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Niedertemperatur-Trocknung in der Automobilindustrie

Bei der Tocknung von Wasser-lacken sorgen neue Verfahren fUr mehr Effizienz und Wirtschaftlich-keit. Ein Beispiel ist Niedertempe-ratur-Trocknung, die nun auch in der Automobilindustrie eingesetzt wird.

Nach der Umstellung von schnell-fltichtigen Uisemitteln auf Was-

ser als Applikations-Verdtinner treten Probleme bei der Verdunstungbe-schleunigung auf. Grundierungen, Ba-sislacke, Klarlacke, Kleber und Spritz-folien auf wassriger Basis trocknen vie! langsamer bis zum wasserfreien Film als Uisemittelprodukte.

Wasserlacke brauchen vor der che-mischen Vernetzung durch Warme, IR-oder UV- Strahlung Abdunstzone und Zwischentrockner. Wasser muss sicher ausgetragen sein, bevor weitere Lack-schichten ein Abdichten der Ober-flache hervorrufen. Restwasser im Basislack fUhrt bei chemischer Vernet-zung durch Warme (80 bis 140°C) zu Lackschaden (Kocher und Nade!sti-che).

Losemittel verdunsten bei Raum-temperatur wesentlich schneller als Wasser. Bei feuchter Witterung ver-schlechtert sich die Wasserverduns-tung we iter.

Probleme bei der konventionellen Lacktrocknung

Um in Durchlaufanlagen in der Serienfertigung umwe!tfreundliche Wasserlacke einsetzen zu konnen, musste die Trocknung bisher konven-tionell geliist werden. Die Verduns-tungstechnik scheidet unter normalen Witterungsbedingungen aus Zeitgrtin-den aus.

Ftir die konventionelle Trocknung wurde eine Technik entwickelt, die

das Wasser in ktirzester Zeit durch EnergiezufUhrung "verkocht".

Konventionell wird die Trocknung durch Verkochen vom kurzzeitig erwarmten Untermaterial von unten nach oben eingeleitet, und zwar zum Beispiel durch 1 Minute IR-Stahlung und 2 Minuten Umluft (70 bis 80°C). In der nachfolgenden Ktihlzone ist die Karosserietemperatur auf 30°C abzu-senken, damit der Klarlack-Auftrag problemlos erfolgen kann.

Aufgrund der hohen Verdunstungs-temperatur ist nicht auszuschlieBen, dass hochsiedende Losemittel zu frtih entweichen. Bei der Trocknung von Kunststoffbauteilen kann der IR-Ein-satz nur bedingt erfolgen. Dartiber hinaus konnen durch eine teilweise ausgelagerte Produktion unter den unterschiedlichsten klimatischen Be-dingungen Abweichungen bei Lack-oberflachen entstehen.

Bei der Umstellung von Losemitte!-Lack auf umweltfreundlichen Wasser-basis-Lack gilt grundsatzlich, dass Was-serlack bei der Entwasserung anders zu behandeln ist als schnell abdunstender Losemittel-Lack.

Wasser ist in Lacke "eingebaut", um diese applizieren zu konnen. Nach der Applikation ist das Wasser nur stiirend und aus der Lackschicht aus-zutreiben. Abdunstzone und Zwi-schentrockner sind zum Austreiben des Wassers zwischengeschaltet, um den klebrigen, wasserfreien Lackfilm zu erzeugen. Dieser klebrige, wasser-freie Lackfilm ist dann bereit fUr die Klarlack -Beschichtung.

Beschleunigen der "Kaltverdunstung"

Durch langjahrige Erfahrung mit produktschonender Trocknungstech-nik durch Wasserverdunstung ist bekannt, dass das Verfahren auch fUr die Trocknung von Wasserlacken Vor-

teile bringt. Das Wasser steigt durch die Kapillaren an die Lackoberflache; eine Durchtrocknung der Lackschicht erfolgt lackschonend von innen nach auBen. Das Wasser der Lackoberflache verdunstet, die "Verdunstungskalte" halt die Oberflachen offen und kalt.

