DFO Automobil-Tagung: Wichtige Perspektiven für die Branche

Die European Automotive & Plastic Coating Tagung fand vom 19. bis 20. September in den Veranstaltungsräumen der Firma Fanuc statt. Präsentiert wurde ein strammes Programm von 22 Vorträgen zu vielen aktuellen Themen im Automotive-Sektor.

Die European Automotive & Plastic Coating Tagung fand in diesem Jahr vom 19. bis 20. September in Neuhausen auf den Fildern in den Räumen der Firma Fanuc statt.

Präsentiert wurde ein strammes Programm von 22 Vorträgen zum Thema Automobil. Einen interessanten Blick über den Tellerrand bot ein Vortrag über die automatisierte Positionsbestimmung großflächiger Bauteile in der Lackierkabine, zum Beispiel bei Flugzeugbauteilen. Gerade im Flugzeugbau wird sehr viel manuell lackiert, weil geringe Stückzahlen und vielfältige Geometrien die Automatisierung erschweren. Abhilfe kann der vorgestellte 3D.SwivelScan Sensor schaffen, ein LiDAR-Sensor, der ein kugelförmiges Messvolumen von 30 Metern Durchmesser abdecken kann und dabei in Millimeter- Genauigkeit Positions- und Orientierungsmessungen erlaubt. In der Regel reichen ein bis zwei Sensoren aus, um die gesamte Lackierkabine abdecken zu können. Außerdem ist das Verfahren unempfindlich gegenüber den Reflexionseigenschaften von Materialien und generell der Beleuchtung.

Kein Maskieren für die Nahtabdichtung

Andreas Hilse von VW und Dr. Pawel Svejda von Dürr stellten eine neue, flexible Applikationslösung für die Nahtabdichtung vor, die das manuelle Maskieren und Verstreichen überflüssig machen kann. Einzeln ansteuerbare Düsen erlauben es, die Breite der Naht flexibel zwischen null und maximal 15 mm zu steuern – auch Auslassungen sind präzise möglich. Der empfohlene Applikationsabstand liegt bei bis zu 60 mm, bis 100 mm werden noch gute Ergebnisse erzielt. Der Applikationswinkel liegt bei +/-30°. Die erste Betasite bei VW startete bereits im August 2022, inzwischen sind zwei weitere in Planung.

Herausforderung Zirkularität

Carlo Bouwmeester von Chemetall beschäftigte sich mit dem Thema Zirkularität, auch im Rahmen der kommenden EU-Verordnungen. 1990 bestand ein Automobil nur zu etwa 120 kg aus Kunststoff, dieser Anteil stieg in den nächsten 20 Jahren langsam auf 200 kg an, 2020 lag er dann schon bei 350 kg. Dieser hohe Anteil von lackierten und nicht lackierten Kunststoffen bedeutet für das Recycling und auch den Einsatz recycelter Materialien große Herausforderungen. 2031 will die EU einen Anteil von recyceltem Kunststoff im Fahrzeug von 25 Prozent vorschreiben. Problematisch ist, das Kunststoff-Recycling nach der Beschichtung sichtbare Defekte verursachen kann. Deshalb ging Bouwmeester auf die Möglichkeiten und Notwendigkeiten für die Verwendung von entsprechenden Additiven ein, um die Eigenschaften von recyceltem Kunststoff in Richtung der Qualität von Frischware zu heben.

Molekulares Recycling für Lacke

Ebenfalls Nachhaltigkeit und Zirkularität zum Thema hatte ein weiterer Vortrag. Von 300 Millionen Tonnen an produziertem Plastik weltweit werden 260 Millionen als Abfall entsorgt. Das birgt immense Herausforderungen bezüglich des Recyclings. Bezüglich Farben und Lacken wurden die Randbedingungen skizziert, um Schichtsystemen zu entwickeln, die in Bezug auf Haltbarkeit, chemische Widerstandsfähigkeit, Witterung und Applikation alle Anforderungen erfüllen, und trotzdem über einen hohen Anteil an recycelten Materialien verfügen. Bisher sind Klarlacke zum Beispiel bereits mit einem Anteil von 26 Prozent nachhaltiger Inhaltsstoffe verfügbar, für die nächste Generation sollen unter anderem durch molekulares Recycling schon 51 Prozent machbar sein.

