Das Pulverbeschichten oder die Pulverlackierung ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem ein
elektrisch leitfähiger Werkstoff mit Pulverlack beschichtet wird. Eine typische Beschichtungsanlage
besteht aus Oberflächenvorbehandlung (Reinigung und / oder Aufbringen einer Konversionsschicht),
Zwischentrocknung, elektrostatischer Beschichtungszone und Trockner. Die Werkstücke werden
dabei durch ein Fördersystem transportiert.
Weltweit wurden im Jahr 2006 etwa 1.100.000 Tonnen Pulverlack zur Beschichtung eingesetzt. In
Europa beträgt der Anteil von Pulverlacken am gesamten Lackmarkt etwa 10 %. Je ein Drittel entfällt
auf Europa und Asien, das verbleibende Drittel verteilt sich zur Hälfte auf Nordamerika und den Rest
der Welt.
Typische Untergründe für die Pulverlackierung sind Stahl, verzinkter Stahl und Aluminium. Das
Hauptanwendungsgebiet ist die allgemeine Metallbeschichtung mit 35 % Anteil, gefolgt von
Haushaltsgeräten (sogenannte Weiße Ware, 21 %),Fassadenbeschichtungen (20 %),
Möbellackierung (13 %) und Automobillackierung (8 %). Heutzutage werden aber auch Automobile
wie der Smart oder temperaturempfindliche Substrate wie MDF-Platten pulverbeschichtet.[1]
Allgemeines
Die zur Pulverbeschichtung verwendeten Pulverlacke bestehen im Allgemeinen aus trockenen,
körnigen Partikeln, die zwischen 1 und 100 μm groß sind. Chemisch basieren diese meist auf Epoxidoder
Polyesterharzen. Daneben sind Hybridsysteme verbreitet, die sowohl Epoxid- als auch
Polyesterharze als Bindemittel enthalten. Wie sich ein Pulverlack bei der Beschichtung verhält, wird
hauptsächlich durch seine mechanischen Eigenschaften wie der Partikelgröße und
der Rieselfähigkeit bestimmt. In geringerem Maße spielt auch die chemische Zusammensetzung des
verwendeten Pulverlackes eine Rolle. Je nach Zusammensetzung neigen die Pulverlackpartikel
zum Ansintern in der Beschichtungsanlage. Sie sind temperaturempfindlich und beginnen
aufzuschmelzen und zu verkleben, wenn die Temperatur 50 °C übersteigt.
Zur Pulverbeschichtung existieren mehrere Normen. DIN 55633 bezieht sich auf
den Korrosionsschutz und die Bewertung von beschichteten Stahlbauten, eines der
Hauptanwendungsgebiete der Pulverbeschichtung. EN 15773 bezieht sich auf die Pulverbeschichtung
von feuerverzinkten und sherardisierten Gegenständen aus Stahl. EN 12981 definiert
Sicherheitsanforderungen an Spritzkabinen.
Weiterhin üblich ist auch die Zertifizierung durch Gütegemeinschaften, die sowohl für die
beschichtenden Unternehmen als auch für Pulverlacke durchgeführt werden kann. Beschichtende
Unternehmen müssen dabei Anforderungen hinsichtlich Fertigungseinrichtung, Laborausstattung,
Eigenüberwachung und Qualität der erzielten Oberflächenvorbehandlung und der fertigen
Beschichtung erfüllen. Hersteller von Beschichtungspulvern müssen nachweisen, dass die von ihnen
hergestellten Pulver die entsprechenden Anforderungen erfüllen, etwa die Erhaltung der Farbe und
des Glanzes des lackierten Objektes bei Auslagerung im Freien über mehrere Jahre.
Geschichte
Nach der Entwicklung geeigneter Beschichtungsgeräte wurden in den späten 1960er Jahren erste
Beschichtungskabinen gebaut. Zunächst handelte es sich dabei häufig um Umbauten klassischer
Lackieranlagen, die ursprünglich für die Beschichtung mit Flüssiglack konzipiert waren.
In den frühen 1970er Jahren wurden die heute gebräuchlichen Pistolentypen entwickelt. Die
Entwicklung der Korona-Pistole ermöglichte die Zuführung von Hoc Pulverbeschichten
hspannung innerhalb der Lackierpistole, was ein bis dahin übliches zusätzliches Hochspannungskabel
überflüssig machte. Diese Technologie ist heute die am meisten verbreitete. 1972 wurde die
Tribopistole entwickelt, die sich jedoch erst in den späten 1990er Jahren durchsetzen konnte. Erst zu
diesem Zeitpunkt wurden Pulverlacke entwickelt, mit denen die dort
verwendete Aufladung durch Reibung in vollem Umfang genutzt werden konnte.
