DE19937857C2 - Abtrocknungsprozess für Wasserbasislack - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtrocknen von flüchtigen organischen Lö­ semitteln auf einem lackierten Objekt; sie betrifft insbesondere ein Verfahren zum Abtrocknen von flüchtigen organischen Lösemitteln und Wasser von einem Fahrzeug, welches mit einem festkörperreichen Wasserbasislack lackiert wurde.

Die Lackierung eines neuen Fahrzeugs wird oftmals als das einzigwahrnehmbare visuelle Qua­ litätsmerkmal des Fahrzeugs angesehen. Ist die Lackierung glatt, eben und ansprechend, wird der Besitzer des Fahrzeugs positiv von der Qualität des Fahrzeugs beeinflusst. Umgekehrt wird sich der Besitzer bei einer fehlerhaften Lackierung beim Fahrzeughändler beschweren und das Fahrzeug insgesamt als mangelhaft betrachten. Dementsprechend haben Fahrzeughersteller und Lacklieferanten riesige Ressourcen investiert, um bessere Lackverarbeitungsprozesse zu entwickeln, die eine Verbesserung der Qualität der Fahrzeuglackierung gewährleisten und Fehler im Zusammenhang mit der Lackierung von Fahrzeugen zu beseitigen.

Ungeachtet dieser Anstrengungen weisen moderne Autolacksysteme, bei denen festkörperrei­ che Wasserbasislacke aufgetragen werden, wesentliche applikationsbedingte Fehler, wie Blasenbildung = sog. "Kocher"-Defekte und Orangenhaut auf. "Kocher" entstehen aus anfäng­ lichen Blasendefekten. Es kommt zu einer Blasenbildung, wenn Luft, Wasserdampf und/oder verdampfte Lösemittel im Farbfilm eingeschlossen werden, die durch eingeschlossene Luft, Wasserdampf und/oder Lösemittel gebildete Tasche führt zur Bildung einer Lackblase im Farbfilm. Ein "Kocher" entsteht, wenn diese Blase aufbricht und der Lack, der die Blase gebil­ det hat, antrocknet, bevor dieser überschüssige Lack sich gleichmäßig in der Umgebung ausbreiten kann. Eine kleiner Lackring, der eine wesentlich größere Stärke besitzt als der Lack, der diesen Bereich umgibt, ist typisch für diesen Defekt. Orangenhaut steht für einen ausge­ härteten Lackfilm, der Vertiefungen aufweist und der Schale von Orangen ähnelt.

Gründe für "Kocher"-Fehler waren besonders schwer zu reduzieren, da die Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik keine Kontrolle dieser Art von Fehlern nach Art und Häufigkeit gewährleisteten. Diese Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik konzentrierten sich vorrangig auf Lackrezepte, Lackierverfahren und Austrocknungsprozesse, die das lackier­ te Objekt einem relativ hohem Wärmeniveau aussetzten. "Kocher" werden in der Regel erst festgestellt, nachdem das Objekt den Vorlackierungsprozess durchlaufen hat, da die meisten modernen Autolacksysteme den Basislack nicht vollständig aushärten, bevor nicht der klare Decklack (Klarlack) aufgetragen wird. Die Ausbesserung von "Kochern" ist zeitaufwendig, da der betroffene Bereich zur Entfernung der "Kocher " abgeschliffen werden muss. Der Lack wird auf den fehlerhaften Bereich aufgetragen und in die umgebenden Bereichen eingeblendet, der Lack wird abgetrocknet und dehydriert, danach wird ein Klarlack aufgetragen und in die umge­ benden Bereiche eingeblendet. Erwartungsgemäß hängt die erzielte Qualität der Lackierung eines ausgebesserten "Kochers" vom Können des Technikers ab, der die Ausbesserung durch­ führt. Unabhängig vom Können des Technikers wird die Qualität der Lackierung des ausgebesserten Fahrzeugs immer schlechter sein als die eines Fahrzeugs, welches mit einem Lacksystem ohne Fehler bearbeitet wurde, insbesondere wenn Metallic-Basislacke verwendet werden, da die eingeblendeten Kanten des ausgebesserten Bereiches bis zu einem bestimm­ ten Grad immer zu sehen sein werden.

Folglich gibt es einen Bedarf in der Technik, ein Verfahren zur Verringerung von "Kocher"- Defekten zu entwickeln.

Die GP 22 33257 A beschreibt ein mehrstufiges Abtrocknungsverfahren bei mehrschichtiger Lackierung mit wasserlöslichen Lacken, wobei das zu beschichtende Bauteil vor der Nassaufbringung einer weiteren Schicht mit einem Kaltluftstrom beauftragt wird. Der erste Trocknungsschritt wird dabei durch einen Strahler im fernen Infrarotbereich bewirkt.

