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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines beschichteten Werkstückes sowie ein Werkstück.
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Nach dem Stand der Technik werden Werkstücke, wie Platten für Außenanwendungen oder auch beispielsweise Möbelteile, die an einer Oberfläche mit einer farbigen Lackierung oder dem Druck eines Druckbildes beschichtet sind, in einer Sprühkabine spritzlackiert oder im Tauchverfahren mit einem Schutzlack lackiert. Bei diesen beiden und allen anderen aktuell bekannten Verfahren zum Aufbringen einer Decklackschicht besteht der Nachteil in einer sehr dicken Schichtdicke von meist 80 µm bis 100 µm, deren Dicke zudem nicht sehr exakt einstellbar ist. Ferner kommt es beim Auftragen des Schutzlackes zu Lackverlusten, da ein Teil des Schutzlackes nicht oder nicht an der gewünschten Stelle auf das Werkstück gelangt. Diese Lackverluste sind z.B. beim bekannten Spritzverfahren in Spritzkabinen recht hoch und betragen bis zu einem Drittel oder mehr des verwendeten Lackmaterials.
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Dies bringt neben umweltschädlichen Entsorgungsproblematiken auch wirtschaftliche Nachteile mit sich, da pro Oberflächeneinheit des zu beschichtenden Werkstückes entsprechende Lackverluste mit bezahlt werden müssen.
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In der
DE 10 2009 041 860 A1 wird ein Verfahren zum Herstellen von Bauelementen und eine zur Ausführung derartiger Verfahren geeignete Vorrichtung vorgeschlagen, bei ein witterungsbeständiges Beschichtungsmaterial, insbesondere ein Schutzlack, mit Hilfe von Farbdüsen eines herkömmlichen Tintenstrahldruckers auf das Bauelement aufgetragen wird. Dadurch wird eine Beschichtungsstärke von 6 bis 7 µm erreicht, welche zum Erhalt der gewünschten Witterungsbeständigkeit vollständig ausreicht, wobei keine nennenswerten Lackverluste auftreten. Bei so dünnen Beschichtungen kann es allerdings zu Problemen durch witterungsbedingte Schäden infolge erhöhter Abnutzung kommen, insbesondere an Stellen, die stärker beansprucht sind.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Vorrichtung zur Herstellung eines beschichteten Werkstückes zu schaffen, bei denen die oben genannten Nachteile des erheblichen Lackverlustes vermieden werden und eine gute Witterungsbeständigkeit oder Kratzfestigkeit auch an stärker beanspruchten Bereichen erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Werkstück mit mindestens einer zu bedruckenden Oberfläche zu einer Druckstation zugeführt und dann mindestens eine geschlossene Schicht einer Druckfarbe oder eines Schutzlackes im single-pass Durchlaufverfahren aufgetragen wird, wobei eine geschlossene Schicht aus einzelnen Tröpfchen zusammengesetzt wird, die durch mindestens eine Druckkopfreihe mit mehreren Druckköpfen auf die Oberfläche aufgedruckt werden. Anschließend wird die Druckfarbe und/oder der Schutzlack ausgehärtet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei die Menge der pro Fläche auf das Werkstück aufgetragenen Masse an Druckfarbe und/oder Schutzlack in Abhängigkeit von das Werkstück kennzeichnenden Materialdaten gesteuert. Dadurch kann die Dicke der Beschichtung an die jeweiligen Anforderungen des Werkstückes individuell angepasst werden.
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Durch das Aufdrucken der Druckfarbe und/oder des Schutzlackes mittels mindestens einer Druckkopfreihe kann sowohl die Schichtdicke als auch die Position der einzelnen Tröpfchen der Schicht exakt gesteuert werden. Dadurch können die Lackverluste auf ein Minimum reduziert werden, beispielsweise auf einen Verlust des Schutzlackes von kleiner als 1 %, bevorzugt kleiner als 0,1 %.
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Vorzugsweise umfassen die Materialdaten zur Steuerung des Druckvorganges die Topologie der zu beschichtenden Oberfläche des Werkstückes in Form von Topologiedaten und die Menge der auf die Oberfläche aufgetragenen Druckfarbe oder des Schutzlackes wird in Abhängigkeit von den Topologiedaten des Werkstückes gesteuert.
