Hochspannungs-Elektrostatik-Spritzroboter finden breite Anwendung in der Automobillackierung. Ein zentrales technisches Kriterium zur Leistungsbeurteilung ist die Übertragungseffizienz beim Spritzen. Aktuell leidet die Lackierung von Stoßfängerteilen aus Kunststoff unter der geringen Leitfähigkeit des Materials und unregelmäßigen Formen, was zu schlechter Haftung der Beschichtung und Materialverlusten führt. Ausgehend von praktischen Verbesserungen und Anwendungen in der Produktion definiert und misst dieser Artikel die Übertragungseffizienz beim elektrostatischen Spritzen von Kunststoffteilen, untersucht fortschrittliche Elektrostatik-Spritztechnologien und wichtige technische Parameter der Automobilindustrie und identifiziert Schlüsseltechnologien und Optimierungsmethoden zur Verbesserung der Übertragungseffizienz. Abschließend werden Vorschläge für den Aufbau einer ressourcenschonenden und umweltfreundlichen Gesellschaft unterbreitet.

Schlüsselwörter: Hochspannungselektrostatisches Sprühen, Übertragungseffizienz, Stoßfänger-Harzteile

Roboter sind ein prioritärer Entwicklungsbereich, der in „Made in China 2025“ identifiziert wurde. In der Beschichtungsindustrie haben sich elektrostatische Sprühroboter im Vergleich zu herkömmlichen Sprühgeräten nach und nach zu einem der am weitesten verbreiteten Industrieroboter entwickelt – insbesondere in der Automobilproduktion –, da sie den Lackverbrauch effektiv reduzieren, die Abfallemissionen senken und die Produktionskosten verringern können.

01 Elektrostatische Rotationsbecher-Sprühmethode;

Die robotergestützte elektrostatische Spritztechnik ist ein effizientes Verfahren, das auf dem Prinzip der Abstoßung gleichnamiger und der Anziehung ungleichnamiger Ladungen beruht. Das zu beschichtende Werkstück ist geerdet und dient als Anode, während die Spritzpistolendüse unter negativer Hochspannung steht. Beim Durchgang durch die Pistole laden sich die Lackpartikel auf und bewegen sich im elektrostatischen Hochspannungsfeld zur entgegengesetzt geladenen Werkstückoberfläche, wo sie sich anhaften und eine gleichmäßige Beschichtung bilden.

02 Prinzip der elektrostatischen Rotationsbecherzerstäubung und Zusammensetzung der Ausrüstung;

Um Oberflächenglanz bei Automobilen zu gewährleisten und die Übertragungseffizienz zu verbessern, hat die Automobillackierindustrie kürzlich einen neuen universellen elektrostatischen Rotationsbecher-Spritzroboter entwickelt. Durch die Steuerung wichtiger Parameter während des Spritzvorgangs erzielt er sowohl eine hohe Dekorqualität als auch eine hohe Übertragungseffizienz. Die Hochgeschwindigkeitsrotation zerstäubt den Lack in feine Partikel, die durch elektrostatische Kräfte an der Werkstückoberfläche haften bleiben. Im Vergleich zum Spritzen mit Druckluft lässt sich die Übertragungseffizienz dadurch deutlich steigern. Ein elektrostatischer Rotationsbecher-Spritzroboter besteht im Wesentlichen aus dem rotierenden Zerstäubungskopf (Becher), einem Hochgeschwindigkeits-Drehlager (Luftmotor), einer Lackdüse (Zufuhrleitung), einer Drucklufteinheit zur Steuerung des Spritzbildes, einem Hochspannungsgenerator usw. Die Spritzbewegungen werden typischerweise präzise von Sechs-Achs-Robotern gesteuert und eignen sich für große und komplex geformte Werkstücke.

