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Die
Erfindung betrifft ein in zwei Phasen innerhalb von Werkzeugen aushärtbares
Lacksystem (Inmold Dual-Cure),
welche gleichzeitig Grundierfüller-
und Decklackeigenschaften aufweisen kann, sowie ein Verfahren zur
Herstellung von damit beschichteten Leichtbauteilen (z.B. Faserverbundwerkstoffe),
die im Fahrzeugbau (Schienenfahrzeuge, Automobil), Schiffbau, Luftfahrzeugbau
und Rotorblätter
von Windenergieanlagen eingesetzt werden.
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Diese
Lacksysteme können
bei an sich bekannten Faserverbundwerkstoffen eingesetzt werden,
aus bzw. mit denen Bauteile hergestellt werden können, wobei Glas-, Kohlenstofffasern
oder auch das sog. PEEK eingesetzt werden können.
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Faserverbundwerkstoffe,
wie z. B. kohlefaserverstärkte
Kunststoffe (CFK), glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) oder
PEEK u.a. sind Materialien, die häufig eingebettet in eine Epoxidharzmatrix,
sogenannten "Prepegs," vorliegen. Die Herstellung
von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen erfolgt üblicherweise in beheizbaren
Formwerkzeugen (Heizpressen oder Autoklaven). Üblich ist dabei auch die Verwendung
hoher Drücke. Durch
den Backprozess unter hohem Druck werden die "Faserverbund-Halbzeuge" zum fertigen, z.T.
kompliziert geformten Bauteil ausgehärtet. Zur Vereinfachung der
Entformung werden Trennmittel in den Formwerkzeugen eingesetzt.
Diese können
sich aber nachteilig bei der Weiterverarbeitung auswirken, da diese
in anschließenden
Arbeitsschritten gründlich
von der Bauteiloberfläche
entfernt werden müssen.
Dies ist sehr aufwändig.
Dabei wirkt sich die Qualität
der „Entfernung" besonders problematisch
beim Aufbringen nachfolgender Lackschichtsysteme aus, deren z.B.
Haftung beeinträchtigt
werden kann. Aus diesem Grund werden die entformten Leichtbauteile
anschließend
zumeist durch mechanisches Schleifen nachgearbeitet, was je nach Komplexität des Bauteils
sehr zeitintensiv ist. Die darauf folgende Lackierung kann zur Erzielung
der gewünschten,
zumeist Class A-Oberflächen,
mehrere unterschiedliche Arbeitsgänge und somit Schichten (Grundierung,
Füller,
Decklack) umfassen, die jeweils zuvor ein Zwischenschleifen erfordern
können.
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Der
jeweilige Nachbearbeitungsschritt des Schleifens ist dabei sehr
zeitintensiv. Zudem entsteht beim Schleifen Staub, der sich störend auf
den jeweilig nachfolgenden Prozess auswirken kann. Somit müssen zwischen
den einzelnen Lackierschritten Wartezeiten eingehalten werden, damit
sich der Schleifstaub wieder absetzt oder andere Staub verhindernde
Maßnahmen
getroffen werden.
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Bisher
ist das Aufbringen einer Primerschicht als so genanntes Gelcoat
in das entsprechende Formwerkzeug üblich. Ein Gelcoat wird noch
vor dem Einlegen der CFK-Prepegs, GFK-Matten und PEEK-Prepegs und
vor dem Backprozess, mit in das Formwerkzeug eingebracht. Ein herkömmliches
Gelcoat-System reagiert während
des oben genannten Prozesses unter Ausbildung seiner Gebrauchseigenschaften
als Primer. So soll die Haftung zum Substratverbessert, sowie die
mögliche
Einsparung eines anschließenden
Lackierschrittes erreicht werden. Diese Beschichtungen sind jedoch
auf Schleifbarkeit konzipiert und weisen daher nur eine geringe
Abrieb- und Kratzbeständigkeit
auf. Diese muss, z.B. zur Herstellung der gewünschten Eigenschaften, neben
den optischen (Class A-Oberflächen),
durch die Verwendung einer nachfolgenden Decklackierung hergestellt
werden.
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Dabei
tritt auch hier die bereits zuvor beschriebene Problematik der zu
entfernenden Trennmittel und dem damit verbundenen mechanischen
Schleifen auf. Die oben beschriebenen Nachteile für eine anschließende Decklackierung
bleiben damit bestehen.
