Hans-Joachim Streitberger

Industrielle und handwerkliche Beschichtungen werden am häufigsten mit der Spritzapplikation auf die vielen verschiedenen Objekte des täglichen Lebens aufgetragen. Eine Studie in Nordamerika aus dem Jahre 2002 gibt auf Basis der zum Einsatz kommenden Mengen Zahlen wieder und ist sicher repräsentativ für die Welt.

Abbildung 1: Anteile der Applikationstechnik von Lacken auf Basis des Volumens in Nordamerika in 2002 (Quelle : P.G.Phillips)

Der Anteil der Spritzapplikation ist hoch - trotz des notwendigen Einsatzes von Lösemitteln, die zwar aktuell verstärkt durch Wasser ersetzt werden, und trotz der damit verbundenen Belastungen der Luft durch Emission während des Applikations-prozesses. Die Attraktivität und die technische Bedeutung der Spritzlackierung liegen zum einen in der Vielfalt der Anwendung, in der großen Spannbreite der Geometrien der beschichtbaren Teile und dem einfachen und schnellen Lackwechsel. Bezüglich der Lösemittelemission und Einstellung von Kabinen und Anlagentechnik sind bedeutsame Unterschiede zwischen konventionellen, also den lösemittelhaltigen Flüssiglacken und den Wasserlacken zu beachten (s.u.).
Die Pulverlackierung basiert dagegen "nur" auf einer Versprühung von bereits zuvor feinteiligem Pulver.
Bei allen Spritzverfahren wird durch den Zerstäubungsmechanismus ein Tropfenspektrum in der Größenordnung von Mikrometern erzeugt. Die Tröpfchen fließen dann auf dem zu beschichtenden Objekt wieder zu einem Film zusammen. Hierbei kommt dem Viskositätsverhalten des Beschichtungsstoffes insbesondere an senkrechten Flächen eine große Bedeutung zu.

Im wesentlichen basieren die Zerstäubungsmechanismen von Flüssiglacken auf drei mechanischen Verfahren : der hydraulischen ("airless") Zerstäubung, der pneumatischen Zerstäubung unter zusätzlicher Verwendung von Hilfsgasen, meist Druckluft und der Zentrifugalzerstäubung mittels Zentrifugalkräften an einer Scheibe (s. Abb.2). Gelegentlich findet man noch die rein auf elektrostatischen Kräften basierende Zerstäubung z.B. an einem Sprühspalt.

Abbildung 2: Zerstäubungsmechanismen von Flüssiglacken (Quelle : BASF Handbuch)

Abbildung 3: Schnittbild einer pneumatischen Spritzpistole vom Typus HVLP

Für die Airless-Zerstäubung setzt man die Flüssigkeit unter Druck, und dieser setzt sie in kinetische Energie um. Aus einer Düse tritt der Lack mit hoher Strömungsgeschwindigkeit aus und wird durch die Luft abgebremst. Die dabei auftretenden Scherkräfte zerlegen die austretende Flüssigkeit in kleine Tropfen, da diese Kräfte bedeutend größer sind als die Oberflächenspannungskräfte des Beschichtungsstoffes. Den hauptsächlichen Einfluss auf die Tropfenbildung haben demnach der Druck, der Düsendurchmesser, die Viskosität und die Oberflächenspannung des Lackes.

Bei der pneumatischen Zerstäubung wird der Beschichtungsstoff mit geringerer Geschwindigkeit als bei der Airless-Zerstäubung aus einer Düse gefördert, allerdings liefert Druckluft die für die Tropfenbildung notwendige Scherenergie beim Austritt des Lackes. Hierbei besitzt die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Zerstäuberluft und Lack sowie der Düsendurchmesser eine wichtige Rolle für das Tropfenspektrum. Dazu kommen die Viskosität und die Oberflächenspannung des zu zerstäubenden Stoffes.
Zwischen beiden Spritzverfahren gibt es Varianten wie z.B. das Airmix-Verfahren. Die Forderung nach verbesserten Auftragswirkungsgraden (weniger Abfall durch Vorbeisprühen, s.Abb.4) hat zur Technik der High-Volume-Low-Pressure(HVLP)-Pistole geführt, die vor allem im Bereich der Autoreparaturlackierung weltweit Eingang gefunden hat. Darüber hinaus lassen sich beide Verfahren auch durch elektrostatische Aufladung in Form einer Hochspannungselektrode in der Lackzuführung zur Düse in ihren Auftragswirkungsgraden steigern. Allerdings sind damit Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, die nicht in allen Anwendungsfällen wie z.B. im Baubereich eingehalten werden können. Pistolen für beide Zerstäubungsverfahren besitzen fast immer Austritte für eine so genannte Lenkluft, die den Spritzstrahl zum einen formt und zum anderen gezielter auf das Objekt führt.

