DE102008042635A1

DE102008042635A1 - Verfahren zur beschleunigten Trocknung von Polymeren sowie Vorrichtung

Info

Publication number: DE102008042635A1
Application number: DE200810042635
Authority: DE
Inventors: Birgit Kuhlenschmidt; Daniel Lahidjanian; Dirk Bausen; Karl Hausmann; Heiko Lassow
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2010-04-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur beschleunigten Trocknung mindestens eines, zumindest bereichsweise auf einem Bauteil 2, 14 befindlichen Polymers, insbesondere mindestens einer auf einem Flugzeugbauteil mit einer insbesondere unterschiedlichen Materialzusammenstellung aufgetragenen Lackschicht 1, 16 und/oder eines Dichtmittels, umfassend die folgenden Schritte: a) zumindest bereichsweises Aufbringen des mindestens einen Polymers, insbesondere einer epoxidharz- und/oder polyurethanbasierten Lackschicht 1, 16 und/oder eines Dichtmittels auf eine Oberseite 8 des Bauteils 2, 14, und b) zumindest bereichsweises Trocknen des Polymers mittels einer elektromagentischen Stahlung mit einem Wellenlängenbereich zwischen 0,28 µm und 4,0 µm. Hierdurch wird eine beschleunigte Trocknung des Polymers, insbesondere der Lackschicht 1, 16, ausgehend von einer Oberseite 8 des Bauteils 2, 14 hin zu einer Oberseite 6 der Lackschicht 1, 16 möglich, wodurch eine hohe Oberflächengüte der Lackierung bei dennoch kurzen Durchlaufzeiten erreichbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung 17 zur Durchführung des Verfahrens, die einen insbesondere vollautomatischen Ablauf des Trocknungsprozesses bei gleichzeitig in hohem Maße reproduzierbaren Trocknungsergebnissen ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur beschleunigten Trocknung mindestens eines, zumindest bereichsweise auf einem Bauteil befindlichen Polymers, insbesondere mindestens einer auf einem Flugzeugbauteil mit einer insbesondere unterschiedlichen Materialzusammenstellung aufgetragenen Lackschicht und/oder eines Dichtmittels.
Um den zunehmend höheren Anforderungen der Kunden hinsichtlich der farblichästhetischen Gestaltung von Passagierflugzeugen zu genügen, erhalten diese vielfach aufwändige und individuell gestaltete Lackierungen und Beschriftungen. Derartige Flugzeuglackierungen werden in der Regel mehrfarbig und mit komplexen Mustern und Strukturen ausgeführt.
Die Flugzeuglackierungen müssen darüber hinaus erhöhten Umweltbelastungen standhalten, so dass in der Regel nur epoxidharz- oder polyurethanbasierte Lacke mit mindestens zwei Komponenten für diese Anwendung in Frage kommen. Die Aushärtung der fertigen Lackierung erfolgt im Anschluss an den Lackierprozess in der Lackierhalle bei einer Raumtemperatur im Bereich von 20°C, so dass sich insbesondere im Fall von Zweikomponentenlacken recht lange Aushärtungszeiten ergeben.
Für einfarbige Lackierungen ist eine lange Aushärtungszeit noch hinnehmbar, jedoch vervielfacht sich der zeitliche Aufwand bei mehrfarbigen Lackierungen, da nicht alle Farbtöne zeitgleich aufgetragen werden können. Um die Trocknungsprozesse zu beschleunigen und die Durchlaufzeiten zu verringern, wird daher teilweise die Raumtemperatur in der Lackierhalle auf bis zu 35°C angehoben. Diese Vorgehensweise bedingt jedoch einen signifikant erhöhten Energieeinsatz, so dass sich diese Vorgehensweise im Normalfall verbietet. Darüber hinaus erhöht diese Vorgehensweise die Neigung zur Kocherbildung (Blasenbildung), die zu nicht vertretbaren Qualitätseinbußen führt.
Aufgrund der vorstehend aufgezeigten Nachteile sind die bisher angewandten Verfahren zur Herstellung von komplexen, insbesondere mehrfarbigen und mehrschichtigen, Lackierungen bei kurzen Durchlaufzeiten ungeeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur beschleunigten Trocknung von zumindest bereichsweise auf Bauteilen von Passagierflugzeugen aufgebrachten Polymeren, insbesondere von Lackschichten, Grundierungen und Dichtmitteln, anzugeben.
