Fraunhofer IPA auf der PaintEXPO 2024: Von Krebsen, Fledermäusen und Drohnen
Lacke aus Abfällen, Qualitätsprüfung nach dem Fledermaus-Prinzip, Auftrag
von Beschichtungen mittels Drohnen: Auf der PaintEXPO vom 9. bis 12. April
in Karlsruhe präsentieren Forscherinnen und Forscher nachhaltige und
ressourcensparende Entwicklungen.
Vorträge des Fraunhofer IPA
PaintEXPO 2024, Halle 1, Stand 1322
9. bis 12. April
täglich 10 Uhr: zum Themenbereich Nachhaltigkeit
täglich 13 Uhr: zum Themenbereich Digitalisierung
täglich 15 Uhr: zum Themenbereich Automatisierung
»Unser Ziel sind nachhaltige Lösungen für die Lackierung und Beschichtung
von Oberflächen. Dafür entwickeln wir ressourcensparende, automatisierte
und digital optimierte Lösungen«, erklärt Dr. Volker Wegmann vom
Fraunhofer IPA.
Biobasierte Materialien einsetzen
Forscherinnen und Forschern am Institut ist es beispielsweise gelungen,
Farbpigmente auf der Basis von Lebensmittelabfällen herzustellen. Den
Rohstoff für diese Produkte liefern Krabben: Aus deren Chitin-Panzern, die
beim Pulen in großen Mengen anfallen, lässt sich Chitosan gewinnen. Die
Oberflächen des Chitosan-Pulvers bilden stabile Verbindungen mit
verschiedenen Farbstoffen, die dann Lacken zugegeben werden können. »Die
Lackiertechnik ist eine energie- und ressourcenintensive Branche. Daher
ist es wichtig, ressourceneffizienter zu werden. Biobasierte Rohstoffe wie
die neuen Farbpigmente können dabei helfen«, betont Wegmann. Das zweite
entscheidende Thema sei es, Verluste beim Lackieren und Beschichten zu
minimieren.
Verluste reduzieren
Einen wichtigen Beitrag kann hier Automatisierungstechnik leisten: »Bisher
wird diese in der Lackiertechnik noch nicht voll ausgeschöpft, weil der
Programmieraufwand für Einzelstücke und kleine Serien zu hoch ist«, weiß
IPA-Kollege Dr. Oliver Tiedje. Untersuchungen am IPA haben jedoch gezeigt,
dass sich die Programmierung von Lackierrobotern mithilfe von Simulationen
beschleunigen und vereinfachen lässt: Wird der komplette Lackierprozesses
im Vorhinein modelliert und optimiert, so kann auf zeit- und
ressourcenaufwendige Probelackierungen verzichtet werden.
Verluste lassen sich auch durch neue Lackiertechniken reduzieren: Bisher
werden Lacke meist aufgesprüht, dabei entsteht zwangsläufig Sprühnebel.
Durch diesen Overspray geht ein Teil der Ressourcen verloren. Eine
Alternative ist die am IPA erarbeitete Drop-on-Demand-Technik, bei der
Lack gezielt tröpfchenweise auf die Oberflächen aufgebracht wird. Dieses
Auftropfen spart Material und macht Prozessschritte wie das schützende
Abdecken von Flächen, die nicht lackiert werden sollen, sowie
zeitaufwendige Reinigungsarbeiten überflüssig.
Hinter der neuen Technik verbirgt sich jahrelange Entwicklungsarbeit: In
zahlreichen experimentellen und simulationstechnischen Versuchen wurden im
Projekt »Digital-Painting« unterschiedliche Tropfenapplikationsparameter
und Modelllacke erprobt. Dank eines Simulationsmodells gelang es, die
Einzeleinflüsse von Lack, Lösemittel, Pigment und Additiv
herauszuarbeiten.
In einem anderen Forschungsprojekt konnten die Ingenieurinnen und
Ingenieuren eine automatisierte Beschichtungstechnik mittels Drohnen
entwickeln, die Rotoren von Windkraftanlagen vor Vereisung schützen.
Bisher waren Hubschrauber nötig, um die riesigen Rotorblätter mit
Enteisungsmittel zu besprühen – dies ist nötig, um im Winter die Bildung
von Eisschichten zu verhindern, die oft zu Unwuchten und Verschleiß führt.
Drohnen bilden eine kostengünstige Alternative. Doch um sie nutzen zu
können, musste eine Spritzvorrichtung entwickelt werden, die selbst bei
starkem Wind noch sehr genau arbeitet, gleichzeitig aber wenig wiegt.
Benötigt wurden ferner Drohnen, die die nötige Tragkraft haben und die
sich sehr präzise steuern lassen. Die technischen Parameter –
beispielsweise den benötigten Druck, die effiziente Zerstäubung und die
optimale Tröpfchengröße – ermittelte Tiedjes Team mithilfe fluid-
dynamischer Simulationen.
Die Möglichkeiten der Digitalisierung ausschöpfen
»Weitere Möglichkeiten der Optimierung ergeben sich aus der Nutzung
digitaler Daten«, ergänzt Tiedje. »In den Lackierbetrieben werden zwar
viele Daten erfasst, aber nicht umfassend genutzt. Der Einsatz innovativer
Sensoren, Simulationen und KI erlaubt jetzt neue effiziente Lösungen.«
Ein Beispiel für die effiziente Nutzung von Daten ist ein Rheometer, das
den Verlauf von Lackschichten beim Aushärten digital erfasst. Das Gerät
arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip wie die Fledermaus: Diese sendet
kurze Ultraschall-Rufe wechselnder Frequenz aus, die von der Umgebung,
abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit, reflektiert werden. Auch das
neuartige Rheometer nutzt unterschiedliche Frequenzen, um die
Materialeigenschaften auszuloten: Eine mit Löchern versehene Platte bewegt
sich auf einer Lackschicht hin und her, während diese aushärtet. Da die
Viskosität beim Aushärten abnimmt, wird die Schwingung der Deckplatte
gebremst, die benötigte Kraft nimmt folglich zu. Aus der Messung dieser
Schwingungsveränderungen kann ein Computerprogramm Rückschlüsse auf das
Erscheinungsbild der lackierten Fläche ziehen. »Mithilfe dieser Daten
lassen sich die optimalen Bedingungen für eine Lackierung – ohne
aufwändige Trial- and Error-Versuche – ermitteln«, erklärt Tiedje.
Die Themenbereiche Digitalisierung, Automatisierung und Nachhaltigkeit
präsentieren die Expertinnen und Experten vom Fraunhofer IPA in Vorträgen
am Stand 1322 in Halle 1 auf der PaintEXPO von 9. bis 12. April jeweils um
10 Uhr (Nachhaltigkeit), 13 Uhr (Digitalisierung) und 15 Uhr
(Automatisierung).