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Bei
der Decklackierung kommt hinzu, dass CFK, GFK und PEEK-Faserverbundwerkstoffe
als Substrate durch ihre relativ „geringe" Temperaturstabilität limitiert sind. Dies macht
nach der Fertigstellung des Leichbauteils den Einsatz verschiedener
Lack- und/oder Sol-Gel Sys teme unmöglich, da deren Einbrenntemperaturen,
z.T. deutlich über
200°C liegen,
was zum Verzug des Bauteils (Verformung) bzw. „Verbrennen der Substratoberfläche" und damit einhergehender
Strukturschwächung
führen
kann.
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Die
Herstellung eines fertig lackierten Leichtbauteils aus einem Faserverbundmaterial
gliedert sich daher, wie folgt:
Backen des Bauteils im Formwerkzeug
(ggf. mit Gelcoat) Entformung
Nacharbeit durch z.B. Anschleifen
der Oberfläche
Ggf.
Aufbringen eines Haftvermittlers
Aufbringen eines Primers ggf.
Füllers
Nacharbeit
und ggf. Schleifen
Decklackieren
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Schematisch
ist dies mit 1 in sieben Schritten gezeigt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den Aufwand und damit die Kosten bei der Herstellung
von Bauteilen aus oder auch mit Faserverbundmaterial, zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einem Lacksystem nach Anspruch 1 gelöst. Mit einem Verfahren, dass
die Merkmale des Anspruchs 9 aufweist, können Leichtbauteile mit Faserverbundmaterial
mit einer Lackbeschichtung versehen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten
Ansprüchen
bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Bei
der Erfindung kann aufbauend, auf den bekannten Lösungen,
auch eine Gelcoat-Beschichtung bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen
ausgebildet werden.
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Mit
einem nachfolgend noch detailliert zu beschreibenden in zwei Phasen
aushärtbarem
Lacksystem können
Lackierschichten, welche, je nach Aushärtungsart sowohl Grundierfüller-, als
auch Decklackeigenschaften in sich vereinen, ausgebildet werden.
Dadurch kann die für
die Herstellung lackierter Bauteile aus oder auch mit Faserverbundwerkstoff
(z.B. aus CFK, GFK oder PEEK) erforderliche Zeit deutlich verkürzt werden
(Einsparung von Verfahrensschritten).
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit
einer zusätzlichen
Einprägung
von funktionellen Mikro- oder Nanostrukturen zur Erzeugung von z.B.
strömungsgünstiger
Oberflächen
oder Oberflächen
mit Selbstreinigungseffekt (sog. Lotus-Effekt) direkt in die ausgebildet
Lackschichtoberfläche
während
des Herstellungsprozesses (Backprozess).
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Das
erfindungsgemäße Lacksystem
wird dabei mit zwei voneinander unterschiedlichen Harzkomponenten
gebildet.
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Der
angestrebte Härtungsmechanismus
ist vorzugsweise eine Kombination aus einer Polyadditionsreaktion
und einer Polymerisationsreaktion (aus einer geeigneten Strahlungsquelle
für elektromagnetische Strahlung
(UV-Licht oder Elektronenstrahl)).
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Dabei
ist die eine Harzkomponente so gewählt, dass sie ausschließlich durch
Polyaddition und/oder anaerob-, metallinduzierter Polymerisation
aushärtet.
Die andere Harzkomponente wird ausschließlich durch eine mit elektromagnetischer
Strahlung induzierten Polymerisation, vorzugsweise UV-Licht ausgehärtet.
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Grundsätzlich sind
bei allen unten genannten erfindungsgemäßen Lacksystemen die UV-Harz-Komponente
eine, die durch eine Polymerisationsreaktion ausgehärtet wird
und die anderen Harzbestandteile (z.B. Epoxidharze und PUR) vorzugsweise
durch eine Polyadditionsreaktion ausgehärtet werden. Solche in zwei Phasen
aushärtbaren
Lacksysteme können
nur aus interpenetrierenden Mischungen von Harzen beider Reaktionstypen
bestehen. Systeme mit Harzen, die beide Reaktionsmechanismen in
sich vereinen sind nicht geeignet, da die notwendige Phasenseparation
während
des Herstellungsprozesses der CFK-, GFK oder PEEK-Bauteile mit all
seinen Vorteilen, nicht mehr gegeben ist. Dabei soll kein einziges
der enthaltenen Harze auf Grund beider Reaktionsmechanismen aushärten können. Die
Harze sollten unterschiedliche physikalische Dichte aufweisen.