Diese Aufgabe wird zunächst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 mit den folgenden Schritten gelöst:

a) zumindest bereichsweises Aufbringen des mindestens einen Polymers, insbesondere einer epoxidharz- und/oder polyurethanbasierten Lackschicht und/oder eines Dichtmittels, auf eine Oberseite des Bauteils, und
b) zumindest bereichsweises Trocknen des Polymers in einer Trocknungsphase mittels einer elektromagnetischen Strahlung mit einem Wellenlängenbereich zwischen 0,28 µm und 4,0 µm.

Infolge der Trocknung der auf das Bauteil aufgebrachten Polymere – bei denen es sich insbesondere um Lackschichten und/oder Dichtungsmittel handelt – mittels einer elektromagnetischen Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 0,28 µm und 4 µm, ist in der Regel eine beschleunigte Trocknung des beschichteten Bauteils in weniger als einer Stunde möglich. Das Verfahren wird bevorzugt auf eine abschließend auf ein Bauteil aufgetragene Lackschicht im Zuge der Endlackierung angewendet.
Die auf die Lackschicht einwirkende elektromagnetische Strahlung wird zu einem Teil reflektiert, zu einem anderen Teil absorbiert und zu einem weiteren Teil transmittiert, wobei die Summe dieser Teile der Gesamtheit der eingekoppelten elektro magnetischen Strahlung entspricht. Der innerhalb der Lackschicht absorbierte Anteil der elektromagnetischen Strahlung bewirkt eine Erhöhung der kinetischen Energie der in der Lackschicht enthaltenen Molekülgruppen, so dass die Temperatur der Lackschicht durch Reibungsprozesse auf molekularer Ebene ansteigt.
Von herausgehobener Bedeutung ist hierbei, dass die Trocknung der Lackschicht nicht von der Außenseite her erfolgt, sondern die Trocknung vielmehr von der Oberseite des Bauteils, das heißt vom Inneren der Lackschicht, ausgeht. Hierdurch ergibt sich eine sehr hohe Oberflächengüte einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens getrockneten Lackschicht bei zugleich signifikant verkürzten Aushärtungszeiten. Gleichzeitig ist es möglich Dichtfugen, die mit einem thermisch aushärtbaren Kunststoffmaterial bzw. einem vernetzbaren Polymer gebildet sind, zusammen mit der Lackschicht beschleunigt auszuhärten. Dasselbe gilt für etwaig vorab aufgebrachte Voranstriche bzw. Grundierungen (so genannte ”Primer”). Vorzugsweise findet das Verfahren bei Endlackierungen Anwendung. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert sich insbesondere der so genannte T-Wert der Lackschicht, der ein Maß für die Narbigkeit bzw. Welligkeit der getrockneten Lackschicht darstellt. Der dimensionslose T-Wert wird bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen einer elektromagnetischen Messstrahlung ermittelt und kann Zahlenwerte zwischen 0 bis 24 erreichen, wobei höhere T-Werte eine geringere Welligkeit bedeuten und damit auf eine höhere Lackqualität hinweisen.
Als geeignete Strahler haben sich beispielsweise Quarzglasrohrstrahler mit einer Glühwendeltemperatur von 2.400 Kelvin bei einer Betriebsspannung von 235 Volt und einer maximal abgegebenen Wellenlänge von 1,2 µm erwiesen, wobei ein solcher Strahler eine elektrische Leistung von bis zu 12 kW aufnimmt. Mit einem derartigen Strahler ist es möglich, eine Fläche der Lackschicht von beispielsweise 1,25 m mal 0,4 m zeitgleich zur beschleunigten Trocknung zu bestrahlen und hierbei eine hinreichend homogene Temperaturverteilung im Bereich der Lackschicht zu erreichen.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass eine Temperatur im Bereich des mindestens einen Polymers während der Trocknungsphase kleiner oder gleich einer Maximaltemperatur von 100°C gehalten wird.
Hierdurch wird eine Beschädigung, beispielsweise in Form einer unerwünschten Blasen- oder Narbenbildung, der Lackschicht verhindert und dennoch eine optimale Trocknungsgeschwindigkeit erzielt. Beispielsweise wird die Lackschichttemperatur nach dem Durchlaufen einer linearen Aufwärmrampe bis auf eine Trocknungstemperatur von 80°C aufgeheizt und diese während der gesamten Trocknungsphase von etwa 30 bis 180 Minuten bis zur sich anschließenden Abkühlphase hin konstant gehalten. In der Abkühlphase erfolgt die Abkühlung der Lackschicht bis auf Raumtemperatur, was beispielsweise mit einer linearen Abkühlrampe mit 20°C/min erfolgen kann. In der Regel ist die Abkühlphase bereits beim Unterschreiten einer Bauteiltemperatur von 35°C als beendet anzusehen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Temperatur im Bereich des mindestens einen Polymers während der Trocknungsphase ausgehend von der Raumtemperatur, insbesondere linear mit höchstens 20°C/min, bis auf eine Trocknungstemperatur, die kleiner oder gleich der Maximaltemperatur ist, erhöht.
