UV/ES-Strahlungshärtung

Der internationale Kostendruck, die steigenden Qualitätsanforderungen und die Forderung nach Emissions- und Abfallreduzierung zwingen immer mehr Lackverarbeiter dazu, ihre bisherigen Lackier­prozesse kritisch zu durchleuchten. Bei Modernisierungs- und Neuplanungen stehen heute vor allem Ziele wie

• Verbesserung der Produktqualität (z. B. Kratzfestigkeit, Verlauf, Glanz),
• Reduzierung der Prozesszeiten und damit höherer Teiledurchsatz,
• platzsparende Anlagentechnik,
• Lackierbarkeit von wärmeempfindlichen Teilen,
• schnellere Staubtrockenheit und damit Reduzierung der Nacharbeit,
• schnellere Lagerfähigkeit und Weiterverarbeitbarkeit der Teile

im Vordergrund. Da Prozesse mit strahlenhärtenden Lacken bei Konzeptvergleichen in diesen Punkten besonders gut abschneiden, ist das Interesse an Strahlenhärtungstechnologien in jüngster Zeit stark gewachsen. Das am weitesten verbreitete Verfahren zur Strahlungshärtung ist die UV-Härtung.

Bei der strahlenchemischen Härtung werden die Polymerisa­tionsprozesse durch die Absorption von UV- oder Elektronenstrahlung initiiert. Auf diese Weise lassen sich u. a. Acrylatsysteme, ungesättigte Polyesterharze, Melamin- oder Harnstoffharze härten. Bei der UV-Härtung werden zusätzlich bestimmte chemische Verbindun­gen, die Fotoinitiatoren, benötigt, die bei Belichtung mit UV-Strahlung in Radikale zerfallen, welche ihrerseits die Auslöser der Polymerisations- und damit der Härtungsvorgänge sind.

UV-Strahler

Bei der UV-Strahlung handelt es sich um elektromagnetische ­Wellen im Wellenlängenbereich 100–380 nm (Abb. 13.2/1). Als Quellen für ultraviolette Strahlung dienen u. a. elektrische Entladungen in Gasen. Die Anregung des Gases kann entweder durch einen zwischen den Lampenelektroden fließenden elektrischen Strom oder durch Einstrahlung von Mikrowellen erfolgen (elektrodenlose Strahler). Am häufigsten verwendet werden Queck­silber­dampf­lampen.

Seit einigen Jahren werden zur Härtung UV-vernetzender Mate­rialien auch Leuchtdioden (LED) angeboten, die Licht im UV-Spektralbereich emittieren. UV-LEDs zeichnen sich durch einen relativ niedrigen Energieverbrauch sowie eine geringe thermische Belastung von zu härtendem Material und Werkstück aus. Die Leuchtdioden lassen sich verzögerungsfrei ein- und ausschalten und sind über den gesamten Leistungsbereich von 0 bis 100 % beliebig regelbar. Damit möglichst viel UV-Licht für den Vernetzungsprozess wirksam wird, sollten Emissionsspektrum der UV-Lichtquelle und Absorptionsspektrum der Fotoinitiatoren so aufeinander abgestimmt werden, dass eine möglichst große Überlappung vorliegt. Darauf muss insbesondere beim Einsatz von UV-LEDs geachtet werden, da diese relativ schmalbandiges Licht emittieren.

UV-Härtung und ihre Anwendungen

Der Haupt­vor­teil der UV-Här­tung liegt darin, dass der Härtungsvor­gang sehr viel schnel­ler (in­ner­halb von Se­kun­den) als bei der ther­mischen Härtung abläuft. Da­durch kann ei­ne schnelle und energie­spa­ren­de Härtung von Lackschich­ten auf wärmeempfindlichen Sub­stra­ten er­reicht wer­den. Die Här­tung mit­tels UV-Strahlung führt zu einer hohen Vernetzungsdichte und damit zu einer hohen Beschichtungs­qua­li­tät (z. B. Abriebfestigkeit, Härte). Sollen UV-Lacke mit zerstäubenden Verfahren aufgetragen werden, müssen die Materialien in der Regel auf eine niedrigere Verarbeitungsviskosität verdünnt werden (Hinweise zur Viskositätsmessung im Video). Heute werden hier zunehmend wässrige Verdünnungen verwendet (z. B. beim Spritzlackieren von Holzteilen). Vor der UV-Härtung muss in diesen Fällen die Verdünnungsflüssigkeit durch Erwärmung der Lackschichten auf ca. 60–100 °C zum Verdunsten gebracht werden.