1976 wurden Beschichtungskabinen mit Bandfilter vorgestellt, die Farbwechselzeiten von unter
20 Minuten ermöglichten. 1978 wurden Beschichtungskabinen mit abgerundeten Ecken vorgestellt,
die leichter zu reinigen waren. Kabinen aus Kunststoff, die die Reinigung durch erschwerte Anhaftung
von Pulverpartikeln weiter vereinfachte, wurde 1986 vorgestellt.
Die Flachstrahldüse, die heute bei 80 % der Pulverbeschichtungsanlagen im Einsatz ist, wurde 1985
erfunden und löste in der Folge die bis dahin übliche Pralltellerdüse ab. Die sogenannten plattenlosen
Düsen, bei denen die Pulverwolke durch Luftdüsen erzeugt wird, wurden kurz danach vorgestellt. Sie
konnten sich jedoch nicht in der Industrie durchsetzen. Ebenfalls von geringerer Bedeutung ist die
Entwicklung der sogenannten Pulverglocke, einem Rotationszerstäuber für Pulverlacke.
Ab 1990 werden Pulverlackfördergeräte angeboten, die die Förderung direkt aus Gebinden
ermöglicht. Diese Technologie befindet sich heute in breitem Einsatz.
Vorbehandlung
→ Hauptartikel: Oberflächenvorbehandlung
Unter dem Begriff Oberflächenvorbehandlung oder Vorbehandlung werden die Schritte
zusammengefasst, die vor der Beschichtung mit Pulverlack durchgeführt werden. In der Regel sind
dies die Reinigung, sowie die Aufbringung einer oder mehrerer Konversionsschichten. Diese dienen
dazu, eine bessere Abstimmung zwischen Untergrund und Lack zu erzielen. Eine unzureichend
durchgeführte Vorbehandlung kann zu Kratern im Lackfilm führen.
Durch die mechanische Vorbehandlung werden grobe Verunreinigungen
wie Rost oder Zunder entfernt. Typische bei der Pulverbeschichtung angewendete Verfahren stellen
Schleifen, Bürsten und Strahlen dar. Die Entfettung erfolgt meist mit Lösemitteln oder wässrigen
Reinigern. Bei der Reinigung mit wässrigen Reinigern ist die Reinigung der Oberfläche häufig mit
der Phosphatierung verbunden. Verfahrenstechnisch erfolgt die Reinigung meist
durch Spritzen oder Tauchen.
Es schließt sich das Aufbringen einer Konversionsschicht an. Die Entfettung reicht zwar für eine reine
Oberfläche meist aus, Konversionsschichten vergrößern durch ihre Rauigkeitzusätzlich die aktive
Oberfläche. So verbessert sich die Lackanbindung. Typische Verfahren im Bereich des
Pulverbeschichtens sind die Phosphatierung auf Stahl, das Anbeizen auf verzinktem Stahl,
die Chromatierung, sowie die Anodisierung auf Aluminium. Aufgrund der zunehmenden gesetzlichen
Einschränkungen für chromhaltige Schichten werden chromfreie Vorbehandlungsmethoden
bedeutender.
Vor der Applikation des Pulverlacks muss die Oberfläche des Werkstücks absolut trocken sein. Der
dazu verwendete Haftwassertrockner gleicht dem späteren Pulverlacktrockner, ist jedoch meist
einfacher ausgeführt. Je nach Qualitätsanforderung kann das Abblasen mit Druckluft ausreichen.
Applikation
Der Begriff Applikation bezeichnet den Auftrag des Pulverlacks und die unmittelbar damit
verbundenen Prozessschritte. Er beschreibt also den eigentlichen Beschichtungsvorgang.
Aufbereitung und Förderung des Pulvers
Aufbereitung
Damit das zu beschichtende Pulver aufgetragen werden kann, muss es zunächst
zur Lackierpistole transportiert werden. Typischerweise wird das Pulver vom Frischpulvergebinde in
einen Behälter gefördert. Dort wird es, falls mit Rückgewinnung gearbeitet wird, mit aufbereitetem
Rückgewinnungspulver gemischt und gelangt von dort zur Pistole. Das nicht auf das Werkstück
übertragene Pulver wird zur Aufbereitung transportiert und von dort wieder in den Kreislauf
zurückgebracht. Wichtig ist, dass die Förderung schonend ist, so dass die Eigenschaften des Pulvers
nicht wesentlich beeinflusst werden.
Die Pulverlackpartikel werden bei den meisten Förderverfahren zunächst fluidisiert, so dass der
Pulverlack gefördert werden kann. Teilweise werden zusätzlich Rührwerke oder vibrierende Elemente
eingesetzt. Wird das Pulver direkt aus dem Originalgebinde gefördert, so findet nur eine lokale
Fluidisierung statt.
Wird eine Rückgewinnung verwendet, so muss das erneut dem Kreislauf zugeführte Pulver zunächst
von Fasern, Grobpartikeln und Schmutz gereinigt werden. Hierzu kommen
verschiedene Siebtypen zum Einsatz, etwa Rüttel-, Rotations-, Taumel- oder Ultraschallsiebe. Das
Rückgewinnungspulver wird dem Frischpulver in einem festzulegenden Verhältnis zugesetzt.[3]
Förderung
Bei der Förderung des Pulvers wird zwischen Präzisionsförderung (50 bis 500 g/min) und
Massenförderung (meist mehr als 5 kg/min) unterschieden.