Durch diesen langsamen, gleichmäßigen Temperaturanstieg ergibt sich ein besonders schonender Trocknungsprozess, so dass mit dem erfindungsgemäßen Trocknungsverfahren qualitativ dieselben Lackierergebnisse erzielt werden, wie im Fall der üblicherweise angewendeten passiven Langzeit-Trocknung. Insbesondere stellt sich eine kleinere Welligkeit bzw. Narbigkeit der Lackschicht ein, das heißt deren T-Wert steigt.
Der Temperaturanstieg kann durch eine Leistungsregelung der Strahler mittels einer geeigneten Leistungselektronik und/oder durch eine Verringerung des Abstands zwischen dem Strahler und der Lackschicht erzielt werden. Ferner kann der Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung auf das Bauteil variiert werden.
Eine weitere Fortbildung des Verfahrens sieht vor, dass das mindestens eine Polymer vor der Trocknungsphase in einer Ablüftungsphase, insbesondere über einen Zeitraum von etwa 5 Minuten bis 30 Minuten hinweg, ablüftet.
Hierdurch wird erreicht, dass eine frisch aufgebrachte Lackschicht in einem geringen Maße ”anzieht”, wodurch der Lack entspannt wird, die Filmbildung optimiert und eine Kocherbildung verhindert wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in nachfolgenden Patentansprüchen niedergelegt.
Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere nach Maßgabe der Patentansprüche 1 bis 10, gelöst.
Dadurch, dass mindestens ein elektromagnetische Strahlung abgebender Strahler vorgesehen ist, der Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 0,28 µm und 4,0 µm abgibt, wobei der mindestens eine Strahler und das Bauteil in Relation zueinander positionierbar sind,
ist eine beschleunigte und dennoch frei von Qualitätseinbußen erfolgende Trocknung der mindestens einen auf das Bauteil aufgebrachten Lackschicht gewährleistet. Als Strahler können beispielsweise Quarzglasrohrstrahler verwendet werden. Rund 85% der von diesen Strahlern emittierten elektromagnetischen Strahlung wird in einem Wellenlängenbereich zwischen 0,48 µm und 3,0 µm (so genannte IR-A und IR-B-Strahlung) abgegeben, so dass auf diesen Wellenlängenbereich die entscheidende Trocknungswirkung zurück zuführen ist. Die auf die zu trocknende Lackfläche abgegebene Strahlungsleistung in dem genannten Spektralbereich bewegt sich in Abhängigkeit von der elektrischen Anschlussleistung der für Versuchszwecke eingesetzten Strahler zwischen ungefähr 75,1 W/m² und 159,0 W/m² bei einem Abstand von jeweils 1 m zwischen dem Strahler und der Lackschicht.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass mittels des mindestens einen Strahlers eine Fläche der Lackschicht gleichmäßig bestrahlbar ist, derart dass sich im Bereich der Fläche eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung ergibt.
Hierdurch erfolgt über die Fläche der aufgetragenen Lackschicht hinweg eine gleichmäßige Aushärtung.
Eine weitere vorteilhafte Weiterentwicklung der Vorrichtung sieht vor, dass der mindestens eine Strahler in Relation zum Bauteil mittels einer Handhabungseinrichtung frei im Raum positionierbar ist und die Handhabungseinrichtung von einer Steuer- und Regelungseinrichtung kontrolliert ist.
Infolge dieser Ausgestaltung kann der Strahler automatisch über der mindestens einen Lackschicht positioniert werden und nach dem Erreichen eines vorgegebenen Trocknungsgrades auf vordefinierten Bahnkurven zur vollständigen Austrocknung der gesamten Lackschicht über das restliche Bauteil geführt werden. Die Bahnkurven können derart verlaufen, dass die zeitlich nachfolgend vom Strahler bestrichenen Flächen sich in Randbereichen, in denen die Flächen aneinander grenzen, zumindest teilweise überlappen. Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich bei den lackierten Bauteilen um solche mit großen Abmessungen, wie zum Beispiel vollständige Flugzeugrümpfe, Seitenleitwerke oder komplette Tragflügel handelt.
