WO2009034114A1 - Verwendung eines verfahrens zur elektrostatischen lackierung - Google Patents

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Steffen Funkhauser
Xaver Hopfenspirger
Martin Weber
Martina Wegener
Ingo Raupach
Peter Machaczek
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/02—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying
    • B05D1/04—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying involving the use of an electrostatic field
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    • B05D1/045—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying involving the use of an electrostatic field on non-conductive substrates

Definitions

  • Components made of non-conductive materials are often produced by injection molding of a plastic in a corresponding injection mold.
  • the production of components made of plastic is more economical compared to components made of metal, due to the more favorable cost relation for injection mold and material.
  • metallic components are more economical, especially for larger quantities.
  • the painting is usually carried out after two consecutive painting, whereby first a dip coating and then several spray paints are performed.
  • the dip coating is preferably carried out electrochemically by cathodic deposition by means of electrical current.
  • the spray paints are increasingly carried out electrostatically.
  • the paint is atomized by means of an electrostatic Hochrotationszerstäubers into very small droplets, which are charged.
  • the grounded component the charged paint droplets attracts electrically, a high application efficiency is achieved with low paint losses.
  • a conductive primer can be applied before the electrostatic application of the paint.
  • conductive additives such as e.g. Leitruß to make conductive. Disadvantages are the associated costs as well as deteriorated mechanical properties such as an appalling impact resistance.
  • water-based paints are generally sufficiently conductive and that also solvent-based paints that have an electrical resistance of less than 10 6 ⁇ After four minutes of drying the lacquer layer can have a distance of 60 cm to the ground contact can bridge.
  • the number of earth contacts must be adjusted according to the electrical resistance of the paint material.
  • sheets are proposed with a length of at least 10 cm, the gap-free, that lie positively against the parts and may have no protruding tips, corners and edges, which would cause a field line concentration.
  • the earth contact must be attached to a position on the component that is suitable as the starting point for the paint application. This also applies if the earth contact is fastened on a non-visible surface or divider back.
  • the invention thus consists in the use of a method for joint electrostatic painting of one or more components of a non-conductive material and one or more components of a metallic material, wherein the or components of the non-conductor material and the one or more components of the metallic material by column are separated from each other.
  • the application of the varnish or primer to each component made of a non-conductive material must necessarily begin at the one or more earth contacts and be continued from there without interruption.
  • the gaps have a gap width in the range of 1 to 10 mm. - A -
  • the gaps have a gap width in the range between 2 and 5 mm.
  • the one or more ground contacts may already be conductive points on the plastic part, such as e.g. be one or more with the body conductively connected screws.
  • the number of earth contacts must be matched to the size and geometry of the components as well as the conductivity of the paint to be used.
  • Preference is given to a single earth contact.
  • the ground contact (s) may also be specially adapted for the purpose of dissipating the charge on the non-conductive material component.
  • the one or more ground contacts may be formed by carbon black.
  • Such Erdffye can also consist of a second, equipped with Leitruß, non-conductor material, which after shaping a part in a second step in the same tool -. b. in two-component technology - applied to this part in a form-fitting or material-locking manner.
  • a second non-conductor material can be made from a material suitable for the so-called laser direct patterning process (LDS method) from LPKF AG, which is described, for example, in DE-A 0 197 23 734, DE-C 197 31 346 or DE-A 0 101 32 092 is described, be formed.
  • LDS method laser direct patterning process
  • a previously applied pneumatically to the component of a non-conductive material lacquer layer act as earth contact.
  • the components made of non-conductive materials and the components made of metallic materials are preferably car parts.
  • mudguards made of non-conductive materials and doors and hoods of metallic materials.
  • polymer compounds based on polyamides or polyesters are preferably used. Particularly suitable are compounds based on polyamides and ABS, which may optionally contain fillers such. B. Triax DP® 3155 from Lanxess or Terblend® N products from BASF Aktiengesellschaft. Also suitable are polyamide-based compounds such as Technyl A® 238C MP25 or Ultramid® TOP 3000. Polymer alloys based on polyamide and polyphenylene ethers such as Noryl® GTX 964 from GEP are also suitable as substrates.
  • the paint material consisted essentially of color pigments, fillers, binders, additives and the solvent water.
  • FIGURE 1 shows the structure of this coating. It begins at the fender made of a non-conductive material (2) on the earth contact (1) of the fender (K) and was continued from there over the remaining surface of the fender (K). Over the conductive wet paint film (3) could be removed at any time the electrical potential.
