Kontinuierliche Frischpulverzufuhr verbessert das Pulverlackieren

29.09.2006 | Redakteur: MM

Unabhängig von der jeweiligen Anwendung gibt es beim Pulverlackieren generelle Möglichkeiten, bei verbesserter Schichtqualität die Lackierkosten zu verringern: zum Beispiel durch kontinuierliche...

Unabhängig von der jeweiligen Anwendung gibt es beim Pulverlackieren generelle Möglichkeiten, bei verbesserter Schichtqualität die Lackierkosten zu verringern: zum Beispiel durch kontinuierliche Frischpulverzufuhr, wodurch sich der Feinkornanteil des Pulvers verringern und somit eine deutlich gleichmäßigere und letztendlich geringere Schichtdicke erzielen lässt.Das Thema ,,Kosten systematisch reduzieren" hat mehr einen Aufforderungscharakter und kann bei einem so komplexen Zusammenwirken der verschiedenen Anlagenkomponenten und Prozess-Schritte einer Pulverlackieranlage hier sicherlich nur ansatzweise behandelt werden. Hinzu kommt die Unterschiedlichkeit der zu beschichtenden Teile. So kann es zum Beispiel keine generelle Aussage über das optimale Aufhängen von Werkstücken an einem Warenträger geben - auch nicht darüber, wie die optimale Sprühstrahlform auszusehen hat.Zu unterschiedlich sind die jeweils vorzufindenden Vorgaben, wie Teilegröße, Teilegeometrie, Anzahl der Sprühorgane und Anforderungsprofil. Das heißt: Ein Teil der kostensenkenden Optimierungsmaßnahmen kann nur mittels Einzelfallanalyse gefunden werden.Bei allen Pulveranlagen gibt es jedoch, unabhängig von den individuellen Vorgaben, Komponenten, die zueinander in sehr enger Beziehung stehen und hinsichtlich der Kostenreduzierung ein enormes Optimierungspotential darstellen. Das gilt vor allem im Bereich des Pulverkreislaufs.Ein Hauptvorteil des Pulverlackierens ist die Möglichkeit, das an den Teilen vorbeigesprühte Pulver zurückzugewinnen und zusammen mit dem zudosierten Neupulver wieder zu verwenden. Damit ist jedoch auch eine gewisse Problematik verbunden, weil sich die Eigenschaften dieses Oversprays von denen des Frischpulvers unter Umständen erheblich unterscheiden können. Ursache dafür ist die verändernde Korngrößenverteilung, hervorgerufen durch ein besseres Aufladungsverhalten der gröberen Partikel bei der Applikation. Diese Separierung, die im Wesentlichen zu einer Verfeinerung des Oversprays führt, hat ihre Ursache zum Großteil im Sprühstrahlverhalten der Pistole.So sind die verschieden großen Pulverpartikel, zum Beispiel aufgrund der Sprühdüsenform, unterschiedlich wirkenden Kräften ausgesetzt, wie sich anhand der Laserlicht-Schnittaufnahme einer herkömmlichen 25-mm-Pralltellerdüse zeigen lässt.Teilweise Trennung des Pulvers innerhalb des SprühstrahlsInfolge des Pralltellers kommt es zu einer Umlenkung der Partikelbahnen. In der Praxis, also vor Ort, wird dies als schöne Sprühwolke wahrgenommen. Diese Sprühwolke hat jedoch einen stark ausgeprägten Innenwirbel, wobei die zurückströmenden Pulverpartikel - wie gleichzeitige Messungen der Partikelgröße zeigten - überwiegend Feinkornteile sind. Die nicht mehr auf das Objekt gerichtete Partikelströmung unterliegt einmal der nach unten wirkenden Schwerkraft, unterstützt durch die Kabinensinkluft.Elektrostatisch unterschiedliche Ladungen der Pulverpartikel verstärken diese teilweise Trennung des Kornspektrums innerhalb des Sprühstrahls, was zwangsläufig seine Auswirkung auf die Beschichtung hat.In diesem Fall ist das aufgebrachte Pulver auf dem Blech gröber als das Kornspektrum des verwendeten Frischpulvers, was logisch ist, weil bedingt durch die Vorgänge im Sprühstrahl die Feinkornpartikel unproportional stärker dem Overspray zufallen.Es kommt zu einer Verfeinerung des Oversprays. Zur Beurteilung der Prozess-Sicherheit und der Qualitätssicherung