Sind die Abmessungen der lackierten Bauteile hingegen kleiner, kann es von Vorteil sein, das Bauteil selbst in Relation zum Strahler zu positionieren. Beispielsweise kann ein lackiertes Seitenleitwerk mittels einer geeigneten Handhabungseinrichtung, wie zum Beispiel einem Förderband, mit einer geeigneten Vortrittgeschwindigkeit durch eine portalartige Anordnung von Strahlern hindurchgeführt werden.
Bauteile mit sehr kleinen Abmessungen können hingegen vollständig in eine Trocknungsanordnung mit einer Vielzahl von allseitig matrixartig angeordneten Strahlern eingebracht werden, so dass eine Positionierung des Bauteils in Relation zu den Strahlern nicht mehr erforderlich und eine zeitlich sehr schnelle, parallele Trocknung der auf das Bauteil aufgebrachten Lackschichten möglich ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in nachfolgenden Patentansprüchen niedergelegt.
In der Zeichnung zeigt:
1 Eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
2 eine prinzipielle Darstellung der Wirkweise der Infrarot-Lacktrocknung,
3 eine grafische Darstellung des Temperaturverlaufs bei der Verfahrensdurchführung, und
4 eine schematisierte Ausführungsvariante der Vorrichtung zur beschleunigten Trocknung einer Lackschicht auf einem großformatigen Bauteil.
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Merkmale jeweils die gleichen Bezugsziffern auf.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Eine Lackschicht 1 ist auf einem Bauteil 2 aufgetragen. Bei der Lackschicht 1 handelte es sich um einen hochelastischen Polyurethanlack (PUR) mit der Bezeichnung ”CA 8000” des Herstellers PPG^®. Dieser Lack enthält eine Basis, einen Härter sowie einen Verdünner. Mittels des Verdünners kann insbesondere die Reaktionsgeschwindigkeit der Lackschicht 1 variiert werden. Mittels eines Strahlers 3, der elektromagnetische Strahlung 4 mit hoher Intensität emittiert, wird eine Fläche 5 der Lackschicht 1 selektiv schnell getrocknet. Die Fläche 5 beträgt 0,5 m², kann aber zur Aushärtung großformatiger Bauteile auf mehrere Quadratmeter erhöht werden. Etwa 85% der vom Strahler 3 abgegebenen elektromagnetischen Strahlungsenergie liegt in einem Wellenlängenbereich zwischen 0,48 µm und 3,0 µm (so genanntes IR-A und IR-B). Die eingestrahlte Leistung pro Fläche liegt im genannten Wellenlängenbereich zwischen 75,1 W/m² und 83,9 W/m² bei einem bevorzugten Abstand zwischen 60 cm und 80 cm zwischen der Lackschicht 1 und dem Strahler 3. Die genannten Parameter erlauben zum Beispiel erstmals eine beschleunigte Aushärtung der Lackschicht 1 des Bauteils 2 in der Gestalt eines Seitenleitwerks eines Flugzeugs in einem einzigen Trocknungsgang, obwohl das Seitenleitwerk mit einem Materialmix aus kohlefaser- und glasfaserverstärkten Duroplasten sowie mit Aluminium- und gegebenenfalls mit Titanlegierungen gebildet ist. Die unterschiedlichen Materialien werden mit unterschiedlichen Grundierungen bzw. Voranstrichen versehen, die in der Regel über verschiedene Farben verfügen und unterschiedliche technische Funktionen haben. Beispielsweise ist ein Decklack für ein mit einer Aluminiumlegierung gebildetes Seitenleitwerk grau, während ein Erosionsschutzlack weiß ist und ein Antistatiklack für Verbundmaterialien eine schwarze Farbgebung aufweist. Weitere optionale Grundanstriche sind beige. Das Verfahren erlaubt erstmals – unbeschadet der infolge dieser bereichsweise unterschiedlichen Farbgebung des Bauteils unterschiedlichen Absorptions- bzw. Reflexionseigenschaften – eine simultane Trocknung einer abschließend aufgebrachten Endlackierung bei einem dennoch gleichmäßigen Trocknungsverlauf der Endlackierung auf sämtlichen Untergründen.
