ANLAGEN- UNO APPLIKATIONSTECHNIK

Neue Pulver-Projektein der AutomobilindustrieEine Herausforderung fur Hersteller von Applikationstechnik

Bei der Automobil-Serienlackie rung wird in Zukunft verstCirkt

Pulverlack eingesetzt werden. Das betrifft nicht nur die Klarlack­Schicht, sondern auch den Primer. Neuentwicklungen in der

Applikationstechnik haben einen erheblichen Anteil daran, dassdieser Durchbruch geschafft wurde. Auch das Problem des

Farbwechsels ist mittlerweile gelost.

Neben zahlreichen technologi­schen Vorteilen bietet die Pul­

verlackierung vor allem eines: nullEmissionen. Das ist seit vie len jahrenbekannt. Trotzdem hat der Durch-

bruch in der Automobilserienlackie­rung erst vor relativ kurzer Zeit statt­gefunden. Betrachtet man die Zahlenfur den Pulververbrauch in der Auto­mobillackierung, so ist gleich zu er-

Bild 1: Bei der AuBenapplikationmil Lackierrobolern isl der Pulver­Rototionszerstauber anderen Pulver­Zerstaubem Uberlegen

kennen, wo der rneiste Pu lver lack zumEinsatz kornmt . In den SA alsPrimer, insbesondere in den Werke n

von General Motors und Daimler­Chrysler. Dort sind es bisher zirka80 % gewesen.

In Europa haben vor allem BMWund DaimlerChrysler die Vorreiterrollebeim Pulvereinsatz am Fahrzeug ge­spielt. Die Situation beginnt sich zu

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andern. Nachdem BMW in den neuenLackieranlagen in Regensburg undLeipzig auch auf Klarlackpulver setzt,hat sich auch die PSA-Gruppe fur denPulvereinsatz entschieden. 1m neuenWerk III Mulhouse werden diePeugeot-Modelle mit Pulverprimerlackiert. Und auch bei Ferrari in Mara­nello hat man die Vorteile der Pulver­lackierung erkannt.

Was hat zu dies em Umdenkengeflihrt? Sicherlich nicht nur verscharf­te Umweltstandards, sondern auch dieErkenntnis, dass mit der heute zur Ver­fligung stehenden Technik eine Pul­verlackierung unter wirtschaftlichenGesichtspunkten zu realisieren ist.

Pulverapplikation mit Roboternund Rotationszersliiubern

In vielen Lackieranlagen werdensowohl fiir die Innen- wie auch ftir dieAuBenapplikation nur noch Lackier­roboter eingesetzt. Dies hat die unter­schiedlichsten Grunde, die wichtigstensind jedoch die hohere Flexibilitatbezuglich des Karosserie-Designs, dieVerbesserung der Qualitat durch Kon­tur angepasste Lackierbahnen sowiedie Erhohung der Wirtschaftlichkeitdurch einen hoheren Auftragswir­kungsgrad und die Reduzierung dererforderlichen Zerstauber /1/.

Diese Vorteile, die fur die Nasslack­applikation in verschiedenen Lackier­anlagen verifiziert worden sind, sindprinzipiell auch in der Pulverappli­kation nutzbar. Die Voraussetzung istaber eine Peripherie (Zerstauber,Dosiertechnik), die wie in der Nass­lackapplikation optimal in das Robo­tersystem integriert und exakt parame­trierbar ist und damit reproduzierbareLackierergebnisse zu erzielen vermag.

Fur die Pulver-AuBenapplikationmit Lackierrobotern wird ein Zerstau­ber mit einem ausreichend breitenSpritzbild benotigt. Hier bietet sich derRotationszerstauber an (Bild 1). Ge­genuber anderen Pulverzerstaubernbietet er entscheidende Vorteile:• variable Spritzbildbreite, para­

metrierbar tiber Lenkluftvolumen­strom und Glockentellerdrehzahl,

• hoherer Pulverdurchsatz moglich,

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• hoherer Auftragswirkungsgraderzielbar,

• Reduzierung von Pulveragglomera­ten (sogenannten Spuckern), die zuStorungen im Lackfilm fuhren,

• geringere Pulverpartikel-Separie­rung.