  • the fender (K) was spaced from a metallic car door (5) by a gap (4).
  • the charging of the mudguard (K) from a non-conductive material (2) was measured with a field mill. The measured value was between 0-15 kV / m, well below the limit of 150 kV / m for a critical charge.
  • the painting result corresponds in all criteria to that of a metal mudguard.
  • optical properties such as homogenous color, gradient and gloss as well as the technological properties such as cross hatch, steam jet test, climate storage and chemical resistance were specified.

Landscapes

  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Abstract

Die Erfindung besteht in der Verwendung eines Verfahrens zur gemeinsamen elektrostatischen Lackierung von einem oder mehreren Bauteile aus einem Nichtleiterwerkstoff (2) und einem oder mehreren Bauteile aus einem metallischen Werkstoff, wobei das oder die Bauteile aus dem Nichtleiterwerkstoff (2) und das oder die Bauteile aus dem metallischen Werkstoff durch Spalte (4) voneinander getrennt sind. Die Applikation jedes Bauteils aus einem Nichtleiterwerkstoff (2) muss zwingend an dem einen oder den mehreren Erdkontakten (1) beginnen und von dort aus ohne Unterbrechung fortgeführt werden.

Description

Verwendung eines Verfahrens zur elektrostatischen Lackierung
Bauteile aus Nichtleiterwerkstoffen werden häufig durch Spritzgießen eines Kunststoffes in eine entsprechende Spritzgussform hergestellt. Für mittlere Jahresstückzahlen, im Bereich von etwa 10.000 - 200.000, häufig 30.000 bis 100.000, ist durch die günstigere Kostenrelation für Spritzgussform und Werkstoff die Herstellung von Bauteilen aus Kunststoff wirtschaftlicher gegenüber Bauteilen aus Metall,. Dagegen sind metallische Bauteile insbesondere bei höheren Stückzahlen wirtschaftlicher.
Für Bauteile wie z.B. Motorhauben, die auch unter starker thermischer Beanspruchung eine dauerhafte Formstabilität gewährleisten müssen, sind jedoch nach wie vor metallische Werkstoffe bevorzugt.
Insbesondere im Bereich des Automobilbaus liegt daher häufig die Ausgangssituation vor, dass ein oder mehrere Bauteile aus einem Nichtmetallwerkstoff mit einem oder mehreren Bauteilen aus einem metallischen Werkstoff zusammen verbaut werden. Im Automobilbau sind dies z.B. die aus einem Kunststoff gebildeten Kotflügel sowie Motorhaube und Türen aus einem metallischen Werkstoff.
Als Kunststoff für Kotflügel wird häufig ein Polyamid eingesetzt.
Es ist fertigungstechnisch vorteilhaft, den Zusammenbau des Grundkörpers aus Bauteilen aus Nichtleiterwerkstoffen und metallischen Werkstoffen möglichst früh im Fertigungsverfahren, also vor der Lackierung, vorzunehmen, und diesen anschließend in einem „Online"- Prozess zu lackieren.
Die Lackierung erfolgt in der Regel nach zwei aufeinander folgenden Lackierverfahren, wobei zuerst eine Tauchlackierung und anschließend mehrere Sprühlackierungen durchgeführt werden.
Die Tauchlackierung wird bevorzugt elektrochemisch durch kathodische Abscheidung mittels elektrischen Stroms durchgeführt.
Die Sprühlackierungen werden zunehmend elektrostatisch durchgeführt. Dabei wird der Lack mittels eines elektrostatischen Hochrotationszerstäubers in kleinste Tröpfchen zerstäubt, die aufgeladen werden. Indem das geerdete Bauteil die geladenen Lacktröpfchen elektrisch anzieht, wird ein hoher Auftragswirkungsgrad mit geringen Lackverlusten erreicht.