Robuste, mikrobielle Abluftreinigung

Matteo Nees stellte das Lackierkabinen- Abluftreinigungssystem Afotek Clean vor, das mithilfe von biologischer Oxidation die Kabinenabluft in Wasser, Kohlendioxid und Biomasse umwandelt. Auf Basis der zu reinigenden Luftschadstoffe werden die Mikroorganismen direkt für die jeweilige Anwendung gezüchtet, die maximal möglichen Belastungen der Abluft liegen bei bis zu 1,5 gC/m3. Außerdem gilt, je höher die Ablufttemperatur, desto geringer der Energiebedarf. Trotz der Mikroorganismen ist das System laut Nees robust und übersteht auch eine kurzzeitige Überschreitung der optimalen Betriebsparameter. Auch Unterbrechungen in der Abluftversorgung sind in gewissen Grenzen möglich. Die Energiekosten liegen bei etwa 10 kW/h, Volumenströme bis 7,5 m3/h sind bisher umsetzbar.

Green Deal – eine konstruktive Betrachtung

Das Thema Green Deal und die daraus folgende verordnete Klimaneutralität bis 2050 verlangt die Umstellung auf regenerative Energien und eine signifikante Steigerung der Ressourceneffizienz sowie einer Zero-Emission-Produktionstechnik. Laut Dr. Matthias Harsch von der Firma LCS Life Cycle Simulation lag 2021 der Preis bei 25 Euro pro Tonne CO2 in Deutschland, bis 2025 ist von bis zu 55 Euro pro Tonne auszugehen. Bestimmte Organisationen fordern bis 2030 sogar Preise von über 70 Euro pro Tonne. Wie lässt sich also die CO2-Bilanz verbessern? Schon die Umstellung von einem Standard Strommix (Deutschland) hin zu einem regenerativen Strommix kann den Wert für das CO2-Äquivalent in Kilogramm pro Kilowattstunde von 0,5 nahezu auf Null absenken.

Weitere Praxisbeispiele veranschaulichten den Primär-Energiebedarf unterschiedlicher Prozesse in der Lackiererei. Dabei wurde deutlich, dass der Energiebedarf für die jeweiligen Prozesse teilweise vielfach über dem Energiebedarf für die Herstellung des Beschichtungsmaterials liegen. Von daher besteht hier großes Potenzial, den CO2-Fuß-Abdruck zu reduzieren. Harsch betont, dass jedes Unternehmen vom EU Green Deal betroffen sein wird und es entscheidend ist, frühzeitig den eigenen Standpunkt in der Wertschöpfungskette zu erarbeiten – nicht zuletzt, um das daraus resultierende wirtschaftliche Potenzial für Optimierungen zu nutzen. So sieht Harsch ein sinnvolles Ziel darin, den Umluft Anteil in Lackierkabinen auf 95 Prozent zu erhöhen. Insgesamt rät er, den Fokus auf die Schließung von Kreisläufen und die Emissionsvermeidung zu legen. Sein Resümee: Ökologie und Ökonomie gemeinsam zu betrachten schafft einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil. Hochinteressant und ausgesprochen dynamisch verlief die Podiumsdiskussion zum Thema Nachhaltigkeit – Lösemittel oder Wasserlack – was ist besser?

Auch wenn dabei im Vergleich zu früheren Diskussionsrunden nicht wirklich viele neue Argumente auf den Tisch kamen, so wurde doch deutlich, dass diesbezüglich vor allem in der Vergangenheit in vielen Fällen keine sehr objektive Entscheidung getroffen wurde. Humorig und doch sehr wahr ist die Erkenntnis, dass ein ganz entscheidender Nachteil aller Lösemittellacke gegenüber dem Wasserlack der Name an sich ist.