Die Verdunstungstrocknung ver-lauft bis zum Trocknungsabschluss produktschonend bei Oberflachentem-peraturen zwischen 10 und 25°C. Das Untermaterial wird nicht erwarmt; es erfolgt kein Energie-Eintrag.

Die Wasserverdunstung lasst sich nur unter bestimmten klimatischen Bedingungen beschleunigen, und zwar muss die Dampfdruckdifferenz zwi-schen Feuchtflache und Trocknungs-luft moglichst groB sein. AuBerdem mtissen die Trocknungsraume so ein-gerichtet sein, dass die erforderliche Dampfdruckdifferenz gehalten wer-den kann.

Mit entwasserter Umluft trocknen

Das Interesse von Lackherstellern und Anwendern in der Automobilindu-strie gilt einem Verfahren, das den Wasseraustritt aus der Oberflache auf natiirliche Weise beschleunigt. Ein sol-ches Verfahren hat die Firma Hell-mann-Hygrex GmbH entwicke!t. Das Verfahren zur Trocknung von dtinnen Schichten mit entwasserter Umluft ist inzwischen durch Erteilung des Patents "Stand der Technik".

Die beschleunigte Wasserverdun-stung lauft hier nach folgendem Prin-zip ab: Die Lackentwasserung erfolgt ausschlieBlich durch Wasserverduns-tung an der Lackoberflache bei 15 bis 29°C. Die Lackoberflachen bleiben bis zum Abschluss der Verdunstung "offenporig". Das Wasser tritt tiber die Kapillaren von innen nach auBen. Die Lackschicht kann auf diese Weise sicher, schnell und schonend durch-trocknen.

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Das Verfahren ist ausschlieBlich zur Beschleunigung der Wasserverduns-tung einsetzbar. Nachfolgende thermi-sche Behandlungen sind getrennt nach dem Wasserentzug im Trocknungsraum durchzufiihren. Die Entwasserung er-folgt in Raumen stromungstechnisch von Feuchtluft getrennt. Das Partial-druckgefalle des Wasserdampfes zwi-schen zu entwassernden Lackflachen und der feuchtigkeitsabnehmenden entwasserten Trockenluft muss immer so groB sein, dass die Beschleunigung der Verdunstung in der vorgegebenen Zeit stattfindet. Auch indirekt beliift-bare Flachen wie Tiirspalte und Karos-sen-Innenraume werden bei geringer Anstromgeschwindigkeit sicher und schonend entwassert.

Keine Lackschaden durch zu fruhe Warmebelastung

Grundsatzlich ist beim Trocknen einer Wasserlackschicht zwischen Ab-dunsten, Vorentwassern und der Fer-tigtrocknung zu unterscheiden. Die sehr nasse Lackoberflache ist empfind-lich und bietet der Umgebungsluft viel Verdunstungsfeuchte an. Temperatur, Anstromgeschwindigkeit und Absolut-feuchte miissen der Lackschicht ange-passt sein, um ein zu schnelles An-trocknen zu vermeiden.

Das Auswiegen von beschichteten Priifblechen zeigt, dass mit der Hygrex-Entwasserung in zirka 5 Minuten 3,5 Gramm Wasser aus der feuchten Lack-schicht ausgetragen werden. Beim che-mischen Vernetzen (30 Minuten bei 140°C) werden nochmals 0,35 g entzo-gen. Diese letzten 9% sind "Hochsie-der" mit sehr geringem Wasseranteil. Bei Trocknungsverfahren, die dagegen durch zu friihe Warmebelastung die Lackoberflache verschlieBen, sind bei nachfolgender Erwarmung Lackscha-den nicht auszuschlieBen.

Erhebliche Kosten-Einsparungen

Der Trocknungsvorgang bei Lacken erfolgt in drei Schritten: • Das Wasser muss an die Lack-

oberflache gebracht werden.