Die WO 95/12 102 zeigt ein zweistufiges Verfahren zum Abtrocknen lackierter Automobilkarosserien. Dabei wird die abzutrocknende Oberfläche schrittweise auf zwei unterschiedliche Temperaturniveaus erwärmt, wobei die Temperatur auf dem ersten Niveau durch Unterbrechung des Aufheizvorgangs auf einer bestimmten Mindestzeit gehalten wird. Bei diesem Verfahren ist sowohl die Temperaturführung als auch der notwendig konstruktive Aufwand erheblich.

Das Ziel dieser Erfindung ist deshalb die Entwicklung eines Verfahrens zum Abtrocknen eines mit einem festkörperreichen Wasserbasislack lackierten Objektes, welches die Häufigkeit von "Kocher"-Defekten vermeidet bzw. wesentlich reduziert.

Das Abtrocknungsverfahren ist ein Zweistufenprozess, wobei das Abtrocknen in der ersten Prozessstufe über einen vorgegebenen Zeitraum nahezu bei ca. Umgebungsluftbedingungen wie in der Spritzkabine (z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdurchsatz) abläuft, und das Abtrocknen in der zweiten Prozessstufe bei erhöhten Temperaturen erfolgt, bis der Lack auf ein vorbestimmbares Niveau dehydriert wird.

Vorteile, Merkmale und Parameter dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit der Zeichnung deutlich.

Fig. 1/1A zeigt eine schematische Darstellung eines typischen Autolacksystems.

Fig. 2 zeigt eine Flussdiagramm, welches den Abtrocknungsprozess der vorliegenden Erfin­ dung beschreibt.

Fig. 3 zeigt eine Kurve, die den Einfluss der Abtrockendauer unter Umgebungsbedingungen auf die Häufigkeit von "Kocher"-Defekten darstellt.

Bild 4 zeigt eine Kurve, die die Auswirkung der Dehydrationstemperatur auf die Häufigkeit von "Kocher"-Defekten darstellt.

Fig. 1 stellt ein Lackiersystem für Fahrzeugkarosserien dar. Das Lackiersystem 10 umfasst eine Wasserbasislack-Spritzkabine 12, einen Abtrocknungsbereich 13, eine Klarlackspritzkabi­ ne 16 und einen Aushärteofen 18. Während der Verarbeitung in der Basislack-Spritzkabine 12 wird eine festkörperreicher Auto-Wasserbasislack, wie beispielsweise PPG HWB S90394, auf die Fahrzeugkarosserie aufgetragen. Die Kabine enthält typischerweise automatische Stationen (d. h. Roboterstationen) sowie manuelle Stationen für schwer zugängliche Bereiche und Beilackierungen.

Nach Verlassen der Basislack-Spritzkabine 12 gelangen die Fahrzeugkarosserien zu einem Abtrocknungsbereich 13. Darin wird der Lack zur Verdampfung der Lösemittel (VOC's - flüch­ tige organische Lösemittel) als auch des Wassers aus den Lack dehydriert und trocknet dadurch an. Trocknungseinrichtungen, in der Regel Konvektionsöfen oder Infrarot- Heizelemente, wurden in den Abtrocknungsbereich nach dem bisherigen Stand er Technik integriert, um die Temperatur der Fahrzeugkarosserien zu erhöhen. Die Trocknungseinrichtun­ gen wurden gewöhnlich ohne Berücksichtigung der Spitzentemperatur des Metalls der lackieren Objekte konfiguriert, sodass Spitzentemperaturen des Metalls von mehr als 71,11°C (160°F) nichts Außergewöhnliches darstellten.

Die Fahrzeugkarosserien gelangen als nächstes zu einer Klarlack-Spritzkabine 16, die ähnlich konfiguriert ist wie die Basislack-Spritzkabine. Der Klarlack wird auf den halbtrockenen Basis­ lack auf der Fahrzeugkarosserie aufgetragen. Die Fahrzeugkarosserien durchlaufen danach einen Aushärteofen, der bei erhöhten Temperaturen betrieben wird, um gleichzeitig den Ba­ sislack und den Klarlack auszuhärten.