Diskussion: Lösemittel- oder Wasserlack?

Schon der Begriff Lösemittellack suggeriert der öffentlichen Meinung, dass es sich um ein prinzipiell umwelt- und gesundheitsgefährdendes Produkt handelt. Wohingegen Wasserlack in höchstem Maße natürlich und unschädlich klingt. Das wiederum wissen alle Fachleute, ist definitiv nicht so, denn der Anteil von Lösemitteln und anderen Chemikalien in einem Wasser-Basislack ist alles andere als homöopathisch. Auch wenn pauschale Aussagen zu dieser Grundsatzfrage wenig sinnvoll sind, so wurde deutlich, dass die Appearance von Lösemittellacken in den letzten Jahren deutlich verbessert wurde und gerade für die Lackierung von Kunststoffanbauteilen Lösemittel-Lacke häufiger eine sinnvolle Wahl wären, als sie tatsächlich verwendet werden.

In Richtung des Green Deal ist jedoch zu bedenken, dass auch wenn die Abluft einer Lösemittelanlage mit Nachverbrennung möglicherweise sauberer ist als bei einer Wasserbasislackierung, die dadurch umgesetzte CO2-Menge auf die Bilanz schlägt.

Digitalisierung des Farbqualitäts-Managements

Carlos Vignolo und Christoph Schulte referierten über die Vorteile der Digitalisierung des Farbqualitäts-Managements. Hier bietet BASF drei wichtige Werkzeuge an. Für die Designphase steht das Tool Auroom zur Verfügung, dass es erlaubt, einen Farbton virtuell mit den entsprechenden Anforderungen fotorealistisch inklusive Textur und Effekten zu entwickeln. Dann folgt das „Color Testing“ und die Entwicklung des sogenannten „Feasible Color Target“, also eines realen Lackes, der dem Design-Wunsch möglichst nahekommt. Für diese beiden Schritte steht die Software „ColorCare Evolution“ zur Verfügung. Bei der Einführung in die Serienproduktion steht mit dem „Color Linie Monitor“ (CoLiMo) ein digitales Werkzeug zur Verfügung, um die Ergebnisse der Lackierlinie in Echtzeit zu bewerten. Damit kann Farbe und Farbharmonie zwischen Anbauteilen und Karosserie verbessert und die Konsistenz zwischen einzelnen Farblosen verbessert werden.

Digitale Farbtonfreigabe statt visueller Beurteilung

„Farbe über Messwerte freizugeben funktioniert nicht!“, war die allgemeine Stimmung, als bei Merck 2017 das Projekt zur Digitalisierungsautomatisierung in der Qualitätskontrolle gestartet wurde, bei dem der Übergang von einer visuellen Beurteilung zu einer verlässlichen digitalen Farbtonfreigabe entwickelt werden sollte. Trotzdem wurde das Projekt in Angriff genommen und erfolgreich abgeschlossen. Hierfür wurde eine Anlage aufgebaut, die die komplexen Prozessschritte analog zum manuellen Originalprozess nachbildete, ein Dateninterface erlaubt die Live-Datenverwertung.

Um den digitalisierten Prozess zu validieren, wurden über einen gewissen Zeitraum beide Prozesse parallel betrieben. Nach dem Wechsel auf den Digitalisierten Prozess sank die Arbeitslast auf ein Viertel, die Streuung um 20 Prozent und das Konfidenzinterwall um 40 Prozent. Letzeres kann als Maß für die Güte der Daten gelten. Entscheidend für den Erfolg war auch, dass ein Weg gefunden wurde, die gefundenen Werte als „visuell akzeptabel“ oder „visuell abgelehnt“ abgrenzen zu können. Die sonst standardmäßig verwendeten CIELab-Werte erlauben in dem Fall keine direkte Einschätzung, ob die Spezifikationen erfüllt werden oder nicht. Durch Ellipsoide hingegen lassen sich die visuellen Eindrücke gut beschreiben und eine Transformation in den DIN 990-Farbraum brachte die Lösung.