ist es also nicht nur erforderlich, jeweils die Schichtdickenverteilung und den Auftragwirkungsgrad zu ermitteln. Es muss auch die Separierung des Kornspektrums - wie eben gezeigt - mit einbezogen werden, weil sie Auswirkungen auf den Pulverlackkreislauf und damit auf das Beschichtungsergebnis hat.Interessant in diesem Zusammenhang ist der Vergleich mit einer Flachstrahldüse. Konstruktiv bedingt werden mit einer solchen Düse relativ geradlinige Partikelbahnen erzeugt. Jedoch kommt es auch hier aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeiten zu Separierungen, wenngleich diese mehr im Außenbereich des Sprühstrahls erfolgen.Ohne diesen Aspekt weiter zu vertiefen, soll gezeigt werden, dass es beim Auftragen des Pulvers zu einer Entmischung und damit im Wesentlichen zu einer Verfeinerung des Oversprays und folglich auch zu einer Feinkornanreicherung im Pulverkreislauf kommt. Sie zu minimieren, ist eine wesentliche Optimierungsaufgabe. Wie sich die Verfeinerung des Kreislauf-Kornspektrums auf die Betriebskosten einer Pulverlackieranlage auswirken kann.Ein 13,5 kg fassender Fluidbehälter wurde mit Frischpulver befüllt. Drei konventionelle Tribo-Sprühsysteme mit Flachstrahlsdüsen (Pulverausstoß jeweils 100 g/min) wurden angeschlossen. Den Overspray führte man über die Pulverrückgewinnung mittels Zyklonabscheider wieder dem Pulverkreislauf, also dem Fluidbehälter, zu. Frischpulver wurde periodisch dem Kreislaufpulver zugegeben - und zwar wenn der Fluidbehälter zur Hälfte leer war. Diese diskontinuierliche Zudosierung von Frischpulver entspricht der in der Praxis noch häufig anzutreffenden Zugabe aus dem Karton in unregelmäßigen Abständen - gerade dann, wenn der Mitarbeiter an der Anlage ,,mal Zeit" hat.Das Ergebnis macht deutlich, welchen Einfluss die Feinkornanreicherung - obgleich durch einen Zyklonabscheider reduziert - im Pulverkreislauf hat. Trotz konstant gehaltenem Pulverausstoß - das heißt, es wurde im Versuch laufend nachgeregelt - nahm die Schichtdicke ständig ab. Dieser Effekt ist in der Praxis nicht unbekannt: Die Schichtdicke nimmt so lange ab, bis wieder Frischpulver nachgefüllt wird. Danach steigt sie wieder. Ein Schwanken der durchschnittlichen Schichtdicke um rund 20 µm oder 23% ist die Folge.Quasi-kontinuierliche Zufuhr verringert SchichtdickenabfallIn der Praxis würde der verantwortliche Mitarbeiter der Anlage niemals ständig nachregeln, es käme also zu einem noch stärkeren Abfallen der Schichtdicke. Im Versuch wollte man jedoch mit dem Mitarbeiter einen weiteren ,,Einflussparameter" herausnehmen, um eine eindeutige Aussage machen zu können.Dass sich die Schichtdicke nach dem Zudosieren des Frischpulvers nicht gleichmäßig erhöht, liegt an den Gegebenheiten praxisnaher Versuche.Hier erfolgt ja auch nicht immer eine exakt gleichmäßige Rückführung des Kreislaufpulvers. So bleibt auch manchmal in einer Kabinenecke Pulver hängen, das zu einem anderen Zeitpunkt zurückgeführt wird. Bei einem relativ kleinen Fluidbehälter ist das stärker bemerkbar. Prinzipiell ändert sich daran auch bei einem größeren Pulvervorratsbehälter nichts - nur dass dann der Kurvenverlauf etwas flacher wird.Bedenken muss man zudem, dass es sich im Schichtdicken-Diagramm um Durchschnittswerte handelt. Geht man praxisnah davon aus, dass die gemessenen Prüfteile auch noch Schichtdickenschwankungen aufweisen und zudem nicht wie im Versuch ständig nachgeregelt wird, befindet man sich schon sehr nahe am teilweisen Ausschuss.Bei einem weiteren Versuch wurde bei gleicher Versuchsanordnung dem Fluidbehälter kontinuierlich Frischpulver zudosiert. Das heißt: Die Minimum- und Maximum-Steuersonden des Fluidbehälters lagen näher beieinander, so dass jeweils nach Abnahme des