Die neue Infrarottechnik ermöglicht interessante Effektivitätssteigerungen

Dr. Peter John
2011

Mit keramikbeschichteten STIR®-Strahlern (Selektives Transformiertes InfraRot) wird ein Infrarot erzeugt, das dem Absorptionsvermögen der OH-Gruppen im nassen Lack, sowie den CH-Gruppen in verschiedenen Lösungsmitteln- bzw. in Pulverlacken und Kunststoffen weitgehend entspricht. Damit kann die Trocknung, Erwärmung oder Vernetzung gegenüber den derzeit eingesetzten Techniken ohne Qualitätsminderung beschleunigt werden.

Vergleich Emission – Absorption herkömmlicher Infrarotstrahlung

Typische Emission von Infrarot-Hellstrahlern und typische Absorption von Kunststoffen
Bild 1: Typische Emission von Hellstrahlern und typische Absorption von Kunststoffen

Dieses Bild zeigt, dass die Strahlung der derzeit meist eingesetzten Infrarot-Hellstrahler z.B. von Kunststoff nur unzureichend erfasst wird, da die Emission des Strahlers und Absorption des Kunststoffes nur einen geringen Übereinstimmungsgrad haben. Dadurch bleibt ein großer Teil der erzeugten Strahlung und damit der eingesetzten Energie wirkungslos. Eine absorptionskonforme Strahlung gibt Energie in Wellenlängen ab, die für die Bearbeitung benötigt werden und ermöglicht so kürzere Bearbeitungszeiten bei weniger Energieaufwand. Entsprechendes gilt für alle Prozesse, die auf das Erwärmen (Verformen, Vernetzen, Pulverlackieren, Laminieren, Kaschieren, Vulkanisieren, Schrumpfen) oder Trocknen von Oberflächen ausgerichtet sind.

Diese Problematik ist der Ansatzpunkt für die STIR®-Technologie. Durch die je nach dem gewünschten Effekt unterschiedliche Keramikbeschichtung der Infrarotstrahler wird deren Wellenspektrum entsprechend dem Absorptionsbereich des zu bearbeitenden Mediums besser absorbiert, also wesentlich besser erfasst. Bild 2 zeigt für verschiedene Strahler die Strahlungsintensitäten in Abhängigkeit der Wellenlänge. Diese Spektren wurden von der Universität Würzburg gemessen.

Emissionsspektren von STIR®-Strahlern

Selektives Strahlungsverhalten von STIR-Keramiken im Vergleich zu Stahl
Bild 2: Selektives Strahlungsverhalten von STIR-Keramiken im Vergleich zu Stahl

STIR® ist damit im Vergleich zu herkömmlichen Technologien effektiver bei Prozessen der thermischen Bearbeitung von Gütern, da es eine effizientere und differenzierte Bearbeitung von Lacken und Kunststoffen mit unterschiedlichen mechanischen und strukturellen Eigenschaften ermöglicht.

Mit der STIR®-Technologie können so die Trocknungs- und Vernetzungszeiten verkürzt und der Energieaufwand wesentlich reduziert werden. Durch eine bessere Trocknung und Vernetzung kann die Qualität der so hergestellten Schichten in vielen Fällen sogar erhöht werden.

kürzere Trocknungs- und Vernetzungszeiten mit Infrarot-technik am Beispiel Autolacke auf Kunststoffteilen, Infrarot Wärmetechnik
Bild 3: Beispiel Autolacke auf Kunststoffteilen

Nach Bild 3 sind Primer und Basislack wasserlösliche Lacke. Der Klarlack ist ein lösungsmittelhaltiger Lack. Die blaue Gruppe KW sind die Zeiten, die gewöhnlich und im Allgemeinen in der Industrie mit konvektiver Wärme erzielt werden. Die unter STIR® genannten Zeiten werden in ersten industriellen Anwendungen erzielt.

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Bild 4 und 4a: Einzelstrahler und Strahlermodul für industriellen Einsatz

Pulverlacke oder Lackbestandteile in wässrigen oder chemischen Lösungen bestehen oft aus Epoxydharz, Polyesterharz, Acrylharz oder anderen Kunststoffen. Sie sind zum Schutz und zur Verbesserung der Ansicht von Oberflächen auf Metallen, Kunststoff, Holz, Baustoffen in sich und zur Substratoberfläche stabil zu vernetzen. Damit erhöht sich die Stabilität gegenüber extremen Witterungsbedingungen und der Einwirkung von ultraviolettem Licht. Der Verlust an Glanz nach einer standardisierten Einwirkzeit von 300 Stunden ist sehr gering. Auch bei der Vernetzung lässt sich eine beachtliche Beschleunigung der Bearbeitungszeiten erreichen.