Die Ergebnisse wurden über Datenmesswerte der letzten vier Jahren mit über 10.000 Datensätzen verifiziert. Inzwischen wird der gesamte Farbraum abgedeckt und 18 Pigmente sind bereits nach der DIN 990 freigegeben. Da verwundert es nicht, dass sich die anfängliche Skepsis ins Gegenteil verkehrt hat, denn jetzt sind auch Mitarbeiter mit weniger Erfahrung in der Lage, Proben freizugeben, während die Arbeitsbelastung durch Routinetätigkeiten gesunken ist.

pAInt-Behavior: KI für Lackieranlagen

Ziel des Projektes, das Dr. Oliver Tiedje und Dr. Meiko Hecker von AOM Systems durchgeführt haben, war es, anhand der Prozessdaten mit einem Verhaltensmodell die Güte der Applikation vorherzusagen, um Fehler im Prozess automatisiert erkennen und zuordnen zu können. Dabei ist die Farbe einer Beschichtung der Fehler mit dem kritischsten Behebungsaufwand, hierfür wurden Farbmessdaten aus dem Programm „Color- Care“ von BASF verwendet. Zusätzlich zu den Daten der Anlagensteuerung wurde die Schichtdicke gemessen sowie eine visuelle Kontrolle durchgeführt. Ein entscheidender Aspekt war dabei die Sprayvermessung. Nur dadurch war es möglich, die Auswirkungen von Änderungen der Prozessparameter unmittelbar zu erfassen und zuzuordnen.

Erst dadurch ist eine Prozesssteuerung des Sprühstrahls möglich, indem durch die Nutzung von Wahrscheinlichkeitsmodellen und Deep-Learning-Ansätzen entscheidende hochkomplexe Kausalzusammenhänge der einzelnen Prozessparameter von der Tröpfchengröße über die Homogenität des Sprühkegels bis zum Overspray hergestellt werden können. So können auch Fehler und ihre Auswirkungen getestet werden – von Luft in der Leitung bis hin zu Defekten an der Glocke, Drehzahlabweichungen, verschmutzten Luftdüsen oder Materialabweichungen. Gleichzeitig konnte der Einfluss der Fehler quantifiziert werden. Alles in allem ein vielversprechendes Projekt, um mehr Berechenbarkeit in automatisierte Beschichtungsprozesses zu bringen.

Dünnschichtvorbehandlung

Die Dünnschichtvorbehandlung im Automobilbau verspricht durch niedrigere Temperaturen, Nickelfreiheit, Schlammfreiheit und einen reduzierten Wasser- und Energieverbrauch zusammen mit weniger Wartung und reduzierten Prozessschritten Kosteneinsparungen von etwa 20 Prozent.

Bei Volvo (VCC) begann der erste Linienversuch bereits 2015. Bisher zeigen die bei VCC gemachten Untersuchungen, dass Problemstellungen bei unbeschichteten Stahl bestehen, bei Guss-Aluminium und bei der Zink-Magnesium-Korrosion. Deutlich wurde, dass eine Vorbehandlung die für eine klassische Phosphatierung ausgelegt ist, nicht die notwendigen Voraussetzungen für eine haltbare Dünnschichtvorbehandlung schaffen kann. So war die Haftfestigkeit auf ZM mit den bisherigen in der Produktion verwendeten Reinigern sehr schwach. Mittels Auffrischungsraten von 40 Prozent und einer pH-Wert Steuerung auf 11-11,5 ließ sich das Ergebnis allerdings deutlich verbessern. Bezüglich Zink-Magnesium zeigte sich außerdem, dass es schwierig ist, eine vollständige Benetzbarkeit zu erzielen, zugleich korrelieren die Ätzraten nicht mit der Benetzbarkeit. FTIR-Ergebnisse zeigen außerdem, dass nach der Reinigung häufig organische Filme auf der Oberfläche zurückbleiben. Eine weitere Problematik ist das Eindringen von Schmiermitteln aus dem Karosseriebau in Hohlräume der Oberfläche.