Kreislaufpulvers um ein Kilogramm dieses durch Frischpulver automatisch ersetzt wurde.Bild 2 (grüne Kurve) zeigt, dass es zwar auch hier, bedingt durch die Feinkornanreicherung, im Overspray zu einem Absinken der Schichtdicke kommt, doch ist dieser Abfall weit geringer. Außerdem kommt es nur noch zu leichten Schwankungen. Das hat die gleiche Ursache wie bei dem vorherigen Versuch schon angedeutet. Die Schichtdicke pendelte sich bei etwa 77 µm ein. Ab da blieb die durchschnittliche Schichtdicke konstant.Bild 3 verdeutlicht, wo die Kostenreduktion liegt. Unterstellt man, die Beschichtung bei diskontinuierlicher Zudosierung hätte die gestellten Anforderungen noch erfüllt, so könnte man bei Beschichtung mit kontinuierlicher Zudosierung die Schichtdicke wegen des relativ konstanten Verhaltens entsprechend ,,herunterfahren". Die Einsparung wird sichtbar. Parallel zur Kostenreduktion von immerhin 10 bis 12% erhält man - quasi gratis - Qualitätskonstanz und verbesserte Prozess-Sicherheit. Das ist ein nicht zu unterschätzender Faktor.Optimierung einer Anlage brachte deutliche VerbesserungDie Versuche wurden mit herkömmlichem Tribo-Sprühsystem (Flachstrahldüse) durchgeführt. Wenn man die bereits gemachten Ausführungen bezüglich des unterschiedlichen Separierungsverhaltens von Sprühsystemen noch berücksichtigt (das heißt separierungsärmere oder -arme Sprühsysteme verwendet), so bleibt die Schichtdicke bei kontinuierlicher Zudosierung fast konstant, was eine weitere Einsparung bedeuten würde, insgesamt also um rund 20% gegenüber der diskontinuierlichen Zudosierung. Das ist kein Jonglieren mit Zahlen, das ist praxis- und realitätsnah, wie Erfahrungen bei Anlagenbetreibern belegen.So wurde bei einem Betreiber nach erfolgter Anlagenoptimierung eine deutliche Verbesserung erzielt [1]. Die Situation war ähnlich der geschilderten: Vor der Optimierung betrug bei diskontinuierlicher Frischpulver-Zudosierung der Pulverausstoß (16 Pistolen) 1300 g/min. Der Auftragswirkungsgrad lag je nach Charge zwischen 38 und 41%. Bei 22 h Betriebsdauer bedeutete das einen Pulverausstoß von 1330 kg am Tag, von dem gerade mal 508 kg effektiv auf den Objekten haften blieben. Im Pulverkreislauf waren fast 300 kg Pulver. Der Ausschuss betrug zum Schluss 16%.Die Anlage wurde mit acht neuen Sprühpistolen bestückt, die einen Auftragswirkungsgrad von rund 70% realisieren. Der Rückgewinnungskreislauf wird so verändert, dass sich von ursprünglich fast 300 kg Pulver nur noch etwa 30 kg im aktiven Kreislauf befinden. Zudem wird automatisch Frischpulver aus Big Bags zudosiert. Der Ausschuss konnte so auf unter 4% gesenkt werden, wobei dafür auch noch andere Faktoren verantwortlich waren.Dass die erzielten Verbesserungen und Kosteneinsparungen die erforderliche Investition mehr als rechtfertigen, muss wohl nicht großartig nachgerechnet werden. Um dieses Ergebnis zu erreichen, hat man Optimierungsarbeiten am gesamten Pulverkreislauf durchgeführt und gute Ergebnisse erreicht: effektives Injektorsystem, verringerter Schlauchquerschnitt, abgestimmter Sinusverlauf der Pistolen auf den Hubgeräten, optimierte Sprühsysteme, kontinuierliche Neupulver-Zudosierung über automatische Big-Bag-Entleervorrichtung nach oben. Sicherlich wird die Optimierung einer Beschichtungsanlage nicht immer zu einer derartig drastischen Kostenreduktion führen.Nicht vergessen werden darf die damit einhergehende Qualitätsverbesserung - ein oft nicht richtig erkannter und exakt erfasster Kostenfaktor. Ebenso wenig wird oft der manuelle Arbeitsaufwand für die diskontinuierliche Zudosierung von Frischpulver (Schütten aus dem Karton) mitberücksichtigt. Bei 500 kg Pulver oder mehr am Tag ist das ein nicht zu unterschätzender Kostenfaktor.