DE102011001905A1 - Method and device for surface coating of three-dimensionally deformed components - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung eines dreidimensional verformten Bauteils (11), das im Bereich seiner zu beschichtenden Oberfläche (13) im Abstand zu einer Wandung (23) eines Formteils (14) positioniert ist und sich zwischen der zu beschichtenden Oberfläche (13) und der Wandung (23) ein Spaltraum (16) ausbildet, wobei in den Spaltraum (16) flüssiges Oberflächenbeschichtungsmaterial eingefüllt und unter Bestrahlung mittels einer Strahlungsquelle (20) ausgehärtet wird, wobei das Oberflächenbeschichtungsmaterial ein strahlungshärtbare Acrylate- oder Methacrylate-Prepolymere oder -Oligomere umfassendes Harz ist und das Formteil (14) für die Strahlung lichtstreuend, lichtlenkend oder strahlaufweitend ist.The invention relates to a method for surface coating a three-dimensionally deformed component (11) which is positioned in the area of its surface (13) to be coated at a distance from a wall (23) of a molded part (14) and is located between the surface (13) to be coated and the wall (23) forms a gap (16), wherein liquid surface coating material is filled into the gap (16) and cured under irradiation by means of a radiation source (20), the surface coating material comprising a radiation-curable acrylate or methacrylate prepolymers or oligomers Is resin and the molded part (14) is light-scattering, light-directing or beam-expanding for the radiation.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung der Oberflächen von dreidimensional verformten Bauteilen oder Substraten, bei denen wenigstens eine Sichtseite mit einer vorzugsweise transparenten Oberflächenschicht versehen wird.The present invention relates to a method and a device for coating the surfaces of three-dimensionally deformed components or substrates, in which at least one visible side is provided with a preferably transparent surface layer.
Unter einem dreidimensional verformten Bauteil wird ein jedes Bauteil verstanden, das eine von einer planen zu beschichtenden Oberfläche in die dritte Dimension abweichende, beispielsweise gekrümmte Form aufweist.A three-dimensionally deformed component is understood to mean any component which has a shape deviating from a plane to be coated in the third dimension, for example curved.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Beschichtung von dreidimensional verformten Bauteilen, Substraten oder Innenausbauteilen für die Automobilindustrie, Haushaltsgegenstände, Medizintechnik oder Elektrogeräte. Unter Bauteil werden nachfolgend alle diese Bauteile, Substrate oder Innenausbauteile verstanden.The present invention relates in particular to the coating of three-dimensionally deformed components, substrates or interior components for the automotive industry, household articles, medical technology or electrical appliances. Under component are understood below all these components, substrates or interior components.
Die zu beschichtenden Bauteile können beispielsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoff, Faserverbundwerkstoffen (MDF, HDFR, WPC) bestehen und – falls gewünscht – insbesondere mit Holz oder einer Folie überzogen sein.The components to be coated may consist, for example, of wood, wood materials, plastic, fiber composite materials (MDF, HDFR, WPC) and, if desired, be coated in particular with wood or a film.
Neben dem Auftrag des flüssigen Beschichtungsmaterials durch Spritzen oder Lackieren kann die Beschichtung des Bauteils auch durch IMC (In-Mold-Coating) erfolgen. Dabei wird das Bauteil in einen Hohlraum eines Werkzeugformteils eingelegt, wobei zwischen der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils und der Wand des Werkzeugformteils ein Spaltraum ausgebildet ist, in den das flüssige Oberflächenbeschichtungsmaterial eingefüllt wird. Durch das Befüllen der Form wird ein Großteil der Luft oder gegebenenfalls anderer Gase oder Gasgemische aus dem Spaltraum verdrängt. Das in der Kavität befindliche Beschichtungsmaterial ist in der Form gegenüber entsprechendem Atmosphärenkontakt im Wesentlichen abgeschlossen.In addition to the application of the liquid coating material by spraying or painting, the coating of the component can also be carried out by IMC (in-mold coating). In this case, the component is inserted into a cavity of a mold part, wherein between the surface to be coated of the component and the wall of the mold part, a gap is formed, in which the liquid surface coating material is filled. By filling the mold a large part of the air or possibly other gases or gas mixtures is displaced from the gap. The coating material in the cavity is substantially closed in shape to corresponding atmospheric contact.
