KTL-Beschichtung: Definition, Ausrüstung und Anwendungen

Die elektrophoretische Beschichtung ist ein gängiges Beschichtungsverfahren in der Automobilindustrie. In diesem Artikel erklären wir, was E-Coating ist und wie es funktioniert.

Was ist elektrophoretische Beschichtung?

Bei der elektrophoretischen Beschichtung wird das zu beschichtende Werkstück in einen wasserlöslichen Lack getaucht und dient dabei als eine Elektrode (Kathode oder Anode). Eine entsprechende Elektrode wird bereitgestellt, und zwischen den beiden Polen wird Gleichstrom angelegt. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes wandern geladene Lackpartikel gerichtet zur Oberfläche des Werkstücks, wo sie sich entladen und als Beschichtungsfilm ablagern.

Elektrophoretische Beschichtungsverfahren werden typischerweise anhand der Eigenschaften der Farbe und der Polarität des zu beschichtenden Werkstücks klassifiziert.

Das Verfahren wird als anodische elektrophoretische Beschichtung bezeichnet, wenn das Werkstück als Anode dient und anionischer Lack verwendet wird. Umgekehrt handelt es sich um eine kathodische elektrophoretische Beschichtung, wenn das Werkstück als Kathode fungiert und kationischer Lack zum Einsatz kommt. Weltweit werden derzeit über 90 % der Karosserielackierungen im Automobilbereich mittels kathodischer elektrophoretischer Beschichtung durchgeführt.

Anodische elektrophoretische Beschichtungen sind zwar kostengünstiger, weisen aber eine geringere Korrosionsbeständigkeit als kathodische elektrophoretische Beschichtungen auf. Daher setzen heutzutage fast alle Hersteller auf die kathodische elektrophoretische Beschichtung. Die elektrophoretische Beschichtung erzeugt eine gleichmäßige Oberfläche mit ausgezeichneter Haftung und eignet sich für die Beschichtung von Werkstücken mit komplexen Formen; sie kann sogar auf Innenflächen von Hohlräumen aufgebracht werden. Die Anlagen sind jedoch komplex, erfordern hohe Investitionen, und die Auswahl an geeigneten Beschichtungen ist begrenzt und beschränkt sich derzeit auf wasserlösliche und wasseremulgierte Lacke.

Verfahren der Elektrotauchlackierung

Die elektrophoretische Beschichtung ist eine hochkomplexe elektrochemische Reaktion. Ob kathodisch oder anodisch, der Prozess umfasst typischerweise vier simultane Mechanismen: Elektrophorese, Elektrodeposition, Elektroendosmose und Elektrolyse. Dabei dissoziiert das ionisierte Harz in der wasserdispergierten Beschichtung in geladene kolloidale Partikel. Durch das Zusammenwirken dieser vier Mechanismen in einem Gleichstromfeld wandern diese Partikel zur Werkstückoberfläche und entladen sich dort, wodurch ein isolierender Beschichtungsfilm entsteht.

Ausrüstung für die Elektrophorese

Elektrophorese ist der Prozess, bei dem geladene Kolloidpartikel unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes mit entgegengesetzter Polarität zur Elektrode wandern. Während der Elektrophorese können ungeladene Pigmente und Füllstoffpigmentpartikel an die geladenen Kolloidpartikel adsorbiert werden und sich mit ihnen bewegen. Im Allgemeinen führen ein geringerer Feststoffgehalt und eine niedrigere Viskosität der Beschichtungslösung zu einem geringeren Widerstand bei der Elektrophorese.

Elektroabscheidung

Elektroabscheidung bezeichnet den Prozess, bei dem geladene Kolloidpartikel die Elektrode (das Werkstück) mit entgegengesetzter Polarität erreichen und sich entladen, um einen unlöslichen, isolierenden Beschichtungsfilm zu bilden. Im Gegensatz dazu GalvanisierenBei der Elektrophorese ändert sich die Leitfähigkeit des Beschichtungsfilms, wodurch dieser zu einem Isolator wird. Die Elektroabscheidung erfolgt zunächst an Stellen der Werkstückoberfläche, an denen die elektrischen Feldlinien konzentriert sind. Mit zunehmender Dicke und Fläche des Isolierfilms steigt auch der elektrische Widerstand deutlich an.