03 Messmethode für die Übertragungseffizienz;

Die Übertragungseffizienz ist ein zentraler technischer Indikator zur Bewertung der Leistung von statischen Spritzrobotern. Sie beschreibt das Verhältnis der tatsächlich am Werkstück haftenden Farbe zur im Spritzprozess verwendeten Farbe. Die Messung der Übertragungseffizienz bei Stoßfängerteilen wird durch Messgeräte und Umgebungsbedingungen beeinflusst, was zu erheblichen Abweichungen unter verschiedenen Bedingungen führt. Die Berechnungsformel lautet:

Übertragungseffizienz = (Gewicht des getrockneten Beschichtungsfilms auf dem Werkstück (B − A) g / Menge der verwendeten Farbe C g × Verdünnung NV) × 100

Einzelne Messungen der Übertragungseffizienz bei Harzteilen können variieren; typischerweise werden 3–5 Messungen durchgeführt und der Mittelwert des Ergebnisses wird verwendet, um die typische Sprüheffizienz für das Produkt zu bestimmen.

3.1 Aktueller Stand der Transfereffizienz;

Moderne Autolackierereien im In- und Ausland – wie beispielsweise Mercedes-Benz, Volkswagen, Great Wall und Geely – setzen häufig auf ABB RobotBe1951 Rotationsbecher-Elektrostatikspritzroboter mit variabler Fächerbreite. Die Kombination von Produktionsdaten und Labortests zum Vergleich der Übertragungseffizienz von Rotationsbecher-Elektrostatikpistolen ergab, dass die Übertragungseffizienz bei gleichen Anlagenparametern für Karosserien und Kunststoffstoßfänger deutlich variiert.

04 Faktoren, die die Übertragungseffizienz von Harzpuffern beeinflussen, und Wege zur Verbesserung

4.1 Erdungszustand des Werkstücks;

Das elektrostatische Sprühen basiert auf elektrostatischer Anziehung: Das geerdete Werkstück dient als positive Elektrode, während der Farbzerstäuber (Sprühbecher oder -scheibe) an eine hohe negative Spannung angeschlossen ist. Die Qualität der Werkstückerdung beeinflusst die Sprüheffizienz maßgeblich. In der Fertigung führt eine mangelhafte Erdung häufig zu Oberflächenfehlern und einer unbefriedigenden Qualitätswahrnehmung.

Da eine mangelhafte Erdung die Übertragungseffizienz von Harzpuffern erheblich beeinträchtigt, muss der Erdungszustand der Pufferbauteile bei der Prozessentwicklung umfassend berücksichtigt werden, um eine gute Erdung zu gewährleisten. Typischerweise werden leitfähige Klemmen oder Platten verwendet, um Kunststoffpuffer mit Vorrichtungen zu verbinden und so die Übertragungseffizienz zu verbessern. Der Zustand der Klemmen oder Platten sollte während der Produktion regelmäßig überwacht und bei Bedarf Widerstandsmessungen durchgeführt werden, um eine ordnungsgemäße Erdung sicherzustellen. In einigen Werken werden aufgrund der umständlichen manuellen Anbringung von Erdungsklemmen automatisierte Lösungen wie das Roboternieten eingeführt. Diese gewährleisten die Erdung und reduzieren den manuellen Arbeitsaufwand, wodurch die Automatisierung verbessert und gleichzeitig die Qualität erhalten bleibt.

4.2 Wichtigste technische Parameter

Bei der Optimierung der Spritzparameter liegt das Ziel darin, ein gleichmäßiges Erscheinungsbild der Harzteile – also eine konsistente Schichtdicke – zu gewährleisten und gleichzeitig die Produktionsvorgaben und die Anforderungen an die Übertragungseffizienz zu erfüllen. Die wichtigsten Parameter, die die Übertragungseffizienz beim elektrostatischen Rotationsbecherspritzen beeinflussen, sind: Hochspannungs-Elektrostatikdruck, Spritzpistolenabstand, Spritzpistolengeschwindigkeit, Gebläsedruck, Volumenstrom (Ausstoß) und Gebläsebreite – sechs kritische technische Kennzahlen.