Ober die genannten prinzipiellen Vor­teile der Pulver-Rotationszerstaubunghat Durr bei der Entwicklung seinesPulver-Rotationszerstaubers, der "Eco­Bell Powder", zusatzliche, nicht minderwichtige Features berucksichtigt:

• Einsatz moglichst vieler gleicherBauteile wie bei den Nasslack­zerstaubem (Turbine, Luftmengen­und Drehzahlregelung); dies redu­ziert die Anzahl erforderlicherErsatzteile,

• Hauptnadelfunktion, die einexaktes Ein- und Ausschalten desZerstaubers auf der Lackierbahnsicherstellt,

Bild 2: Simulation

der Innenapplikation

und des Turenhandlings .

Aufgrund der kompakten

Bauweise kann der neue

Pulver·Rotationszerstouberouch die Innenbereiche

des Fahrzeugs lackierenund bei Bedarf sogar

Karosserieteile, wie

die Tiue, bewegen.

• kompakte Baugrofie, die den Ein­satz des Rotationszerstaubers auchftir die Innenapplikation von zumBeispiel Tureinstiegsbereichen unddas damit bei Bedarf verbundeneHandling von Karosserieteilenermoglicht (Bild 2).

Der Pulver-Rotationszerstauberbringt nicht nur bei der Roboterappli­kation Vorteile, sondern kann auch inVerbindung mit Lackiermaschinensehr effizient eingesetzt werden.Bereits ausgefuhrte Projekte zeigen,dass mit einem Rotationszerstauberaufgrund des breiteren Spritzbildesund der hoheren Pulverdurchsatzmen­ge zwei Pulverpistolen ersetzt werden

konnen, bei gleichzeitig deutlich ver­besserter Schichtdicken-Gleichrnafiig­keit. Die Anlagenkomplexitat wirdreduziert, die Verfugbarkeit steigt,

Exakte Pulver-Dosiertechnik

Die Pulverforderung und -dosie­rung, basierend auf dem Injektorprin­zip, war bisher ein groBes Problem,wenn es darum ging, reproduzierbareLackierergebnisse zu erzeugen. DieUnzulanglichkeiten dieser Technikund die aufwandigen Versuche, diesezu beheben, waren mit ein Grunddafur, dass die Pulverlackierung in derAutomobilindustrie, zumindest inEuropa, ein Schattendasein fuhrte.

Bei der Injektortechnik wird dasfluidisierte Pulver aus dem Fluidisier­behalter mittels Injektor angesaugtund durch einen Schlauch zum Zer­stauber transportiert. Ober die ge-

trennt in den Injektor zugefuhrteDosier- und Forderluft wird die Pul­verausstoBmenge und die Stromungs­geschwindigkeit im Pulverschlaucheingestellt. Die Regelung dieser Luft­mengen ist ftir eine konstante Pulver­ausstoBmenge eine notwendige, leideraber keine hinreichende Bedingung.

Anderungen im System, wie zumBeispiel des Fluidisierzustands, oderAblagerungen in den Pulverschlau­chen fuhren zu stetigen oder sprung­haften Anderungen der Pulveraus­stoBmenge und damit zu Anderungendes Lackierergebnisses. Die Entwick­lung verschiedener Sensoren zurdirekten Messung des Pulverdurch­satzes im Schlauch ftihrte nicht zu den

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Bild3: Ein wichtiger Fortschritt bei der Pulverbeschichtung von Karosserien:Die Pulver.Dosierpumpe. Sie ermoglichteine exakte Pulver.Dosierung. 1m Bilddie "EcoPump Powder" von Diirr.

schnitte im Vergleich zum Injektor,• minimaler Luftverbrauch

(l0 Nl/min).