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VOr&ntwaE.serung mit H'tGREX -

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Beispiel einer Verdunstungs-Lacktrocknung

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+ An der Lackoberflache muss das Wasser schnell "verdunsten".

+ Wasserdampf-Aufnahme und AbfUhrung muss durch die ungesat-tigte Umluft erfolgen. Die Aufnahmefiihigkeit der Luft fUr

Wasserdampf ist abhangig von Tempe-ratur und Sattigungsgrad. Dadurch, dass nur die Lackschichten zu entwas-sern sind und das Untermaterial kalt bleibt, lassen sich bis zu 50 Prozent der Betriebskosten einsparen.

So funktioniert die Niedertemperatur-T rocknung

Das Verfahren nutzt die Beschleuni-gung der Wasserverdunstung im geschlossenen Umluft-System bei extrem niedrigem Partialdruck des Wasserdampfes. GleichmaBig diinne feuchte Lackfilme bieten durch groBe Oberflache viel Verdunstungsflache an. Die ungesattigte warme Trocknungs-luft nimmt schnell Wasserdampf auf.

Durch hohe Uberstromgeschwin-digkeiten wird die Feuchtigkeitsab-nahme und das Nachstromen des Wassers an die Lackoberflache beschleunigt (1 bis 10m/sec.). Hygrex-Maschinen halten durch standige Ent-wasserung der Umluft das Partiald-ruckgefiille zwischen Lackoberflache und Trocknungsluft konstant ( 8 bis 12% relative Feuchte).

Das Verfahren ist iiberall dort ein-setzbar, wo Wasser aus diinnen Schich-ten zur Trocknung verdunstet werden solI. Das Verfahren ist wirtschaftlich, das Wasser in der Lackoberflache wird kalt verdunstet, das beschichtete Werkstiick bleibt kalt.

Wassrige 2K-Systeme, die nach dem Wasserentzug noch klebrig sind, wer-den als "noch nass" bezeichnet. Diese Lacke sind wasserfrei, benotigen aber fUr die chemische Vernetzung noch Zeit, Warme oder UV-Strahlung.

Physikalische Grenzen der Dunnschichttrocknung

Das Verfahren kann ausschlieBlich die Verdunstung aus diinnen Schichten bis zirka 400 pm wirtschaftlich be-

schleunigen. Unterschiedliche Schicht- + Absolute Luftfeuchte 2 bis 12 g/m3

dicken mit Tropfenbildung und Schopf- + Lufttemperatur20 bis 60°C stellen (Tauchlackierungen) sind nur + Luftgeschwindigkeit 4 bis 15 ungleichmaBig durchzutrocknen und m/sec. neigen zur Haut- und Kocherbildung. + Blechvorschub 0 bis 15 m/min.

Umrustung von konventionellen Zwischentrocknern

Vorhandene konventionelle Durch-lauf-Zwischentrockner arbeiten allge-mein mit groBen Umluftmengen und kleinen Luftwechselraten. Die Ober-flachenerwarmung durch hohen Ener-gie-Einsatz ist zu reduzieren, wenn Umluft standig bei niedriger Tempera-tur entwassert wird.

Die vorhandenen Umluftgeblase konnen mit geringeren Luftmengen wirtschaftlicher betrieben werden. Aufheiz-Energie und WarmeabfUh-rung in der Kiihlzone entfallen. Bei einer zu verdunstenden Wassermenge von beispielsweise 60 kg pro Stunde ist mit einer kaltetechnischen Antriebslei-stung von rund 90 kWh (Kaltemittel-verdichter und Geblase) zu rechnen.

Die Nachriistung von Hygrex-Ein-heiten ist unproblematisch. Der Stand-ort der Maschinen kann beliebig gewahlt werden; die Durchmesser der Rohranschliisse betragen maximal 400 mm.

Tests im Labortrockner

Die Hellmann-Hygrex GmbH hat III Abstimmung mit fUhrenden Auto-mobil- und Lackherstellern fUr die Automobilindustrie Labortrockner entwickelt. Dadurch haben nun Auto-mobilhersteller und Lackhersteller die Moglichkeit, im Vorfeld die Verarbei-tungs-Eigenschaften der Lacke zu testen und die optimalen Parameter fUr die Trocknung zu ermitteln.

