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Standards in der Beschichtungsindustrie

Trocknen/Aushärten von Beschichtungen

Wenn ein Industrieprodukt aus funktionellen oder ästhetischen Gründen mit einer Beschichtung versehen werden soll, ist das Aushärten oder Trocknen der Beschichtung ein kritischer Arbeitsschritt. Im Chargen- und auch im Durchlaufofen besteht die Anforderung darin, die Temperatur des Produktes und des Beschichtungsmaterials auf einen Sollwert zu erhöhen und diesen eine vorgegebene Zeitdauer zu halten. Häufig soll die Schwellwerttemperatur für einen Zeitraum von 25 bis 35 Minuten beibehalten werden, um mindestens 20 Minuten bei der Aushärtungstemperatur zu gewährleisten.

Für gewöhnlich gibt der Hersteller der Beschichtung an, bei welcher Temperatur das Material wie lange aushärten muss, um sein volles Leistungspotenzial auszuschöpfen. Ein zu kurzes oder zu langes Aushärten kann vielfältige Qualitätsprobleme, wie eine zu geringe Haftung, eine mangelhafte Schlagfestigkeit oder eine minderwertige Oberfläche, zur Folge haben. Ein bereits beschichtetes Produkt nachzuarbeiten, ist sehr zeit- und arbeitsaufwändig. Daher ist ein fehlerfreies Aushärten/Trocknen so wichtig.

Temperaturprofilmessung

In der Beschichtungsindustrie ist man sich der Bedeutung der Temperaturüberwachung bewusst. Jedoch reicht es nicht aus, nur die Einstellungen der Ofensteuerung zu kontrollieren. Die im Ofen installierten, regelnden oder überwachenden Thermoelemente messen zwar die Umgebungstemperatur, ermöglichen aber keine zuverlässige Aussage zur tatsächlichen Temperatur des Produkts. Die Temperaturen an einem einfachen homogenen Material, wie einem Blech, sind oben und unten sowie an den Seiten des Heizraums unterschiedlich. Bei Produkten, die komplexe Querschnitte besitzen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen, erschwert sich die Messung weiter.

Um ein optimales Aushärten/Trocknen zu erreichen, muss man die Produkttemperatur an mehreren wichtigen Stellen kennen und wissen, wie sich diese durch die Ofensteuerung beeinflussen lässt. Die beste Möglichkeit zu gewährleisten, dass die Temperatur an diesen wichtigen Stellen für jede Prozessphase bekannt ist, besteht darin, sie während des Prozessdurchlaufs zu messen.

In vielen Lackierereien gehört der Einsatz eines Systems zur Temperaturprofilmessung, wie das Datapaq XL2 oder EasyTrack 3, zum routinemäßigen Erstellen von Temperaturprofilen bereits zum Arbeitsalltag. In den meisten Automobilwerken werden Systeme, wie das Datapaq XL2, genutzt, um nachzuweisen, dass die Aushärteempfehlungen eingehalten wurden und daher die Leistung der Lackierung und die Qualität des Endprodukts garantiert werden können.

Die Häufigkeit der Profilmessungen in den einzelnen Lackierstraßen unterscheidet sich von Anwender zu Anwender und ist vom Produkttyp und dem Toleranzbereich des Aushärtungsfensters abhängig. Für gewöhnlich liegt sie bei einem Durchlauf pro Schicht und Ofen bis zu einem Durchlauf pro Monat. Manche Ereignisse, bei denen das Risiko besteht, dass sich die Betriebsbedingungen verändert haben, erfordern jedoch, zusätzliche Temperaturprofilmessungen durchzuführen. Dazu zählen:

  • die Einführung eines neuen Produkts,
  • der Einsatz einer neuen Beschichtung oder ein neuer Zulieferer,
  • die Routinereinigung des Ofens,
  • ein größerer Ausfall der Lackierstraße,
  • Änderungen am Ofen,
  • Änderungen an den Produktionsbedingungen,
  • jeder Ausfall, der länger als vier Tage andauert.

Methoden der Temperaturprofilmessung

Die Temperaturprofilmessung kann direkt oder indirekt erfolgen.

Direkte Temperaturprofilmessung

Bei der direkten Temperaturprofilmessung wird ein Produkt kontrolliert, das Teil des Produktionsprogrammes ist und in lackiertem Zustand an den Kunden ausgeliefert wird. Beim Lackieren im Rahmen des normalen Produktionslaufs werden die Thermoelemente vor dem Trockenofen am Produkt befestigt, ohne jedoch die am Endprodukt sichtbaren Flächen zu beschädigen. Hier bieten sich Stellen an, die später von Befestigungselementen verdeckt werden, so dass Kratzer am Lack keine Auswirkungen haben.

Indirekte Temperaturprofilmessung

Die indirekte Temperaturprofilmessung wird angewandt, wenn ein Produkt für Testzwecke mit Messtechnik ausgestattet wurde, so dass die Thermoelemente dauerhaft an ihm befestigt sind. Dieses Produkt durchläuft nur dann die Lackierstraße und den Ofen, wenn ein Test erforderlich ist.

Die untenstehende Tabelle informiert über die Stärken und Schwächen der indirekten und direkten Temperaturprofilmessung:

Direkte Temperaturprofilmessung

Stärken

Schwächen

Es müssen keine Testprodukte mit installierter Messtechnik vorgehalten werden.

Änderungen an der Position von Thermoelementen führen zu nicht einheitlichen Messergebnissen.

Zur Fehlerdiagnose lassen sich die Thermoelemente mühelos an der interessierenden Stelle befestigen.