Elektroendosmose

Elektroendosmose ist die Bewegung des Dispersionsmediums entgegen der Richtung der geladenen Partikel. Während der Elektrophorese bildet sich ein semipermeabler Beschichtungsfilm mit hohem Wassergehalt. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes und der internen osmotischen Kraft wandern Wasser und Ionen im Film mittels gerichteter Elektroendosmose und anti-elektrophoretischer Bewegung in die Lösung. Typischerweise kann die Dehydratation durch Elektroendosmose den Wassergehalt des Beschichtungsfilms um 5 % bis 15 % reduzieren.

Elektrolyse

Wasser durchläuft in einem Gleichstromfeld eine elektrolytische Reaktion, wobei an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff freigesetzt wird. Dies führt zu einem Anstieg des pH-Werts an der Kathode und einem Abfall an der Anode. Eine höhere Leitfähigkeit der Lösung bewirkt eine intensivere elektrolytische Reaktion; größere pH-Wert-Änderungen an den Elektroden und eine stärkere Blasenbildung führen zu mehr Poren und einem raueren Beschichtungsfilm. Obwohl die Elektrodeposition die primäre Reaktion des Prozesses darstellt, ist die Elektrolyse ein entscheidender Faktor für die Filmqualität. Anodische Elektrophorese erfordert zwar weniger Investitionsaufwand und niedrigere Lackkosten, weist jedoch eine geringere Korrosionsbeständigkeit und niedrigere Spannungen auf. Im Vergleich zu anodischen Filmen bieten kathodische elektrophoretische Beschichtungen eine 3- bis 4-fach höhere Schutzwirkung, den doppelten Coulomb-Effekt und eine 1.2- bis 1.4-fach höhere Streuung. Daher ist die kathodische Elektrophorese weit verbreitet, während die anodische Elektrophorese hauptsächlich Anwendungen mit geringeren Anforderungen vorbehalten bleibt.

Vorteile der elektrophoretischen Beschichtung

• Einfache Realisierung von Automatisierung und Mechanisierung: Die elektrophoretische Beschichtung zeichnet sich durch einen hohen Automatisierungsgrad, schnelle Beschichtungsgeschwindigkeiten und hohe Produktionseffizienz aus. Beispielsweise kann die Effizienz der elektrophoretischen Beschichtung von Automobilgrundierungen 450 % höher sein als die herkömmlicher Tauchbeschichtungsverfahren.
• Hohe Gleichmäßigkeit der Schichtdicke: Selbst auf unregelmäßigen Flächen wie Ecken, Schlitzen, Löchern und Schweißvorsprüngen kann durch Anpassen der Spannung und Steuern des Elektroabscheidungsprozesses eine gleichmäßige Schichtdicke erzielt werden.
• Hohe Beschichtungsqualität: Der resultierende Film ist eben, glatt und tropffrei. Er verläuft beim Trocknen hervorragend und bietet so eine hohe ästhetische Qualität, die Schleifzeit spart und Produktionskosten senkt. Der Film zeichnet sich zudem durch gute Wasserbeständigkeit und Haftung aus.
• Hohe Farbausnutzungsrate: Aufgrund der geringen Konzentration und Viskosität der Farbe wird nur sehr wenig vom Werkstück aufgenommen, was eine Ausnutzungsrate von über 95 % ermöglicht.
• Gute Umwelt- und Arbeitsbedingungen: Die Beschichtung enthält nur wenige Hilfslösungsmittel, wodurch beim Verdunsten nur minimaler Farbnebel entsteht und die Umweltbelastung reduziert wird.

Nachteile der E-Beschichtung

• Hoher Investitionsaufwand: Die Investitionen in die Ausrüstung sind hoch, und die Anforderungen an das operative Management sind streng.
• Zahlreiche Verfahrensbeschränkungen: Elektrophoretische Beschichtungen sind auf einzelne Farben beschränkt. Verschiedene Metallwerkstücke können nicht gleichzeitig beschichtet werden. Nichtleitende Materialien wie Kunststoffe und Holz lassen sich nicht elektrophoretisch beschichten. Darüber hinaus kann ein Decklack nicht auf eine Grundierung elektrophoretisch aufgebracht werden, und die Witterungsbeständigkeit der Grundierung selbst ist relativ gering.
• Hohe Reinigungsbelastung: Um die Leitfähigkeit beim Kontakt mit dem Werkstück zu gewährleisten, müssen die Aufhängungen gründlich und häufig gereinigt werden, was zu einem hohen Arbeitsaufwand und einer hohen Arbeitsintensität führt.

