Einführung

Industrielacke erfüllen eine Vielzahl von Funktionen, von Korrosions- und Abriebfestigkeit und UV-Schutz über Wärme- und Elektroisolierung bis hin zur Verbesserung des Erscheinungsbilds. Der Markt für Beschichtungen erstreckt sich über mehrere Sektoren, darunter Industrie, Automobil, Schifffahrt, Spule, Verpackung, Transport und Baustoffe. Neue und aufstrebende Märkte benötigen hochmoderne, technische Beschichtungslösungen mit streng kontrollierten Leistungsmerkmalen. Die Herausforderung in der Beschichtungsindustrie für bestehende und aufstrebende Märkte besteht darin, die Kosten zu senken, die Leistung zu optimieren und Abfall und Umweltbelastung zu reduzieren.

Abbildung 1. Beispiele für Beschichtungsanwendungen

Mit riesigen Anwendungsbereichen und einer wachsenden Nachfrage aus dem Endverbrauchssektor sucht diese Branche nach neuen Wegen, um Effizienz, Vorlaufzeit und Kapazitätsauslastung zu verbessern. Branchenführende Branchen setzen auf fortschrittlichere Technologien wie Automatisierung, industrielles Internet der Dinge (IIoT) und Simulationstechniken.

Aufbringen der Beschichtung

Beschichtungs- und Veredelungsprozesse verwenden fortschrittliche Technologien, um dauerhafte Oberflächen und hochwertige Oberflächen herzustellen und gleichzeitig die Prozesseffizienz zu maximieren und die Umweltvorschriften zu erfüllen. Konsistenz der Oberflächengüte, Produktqualität und -vielfalt spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Kundenzufriedenheit. Quantität und Qualität der Beschichtung haben einen großen und direkten Einfluss auf die Herstellungs-, Verkaufs- und Wartungskosten.

Die Viskosität des Beschichtungsmaterials ist für das Erreichen der Konsistenz von zentraler Bedeutung. Es ist ein wirksamer Indikator für die Konzentration von Beschichtungsfeststoffen in der Flüssigkeit, die die Grundlage für die Dicke und Gleichmäßigkeit des Films bildet. Die Leistungsparameter hängen alle von der Viskosität der flüssigen Beschichtung zum Zeitpunkt der Anwendung ab. Dazu gehören der Aufbau des Beschichtungsfilms, die Übertragungseffizienz, die Schichtdicke und -abscheidung, die Farbanpassung, die Oberflächenqualitäten und die chemische Beständigkeit. Die Viskosität ist der Hauptfaktor, der die Dicke und Haftung der Beschichtung beeinflusst. Eine ordnungsgemäße Viskositätskontrolle sichert die Qualität und Lebensdauer der Beschichtung und trägt dazu bei, die höchsten Anforderungen an die Qualität und Produktivität des Beschichtungsprozesses zu erfüllen.

Ein typisches Beschichtungssystem umfasst: Zufuhr von Grundmaterial und Zusatzflüssigkeit, einen Rührmischbehälter, eine Pumpe, die Zuleitung zum Applikator, den Applikator selbst und die Rücklaufleitung zum Mischtank. Der Applikator kann ein Tauchen, Rollen, Sprühen, Sputtern, Fließen oder einen anderen Prozess verwenden. Wenn die Beschichtungslösung nicht ausreichend viskos ist, ist die Beschichtung auf dem Produkt möglicherweise nicht dick genug, um Schutz zu bieten. Wenn jedoch die Viskosität zu niedrig ist, führt ein Absacken des Films auf vertikalen Oberflächen zu Unebenheiten in der Beschichtung. Dies erfordert Oberflächen mit komplexen rheologischen Eigenschaften. Sie müssen während des Sprühens eine niedrige Viskosität und eine viel höhere Viskosität aufweisen, wenn das Material auf der zu beschichtenden Oberfläche landet. Darüber hinaus hängt die Beschichtungsviskosität von der Temperatur ab, so dass zur Aufrechterhaltung der Oberflächenqualität die Viskosität des Beschichtungsmaterials für die Umgebungstemperatur der Anwendung kompensiert werden muss.