Auf Basis dieser Erkenntnisse begann die Entwicklung eines optimierten Reinigers, mit dem es auch effizienter möglich sein soll, Magnesium von der Oberfläche zu entfernen. Bei VCC geht man davon aus, dass es mit einem entsprechenden Reinigersystem möglich sein wird, die Dünnschichtvorbehandlung bei VCC zum Standard zu machen – die erste Linie soll 2024 den Serienbetrieb starten.

Elektronenstrahlen: Bessere Oberflächen für SMC-Bauteile

SMC-Bauteile werden aus vorimprägierten, fließfähigen Harzmatten hergestellt, die im Vergleich zu Metallen sehr hohe Umformgrade ermöglichen. Bei der Vernetzung kann aus ökonomischen Gründen jedoch nur eine etwa 80-prozentige Durchhärtung erreicht werden, woraus Inhomogenitäten resultieren und nicht ausreagierte Harze vorhanden sind. Außerdem kann die Randschicht nicht stabil genug sein, um bei Erwärmung Gasblasen zurückzuhalten. Kommt es dadurch zu Oberflächendefekten, bleibt in der Regel nur manuelle Nacharbeit.

Uwe Gohs von Asis und Michael Liese von Polynt stellten das Härten von SMC Bauteilen mit Elektronenstrahlen vor, wodurch es zu einer vollständig vernetzten SMC-Randschicht mit ausreichender Dicke kommt, so das Störungen aus den inneren Bereichen des Bauteils die Lackierung nicht mehr beschädigen können. In der Randschicht existiert dann keine Restendtherapie mehr, der Kontaktwinkel auf der Oberfläche ist < 80°, woraus eine gute Benetzung folgt und die Oberflächenrauheit ist reduziert.

Eine Integration in Fertigungslinien ist per Roboter möglich, die Oberflächenbehandlungsrate steigt weitgehend proportional zur Strahlleistung, so sind zum Beispiel bei 4 kW Strahlleistung 4 m²/min möglich.

Dekorative Oberflächen für additive Bauteile

So vielseitig 3D-gedruckte Bauteile sind – sie weisen eine raue, wellige Oberfläche auf und erfordern zumeist mechanische Bearbeitungsprozesse oder eine anderweitige Nachbehandlung, um eine glatte, lackierfähige Oberfläche zu erreichen.

Yvonne Kowalik vom Fraunhofer IFAM stellte zusammen mit Dr. Fabian Seeler vom IPA in zwei Vorträgen das Ergebnis eines Gemeinschaftsprojektes der beiden Forschungsinstitute mit der DFO vor, bei dem durch die Entwicklung eines speziellen Lacksystems eine Einebnung der Oberfläche von additiv gefertigten Bauteilen erreicht werden sollte. Dafür wurden zunächst verschiedene 3D-gedruckte Kunststoffe in Bezug auf ihre Welligkeit und Rauheitswerte untersucht. Es zeigte sich, dass um eine einebnende Schicht zu erreichen, eine starke Strukturviskosität mit starkem thixotropen Verhalten notwendig ist: der „inverse Marangoni-Effekt“.

Der Marangoni-Effekt entsteht durch Oberflächenspannungsgradienten, die durch unterschiedliche Konzentrationen von Lösemitteln, Tensiden oder durch Temperaturunterschiede verursacht werden. Dabei entsteht eine Strömung von den Bereichen niedrigerer Oberflächenspannungen zu Bereichen mit höheren Oberflächenspannungen. Das lässt sich zum Beispiel an einem Weinglas beobachten, wenn in einem Bereich durch die Verdunstung von Alkohol die Oberflächenspannung steigt und es in der Folge zu einem scheinbar nicht zu erklärenden Hinauffließen von Wein am Weinglas kommt. Dieser Effekt ist auch bei Lacken vorhanden und sorgt für eine Verstärkung der Abbildung der Untergrundstruktur an der Lackoberfläche.