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Gerade bei der Beschichtung von profilierten und an der zu bedruckenden Oberfläche nicht völlig ebenen Werkstücken hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Menge der pro Fläche der Beschichtungsebene aufgetragenen Beschichtungsmasse in Abhängigkeit von der Oberfläche bzw. der Flächengröße eines bei Projektion des Flächenelements auf die Begrenzungsfläche des Ausgangsmaterials längs der Beschichtungsrichtung von dem vom Flächenelement abgedeckten Begrenzungsflächenelements gesteuert wird. Dadurch kann erreicht werden, dass auf jedes Begrenzungsflächenelement unabhängig von der Oberflächentopologie eine gewünschte Menge der Beschichtungsmasse aufgetragen und eine entsprechende Schichtdicke erhalten wird. Dabei kann die Steuerung so erfolgen, dass unter Berücksichtigung eines in einer Datenverarbeitungsanlage (Computer) hinterlegten dreidimensionalen Profils des Werkstückes die in der Bewegungsebene des Werkstückes (Beschichtungsebene) von der Düsenauftragseinrichtung (Druckköpfe) ausgestoßene Menge an Beschichtungsmaterial genau so variiert wird, dass sich eine genau gleichbleibende Schichtdicke oder eine variierende Schichtdicke auf der dreidimensionalen Werkstückoberfläche ergibt. Zur Berechnung der ausgestoßenen Menge des Beschichtungsmaterials wird aus dem dreidimensionalen Modell an jeder Stelle der Winkel α zwischen der Werkstückoberfläche und der Bewegungsebene (Beschichtungsebene) des Werkstückes berechnet und die Menge der ausgestoßenen Beschichtungsmasse entsprechend der Formel Beschichtungsmenge = Normalmenge × 1/sin. α berechnet. Die Normalmenge bezeichnet dabei die zum Beschichten einer ebenen und parallel zur Beschichtungsebene verlaufenden Begrenzungsfläche des Bauelements benötigte Beschichtungsmenge. Dadurch kann erreicht werden, dass auf zumindest einem Teil der Begrenzungsfläche des Ausgangsmaterials die gleiche Menge der Beschichtungsmasse pro Begrenzungsflächenelement aufgetragen wird.
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Für eine Verringerung der zur Steuerung benötigten Daten können die Topologiedaten aus den Topologietyp (bspw. Kassette, Sicke od. dgl.) beschreibenden Typendaten und die Größe des Werkstückes angebenden Skalierungsdaten gebildet werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Topologietyp durch Verhältniswerte zwischen den einzelnen Abmessungen der die Topologie bestimmenden Profilelemente gebildet wird und die Größe der einzelnen Profilelemente durch die Skalierungsdaten in Abhängigkeit von den Werkstückgrößen beschrieben wird.
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Vorzugsweise wird die Druckfarbe und/oder der Schutzlack mit einer Dicke zwischen 5 bis 60 µm, insbesondere zwischen 8 und 40 µm auf die Oberfläche aufgedruckt. Dadurch ist die Schichtdicke deutlich dünner als bei einem herkömmlichen Auftrag durch Spritzverfahren. Dabei kann der Schutzlack oder die Druckfarbe an der Oberfläche sowohl in gleichmäßiger Dicke als auch in unterschiedlicher Dicke aufgedruckt werden, beispielsweise ist der Schutzlack an dickeren Stellen mehr als 20 %, insbesondere mehr als 50 % dicker als an dünneren Stellen. Dadurch können stärker beanspruchte Bereiche besser mit Schutzlack geschützt werden als weniger beanspruchte Bereiche. Zudem kann auch eine profilierte Oberfläche eines Werkstückes mit der optimal abgestimmten Beschichtungsdicke versehen werden.