Anschließend wird das Oberflächenbeschichtungsmaterial innerhalb des Spaltraums ausgehärtet, wofür – wie in der
Die
Beim In-Mold-Coating wird die gesamte Schicht in einem einzigen Arbeitsschritt aufgebracht.With in-mold coating, the entire layer is applied in a single step.
Strahlungshärtbare Beschichtungen umfassen eine Harzkomponente und einen Initiator, der bei der eingestrahlten Energie dissoziiert. Durch die Bestrahlung werden aus dem Initiator Radikale gebildet, die eine Kettenreaktion auslösen, die anschließend auch dann aufrecht erhalten wird, wenn keine Bestrahlung mehr erfolgt. Das mittels Strahlung aktivierte Oberflächenbeschichtungsmaterial kann anschließend innerhalb weniger Minuten, beispielweise weniger als drei Minuten, wenigstens soweit in der Form härten, dass das mit der Oberflächenschicht versehene Bauteil vom Formteil gelöst werden kann und handhabbar ist.Radiation curable coatings comprise a resin component and an initiator which dissociates with the energy radiated in. The irradiation generates radicals from the initiator which trigger a chain reaction, which is subsequently maintained even when irradiation no longer takes place. The radiation-activated surface coating material can then cure within a few minutes, for example less than three minutes, at least to the extent that the component provided with the surface layer can be detached from the molding and can be handled.
Im Allgemeinen wird zum Bestrahlen UV-Strahlung eingesetzt. Allerdings ist beispielsweise auch eine Beschichtung mit Elektronenstrahlung oder mit kurzwelliger sichtbarer Strahlung möglich, wenn ein für diese Bestrahlung empfindlicher Initiator ausgewählt wird.In general, UV radiation is used for irradiation. However, for example, a coating with electron radiation or with short-wave visible radiation is possible if an initiator sensitive to this irradiation is selected.
Die bekannten IMC-Verfahren werden insbesondere zur Beschichtung von Bauteilen mit Polyesterharzen eingesetzt, wobei mit Polyesterharzen auch rissfreie und durchgehend gehärtete dicke Schichten auf dreidimensional verformten Bauteilen, auch mit Schichtdicken von 300 μm bis 1.000 μm, erreichbar sind.The known IMC methods are used in particular for coating components with polyester resins, wherein polyester resins can also be used to achieve crack-free and continuously hardened thick layers on three-dimensionally deformed components, even with layer thicknesses of 300 .mu.m to 1,000 .mu.m.
UV-hartbare Lacke für die Oberflächenbeschichtung in IMC-Anlagen, die als Harzkomponeten Acrylat- oder Methacrylat-Prepolymere oder -Oligomere umfassen, sind beispielsweise aus der
Der Einsatz solcher UV-hartbarer Harze auf Acrylat-Basis führt jedoch in den bislang bekannten IMC-Anlagen bei der Beschichtung von dreidimensional verformten Bauteilen zu nicht homogen durchgehärteten Schichten und spätestens bei gebrauchsüblicher Belastung zur Rissbildung.The use of such UV-curable acrylate-based resins, however, leads in the hitherto known IMC systems in the coating of three-dimensionally deformed components to non-homogeneously through-hardened layers and at the latest at normal load for crack formation.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die Herstellung von Strahlen-gehärteten Polyacrylatbeschichtungen ohne Rissbildung auf dreidimensional verformten Bauteilen ermöglicht. The object of the present invention is to provide a method and a device which allows the production of radiation-cured polyacrylate coatings without cracking on three-dimensionally deformed components.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Formteil für die Wellenlänge der eingestrahlten Strahlung lichtstreuend, lichtlenkend oder wenigstens den Strahl aufweitend ist oder die Strahlungsquelle eine diffuse Strahlungsquelle ist.This object is achieved in that the molding for the wavelength of the irradiated radiation light scattering, light directing or at least the beam is expanding or the radiation source is a diffuse radiation source.
