Simulationstraining zur Optimierung von UV-Anlagen in der Oberflächentechnik

Iterative Optimierungsschritte zur homogenen Ausleuctung einer Motorhaube mit der Trainigssoftware DLS-UV. Die Farbwerte von blau nach rot zeigen die Dosiswerte auf der Werkstückoberläche an.

Iterative Optimierungsschritte zur homogenen Ausleuctung einer Motorhaube mit der Trainigssoftware DLS-UV. Die Farbwerte von blau nach rot zeigen die Dosiswerte auf der Werkstückoberläche an.

Jörg Schieweck, Matthias Schneider und Andreas Hänsel1

Im Verlauf der letzten Jahre gab es in vielen Arbeitsgebieten einen Trend zur numerischen Simulation von Prozessen und Anlagen, um den steigenden Anforderungen an die Technik immer besser gerecht werden zu können. So ist z.B. die numerische Strömungssimulation eine wesentliche Methode, um den Luftwiderstand eines Fahrzeuges zu minimieren. Betrachtet man die Aerodynamik der Autos über die letzten Jahrzehnte im Vergleich zu den neusten Designstudien, so scheint dieser Prozess nicht abreißen zu wollen. Es entstehen im Laufe der Zeit neue Materialeigenschaften und Techniken für das Design mit einem vorteilhaften Einfluss auf den Luftwiderstand der Fahrzeuge. Mit Hilfe der numerischen Simulation können die Vorteile der neuen Entwicklungen für das Design besser erkannt und schneller umgesetzt werden, da die Produktmodelle nur noch „virtuell“ erstellt werden müssen. Die Vorteile der numerischen Simulation sollen nun auch in der UV-Härtungstechnik für 3-dimensionale Bauteile Anwendung finden. Die wesentlichen Vorzüge der UV-Simulation sind in folgenden Punkten zusammengefasst:

  • Simulationszeiten kleiner eine Stunde
  • Einsparung von Technikumsversuchen
  • Anlagenoptimierung und Qualitätssicherung in „nichtmaterieller Etnwicklungsphase“ möglich
  • Verbesserte Kommunikatoin durch visualisierte Ergebnisse mit Technikern und Kunden

 

Die praxisrelevanten Aufgabenfelder für die UV-Simulation liegen hauptsächlich in der Anordnung und Bewegung von Strahlern und Bauteil sowie in der Energieeinsparung und Reduzierung des CO2-Footprint durch Technologieoptimierung. Für die Minimierung der Durchlaufzeiten unter Berücksichtigung der obigen Ziele und hinsichtlich der erreichbaren und gesicherten Qualität gibt die numerische Simulation wertvolle Aufschlüsse.

UV-Systeme für 3D-Bauteile

UV-vernetzende Systeme sind in der Möbelindustrie seit langem bekannt. Für die Härtungsvorgänge bei ebenen Bauteilen existieren ausgereifte Anlagenkonzepte, die eine weitgehend sichere Prozessbeherrschung erlauben. Mit dem Einsatz von LED-Technologien entsteht neuer Entwicklungsbedarf, der jedoch für Möbelbauteile mit bekannten Methoden beherrschbar ist. Andere Voraussetzungen sind notwendig, wenn Lackschichten auf dreidimensionalen Körpern (z.B. Gestellmöbel, Musikinstrumente o.ä.) mit UV-Strahlern gehärtet werden sollen. UVvernetzende Lacke stellen seit einigen Jahren über die Möbelindustrie hinaus einen steigenden Markt dar, nicht nur wegen ihrer besonderen funktionellen Eigenschaften, wie z.B. einer hohen Kratzfestigkeit, sondern auch wegen des wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Beschichtungsprozesses. Die im Vergleich zu konventionellen Verfahren geringeren thermischen Belastungen verleihen zum Beispiel dem UV-Pulver-Beschichtungsprozess vor allem für Kunststoff und Holz eine stärkere Bedeutung.

Infolgedessen können mittlerweile UV-gehärtete Beschichtungen bei verschiedenen Produkten gefunden werden (z.B. CDs, Verpackungen, Tischplatten, Treppen, Stühle, Armaturenbretter, Zylinderkopfdichtungen, Lenkräder u.a.).

Dabei handelt es sich zumeist um einfache, weitgehend flache Körper, bei denen die UV-Strahler in relativ einfacher Anordnung in die Anlage eingebaut werden können. Das heißt, Schattenzonen und „Überhärtungen“ werden im Vorfeld durch die einfache Geometrie der Bauteile ausgeschlossen. Bei komplexeren 3D-Bauteilen, die viele Erhebungen und Vertiefungen relativ zu den UV-Strahlern aufweisen, muss die Anlage mit den UVStrahlern optimal ausgelegt werden, um ein befriedigendes Ergebnis zu erzielen.

Weiterhin werden mit der Einführung der UV-Technologie in die Serienlackierung von den Anlagenherstellern zunehmend UV-Strahlermodule angeboten, die sich in Baugröße, Leistung und Handhabung erheblich unterscheiden. Aufgrund der dreidimensionalen Bauteilgeometrie müssen die verschiedenen Strahlermodule in der Bestrahlungsstation in geeigneter Weise um das Werkstück angeordnet und ausgerichtet werden.