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Das Werkstück kann in unterschiedlicher Form vorliegen, vorzugsweise zum größten Teil bahnförmig oder plattenförmig mit einer im Wesentlichen flächigen zweidimensionalen Oberfläche, aber mit gewissen dreidimensionalen Strukturelementen, z.B. Vertiefungen und Erhebungen im Rahmen von einigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern. Das Werkstück kann aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einem Stahlblech, aus Holzwerkstoffen, Kunststoff, Glas oder anderen Materialien, insbesondere auch aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Diejenigen Bereiche eines vorwiegend flachen zweidimensionalen Werkstücks sollen „profiliert“ genannt werden, welche aus der flachen Ebene entweder nach oben oder nach unten hervorstehen, vorzugsweise um 0,1mm bis 4cm, insbesondere 3mm bis 1,5cm. Dies können z.B. Nuten, Rippen, Rillen, Prägungen oder Sicken innerhalb eines ansonsten flachen Werkstückes sein. Alternative Möglichkeiten von Profilierungen können punkt- oder rillenförmige Vertiefungen oder Erhöhungen sein (oder sämtliche anderen Formen, bei denen ein zum größten Teil flaches zweidimensionales Werkstück Vertiefungen oder Erhöhungen hat).
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Das Werkstück kann eine zumindest teilweise profilierte Oberfläche mit Kanten oder Wölbungen aufweisen und der Schutzlack wird dann im Bereich der Kanten oder Wölbungen mit größerer Dicke aufgedruckt wird als an ebenen Bereichen der Oberfläche. Gerade im Bereich der Profilierungen kann somit durch eine verdickte Schicht mit Schutzlack ein erhöhter Schutz erhalten werden.
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Alternativ kann die Schichtdicke beim Drucken so gesteuert werden, dass im Bereich von Profilierungen genau die gleiche Schichtstärke erreicht wird, wie an den ebenen Stellen des Werkstückes, d.h. der Winkel des profilierten Anteils des Werkstückes zur horizontalen Ebene wird gerade kompensiert. Die Druckstation kennt durch die Steuerung die Position und die Ausrichtung der Profilierung und kann dementsprechend die Druckköpfe steuern.
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Die Druckstation kann dabei mit einer elektronischen Steuerung verbunden sein, mittels der die Tröpfchenanzahl und/oder das Tröpfchenvolumen beim Drucken der Druckfarbe oder des Schutzlackes auf die Oberfläche variierbar ist oder sind, um einen Bereich unterschiedlicher Dicke zu erzeugen. Das Tröpfchenvolumen kann dabei um mehr als 20 %, vorzugsweise mehr als 40 % oder 50% variiert werden, um Bereiche mit unterschiedlicher Dicke zu bedrucken.
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Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 12 bereitgestellt. Bei dieser Vorrichtung können vorzugsweise mehrere Druckkopfreihen mit Druckköpfen hintereinander zum Auftrag von Druckfarbe und/oder Schutzlack vorgesehen sein, so dass ein und dieselbe Stelle der Oberfläche durch mehrere Druckköpfe, beispielsweise zwei, drei oder vier Druckköpfe, bedruckt wird. Dadurch lassen sich auf einfache Weise Bereiche mit unterschiedlichen Farben drucken und/oder bedruckte Flächen werden durch einen Schutzlack überdeckt. Der Schutzlack kann dabei mindestens teilweise transparent ausgebildet sein und optional nachträglich mattiert werden, um einen gewünschten Glanzwert einzustellen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines beschichteten Werkstückes;
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2 eine Unteransicht eines Druckkopfes der Vorrichtung der 1, und
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3 eine Detailansicht eines beschichteten Werkstückes.
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Ein im Wesentlichen plattenförmiges Werkstück 1, insbesondere eine MDF oder HDF-Spanplatte, wird auf einem Fördermechanismus 4 in Form eines Förderbandes einer digitalen Druckstation 2 zugeführt. Innerhalb der digitalen Druckstation befinden sich oder mehrere Reihen von Digitaldruckköpfen 3, welche sich im Wesentlichen über die gesamte Breite quer zur Vorschubrichtung des Werkstückes 1 erstrecken. Das Werkstück 1 besitzt kann an seiner Oberseite eine Dekoroberfläche, die ein- oder mehrfarbig bedruckt oder beschichtet ist und auf die über die Druckstation 2 ein Schutzlack im single pass Verfahren mit den Druckköpfen 3 aufgebracht wird. Alternativ wird das Werkstück 1 in der Druckstation 2 mit Druckfarbe im Ein- oder Mehrfarbendruck bedruckt und optional zusätzlich mit Schutzlack beschichtet.