Hierdurch kann eine diffuse und im Randbereich des Bauteils intensivere Bestrahlung des Acrylatharzes bzw. eine Lenkung/Leitung der Strahlung in die Randbereiche erreicht werden und damit eine rissfreie, gut durchgehärtete Polyacrylatbeschichtung.In this way, it is possible to achieve a more intense irradiation of the acrylate resin or a steering / guidance of the radiation into the edge regions in the edge region of the component, and thus a crack-free, well-cured polyacrylate coating.
Anmelderseitig wurde festgestellt, dass durch eine diffuse UV-Bestrahlung des Acrylatharzes in dem Spaltraum oder eine Bestrahlung mit einem aufgeweiteten Strahl und/oder die Lenkung/Leitung des Strahls auch die Bereiche in dem Spaltraum hinreichend bestrahlt werden können, die bei einer herkömmlichen nicht diffusen oder nicht aufgeweiteten Bestrahlung zu Rissbildung neigen.Applicants, it was found that by a diffuse UV irradiation of the acrylate resin in the gap space or irradiation with a widened beam and / or the guidance / direction of the beam, the areas in the gap space can be sufficiently irradiated, which in a conventional non-diffuse or unexpanded radiation tends to crack.
Die bei Acrylatharzes auftretende Rissbildung wird anmelderseitig darauf zurückgeführt, dass es durch die höhere Aktivität der acrylischen Doppelbindung infolge von örtlich unterschiedlichen Bestrahlungsintensitäten zu einer ungleichmäßigen Durchhärtung kommt. Die hieraus resultierenden Härtegradienten führen zu Spannungen in der ausgehärteten Polyacrylat-Schicht und damit zu der unerwünschten Rissbildung. Dieser Effekt tritt insbesondere in den für das UV-Licht schlecht zugänglichen Bereichen wie Hinterschneidungen, Randbereichen oder Verformungen auf.The crack formation which occurs in the case of acrylate resin is attributed, on the applicant side, to the fact that the higher activity of the acrylic double bond results in uneven curing due to spatially different irradiation intensities. The resulting hardness gradients lead to stresses in the cured polyacrylate layer and thus to the undesirable cracking. This effect occurs in particular in areas which are difficult to access for UV light, such as undercuts, edge areas or deformations.
Die Streuung der Strahlung, insbesondere der UV-Strahlung durch das Formteil kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden. So können anstelle des herkömmlicherweise transparenten nicht streuenden Formteils Formteilmaterialien mit eingebetteten Streuzentren verwendet werden. Dabei können die Streuzentren über die gesamte Schichtdicke des Formteils statistisch verteilt sein oder die Streuzentren nur in Teilbereichen des Formteils vorgesehen sein, beispielsweise nahe der in Richtung der Strahlungsquelle weisenden Formteiloberseite.The scattering of the radiation, in particular the UV radiation through the molded part can be achieved in different ways. Thus, instead of the conventionally transparent non-diffusing molding, molding materials having embedded scattering centers may be used. In this case, the scattering centers can be distributed statistically over the entire layer thickness of the molded part or the scattering centers can be provided only in partial areas of the molded part, for example, near the molded part upper side facing in the direction of the radiation source.
Ebenfalls ist möglich, die Oberseite und/oder Unterseite des Formteils zu beschichten, beispielsweise mit einer streuenden Beschichtung.It is also possible to coat the upper side and / or lower side of the molded part, for example with a scattering coating.
Anstelle einer streuenden Beschichtung kann die Formteiloberseite auch streuende Oberflächenstrukturen aufweisen, die beispielsweise durch einen Laser herstellbar sind. Solche unregelmäßige Oberflächenstrukturen bewirken eine Aufweitung des Strahls und eine „breitere” diffusere Strahlungsverteilung in dem Formteil und damit letztendlich auch in der zu bestrahlenden Harzschicht.Instead of a scattering coating, the molded part top can also have scattering surface structures, which can be produced, for example, by a laser. Such irregular surface structures cause a widening of the beam and a "broader" more diffuse radiation distribution in the molded part and thus ultimately in the resin layer to be irradiated.