Die 2 veranschaulicht den grundlegenden Wirkmechanismus des Verfahrens. Die auf das Bauteil 2 bzw. das Substrat aufgetragene Lackschicht 1 wird von einem Strahler 3, insbesondere einem Hochenergie-IR-Strahler, mit elektromagnetischer Strahlung 4 hoher Energiedichte bestrahlt. Die mit punktierten Linien dargestellten Strahlungsanteile werden jeweils unmittelbar in der Lackschicht 1 absorbiert, wodurch die kinetische Energie der Molekülgruppen erhöht wird und demzufolge die Temperatur in der Lackschicht 1 steigt. Die mit durchgezogenen Linien dargestellten Strahlungsanteile werden hingegen unmittelbar von einer Oberseite 6 der Lackschicht 1 reflektiert und können somit keinen Wirkbeitrag zur Temperaturerhöhung der Lackschicht 1 leisten. Die mit strichpunktierten Linien symbolisierten Strahlungsanteile werden hingegen in einem Grenzbereich 7 zwischen der Lackschicht 1 und dem Bauteil 2 bzw. im Bereich einer Oberseite 8 des Bauteils 2 absorbiert, das heißt dieser Strahlungsanteil wird von der Lackschicht im Wesentlichen transmittiert. Ein mit einer gestrichelten Linie dargestellter weiterer Strahlungsanteil wird zwar im Grenzbereich 7 bzw. von der Oberseite 8 des Bauteils 2 in die Lackschicht 1 zurückreflektiert, jedoch dann in der darüber liegenden Lackschicht 1 absorbiert. Ein weiterer Strahlungsanteil 9 wird im Grenzbereich 7 vollständig reflektiert, jedoch nicht von der Lackschicht 1 absorbiert und tritt, ohne einen Wirkbeitrag an der thermischen Erwärmung der Lackschicht 1 zu leisten, im Bereich der Oberseite 6 der Lackschicht 1 wieder aus.
Von entscheidender Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren ist in diesem Zusammenhang, dass die Trocknung der Lackschicht ausgehend von der Oberseite 8 des Bauteils 2 ausgeht und dann mit fortschreitendem Trocknungsprozess in Richtung der Oberseite 6 der Lackschicht 1 gerichtet verläuft. Insbesondere im Falle von gekrümmten Lackschichten würde ein umgekehrter Trocknungsverlauf, das heißt ein Trocknungsverlauf der ausgehend von der Oberseite 6 der Lackschicht 1 in Richtung der Oberseite 8 des Bauteils 2 verliefe, zu Qualitätseinbußen, insbesondere zu Faltenbildung in der ausgehärteten Lackschicht 1 führen, da die aushärtungsbedingte Schrumpfung der Lackschicht 1 aufgrund der unterschiedlichen Radien im Fall von gekrümmten Bauteilen 2 im Bereich der Lackschichtoberseite und der Bauteiloberseite zu geringfügigen Stauchungen führt.
Anhand der 3 wird der Temperaturverlauf innerhalb der Lackschicht während des Verfahrensablaufs illustriert.
Zunächst wird auf das Bauteil 2 mit bekannten Technologien die Lackschicht 1 aufgebracht. Dieser Vorgang ist im Zeitpunkt t = 0 Minuten abgeschlossen. Hieran schließt sich eine Ablüftungsphase 10 der Lackschicht 1 an, in der die leicht flüchtigen Bestandteile aus der Lackschicht 1 austreten und die Lackschicht ”anzieht” und ihre mechanische Belastbarkeit geringfügig steigt. Die Ablüftungsphase 10 erfolgt bei Raumtemperatur, das heißt in der Regel bei 20°C. Daneben sind in der Ablüftungsphase 10 noch in geringem Maße Fließprozesse innerhalb der Lackschicht 1 möglich, so dass sich bereichsweise unterschiedliche Lackdichten infolge schwerkraftbedingter Fließprozesse in gewissem Maße noch selbsttätig ausgleichen können und die Qualität der Lackierung steigt. Darüber hinaus ist die Lackschicht 1 nach dem Durchlaufen der Ablüftungsphase 10 aufgrund ihrer dann leicht erhöhten mechanischen Belastbarkeit weniger anfällig für Schmutzpartikel, die ansonsten sehr leicht in die Lackschicht 1 eindringen und die Oberflächengüte stark beeinträchtigen. Die zeitliche Dauer der Ablüftungsphase 10 umfasst, in Abhängigkeit vom eingesetzten Lacksystem und der Raumtemperatur, einen Zeitraum zwischen 5 und 30 Minuten.