Aktueller Stand der Überwachung und Kontrolle der Beschichtungsviskosität

Die Viskosität wird typischerweise im Labor unter Verwendung eines Rotationsinstruments wie eines Viskosimeters vom Brookfield-Typ oder eines hochpräzisen Rheometers gemessen. Dies ermöglicht eine strikte Temperaturkontrolle, die für die Charakterisierung der rheologischen Eigenschaften von Beschichtungsmaterialien wesentlich ist. Die Analyse dieser Messungen an Proben, die aus dem Produktionsbereich entnommen wurden, kann jedoch Stunden oder sogar Tage dauern, sodass ihre Messungen möglicherweise nicht den tatsächlichen Zustand der aktuell verwendeten Materialien charakterisieren.

In der Produktion wird die Viskosität typischerweise gemessen, indem der Fluss von einer trichterartigen Vorrichtung wie einem Ford oder einem ähnlichen Effluxbecher gesteuert wird. Der Bediener füllt den Becher mit der Formulierung und misst die Zeit, die zum Entleeren des Bechers erforderlich ist. Je länger die Zeit ist, desto höher ist die Viskosität. Dies erfolgt üblicherweise in Abständen von 15 Minuten oder länger, so dass Abweichungen in der Viskosität erst nach bereits erheblichem Auftragen der Schicht festgestellt werden können. Auch die Temperaturregelung von Bechermessungen ist schwierig, wenn nicht unmöglich, was zu möglicherweise großen Abweichungen zwischen den gemessenen Werten und der tatsächlichen Viskosität zum Zeitpunkt der Anwendung führt. Solche Offline-Messungen können keine Viskositätsänderungen aufgrund von Temperaturänderungen, Mischungsschwankungen und Verdunstung erfassen, wenn sie auftreten.

Schwankungen der Materialtemperatur führen zu Viskositätsänderungen in den Beschichtungsmaterialien, was zu strukturellen Unterschieden oder zum Absacken führt. In den meisten Lacksystemen besteht die Tendenz zur Sedimentation der enthaltenen Bindemittel- und Pigmentkomponenten. Inhomogenes Beschichtungsmaterial führt zwangsläufig zu einem unzureichenden Beschichtungsergebnis. Abgesetzte Komponenten können zu Verstopfungen und zum allmählichen Blockieren von Leitungen führen. Abplatzende Beschichtungskomponenten führen zu einer Verschmutzung des Beschichtungsfilms. Die Variationen, die schwer zu kontrollieren sind, führen zu einer falschen Filmdicke und führen folglich zu unbrauchbaren Endprodukten von schlechter Qualität mit inakzeptablen visuellen oder anderen Leistungsmerkmalen.