Die Pulverforderung erfolgt bei derPulverdosierpumpe nahezu ohne Luft.Deshalb ist sie fur die Rotationszer­staubung, bei der die Pulverwolkeebenfalls ohne Luft - nur durch Rotati­on des Glockentellers - entsteht, pra­

destiniert.Die Pulverdosierpumpe kommt in

der Automobilindustrie erstmalig beiBMW in Dingolfing, in Kombinationmit dem Pulver-Rotationszerstauber abSeptember 2002 zum Serieneinsatz. Siebasiert auf dem DDF-Prinzip der FirmaRamseier und wurde unter maBgebli­cher Beteiligung von BMW entwickelt,

Durchbruch beim Einsalzverschiedenfarbiger Pulverfijller

erhofften Ergebnissen. Man musstesich daher mit der Erfassung einermittleren PulverausstoBmenge tiberWagesysteme unter dem Fluidisier­behalter begntigen.

Die Entwicklung und Einfuhrungeiner Pulverdosierpumpe brachte dieWende auf dem Gebiet der Pulverforde­rung und -dosierung. Es hande!t sich urneine pneumatisch angetriebene Doppel­kolbenpumpe (Bild 3), die altemierenddas Pulver aus dem Fluidisierbehalteransaugt und tiber einen Schlauchzum Zerstauber fordert. Quetschventile

verschlieBen entsprechend der Hub­bewegung die Ansaug- und AusstoB­leitungen. Der Pulverdurchsatz wirddurch das Volumen der Pumpenkam­mem und die variable Pumpenfrequenzbestimmt. Die wesentlichen Vorteile derPulverpumpe sind /2/:• hohe Dosiergenauigkeit (+/- 3 %),• PulverausstoBmenge bis 300 g/min,• Anderung der PulverausstoBmenge

tiber Frequenzanderung

• Schlauchlangen zum Zerstauber25 m moglich,

• 50 % kleinere Schlauchquer-

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Farbwechsel bei der Pulverapplika­tion im industriellen Einsatz ist meistmit einem Farbwechsel in der gesam­ten Beschichtungsanlage verbunden.Aile Pulver fiihrenden, im Pulverkreis­lauf eingebundenen Komponenten,einschlieBlich der Lackierkabine, mils­sen gereinigt werden, urn keine Farb­verschleppungen oder, was vie! schlim­mer ware, Benetzungsstorungen durchLackmaterial-Unvertraglichkeiten zubekommen. Fur die Reinigung vonPulverbeschichtungsanlagen wurden

Bild4: Mit dem moduloren Forbwechsler (im Bild "EcoMCC Powder") konnen nun ouch verschiedenfarbige Pulvermoterio­lien verarbeitetwerden

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Bild 5: Kabinen­Querschniff. DieVersorgungsbeho/­fer furdie Applikati­ons-fechnik mif denDosierpumpen ken­nen unterhalb derApplikationsebeneaufgesfellt werden- bei der Verarbei­tung von tempera­turempfindlichenPulvermaterialienein wichtiger Vor­teil. f ine doppe~

schalige Bauweisemit einem klimati­sierten Bereich zwi­schen Kabine undBediengang istnichtmehr netig.

Fur den eigentlichen Farbwechsel­vorgang wurde von Diirr ein modularerFarbwechsler entwickelt (Bild 4), des­sen Module in Y-Form einfach anein­ander gereiht werden konnen, urn sodie erforderliche Anzahl von Farbenverarbeiten zu konnen. Die Merkmaledieses Farbwechslers erftillen Anforde­rungen, die ahnlich hoch gesteckt sind,wie diejenigen seines Pendants in derNasslack-Applikation: kompakte Bau­grofie, Spulbarkeit, keine Hinter­schneidungen und Totraume, War­tungsfreundlichkeit, kurze Farbwech­seizeit. Diese liegt bei 8 Sekunden.

Die Moglichkeit der Verarbeitungverschiedenfarbiger Pulvermaterialienhat dem Pulvereinsatz im Bereich Pri­mer auch im europaischen Raum zumDurchbruch verholfen.

