DE4443129C2 - Verfahren zum Beschichten eines Trägermaterials - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Trägermaterials, auf welches zunächst ein vernetz- und aushärtbares, pulverförmiges Beschichtungs­ material aufgebracht wird, woraufhin das Beschichtungsmaterial durch Hitzeein­ wirkung vernetzt und schließlich ausgehärtet wird.

Derartige Verfahren sind allgemein bekannt und werden zur Beschichtung von unterschiedlichsten Trägermaterialien, wie z. B. Stahl und Al-Blechen, sonstigen metallischen Gegenständen, Glas oder keramikartigen Gegenständen sowie Stein­ zeug mit pulverförmigen Beschichtungsmaterialien, wie z. B. Pulverlacken, ange­ wendet. Das Aufbringen des Beschichtungsmaterials erfolgt bei Pulverlacken in der Regel auf elektrostatisch unterstützte Weise, wobei zwischen einer Pistole für das Pulvermaterial sowie dem zu beschichtenden Trägermaterial eine Potentialdifferenz angelegt wird. Nach dem Verlassen der Pistole bewegen sich die geladenen Pulverpartikel annähernd entlang der Feldlinien des elektrischen Feldes, so daß die Verluste in Form von Pulverpartikeln, die das Trägermaterial verfehlen, relativ gering gehalten werden können. Das Vernetzen und Aushärten derartiger pulver­ förmiger Beschichtungsmaterialien erfolgt auf thermischem Wege. Dazu wird das beschichtete Trägermaterial mittels eines Heißluftgebläses oder eines Infrarotstrah­ lers erwärmt.

Die zuvor beschriebenen Verfahren weisen hinsichtlich zweier Anwendungsberei­ che besonders gravierende Nachteile auf:

• 1. Die Pulverlackierung temperaturempfindlicher Trägermaterialien, wie z. B. Papier, Pappe, Holz, Kunststoff etc., ist bisher nicht durchführbar, da es unmöglich ist, die Pulverlacke durch eine entsprechend erforderliche Erhitzung zu vernetzen und auszuhärten, ohne dabei gleichzeitig das Trägermaterial irreversibel zu schädi­ gen. Da die Erwärmungszeiten bei Pulverlacken typischerweise über 15 min. und die Einbrenntemperaturen in der Regel oberhalb von 160°C liegen, wird als Trägermaterial verwendetes Holz oder Papier dabei schwarz und verkohlt, wohin­ gegen ein als Trägermaterial verwendeter thermoplastischer Kunststoff bei der­ artigen Temperaturen schmelzflüssig bzw. sehr leicht plastisch verformbar wird. Derartig beschichtete thermoplastische Kunststoffgegenstände verlieren bei dem Erwärmungsvorgang nachteiligerweise oftmals ihre Form und werden dadurch unbrauchbar.
• 2. Mittels der nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es ebenfalls nicht möglich, zur Erzielung randscharfer Konturen einer beschichteten Teilfläche des Trägermaterials diese Teilflächen ganz gezielt auf elektrostatischem Wege mit dem Pulvermaterial zu beschichten. Eine Abschattung der außerhalb der zu lackie­ renden Teilflächen liegenden Flächen mittels sogenannter Masken führt nicht zum Ziel, da die Bahn der geladenen Pulverpartikel weitgehend vom Feldlinienverlauf bestimmt wird und daher ein Unterwandern der Maskenkanten auftritt. Im Ergebnis ergibt sich ein sehr konturschwacher Übergang von der beschichteten zur unbe­ schichteten Teilfläche, die höheren Qualitätsansprüchen nicht genügen kann.

Die Verwendung von Abklebefolie scheidet bei derartigen Beschichtungsverfahren ebenfalls aus, da diese Abklebefolie beim Erhitzen mit eingebrannt und die ausge­ härtete Beschichtung über die Abdeckfolie hinweg vernetzen würde. Auch ein Abziehen der Abklebefolie vor dem Erhitzen führt nicht zum Ziel, da die Ränder der Beschichtung dadurch gestört und verlaufen würden.