An die Ablüftungsphase 10 schließt sich eine Aufheizphase 11 an. in der Aufheizphase 11 wird die Temperatur im Bereich der Lackschicht 1 bevorzugt auf eine Trocknungstemperatur von etwa 80°C gebracht. Der Temperaturanstieg verläuft in der Form einer linearen Rampenfunktion mit einer positiven Steigung, die bei ungefähr 20°C/min liegt. Nach dem Erreichen der Trocknungstemperatur von 80°C wird in einer sich anschließenden Trocknungsphase 12 dieses Temperaturniveau über die gesamte Dauer der Trocknungsphase 12 hinweg möglichst konstant gehalten. Die zeitliche Dauer der Trocknungsphase 12 umfasst ein zeitliches Intervall in einem Bereich zwischen 15 Minuten und 60 Minuten, vorzugsweise jedoch 30 Minuten. An die Trocknungsphase 12 schließt sich eine Abkühlphase 13 an. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 3 wird die Lackschicht 1 mit einer linearen Rampenfunktion in 30 Minuten auf Raumtemperatur von angenommenen 20°C abgekühlt, was einer negativen Steigung von ungefähr 2°C/min entspricht. Das definierte Abkühlen der Lackschicht 1 erfolgt gegebenenfalls unter Einsatz einer nicht dargestellten Kühleinrichtung, beispielsweise eines Kaltluftgebläses. Nach dem Abschluss der Abkühl phase 13 ist der eigentliche Lackierprozess abgeschlossen und die Lackschicht 1 hat nahezu ihre endgültige mechanische Belastbarkeit erreicht.
Zur weiteren Verbesserung der Oberflächenqualität der schnell getrockneten Lackschicht 1 können sich an die Abkühlphase 13 weitere Verfahrensschritte anschließen. Beispielsweise ist es möglich, die Lackschicht 1 einer Oberflächenveredelung durch bekannte Polierprozesse zu unterziehen. Die Verbesserung der Oberflächengeometrie der Lackschicht 1 resultiert in diesem Fall durch vom Polieren hervorgerufene kombinierte Verdichtungs- und Glättungseffekte im Bereich der Oberseite 6 der Lackschicht 1. Die Oberflächenveredelung in Form der nachgeschalteten Oberflächenpolitur wird erst durch das vollständige Durchtrocknen bzw. die Aushärtung der bevorzugt mit einem hochelastischen Polyurethanlack gebildeten Lackschicht 1 nach Maßgabe des erfindungsgemäß beschleunigten Trocknungsverfahrens ermöglicht.
Der vollständige Trocknungsprozess benötigt im gezeigten Ausführungsbeispiel nach Maßgabe der 3 nur etwa 93 Minuten und ist demzufolge im Vergleich zu Trocknungsprozessen, die bei der üblichen Raumtemperatur von 20°C ablaufen, deutlich schneller und besser automatisierbar. Darüberhinaus sind die Trocknungsergebnisse besser reproduzierbar, da Schwankungseinflüsse des Raumklimas nur noch einen geringen Einfluss haben.
Die perspektivische Darstellung der 4 zeigt eine Vorrichtung zur bevorzugt vollautomatischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an großformatigen Bauteilen.