Tabelle 1. Einige der typischen Beschichtungsfehler und ihre Ursachen

Aufgabenstellung:	Beschreibung	Ursachen	Die Lösung
Orangenschale	Die Oberfläche sieht uneben aus wie die Haut einer Orange	Düse zu weit von der Oberfläche entfernt; Die Werkstatttemperatur ist zu hoch, um die Viskosität zu ändern. Sprühdüse ist verstopft.	Die Inline-Viskositätsmessung zeigt Verstopfungen an und die temperaturkompensierte Viskosität vermeidet das Problem
Fleckige Oberfläche	Ungleichmäßiges Aussehen (wirkt sich im Allgemeinen auf Metallbeschichtungen aus)	Farbe vor dem Auftragen nicht gründlich mischen	Die Inline-Viskositätsmessung zeigt die starke Variation der Messung
Läuft oder sackt ab	Die Beschichtung haftet nicht gleichmäßig auf der zu lackierenden Oberfläche	Farbe trocknet zu langsam, Decklacke zu dick aufgetragen	Die Viskosität wäre höher als der Sollwert gewesen, der automatische Modus hat die Viskosität korrigiert
Farbabweichungen	Fehlende Farbkonsistenz über lackierte / beschichtete Einheiten	Inkonsistente und unregelmäßige Eigenschaften der Beschichtung aufgrund mangelnder wirksamer und kontinuierlicher Kontrolle der Viskosität	Die Viskositätsüberwachung zeigt große Viskositätsschwankungen an, die automatische Steuerung vermeidet das Problem vollständig
Lösungsmittel Pop	Zurückhalten von überschüssigem Lösungsmittel / eingeschlossener Luft im feuchten Film, der durch Ausbruch durch die Oberfläche entweicht	Ungenaue Kontrolle der Viskosität und Temperatur der Beschichtungsformulierung vor dem Auftragen	Durch die automatische Kontrolle der Viskosität wird die Verwendung von überschüssigem Lösungsmittel vermieden, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Einschlusses verringert wird
Lufteinschluss	Ähnlich wie beim Aufplatzen des Lösungsmittels oder bei Blasen	Unzureichende Überwachung des Zustands der Lackierstraße	Inline-Viskosimeter macht den Bediener auf den Zustand aufmerksam
Blistern	Blasen in der Nähe der Oberfläche eines Films während der Ofenhärtung, die die Oberfläche nicht durchbrechen.	Die Viskosität der Oberfläche des Films steigt auf ein hohes Niveau an und fängt das flüchtige Lösungsmittel auf einem niedrigeren Niveau ein	Durch die Optimierung des Lösungsmittelverbrauchs und die Sicherstellung der korrekten Viskosität der Beschichtung durch ein Inline-Viskosimeter wird dieses Problem vermieden

Inline-Viskositätsmessung zur Rettung

Glücklicherweise gibt es Lösungen, die eine Echtzeit-Viskositätsmessung und -regelung in der Linie ermöglichen und so Prozessschwankungen sofort erkennen. Viskositätsschwankungen durch Lösungsmittel- oder Lackzugabe, Temperaturschwankungen und Verdunstung können automatisch ausgeglichen werden, bevor sie die Lackqualität beeinträchtigen. Die kontinuierliche Viskositätsüberwachung kann mit dem Lackmaterial- und Lösemittelverbrauch sowie der Filmdicke und -qualität korreliert werden, um Prozessparameter zur Optimierung des Beschichtungsprozesses gezielt anzupassen. Die Inline-Viskositätskontrolle kann im Vergleich zu herkömmlichen Offline-Messungen mit dem Ausflussbecher zu höherer Produktqualität, höheren Erträgen, erheblichen Einsparungen beim Lack- und Lacklösemittelverbrauch und minimierten Ausfallzeiten des Beschichtungsprozesses führen.

Das Verdampfen des Lösungsmittels, die Zugabe einer frischen Beschichtung oder eines Lösungsmittels zum Mischbehälter und die Sedimentation können zu einer Viskositätsänderung der Beschichtungsmaterialien führen, was zu Beschichtungsfehlern oder einem übermäßigen Beschichtungs- und Lösungsmittelverbrauch führt.

Die Temperatur ist auch eine entscheidende Variable bei der Bestimmung der Viskosität. Leider werden die Temperaturen in Produktionsumgebungen oft nicht gut kontrolliert. Die Viskosität, die den Feststoffgehalt in der Beschichtung widerspiegelt, muss trotz Temperaturschwankungen korrekt sein. Bechermessungen haben weder eine Temperaturmessung noch eine Kontrolle und können daher nicht direkt mit der tatsächlichen Sprühtemperatur verglichen werden. Dies kann zu Schwankungen der Beschichtungsqualität führen, wenn die Prozesstemperatur variiert.

Treiber für die Einführung des Echtzeit-Viskositätsmanagements durch Beschichter

Es gibt vier wichtige Faktoren, die das Viskositätsmanagement bei Beschichtungsanwendungen wichtig machen:

1. Endprodukt Qualität: Eine schlechte Beschichtungsqualität kann die gewünschten Eigenschaften der Beschichtungen nachteilig beeinflussen - Oberflächenqualitäten, Beschichtungsablagerung, Schutzeigenschaften und chemische Reaktivität. Alle diese Eigenschaften hängen davon ab, wie gut der Beschichtungsprozess gesteuert wird. Daher ist die Steuerung der Viskosität entscheidend.
2. Kostensenkung durch Abfallreduzierung: Übermischen kann nicht nur die Qualität des Endprodukts beeinträchtigen, sondern auch Abfallbestandteile, Rohstoffe, Zeit und Energie. Das Viskositätsmanagement im Mischprozess kann den Endpunkt zuverlässig und genau identifizieren, was zu einer signifikanten Reduzierung des Rohstoffverbrauchs, des Energieverbrauchs, der Ausschuss- und Abfallmenge führt.
3. Effizienz: Durch die problemlose Echtzeitüberwachung der Viskosität entfallen kostspielige und zeitaufwändige Laboranalysen, die häufig zu einer verzögerten Reaktion auf Änderungen der Beschichtung führen. Durch die Gewährleistung der Konsistenz während des gesamten Beschichtungsprozesses werden die Ausschussraten erheblich reduziert, Kosten und Zeit gespart und gleichzeitig die Gewinnmargen verbessert.
4. Automation: Durch die automatische Überwachung und Steuerung der Beschichtungsvorbereitung und des Auftragungsprozesses entfällt ein manueller, fehleranfälliger Probenahme- und Testschritt und die Bediener können sich auf die Qualität des Endprodukts konzentrieren.

 

Beschichtungsanwendungen benötigen fortschrittliche Prozesstechnologie für eine genaue Inline-Viskositätsmessung und -steuerung in Echtzeit

Die Inline-Viskositätsmessung erfordert einen kompakten, robusten Viskositätssensor in Kombination mit einem Mess- und Steuersystem, das den Messwert des Sensors in Informationen zur Überwachung und Steuerung der Prozessviskosität umwandelt.

Eine Technologie, die sich besonders für Inline-Messungen bewährt hat, verwendet einen mechanischen Resonator, dessen Schwingungen durch die Viskosität des Beschichtungsmaterials gedämpft werden. Ein an den Resonanzsensor angeschlossenes Elektroniksystem misst seine Dämpfung und wandelt diese in einen Viskositätswert um. Zusätzlich liefert eine im Viskositätssensor installierte Temperaturerfassungsvorrichtung eine Messung der Beschichtungsmaterialtemperatur genau am Punkt der Viskositätsmessung.

Die Resonanzsensortechnologie bietet eine Lösung, die sich optimal für die Inline-Überwachung und -Steuerung von Beschichtungen eignet. Sie erfüllt viele Anforderungen an eine zuverlässige und genaue Messung:

• Robustheit - Sie erhalten Genauigkeit und Wiederholbarkeit über große Variationen der Prozessparameter. Sie sind frei von rotierenden Teilen und engen Lücken, die für Laborviskosimeter und Rheometer typisch sind. Darüber hinaus können sie in Umgebungen mit starken Vibrationen und Stößen eingesetzt werden.
• Bedienerunabhängigkeit - Sowohl Effluxbecher als auch Laborinstrumente erfordern geschickte Bediener, um zuverlässige, wiederholbare Messungen aufrechtzuerhalten. Ohne angemessene Schulung und Liebe zum Detail sind bedienerabhängige Methoden im Allgemeinen unzuverlässig, um eine strenge Kontrolle über den Beschichtungsprozess aufrechtzuerhalten.
• Kompatibilität mit automatisierten Überwachungs- und Steuerungssystemen – Die Implementierung von Industrie 4.0-Methoden erfordert eine nahtlose Anbindung der Messsysteme an die bestehende Anlagentechnik. Resonanzviskosimetersysteme bieten ein breites Spektrum an Ausgabeoptionen, von 4–20 mA-Stromschleifen über Ethernet-, RS485- und CAN-Bus-Schnittstellen mit Industriestandardprotokollen wie Modbus, EthernetIP, CANOpen, Profinet, JSON und OPC UA zur direkten Datenerfassung durch Maschinen-SPS und Fabrik-SCADA-Systeme. Offline-Methoden hingegen erfordern die manuelle Eingabe der Viskositätswerte durch den Bediener. Dieser Prozess ist anfällig für Fehler und gewährleistet keine vollständige Rückverfolgbarkeit des Prozesses.
• Enge Temperaturregelung - Bei einem guten Resonanzsensor ist die Temperaturmessung in das Sensorelement integriert. Dies ermöglicht die Charakterisierung des Beschichtungsmaterials am Punkt der Viskositätsmessung und nicht unter Laborbedingungen.
• Einfache Wartung - Die fortschrittlichsten Resonanzsensoren setzen dem Beschichtungsmaterial hermetisch abgedichtete, mechanisch robuste Sensorelemente aus. Sie sind frei von Lücken und Hohlräumen und können leicht an Ort und Stelle (CIP) gereinigt oder einfach mit einem mit Lösungsmittel getränkten Lappen abgewischt werden. Es sind sogar Systeme erhältlich, mit denen der Sensor in der Leitung gewaschen werden kann, sowie Selbstprüfsysteme, die anzeigen, ob der Sensor sauber und frei von Verunreinigungen ist.
• Kostengünstig - Trotz relativ höherer Anfangskosten im Vergleich zu Effluxbechern sind Inline-Resonanzmesssysteme im Allgemeinen weitaus günstiger als typische Laborinstrumente, insbesondere wenn die wiederkehrenden Kosten qualifizierter Labortechniker in die Gleichung einbezogen werden. Die Lebensdauerkosten dieser Inline-Viskosimeter sind unter Berücksichtigung der Arbeitskosten erheblich niedriger als bei manuellen Bechern.

