Automobilanwendungen von UV-härtenden Beschichtungen

Die UV-Technologie gilt für viele als die „aufstrebende“ Technologie zur Aushärtung von Industrielacken. Obwohl es für viele in der Industrie- und Automobillackindustrie neu sein mag, gibt es es in anderen Branchen schon seit mehr als drei Jahrzehnten …

Die UV-Technologie gilt für viele als die „aufstrebende“ Technologie zur Aushärtung von Industrielacken. Obwohl es für viele in der Industrie- und Automobillackindustrie neu sein mag, gibt es es in anderen Branchen schon seit mehr als drei Jahrzehnten. Jeden Tag laufen Menschen über UV-beschichtete Vinylbodenbeläge, und viele von uns haben sie in ihren Häusern. Auch in der Unterhaltungselektronikindustrie spielt die UV-Härtungstechnologie eine große Rolle. Bei Mobiltelefonen wird die UV-Technologie beispielsweise bei der Beschichtung von Kunststoffgehäusen, Beschichtungen zum Schutz der internen Elektronik, UV-verklebten Komponenten und sogar bei der Herstellung der Farbbildschirme einiger Telefone eingesetzt. Ebenso verwenden die Glasfaser- und DVD/CD-Industrien ausschließlich UV-Beschichtungen und -Klebstoffe und würden nicht in der Form existieren, wie wir sie heute kennen, wenn die UV-Technologie ihre Entwicklung nicht ermöglicht hätte.

Was ist also UV-Härtung? Im Grunde handelt es sich dabei um einen Prozess zur Vernetzung (Aushärtung) von Beschichtungen durch einen chemischen Prozess, der durch UV-Energie initiiert und aufrechterhalten wird. In weniger als einer Minute verwandelt sich die Beschichtung von einer Flüssigkeit in einen Feststoff. Bei einigen Rohstoffen und der Funktionalität der Harze in der Beschichtung gibt es grundsätzliche Unterschiede, die für den Beschichtungsanwender jedoch transparent sind.

Herkömmliche Auftragsgeräte wie Luftzerstäubungspistolen, HVLP, Rotationsglocken, Flutbeschichtung, Walzenbeschichtung und andere Geräte tragen UV-Lacke auf. Anstatt jedoch nach dem Auftragen der Beschichtung und dem Verdampfen des Lösungsmittels in einen Wärmeofen zu gehen, wird die Beschichtung mit UV-Energie ausgehärtet, die von UV-Lampensystemen erzeugt wird, die so organisiert sind, dass die Beschichtung mit der minimalen Energiemenge beleuchtet wird, die zum Erreichen der Aushärtung erforderlich ist.

Unternehmen und Branchen, die sich die Vorteile der UV-Technologie zunutze machen, haben durch die Bereitstellung überlegener Produktionseffizienzen und ein überlegenes Endprodukt bei gleichzeitiger Steigerung der Gewinne einen außergewöhnlichen Mehrwert geschaffen.

Die Eigenschaften von UV nutzen

Welche Schlüsselattribute können ausgenutzt werden? Erstens erfolgt die Aushärtung, wie bereits erwähnt, sehr schnell und kann bei Raumtemperatur erfolgen. Dies ermöglicht eine effiziente Aushärtung wärmeempfindlicher Untergründe und alle Beschichtungen können sehr schnell ausgehärtet werden. Die UV-Härtung ist ein Schlüssel zur Produktivität, wenn die Einschränkung (Engpass) in Ihrem Prozess eine lange Aushärtungszeit ist. Außerdem ermöglicht die Geschwindigkeit einen Prozess mit viel geringerem Platzbedarf. Zum Vergleich: Für eine herkömmliche Beschichtung, die 30 Minuten lang bei einer Liniengeschwindigkeit von 15 Fuß pro Minute ausgehärtet werden muss, sind 450 Fuß Förderband im Ofen erforderlich, während für eine UV-gehärtete Beschichtung möglicherweise nur 25 Fuß (oder weniger) Förderband erforderlich sind.

Die UV-Vernetzungsreaktion kann zu einer Beschichtung mit weit überlegener physikalischer Haltbarkeit führen. Obwohl Beschichtungen für Anwendungen wie Bodenbeläge hart formuliert werden können, können sie auch sehr flexibel gestaltet werden. Beide Arten von Beschichtungen, harte und flexible, werden in Automobilanwendungen verwendet.

Diese Eigenschaften sind die Treiber für die weitere Entwicklung und Durchdringung der UV-Technologie für Automobillacke. Natürlich sind mit der UV-Härtung von Industrielacken auch Herausforderungen verbunden. Das Hauptanliegen des Prozessverantwortlichen ist die Möglichkeit, alle Bereiche komplexer Teile der UV-Energie auszusetzen. Die gesamte Oberfläche der Beschichtung muss der minimalen UV-Energie ausgesetzt werden, die zum Aushärten der Beschichtung erforderlich ist. Dies erfordert eine sorgfältige Analyse des Teils, die Lagerung der Teile und die Anordnung der Lampen, um Schattenbereiche zu vermeiden. Es gab jedoch erhebliche Verbesserungen bei Lampen, Rohstoffen und formulierten Produkten, die die meisten dieser Einschränkungen überwinden.

