mini|Schematische Darstellung des Ablaufs in einer PulverbeschichtungsanlageDas 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. Je ein Drittel entfällt auf Europa und Asien, das verbleibende Drittel verteilt sich zur Hälfte auf Nordamerika und den Rest der Welt. In Europa beträgt der Anteil von Pulverlacken am gesamten Lackmarkt etwa 10 %.European Coatings Directory - Special Issue: Powder Coatings; 2008.
mini|Feuerverzinkte und anschließend pulverbeschichtete Stahlbauteile mini|Pulverbeschichtetes freitragendes Schiebetor Übliche 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 Automobile wie der Smart oder auch temperaturempfindliche Substrate wie MDF-Platten pulverbeschichtet.
Die erzeugten Pulverlackschichten haben typischerweise Schichtdicken zwischen 60 und 120 μm. Abhängig von Anwendung und Oberflächenausprägung kann die Schichtdicke jedoch auch ober- oder unterhalb dieses Bereichs liegen.
Allgemeines
mini|Pulverbeschichtung
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 Epoxid- oder Polyesterharzen, für bestimmte Anwendungsfälle auch auf Basis von Polyamid (Nylon), Polyurethan, PVC oder Acryl. 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.B. Müller, U. Poth: Lackformulierung und Lackrezeptur: Das Lehrbuch für Ausbildung und Praxis. Vincentz Network, 2006, ISBN 3-87870-170-5. Gema Switzerland GmbH; Abgerufen am 21. Dezember 2008.
Zur Pulverbeschichtung existieren mehrere Normen. DIN 55633 bezieht sich auf den Korrosionsschutz und die Bewertung von beschichteten Stahlbauten, eines der Hauptanwendungsgebiete der Pulverbeschichtung. Für dünnwandige tragende Bauteile (in der Regel mit Materialdicken ≤ 3 mm) legt Teil 1 der DIN 55634 „Beschichtungsstoffe und Überzüge – Korrosionsschutz von tragenden dünnwandigen Bauteilen aus Stahl“ auch für Pulverbeschichtungen die Anforderungen und Prüfverfahren fest. EN 15773 bezieht sich auf die Pulverbeschichtung von feuerverzinkten und sherardisierten Gegenständen aus Stahl. EN 16985 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.H. Mendler: Die Pulvergeschichte aus der Sicht eines Schweizers - Meilensteine und Flops. In: Journal für Oberflächentechnik. Nr. 7, 2009, S. 20ff.
In den frühen 1970er Jahren wurden die heute gebräuchlichen Pistolentypen entwickelt. Die Entwicklung der Korona-Pistole ermöglichte die Zuführung von Hochspannung 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, welche die Förderung direkt aus Gebinden ermöglichen. Diese Technologie befindet sich heute in breitem Einsatz.
Vorbehandlung
Unter dem Begriff Oberflächenvorbehandlung oder Vorbehandlung werden die Schritte zusammengefasst, die vor der Beschichtung mit Pulverlack durchgeführt werden. Diese umfasst neben der Entfernung von Oberflächenrückständen (Lacke, Fette), das Anbringen geeigneter Halterungen, die Reinigung und das Aufbringen von mehreren Konversionsschichten. Diese dienen dazu, eine bessere Abstimmung zwischen Untergrund und Lack zu erzielen. Zur Reinigung dienen bei Zimmertemperatur verdampfende Reinigungsmittel auf Ethanol- oder Acetonbasis, die auf der Oberfläche keine Rückstände zurücklassen. Bei manchen Ausgangsmaterialien muss eventuell eine Vorbehandlung zum Korrosionsschutz folgen. Eine unzureichend durchgeführte Oberflächenvorbereitung kann zu Haftungsminderung bis hin zur spontanen Ablösung oder zu Kratern im Lackfilm führen.
Durch die mechanische Vorbehandlung werden grobe Verunreinigungen wie Rost oder Zunder entfernt. Bei der Pulverbeschichtung häufig angewendete Verfahren sind Schleifen, Bürsten und Strahlen. 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.Hansgeorg Kollek: Reinigen und Vorbehandeln. Vincentz Verlag, Hannover 1996, ISBN 3-87870-434-8.
Es schließt sich das Aufbringen einer Konversionsschicht an. Die Entfettung reicht zwar für eine reine Oberfläche meist aus, Konversionsschichten vergrößern durch ihre Rauheit zusätzlich die aktive Oberfläche. So verbessert sich die Lackanbindung. Zu den Verfahren im Bereich des Pulverbeschichtens gehören die Phosphatierung auf Stahl, das Anbeizen auf verzinktem Stahl, die Chromatierung, sowie die Anodisierung, bzw. Eloxierung 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
mini|Fließbild einer Pulverlackierkabine mit Aufbereitung
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.
Förderung
mini|links|hochkant|Pulverinjektor aufgesetzt auf einer Ansauglanze zum Ansaugen aus einem Kartongebinde mini|Pulverinjektor (Venturi-Prinzip)
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. Häufig 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 Pulver-Luftmenge. Bei Stabinjektoren wie auch beim Präzisioninjektor ist Fluidisierung notwendig, da die Ansaugung am Boden des Behälters erfolgt und es ohne Zugabe von einer Fluidluft keine konstante Förderung erzeugt. Optimalerweise wird Pulverlack mit einer Fluidisierung und teilweise durch zusätzliche Vibration am Behälter oder Kartongebinde transportfähiger gemacht.
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.