Ein Beispiel für einen Resonanzsensor, der diese Vorteile bietet, ist der Rheonics SRV Inline-Viskosimeter (siehe Abb. 2 unten)

Sein kompakter Formfaktor ermöglicht die direkte Installation in der Beschichtungslinie nahe dem Auftragspunkt. Die an sich hohe Schergeschwindigkeit bis weit auf das Hochscherplateau typischer Lacksysteme führt zu Messungen, die das Verhalten der Beschichtung unter den für die Sprühapplikation typischen Fließbedingungen genau vorhersagen.

 

 

Abbildung 2. Inline-Viskosimeter SRV (Quelle: rheonics)

Viskosität und Temperatur: eine enge Beziehung

Die Viskosität nahezu aller Flüssigkeiten ist stark temperaturabhängig. Eine Viskositätsmessung ohne strenge und genaue Temperaturregelung ist bedeutungslos. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die Temperatur der Flüssigkeit so nah wie möglich am Punkt der Viskositätsmessung gemessen wird. Instrumente wie die Rheonics SRV verfügen über eine genaue Temperaturmessung, die in das Sensorelement integriert ist, sodass der Wert jeder Viskositätsmessung von einem Temperaturwert begleitet wird.

Einen weiteren Vorteil hat die Messung der Flüssigkeitstemperatur genau am Punkt der Viskositätsmessung. Es ist möglich, das Verhältnis der Beschichtungsviskosität zur Temperatur zu charakterisieren, indem die Temperatur über den in der Beschichtungslinie erwarteten Bereich variiert wird, während die Viskosität mit dem Inline-Viskosimeter gemessen wird. Die resultierenden Messungen können verwendet werden, um eine Formel abzuleiten, mit der die Viskosität der Flüssigkeit bei jeder Temperatur in diesem Bereich aus einer Messung bei jeder anderen Temperatur in diesem Bereich berechnet werden kann. Daher die sogenannten temperaturkompensierte Viskosität wird unabhängig von der tatsächlichen Prozesstemperatur. Die temperaturkompensierte Viskosität ist wichtig, da sie einige sehr relevante Prozessparameter wie Pigmentbeladung oder Lösungsmittelkonzentration widerspiegelt, die beide für sich genommen unabhängig von der Temperatur sind.