Ausrüstung für die KTL-Beschichtung

Die Ausrüstung für die elektrophoretische Beschichtung besteht aus einem Elektrophoresebecken, einem Reservebecken, einem Zirkulations- und Filtrationssystem, einem Ultrafiltrationssystem, Elektrodenvorrichtungen, einer Vorrichtung zur Einstellung der Lacktemperatur, einer Lacknachfüllvorrichtung, einem Belüftungssystem, einer Gleichstromversorgung, einem Schaltschrank, einer Nachspülvorrichtung für die Elektrophorese und einer Lackaufbewahrungsvorrichtung.

Elektrophorese-Tank

Der Elektrophoresetank ist die zentrale Anlage und der Behälter, in dem der Prozess stattfindet. Seine Abmessungen richten sich nach der maximalen Außengröße der Werkstücke. Er besteht aus Haupttank, Reservetank und Überlauftank. Die elektrophoretische Beschichtung wird im Allgemeinen in kontinuierliche Durchlauf- und intermittierende Stufensysteme unterteilt. Erstere eignen sich für die Massenproduktion und verwenden schiffsförmige Tanks, während letztere für mittlere Chargen geeignet sind und häufig rechteckige Tanks verwenden. Überlauftanks werden üblicherweise ein- oder beidseitig installiert, um den Flüssigkeitsstand zu regulieren und Oberflächenschaum zu entfernen. Der Reservetank dient zur vorübergehenden Lagerung der Lacklösung während der Reinigung oder Wartung des Haupttanks.

Zirkulations- und Filtersystem

Dieses System umfasst Umwälzpumpen, Rohrleitungen und Sprühdüsen und nutzt typischerweise eine Kombination aus Filtration, Umwälzung, Wärmetauscher und Ultrafiltration. Es dient der Sicherstellung der Stabilität der Lackzusammensetzung und -konzentration, der Aufrechterhaltung einer guten Dispergierbarkeit und der Verhinderung von Pigmentausfällungen. Um Sedimentation zu vermeiden, müssen eine bestimmte Durchflussrate und eine bestimmte Anzahl von Zyklen eingehalten werden.

Elektrodenvorrichtung

Dieses Gerät besteht aus Elektrodenplatten, Membranabdeckungen, Hilfselektroden und einem System mit deionisiertem Wasser. Bei der anodischen Elektrophorese werden Kupfer- oder Edelstahlplatten als Anoden verwendet, wobei das Verhältnis von Kathoden- zu Werkstückfläche üblicherweise 1:1 beträgt. Für die kathodische Elektrophorese werden Edelstahl- oder Titanlegierungsplatten als Kathode benötigt, mit einem typischen Verhältnis von Kathoden- zu Werkstückfläche von 1:4. Die Membranabdeckungen sind beutelartige Strukturen aus semipermeablen Membranen, die mit deionisiertem Wasser gefüllt sind. Sie umschließen die Elektrodenplatten und verhindern, dass Elektrolytsäuren oder -basen in den Lack diffundieren, wodurch der pH-Wert stabilisiert wird. Hilfselektroden dienen der Sicherstellung einer gleichmäßigen Filmbildung auf komplexen Innenwänden und in Hohlräumen.

Farbnachfüllgerät

Die Nachfüllung erfolgt in einem Mischtank, in dem die Originalfarbe mit Arbeitsflüssigkeit verdünnt, gerührt und vermischt wird, bevor sie in den Elektrophoresetank gegeben wird. Alternativ kann ein Mischer zur kontinuierlichen Nachfüllung direkt in die Umwälzleitung integriert werden.

Spülvorrichtung nach der Elektrophorese

Nach der Filmbildung müssen die Werkstücke sofort und wiederholt mit zirkulierendem Ultrafiltrat, frischem Ultrafiltrat und deionisiertem Wasser gespült werden. Dadurch werden anhaftende Lackflüssigkeiten von der Filmoberfläche entfernt und ein erneutes Auflösen oder Ausdünnen des Films verhindert.

Geeignete Materialien für die KTL-Beschichtung

• Stahl und seine Legierungen: Einschließlich Automobilkarosserien, Fahrwerkskomponenten, Motorteile, Eisenwaren, Metallwerkzeuge, Landmaschinen und Baustahl.
• Aluminiumlegierungen: Dazu gehören Automobilteile wie Motorhauben, Radnaben, Kühler, Halterungen, Aluminiumprofile für Türen und Fenster, Gehäuse für Unterhaltungselektronik und Kunsthandwerk.
• Zink und Zinklegierungen: Zum Beispiel verzinkte Stahlbleche (die kathodische Elektrophorese auf verzinkten Schichten ist sehr verbreitet) und Druckgussteile aus Legierungen.
• Kupfer und Kupferlegierungen: Besondere Vorsicht ist geboten, da die Anwesenheit von Kupferionen die Stabilität der Tanklösung beeinträchtigen kann.