Aus der DE 42 19 446 A1 ist ein Verfahren zum Auftragen einer dekorativen Schicht aus einer strahlenhärtbaren Beschichtungsmasse, insbesondere aus Lack, Kleber, Leim oder einer Mischung aus den vorstehend genannten Stoffen oder einem Teil davon, auf eine Trägerplatte und/oder ein bahnförmiges Substrat bekannt, bei der die dekorative Schicht einer energiereichen Strahlung, insbesonde­ re UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, Laserstrahlung und/oder Elektronenstrahlung, unter Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur bei Normaldruck so lange ausgesetzt und dadurch vernetzt und/oder polymerisiert wird, bis die dekorative Schicht eine gewünschte Härte erreicht hat. Bei dem in dieser Schrift offenbarten Verfahren ist vorgesehen, daß die zu härtende dekorative Schicht zum Schutz vor der Einwirkung von Sauerstoff auf der einen Seite von der das Substrat bildenden Trägerplatte und auf der anderen Seite von einer Folie, beispielsweise Trägerfolie, abgedeckt wird. Weiterhin weist dieses Verfahren die Merkmale auf, daß die Bestrahlung der dekorativen Schicht mit einer energiereichen Strahlung in einer inertgasfreien Atmosphäre durchgeführt wird und daß ein Druck in Höhe des Atmosphärendruckes eingestellt und während der Einwirkzeit der energiereichen Strahlung aufrechterhalten wird.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß aufgrund der Sauerstoffempfindlichkeit der Beschichtungsmasse unbedingt eine Abdeckung mit einer Trägerfolie erforderlich ist, um die Beschichtung in einer inertgasfreien Atmosphäre durchführen zu können. Eine Abdeckung von pulverförmigen Beschichtungsmaterialien mit einer Folie ist jedoch nicht möglich. Des weiteren können mittels dieses Verfahrens auch keine randscharfen Konturen erzeugt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebe­ nen Art zu schaffen, mit dem insbesondere auch die Beschichtung eines tempera­ turempfindlichen Trägermaterials, z. B. Papier, Pappe, Holz oder Kunststoff, sowie eine gezielte und konturenscharfe Teillackierung ohne einen Einsatz von Abklebefo­ lie oder Masken ermöglicht wird.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Beschichtungsmaterial mittels gepulster Laser­ strahlung vernetzt und ausgehärtet wird.

Die Bestrahlung des pulverförmigen Beschichtungsmaterials mittels gepulster Laserstrahlung bewirkt, daß diese Strahlung nahezu ausschließlich von dem Beschichtungsmaterial absorbiert wird und dort in Wärme umgewandelt wird. Die Temperaturerhöhung tritt dabei so lokal in dem Beschichtungsmaterial auf, daß eine Wärmeleitung in das Innere des Trägermaterials in nur unerheblichem Maße stattfindet. Diese räumlich sehr begrenzte Erhitzung des Beschichtungsmaterials wird durch den Einsatz eines gepulsten Lasers verursacht, bei dem sich Leistungs­ phasen und Ruhephasen periodisch abwechseln. Dabei ist die Zeitdauer der Leistungsphasen, auch Pulsdauer genannt, typischerweise sehr viel kürzer als die der Ruhephasen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich somit auch auf sehr temperaturempfindliche Trägermaterialien durch Hitzeeinwirkung vernetz- und aushärtbare Beschichtungsmaterialien aufbringen, ohne daß die Trägermaterialien selbst dabei geschädigt werden. Trotz einer sehr guten Beschich­ tungsqualität tritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keinerlei Verkohlung oder Beeinträchtigung der Werkstoffqualitäten der Trägermaterialien auf.

Des weiteren zeichnet sich dieses Verfahren durch einen im Vergleich mit dem nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren sehr geringen Energieverbrauch aus, da ein Aufheizen des gesamten Trägermaterials mit seiner im Vergleich zu dem Beschichtungsmaterial ungleich größeren Wärmekapazität entfällt. Ferner wird die Aushärtezeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich reduziert.

Nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß auf scharf begrenzten Teilflächen des Trägermaterials Beschichtungsmaterial nacheinander bestrahlt wird.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die Übergänge von beschichteten zu unbe­ schichteten Flächen sehr konturenscharf sind, ohne daß dazu irgendwelche Maß­ nahmen zum Abkleben oder Abschatten der nicht zu beschichtenden Teilflächen nötig wären. Mittels der Laserstrahlung lassen sich extrem scharfkantig begrenzte Teilflächen bestrahlen, so daß eine Vernetzung und Aushärtung auch nur auf diesen Teilflächen stattfindet und die Ränder hin zu den unbeschichteten Teil­ flächen in keiner Weise verlaufen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich somit auf einfachste Weise beliebige Konturen der Beschichtung herstellen, wobei jeweils zunächst auf das gesamte Trägermaterial das pulver­ förmige Beschichtungsmaterial aufgebracht wird, welches daraufhin nur an den vom Laser überstrichenen Flächen vernetzt und aushärtet.

Für das Ergebnis der Vernetzung und Aushärtung ist es besonders vorteilhaft, wenn die Laserstrahlung mittels eines CO₂-TEA-Lasers erzeugt wird. Das bei einem solchen Lasertyp vorliegende Emmisionsspektrum harmoniert in sehr guter Weise mit dem Absorptionsverhalten des bestrahlten Beschichtungsmaterials.

Des weiteren wird nach der Erfindung noch vorgeschlagen, daß die Energiedichte im Bereich von 0,2 J/cm² bis 0,8 J/cm² und die Pulsdauer im Bereich von 0,1 µs bis 10 µs liegt.

Durch Versuche hat sich erwiesen, daß die zuvor genannten Werte für die betref­ fenden Parameter besonders günstig hinsichtlich der Qualität des Vernetzungs- und Aushärtungsprozesses sowie einer Schonung des Trägermaterials sind.