Um ein Bauteil aus einem Nichtleiterwerkstoff erden zu können, ist es erforderlich, dass das durch die geladenen Tröpfchen aufgebrachte Potenzial elektrisch abgeleitet werden kann. Dazu kann beispielsweise vor dem elektrostatischen Aufbringen des Lackes ein leitfähiger Primer aufgetragen werden. Es ist auch möglich, den Kunststoff selbst durch Zugabe von leitfähigen Additiven wie z.B. Leitruß leitfähig zu machen. Nachteilig sind die hiermit verbundenen Kosten sowie verschlechterte mechanische Eigenschaften wie eine ver- schüchterte Schlagzähigkeit. Darüber hinaus ist es schwierig, durch Zugabe von leitfähigen Additiven die Leitfähigkeit des Kunststoffes auf einen für die elektrische Ableitung optimalen Wert einzustellen, weil die Leitfähigkeit mit zunehmender Additivmenge nach einer Sprungfunktion zunimmt.
Sofern Bauteile aus Nichtleiterwerkstoffen und metallische Bauteile unmittelbar miteinander verbunden sind, ist es möglich, zunächst die Grenzfläche zwischen dem Nichtleiterwerkstoff und dem metallischen Werkstoff zu lackieren. Durch die Ausbildung eines kontinuierlichen Filmes, der die beiden Werkstoffe verbindet und der, solange er noch nicht vollständig getrocknet ist, leitfähig ist, wird bewirkt, dass das Bauteil aus dem Nichtleiterwerkstoff und das Bauteil aus dem metallischen Werkstoff dasselbe Potential aufweisen und somit unter nahezu gleichen Bedingungen elektrostatisch lackiert werden können. Ein derartiges Verfahren ist in JP 61 227 869 beschrieben. Das Verfahren ist jedoch durch die Voraussetzung eingeschränkt, dass sich Nichtleiterwerkstoff und metallischer Werkstoff berühren.
Das AiF-Forschungsvorhaben Nr. 010820 N/1 , Laufzeit 01.09.1996 bis 31.05.1998, des Instituts für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb in Stuttgart mit dem Titel „Entwicklung von fertigungstechnischen Maßnahmen zur Anwendung elektrostatischer Lackierverfahren für Kunststoffteile" betrifft eine so genannte dynamische Erdung. Dabei handelt es sich um eine temporäre Erdung von Kunststoffteilen durch Abführen der Ladungen über den gerade erzeugten leitfähigen Nasslackfilm. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die elektrostatische Lackierung von Kunststoffteilen ohne zusätzliche Arbeitsschritte und ohne vorherigen Auftrag von leitfähigen Primern auch unter Produktionsbedingungen möglich ist, indem ein oder mehrere Erdkontakte genutzt oder vorgesehen werden, um die über die Lacktröpfchen aufgebrachte Ladung abzuleiten. Es wurde gezeigt, dass Wasserlacke ge- nerell ausreichend leitfähig sind und dass auch Lösemittellacke, die einen elektrischen Widerstand von weniger als 106 Ω nach vier Minuten Ablüften der Lackschicht haben, eine Entfernung von 60 cm zum Erdkontakt überbrücken können. Je nach Teilegröße und Ge- ometrie muss die Anzahl der Erdkontakte entsprechend dem elektrischen Widerstand des Lackmaterials angepasst werden. Als Erdkontakte werden beispielsweise Bleche mit einer Länge von mindestens 10 cm vorgeschlagen, die spaltfrei, das heißt formschlüssig an den Teilen anliegen und die keine vorstehenden Spitzen, Ecken und Kanten aufweisen dürfen, was eine Feldlinienkonzentration verursachen würde. Der Erdkontakt muss an einer Position am Bauteil angebracht sein, die als Anfangspunkt für die Lackapplikation geeignet ist. Dies gilt auch, wenn der Erdkontakt auf einer Nicht-Sichtfläche oder Teilerückseite befestigt wird. Die Verbindung zwischen Erdkontakt und Erdpotential muss sichergestellt sein. Aus dem oben genannten Untersuchungsbericht war somit eine elektrostatische Lackie- rung durch dynamische Erdung, d.h. Ableiten der Spannung über den noch nassen Lackfilm bekannt, der mindestens einen Erdkontakt aufweisen muss, wobei die Lackierung an dem Erdkontakt beginnen muss.
Für den Fall, dass ein Grundkörper lackiert werden muss, der neben Bauteilen aus Nicht- leiterwerkstoffen auch Bauteile aus metallischen Werkstoffen umfasst, die mit diesen jedoch nicht unmittelbar verbunden sondern durch Spalte im Millimeterbereich getrennt sind, wurde bislang angenommen, dass das obige Verfahren nicht einsetzbar sein ist. Die unmittelbar benachbarten metallischen Bauteile, die insbesondere durch den bei Automobilen üblichen Karosseriespalt getrennt sind, sollten durch Abziehen der Feldlinien einen negati- ven Einfluss haben und zu einer Ungleichmäßigkeit der Lackierung wie z.B. matte Stellen durch nicht ausreichenden Verlauf der Lacktröpfchen ineinander führen.