Die Präzisionsförderung dient der Zufuhr des Pulverlacks zur Lackierpistole. Um Fehler und
Unregelmäßigkeiten in der Beschichtung zu vermeiden, erfordert dies eine möglichst gleichmäßige,
genaue und pulsationsfreie Dosierung. Typische zur Präzisionsförderung eingesetzte Geräte sind
Präzisions- und Stabinjektoren. Präzisionsinjektoren fördern eine definierte Pulvermenge vom
Behälter zur Pistole und sorgen dort durch Beimischung von Dosierluft zur Konstanthaltung der
gesamten Luftmenge. Bei Stabinjektoren ist keine Fluidisierung notwendig, da die Ansaugung am
Boden des Behälters erfolgt.
Die Massenförderung dient dem Transport des Pulverlacks zwischen zwei Behältern, was eine
gleichzeitig wirtschaftliche und für den Pulverlack schonende Förderung erfordert. Bei der
Massenförderung gebräuchliche Methoden sind die Schubförderung (auch Pfropfenförderung) und die
Saugförderung. Die Saugförderung arbeitet mit einem durch viel Luft erzeugten Unterdruck, der das
Pulver mitreißt. Die notwendige Trennung von Luft und Pulver wird über Mini- oder Multizyklone oder
Filterabscheider vorgenommen. Bei der Schubförderung wird eine Druckkammer mit zwei Ventilen so
geschaltet, dass das Pulver durch im Wechsel eingebrachte Luft vorwärts geschoben wird. Eine
Trennung von Luft und Pulver ist nicht nötig.
Eine Methode, die sowohl für die Präzisions-, als auch für die Massenförderung eingesetzt werden
kann, ist die sogenannte Digitale Dichtstromförderung (DDF), die nach dem Prinzip einer
Gegendruckförderung arbeitet. Gegendruckförderung bedeutet das abwechselnde Ansaugen
von Vakuum und Pulverlack in zwei Kammern. Bei diesem Verfahren ist keine Fluidisierung
notwendig. Gleichzeitig ist wenig Förderluft für eine genaue Dosierung notwendig.
Aufladung
Moderne Pulverlacke werden elektrostatisch appliziert. Bei der elektrostatischen Pulverbeschichtung
wird zunächst eine elektrisch geladene Pulverwolke erzeugt. Die gleichnamig geladenen Partikel
werden zur Werkstückoberfläche transportiert. Dort schlagen sie sich nieder, haften dort
elektrostatisch und bilden die Pulverlackschicht. Möglich ist eine Aufladung
durch Hochspannung (Corona-Aufladungoder Ionisation) oder Reibung (triboelektrische (kurz Tribo)
oder elektrokinetische Aufladung).
Aufladungsarten
Bei der triboelektrischen Aufladung erfolgt die Aufladung durch Berührung von Pulverpartikeln und
Wandung der Lackierpistole, wodurch Elektronen aus dem Beschichtungsstoff gelöst werden. Damit
die Berührungsfläche möglichst groß wird, ist der Kanal meist ringspalt- oder spiralartig ausgebildet
und innen mit Teflon beschichtet. Die Trennung der Pulverlackteilchen von der Lackierpistole erfolgt
schneller, als sich die Ladung wieder verteilen kann. Dadurch bleiben die Pulverpartikel geladen.
Zuletzt wird das Pulver an der Düse zerstäubt.
Bei der Ionisationsaufladung werden die Pulverlackpartikel an einer Elektrode vorbeigeführt, an der
eine Spannung von 30 bis 100 kV anliegt. Diese Hochspannung ionisiert die Pulverlackpartikel
umgebende Luft. Die Elektrodenspitze weist eine blau-weiße Lichterscheinung, die
namensgebende Corona auf. Beim Passieren des elektrischen Feldes zwischen Elektrode und
geerdetem Werkstück durch die Lackpartikel werden Luftionen an die Partikeloberfläche angelagert.
Es treffen jedoch nur etwa 1 bis 3 % der Luftionen auf Pulverteilchen, also ein sehr geringer Teil. Der
Rest wird als Raumladung bezeichnet. Bei der sogenannten ionenarmen Corona-Aufladung befindet
sich eine zusätzliche, ringförmige Elektrode an der Spitze der Lackierpistole. Diese nimmt die
überschüssigen Luftionen auf und leitet deren Ladung ab. [
Die wesentlichen Vorteile der Tribo-Beschichtung sind die gute Applizierbarkeit mehrerer Schichten
und tendenziell bessere Schichtdickenverteilung. Da Faradaysche Käfige hier fast keine Bedeutung
haben, wird eine bessere Eindringtiefe erreicht. Weiterhin zeigt sich eine
bessere Automatisierbarkeit und häufig geringere Anschaffungskosten. Zudem kann die Pistole bei
der Handbeschichtung beliebig nahe an die Oberfläche herangeführt werden. Da hier keine
ungebundenen Ionen vorliegen, sieht die Oberfläche oft entspannter aus. Effektlacke können dagegen
nur selten mit der Tribo-Technik appliziert werden, da das gewünschte Effektbild nicht erreicht wird.
