Ausschussarmes Lackieren von Kunststoffen

Nicht nur in der Automobilindustrie setzen Hersteller verstärkt auf Kunststoffbauteile. Geht es darum, den Produkten eine attraktive Optik und Haptik, ein individuelles Erscheinungsbild, Widerstandsfähigkeit gegen mechanische, chemische und physikalische Angriffe sowie spezielle funktionale Eigenschaften zu verleihen, kommt die Lackierung ins Spiel. Dabei sind einige Herausforderungen zu meistern. Dazu zählen eine optimierte Qualität bei höherer Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit. Hinzu kommen immer kleiner werdende Losgrößen und die zunehmende Farbvielfalt.

Optimierungspotenziale erkennen

Schmutzeinschlüsse und andere Lackierfehler führen zu hohen Kosten für Nacharbeiten und Ausschuss. Davon betroffen sind insbesondere Unternehmen, die Bauteile aus Kunststoffen lackieren. Einerseits liegt dies häufig am hohen Schmutzanfall vom Spritzguss angefangen über die Entgratung bis zum starken Auftreten von Overspray. Andererseits neigt die überwiegende Zahl der heute eingesetzten Kunststoffe stark zur Ausbildung elektrostatischer Oberflächenladungen, durch die sie Schmutz geradewegs anziehen. Um Lackierfehler zu vermeiden und die Qualität zu optimieren, lohnt es sich, die gesamte Prozesskette unter die Lupe zu nehmen. Dies beginnt, soweit möglich, bei einer lackiergerechten Werkstückkonstruktion. So sorgt beispielsweise eine verringerte Anzahl von Durchbrüchen für eine optimierte Lackierbarkeit. Auch lassen sich abgerundete statt scharfer Bauteilkanten besser mit Lack benetzen. Auf ein Minimum reduzierte Entgratprozesse tragen ebenfalls zu einer Qualitätsoptimierung bei – nicht nur, weil Entgratrückstände oder Partikel vom Entfernen der Angüsse zu vagabundierendem Schmutz bis in die Lackierkabine führen können. Die Sauberkeit der Werkzeuge spielt ebenfalls eine Rolle: Durch angelagerte Inhaltsstoffe der Kunststoffe können Lackierfehler und Schmutzeinschlüsse verursacht werden.

Reinigung und Aktivierung optimieren

Die Integration der CO2-Schneestrahlreinigung ist sowohl in klassische als auch Flachbettlackieranlagen möglich. Es lassen sich alle Prozessparameter wie Volumenströme für Druckluft und Kohlendioxid, Strahlzeit, Strahlwinkel und Bewegungsablauf exakt auf das jeweilige Lackiergut abstimmen. (Bildquelle: ACP – Advanced Clean Production)

Diesen Formulierungskomponenten, wie Trennmittel, Additive, Füllstoffe und Fasern, verleihen den Kunststoffen häufig ihre guten Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften. Gelangen sie jedoch auf die Oberfläche, können diese Inhaltsstoffe die Lackhaftung beeinträchtigen. Eine weitere Herausforderung ist die geringe Oberflächenenergie vieler Kunststoffe. Darüber hinaus stellt der Trend zu wasserbasierenden Lacken und prozessreduzierten Beschichtungen höhere Anforderungen an die Substratoberflächen. Eine zuverlässige Reinigung beziehungsweise Vorbehandlung der Oberfläche ist daher unverzichtbar. Der Trend beim Reinigen der Kunststoffteile geht zu trockenen Verfahren wie beispielsweise CO₂-Schneestrahl-, Plasma- und Dampfreinigung mit überhitztem Dampf. Sie ermöglichen häufig kosten- und platzreduzierte sowie in die Lackierlinie integrierte Reinigungsprozesse und sind auch unter Umweltaspekten sinnvoll. Der elektrostatischen Aufladung der Kunststoffoberfläche kann durch eine Ionisierung entgegengewirkt werden.

Um Haftungsproblemen bei schwer lackierbaren, unpolaren Kunststoffen wie beispielsweise Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE), zu vermeiden, werden deren Oberflächen vor der Lackierung aktiviert. Gängige Verfahren dafür sind die Gasphasenfluorierung, Atmosphärendruck-Plasmaaktivierung, Koronabehandlung und das Beflammen.