Faktoren, die die elektrophoretische Beschichtung beeinflussen

Der Prozessablauf für die elektrophoretische Beschichtung ist wie folgt:

Entfetten → Kaltwasserwäsche → Heißwasserwäsche → Oberflächenkonditionierung → Phosphatieren → Kaltwasserwäsche → Passivieren → Deionisiertes Wasser → Trocknen → Elektrophoretische Beschichtung → Ultrafiltratwäsche → Deionisiertes Wasser → Einbrennen → Abkühlen. Die Phosphatierung des Werkstücks vor der Elektrophorese dient der Verbesserung der Schutzwirkung des Beschichtungsfilms.

Feststoffgehalt

Der Feststoffgehalt der Lackflüssigkeit ist ein entscheidender Faktor für Stabilität, Deckkraft, Schichtdicke und Aussehen. Ist der Feststoffgehalt zu niedrig, kommt es zu starker Pigmentablagerung, Stabilität und Deckkraft nehmen ab, und der resultierende Film ist dünn, rau, porös und bietet nur unzureichenden Schutz. Ist der Feststoffgehalt hingegen zu hoch, verdickt sich der Film, die Elektroendosmose wird erschwert, und die Oberfläche wird rau und weist eine orangenhautartige Struktur auf. Zudem erhöht ein hoher Feststoffgehalt den Aufwand für Filtration und Spülung. Im Allgemeinen wird der Feststoffgehalt bei der anodischen Elektrophorese auf 10 % bis 15 % und bei der kathodischen Elektrophorese auf 20 % ± 0.5 % eingestellt.

Temperatur

Eine Erhöhung der Temperatur der Lacklösung erleichtert die Elektroabscheidung und erhöht die Schichtdicke. Zu hohe Temperaturen beschleunigen jedoch die Verdunstung des Lösungsmittels, verringern die Stabilität und führen zu Rauheit oder Ablaufen der Schicht. Umgekehrt verringern niedrige Temperaturen die Wasserlöslichkeit und erhöhen den Abscheidungswiderstand, was zu dünnen Schichten oder einer unvollständigen Schichtbildung in Vertiefungen führt. Niedrige Temperaturen erhöhen zudem die Viskosität, wodurch Blasen eingeschlossen werden und eine raue, matte Oberfläche entsteht. Daher sollten die Temperaturen für die anodische und kathodische Elektrophorese zwischen 20–25 °C bzw. 28–30 °C liegen.

PH Wert

Der pH-Wert beeinflusst Stabilität und Leitfähigkeit direkt und muss innerhalb einer Schwankungsbreite von ±0.1 streng kontrolliert werden. Im Allgemeinen sollte der pH-Wert für die anodische Elektrophorese zwischen 7.5 und 8.5 und für die kathodische Elektrophorese zwischen 5.8 und 6.7 liegen. Ein hoher pH-Wert in anodischen Systemen führt zu Harzzersetzung und Instabilität. In kathodischen Systemen verringert ein niedriger pH-Wert die Coulomb-Kraft und das Streuvermögen und erhöht gleichzeitig die Rohrkorrosion, während ein hoher pH-Wert die Flüssigkeitsstabilität verringert.

Leitfähigkeit

Die Leitfähigkeit steigt mit der Konzentration von Verunreinigungen. Eine hohe Leitfähigkeit verstärkt die Elektrolyse, wodurch der Film rau und porös wird und die Spannung, die Streuung und die Stabilität der Flüssigkeit sinken. Im Allgemeinen liegt die Leitfähigkeit kathodischer Lacke bei 1000–2000 μS/cm, während die anodische Leitfähigkeit deutlich höher ist.

Elektrodenabstand

Ein größerer Abstand zwischen Elektrode und Werkstück erhöht den Widerstand der Lösung. Ist der Abstand zu gering, entstehen ungleichmäßige Schichtdicken an den Erhebungen und Vertiefungen des Werkstücks. Ist der Abstand zu groß, sinkt die Abscheidungseffizienz, und der Film wird sehr dünn oder bildet sich gar nicht. Daher wird der Elektrodenabstand typischerweise zwischen 150 und 800 mm gehalten.

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