Die Vorteile der Corona-Applikation liegen im geringeren Verschleiß der Lackierpistole, dem
niedrigeren Luftverbrauch und der universellen Eignung (viele Pulverlacke, darunter die meisten
Effektpulverlacke, sind für die Triboaufladung ungeeignet). Zudem ist durch den höheren
Pulverdurchsatz oftmals die nötige Anzahl an Pistolen geringer. Der Umgriff, ein Maß für die Bildung
einer Schicht auf der Rückseite des Werkstücks, ist ebenfalls bei der Corona-Applikation meist besser.
Bei der klassischen Corona-Aufladung gelangen freie Luftionen zum Objekt. Aufgrund der Abstoßung
gleichnamiger Ladungen wird der ungestörte Aufbau einer gleichmäßigen Schicht gestört, was sich als
sogenannte Orangenhaut, eine sehr wellige Lackoberfläche, zeigt. Durch die Verwendung der
ionenarmen Aufladung kann dieser Umstand eingegrenzt werden.
Schichtbildung
Durch die gleichnamige Aufladung der Pulverlackpartikel beziehungsweise der an ihnen anhaftenden
Luftionen stoßen sich diese ab und bilden eine gleichmäßige Pulverlackwolke aus. Diese folgt
den Feldlinien des elektrischen Feldes. Somit gelangen Pulverlackpartikel auf die Rückseite des
Werkstücks, wodurch dort ebenfalls eine Beschichtung stattfindet. Hohlräume und hinterzogene
Kanten werden dagegen gemäß dem Prinzip des Faradayschen Käfigs nicht oder nur schwach
beschichtet. Sehr kleine Partikel werden in die Abluft hineingezogen und der Rückgewinnung
zugeführt, wodurch das Rückgewinnungspulver feiner als das Frischpulver wird. Sehr grobe Partikel
fallen durch die Schwerkraft nach unten und stehen somit nicht für die Beschichtung zur Verfügung.
Jedes auf das Werkstück auftreffende ionisierte Teilchen erzeugt im Moment des Aufpralls auf das
Werkstück eine Gegenladung. Durch die Anziehung zwischen beiden Ladungen haften die Partikel am
Werkstück. Durch die gleichnamigen Ladungen ist die Schichtbildung sehr gleichmäßig. Um das
Herunterfallen des Pulvers zu verhindern, ist es nötig, dass die elektrische Anziehung (Coulombsche
Kraft) zwischen Partikelladung und Gegenladung größer ist als die Schwerkraft. Dies erfordert einen
hohen elektrischen Widerstand des Beschichtungspulvers, da die Entladung sonst zu schnell erfolgt.
Die Beschichtung ist bis zu einigen Stunden haftfähig, ehe das Pulver durch allmählichen
Ladungsausgleich abfällt.
Die Schichtbildung selbst verläuft zunächst linear. Bei weiter wachsender Schichtdicke nimmt
die Feldstärke innerhalb der Pulverschicht zu, so dass ab einer gewissen Schichtdicke die elektrische
Festigkeit der Luft überschritten wird. Es kommt zum Spannungsdurchschlag und damit zu einem
Gegenstrom geladener Luftionen. In der Sättigungsphase werden nachfolgende Teilchen durch den
Gegenstrom so weit entladen, dass sie nicht mehr haften können oder durch die Schwerkraft aus dem
Feld fallen. An diesem Punkt erfolgt kein Pulverauftrag mehr, stattdessen zeigen sich durch den
Gegenstrom sogenannte Rücksprühkrater, eine Beschichtungsstörung. Aufgrund dieser
Selbstbegrenzung der Schichtdicke wird üblicherweise bei einer deutlich niedrigeren Schichtdicke als
der maximal erreichbaren Schichtdicke gearbeitet. Diese liegt bei handelsüblichen Pulverlacken bei
etwa 150 μm.
Da die Pulverpartikel den Feldlinien folgen und deren Dichte an den Kanten höher ist, ist die
Schichtdicke an den Kanten meist höher. Dieser sogenannte Bilderrahmeneffekt ist ein Vorteil
beim Korrosionsschutz, aber ein Nachteil bezüglich der Passgenauigkeit der beschichteten
Werkstücke.
Düsen
Die Düse an der Lackierpistole dient der Zerstäubung des Pulverlacks und somit der Ausbildung einer
homogenen Pulverlackwolke. Zum Einsatz kommen je nach Aufladungsvariante Pralltellerdüsen,
Flachstrahldüsen, Fingerdüsen oder Rotationsglocken.