Beispiele für Anwendungsfelder der UV-Härtung sind:

• Klarlackbeschichtung von Brillengläsern und Kfz-Scheinwerferstreuscheiben aus Polycarbonat
• Grundlackbeschichtung vor der Metallisierung von Kfz-Schein­werferreflektoren aus den unterschiedlichsten Kunststoffsorten
• Klarlackbeschichtung von Automobilanbauteilen aus unterschiedlichen Kunststoffen
• Druckfarben und Klebstoffe
• Holzbeschichtungen (z. B. Fußböden aus Hartholz)

UV-Anwendungen für dreidimensionale Werkstücke

Ei­ne neue Herausforderung an die UV-Technologie stellt die Nachfrage nach Be­schich­tun­gen für dreidimensionale Teile dar, wie sie z. B. in der metall- und kunststoffverarbeitenden Branche üblich sind. Die Voraussetzung für ein optimales Härtungsergebnis bei dreidimensionalen Werkstücken ist, dass die UV-Strahlungsdosis auf der gesamten beschichteten Oberfläche des Werkstücks sich innerhalb eines vom Lackhersteller vorgegebenen „Prozessfensters“ befindet. Die realen Teilegeometrien mit ihren Unsymmetrien, Hin­ter­schneidungen und Vertiefungen stehen in Widerspruch zu den geforderten de­finierten Bestrahlungsverhältnissen. Mögliche Folgen sind un­vollständig vernetzte Beschichtungen beziehungsweise ineffektiv arbeitende Anlagen, die den erwarteten Teiledurchsatz nicht oder nur mit einer unverhältnismäßig hohen Anzahl von Strahlern ge­währleisten.

Den Problemen bei 3-D-Werkstücken kann durch folgende Maßnahmen begegnet werden:

• Robotergeführte UV-Strahler mit programmierbaren, flexiblen Bewegungsabläufen
• Hybrid-Lacksysteme, die zusätzliche chemische Härter (z. B. Isocyanat) enthalten und an unbestrahlten Stellen durch Wärmezufuhr chemisch nachreagieren („dual cure“)

Die Strah­ler müssen an die unterschied­lichen 3-D-Werk­stück­geometrien an­ge­passt wer­den. Bei komplizierten Geo­me­trien sind dazu in der Regel umfangreiche Pro­duk­tions­ver­suche erforderlich, um die Anzahl der benötigten Strahler, deren Anordnung sowie die notwendige Transportgeschwindigkeit zu ermitteln. Seit einigen Jahren stehen hierfür auch Software-Werkzeuge zur Verfügung, die eine Optimierung von komplexen 3-D-UV-Härtungs­prozessen auf dem Computer ermöglichen.

Das Video zeigt die sich während des Bestrahlungsprozesses aufakkumulierende UV-Bestrahlungsdosis auf einem 3-D-Werkstück (Skala in J/m2).

Elektronenstrahlhärtung (ESH)

Bei der ESH findet durch Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl eine direkte Ionisation und Anregung und damit Polymerisation bzw. Vernetzung des Beschichtungsmaterials statt. Der Zusatz von Fotoinitiatoren wie bei der UV-Härtung ist nicht erforderlich. Die Aushärtung der Schichten erfolgt innerhalb von Millisekunden mit noch höheren Vernetzungsgraden als bei der UV-Härtung.

Die Elektronenstrahlen werden ähnlich wie bei einer Fernsehbild­röhre in Axial- oder Linearbeschleunigern erzeugt, wobei eine durch Widerstandsheizung auf ca. 2.000 °C erhitzte Glühkathode als Quelle für die freien Elektronen dient. Das Eindringvermögen in die zu härtende Beschichtung kann durch Wahl der Elektronenenergie exakt eingestellt werden, wobei dicke, pigmentierte Beschichtungen für die ESH kein Problem darstellen. Die ESH von ungesättigten Bindemitteln erfordert in der Regel ein Schutzgas in der Prozesszone (meist Stickstoff), da der Luftsauerstoff die zur Härtung der Beschichtung erforderlichen Radikale bindet.

ESH-Anlagen werden hauptsächlich zur Härtung von Beschichtungen auf bahnförmigem bzw. Plattenmaterial eingesetzt. Durch gezielte Prozessführung unter Einsatz von Elektronenreflektoren lassen sich jedoch auch Beschichtungen auf Formteilen härten. In neueren Entwicklungen werden robotergeführte Miniatur-ESH-Systeme zur Bestrahlung von 3-dimensionalen Teilen untersucht. Anwendungen für die ESH sind z. B. Hochglanzlackierungen auf Papier und Folien, Beschichtungen in der Verpackungsindustrie, Deckschichten für Laminatfuß­böden und Parkett oder Platten für die Außen- und Innenanwendung.

 

Literatur

[1] P. G. Garratt: Strahlenhärtung. Hrsg. von U. Zorll. Vincentz Verlag, Hannover, 1996

[2] O. Röder: Elektronenstrahlhärtung (ESH). In: H. Kittel: Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Bd. 9, Hrsg. H. Fobbe, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 2004

[3] S. Pieke: Welche Lampe passt zu welchem Lack? Farbe und Lack 10 (2012), S. 16

[4] A. Scheibe; M. Ghahremanpour; M. Schneider und E. Westkämper: Virtuell UV-härten – virtuell fertigen. mo Metalloberfläche 59 (2005) 12, S. 26–29

 

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