Hingegen wurde gefunden, dass entgegen diesen Annahmen die Anwendung des elektrostatischen Lackierverfahrens mit dynamischer Erdung auch auf Grundkörpern möglich ist, die Bauteile aus Nichtleiterwerkstoffen sowie Bauteile aus metallischen Werkstoffen umfassen, die durch Spalte voneinander getrennt sind.
Die Erfindung besteht somit in der Verwendung eines Verfahrens zur gemeinsamen elektrostatischen Lackierung von einem oder mehreren Bauteile aus einem Nichtleiterwerkstoff und einem oder mehreren Bauteilen aus einem metallischen Werkstoff, wobei das oder die Bauteile aus dem Nichtleiterwerkstoff und das oder die Bauteile aus dem metallischen Werkstoff durch Spalte voneinander getrennt sind. Die Applikation des Lacks bzw. Primers auf jedes Bauteil aus einem Nichtleiterwerkstoff muss zwingend an dem einen oder den mehreren Erdkontakten beginnen und von dort aus ohne Unterbrechung fortgeführt wer- den.
Bevorzugt weisen die Spalte eine Spaltweite im Bereich von 1 bis 10 mm auf. - A -
Weiter bevorzugt weisen die Spalte eine Spaltweite im Bereich zwischen 2 und 5 mm auf.
Der eine oder die mehreren Erdkontakte können bereits auf dem Kunststoffteil vorhandene leitfähige Punkte sein wie z.B. eine oder mehrere mit der Karosserie leitend verbundene Schrauben sein.
Die Anzahl der Erdkontakte ist auf die Größe und Geometrie der Bauteile sowie die Leitfähigkeit des einzusetzenden Lackes abzustimmen.
Bevorzugt ist ein einziger Erdkontakt.
Der oder die Erdkontakte können auch speziell zum Zwecke des Ableitens der Ladung auf dem Bauteil aus Nichtleiterwerkstoff an- oder in dasselbe eingebracht werden.
Bevorzugt können der eine oder die mehreren Erdkontakte mittels Leitruß gebildet sein. Solche Erdkontakte können auch aus einem zweiten, mit Leitruß ausgerüsteten, Nichtleiterwerkstoff bestehen, der nach Formgebung eines Teils in einem zweiten Schritt im selben Werkzeug - z. b. in Zweikomponenten-Technik - auf dieses Teil form- oder stoffschlüssig aufgebracht wird.
Alternativ kann ein zweiter Nichtleiterwerkstoff aus einem für das sog. Laser-Direkt- Strukturierverfahren (LDS-Verfahren) der Firma LPKF AG tauglichen Material, das beispielsweise in DE-A 0 197 23 734, DE-C 197 31 346 oder DE-A 0 101 32 092 beschrieben ist, gebildet sein. Durch Anwendung des LDS-Verfahrens werden geeignete Muster erzeugt, die durch eine anschließende Metallphosphatierung leitfähig gemacht werden.
In einer Ausführungsform kann eine zuvor pneumatisch auf das Bauteil aus einem Nichtleiterwerkstoff aufgebrachte Lackschicht als Erdkontakt fungieren.
Die Bauteile aus Nichtleiterwerkstoffen sowie die Bauteile aus metallischen Werkstoffen sind bevorzugt Autoteile.
Besonders bevorzugt sind Kotflügel aus Nichtleiterwerkstoffen sowie Türen und Motorhauben aus metallischen Werkstoffen.
