Bei Drop-on-Demand-Verfahren werden gezielt einzelne Lacktropfen auf das zu beschichtende Bauteil geschossen und durch intelligentes Überlagern zu Linien und Flächen zusammengesetzt. Der Ansatz ermöglicht es, völlig maskierungsfrei und randscharf zu beschichten, ohne dass dabei Overspray erzeugt wird.
Jeder einzelne Tropfen trägt zum finalen Beschichtungsergebnis bei. Abkleben und aufwändige Anlagenreinigung entfallen vollständig. Dieser flexible Ansatz eröffnet mannigfaltige Möglichkeiten, verschiedene Designs und Dekore umzusetzen oder auch funktionelle Oberflächen lokal zu erzeugen, etwa Leitfähigkeit oder Versiegelung.
Einzelne Tropfen werden auf das Bauteil geschossen
Die Einzeltropfen erzeugt ein Piezoventil mit kurzen Dosierimpulsen. Das zu dosierende Material wird über eine Druckleitung zur Düse gefördert und durch Öffnen und Schließen der Düse tropfenweise ausgestoßen. Den Ventilantrieb übernehmen zwei parallele Piezoaktoren, die ihre Bewegung über einen Hebel auf eine Stößelstange übertragen.
Die Tropfenerzeugung wird über die Arbeitsparameter des Applikators gesteuert (Pulsform, Hubhöhe, Düsendurchmesser, Nadelgeometrie und Materialdruck) und lässt sich so an die zu verarbeitenden Materialien anpassen. Anders als bei herkömmlichen Tintenstrahldruckverfahren können so unterschiedliche Beschichtungsmaterialien verarbeitet werden. Ihre Rheologie reicht von niedrig- bis hochviskos.
Das Erwärmen des Beschichtungsstoffs ist eine zusätzlich integrierte Stellgröße. Ziel ist im Idealfall die Erzeugung kugelförmiger Tropfen, die frei von Satelliten über mehrere Zentimeter stabil fliegen.
Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet Tropfenbildung
Bei der Ermittlung und Optimierung geeigneter Arbeitsparameter hilft eine Hochgeschwindigkeitskamera: Sie hält die Tropfenentstehung am Düsenaustritt fest. Auf diese Weise lässt sich direkt beobachten, wie sich veränderte Stellgrößen auf die Tropfenbildung und den Tropfenabriss auswirken. Die Parameter des Applikators lassen sich so lange anpassen, bis sich ein geeigneter Tropfenabriss einstellt. Diese iterative Vorgehensweise bahnt den Weg zu geeigneten Parametersettings für die jeweilige Lackformulierung. Für ihre Auswahl und Festlegung gelten höchste Ansprüche:
- Sauberer Tropfenabriss ohne Rückstände an der Düse
- Vollständiges Zusammenziehen des ablösenden Tropfens ohne Zerfall (Fadenbildung und Fadenlänge)
- Erzeugung kompakter Tropfen ohne Abspaltung von Satelliten
- Dynamik des Tropfenausstoßes: Langsame oder schnelle Ablösung von der Düse und daraus resultierende Tropfengeschwindigkeit
- Stabilität und Reproduzierbarkeit der Tropfenerzeugung
Es gibt zahlreiche Einflussgrößen auf das Gesamtergebnis der oversprayfreien Beschichtung: Neben den Einflüssen, die das Piezo-Ventil durch seine Funktionsweise und Arbeitsparameter mit sich bringt, spielen die Materialeigenschaften der verwendeten Lacke eine wichtige Rolle, ebenso wie die Bahn- und Wiederholgenauigkeiten der werkzeugführenden Maschinen, beispielsweise Roboter oder xyz-Verfahreinheit. Der Prozess gestaltet sich also komplex.
Fraunhofer IPA kennt Wirkzusammenhänge des Drop-on-Demand
In Grundlagenuntersuchungen wurde am Fraunhofer IPA ein tieferes Verständnis der unterschiedlichen Einflüsse im Gesamtprozess erarbeitet. Dieses Wissen macht es wesentlich leichter, die Prozessparameter gezielt zu bestimmen. Vereinfacht gesagt: Kennt man die Wirkzusammenhänge, findet man die Parameter. Mit Hilfe des IPA haben bereits unterschiedlichste Firmen erfolgreich Drop-on-Demand genutzt bei Lackieraufgaben von mikroskopischen Applikationen über klassische Automotive- bis hin zu Aerospace-Anwendungen.
Lacke an Drop-on-Demand anpassen
So hilft der Einblick in die Kräfteverhältnisse beim Entstehen der Tropfen, die geeigneten Arbeitsparameter zu bestimmen. Beschrieben werden diese Wirkzusammenhänge durch dimensionslose Kennzahlen. Auch aus den rheologischen Eigenschaften der Lackmaterialien lassen sich Informationen über die Tropfenbildung ableiten. Das Verstehen der scher- und dehnviskosen Eigenschaften von Lacken kann dazu beitragen, die Lacksysteme für oversprayfreie Beschichtungen zu optimieren.
Nicht zuletzt steht die numerische Simulation als wichtiges Werkzeug zum Verständnis der Prozesse zur Verfügung. Die Simulation kann beispielsweise Vorgänge beim Tropfenaufprall oder beim Verlauf des Lackfilms beschreiben.
Simulation hilft beim Prozessoptimieren
Die Umsetzung der Lackierung auf 3D-Bauteilen erfolgt über eine Offline-Programmierung der Lackierbahnen, die anschließende Simulation und Optimierung der Bewegungsabläufe und die nachfolgende reale Umsetzung. Bereits bei der Bahnplanung müssen zum Beispiel die Genauigkeit des Applikationssystems (wie Bahntreue oder Schwingungen) berücksichtigt werden.
Fraunhofer IPA realisiert Machbarkeitsstudien
Im Technikum des Fraunhofer IPA kann der Applikator sowohl auf einer xyz-Verfahreinheit für flächige Anwendungen als auch auf einem 6-Achs Roboter montiert werden. Auf der Anlage lassen sich Machbarkeitsstudien mit unterschiedlichen Lacksystemen umsetzen (wie Lösemittel- und Wasser-basierte Systeme, 1K- und 2K-Technologien, UV-härtende Lacke). Sie werden je nach Kundenanforderungen auf Substratmustern oder Originalbauteilen durchgeführt. Außerdem fließen in alle Anwendungen kontinuierlich die komplexen Anforderungen an Genauigkeiten der Verfahrsysteme, Steuerung und Bahnplanung ein.
Kontakt: Wolfgang Niemeier, Tel. +49 711 970-1791,
Wolfgang.Niemeier@ipa.fraunhofer.de