Ein großformatiges Bauteil 14, bei dem es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um eine nur teilweise dargestellte Rumpfzelle 15 eines Flugzeugs handelt, ist mit einer Lackschicht 16 versehen worden
Zur Trocknung der Lackschicht 16 verfügt eine Vorrichtung 17 über einen Strahler 18, der in einem Abstand 19 von vorzugsweise zwischen 60 cm und 80 cm oberhalb der Lackschicht 16 mittels einer nicht dargestellten Handhabungseinrichtung positioniert und geführt ist. Bei der Handhabungseinrichtung handelt es sich beispielsweise um einen Standard-Knickarmroboter mit mindestens sechs Freiheitsgraden, der von einer gleichfalls nicht dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung kontrolliert wird. Alternativ sind auch Portalroboter zur Positionierung des Strahlers 18 denkbar, wobei das Portal als ein Kreissegment oder als ein geschlossener Kreis ausgestaltet ist, so dass die Rumpfzelle 15 vom Strahler 18 im Abstand 19 umfahren werden kann. Der Strahler 18 ist mit einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Einzelstrahlern aufgebaut, von denen lediglich ein Einzelstrahler 20 mit einer Bezugsziffer versehen ist. Die Einzelstrahler 20 sind jeweils mit nicht näher dargestellten Quarzglasrohrstrahlern gebildet. Die Anordnung der Einzelstrahler 20 ist vorzugsweise einer Oberflächengeometrie des Bauteils 14 bzw. der gezeigten Rumpfzelle 15 angepasst. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 4 folgt die räumliche Anordnung der Einzelstrahler 20 in etwa einem Zylindermantelabschnitt. Weiterhin verfügt der Strahler 18 über einen Reflektor 21, der zur Vergleichmäßigung der von den Einzelstrahlern 20 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung dient. Infolge der Vielzahl von matrixförmig angeordneten Einzelstrahlern 20 kann eine große Fläche 22 der Lackschicht 16 gleichzeitig getrocknet werden. Die Fläche 22 kann eine Ausdehnung von mehreren Quadratmetern aufweisen. Die Einzelstrahler 20 werden von einer nicht dargestellten Leistungselektronik angesteuert, die in Verbindung mit der Steuer- und Regeleinrichtung eine stufenlose Regelung der Leistung der vom Strahler 18 auf die Lackschicht 16 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung ermöglicht. In Folge der individuellen Ansteuerung der Einzelstrahler 20 ist in Verbindung mit einer gegebenenfalls komplex gestalteten, abschnittsweise unterschiedlich zweifach gekrümmten Oberflächengeometrie des Reflektors 21 eine weitgehende Homogenisierung des vom Strahler 18 emittierten Strahlungsfeldes möglich, so dass die Trocknungsgeschwindigkeit der Lackschicht 16 über die gesamte Fläche 22 hinweg annähernd konstant ist.
In der Steuer- und Regeleinrichtung kann ferner eine Messeinrichtung integriert sein, mittels der der erreichte, aktuelle Trocknungsgrad der Lackschicht 16 unmittelbar messbar ist, so dass sich die Dauer der Trocknungsphase 12 verändert. Hierdurch sind optimale Trocknungsergebnisse unabhängig von den klimatischen Umgebungsbedingungen und/oder des jeweils eingesetzten Lacksystems erreichbar. Eine solche Messung des jeweils aktuell erreichten Trocknungsgrades der Lackschicht 16 kann beispielsweise durch eine diffuse Reflektionsmessung im nahen Infrarotbereich erzielt werden, da sich diese Reflexionswerte in Abhängigkeit vom jeweils erreichten Vernetzungsgrad und damit vom Trocknungsgrad der Lackschicht 16 messbar verändern.
Alternativ kann die Steuer- und Regeleinrichtung auch nur mit einer Zeitmesseinrichtung (so genannter ”Timer”) ausgestattet sein. Im Fall einer reinen Zeitsteuerung ist jedoch eine manuelle Anpassung der zeitlichen Dauer der Trocknungsphase 12 an verschiedene Lacksysteme erforderlich.
Die nicht dargestellte Handhabungseinrichtung erlaubt das vollautomatische Überfahren des Bauteils 14 mit dem Strahler 18 in einem exakt definierten Abstand 19 auf genau festgelegten Bewegungsbahnen und damit die Integration der Vorrichtung in eine vollautomatische Lackieranlage. Eine Bewegung des Strahlers 18 ist hierbei in Richtung der drei schwarzen Doppelpfeile 23 in Relation zum Bauteil 14 möglich. Umgekehrt kann auch das Bauteil 14 in Relation zu einem dann feststehend ausgebildeten Strahler 18 beliebig im Raum positioniert werden, um eine gleichmäßige Oberflächentrocknung der Lackschicht 16 zu erreichen. Welcher Positionierung im Einzelfall der Vorzug zu geben ist, hängt vor allem von den geometrischen Abmessungen des Bauteils 14, das heißt insbesondere dessen Größe ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die dazugehörige Vorrichtung sind zur Trocknung einer Vielzahl von Polymeren, insbesondere von Epoxidlacken, Polyurethanlacken sowie Arcyllacken auf einer großen Bandbreite von verschiedenen Untergründen geeignet. Das Verfahren ist sowohl bei metallischen Untergründen als auch bei kunststoffbasierten Untergründen, wie zum Beispiel CFK oder GFK anwendbar.