Als Nichtleiterwerkstoffe werden bevorzugt Polymerkompounds auf der Basis von Polyamiden oder Polyestern verwendet. Besonders geeignet sind Kompounds auf Basis von Polyamiden und ABS, die gegebenenfalls auch Füllstoffe enthalten können wie z. B. Triax DP® 3155 der Fa. Lanxess oder Terblend® N-Produkte der Fa. BASF Aktiengesellschaft. Weiterhin kommen in Frage Kompounds auf Basis von Polyamiden wie z.B. Technyl A® 238C MP25 oder Ultramid® TOP 3000. Auch Polymerlegierungen auf der Basis von Polyamid und Polyphenylenether wie z.B. Noryl® GTX 964 der Firma GEP sind als Substrate geeig- net.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Figur sowie eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In eine Lackierstraße eines Automobilherstellers zur Produktion von Serien-PKW wurde eine PKW-Serienkarosserie eingeschleust, die anstelle eines Kotflügels aus Metall mit einen Kotflügel aus einem Nichtleiterwerkstoff mit mehreren Erdkontakten bestückt war. Die angrenzende Motorhaube sowie die Tür waren wie üblich aus Metall. Zwischen Kotflügel und Motorhaube bzw. Tür waren Spalten. Die Karosserie durchlief die komplette Lackie- rung beginnend mit der Vorbehandlung und Tauchlackierung, bei der der Kotflügel aus einem Nichtleiterwerkstoff naturgemäß nicht beschichtet wird.
Es folgte die elektrostatische Sprühlackierung mit einem wasserbasierten und somit leitfähigen Füller. Das Lackmaterial bestand im Wesentlichen aus Farbpigmenten, Füllstoffen, Bindemitteln, Additiven sowie dem Lösemittel Wasser.
Die einzige Figur 1 zeigt den Aufbau dieser Lackierung. Sie beginnt am Kotflügel aus einem Nichtleiterwerkstoff (2) am Erdkontakt (1 ) des Kotflügels (K) und wurde von dort aus über die Restfläche des Kotflügels (K) fortgesetzt. Über den leitenden Nasslackfilm (3) konnte zu jeder Zeit das elektrische Potenzial abgeführt werden. Der Kotflügel (K) war durch einen Spalt (4) von einer metallischen Autotür (5) beabstandet. Mit einer Feldmühle wurde nach der elektrostatischen Lackierung die Aufladung des Kotflügels (K) aus einem Nichtleiterwerkstoff (2) gemessen. Der Messwert lag zwischen 0-15 kV/m und damit weit unter dem Grenzwert von 150 kV/m für eine kritische Aufladung.
Das Lackierergebnis entspricht in allen Kriterien dem eines Kotflügels aus Metall. Sowohl die optischen Eigenschaften, wie homogener Farbton, Verlauf und Glanz als auch die technologischen Eigenschaften wie Gitterschnitt, Dampfstrahltest, Klimalagerung und Chemikalienbeständigkeit waren spezifikationsgerecht.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung eines Verfahrens zur elektrostatischen Lackierung mit einem elektrisch geladenen Lack-Aerosol, wonach auf einem Bauteil aus einem Nichtleiterwerkstoff (2) ein oder mehrere Erdkontakte (1 ) vorhanden sind oder angebracht werden und der Auftrag des Lack-Aerosols an dem einen oder den mehreren Erdkontakten (1 ) begonnen wird, zur gemeinsamen Lackierung eines oder mehrerer Bauteile aus einem Nichtleiterwerkstoff (2) und eines oder mehrerer Bauteile aus einem metallischen Werkstoff, wobei das oder die Bauteile aus dem Nichtleiterwerkstoff (2) und das oder die Bauteile aus dem metallischen Werkstoff durch Spalte (4) elektrisch voneinander getrennt sind.
2. Verwendung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (4) eine Spaltweite im Bereich von 1 bis 10 mm aufweisen.
3. Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (4) eine Spaltweite im Bereich zwischen 2 und 5 mm aufweisen.
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einem Nichtleiterwerkstoff (2) einen einzigen Erdkontakt (1 ) aufweist.
5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Erdkontakte (1 ) aus jeweils einer Schraube gebildet sind.
6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Erdkontakte (1 ) mittels Leitruß gebildet sind.
7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Erdkontakte (1 ) aus einem LDS-tauglichen Material gebildet sind, und durch Anwendung des LDS-Verfahrens geeignete Muster erzeugt werden, die durch eine anschließende Metallphosphatierung leitfähig gemacht werden.
8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Erdkontakte (1 ) aus einer vor der elektrostatischen Lackie- rung pneumatisch aufgebrachten Lackschicht gebildet sind.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile, die elektrostatisch lackiert werden, Autoteile sind.
10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile aus Nicht- leiterwerkstoffen Kotflügel (K) und die Bauteile aus metallischen Werkstoffen Türen
(5) und Motorhauben sind.
1 1. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Nichtleiterwerkstoff (2) ein Polymerkompound auf der Basis von Polyamiden oder Po- lyestern ist.
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