Vorgaben fUr die Zwischentrock-

Der Labortrockner CH 3000 LAB mit beleuchtetem Proberaum enthalt Diisenkanale fUr senkrechtes und waa-gerechtes Anblasen der Probenbleche. Die Probenbleche (maximal 600 x 300 mm) werden mit Magnethaltern an den Pendeltischaufnahmen nach der Applikation eingesetzt. Der Pen del-tisch ist auf verschiedene Durchlaufge-schwindigkeit einstellbar.

Der Labortrockner wird nach den vorgegebenen Werten gesteuert. 1m Versuchsablauf sind die Ist-Werte fUr Absolutfeuchte, Temperatur, Luftge-schwindigkeit und Tischvorschub auf dem Bildschirm als fortlaufende Kur-ven dargestellt. Nach Versuchsende ist der Versuchsablauf dokumentierbar.

Seit Vorstellung des Hygrex-Kalte-trocknungsverfahrens in der Automobi-lindustrie und bei den fUhrenden Her-stellern von Lacksystemen fUr die Automobilindustrie besteht groBes In-teresse an dem Serieneinsatz. Die positi-ven Vorversuche leiteten eine intensive und weiterfUhrende Entwicklung ein.

Mit den ersten Hygrex-Labortrock-nern erfolgten Abpriifungen fUr PKW-und LKW- Lacksysteme, beispielswei-se bei DaimlerChrysler und BASF. 1m BASF-Labor in Southfield (USA) kon-nen Ganzkarossen mit Hygrex-Maschi-nen entwassert werden.

Workshop zum Thema Trocknen in der Automobilindustrie

Um Vergleiche zwischen der kon-ventionellen Warmetrocknung (IR und warme Umluft mit Kiihlzone) und der H ygrex -N iedrigtem peratur-Verd uns-tungs-Trocknung zu erhalten, wurde

nung von Wasserbasislacken sind auf ein Workshop bei der Firma Herberts spezifische Erfordernisse der Lacksy-steme abzustimmen. Die Hygrex-Labortrockner sind fUr die Abpriifung von Wasserlacken und Dispersionen ausgelegt.

Folgende Parameter konnen einge-stellt werden:

Automotive Systems in Wuppertal (heute DuPont) durchgefUhrt. An dem Workshop waren die Firmen Audi, BMW, Peguform, Diirr Systems, Her-berts und Hellmann-Hygrex beteiligt.

Bei den Versuchen unter Laborbe-dingungen erfolgten Abpriifungen von

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Applizieren und Entwassern von Wasserbasislack im Labor von DaimlerChrys-ler in Sindelfingen Links: Labor/rockner, rechts: Keilspritzung auf Testblechen

Lacksystemen nach Wahl der Anwen-der. Beispielsweise wurden Kunststoff-StoBfanger und komplette Audi-Karos-sen gepriift.

Es wurden Steinschlag-, Saure- und Olbestandigkeitstests sowie Liisemit-telanalysen und Messungen von Farb-tonabweich ungen d urchgefUhrt.

Die Ergebnisse waren mit den Seri-enbedingungen vergleichbar. Die Pro-duktionsfreigabe fUr die Trocknung mit entwasserter Umluft wurde auf-grund der Abpriifungen erteilt. Die neue Teilflachen-Lackieranlage, die bei Audi in Neckarsulm von der Firma

entwasserter Umluft. Die Trocknungs-zeit bis zur trockenen Oberflache betragt 2 bis 4 Minuten.

Das Kaschieren erfolgt nach Vorwar-mung der Trager auf 60 bis 70°C in der Kaschiermaschine. Die Wasserfrei-heit des 2K-Klebers vor dem Kaschie-ren ist zwingend erforderlich, damit im Klimatest keine Abliisungen auftreten. Mehrere Hygrex-Trockner sind bei Johnson-Controls in Deutschland und in den USA zum Kaschieren von lnnenausstattungen seit Jahren im Ein-satz.