Besonders bevorzugt ist, die Struktur auf der Oberfläche des Formteils so auszubilden, dass die auf die strukturierte Oberfläche fallende Strahlung vermehrt in Richtung der Randbereiche des Spaltraums gelenkt wird. Die Strahlung wird durch diese strukturierten Oberflächenstrukturen gelenkt und geleitet. Die die Strahlung lenkenden oder leitenden Oberflächenstrukturen können beispielsweise durch Lasern oder Fräsen auf der Oberfläche des Formteils aufgebracht sein, wobei die Struktur der Oberfläche vorzugsweise berechnet oder simuliert wird.It is particularly preferred to form the structure on the surface of the molded part in such a way that the radiation incident on the structured surface is increasingly directed in the direction of the edge regions of the gap space. The radiation is directed and guided by these structured surface structures. The surface structures directing or directing the radiation may be applied to the surface of the molding, for example by lasering or milling, wherein the structure of the surface is preferably calculated or simulated.
Solche strukturierten lichtlenkenden Oberflächen sind gegenüber streuenden Systemen von Vorteil, da gelenkte Strahlung gebündelter ist und damit besser eingefangen und weitergeleitet werden kann. Zur Lenkung/Leitung der Strahlung kann die Oberfläche entsprechend einer Fresnel-Linse strukturiert sein.Such structured light-guiding surfaces are advantageous over scattering systems, since guided radiation is more concentrated and thus better captured and relayed. For guiding / guiding the radiation, the surface may be structured in accordance with a Fresnel lens.
Ebenfalls ist möglich, die Ober- und/oder Unterseite des Formteils teilweise reflektierend auszubilden, z. B. als semitransparenten Spiegel. Mit dieser Variante kann eine Verstärkung der Strahlung in Richtung der Randbereiche des Spaltraums erreicht werden, die allerdings mit einer Schwächung der primär in die Schicht des Formteils eintretende Strahlungsintensität verbunden ist.It is also possible to form the top and / or bottom of the molding partially reflective, z. B. as a semitransparent mirror. With this variant, an amplification of the radiation in the direction of the edge regions of the gap space can be achieved, which, however, is associated with a weakening of the radiation intensity that primarily enters the layer of the molded part.
Eine höhere Bestrahlungsintensität in den Randbereichen des Spaltraums ist mit einer lichtlenkenden Beschichtung des Formteils erreichbar.A higher irradiation intensity in the edge regions of the gap can be achieved with a light-guiding coating of the molded part.
Ebenfalls ist möglich, solche semitransparenten und/oder streuenden Flächen nur in einzelnen Bereichen der Ober- oder Unterseite des Formteils auszubilden, beispielsweise in den Bereichen höchster Lichtintensität, und das Licht dadurch in die Bereiche geringerer Intensität zu leiten.It is also possible to form such semi-transparent and / or scattering surfaces only in individual areas of the upper or lower side of the molded part, for example in the areas of maximum light intensity, and thereby to direct the light into the areas of lower intensity.
Eine Strahlaufweitung bzw. Streuung ist prinzipiell auch dadurch möglich, dass das Formteil mit einer Verzögerungsplatte (z. B. λ/4 oder λ/2-Platte) versehen ist.Beam expansion or scattering is in principle also possible because the molded part is provided with a retardation plate (eg λ / 4 or λ / 2-plate).
Alternativ oder ergänzend zu dem Einsatz lichtstreuender oder strahlaufweitender Formteile ist auch der Einsatz einer wenigstens teilweise diffus einstrahlenden Strahlungsquelle möglich. Eine solche diffuse Strahlungsquelle kann beispielsweise unter Verwendung einer Ulbricht-Kugel oder Reflexion der Primärstrahlung an einem reflektierenden und/oder lichtstreuenden, entsprechend gekrümmten Reflektor, der beispielsweise mit BaSO4 oder MgO beschichtet ist, erreicht werden.As an alternative or in addition to the use of light-scattering or jet-expanding molded parts, it is also possible to use a radiation source that radiates at least partially diffusely. Such a diffuse radiation source can be, for example, using an Ulbricht sphere or reflection of the primary radiation at a reflecting and / or light-scattering, correspondingly curved Reflector, for example, coated with BaSO 4 or MgO can be achieved.