Im Vergleich zu den Abtrocknungsverfahren nach dem bisherigen Stand der Technik verwendet das erfindungsgemäße Verfahren einen zweistufigen Abtrocknungsprozess zur Steuerung und signifikanten Verringerung von "Kocher"-Defekten. Zusätzlich ist das erfindungsgemäße Ver­ fahren nützlich für die Verringerung des Orangenhaut-Effekts. Die Fahrzeuge, die in einen Abtrocknungsbereich gelangen, der entsprechend den erfindungsgemäßen Grundsätzen be­ trieben wird, werden zuerst über einen vorgegebenen Zeitraum unter der eingestellten Umgebungsbedingung abgetrocknet und erst danach wird die Spitzentemperatur des Metalls der Fahrzeugkarosserie auf einen vorgegebenen Bereich erhöht und auf diesem Wärmeniveau gehalten, bis der Lack auf der Fahrzeugkarosserie auf ein vorgegebenes Niveau dehydriert wurde. In der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Abtrocknungsbereich 13 einen Ruhe­ bereich 14 und einen zweiten Heizbereich 15 gemäß Darstellung in Fig. 1A. Aus nachstehend weiter erläuterten Gründen grenzt der Ruhebereich 14 direkt an die Wasserbasislack- Spritzkabine 12 an.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fig. 2 in Form eines Flussdiagramms dargestellt. Wie in Block 20 angezeigt, werden die Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindig­ keit (nachstehend insgesamt als Umgebungsbedingungen bezeichnet) im Ruhebereich 14 während des ersten Teils des Abtrocknungsprozesses auf folgenden Bereich eingestellt:

• - Die Temperatur auf einen Bereich von ca. 15,56 bis 37,78°C (60 bis 100°F) vorzugsweise von 20 bis 25,56°C (68 bis 78°F),
• - die relative Luftfeuchtigkeit auf einen Bereich von ca. 50 bis 100%, vorzugsweise von 53 bis 73%,
• - die Luftgeschwindigkeit auf einen Bereich von Null (0) bis 0,508 m/s (100 Fuß pro Minute).

Es ist zu berücksichtigen, dass die Verwendung des Begriffes "ruhig" in der Beschreibung des ersten Teils des Abtrocknungsprozesses nicht so zu verstehen ist, dass die Fahrzeugkarosserie unbewegt bleibt. Die Verwendung des Begriffes "ruhig" bedeutet vielmehr, dass die Fahrzeug­ karosserie unter den anfänglichen Umgebungsbedingungen in einer Art Ruhephase verbleibt. Aufgrund der Ähnlichkeiten zwischen den Umgebungsbedingungen des ruhigen Abtrocknungs­ bereiches 14 und den üblicherweise mit dem Betrieb einer Basislack-Spritzkabine verknüpften Bedingungen, ist es von Vorteil, jedoch nicht erforderlich, dass diese Bereiche aneinander grenzen. Dieser Ansatz ermöglicht es, dass die Umgebung von beiden Bereichen mit minima­ len Investitionen gesteuert werden kann. Nach Einstellung der Umgebungsbedingungen des Ruhebereiches 14 innerhalb der jeweiligen Bereiche werden die lackierten Fahrzeugkarosse­ rien in den Ruhebereich 14 gemäß Darstellung in Block 22 eingeführt.

Block 24 stellt die letzte Stufe im ersten Teil des Abtrocknungsprozesses dar: Die Fahrzeugka­ rosserien werden den Umgebungsbedingungen des Ruhebereiches 14 von anfänglich 2 bis 10 Minuten und vorzugsweise von 4 bis 6 Minuten ausgesetzt. Wie Fig. 3 entnommen werden kann, verringert sich die Häufigkeit von "Kochern" wesentlich aufgrund der Abtrocknung unter Umgebungsluftbedingungen für Zeiträume, die sich auf ca. 2 bis 10 Minuten Dauer erstrecken.

Block 26 verkörpert die erste Stufe des zweiten Teils des Abtrocknungsprozesses, bei dem die Fahrzeugkarosserie in den Heizbereich 15 einläuft und mittels Trocknungseinrichtungen er­ wärmt wird, um den Lackfilm zu dehydrieren. Es können konventionelle Trocknungseinrichtungen beliebiger Art (z. B. Konvektionsöfen, Infrarot-Heizungen) für die Erwärmung der Fahrzeugkarosserien eingesetzt werden, da sämtliche Faktoren außer der Spitzentemperatur des Metalls, einschließlich der Heizrampengeschwindigkeit und Infrarot­ wellenlänge, einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Häufigkeit von "Kochern" haben. Vorzugsweise soll die Trocknungseinrichtung die Erzielung eines gleichmäßigen Temperatur­ profils über die gesamte Fahrzeugkarosserie gewährleisten.

Zur Erläuterung zeigt Fig. 4 eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Spitzentemperatur des Metalls der Fahrzeugkarosserie und der Häufigkeit von "Kochern" darstellt. Die Kurve 30 weist insgesamt eine Glockenform auf mit zwei Bereichen auf jeder Seite der Glocke, die "Kocher" mit einer wesentlich geringeren Häufigkeit produzieren. Der erste Bereich 32 reprä­ sentiert einen niedrigen Dehydrationstemperaturbereich von ca. 37,78 bis 60°C (100 bis 140°F), wobei optimale Ergebnisse im Bereich von 37,78 bis 43,33°C (100 bis 110°F) erzielt werden. Der zweite Bereich 34 repräsentiert einen hohen Dehydrationstemperaturbereich von ca. 115,56 bis 148,89°C (240 bis 300°F).