Bei der Optimierung dieser Parameter zur Steigerung der Übertragungsrate sollten sie gemeinsam und nicht einzeln betrachtet werden. Beispielsweise erhöht eine höhere elektrostatische Spannung im Allgemeinen die Übertragungseffizienz. Da Harzpuffer jedoch eine geringe Leitfähigkeit aufweisen, kann eine Erhöhung der Spannung zu einem zu hohen Strom zwischen Pistole und Puffer führen, was Entladungsgefahren birgt. Typischerweise liegt die elektrostatische Hochspannungseinstellung für Harzpuffer bei etwa −60 kV. Tests zur Übertragungsrate unter verschiedenen Kombinationen der sechs Parameter zeigen, dass die effektivste Methode zur Verbesserung der Übertragungseffizienz – bei gleichbleibender Spannung, Geschwindigkeit und Distanz – die Optimierung von drei Parametern ist: Lüfterbreite, Lüfterluftdruck und Durchflussrate. Ein hoher Lüfterluftdruck erzeugt Wirbel auf der Pufferoberfläche, die Lackpartikel in die Luft verteilen und so die Übertragungseffizienz verringern (siehe Abbildung 4). Die Reduzierung des Lüfterluftdrucks sollte daher Priorität haben.

4.3 Trajektorienoptimierung für Kanten und Öffnungen;

Gängige Spritzpistolenmodelle eignen sich hauptsächlich für das senkrechte Spritzen. Bei der Planung von Spritzbahnen für Stoßfängeroberflächen mit unregelmäßigen Kantengeometrien müssen neben dem Spritzneigungswinkel auch Spritzhöhe, Spritzbreite und Spritzpistolengeschwindigkeit sowie weitere steuerbare Parameter berücksichtigt werden. Die Vernachlässigung gekrümmter Begrenzungsformen bei der Planung der Spritzbahn führt zu Sprühnebel. Verbesserungen des Neigungswinkels und der Positionierung des Spritzpunkts (siehe Abbildung 5) können die Übertragungseffizienz in Öffnungsbereichen deutlich erhöhen und gleichzeitig die Schichtdickenqualität erhalten. Die Schichtdickenverteilung bei einem Neigungswinkel von 40° ist in Abbildung 6 dargestellt.

Beim Besprühen von Kanten ist die Ein-/Ausschaltverzögerung der Spritzpistole zu berücksichtigen. Die Sprühstrahlgestaltung sollte die Reichweite der Pistole berücksichtigen und häufige Ein-/Ausschaltzyklen minimieren, um Verzögerungseffekte zu reduzieren und dadurch die Übertragungseffizienz zu verbessern.

4.4 Leitfähigkeit der Farbe

In der Produktion beeinflussen Unterschiede in der Leitfähigkeit von Lacken die Spritzeffizienz und die Beschichtungsqualität maßgeblich. Die Leitfähigkeit hängt von der Trockenfilmleitfähigkeit des Lacks selbst und der Trockenfilmdicke der Grundierung ab. Dickere Beschichtungen erhöhen die Leitfähigkeit und verbessern somit die Effizienz des elektrostatischen Spritzens; dickere Grundierungsschichten erhöhen jedoch die Produktionskosten und das Risiko von Läufern. Daher ist es entscheidend, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wirtschaftlichkeit und Qualität zu finden.

05 Schlussfolgerung

Angesichts des rasanten Wachstums der Automobilindustrie müssen sowohl die Anforderungen an Optik und Schichtdicke als auch die Produktionskosten berücksichtigt werden. Die Verbesserung der Übertragungseffizienz beim Spritzlackieren ist eine der effektivsten technischen Maßnahmen, um Ressourcen zu schonen, Kosten zu senken, Emissionen gefährlicher Abfälle zu reduzieren und Umweltstandards zu erfüllen. Beispielsweise würde eine Steigerung der Übertragungseffizienz um 20 % bei einer Produktionslinie mit einer Jahreskapazität von 100.000 Sätzen lackierter Kunststoffteile, bei der die Lackkosten etwa 70 % der Materialkosten ausmachen und die Stückkosten 300 CNY betragen, allein bei den Lackkosten Einsparungen von ca. 6 Millionen CNY pro Jahr ermöglichen – ohne Berücksichtigung der Kosten für die VOC-Behandlung. Dies ist von großer Bedeutung für die Kostenreduzierung und Effizienzsteigerung.