Um die Bestrahlung von Randbereichen des Spaltraums weiter zu verbessern, kann die Strahlungsquelle zusätzlich auch entlang der Oberseite des Formteils bewegt und gegebenenfalls geschwenkt werden. Die Strahlungsquelle kann dabei entlang der Oberfläche von einem Roboter gefüllt werden, wobei beispielsweise im Fall der strukturierten Oberfläche des Formteils die Lampenbewegung auch an den speziellen Verlauf der Oberflächenstruktur angepasst sein kann.In order to further improve the irradiation of edge regions of the gap, the radiation source can additionally be moved along the upper side of the molded part and swiveled if necessary. The radiation source can be filled along the surface by a robot, wherein, for example, in the case of the structured surface of the molded part, the lamp movement can also be adapted to the specific course of the surface structure.
Ebenfalls ist möglich, mehrere gerichtete Strahlungsquellen vorzusehen und diese so zu positionieren, dass der Anteil der Strahlung in den Randbereichen hoch ist. Eine Anordnung von zwei oder mehr Strahlungsquellen ist insbesondere beim Einsatz von lichtlenkenden Oberflächen oder Beschichtungen des Formteils gewünscht, da dadurch die gezielte Bestrahlung der lichtlenkenden Strukturen erreicht werden kann.It is also possible to provide a plurality of directional radiation sources and to position them so that the proportion of radiation in the edge regions is high. An arrangement of two or more radiation sources is desired in particular when using light-guiding surfaces or coatings of the molded part, since the targeted irradiation of the light-directing structures can thereby be achieved.
Die durch die Streuung und gegebenenfalls auch Reflexion der Strahlung an/in der Formteilschicht bewirkte Schwächung der Primärstrahlung ist durchaus erwünscht, da festgestellt wurde, dass eine weniger intensive, diffuse Bestrahlung des flüssigen Harzes eine homogenere und damit spannungsfreiere Durchhärtung des Acrylatharzes bewirkt und so die unerwünschte Rissbildung vermeidet.The weakening of the primary radiation caused by the scattering and possibly also the reflection of the radiation on / in the molding layer is quite desirable since it has been found that a less intensive, diffuse irradiation of the liquid resin causes a more homogeneous and hence stress-free curing of the acrylate resin and thus the undesired radiation Cracking avoids cracking.
Bei den bislang bekannten Verfahren wurde hingegen mit sehr hoher UV-Intensität durch die Schicht des Formteils mit einer Einstrahlrichtung bestrahlt, so dass das in Hauptbestrahlungsrichtung befindliche Acrylatharz infolge der hohen Bestrahlungsintensität sofort aushärtete, wohingegen die Bestrahlung in den Randbereichen unzureichend war.In the hitherto known methods, by contrast, the irradiation direction of the layer of the molded part was irradiated with a very high UV intensity, so that the acrylate resin present in the main irradiation direction hardened immediately due to the high irradiation intensity, whereas the irradiation in the edge regions was insufficient.
Das die Strahlung beziehungsweise das UV-Licht streuende oder den Strahl aufweitende Formteil kann aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, solange diese gegenüber dem Acrylatharz beständig sind und die eingestrahlte Strahlung nicht vollständig absorbieren, wie beispielsweise Glas, insbesondere Quarzglas oder Silikon.The molding which diffuses the radiation or the UV light or expands the beam can be made of different materials as long as they are resistant to the acrylate resin and do not completely absorb the irradiated radiation, for example glass, in particular quartz glass or silicone.
Quarzglas zeichnet sich durch hohe Durchlässigkeit von UV-Strahlung aus. Das Formteil kann darüber hinaus auch aus einer Kombination dieser Materialien hergestellt sein.Quartz glass is characterized by high permeability of UV radiation. The molding may also be made of a combination of these materials.