Die Trocknungseinrichtungen (siehe Fig. 2) werden in der bevorzugten Ausführungsform für die Erhöhung der Spitzentemperatur des Metalls der Fahrzeugkarosserie auf einen Punkt innerhalb des niedrigen Dehydrationstemperaturbereiches, (d. h. ca. 37,78 bis 60°C (100 bis 140°F) und vorzugsweise von ca. 37,78 bis 43,33°C (100 bis 110°F)) betrieben. Ferner sollte vor­ zugsweise die relative Luftfeuchtigkeit des Bereiches weniger als 50% und die Luftgeschwindigkeit mehr als 2,032 m/s (400 Fuß pro Minute) zur Gewährleistung der De­ hydration des Lackfilms betragen.

In einer alternativen Ausführungsform dieser Erfindung werden die Trocknungseinrichtungen für die Erhöhung der Spitzentemperatur des Metalls des Fahrzeugs auf einen Punkt innerhalb des hohen Dehydrationstemperaturbereiches, (d. h. ca. von 115,56 bis 148,89°C (240 bis 300°F)) betrieben. Der Betrieb der Trocknungseinrichtungen bei dieser Temperatur ist jedoch mit erhöhten Energiekosten verbunden. Ferner entsteht ein Problem in Bezug auf die Verträg­ lichkeit von verschiedenen Rezepten von Klarlacken mit Basislacken, wenn sie derart hohen Temperaturen ausgesetzt werden.

Block 28 repräsentiert die letzte Stufe des zweiten Teils des Abtrocknungsprozesses, bei dem die Spitzentemperatur des Metalls der Fahrzeugkarosserie auf der zweiten Temperatur so lange gehalten wird, bis der Lack auf ein Niveau entsprechend der Spezifikationen des Lack­ herstellers dehydriert wurde.

Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der offengelegten Erfindung ausreichend für die Gewährleistung der vorstehend genannten Vorteile kalkuliert wurden, versteht es sich für den Fachmann von selbst, dass die Erfindung weiteren Modifikationen, Variationen und Änderun­ gen unterzogen werden kann, ohne dass dabei vom eigentlichen Schutzumfang bzw. von der gültigen Bedeutung der dargelegten Ansprüche abgewichen wird. Zum Beispiel könnte der erste Teil des Abtrocknungsprozesses effektiv in der Basislack-Spritzkabine durchgeführt werden. Alternativ könnten der ruhige und der beheizte Abtrocknungsbereich kombiniert wer­ den und dieser kombinierte Bereich kann dann zwischen ruhiger und beheizter Stufe wechseln, sodass der Abtrocknungsprozess in einer Art Batch-Verfahren durchgeführt wird.

Claims (10)

1. Verfahren zum Abtrocknen eines mit einem festkörperreichen Wasserbasislack lackierten Objektes, bestehend aus folgenden Schritten:

• - Einführen des lackierten Objektes in einen unter einer ersten Umgebungsbedingung betriebenen Abtrocknungsbereich mit einer Temperatur von 15,56 bis 37,78°C,
• - Halten des lackierten Objektes unter der genannten ersten Umgebungsbedingung über einen vorgegebenen Zeitraum
• - Erwärmung des lackierten Objekts auf eine zweite Temperatur; und
• - Dehydration der lackierten Oberfläche des Objekts auf ein vorgegebenes Niveau.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte erste Umgebungsbedingung eine erste relative Luftfeuchtigkeit von 50 bis 100% umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte erste Umgebungsbedingung eine erste Luftgeschwindigkeit von 0 bis 0,508 m/s umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 1, der genannte vorgegebene Zeitraum 2 bis 10 Minuten umfasst.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur als Spitzentemperatur sich auf 37, 78 bis 60°C beläuft.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das lackierte Objekt durch eine Konvektionsofeneinrichtung erwärmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das lackierte Objekt durch eine Infrarotheizeinrichtung erwärmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Umgebungsbedingung eine Temperatur von 20 bis 25,56°C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 53 bis 73% umfasst, wobei das Halten des Objektes auf der ersten Temperatur 4 bis 6 Minuten dauert und das Objekt auf eine Spitzentemperatur von 37,78 bis 43,33°C erwärmt wird, wobei dies in einer Umgebung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 50% bei einer Luftgeschwindigkeit von mehr als 2,032 m/s erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur als Spitzentemperatur sich auf 115,56 bis 148,89°C beläuft.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Dehydration der lackierten Oberfläche des Objekts eine zweite Lackschicht auf das Objekt aufgetragen wird.