Zeitersparnis bei der Lacktrocknung mit Infrarot am Beispiel Polymerisationszeit bei Pulverbeschichtung auf MDF
Bild 5: Beispiel Polymerisationszeit bei Pulverbeschichtung auf MDF

Üblicherweise werden Pulverlacke aus Acrylharz u.a. mittels Konvektionswärme auf der Oberfläche bis zu 130°C erwärmt und innerhalb von 20 Minuten polymerisiert. Mit STIR® erfolgt dieser Prozess je nach Struktur der Farbstoffe, der Strahlungsdichte, der verwendeten Kühlung und der Substratart (MDF, Aluminium, Stahl usw.) innerhalb von sieben Sekunden bis zu fünf Minuten.

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Bild 6: STIR-Modul für Angelieren und Vernetzen von Pulverlack

Relevante Prüfungen ergeben, dass die Haftfestigkeit und Stabilität der Lackfläche gegenüber mechanischer Einwirkungen in Form von Festigkeit, Dehnung durch Biegung, Schlagfestigkeit usw. sogar erhöht wird. Bei temperaturempfindlichen Substraten kommt noch hinzu, dass deren thermische Belastung durch die wesentlich verkürzte Einwirkzeit stark verringert wird. Das hat z.B. bei MDF wegen der Gefahr der Entgasung und möglichen Lackschichtschädigung eine große Bedeutung.

Tests beim Institut für Holztechnologie in Dresden an lackiertem MDF haben gezeigt, dass alle Parameter der mit STIR® erzeugten Lackschichten den vorgegebenen Normen der Festigkeit, der Haftfähigkeit, der linearen Dehnung, der Schlagfestigkeit, der Dehnfähigkeit bei Biegung usw. entsprechen.

Bei dem Substrat Stahl ist die Korrosionsbeständigkeit sogar besser als bei der üblichen Beschichtung. Das betrifft die Feuchtigkeitsbeständigkeit, die Prüfung im Salznebel, die Prüfung Stabilität bei extremen Wetterbedingungen (Thermoschock) und die Beständigkeit gegenüber Ultraviolettem Licht. Ursprungsfarbtöne bleiben erhalten und Schattierungen treten nicht auf.

Die so erhaltene erhöhte Qualität des polymerisierten Lackes mit einem speziellen STIR® steht in Zusammenhang mit seinen selektiven, auf den Kunststoff abgestimmten Strahlungseigenschaften.

Auch wasserlösliche Farben und Lacke (z.B. Basislacke) können mit STIR®-Strahlern extrem schnell getrocknet und dann ebenfalls sehr schell polymerisiert werden. Das folgende Bild gibt einen Vergleich zu KW (Konvektion) und IR (gewöhnliches Infrarot).

Vergleich der Bearbeitungszeiten bei unterschiedlichen Lacken

Vergleich der Bearbeitungszeiten bei unterschiedlichen Lacken: Zeiten zum Trocknen und Polymerisieren von Lackschichten (Beispiele)
Bild 7: Zeiten zum Trocknen und Polymerisieren von Lackschichten (Beispiele)

Diesen Vergleichen liegen folgende Anwendungsbeispiele zu Grunde:

  1. Trocknen und Polymerisieren von Basislack (70 % Wasser) auf dreidimensionalen Substraten aus Kunststoff
  2. Trocknen und Polymerisieren von 2-Komponenten Klarlack (70 % LM) auf dreidimensionalen Substraten aus Kunststoff
  3. Polymerisieren von Pulverlack auf Blech (0,8 mm)
  4. Polymerisieren von Pulverlack auf MDF bei 160 °C

Die STIR®-Technologie bietet auch wesentliche Vorteile in Form der Prozessbeschleunigung bei der Erwärmung von Kunststoffen für das Thermoumformen, Laminieren, Schrumpfen u.ä.

Erwärmung von Kunststoff mit verschiedenen IR-Strahlern

Erwärmung von Kunststoff mit verschiedenen IR-Strahlern: Vergleich der Produktivität und Energieintensität zwischen KIR und STIR
Bild 8: Vergleich der Produktivität und Energieintensität zwischen KIR und STIR

In dieser Grafik wird die Leistung zum Erwärmen eines standardisierten PET-Kunststoffes von 20 auf 100 °C in z.B. 14 s mit einem Klassischen hellen Infrarothellstrahler (KIR, 1.000 W) gleich 100 % gesetzt. Im Vergleich dazu schafft ein STIR®-Strahler mit nur 484 W elektrischer Leistung diese Erwärmungsaufgabe schon in 9,4 s, was einer Steigerung der Erwärmungsleistung von 100% auf 149 % entspricht. Bei 682 Watt werden gar in nur 6 s jetzt 235 % zur ursprünglichen Erwärmungsleistung erreicht!

Der spezifische Energieaufwand sinkt gar von 100 % bei KIR auf bis zu 29 % bei STIR®!

Diese hier vorgestellten Verkürzungen der Bearbeitungszeiten können durch weitere Optimierungen im konkreten Anwendungsfall mit hoher Wahrscheinlichkeit noch übertroffen werden. Einsparungen bei Energie, Anlagentechnik und damit Investitionen machen den Einsatz von STIR® wirtschaftlich äußerst interessant.

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