Vorhersage der Oberflächeneigenschaften zerstäubender Lackapplikationstechniken durch Modellierung der Filmbildung beim Tropfenaufprall

In Kürze

Der Prozess des Spritzlackierens besteht aus der Erzeugung von Lacktröpfchen (Zerstäubung), dem Flug der Tröpfchen zum Werkstück und dem Deponieren auf der Oberfläche. Gerade der Moment des Tropfenaufpralls ist entscheidend für wichtige Qualitätseigenschaften der lackierten Oberflächen wie Farb- und Metalliceffekt, Appearance oder Lufteinschlüsse. Das am Fraunhofer IPA entwickelte Simulationsprogramm zur Berechnung der Lackfilmtopografie ermöglicht es, verschiedene Einflüsse auf das Verlaufsergebnis zu untersuchen. Ziel der Betrachtungen war es, Optimierungen sowohl am Lackmaterial als auch an den Prozessbedingungen zu erarbeiten.

Im Detail

In den Simulationen zeigen sich verschiedene Phänomene beim Auftreffen des Lacktropfens auf den Lackfilm: Sehr langsame Tropfen setzen sich einfach sanft auf den Film, schnellere schlagen einen Krater und sehr schnelle bei niedriger Viskosität zeigen eine Krone wie man sie von Regentropfen in der Pfütze kennt. Wenn ein großer Tropfen einschlägt, kann darunter Luft in Form kleiner Blasen eingeschlossen werden. Wenn diese Blasen beispielsweise im Lacktrockner durch den fast festen Lack stoßen, bilden sich Lackierfehler, Nadelstich genannt.

Dies wurde in dem Projekt durch experimentelle Untersuchungen mittels Hochgeschwindigkeitskamera zur Visualisierung der Aufpralldynamik und numerische Berechnungen mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics, kurz CFD, betrachtet. Des Weiteren setzte das Fraunhofer IPA in diesem Projekt die Laserbeugung zur Bestimmung der Größe der Tröpfchen und Laser-Doppler-Messungen zur Geschwindigkeitsmessung. Simulationen helfen Lackrohstoffherstellern, Lackherstellern und Lackverarbeitern, die Aufgabe »Verlaufsverbesserung« zu beschleunigen und so Entwicklungskosten zu sparen. Hervorzuheben ist die experimentelle Validierung der Simulationsergebnisse, welche die Praxistauglichkeit der Simulationen belegt.

Es geht darum, Ausschuss durch Lackierfehler zu vermeiden – wie etwa durch Lufteinschlüsse – sowie eine gute Appearance zu erzielen. Dies umfasst neben dem Glanzgrad auch eine geringe Welligkeit, auch Orange Peel genannt – sowie je nach Lack einen starken Perl- oder Metall-Effekt.

Für alle angesprochenen Themen ist es wichtig, die Wechselwirkung zwischen Applikationsparameter wie die Feinheit der Zerstäubung und Lackeigenschaften sowie die komplexen Rheologie-Einstellungen zu verstehen und dann darüber die Qualität bestmöglich zu steuern.