Die zuverlässige Viskositätsmessung ermöglicht eine vorausschauende Steuerung für die Integration von Industrie 4.0

Einige der Schlüsselelemente, um Beschichtungslinien auf Industrie 4.0-Standards zu bringen, sind:

• Konsistenz in der Beschichtung durch automatisierte Korrekturmaßnahmen
• Agilität im Umgang mit neuen Produktvarianten in Produktion, Compliance und Produktherkunft
• Big Data liefert belastbare Beweise für grundlegende Entscheidungen zur Steigerung der Effizienz
• Durch die Zusammenschaltung und Informationstransparenz können die Betreiber Entscheidungen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Produktionsanlagen treffen und so Entscheidungen dezentralisieren
• Reduzierung der CO2-Emissionen - Durch die Optimierung des Beschichtungsprozesses werden Materialverbrauch, Energieverbrauch und Abfall reduziert - all dies reduziert das COXNUMX-Budget des Beschichtungsprozesses erheblich
• Der Return on Investment (ROI) für typische Inline-Viskosimeter liegt in der Größenordnung von 3 bis 6 Monaten.

 

Abbildung 3. schematisch zeigt die Inline-Integration des Viskosimeters und Controller im Autolackier- / Beschichtungsprozess.

 

Auf dem Weg zu einer höheren Genauigkeit, zuverlässigen und agilen Kontrolle des Beschichtungsprozesses

 Resonanzviskositätssensoren werden häufig mit herkömmlichen Steuerungssystemen auf SPS-Basis kombiniert. Diese nutzen in der Regel nicht alle Vorteile, die moderne, Industrie 4.0-kompatible Sensorsysteme erfordern.

Anspruchsvollere Systeme können beispielsweise die hochpräzisen und reproduzierbaren Messungen von Resonanzsensoren nutzen, um die Einstellung von Beschichtungsparametern nach dem „Lock and Load“-Prinzip zu ermöglichen, indem sie tatsächliche Messungen mit einer Datenbank von Beschichtungsmaterialien und festgelegten Auftragsparametern vergleichen. Ein solches System ist das Rheonics CoatControl mit ViscoLock-Software, die die Online-Steuerung der temperaturkompensierten Viskosität von Beschichtungen in mehreren Linien gleichzeitig ermöglicht. Mehrere Sensoren können von einem einzigen Dashboard aus verwaltet werden, das über die gesamte Fabrikhalle verteilt ist. Durch die Automatisierung des Dosiersystems mit einer Steuerung, die kontinuierliche Echtzeit-Viskositätsmessungen verwendet, kann eine Beschichtungskonsistenz über mehrere Linien im Werk auch bei unterschiedlichen Temperaturen und Verdampfungsbedingungen erreicht werden. Beschichter können endlich jeden Beschichtungsvorgang lückenlos nachverfolgen.

Fazit

Moderne Sensor- und Steuerungssysteme verbessern die Steuerung des Beschichtungsprozesses, um den Anforderungen von Industrie 4.0 zu entsprechen. Durch die Kombination genauer, zuverlässiger Inline-Sensoren mit hoch entwickelten Online-Steuerungssystemen kann die Viskositätssteuerung auf die Standards gebracht werden, die für automatisierte Hochgeschwindigkeitsbeschichtungslinien erforderlich sind, und gleichzeitig die Produktivität und Konformität mit Umweltstandards verbessert werden. Solche Systeme sind offen für zukünftige Entwicklungen auf diesem Gebiet und ermöglichen eine agile Anpassung an sich ändernde Beschichtungsformulierungen und Verbesserungen in der Anwendungstechnologie.

1. Hervorheben der gesteigerten Effizienz, Produktivität, Beweglichkeit und Flexibilität bei gleichzeitiger Wahrung von Qualität und Sicherheit sowie Fortschritte bei der Herstellung von Farben und Beschichtungen: https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/advances-in-paint-and-coating-manufacturing-equipment/
2. Optimale Viskosität für den Farbauftrag: https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/optimum-viscosity-paint-application/
3. SRV-Funktionsprinzip: https://rheonics.com/whitepapers/
4. Ein Update zur Nachhaltigkeit in der Beschichtungsindustrie - https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/an-update-on-sustainability-in-the-coatings-industry/

Um mehr über unsere Lösungen für die Beschichtungsindustrie zu erfahren, besuchen Sie bitte die Lösungsseite.