Schlankere Prozesse zum Lackieren

Die Verringerung der erforderlichen Schritte bei Lackierung leistet einen wesentlichen Beitrag, um die Ziele Effizienzerhöhung und Stückkostenreduzierung zu erreichen. Der Trend geht daher zu Lackierprozessen, die mit einem einschichtigen Auftrag das gewünschte Ergebnis bringen. Entsprechende Lacksysteme stehen als Lösemittellacke sowie als wasserbasierte Formulierungen zur Verfügung. Ihr Einsatz setzt eine entsprechende Vorbehandlung der Teileoberflächen voraus. Ansätze um Lackierprozesse zu verschlanken, bieten sich auch dadurch, mögliche Verlustquellen wie beispielsweise Zerstäuber-Overspray, Lackwechselverluste bei der Applikation und in der Lackversorgung auszuschalten. Dies kann unter anderem erzielt werden durch den Einsatz elektrostatisch unterstützter Lackierpistolen und Hochrationszerstäuber, die einen Auftragswirkungsgrad von über 90 Prozent erreichen. Applikationssysteme, die einen minimierten Spülmitteleinsatz und verkürzte Farbwechselzeiten ermöglichen, unterstützen die Sparmaßnahmen darüber hinaus.

Der Trend zur automatisierten Applikation mit Robotern ist ebenfalls ungebrochen. Kein Wunder, resultieren daraus neben Materialeinsparungen eine höhere Reproduzierbarkeit des Lackierergebnisses und verringerter Ausschuss. Ein positiver Spareffekt des automatisierten Lackauftrags ergibt sich durch die einfachere Umstellung von Frisch-Abluft-Systemen auf Umluftsysteme für die Konditionierung der Lackierkabine. Es können zwischen 60 bis 70 Prozent Energie eingespart werden. Eine intelligente Lacklogistik führt ebenfalls zu einem verringerten Materialverbrauch. Sie zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass nicht verarbeiteter Lack aus den Leitungen zurückgewonnen oder für Sonderlackierung genau definierte Lackmengen zur Applikationstechnik gefördert werden. Dies gewährleistet auch bei der Lackierung kleiner Losgrößen den sparsamen Umgang mit dem Lack.

Neben den Trocknern zählt die Overspray-Abscheidung zu den größten Energieverbrauchern im Lackierprozess. Im Bereich der konventionellen Lacktrocknung sorgen eine optimierte Luftführung durch Schleusen- und Tunnelbereiche sowie verbesserte Heizaggregate und Abwärmenutzungssysteme für einen sparsameren Umgang mit kostspieliger Energie. Eine Alternative dazu stellt die Infrarottrocknung dar, die auch bei temperaturempfindlichen Werkstücken eingesetzt werden kann. Die Strahlung dringt in das Material ein und trocknet den Lackfilm von innen nach außen. Eine Haut- oder Blasenbildung auf der Oberfläche wird dadurch verhindert und die Lacktrocknung beschleunigt.

Lacksysteme – abgestimmt auf individuelle Anforderungen

Durch ihre spezifischen Eigenschaften wirkt die Infrarottrocknung einer Haut- oder Blasenbildung auf der Oberfläche entgegen und beschleunigt die Lacktrocknung. (Bildquelle: Heraeus Noblelight)

Grundsätzlich erfordert eine hochwertige und effiziente Kunststoff-Lackierung ein optimal auf das Substrat, die Anlagentechnik und Anforderungen abgestimmtes Lacksystem. Bei Lösemittellacken, die bei der Beschichtung von Kunststoffen nach wie vor stark im Einsatz sind, reduzieren Very-High-Solid- beziehungsweise Ultra-High-Solid–Systeme die Lösemittelemissionen deutlich. Weiter auf dem Vormarsch sind wasserbasierenden Lacksysteme. Neue Entwicklungen, deren Formulierung auf innovativen Rohstoffen basiert, erzielen das Qualitätsniveau und die Widerstandsfähigkeit konventioneller Lösemittelsysteme. Sie stehen abhängig vom Beanspruchungsgrad der Oberfläche als Mehrschichtsystem bestehend aus Primer, Basecoat und Clearcoat beziehungsweise Decklack und Klarlack oder als einschichtiges Oberflächenfinish mit 1K- oder 2K-Systemen in einem breiten Farb- und Effektspektrum zur Verfügung. Die Systeme werden dabei individuell auf die jeweiligen Anforderungen und Prozessgegebenheiten der Anwendung abgestimmt. Zu den Neuentwicklungen im Lackbereich zählt unter anderem ein speziell für die Beschichtung von karbonfaserverstärkten Kunststoffen ausgelegtes System. Es zeichnet sich durch gute Haftung, hohe UV-Stabilität sowie Kratz- und Chemikalienbeständigkeit nach Automobilnorm aus. Grundlage des Beschichtungssystems bildet eine transparente Grundierung mit hohem Standvermögen. Diese ermöglicht es, hohe Schichtdicken pro Lackiervorgang zu erzielen und so Oberflächendefekte im Verbundwerkstoff wirkungsvoll und wirtschaftlich zu kaschieren. Der auf die Grundierung und das Trägermaterial abgestimmte hochtransparente Klarlack schützt den Werkstoff.