Kfz-Vorwärtsbeleuchtung

Die spezielle Automobilanwendung, bei der UV zur Standardtechnologie geworden ist, ist die Fahrzeugfrontbeleuchtungsindustrie, wo UV-Beschichtungen seit mehr als 15 Jahren verwendet werden und mittlerweile 80 % des Marktes ausmachen. Scheinwerfer bestehen aus zwei Hauptkomponenten, die beschichtet werden müssen – der Polycarbonatlinse und dem Reflektorgehäuse. Die Linse benötigt eine sehr harte, kratzfeste Beschichtung, um das Polycarbonat vor Witterungseinflüssen und physischer Beanspruchung zu schützen. Das Reflektorgehäuse verfügt über einen UV-Basislack (Primer), der das Substrat versiegelt und eine ultraglatte Oberfläche für die Metallisierung bietet. Der Markt für Reflektor-Basislacke ist mittlerweile im Wesentlichen zu 100 % UV-gehärtet. Die Hauptgründe für die Einführung waren eine verbesserte Produktivität, ein kleinerer Prozess-Footprint und überlegene Beschichtungsleistungseigenschaften.

Obwohl die verwendeten Beschichtungen UV-härtend sind, enthalten sie Lösungsmittel. Der Großteil des Oversprays wird jedoch zurückgewonnen und in den Prozess zurückgeführt, wodurch eine Übertragungseffizienz von nahezu 100 % erreicht wird. Der Schwerpunkt der zukünftigen Entwicklung liegt auf der Erhöhung des Feststoffgehalts auf 100 % und der Eliminierung der Notwendigkeit eines Oxidationsmittels.

Äußere Kunststoffteile

Eine der weniger bekannten Anwendungen ist die Verwendung eines UV-härtbaren Klarlacks auf eingefärbten Karosserieseitenteilen. Ursprünglich wurde diese Beschichtung entwickelt, um die Vergilbung von Vinyl-Karosserieseitenleisten bei der Außenbelichtung zu verringern. Die Beschichtung musste sehr zäh und flexibel sein, um die Haftung aufrechtzuerhalten, ohne dass es zu Rissen durch Gegenstände kommt, die auf das Formteil treffen. Die Gründe für den Einsatz von UV-Lacken in dieser Anwendung sind die Geschwindigkeit der Aushärtung (geringer Platzbedarf im Prozess) und überlegene Leistungseigenschaften.

SMC-Karosserieteile

Sheet Moulding Compound (SMC) ist ein Verbundwerkstoff, der seit mehr als 30 Jahren als Alternative zu Stahl eingesetzt wird. SMC besteht aus einem mit Glasfasern gefüllten Polyesterharz, das in Platten gegossen wurde. Diese Bleche werden dann in eine Pressform gelegt und zu Karosserieteilen geformt. SMC kann gewählt werden, weil es die Werkzeugkosten für kleine Produktionsläufe senkt, das Gewicht reduziert, Dellen- und Korrosionsbeständigkeit bietet und den Stylisten mehr Spielraum bietet. Eine der Herausforderungen beim Einsatz von SMC ist jedoch die Endbearbeitung des Teils im Montagewerk. SMC ist ein poröses Substrat. Wenn das Karosserieteil eines Fahrzeugs den Klarlack-Lackofen durchläuft, kann ein Lackfehler auftreten, der als „Porosity Pop“ bezeichnet wird. Dies erfordert mindestens eine punktuelle Reparatur oder, wenn genügend „Knackser“ vorhanden sind, eine vollständige Neulackierung der Karosserie.

Um diesen Mangel zu beheben, brachte BASF Coatings vor drei Jahren eine UV-/Thermo-Hybridversiegelung auf den Markt. Der Grund für die Verwendung einer Hybridhärtung besteht darin, dass der Overspray auf unkritischen Oberflächen ausgehärtet wird. Der entscheidende Schritt zur Beseitigung der „Porosity Pops“ ist die Einwirkung von UV-Energie, wodurch die Vernetzungsdichte der freigelegten Beschichtung auf den kritischen Oberflächen deutlich erhöht wird. Wenn die Versiegelung nicht die minimale UV-Energie erhält, erfüllt die Beschichtung dennoch alle anderen Leistungsanforderungen.

Der Einsatz der Dual-Cure-Technologie bietet in diesem Fall neue Beschichtungseigenschaften durch UV-Härtung und bietet gleichzeitig einen Sicherheitsfaktor für die Beschichtung in einer hochwertigen Anwendung. Diese Anwendung zeigt nicht nur, wie UV-Technologie einzigartige Beschichtungseigenschaften bieten kann, sondern zeigt auch, dass ein UV-gehärtetes Beschichtungssystem für hochwertige, großvolumige, große und komplexe Automobilteile realisierbar ist. Diese Beschichtung wurde auf etwa einer Million Karosserieteilen verwendet.