Die älteste Technik ist der Prallteller, der seltener auch als Prallplatte bezeichnet wird. Der stark
gebündelte Pulverstrahl trifft auf die Platte und wird dort auseinandergerissen. Dies erzeugt eine
langsame, nur bedingt steuerbare Pulverwolke mit geringem Eindringvermögen. Der Prallteller wird
daher meist für flache, großflächige Teile verwendet. Flachstrahldüse bezeichnet ein Mundstück mit
Schlitz. Die austretende Wolke hat einen ellipsenförmigen Querschnitt, der gut auszurichten ist. Diese
Düsenart wird häufig für komplexe Teile mit Vertiefungen verwendet. Die Fingerdüse wird für
Werkstücke mit komplizierter Geometrie und geringer Tiefeverwendet. Bei der Verwendung dieser
Düsenart können kurze Kabinen und somit eine leichtere Reinigung realisiert werden.
Bei der Rotationszerstäubung, also der Applikation über Glocken, die bei der Flüssiglackierung zu den
Standardverfahren gehört, erfolgt die Aufladung des Pulvers über die Ladekante des
rotierenden Glockentellers. So wird ein sehr gleichmäßiger Schichtauftrag bei gleichzeitig hohem
Auftragswirkungsgrad erzielt. Der Durchsatz ist mit 600 bis 700 g/min (gegenüber bis zu 400 g/min bei
der Pralltellerdüse) sehr hoch.[
Anordnung der Sprühpistolen
Die richtige Anordnung der Sprühpistolen dient der Erzielung einer gleichmäßigen Schichtdicke.
Welche Anordnung die passende ist, hängt dabei wesentlich von der Werkstückgeometrie und der
verwendeten Düse ab. Variabel ist zunächst der Einsatz von starr angebrachten Pistolen
oder Hubgeräten. Hubgeräte haben die Aufgabe, die Pistolen (einzeln oder gruppenweise) zu
bewegen. Die Hubgeräte bewegen die Pistolen üblicherweise vertikal, es sind jedoch mehrachsige
Ausführungen möglich. Es sind vertikale, horizontale, diagonale oder rautenförmige Anordnungen der
Pistolen üblich.[13]
Die Mindestanzahl an Steuergeräten ergibt sich aus der Summe an Pistolen und Hubgeräten, wenn je
eine Steuereinheit Verwendung findet. Je höher der Automatisierungsgrad ist, desto mehr zusätzliche
Module sind zur Abstimmung nötig. Dies beginnt mit einfachen Lichtschranken zur Einschaltung der
Pistolen und kann bis zu einer Gesamtanlagensteuerung gehen.
Pulversprühkabinen
Als geschlossene Beschichtungskabine wird eine an allen Seiten geschlossene Kabine bezeichnet,
die nur Öffnungen für den Ein- und Auslauf der Werkstücke besitzt. Eine teilweise geschlossene
Beschichtungskabine hat zusätzlich seitliche Öffnungen für die Sprühvorrichtung oder
Handbeschichtungsanlagen.
Pulversprühkabinen werden aus Metall, Glas oder Kunststoff gefertigt, wobei letzterer Typ aus einem
schwer brennbaren Material gefertigt sein muss und besondere Vorschriften
bezüglich Erdung einhalten muss. Kunststoffkabinen sind pulverabweisend, so dass die
Verschmutzungsneigung geringer und der Erstauftragswirkungsgrad höher ist.
Pulversprühkabinen können zusätzlich mit einem Reinigungsautomat für die Innenreinigung, einem
Austrageband oder Abluftkanal am Kabinenboden und einer auslaufseitigen Absaugung ausgestattet
sein. Weiterhin können pulverabstossende Wände und Rakelsysteme zum Einsatz kommen.
Hinsichtlich der Rückgewinnung kann in Pulverkabinen eine Filterbandrückgewinnung oder
Multizyklonrückgewinnung verwendet werden. Spezielle Anforderungen erfordern Rundkabinen
(leichte Reinigung) oder Schnellfarbwechselkabinen.
Für höchste Qualitätsanforderungen ist das Umbauen des gesamten Pulverkreislaufes mit einer
unter Überdruck betriebenen Umkabine möglich. Um in diesem Fall Staubeintragungen zu verhindern,
besitzt die Umkabine häufig eine Klimatisierung.
Rückgewinnung
Ob eine Rückgewinnung sinnvoll ist oder nicht, hängt im Wesentlichen vom Verhältnis der Kosten für
einen Farbwechsel im Verhältnis zu den Kosten für den andernfalls vergeudeten Anteil des
aufgetragenen Pulverlacks ab.