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Geeignete
Rezepturen für
erfindungsgemäße Lacksysteme,
die in Werkzeugen und dabei in zwei getrennten Phasen aushärtbar sind,
sollen nachfolgend genannt werden.
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Es
kann eine Formulierung aus radikalisch härtenden UV-Harzen (5–95 Gew.-%)
und aus Isocyanat/hydroxyfunktionellen Polyol-Komponenten (95–5 Gew.-%),
die ein- oder zweikomponentig vorliegen, für ein Lacksystem eingesetzt
werden.
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Beispielrezepturen: Flüssiglack
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- 2K-UV/PUR Dual-Cure System (radikalisch induziert, Feststoffanteil
100 %)
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Komponente A:
| Rohstoff | Gew.-% |
| Polyesterpolyol | 35,50 |
| Acrylatharz | 11 |
| Urethanacrylatharz | 13 |
| Reaktivverdünner (Hexandioldiacrylat) | 6 |
| UV
Initiator (1-Hydroxycyclohexylphenyl-Keton) | 0,5 |
| Gesamt
Komponente A: | 66,00 |
Komponente B:
| Rohstoff | Gew.-% |
| aliphatisches
Polyisocyanat | 34,00 |
| Gesamt
Komponente B: | 34,00 |
1K-UV/PUR Lacksystem (radikalisch induziert, Feststoffanteil
100 %)
| Rohstoff | Gew.-% |
| Polyesterpolyol | 24 |
| Polyisocyanat
(blockiert) | 46 |
| Acrylatharz | 10,8 |
| Urethanacrylatharz | 12,75 |
| Reaktivverdünner (Hexandioldiacrylat) | 6 |
| UV
Initiator (1-Hydroxycyclohexylphenyl-Keton) | 0,45 |
| Gesamt
Komponente A: | 100,00 |
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Beispielrezeptur: Pulverlack
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- UV/PUR Pulverlack-System (radikalisch induziert, Feststoffanteil
100 %)
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| Rohstoff |
Gew.-% |
| OH
terminierter Polyester |
52,75 |
| cycloaliphatisches
Polyurethdion |
14,55 |
| Verlaufsmittel |
1,6 |
| Katalysator
Zinn-II-octoat |
1,1 |
| Ungesättigter
Polyester (UV-Harz) |
24,20 |
| Urethanacrylat
(kristalliner Härter) |
2,70 |
| Entgasungsmittel |
0,30 |
| Verlaufsmittel |
2,00 |
| UV
Initiator (1-Hydroxycyclohexylphenyl-Keton) |
0,80 |
| Gesamt
Komponente A: |
100,00 |
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Formulierung
aus radikalisch härtenden
UV-Harzen (5–95
Gew.-%) und aus Epoxidharzen und deren Reaktionspartnern (z.B. Amine)
(95–5
Gew.-%), die ein- oder
zweikomponentig vorliegen können,
als Beispielrezepturen für
ein flüssiges
Lacksystem:
2K-UV/Epoxid Dual-Cure System (radikalisch induziert,
Feststoffanteil 100 %) Komponente A:
| Rohstoff | Gew.-% |
| Epoxidharz
Typ Bisphenol AF | 42,00 |
| Acrylatharz | 10,00 |
| Urethanacrylatharz | 12,00 |
| Reaktivverdünner (Hexandioldiacrylat) | 5,50 |
| UV
Initiator (1-Hydroxycyclohexylphenyl-Keton) | 0,5 |
| Gesamt
Komponente A: | 70,00 |
Komponente B:
| Rohstoff | Gew.-% |
| Polyamidoamin | 30,00 |
| Gesamt
Komponente B: | 30,00 |
1K-UV/Epoxid System (radikalisch induziert, Feststoffanteil
100 %)
| Rohstoff | Gew.-% |
| Epoxidharz
Typ
Bisphenol AF | 64,5 |
| Polyamidoamin
(blockiert) | 5 |
| Acrylatharz | 11 |
| Urethanacrylatharz | 13 |
| Reaktivverdünner (Hexandioldiacrylat) | 6 |
| UV
Initiator (1-Hydroxycyclohexylphenyl-Keton) | 0,5 |
| Gesamt
Komponente A: | 100,00 |
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Beispielrezeptur: Pulverlack