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Das Werkstück 1 durchläuft hierfür mit kontinuierlicher Vorschubgeschwindigkeit die digitale Druckstation 2, wobei die Druckfarbe und/oder der Schutzlack aus der einen oder mehreren Druckkopfreihen 3 auf die Oberfläche des Werkstückes 1 in Form von kleinen Tröpfchen aufgebracht wird. Die Größe der einzelnen Tröpfchen beträgt dabei zwischen 1–500 pl (Pikoliter), insbesondere 10 bis 200 pl, wobei über eine Steuerung das Volumen der einzelnen Tröpfchen in dem angegebenen Bereich variiert werden kann. Der Abstand von einem Tröpfchen zum anderen, sowohl in X-Richtung (Vorschubrichtung) als auch senkrecht hierzu in Y-Richtung, d.h. in Vorschubrichtung als auch quer zur Vorschubrichtung, beträgt zwischen 1 und 300 µm, besonders bevorzugt zwischen 10 und 100 µm.
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Je nach verwendetem Schutzlack, der aus den verschiedenen Druckkopfreihen 3 aufgebracht wird, werden in Vorschubrichtung zwei, drei oder mehr Druckkopfreihen 3, 3’, 3’’ hintereinander verwendet, um eine geschlossene Oberfläche mit dem Schutzlack zu erzeugen. Jede Druckkopfreihe 3, 3’, 3’’ kann dabei Tröpfchen aus Schutzlack auf die Oberfläche des Werkstückes 1 auftragen. Statt der drei Druckkopfreihen 3, 3’, 3’’ können auch zwei oder mehr als drei Druckkopfreihen hintereinander angeordnet werden.
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In 2 ist eine Unteransicht auf eine Druckkopfreihe 3 gezeigt, bei dem einzelne Druckköpfe 30 vorgesehen sind, die versetzt zueinander angeordnet sind und quer zur Vorschubrichtung des Werkstückes 1 die gesamte Breite des Werkstückes abdecken. Jeder Druckkopf umfasst eine Vielzahl von Düsen und jede Düse kann über eine elektronische Steuerung einzeln angesteuert werden, um die Tröpfchengröße bzw. das Tröpfchenvolumen und die Tröpfchenanzahl zu variieren.
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Die elektronische Steuerung der digitalen Druckstation 2 wird verwendet, um die genauen Konturen der Oberfläche des Werkstückes 1 mit dem Schutzlack zu bedrucken und einen Overspray vor, hinter oder seitlich vom Werkstück 1 zu verhindern. Ebenso wird diese elektronische Steuerung dazu verwendet, um an möglichen dreidimensionalen Bereichen des Werkstückes, z.B. an einer Profilierung einen entsprechend höheren Auftrag pro Fläche zu erzielen, so dass dort Bereiche mit einer größeren Schichtdicke erzeugt werden.
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Durch eine entsprechende Anordnung der einzelnen Druckköpfe in den Druckkopfreihen 3, 3’, 3’’ sowie einer entsprechenden Anzahl von Druckkopfreihen und einer entsprechenden Auswahl der Tröpfchenvolumen und der Anzahl der Tröpfchen pro Druckkopf wird eine gewünschte Schichtstärke von beispielsweise nur 10 µm auf dem Werkstück erreicht.
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Im Anschluss an den Auftrag des Schutzlackes wird das Werkstück 1 mittels einer Fördereinrichtung 5 durch eine Trocknungseinheit 6 mit einem UV-Strahler gefahren, bei der die Schutzlackschicht aushärtet.
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Als alternative Ausführungsform kann ebenfalls ein lösungsmittelhaltiger Schutzlack verwendet werden, der durch Abdunsten ohne UV-Härtung aushärtet. Eine dritte Ausführungsform könnte eine Kombination aus einem UV-härtenden Schutzlack sein, der gewisse Lösungsmittelanteile enthält, die vor dem Durchfahren der UV-härtenden Station abdunsten müssen. Alternativ kann auch ein wasserbasierter Lack verwendet werden, der ohne UV-Härtung rein physikalisch trocknet.