Bei sehr häufigen Farbwechseln und geringen Stückzahlen ist eine Rückgewinnung nicht lukrativ, da
die Kosten für die Reinigung höher sind als die Kosten für das vergeudete Pulver. Anlagen mit diesem
Anforderungsprofil verzichten daher häufig auf die Möglichkeit der Rückgewinnung. Bei hohen
Stückzahlen oder der Verwendung sehr weniger Farbtöne (im Extremfall von nur einem Farbton), ist
eine Rückgewinnungseinrichtung sinnvoll. In diesen Anlagen werden Pulverabscheidegrade von bis
zu 99 % erreicht, das heißt, dass nur 1 % des verarbeiteten Pulvers als Abfall anfällt.
Der Auftragswirkungsgrad ohne Rückgewinnung, also der Anteil Lack, der bei einmaliger
Beschichtung auf die Werkstückoberfläche gelangt, liegt dagegen meist bei nur 30 bis 50 %. Das ist
niedriger als bei einer Flüssiglackieranlage.
Rückgewinnungstechniken
Im Einfarbbetrieb kommen Filterbandanlagen (in Kombination mit Rakel, zusätzlichem Nachluftfilter
oder Zyklon) zum Einsatz. Die Variante mit Zyklon erlaubt dabei als einzige einen Farbwechsel pro
Tag. Reine Filterrückgewinnungssysteme können ausschließlich für der Einfarbenbetrieb verwendet
werden.
Bei der Verwendung von Multizyklonen (mit oder ohne Rakel) sind in begrenztem Umfang (mehrmals
am Tag) Farbwechsel möglich. Für häufige Farbwechsel ist der Einsatz eines Monozyklons nötig. In
Schnellfarbwechselkabinen wird dieser mit einem Vibrationssieb, einem Auslaufkonus und einer
Schubförderung kombiniert. Auf diese Weise werden selbst bei häufigen Farbwechseln
Pulverabscheidegrade von 95 % erreicht.
Einfluss der Partikelgröße
Die Partikelgröße ist bei rückgewonnenem Pulver üblicherweise kleiner als bei Frischpulver.
Üblicherweise wird beides daher in einem festen Verhältnis gemischt und für die Weiterverwendung
aufbereitet. Frischpulversysteme zur genauen Steuerung dieses Verhältnisses sind nötig, wenn der
Pulververbrauch hoch ist und gleichzeitig eine konstante Zumischung von Frischpulver zum Erreichen
der geforderten Qualität nötig ist.
Besonderheiten bei der Verarbeitung von Effektpulverlacken
Besonders anspruchsvoll ist die Rückgewinnung, wenn Effektpigmente in der Pulverlackformulierung
verwendet werden. Diese werden je nach Herstellungsart nachträglich zum Pulverlack zugegeben und
sind dadurch nicht in die Partikel eingearbeitet. Es liegen also mehrere Arten von Partikeln im Material
vor, die verschiedene Teilchenformen und -größen aufweisen. Das kann bei Verwendung einer
Rückgewinnungseinheit zur Verarmung an Effektpigmenten in der gesamten Mischung führen.
Dadurch verändert sich das Aussehen der Lacke während der Beschichtung einer Serie. Bei
Effektpulverlacken, die nach dem Dry-Blend-Verfahren, also einer bloßen Mischung von Pulverlack
und Effektpigmenten, hergestellt wurden, wird der Effekt durch eine bessere Aufladung der
Effektpigmente verstärkt. Diese anwendungstechnische Schwäche wird durch das Bonding-Verfahren,
bei dem Pulverlack- und Effektpigmentpartikel miteinander mechanisch verbunden werden, deutlich
verringert
Sicherheitsaspekte
Aufgrund der elektrischen Aufladung und der gleichzeitig erzeugten Pulverwolke besteht die Gefahr
einer Explosion, durch die verwendete Hochspannung können Stromschläge auftreten. Deshalb sind
verschiedene Sicherheitsvorkehrungen beim Pulverbeschichten zu treffen.
Die Pulverkonzentration in der Luft muss entweder kleiner als 50 % der
unteren Explosionsgrenze sein oder unterhalb von 10 g/m³ liegen. Die Kabine muss aus nicht
brandunterstützenden Werkstoffen bestehen, bei Kunststoffkabinen müssen sehr energiereiche
elektrostatische Entladungen verhindert werden. Der Erdableitwiderstand des Werkstückgehänges
muss kleiner als 1 MOhm sein, alternativ kann die mögliche Entladeenergie des Werkstücks weniger
als 5 MJ betragen. Automatische Pulversprühkabinen müssen eine
automatische Brandmeldeanlage besitzen, geschlossenen Pulverrückgewinnungsanlagen müssen ein
Explosionsschutzsystem besitzen.