Wird jede zu beschichtende Teilfläche mindestens über die Dauer von 5 Pulsen bestrahlt, so ist eine Lackschicht mit einer typischen Dicke von ca. 50 µm bis 100 µm danach vollständig ausgehärtet.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines beispielhaften Vorgehens beim Beschichten von Trägermaterial näher beschrieben:

Auf die konvexe Oberfläche einer Halbkugelschale aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial soll eine Beschichtung in Form eines Kreuzes aufgebracht werden. Dazu wird zunächst auf die gesamte konvexe Oberfläche der Kugelschale mittels einer Pistole pulverförmiges Beschichtungsmaterial aufgebracht. Durch eine zuvor zwischen der Pistole und der Kugeloberfläche angelegte Potentialdifferenz sind die Verluste an Beschichtungsmaterial in Form von die Oberfläche verfehlen­ den Partikeln sehr gering, da die Partikel weitgehend dem Feldlinienverlauf von der Pistole auf die zu beschichtende Oberfläche folgen. Nachdem also die gesamte Halbkugeloberfläche mit einer ausreichend dicken Schicht von pulverförmigem Material beschichtet ist, wird dieses Material durch Bestrahlung mittels eines CO₂- TEA-Lasers nur in genau den jenigen Bereichen bestrahlt, die das als spätere Beschichtung gewünschte Kreuz umfassen. Mittels der Laserstrahlung ist ein konturenscharfes Überstreichen ausschließlich der Fläche des Kreuzes möglich, so daß die durch den Laser bewirkte Vernetzung und Aushärtung auch ausschließlich in diesen Oberflächenbereichen stattfindet. Die außerhalb des gewünschten Kreuzes liegenden Oberflächenbereiche werden von dem Laser nicht überstrichen und daher findet dort keinerlei Vernetzung oder Aushärtung des pulverförmigen Beschichtungsmaterials statt. Nach erfolgter Laserbestrahlung der Fläche des gewünschten Kreuzes läßt sich das übrige unerwünschte Beschichtungsmaterial von der restlichen Oberfläche der Halbkugelschale entfernen, da es dort noch unverändert in pulverförmigem Zustand vorliegt.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich somit beliebig geformte Teilbereiche einer Oberfläche konturenscharf beschichten, ohne daß dazu ein Abschatten der nicht zu beschichtenden Oberflächenbereiche bzw. ein Abkleben derselben nötig wäre. Vielmehr kann auf einfache Weise zunächst auf die gesamte Oberfläche das pulverförmige Material aufgebracht werden, wobei das nicht vernetzte überschüssige Material aufgrund seiner völlig unveränderten Konsistenz wieder verwertet werden kann.

Aufgrund der Bestrahlung der zu beschichtenden Oberflächenbereiche mit einem gepulsten Laserstrahl kommt es außerhalb der typischerweise ca. 50 µm bis 100 µm dicken Schicht des pulverförmigen Materials zu keiner nennenswerten Temperaturerhöhung, so daß ohne Probleme eine Beschichtung von hitzeempfindli­ chen Trägermaterialien, wie zum Beispiel thermoplastischen Kunststoffen, Papier, Pappe oder Holz, möglich ist. Sehr günstige Beschichtungsergebnisse ergeben sich, wenn die Energiedichte der verwendeten Laserstrahlung im Bereich von 0,2 J/m² bis 0,8 J/m² und die Pulsdauer im Bereich von 0,1 µs bis 10 µs liegt.

Ein weiterer besonders günstiger Anwendungsfall für das erfindungsgemäße Verfahren besteht zum Beispiel in einer Teillackierung eines Vierkantstabes aus Holz, von dem beispielsweise nur eine oder zwei der Seitenflächen beschichtet werden sollen. Auch hier ist ohne ein Abkleben oder Abschatten der nicht zu beschichtenden Oberflächenbereiche ein konturenscharfes Beschichten dieses hitzeempfindlichen Trägerwerkstoffs mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, wenn nur die jeweils zu beschichtenden Seitenflächen mittels des Lasers bestrahlt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Beschichten eines Trägermaterials, bei dem auf das Träger­ material zunächst ein vernetz- und aushärtbares pulverförmiges Beschich­ tungsmaterial aufgebracht wird, woraufhin das Beschichtungsmaterial durch Hitzeeinwirkung vernetzt und schließlich ausgehärtet wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Beschichtungsmaterial mittels gepulster Laserstrahlung vernetzt und ausgehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Beschichtungs­ material auf scharf begrenzten Teilflächen des Trägermaterials nacheinander bestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser­ strahlung mittels eines CO₂-TEA-Lasers erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedichte im Bereich von 0,2 J/cm² bis 0,8 J/cm² liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer im Bereich von 0,1 µs bis 10 µs liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede zu beschichtende Teilfläche mindestens über die Dauer von fünf Pulsen lang bestrahlt wird.