es dann, schrittweise von der Sichtbarkeit des Anlagenstatus zur Transparenz der Anlage und noch weiter zu einer Prognosefähigkeit zu kommen. Final soll sich dann die Anlage selbst optimieren können.

Problemstellung

Links klassische Scherkurve für drei Chargen eines Lacks, rechts die Berechnung der verlaufsrelevanten effektiven Viskosität für dieselben Chargen, mit deutlichen Abweichungen einer Charge.

Links klassische Scherkurve für drei Chargen eines Lacks, rechts die Berechnung der verlaufsrelevanten effektiven Viskosität für dieselben Chargen, mit deutlichen Abweichungen einer Charge.

Derzeit ist insbesondere der Schritt zur Vorhersage von Qualitätsabweichungen oder Anlagenstörungen noch weit entfernt. Ein wesentlicher Punkt dabei ist, dass die Eigenschaften des Lackmaterials nicht genügend ins Kalkül gezogen werden können. Verantwortlich sind dafür zwei Faktoren: Einerseits liegen beim Lackverarbeiter, der die Prozess- und Qualitätsverantwortung innehält, die Daten oft nicht digital vor. Es fehlt ein Automatismus, damit zu jeder Charge auch die aktuellen Werte so übermittelt werden, dass dies in die Korrelation der Daten mit einbezogen werden kann. Andererseits ist auch das Prozessverständnis noch nicht ausreichend, um die Wechselwirkung zwischen Lack und Lackverarbeitung im Detail zu beschreiben. Darstellen lässt sich diese Herausforderung gut an einer zentralen Lackeigenschaft für die Verarbeitung: der Viskosität. Im Datenblatt findet man Angaben wie „sek 4 mm DIN 20 °C“ oder „Brookfield-Viskosität“, im besten Falle „Scherviskosität bei 1000s-1 und 23°“. Will man nun aber die Qualität der lackierten Oberfläche mit dem Prozess in Beziehung setzen, so ist die Zerstäubung ein wesentlicher Faktor, haben die Tröpfchengrößen doch Einfluss auf Farbton, Orange-Peel, Overspray etc. Dort aber wird der Lack mit 100.000-200.000 s-1 geschert und hat dann nur noch ein Fünftel der angegebenen Viskosität (Grafik 1).

Verlaufsverhalten

Berechnete (durchgezogene Linie) und gemessene (Rauten) Abnahme der Oberflächenwelligkeit während des Verlaufens.

Berechnete (durchgezogene Linie) und gemessene (Rauten) Abnahme der Oberflächenwelligkeit während des Verlaufens.

Der nächste Prozess, den der Lack erfährt, ist das Verlaufen. Hier sind die vorliegenden Scherraten extrem klein. Sie liegen in der Größenordnung 0,01 bis 0,001 s-1. Die Viskosität kann hier bis zu mehreren Pascalsekunden ansteigen. Allerdings ist in diesem Bereich die reine Scherviskosität nicht mehr die richtige Kenngröße, da sonst thixotrope und visko-elastische Effekte vernachlässigt werden. Am Fraunhofer IPA wurden deshalb neue Messmethoden entwickelt, mit denen auf Standard-Rotationsviskosimetern Kennwerte ermittelbar sind, die direkt das Verlaufsverhalten beschreiben (Grafik 2). Der neue Messablauf besteht aus einer Abfolge von rotierenden und oszillierenden Viskositätsmessungen und der Auswertung mittels eines Simulationsprogramms. Dieses Programm kann aus den Rheometermessungen das Verlaufen des Lacks automatisch vorhersagen (Grafik 3). Die Software ist inzwischen so optimiert, dass sie auch vom Lackhersteller oder Lackverarbeiter selbst anwendbar ist, wenn ein Rotationsviskosimeter zur Verfügung steht. In anderen Projekten zeigte sich, dass es vorkommen kann, dass die üblicherweise gemessene Scherkurve für verschiedene Lackchargen identisch ist, aber bei der neuen Vorgehensweise eine Charge deutliche Abweichungen zeigt. Im Bereich der Rheologie sind also deutliche Fortschritte im Prozessverständnis erzielt worden, die in praktikablen Messabläufen und -auswertungen mündeten. In Zukunft muss dies auf weitere Kenngrößen erweitert werden, bis ein zusammenhängendes digitales Abbild eines Lacks aufgebaut werden kann.

Zum Netzwerken:

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, Dr. Michael Hilt, Tel. +49 711 970 3820, michael.hilt@ipa.fraunhofer.de,

Dr. Oliver Tiedje, Tel. +49 711 970 1773, oliver.tiedje@ipa.fraunhofer.de, www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung

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