Burkamp installiert wurde, arbeitet KunststoffstoBfanger trocknen ebenfalls mit einer Hygrex-Maschine Nach dem Waschen zur Vorberei-in der Abdunstzone. Weitere Anlagen tung des Lackauftrags miissen die mit Hygrex-Maschinen sind als Neu- StoBfiingern wasserfrei sein und eine bau oder Nachriistung vorhandener Objekttemperatur von 30°C aufwei-Anlagen derzeit in Planung. sen. Durch gezieltes intensives Ausbla-

sen werden Schopfstellen und Spalte Einsatzbeispiele tropfenfrei. Die Hygrex-Trocknung

in der Zulieferindustrie mit gezielter UmluftfUhrung verdun-stet den Feuchtigkeitsfilm an der Oberflache in 3 bis 6 Minuten (Maxi-

Kaschieren maltemperatur 28 bis 30°C). Die von Innenausstattungen Kunststoff-Bumper sind danach gut

Bei Innenausstattungen wie Schalt- vorbereitet fUr eine problemlose Appli-tafeln und Tiirverkleidungen werden Trager mit Folien oder Leder kaschiert. Der wassrige 2K-Kleber (Tivoli) wird auf die Trager im Spriih-verfahren aufgebracht. Die Trocknung erfolgt durch intensive Beliiftung mit

kation mit Wasserbasislack. Nach dem Auf trag des Wasserbasis-

lacks erfolgt die Lackentwasserung, ebenfalls mit der Hygrex-Maschine. Die Trocknungszeit betragt 3 bis 6 Minuten bei maximal 30°C. Nach Auf-

trag von liisemittelhaltigem Klarlack erfolgt die chemische Vernetzung der beiden Lackschichten gemeinsam. Bei wassrigem Klarlack muss eine weitere Zwischentrocknung vor der Vernet-zung erfolgen.

Die StoBfiinger und Kunststoffan-bauteile bleiben bis zur chemischen Vernetzung kalt und formstabil. Bei der Hygrex -N iedertem peratur-Trockn ung im geschlossenen System treten keine thermisch bedingten Farbtonabwei-chungen auf. Die beschriebene Lack-trocknung von StoBfangern wurde im Workshop abgepriift. Erste Anwender gibt es bereits in Kanada und in Deutschland.

Flussigfolien als Transportschutz

Aus arbeitstechnischen Griinden ist das Aufziehen von Folien auf fertig lackierte Karossen oder Anbauteile unwirtschaftlich. Der Einsatz von Fliissigfolien wird von einigen Herstel-lern gepriift. Die Folien werden nach dem Auf trag durch Entwasserung mit Hygrex-Maschinen sic her getrocknet. Fliissigfolien miissen nach dem Auf-trag sehr schonend entwassert werden, damit die Schutzfunktion gewahrleis-tet ist.

Neben diesen Beispielen wird das Hygrex-Verfahren schon in vielen anderen Bereichen auBerhalb der Automobilindustrie eingesetzt. U nter anderem in der Holz- und Mobelindus-trie. Hier konnte sich der Wasserlack nur schwer durchsetzen. Durch Einzie-hen von Wasser ins Holz traten durch lange Trocknungszeiten Quellungen und Aufrauungen der Oberflachen auf (zusatzliche Schleifarbeiten). Dank des Einsatzes von Hygrex-Durchlauf-Trocknern kann hier nun eine Trock-nungszeit von 2 bis 4 Minuten bei 100 bis 200 pm Schichtdicke erreicht wer-den. Daneben gibt es noch viele ande-re Einsatzbeispiele aus anderen Berei-chen der allgemeinen Industrie. •

Der Aulor: Ing. (grad .) Claus Hellmann, geschaflsfOhrender Gesellschafler der Hellmann-Hygrex GmbH, Nordersledl,

Tel. (0 40) 5 28 12 67

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