OEM-Klarlack

Das Marktsegment der UV-Technologie mit der höchsten Sichtbarkeit sind wohl die Klasse-A-Beschichtungen von Karosserieaußenteilen für Kraftfahrzeuge. Die Ford Motor Company stellte 2003 auf der North American International Auto Show UV-Technologie an einem Prototypenfahrzeug, dem Concept U, vor. Bei der demonstrierten Beschichtungstechnologie handelte es sich um einen UV-gehärteten Klarlack, der von Akzo Nobel Coatings formuliert und geliefert wurde. Diese Beschichtung wurde auf einzelne Karosserieteile aus verschiedenen Materialien aufgetragen und ausgehärtet.

Auf der Surcar, der weltweit führenden Konferenz für Automobillacke, die alle zwei Jahre in Frankreich stattfindet, hielten sowohl DuPont Performance Coatings als auch BASF in den Jahren 2001 und 2003 Vorträge über UV-Härtungstechnologie für Automobil-Klarlacke. Der Treiber für diese Entwicklung ist die Verbesserung eines Hauptaspekts der Kundenzufriedenheit im Hinblick auf die Kratz- und Kratzfestigkeit von Lacken. Beide Unternehmen haben hybridhärtende (UV- und thermisch) Beschichtungen entwickelt. Der Zweck der Hybridtechnologie besteht darin, die Komplexität des UV-Härtungssystems zu minimieren und gleichzeitig die angestrebten Leistungseigenschaften zu erreichen.

Sowohl DuPont als auch BASF haben in ihren Anlagen Pilotlinien installiert. Die DuPont-Linie in Wuppertal verfügt über die Fähigkeit, Ganzkörper zu heilen. Die Beschichtungsunternehmen müssen nicht nur eine gute Beschichtungsleistung vorweisen, sondern auch eine Lösung für die Lackierstraße vorweisen. Einer der weiteren von DuPont genannten Vorteile der UV-/thermischen Härtung besteht darin, dass die Länge des Klarlackteils der Endbearbeitungslinie einfach durch die Reduzierung der Länge des thermischen Ofens um 50 % reduziert werden kann.

Von technischer Seite präsentierte die Dürr System GmbH ein Montageanlagenkonzept zur UV-Härtung. Eine der Schlüsselvariablen in diesen Konzepten war der Ort des UV-Härtungsprozesses in der Endbearbeitungslinie. Zu den technischen Lösungen gehörte die Platzierung von UV-Lampen vor, innerhalb oder nach dem Thermoofen. Dürr ist der Ansicht, dass es für die meisten Prozessoptionen mit derzeit in der Entwicklung befindlichen Rezepturen technische Lösungen gibt. Fusion UV Systems stellte außerdem ein neues Tool vor – eine Computersimulation des UV-Härtungsprozesses für Automobilkarosserien. Diese Entwicklung wurde durchgeführt, um die Einführung der UV-Härtungstechnologie in Montagewerken zu unterstützen und zu beschleunigen.

Andere Anwendungen

Die Entwicklungsarbeiten für Kunststoffbeschichtungen für den Automobilinnenraum, Beschichtungen für Leichtmetallfelgen und Radkappen, Klarlacke für große, in Farbe geformte Teile und für Teile unter der Motorhaube werden fortgesetzt. Der UV-Prozess wird weiterhin als stabile Härtungsplattform validiert. Das Einzige, was sich wirklich ändert, ist, dass UV-Beschichtungen auf komplexere und höherwertige Teile übergehen. Die Stabilität und langfristige Realisierbarkeit des Prozesses wurden mit der Vorwärtsbeleuchtungsanwendung demonstriert. Es begann vor über 20 Jahren und ist heute der Industriestandard.

Auch wenn die UV-Technologie von manchen als „cool“ angesehen wird, möchte die Industrie mit dieser Technologie die besten Lösungen für die Probleme der Finisher bieten. Niemand nutzt eine Technologie um der Technologie willen. Es muss einen Mehrwert bieten. Der Wert kann in Form einer verbesserten Produktivität in Abhängigkeit von der Aushärtungsgeschwindigkeit entstehen. Oder es kann an verbesserten oder neuen Eigenschaften liegen, die Sie mit den aktuellen Technologien nicht erreichen konnten. Es kann sich um eine höhere Qualität beim ersten Mal handeln, da die Beschichtung weniger Zeit für Schmutz anfällig ist. Es kann eine Möglichkeit sein, VOC in Ihrer Einrichtung zu reduzieren oder zu eliminieren. Die Technologie kann einen Mehrwert schaffen. Die UV-Industrie und Veredler müssen weiterhin zusammenarbeiten, um Lösungen zu entwickeln, die das Endergebnis des Veredlers verbessern.