Silikon zeichnet sich durch eine hohe Strahlungsdurchlässigkeit aus. Zudem kann das ausgehärtete Polyacrylat sehr gut von der Silikonoberfläche entformt werden.Silicone is characterized by a high radiation permeability. In addition, the cured polyacrylate can be removed from the silicone surface very well.
Als Streuzentren für UV-Strahlung können beispielsweise BaSO4, TiO2, MgO, Al2O3 oder SiO2 eingesetzt werden. Diese weisen eine geringere Absorption für UV-Licht auf und im Allgemeinen einen Streukoeffizent von mehr als 50 cm–1.As scattering centers for UV radiation, for example BaSO 4 , TiO 2 , MgO, Al 2 O 3 or SiO 2 can be used. These have a lower absorption for UV light and generally a scattering efficiency of more than 50 cm -1 .
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die Strahlungsquelle vorzugsweise eine UV-Lichtquelle und die Strahlung vorzugsweise UV-Strahlung.In the context of the present invention, the radiation source is preferably a UV light source and the radiation is preferably UV radiation.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Lackfilme zeichnen sich bei Einsatz des in der
Die Erfindung sieht weiterhin eine Vorrichtung zur Oberflächenbeschichtung eines dreidimensional verformten Bauteils vor, bei der das Formteil für die eingestrahlte Strahlung streuend und/oder der Strahl aufgeweitet wird und/oder die Strahlungsquelle wenigstens teilweise diffus ist. Im Allgemeinen liegt die Spaltbreite bei einer solchen IMC-Anlage zwischen 300 μm und 1000 μm, vorzugsweise zwischen 700 μm und 900 μm.The invention further provides a device for surface coating of a three-dimensionally deformed component, in which the molded part is scattered for the irradiated radiation and / or the beam is widened and / or the radiation source is at least partially diffuse. In general, the gap width in such an IMC system is between 300 μm and 1000 μm, preferably between 700 μm and 900 μm.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschreiben. Es zeigt:The invention will be described in more detail below with reference to exemplary embodiments. It shows:
Das Bauteil
Die Vorrichtung umfasst ein Formteil
Der Spaltraum
Damit beim Einfüllen des Oberflächenbeschichtungsmaterials die im Spaltraum
Die zu beschichtende Oberfläche
Die Herstellung von für UV-Strahlung durchlässigen Formteilen für Bauteile, die sich in –z-Richtung erstreckende Randbereiche
Aus diesem Grund werden die Randbereiche
Diese bislang ungenügende Bestrahlung im Randbereich
In der in
In der Schicht des Formteils
Durch die zusätzliche Streuung der UV-Photonen in der Schicht des Formteils
Durch die Streuzentren S wird in der Schicht des Formteils
Neben der Möglichkeit der statistischen Verteilung der Streuzentren S in der Schicht des Formteils
Eine weitere Variante der Erfindung, nämlich mit einer UV-Licht streuenden Oberfläche
Die Herstellung einer solchen streuenden Oberfläche
Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, die Ober-
Durch den Einsatz halbtransparenter spiegelnder Beschichtungen kann der in die Formteilschicht
In einer weiteren Variante kann zur Beschichtung der Ober-
Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, die Bestrahlung mit einer wenigstens teilweise diffusen Strahlungsquelle
Zusätzlich kann ein weiterer Reflektor
Wie die
Um eine höhere Bestrahlungsintensität in den Randbereichen
In einer weiteren Variante der Erfindung (nicht dargestellt) weist das Formteil
Anstelle einer lichtlenkenden Oberflächenstruktur kann das Formteil
Die Bestrahlung der lichtlenkenden Oberfläche des Formteils
Die Position und Ausrichtung der Strahlungsquelle(n) sollte der spezifischen Struktur der lichtlenkenden Oberfläche angepasst sein.The position and orientation of the radiation source (s) should be matched to the specific structure of the light directing surface.
Selbstverständlich können die zuvor beschriebenen unterschiedlichen Varianten zur Erhöhung der Strahlungsintensität im Randbereich
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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