Abbildung 4: Typische Auftragswirkungsgrade der wichtigsten Sprühorgane für die Spritzapplikation

Abbildung 5: Schema einer Hochrotationsglocke und Abbildung einer Hochrotationsglocke mit Außenaufladungselektroden

Das modernste und leistungsfähigste elektrostatisch unterstützte Sprühverfahren ist die Zerstäubung mit Hochrotationsglocken. Dabei wird der Lack auf die Innenseite einer Glocke von 40 - 100 mm Durchmesser geführt, die bis zu 80.000 Umdrehungen pro Minute schnell ist. Die Zerstäubung basiert hierbei auf die Wirkung der Zentrifugalkräften am Rand der Glocke. Zum einen auf Grund der elektrostatischen Ausrüstung und zum anderen auf Grund der stationären Bauweise finden die Hochrotationsglocken Anwendung bei Beschichtungsautomaten oder auch an Beschichtungsrobotern.

Die elektrostatische Aufladung mit Spannungen von etwa 60 - 80 kV erhöht den Auftragswirkungsgrad der Applikation erheblich (s.Abb.4). Bei wässrigen Lacken ist die direkte Aufladung in der Zuführung des Lackes in der Spritzpistole wegen der hohen Leitfähigkeit nicht ohne weiteres möglich. Entweder wird dann der Spritzstrahl durch Außenelektroden und ionisierte Luft aufgeladen oder man vermeidet den sonst drohenden Kurzschluss durch Potenzialtrennsysteme zwischen Lackzufuhr und Lackverarbeitungnotwendig.

Konventionelle Lacke benutzen die schnelle Verdunstung der Lösemittel im Spritzstrahl für die notwendige Viskositätssteigerung im applizierten Film, um im wesentlichen das Ablaufen an senkrechten Flächen zu vermeiden. Wässrige Lacke dagegen benötigen wegen der geringeren Verdunstungsneigung des Wassers so genannte Rheologiehilfsmittel, die strukturviskoses oder thixotropes Verhalten einstellen. Dies bedeutet, dass die Lacke bei hohen Scherbelastungen wie an der Düse einer Spritzpistole oder auf der Glocke eines Hochrotationszerstäubers niedriger viskos sind und sich bei sehr geringer Scherbelastung in Ruhe, also an den senkrechten Flächen oder bei Lagerung, hochviskos verhalten.
In beiden Fällen sind die Einflüsse auf das Spritzbild und auf das Lackierergebnis, insbesondere Farbton, Effektgebung, Oberflächenstruktur und Glanz, von vielen Parametern der Lackformulierung, der Applikation und des Prozesses abhängig. Die wichtigsten sind im Fischgrätendiagramm der Abbildung 6 aufgezeigt.

Abbildung 6: Fischgrätendiagramm der Parameter zum Lackierergebnis einer Spritzapplikation

Für moderne Anlagen der Massenbeschichtung wie im Automobilbau werden heute die Auswahl der Spritzaggregate, deren Anordnung und Bewegungsabläufe anhand von gemessenen Spritzbildern berechnet, so dass entsprechende Anlagen mit einem deutlich geringeren Optimierungsaufwand anfahren können. Solche Spritzbilder werden z.B. durch Laserstrahlen gemessen.

Spritzpistolen kommen in Spritzständen, Spritzkabinen und Spritz-Durchlaufanlagen zum Einsatz. Spritzstände sind halboffen und meist für die Handapplikation ausgelegt, Spritzkabinen sind geschlossen und für Handapplikation, Automaten oder Roboter geeignet. Durchlaufanlagen werden für die Beschichtung von Massengütern mittels Automaten oder Robotern eingesetzt (s. Abb.7). Spritzkabinen und Spritzanlagen besitzen je nach Größe und Objekt eine ausgeklügelte Luftführung in Kombination mit Auswaschsystemen, die den Overspray, also den nicht auf dem Lackierobjekt auf-treffenden Spritznebel dirigieren und auffangen. Der Overspray wird entweder als Lack-schlamm entsorgt oder direkt - vor allem bei Wasserlacken - aufgearbeitet und der Lackdosierung wieder zugeführt.
Die Lackzuführung erfolgt bei Handspritzgeräten durch Fließbecherpistolen (Vorratsbehälter oben auf der Pistole) oder Druckgefäßen (mit Schlauchverbindung zur Pistole), bei größeren Anlagen auch durch Ringleitungen. Diese versorgen von einem zentralen Vorratslager aus die verschiedenen Applikationsstellen einer Lackieranlage, oft über mehrere hundert Meter mit Lack und Spülmittel.
Die üblichen Schichtdicken von flüssigen spritzapplizierten Lacken durch die bewegen sich zwischen 20 und 60 µm.

Abbildung 7

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