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- UV/Epoxid Pulverlack-System (radikalisch induziert, Feststoffanteil
100 %)
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| Rohstoff |
Gew.-% |
| Bisphenol
A Epoxidharz |
63,50 |
| Dicyandiamid-Derivat
Vernetzer |
3,20 |
| Verlaufsmittel
Polyacrylatharz in Epoxidharz |
3,30 |
| Ungesättigter
Polyester (UV-Harz) |
24,20 |
| Urethanacrylat
(kristalliner Härter) |
2,70 |
| Entgasungsmittel |
0,30 |
| Verlaufsmittel |
2,00 |
| UV
Initiator |
0,80 |
| Gesamt
Komponente A: |
100,00 |
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Geeignete
Formulierungen können
aus ionisch härtenden
UV-Harzen (5–95
Gew.-%) und aus Isocyanat/hydroxyfunktionellen Polyol-Komponenten
(95–5
Gew.-%), die ein- oder zweikomponentig gebildet werden.
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Formulierung
können
auch aus ionisch härtenden
UV-Harzen (5–95 Gew.-%)
und aus Epoxidharzen und deren Reaktionspartnern (z.B. Amine) (95–5 Gew.-%),
die ein- oder zweikomponentig vorliegen, gebildet werden.
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Aufgrund
der unterschiedlich eingestellten Dichte der beiden wesentlichen
Bestandteile im Lacksystem (UV und EP-PUR) kommt es während des
Herstellungsprozesses der Leichtbauteile, zu einer Filmseparation,
wobei das UV-Harz die spätere
Bauteiloberfläche
(somit Grenzschicht zwischen Faserverbundhalbzeug und Formwerkzeug)
darstellt. Dies kann entweder nach dem Entformen oder an bereits
lackierten Bauteilen mittels UV-Strahlung zeitversetzt während des
Prozesses, durch die Verwendung geeigneter für UV-Strahlung transparenter
Werkzeugschalen, ausgehärtet
werden.
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Im
Bereich der mit elektromagnetischer Strahlung ausgehärteten Lackschicht
(Decklackbereich) ist der Film anschließend hoch vernetzt und dadurch
widerstandsfähig
gegenüber
chemischen und mechanischen Angriffen (Kratzer Abrieb usw.). Im
darunter liegenden Primerbereich ist der Lackfilm „nur" durch die Polyadditionsreaktion
vernetzt, was zu einem Polymer mit sehr guten Haftungseigenschaften
führt.
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Die
zu verwendenden Lacksysteme (Nasslacke/Pulverlacke) sind vorzugsweise
mit 100 % Fest stoffanteil zu formulieren, da jegliche Verdünnungsmittel
(Wasser oder organische Verdünnungsmittel)
während des
Herstellungsprozesses verdampfen und zu Oberflächenstörungen führen.
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Die
Lacksysteme können
damit sowohl flüssig
als auch pulverförmig
vorliegen, sowie pigmentiert oder unpigmentiert sein. Weiterhin
können
weitere Bindemittelklassen eingesetzt werden um das Eigenschaftsprofil der
späteren
Deckschicht zu gestalten. Dies sind z.B.:
fluorierte und/oder
silanisierte Harze/Bindemittel zur Verringerung der Oberflächenenergie
(Hydrophobierung)
Harze/Bindemittel, die speziell unter anaeroben
Bedingungen unter Einfluss katalytisch wirkender Metalloberflächen (z.
B. aus den Formen zur Bauteilherstellung oder aus speziellen Metallinitiatioren)
aushärtbar
sind.
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Anaerobe
Lacke können
demnach in Gegenwart von Sauerstoff stabil gelagert werden. Der
Sauerstoff übernimmt
eine Inhibitorfunktion. Unter Ausschluss von Sauerstoff, d.h. beim
Härtungsprozess
in einem Autoklauen, kommt es bei Anwesenheit von Metallionen zur
Härtungsreaktion.