Materialversorgungund Kabinentechnik

Die Entwicklungen im Bereich derPulver-Dosiertechnik sind auch ftir dieMaterialversorgung von groJ3er Bedeu­tung. Sie errnoglichen ein direktesZuriickfUhren von Overspraypulver inden Beschichtungsprozess. Das Over­spraypulver aus der Kabine wirdzunachst in einem Zwischenbehaltergesammeit. Von dort wird es mit Hilfevon Forderpumpen zu den Versor­gungsbehaltern der Applikationstech­nik gefordert, wo es mit Frischpulver,ebenfalls mit Pumpen aus Anliefer­Containem gefordert, in einem, demVersorgungsbehalter vorgeschaltetenSieb im gewiinschten Mischungsver­haltnis gemischt wird.

Das Mischungsverhaltnis wird uberdie Fordermengen der Pumpen einge­stellt. Die Versorgungsbehalter fur dieApplikationstechnik mit den Dosier­pumpen konnen aufgrund ihrer hohenForderleistung unterhalb der Applika­tionsebene aufgestellt werden, was vorallem bei temperaturempfindlichenPulvermaterialien von Vorteil ist. Hier­durch kann die Kabinentechnik deut­lich vereinfacht werden, indem diedoppelschalige Bauweise mit einemklimatisierten Bereich zwischen Kabi­ne und Bediengang entfallen kann(Bild 5).

zwei aufeinander fol­genden Karossen kei­ne Anlagenreinigungdurchfuhren Iasst,Dies bedeutet, dassder FarbwechseI nurdie Applikationstech­nik betreffen kannund ein Lackierkon­zcpt gefunden wer­den muss, mit demdas aus Oversprayentstchcndc Misch­pulver verarbeitetwerden kann.

Dieses Lackier-konzept besteht auseinem zweistufigenProzess, bei dem imersten Schritt emAuJ3enauftrag mit

dem Mischpulver (Recyclingmaterialaus der Innenlackierung und demzweiten Schichtauftrag) erfolgt. Da­nach werden bereits mit dem Reinma­terial die Innenbereiche in den unter­schiedlichen Farben auslackiert undanschlieJ3end, im zweiten Schritt, dieAuJ3enbereiche der Karosse mit einernochmaligen Pulverschicht aus Rein­material im gewiinschten Farbton ver­sehen /3/.

Bild 6: Pulver-Rotationszerstouber von Diitr im Serien­einsatz bei GM in Oklahoma City. Der Pulverfullerwird von Lackierautomaten in zwei Zonen mit jeweilszehn Rototionszerstaabetr: aufgetragen.

Systerne konstruiert, die nahezu voIl­automatisch arbeiten. Damit dauert dieReinigung nur noch wenige Minuten.

Fur die AutomobiIIackierung sindsolche Systeme jedoch nicht einsetz­bar. Hier besteht die Forderung nacheiner Farbwechselzeit innerhalb weni­ger Sekunden, so dass prinzipiell jedesFahrzeug mit einer anderen Farbelackiert werden kann. Es ist klar, dasssich in dieser kurzen Zeit zwischen

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Bi/d7 : BMW in Dingo/fing stelltnoch in diesem Sommer bei der Pu/verklar­/ack-App/ikation von Pu/verpisto/en auf die Pulvet-Rotationszerstauber urn.Damitwird die Anzah/ der Applikatoren deutlich reduziert sowie die ohnehinhohe Lackierqua/itot weiter verbessert.

Aktuelle Projektbeispiele

Nachfolgend werden einige aktue1­Ie Projektbeispie1e beschrieben, dieden eingangs dargestellten Trend zumPulver in der Automobilserienlackie­rung aufzeigen.