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Eine weitere interessante Ausführungsform ergibt sich durch eine spezielle Aushärtung mittels einer sehr intensiven kurzwelligen UV-Strahlung. Dieses „Excimer“ genannte Verfahren führt dazu, dass sich die Oberfläche des aufgetragenen Schutzlackes zunächst aushärtet und zusammenzieht und damit eine matte Oberfläche ergibt, bevor anschließend durch eine weitere Endhärtung die vollständige Lackschicht durchgehärtet wird. Damit ergibt sich eine gewünschte matte Schutzlackoberfläche, ohne dass sonst übliche Mattierungsmittel in Form von Partikeln in den Schutzlack mit eingemischt werden müssen. Das kann bei einer bevorzugten Ausführungsform erreicht werden, indem die Oberfläche mit vorzugsweise eine Wellenlänge von weniger als 200 nm, insbes. etwa 192 nm, aufweisenden UV-Lichtimpulsen bestrahlt wird, wobei die Lichtimpulse eine Dauer von weniger als 100 ns, vorzugsweise weniger als 20 ns, aufweisen und die Oberfläche mit einer Leistung von mehr als 106 W/cm2 während der Dauer der Lichtimpulse beaufschlagt wird.
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In 3 ist ein Werkstück 1 dargestellt, das einen platten- oder paneelförmigen Körper 10 aufweist, an dessen Oberseite eine ebene Oberfläche ausgebildet ist, die eine Sicke 11 in Form einer rillenförmigen Vertiefung aufweist, die sich in Längs- oder Querrichtung des Werkstückes 1 erstrecken kann. Die Sicke 11 weist an dem Übergang zu der ebenen Oberfläche Kanten 12 auf, die mechanisch besonders beansprucht werden können. Daher wird beim Bedrucken des Werkstückes 1 der Bereich der beiden Kanten 12 mit einer größeren Schichtdicke bedruckt als die weiter von der Kante 12 entfernten ebenen Bereiche. Die Schichtdicke an den Kanten 12 kann gleich dicker oder mehr als 20 %, oder auch mehr als doppelt oder dreimal so dick sein wie an den dünneren Bereichen. Im Übrigen werden die Sicken 11 an Seitenwänden 13 und einem Boden 14 ebenfalls mit Schutzlack bedruckt. Der Schutzlack kann in den dünneren Bereichen mit einer Dicke zwischen 5 bis 25 µm, insbesondere 8 bis 15 µm aufgetragen werden.
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Die Werkstücke 1 werden beispielsweise zur Herstellung von Fassadenelementen vorzugsweise im Außenbereich eingesetzt. Die plattenförmigen Werkstücke 1 könne auch als Zäune, Wandelemente, Balken, Pfosten oder andere Bauteile ausgebildet sein, die durch das Aufbringen des Schutzlackes witterungsbeständig gemacht werden. Ebenfalls möglich ist eine Nutzung im Innenbereich als Möbelteile oder Fußbodenbelag, Wand- oder Deckenverkleidung.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Werkstück 1 als Holzwerkstoffplatte ausgebildet, z.B. als Tischplatte, die an einer Oberfläche zumindest bereichsweise eine Neigung, Wölbung oder Rundung aufweist, insbesondere in einem Kantenbereich. Die Holzwerkstoffplatte kann in einer dreidimensionalen Form durch Verpressen hergestellt sein und optional an mindestens einer Oberfläche mit einer flüssigen Grundierung versehen werden. Nach dem Trocknen und Härten der optional vorgesehenen Grundierung kann dann das Werkstück durch das erfindungsgemäße Verfahren bedruckt werden, insbesondere zunächst mit einen Dekorbild und dann mit einem Schutzlack.
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Der Schutzlack selbst kann sehr unterschiedlich zusammengesetzt sein; in einer bevorzugten Ausführungsform besteht er aus einem Acrylatgemisch.
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Die Viskosität des Schutzlackes liegt bevorzugt zwischen 5–30 cSt (Centistokes) bei 25 °C.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkstück
- 2
- digitale Druckstation
- 3
- Digitaldruckköpfe
- 3,
- 3´, 3´´ Druckkopfreihe
- 4
- Fördermechanismus
- 5
- Fördereinrichtung
- 6
- Trocknungseinheit
- 10
- platten- oder paneelförmiger Körper
- 11
- Sicke
- 12
- Kanten
- 13
- Seitenwände
- 14
- Boden
- 30
- Druckköpfe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009041860 A1 [0004]
