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16 june 2016 | La Revue POLYTECHNIQUE | Uncategorized

Der Kreis hat sich geschlossen

Die Wagner-Geräte verfügen schon länger über eine hochgenaue Dosierungsautomatik, bei der die Luftmenge zur Pulverförderung in den Spritzpistolen permanent gemessen und gegebenenfalls korrigiert wird. Dadurch lassen sich dauerhaft konstante Werte sicherstellen. Aber, wie überprüft man verlässlich, dass diese Werte auch zu der gewünschten Schichtdicke führen?
Die Winterthur Instruments AG kennt schon lange das Bedürfnis ihrer Kunden, dauerhaft eine konstante Sollschichtdicke in möglichst engen Toleranzgrenzen realisieren zu können. Denn bisher war eine konstante Schichtdicke, bei der weder zu viel noch zu wenig Beschichtungsmaterial aufgetragen wurde, mehr oder weniger ein Zufallstreffer.
Die Qualitätsziele für eine gute Beschichtung sind klar, wenn es auch aufgrund mangelnder Prüfmethoden manchmal schwierig ist, sie zu spezifizieren:
  • Es soll kein Ausschuss produziert werden.
  • Die Schichtdicke muss sich innerhalb eines bestimmten Toleranzfensters befinden.
  • Die erreichte Schichtdicke soll nachgemessen werden. Allerdings ist oft nicht spezifiziert, wo und wie oft auf einer Probe gemessen werden soll. Aufgrund fehlender Messschablonen kann man zudem nicht sicherstellen, dass immer an den gleichen Stellen auf einem Werkstück gemessen wird.
 
Beschichtungsvorgang nach voreingestellten Prozessparametern. (Quelle: Winterthur Instruments)

 

Unter- beziehungsweise Überbeschichtung
Bisher wurde die Schichtdicke manuell meistens magnetinduktiv gemessen. Zwischen dem Auftragen der Beschichtung und dem Messvorgang können allerdings einige Stunden vergehen, da der Pulverlack vorher noch im Ofen einzubrennen ist und danach noch etwas abkühlen muss, um das Messgerät beim Aufsetzen nicht zu beschädigen.
Wird dann beim Nachmessen einer Stichprobe eine Abweichung nach unten festgestellt, sind wahrscheinlich schon eine Reihe von Bauteilen mit Unterbeschichtung produziert worden. Dies lässt sich allerdings schlecht nachvollziehen und im Nachhinein höchstens mit sehr viel Aufwand korrigieren. Wird beim Nachmessen einer Stichprobe eine Abweichung nach oben festgestellt, ist vermutlich über einen längeren Zeitraum zu viel Pulver appliziert und damit Material verschwendet worden. Auch dies kann nicht mehr rückgängig gemacht werden. Zu dicke Beschichtungen werden allerdings häufig in Kauf genommen, denn eine Unterbeschichtung, und damit mangelnde Qualität, soll auf jeden Fall verhindert werden. Diese Strategie führt jedoch auch dazu, dass permanent zu hohe Materialkosten anfallen.
In Tabelle 1 verdeutlicht ein Rechenbeispiel mit Durchschnittswerten wie stark sich die Kosten für eine dauerhafte Überbeschichtung aufsummieren beziehungsweise wie viel Einsparpotential eine lückenlose Schichtdickenüberwachung bietet. Um diese Einsparungen zu realisieren, braucht man allerdings ein schnelles Messsystem, das vor dem Einbrennen am laufenden Förderband misst und das aufgrund der gemessenen Schichtdicken im nassen Zustand die Schichtdicken nach der Trocknung vorhersagen kann: das neue «CoatMaster»-Messsystem. Sind diese Voraussetzungen nun erfüllt, hat man einen grossen Schritt in die Zukunft der Pulverbeschichtung ganz im Sinne der Industrie 4.0 gemacht: Es entsteht eine Pulverbeschichtungsanlage, die sich selbst regelt.
 
Tabelle 1: Jährliche Ersparnis in Euro. Annahmen: Pulverpreis 5 Euro/kg, spezifisches Gewicht 1,5 g/cm3. (Quelle: Winterthur Instruments)
   

Wie funktioniert der Messvorgang?
Zunächst wird das «CoatMaster»-Messsystem auf die zu erwartenden Schichtdicken kalibriert. Dann werden über die Anlagensteuerung die Sollschichtdicke und die dazugehörigen Toleranzgrenzen definiert und die Spritzpistolen in der Anlage entsprechend eingestellt. Die Probe wird nun in der Lackierkabine beschichtet.
Direkt am Kabinenausgang ist der Messkopf des Messsystems montiert. Er misst die applizierte Schichtdicke direkt nach dem Auftragen, und zwar berührungslos und zerstörungsfrei. Dabei erwärmt ein Lichtimpuls die zu messende Oberfläche. Ein Infrarotsensor zeichnet den resultierenden Temperaturverlauf der Oberfläche auf. Die Oberflächentemperatur klingt mit einer charakteristischen Dynamik ab, die von der Schichtdicke und den thermischen Eigenschaften der Beschichtung abhängt. Speziell entwickelte Algorithmen analysieren den dynamischen Temperaturverlauf auf der Oberfläche und ermitteln die Schichtdicke quantitativ und reproduzierbar.
Sobald der vom Messsystem gemessene Istwert der Schichtdicke über die engen Toleranzgrenzen hinaus vom vordefinierten Sollwert abweicht, werden die Prozessparameter über die Anlagensteuerung nachgeregelt. So wird zum Beispiel die Pulvermenge über die Förderluft in den Spritzpistolen korrigiert, und die fehlerhaften Bauteile werden automatisch fü̈r eine Nacharbeit kodiert.
Danach wird ein erneuter Beschichtungsprozess gefahren, und die Schichtdicke wird wieder direkt nach dem Auftragen mit dem «CoatMaster»-Messsystem gemessen. Die vordefinierte Sollschichtdicke wird nun exakt bis auf den µm genau eingehalten.
 
 
Korrektur der voreingestellten Prozessparameter. (Quelle: Winterthur Instruments)

Mikrometergenaue Übereinstimmung von Soll- und Ist-Schichtdicken. (Quelle: Winterthur Instruments)

 

Messergebnisse jederzeit ersichtlich
Die Messergebnisse sind jederzeit auf dem Bildschirm der Anlagensteuerung ersichtlich, können aber auch überall auf dem Werksgelände mit einem PC, einem Tablet oder einem Smartphone abgerufen werden. Damit sind die zentralen Herausforderungen an die Pulverbeschichtungsanlagen von heute gemeistert:
  • Materialeinsparung durch Vermeiden von Überbeschichtung
  • Verbesserte Oberflächenqualität
  • Vermeiden von Ausschuss
  • Kompromisslose Qualitätskontrolle und Prozessstabilität durch Nachregelung und Überwachung
  • 100%-Kontrolle aller Werkstücke anstelle von sporadischen Kontrollen einzelner Bleche
  • Sofortiges Erkennen von Anlagenstörungen
  • Prozessnachweis durch lückenlose Teiledokumentation
 
Dieser Beitrag beruht auf einem Artikel, der am 16. Januar 2015 in der Fachzeitung «besser lackieren.» (www.besserlackieren.de) erschienen ist.
 
J. Wagner GmbH
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www.wagner-group.com
 
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