Zum Schutz der Angestellten sollten spannungsführende Anlagenteile in geschlossenen
Beschichtungskabinen angeordnet sein, sowie die Zugänge durch Abschalten und sofortige Erdung
bei Betreten gesichert sein. Bei Handbeschichtungsanlagen ist zusätzlich die Stromstärke oder die
Entladungsenergie begrenzt. Eine Flammsperre (CO2-Löschanlage) vor dem Zyklon ist ebenfalls
nötig.[
Alternative Applikationstechniken
→ Hauptartikel: Wirbelsinterung
Eine alternative Applikationstechnik ist das Wirbelsintern. Dies ist die gebräuchliche
Applikationstechnik für die ursprünglichen, thermoplastischen Pulverlacke, die nicht vernetzen. Die
Verwendung für vernetzende Pulverlacke ist ebenfalls möglich. Dabei wird ein erhitztes Werkstück für
kurze Zeit in ein mit Hilfe von Druckluft fluidisiertes Pulver aus Kunststoffgetaucht. Das Pulver schmilzt
durch die hohe Oberflä Wirbelsinterungchentemperatur des Werkstücks und bildet dort eine
Kunststoffschicht. Falls nötig, folgt die Vernetzung in einem Trockner. Das Wirbelsintern wird
insbesondere verwendet, wenn eine hohe Schichtdicke gewünscht ist.
Bei Klarlacken für die Automobillackierung ist die Verwendung von Pulverlack als
wässrige Suspension, die als Pulverlack-Slurry bezeichnet wird, bekannt. Dabei wird der Pulverlack in
Wasser aufgeschlämmt und wie ein Flüssiglack appliziert. Die Trocknung findet bei diesem Verfahren
in zwei Schritten statt. Zunächst wird das Wasser in einem Abdunstschritt aus dem Film entfernt. Im
zweiten Schritt wird der Pulverlack wie üblich ausgehärtet.
→ Hauptartikel: Coil Coating
Eine relativ neue Technik ist die Beschichtung von Pulverlack im Coil-Coating-Verfahren, einer Art der
Beschichtung, die bei flüssigen Lacken üblich ist. Beim Coil Coating findet die Beschichtung des
Stahlbandes direkt bei der Herstellung im Walzwerk statt. Da die Stahlbänder (Coils) sehr hohe
Geschwindigkeiten aufweisen, liegt die Hauptschwierigkeit darin, den Pulverlack schnell genug zu
vernetzen.
Vernetzung
Der Vernetzungsvorgang, das sogenannte Einbrennen, beginnt mit dem Aufschmelzen des
Pulverlacks im Trockner. Dabei nimmt die Viskosität des Systems zunächst ab und durchläuft
ein Minimum. Je weiter der Vernetzungsvorgang fortschreitet, desto höher wird die Viskosität wieder.
Es hat sich gezeigt, dass der beste Verlauf erzielt wird, wenn dieses Viskositätsminimum schnell
erreicht wird. Das Minimum ist in diesem Fall stärker ausgeprägt und die Oberfläche des Lacks wird
glatter. Bei Überschreiten der optimalen Einbrennbedingungen des Lacksystems, beginnt sich dieses
zu zersetzen.
Bei wirtschaftlicher Betrachtung kommt dem Einbrennvorgang eine entscheidende Bedeutung für die
Energiekosten zu. Einsparungen an dieser Stelle sind jedoch gefährlich, da die technischen
Eigenschaften des Lacksystems bei unvollständiger Vernetzung möglicherweise nicht erreicht werden.
Einbrennbedingungen
Einbrenntemperaturen für Pulverlacke liegen theoretisch zwischen 110 und 250 °C. Bei industriell
verwendeten Einbrennlacken liegen die Einbrenntemperaturen meist zwischen 140 und 200 °C.
Systeme, die bei 140 °C vernetzen, werden bereits als Niedrigtemperaturpulverlack angeboten. Bei
entsprechend verlängerter Einbrenndauer können Pulverlacke bereits bei unter 120 °C vernetzt
werden.
Die Haltezeit beträgt 5 bis 30 Minuten. Sie gibt den Zeitraum an, während dem der Pulverlack auf der
Einbrenntemperatur gehalten wird und hängt im Wesentlichen vom Pulverlackmaterial ab. Die
Aufheizzeit hängt dagegen im Wesentlichen von der Dicke des Substrates ab. Die Summe beider
Zeiten ist die Verweilzeit. Die genaue Einstellung von Ofentemperatur und Verweilzeit hängt vom
Werkstückdurchsatz und vom Einbrennfenster des Pulverlackes ab. Dazu kommen
trocknerspezifische Einflüsse wie das Aufheizverhalten der Luft, Wärmeverluste und die
Aufheizgeschwindigkeit des Förderers.
Trockner
Typische Pulverbeschichtungsanlagen werden mit Durchlauftrocknern ausgerüstet, die getaktet oder
kontinuierlich beschickt werden können. Im Takt gefahrene Anlagen bieten sich für größere
Werkstücke und geringe Durchsätze an, da zwischen den Werkstücken die Tore geschlossen werden
können. Kontinuierlich beschickte Trockner werden häufig mit sogenannten A-Schleusen gegen
Wärmeverluste ausgerüstet, bei denen sich Ein- und Auslauf tiefer als die eigentliche
Trocknungseinheit befinden. Dadurch wird der Verlust an aufgeheizter Luft minimiert, da diese
aufsteigt und den Trockner nicht verlassen kann.