1: Lackschicht
2: Bauteil
3: Strahler
4: elektromagnetische Strahlung
5: Fläche
6: Oberseite (Lackschicht)
7: Grenzbereich (zwischen Bauteil und Lackschicht)
8: Oberseite (Bauteil)
9: Strahlungsanteil
10: Ablüftungsphase
11: Aufheizphase
12: Trocknungsphase
13: Abkühlphase
14: Bauteil
15: Rumpfzelle
16: Lackschicht
17: Vorrichtung
18: Strahler
19: Abstand
20: Einzelstrahler
21: Reflektor
22: Fläche
23: Doppelpfeil

Claims

Verfahren zur beschleunigten Trocknung mindestens eines, zumindest bereichsweise auf einem Bauteil (2, 14) befindlichen Polymers, insbesondere mindestens einer auf einem Flugzeugbauteil mit einer insbesondere unterschiedlichen Materialzusammenstellung aufgetragenen Lackschicht (1, 16) und/oder eines Dichtmittels, umfassend die Schritte: a) zumindest bereichsweises Aufbringen des mindestens einen Polymers, insbesondere mindestens einer epoxidharz- und/oder polyurethanbasierten Lackschicht (1, 16) und/oder eines Dichtmittels, auf eine Oberseite (8) des Bauteils (2, 14), und b) zumindest bereichsweises Trocknen des Polymers in einer Trocknungsphase mittels einer elektromagnetischen Strahlung mit einem Wellenlängenbereich zwischen 0,28 µm und 4,0 µm.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur im Bereich des mindestens einen Polymers während der Trocknungsphase kleiner oder gleich einer Maximaltemperatur von 100°C gehalten wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Polymer ausgehend von der Oberseite (8) des mindestens einen Bauteils (2, 14) ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Bereich des mindestens einen Polymers während der Trocknungsphase ausgehend von der Raumtemperatur, insbesondere linear mit höchstens 20°C/min, bis auf eine Trocknungstemperatur, die kleiner oder gleich der Maximaltemperatur ist, erhöht wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Polymer vor der Trocknungsphase in einer Ablüftungsphase, insbesondere über einen Zeitraum von etwa 5 Minuten bis 30 Minuten hinweg, ablüftet.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungsphase zeitgesteuert beendet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsgrad des mindestens einen Polymers mittels mindestens einer Messeinrichtung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erreichen des vorgegebenen Trocknungsgrades des mindestens einen Polymers dieses in einer Abkühlphase mindestens 30 Minuten lang, insbesondere bis auf Raumtemperatur, abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschluss der Trocknungsphase oder nach Beendigung der Abkühlphase eine mechanische Oberflächenveredelung zur Erhöhung des T-Wertes des mindestens einen Polymers erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenveredelung insbesondere durch Polieren und einen hierdurch hervorgerufenen Verdichtungs- und Glättungseffekt erfolgt.
Vorrichtung (17), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektromagnetische Strahlung abgebender Strahler (18) vorgesehen ist, der Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 0,28 µm und 4,0 µm abgibt, wobei der mindestens eine Strahler (18) und/oder das Bauteil (2, 14) in Relation zueinander positionierbar sind.
Vorrichtung (17) nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mindestens einen Strahlers (18) eine mit dem mindestens einen Polymer versehene Fläche (22) gleichmäßig bestrahlbar ist, derart dass sich im Bereich der Fläche (22) eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung einstellt.
Vorrichtung (17) nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strahler (18) in Relation zum Bauteil (2, 14) mittels einer Handhabungseinrichtung frei im Raum positionierbar ist und die Handhabungseinrichtung von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung kontrolliert ist.
Vorrichtung (17) nach einem der Patentansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine Zeitmesseinrichtung zur zeitgesteuerten Ermittlung des Trocknungsgrades des mindestens einen Polymers, insbesondere der mindestens einen Lackschicht (1, 16) und/oder eines Dichtmittels, aufweist.
Vorrichtung (17) nach einem der Patentansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung mindestens eine Messeinrichtung zur direkten Ermittlung eines Trocknungsgrades des mindestens einen Polymers aufweist.
Vorrichtung (17) nach einem der Patentansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung des mindestens einen Strahlers (18) in Relation zum Bauteil (2, 14) in Abhängigkeit des von der Messeinrichtung ermittelten Trocknungsgrades und/oder der von der Zeitmesseinrichtung ermittelten Trocknungszeit erfolgt.
Vorrichtung (17) nach einem der Patentansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kühleinrichtung, insbesondere ein Kaltluftgebläse, zur forcierten Abkühlung des mindestens einen Polymers nach dem Erreichen des vorgegebenen Trocknungsgrades vorgesehen ist.