GM Oklahoma CityBei General Motors in Oklahoma

City wurde von Dtirr eine neue Pulver­primer-Lackieranlage realisiert. Das

Pulvermaterial wird von Lackierauto­maten in zwei Zonen mit jeweils zehnRotationszerstaubern aufgetragen (Bild6). Der Entscheidung fur die Dtirr

"EcoBell-Powder"-Rotationszerstau­ber sind umfangreiche Tests mit unter­schiedlichen Zerstauberfabrikaten so­wie eine langere Validierungsphase inder Produktion vorausgegangen. Dtirrhat nicht nur die Lackiermaschinenund die Applikationstechnik ge1iefert,sondern auch die komplette Anlagen­technik, bestehend aus Kabine, Forder­technik, Pulvermateriallogistik.

BMW DingolfingBei BMW im Werk Dingolfing er­

folgt im Sommer dieses jahres in derPulverklarlack-Applikation ein Umbau

der bisher im Einsatz gewesener Pul­verpistolen auf "EcoBell-Powder"­Rotationszerstauber von Durr (Bild 7).Gleichzeitig wird dort erstmalig dieneue Pulverdosiertechnik installiert.Mit den Rotationszerstaubern wird dieAnzahl der Applikatoren deutlich redu­ziert sowie die ohnehin hohe Lackier­qualitat weiter verbessert. Auch die­sem Projekt sind ausgedehnte Zer­stauber-Vergleichstests in Technika,Labors und in der Produktion voraus­gegangen.

BMW Regensburg und LeipzigDurr liefert fur die neuen Lackier­

anlagen der Werke Regensburg undLeipzig nicht nur die Lackierrobotermit der Applikationstechnik ftlr Nass­lack und Pulver (insgesamt 76Lackierroboter fur alle Umfange derInnen- und AuBenlackierung), son­dern auch die Anlagen-, Forder- undSteuerungstechnik sowie die Material­versorgung. Vor allem im Bereich desPulverauftrags bringt eine Systemlo­sung aus einer Hand entscheidendeVorteile.

PSA MulhouseBei PSA in Mulhouse werden Fahr­

zeuge der Marke Peugeot mit Pulver­fuller unterschiedlicher Farben von

insgesamt 22 Durr-Lackierrobotern inzwei Linien beschichtet.

Ferrari MaranelloDa Ferrari seine Fahrzeuge nicht

nur rot lackiert, ist ebenfalls ein FUllermit unterschiedlichen Farben erfor­derlich. Das Material wird als Pulveraufgetragen. Auch in diesem Projektliefert Durr nicht nur Roboter undApplikation, sondern die Komplett­anlage bis hin zum Klarlackauftrag.Zur Prozessabsicherung sind, wiebei den meisten Projekten, Untersu­chungen im Durr Technologiecenterdurchgefuhrt worden (Bild 1).

Fazit

Der Pulvereinsatz in der Automo­bilserienlackierung gewinnt zuneh­mend an Bedeutung, sowohl im Pri­merbereich wie auch in der Klarlack­beschichtung. Moglich gemacht habendies en Wandel unter anderem diezahlreichen Innovationen in der Appli­kationstechnik. Auch eines der groB­ten Probleme der Pulverapplikationin der Automobilserienlackierung, derFarbwechsel, ist technisch und unterwirtschaftlichen Gesichtspunkten ge­lost,

Literatur

/1/ Klemm, 8.; Svejda, P.: VotlautomatischeFittler-Applikation mit Lackierrobotern.JOT3/2002, Vieweg Verlag./2/ Durr; T.: Pulverlackierung: kitrzesteFarbwechselzeiten, exakteDosierung, ganz­heitliche Roboterintegration der Apptikati­onstechnik. 9. DFO Automobil-TagungLuxemburg, 23./24. April 2002./3/ Konned», E.: Pulverbeschichtung vonAutomobilkarossen. JOT 3/2002, ViewegVerlag.

Die Autoren: Siegfried Klemm, Diirr

Systems GmbH, Bietigheim-Bissingen,

Tel. 07142-78-2159;

e-mail: siegfried.klemm@durr.com

Dr.-Ing. Pavel Svejda, Diirr Systems

GmbH, Bietigheim-Bissingen,

Tel. 07142-78-2290;

e-mail: pavel.svejda@durr.com

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