Kammertrockner können chargenweise beschickt werden und sind nicht an Taktzeiten gebunden. Der
Einsatz erfolgt bei variierenden Einbrennbedingungen, die durch verschiedene Materialstärken,
unterschiedliche Einbrennzeiten oder die Verwendung unterschiedlicher Pulverlacktypen notwendig
werden können. Im Labor- und Technikumsbereich sind Kammertrockner daher üblich. Die Aufheizzeit
kann bei diesem Ofentyp verlängert werden, da die Temperatur bei jedem Öffnen der Trocknertür
absinkt. Moderne Typen fangen die aufsteigende Luft auf, so dass der Temperaturverlust reduziert
werden kann.
Üblich ist die Aufheizung des Trockners durch Konvektion. Das bezeichnet die Energieübertragung
durch einen Warmluftstrom, der am Werkstück abkühlt und diesem so die Wärme überträgt. Aufgrund
der relativ gleichmäßigen Aufheizung werden solche Trockner häufig verwendet, wenn
unterschiedliche Werkstückformen gleichzeitig lackiert werden sollen. Die Beheizung erfolgt indirekt
über Wärmetauscher oder direkt durch die Beimischung von Heizgasen (Gasöfen). Letzteres stellt
jedoch zusätzliche Anforderungen an das Lacksystem (Gasofenstabilität), sowie an
den Reinheitsgrad des Heizgases. Grund dafür ist die mögliche Reaktion von Stickoxidenaus dem
Heizgas mit Pulverlackbestandteilen, die zu einer intensiven Vergilbung führen können. Meist wird der
Pulverlack deshalb mit Antioxidantien stabilisiert.
Die Wärmeübertragung durch IR-Strahlung kann bei der Beschichtung von dünnwandigen, flächigen
Objekten angewendet werden. Sie erreicht eine schnellere Energieübertragung und ist somit besser
zu steuern, schneller betriebsbereit und ermöglicht eine deutliche Platzersparnis. Bei
unterschiedlichen, gleichzeitig eingebrannten Objekten oder komplexen Formen wird dagegen eine
hohe Temperaturdifferenz an verschiedenen Stellen des Objektes erzeugt, was an der
ungleichmäßigen Strahlungsverteilung (Schatten) liegt.
Fördertechnik
Zur Fördertechnik gehört der Werkstückförderer selbst, sowie die Art der Gehänge für die Werkstücke.
Für die Wiederverwendbarkeit dieser Einrichtung ist die Entlackung von Förderer und Gehänge
entscheidend.
Das Gehänge verbindet Werkstück und Förderer während des gesamten Prozesses und wird daher
meist mitbeschichtet. Je schlechter die Gehänge lackiert werden können, umso langsamer baut sich
die Lackschicht auf dem Gehänge auf. Dies reduziert die Entlackungskosten, da die einzelnen
Gehänge häufiger verwendet werden können, bevor eine Entlackung notwendig ist. Zusätzliche
Kosten entstehen, wenn das Gewicht (erhöhte Aufheizenergie bei der Vernetzung) oder die
Oberfläche (erhöhter Pulverlackverbrauch) des Gehänges zu hoch ist. Von besonderer Bedeutung bei
der Pulverbeschichtung sind eine gute Erdung und die Verhinderung einer Beschichtung der
Aufhängepunkte, da die Erdung des Werkstücks über die Aufhängepunkte stattfindet. Insbesondere
bei der Tribo-Aufladung ist eine gute Justierung entscheidend, da sonst Fehlbeschichtungen auftreten.
Der Förderer transportiert die mit dem Gehänge verbundenen Werkstücke durch die Lackierstraße. In
Klein- und Technikumsanlagen sind Handschiebebahnen üblich. In typischen
Pulverbeschichtungsanlagen werden meist Power-&-Free-Förderer genutzt, da durch sie Speicher
und Puffer leicht realisiert werden können und die Anlage flexibler wird.Kreisförderer sind dagegen
kaum noch üblich.
Die Entlackung spielt neben der offensichtlichen Anwendung, der Wiederverwendung von
Werkstücken, auch bei der Reinigung von Gehängen und Fördererteilen eine große Rolle. Durch die
Mitbeschichtung des Gehänges bauen sich im Laufe der Zeit Schichten auf, die die Beschichtung
weiterer Werkstücke beeinträchtigen. Da Pulverlacke üblicherweise eine höhere Schichtdicke als
Flüssiglacke aufweisen, kommt der Entlackung eine besondere Bedeutung zu. Zur Anwendung
kommende Verfahren sind das Stickstoff-Kälte-Verfahren (auch Cryo-Clean-Verfahren), die
thermische oder die chemische Entlackung.