Die Befestigung der Thermoelemente am noch nicht ausgehärteten Produkt erhöht das Risiko der Beschädigung von Flächen.

Der Prozess kann nicht durch ein verschmutztes Testprodukt verunreinigt werden.

 

Die Temperaturen werden unter realen Aushärtungsbedingungen gemessen.

 

Indirekte Temperaturprofilmessung

Stärken

Schwächen

Die Thermoelemente sind immer an der gleichen Stelle befestigt, was die Wiederholbarkeit der Messungen gewährleistet.

Wenn sich die Abmessungen des Produktes ändern, wird auch ein neues Testprodukt benötigt.

Der geringere Arbeitsaufwand verlängert die Standzeit der Thermoelemente.

Für die Testprodukte wird zusätzliche Lagerfläche benötigt.

Auch weniger erfahrene Bediener können Temperaturprofilmessungen ausführen.

Die Kosten für die Thermoelemente und Testprodukte müssen berücksichtigt werden.

Positionierung der Thermoelemente

Das Thermoelement gehört zu den wichtigsten Komponenten eines Temperaturprofil-Messsystems. Die korrekte Auswahl und Positionierung des Thermoelements ist die Voraussetzung, um die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der erfassten Temperaturwerte sicherzustellen. Die Position des Thermoelements ist vom Typ und von den Abmessungen des zu überwachenden Produktes abhängig. Im Allgemeinen werden Messstellen am Produkt ausgewählt, bei denen die Gefahr einer zu starken Aushärtung, wie an dünnen Blechen, besteht oder an denen eine zu geringe Aushärtung auftreten könnte, wie dicke Formteile oder Bereiche, an denen viele Teile miteinander verbunden sind.

Die Auswahl des Thermoelemente-Fühlers ist vom Produktmaterial sowie vom verfügbaren Platz abhängig. Bei der direkten Temperaturprofilmessung könnte das Thermoelement mit einem Magneten oder eine Klammer am Produkt befestigt werden. Bei der indirekten Messung bieten sich dagegen Schraub- oder Schweißverbindungen an.

Ein Beispiel für eine magnetische Befestigung ist der MicroMag-Fühler, den Datapaq speziell für die Anforderungen der Automobilindustrie entwickelt hat. Dieser kompakte Sensor kann unter extremen Platzbeschränkungen befestigt werden, so dass selbst schwer zugängliche Stellen mühelos messbar sind.

Für reguläre Temperaturprofilmessungen werden zumeist sechs bis acht Messpunkte ausgewählt. Bei Neuprodukteinführungen, beim Einrichten des Ofens und für Optimierungen sind genauere Profilmessungen erforderlich. In diesen Fällen können Temperaturmesssysteme mit bis zu 20 Thermoelemente-Eingängen, wie der Datapaq TP3, genutzt werden. Bei Bedarf ist es auch möglich, die Temperaturprofile mehrerer Datenlogger zu einem gemeinsamen Profil zusammenzufassen, das mehr als 60 Thermoelemente berücksichtigt.

Eine präzise Dokumentation der Positionierung der Thermoelemente ist wichtig, um die Temperaturprofile der Produkte korrekt auswerten zu können. Hierbei kann die Insight-Software Datapaq Oven Tracker helfen. Sie zeigt nicht nur die Positionierung der Thermoelemente an einer Symboldarstellung des Fahrzeugs an, sondern besitzt eine Thermoelemente-Bibliothek mit detaillierten Fotos, die auf dem Bild platziert werden können.

Auswertung der Daten

Um zu ermitteln, ob der Prozess die vom Hersteller des Lacks festgelegten Aushärteempfehlungen einhält, steht eine Vielzahl von Analysewerkzeugen zur Verfügung. Auf der unteren Anforderungsebene ist es möglich, die „Zeit bei Temperatur“ zu berechnen, so dass eingeschätzt werden kann, ob die Beschichtung so soweit erwärmt wurde, dass eine vollständige Aushärtung erfolgen konnte.

Auch anspruchsvollere Funktionen, wie der Datapaq-Wert und der Bake Chart zum Berechnen der Aushärtung, stehen zur Verfügung. Der Datapaq-Wert wird anhand der Arrhenius-Gleichung berechnet, die die Geschwindigkeit der Reaktion erster Ordnung vieler Aushärtereaktionen beschreibt. Die Berechnung verwendet die Summe aller Zeit- und Temperaturwerte, um einen Aushärteindex auszugeben. Ein Wert von 100 zeigt an, dass der Produktionsprozess perfekt mit den Aushärteempfehlungen übereinstimmt. Demzufolge weist ein Wert von über 100 auf eine zu starke und ein Wert von unter 100 auf eine zu schwache Aushärtung hin.

Die in regelmäßigen Abständen bei den gleichen Ofeneinstellungen und Produkten erfassten Temperaturprofile stellen eine wertvolle Ressource dar, die es erlaubt, diese Daten in die Analyse der statistischen Prozesslenkung (SPC) einzugeben. Diese können dann genutzt werden, um die Anforderungen an die vorbeugende Wartung vorherzusagen und kostenintensive außerplanmäßige Eingriffe zu vermeiden.

Schlussfolgerung

Ofen-Temperaturprofilmessungen werden seit vielen Jahren in der Beschichtungsindustrie angewendet. Bedingt durch den technischen Fortschritt hat sich dieses Konzept jedoch stark verändert. Heute bieten die neuesten Technologien von Datapaq eine Vielzahl von Leistungsmerkmalen, die Lackierereien und Produktionsleiter in die Lage versetzen, Aushärteprozesse im Ofen besser zu verstehen sowie diese mit größerer Präzision und Effizienz zu steuern und zu optimieren.

 

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