Ziel der Simulation

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Härtungsqualität und zur Vermeidung von Unterbestrahlung und Überbrennung der UV-Lacke sollte die Strahlungsintensität, vor allem aber die Strahlungsdosis, auf der gesamten Werkstückoberfläche möglichst homogen verteilt sein. Um den experimentellen Aufwand zur Einstellung der Strahler zu minimieren und bereits in einer frühzeitigen Produkt-Designphase zuverlässige Qualitätsaussagen zu erlangen, werden in verschiedenen Arbeitsgebieten zunehmend Simulationswerkzeuge gefordert und eingesetzt. Aufbauend auf den bisherigen Erfahrungen bei der Simulation unterschiedlichster dynamischer Beschichtungsvorgänge wurde in der Abteilung Beschichtungssystem- und Lackiertechnik des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA das bedienungsfreundliche Simulationsprogramm DLS-UV zur Optimierung der UV-Strahlereinstellungen beim Härten von Lackschichten entwickelt. Das Simulationsprogramm enthält Programmmodule, welche die Abbildung der technischen und geometrischen Charakteristika von realen UV-Strahlern am PC ermöglichen.

Das Ergebnis der Simulation zeigt unter anderem den zeitlichen Eintrag der UV-Intensität und die Dosisverteilung am Ende des Härtungsprozesses auf der gesamten Werksückoberfläche und lässt Aufschlüsse über die zu erwartende Lackschichtqualität zu. Das grundsätzliche Ziel dieser Arbeiten liegt in der praxisnahen Prozesssimulation der Härtung von UV-Lacken auf komplexen Bauteilgeometrien und damit in der Integration dieses Prozessschrittes in die „Virtuelle Fabrik“.

Simulationstraining für die UVAushärtung in der Oberflächentechnik

In Kooperation mit dem IPA und der Berufsakademie Sachsen wurde ein Trainingsablauf für die UV-Simulation erstellt. Dabei spielen für die Simulation folgende Eingangsgrößen eine zentrale Rolle:

  • CAD-Daten vom Werkstück
  • Strahler-Charakteristik
  • Bewegung von Werkstück und Strahler
  • Lackeigenschaften

Als erster Schritt im Trainingsablauf wird der Istzustand einer bestehenden oder geplanten UV-Anlage aufgenommen und in die Simulation übertragen. Aus den ersten Analysen der Simulationsergebnisse lassen sich verschiedene Varianten zur Verbesserung der Anlage ableiten, die zu geringeren Kosten, höheren Stückzahlen und zur problemlosen technischen Realisierung beitragen. Ein weiterer Punkt ist das Erkennen von Unzulänglichkeiten wie z.B. Schattenbildung, Überhärtungen und zu geringen Qualitätstoleranzen in der Anlage und deren Aufhebung durch die Erkenntnisse aus der Simulation. Ein weiterer wertvoller Effekt ist die gemeinsame Auswertung und Kommunikation der Ergebnisse. Diese liefern eine weitere Möglichkeit, den Erfahrungsschatz zu erweitern.

Zusammenfassung und Ausblick

Mit dem UV-Simulationswerkzeug DLS-UV steht Anwendern und Entwicklern in der UV-Lack-Technologie eine schnelle, PClauffähige Software zur Verfügung. Damit lassen sich komplexe 3D-UV-Härtungsprozesse effizient untersuchen und optimieren. Um einen Einblick in die Möglichkeiten der Simulation und ihre wirtschaftlichen Vorteile zu erhalten, wurde ein Trainingsprogramm entwickelt, bei dem die Teilnehmer anhand realer Praxisbeispiele zu einer optimal ausgelegten UV-Härungsanlage gelangen. Hierbei werden minimaler technischer Aufwand, Energiebilanz, qualitätssichernde Maßnahmen und maximaler Teiledurchsatz zu einem bestmöglichen Ergebnis zusammengeführt. Zur direkten Bestimmung der Beschichtungsqualität wird in weiterführenden Arbeiten derzeit die Korrelation zwischen Bestrahlungsdosis und Härtungsmechanismen unterschiedlicher Lackmaterialen ermittelt und in den Softwaremodellen hinterlegt. In Verbindung mit einer vorherigen Lackbeschichtungssimulation wird damit die virtuelle Prozesskette der Lackapplikation vervollständigt. Als Termin für ein Training ist der 8. März 2013 in Dresden vorgesehen.

 

1 Jörg Schieweck studierte Mathematik an der Fachhochschule in Stuttgart und ist seit 1999 für das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA tätig. Dr. Matthias Schneider studierte Physik an der Universität Karlsruhe. Nach einem Forschungsaufenthalt in den USA ist er seit 1987 wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Beschichtungssystem- und Lackiertechnik des Fraunhofer IPA. Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Hänsel war nach seinem Studium der Holz- und Faserwerkstoffindustrie in verschiedenen Funktionen in Forschung, Lehre sowie als Geschäftsführer in der Wirtschaft tätig. Er ist gegenwärtig Direktor der Staatlichen Studienakademie Dresden.

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