• Fehler: Mangelnde Haftfestigkeit / Lackablösungen
• Substrat: Kunststoff (Polypropylen)
• Ursache: Ungenügende Aktivierung beim Beflammen
  
• Mögliche Lösung: Einhaltung von Geschwindigkeit, Abstand, Winkel bei der Roboterbeflammung

Eine ungenügende Aktivierung der Substratoberfläche kann zu Haftfestigkeitsverlusten führen. Quelle: Fraunhofer IPA

Die Beflammung ist ein fle­xibler Vorbehandlungsprozess mit relativ geringem Auf­wand, der eine gute Benetz­barkeit und Haftfestigkeit von Lacken bzw. Beschichtun­gen auf Polyolefin-Kunststof­fen sicherstellt. Die Anforde­rungen an eine solche Vorbe­handlung werden angesichts zunehmend eingesetzter pri­merloser Lacksysteme stei­gen. Die große Herausforde­rung ist nun, die optimalen Bewegungs- und Prozesspa­rameter individuell für jedes Bauteil zu finden.

Die Versuche im Pro­jekt werden roboterunter­stützt in einer handelsüb­lichen Beflammanlage mit Probeplatten aus PP/EPDM durchgeführt. Das Material kommt im Automotive-Be­reich standardmäßig zum Ein­satz. Dabei zeigt sich der Ein­fluss verschiedenster Para­meter, wie beispielsweise des Abstands des Brenners zur Substratoberfläche oder die der Vorschubgeschwindigkeit des Roboters. Diese Parameter werden in mehreren Versuchsprogrammen variiert und mittels verschiedener Metho­den untersucht. Zur Charak­terisierung der beflammten Oberfläche dienen Rauheits­messungen und Oberflächen­energiebestimmungen. Hoch­druckwasserstrahltests stel­len ein gängiges Verfahren dar, um die Qualität der Haft­festigkeit der Beschichtungen auf lackierten Versuchsplat­ten zu bestimmen. Außerdem wird mittels thermografischer Aufnahmen die Temperatur­verteilung auf den beflamm­ten Oberflächen bestimmt. In Verbindung mit strömungs­mechanischen Effekten sol­len die Modellvorstellungen spezifiziert und validiert wer­den. Parallel dazu wird mittels fluiddynamischer Simulatio­nen die verwendete Flamme selbst modelliert, siehe Grafik. Die Geometrie der Flamme ist ebenso wie deren infolge von Inhomogenität örtlich variie­renden Eigenschaften bere­chenbar. Darüber hinaus kön­nen wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der Pro­zesse gewonnen werden. So kann die lokale Sauerstoffkon­zentration in der Flamme Auf­schluss geben, ob deren Wir­kung eher oxidierenden oder reduzierenden Charakter hat.

Vereinfachtes Modell der Flammentemperaturverteilung im Querschnitt bei der Verbrennung. Quelle: Fraunhofer IPA

In einem zweiten Schritt soll eine einfache, praxistaugliche Simulation entwickelt wer­den, abgeleitet aus den fluid­dynamischen Berechnun­gen und Beflammversuchen. Diese soll dann vor allem geo­metrische Einflüsse, wie Win­kel der Flamme zum Substrat, Geschwindigkeit und Abstand beschreiben können, um auch für komplexe Bauteile Roboter­bahnen bewerten zu können.

Aus der Korrelation der Kennwerte nach Druckwas­serstrahltest der beschichte­ten Proben mit den Oberflä­chenenergien der beflammten Substrate sowie mikroskopi­schen Untersuchungen zeigt sich, dass die Druckwasser­strahlkennwerte von 1 bis 3 oft kein adhäsives Haftfes­tigkeitsversagen aufzeigen, sondern dass hier die Schä­den in den oberflächenna­hen Substratschichten auf­treten. So ist festzuhalten, das Adhäsionsversagen mit steigender Oberflächenener­gie praktisch nicht mehr auf­tritt. Stattdessen verlagert sich die Bruchzone der beschich­teten Proben vermehrt in die Kunststoff-Bulkzone. Hier müssen weitere Untersu­chungen aufzeigen, welcher Zusammenhang zwischen dem Beflammen und den Kohäsionsbrüchen besteht. Erst dann können diese Effekte in das Simulationsmodelleinfließen. Aus den bisherigen Untersuchungen sind aller­dings die Einflüsse einiger Parameter abschätzbar. So zeigen die Einwirkzeit der Flamme sowie deren Abstand zum Substrat einen relativ großen Einfluss, während der Winkel der Flamme zur Ober­fläche kaum relevant scheint.

Projektionsmodell

Aufgrund der erhaltenen Ergebnisse wird für die schnel­len Simulationen ein modifi­ziertes Projektionsmodell als Grundlage verwendet, das Intensität und Einwirkdauer auf finiten Flächenelementen abbildet. Die Ergebnisse die­ser Versuche sowie der fluid­dynamischen Simulation der Flamme dienen zur Anpas­sung des Modells, um auch Randbedingungen und Ext­remfälle aus der Praxis sinn­voll darstellen zu können. So werden derzeit beispielsweise Grenzfälle näher betrachtet, die durchaus in der Praxis auf­treten können. Hierzu seien Hinterschnitte bzw. Luftein­lässe in großen 3D-Formteilen genannt: Diese Regionen kön­nen aus geometrischen Grün­den in der Praxis nicht mit kon­stanten Parametern beflammt werden. Die größte Heraus­forderung besteht darin, das Modell so anzupassen, dass es auch bei komplexen Geometrien und unstetigen Bedingungen zuverlässige Aussagen zur Qualität der Vorbehandlung treffen kann. In weiteren Schritten muss das Modell den Praxistest beste­hen und an echten 3D-Geo­metrien validiert werden.