Ein Lack mit inversem Marangoni-Effekt hingegen lässt Lack von den Bergen der Struktur zurück in die Substrattäler fließen und kaschiert so die Substratstruktur. Mittels Simulationen gelang es, die Lackzusammensetzung soweit zu optimieren, dass eine deutliche Einebnung bei einem realitätsnahen Klarlack im Versuch zweifelsfrei nachgewiesen werden konnte. Im Rahmen des Projektes zeigte sich auch, dass eine geeignete Laservorbehandlung zusätzlich sehr helfen kann, die Rauheit zu verringern.

Zirkuläre Metalloberflächen

Dr. Felix Heinzler von BIA beschäftigte sich mit der Umsetzung der Zirkularität im Bereich von Metalloberflächen für Dekoranwendungen und präsentierte praktische Erfahrungen aus der Qualifizierung von Bauteilen mit kommerziellen ABS-Rezyklaten für Galvanik Anwendungen. Die möglichen Rezyklat-Anteile schwanken bisher noch je nach Einsatzzweck, so ist bei glänzenden Bauteilen ein maximaler Rezyklat-Anteil von 30 Prozent möglich, bei matten Bauteilen sind bis zu 100 Prozent möglich.

Bei der Kombination mit der BIA Ambient-Light- Technologie sind ebenfalls nur 30 Prozent Rezyklat umsetzbar, bei der Touchfunktion dagegen 100 Prozent. Derzeit befinden sich die entsprechenden Prozesse in der Qualifikation für die Serienanwendung. Im Ergebnis zeigte Heinzler, dass galvanisierte Kunststoffe vollständig zirkulär genutzt werden können und dass die Rückgewinnung von Metallen und Kunststoffen ohne Downcycling möglich ist.

Kompakte, hoch flexible Lackiereranlage

Zum Abschluss der Veranstaltung stellte Stefan Thiel von Rippert mit einigen Anwendungen der Smart-Compact-Painting-Line ein interessantes, sehr flexibles Lackieranlagen Konzept vor, bei dem ein Roboter das Bauteilhandling übernimmt und diese durch die entsprechenden Stationen von Vorbehandlung bis Lackierung und Trocknung taktet.

Der Vorteil ist ein sehr kompakter Aufbau, der auch bei Produktveränderungen relativ flexibel angepasst werden kann. Insbesondere ist auch kein aufwändiger Stahlbau wie bei einer konventionellen, linear aufgebauten Lackierlinie notwendig. Gerade bei nicht zu großen Stückzahlen und der Notwendigkeit, sich schnell auch an stark verändernde Bauteilgeometrien anpassen zu müssen, spielt dieses Konzept seine Vorzüge aus.

Weitere Vortragsthemen waren die Energieeinsparungen bei einer Power-Wash-Anlage durch Niedrigtemperatur-Spritzreiniger, außerdem das Lösemittelrecycling von Spülmedien in Lackieranlagen, sowie die sichere Verwendung von Isocyanaten. Auch eine der großen Herausforderungen bei der Transformation hin zu batterieelektrischen Fahrzeugen, die Brandschutzbeschichtung für batterieelektrische Fahrzeuge und Wasserstofftanks sowie Low-Bake-Sealer wurden adressiert.

Insgesamt bot die diesjährige Veranstaltung einen interessanten Mix aus unmittelbar praxisrelevanten Themen und Forschungsergebnissen. Die Veranstaltungsräume bei Fanuc, in denen Automatisierungsthemen ausgestellt waren, boten eine sehr passende und interessante Kulisse für die Veranstaltung.

CB