Die Metallionen können
dabei entweder aus der Metalloberfläche eines luftundurchlässigen Substrats
kommen oder vorzugsweise durch Zugabe in die Rezeptur aus dem Lack
selbst. Anaerobe lacke sind somit verarbeitungstechnisch gesehen
einkomponentige Systeme.
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Speziell
bei Pulverlacksystemen ist die Verwendung von Polyesterharzen vorteilhaft.
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Damit
verbinden erfindungsgemäße Lacksysteme,
wie zuvor benannt die positiven Eigenschaften aus den beiden Härtungsreaktionen
Polyadditions- und Polymerisationsharze, wie z.B. sehr gute Haftung
zum Untergrund, durch z.B. die Verwendung eines EP-Harzes sowie
geringe Vergilbungseigenschaften, durch z.B. die Verwendung eines
PUR-Harzes. Durch Ausbildung einer hohen Vernetzungsdichte aus dem
UV-Harz resultieren hohe Kratz-, Abrieb- und chemische Beständigkeit.
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Bei
der Rezeptierung ist darauf zu achten, dass die Wellenlängenverteilung
der elektromagnetischen Strahlung, die Absorptionseigenschaften
der eingesetzten Pigmente, die spektrale Empfindlichkeit der eingesetzten
Fotoinitiatoren und UV-Absorber aufeinander abgestimmt werden.
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Die
Ausbildung einer Lackierung mit einem erfindungsgemäßen Lacksystem
erfolgt entweder direkt auf eine Werkzeugoberfläche oder direkt auf die Oberfläche des
hergestellten Faserverbundwerkstoff-Halbfabrikates.
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Aus
der Verwendung des neuartigen Lacksystems in Kombination mit dem
bereits bekannten Herstellungsverfahren und anschließender Bestrahlung
mit elektromagnetischer Strahlung oder der „in situ"-Belichtung durch ein entsprechendes
zumindest bereichsweise transparentes Werkzeug ergeben sich nachfolgende Vorteile:
Einsparung
von mindestens einer Lackschicht, dadurch Prozesskostensenkung und
Verringerung der Masse eines Bauteils
Lackierung während des
Bauteil-Backprozesses, Prozesskostensenkung
Verarbeitung dünnerer Lackschichten
möglich,
dadurch Gewichtsersparnisse
Erhebliche Kosteneinsparungen durch
Verzicht auf manuelle Arbeitsumfänge
und reduzierter Prozesszeit sowie Verzicht auf Anlagentechnik für einen
Schutz vor Schleifstaub
Nutzbarmachung einer Härtungstechnologie
in Anwendungsgebieten, die zuvor dafür ausgeschlossen waren.
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Mit
einem erfindungsgemäßen Lacksystem
können
Lackschichten auf Oberflächen
von Bauteilen, die mit Faserverbundmaterial gebildet sind in einem
Formwerkzeug ausgebildet werden. Dabei wird ein Halbfabrikat für das jeweilige
Bauteil in ein beheizbares Formwerkzeug eingesetzt. Das vorbereitete
Lacksystem kann dabei auf die Oberfläche der Formwerkzeuginnenwand
und/oder eine mit einer Lackschicht zu versehende Oberfläche des
Bauteils aufgetragen werden. Das Lacksystem kann dabei als ein Gemisch
aufgetragen werden. Bei geschlossenem Formwerkzeug erfolgt bei einer
Wärmebehandlung
die Aushärtung
des Faserverbundmaterials. Dabei kann mit für die Herstellung von Bauteilen,
die mit Faserverbundmaterial hergestellt sind, üblichen Drücken und Temperaturen verfahren
werden. Während
der Wärmebehandlung
trennen sich die beiden Phasen des Lacksystems und die jenige, die
durch eine Polyaddition oder anaerob-, metallinduzierter Polymerisation
aushärtet
bildet beim Aushärten
eine Lackschicht auf der Oberfläche
des Bauteils aus. Die andere Phase wird dabei noch nicht ausgehärtet und
setzt sich auf der Oberfläche
der durch Polyaddition oder anaerob-, metallinduzierter Polymerisation
ausgehärteten
Phase ab und bil det im Formwerkzeug eine Grenzschicht zwischen Bauteil
und Formwerkzeugwand.
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Nachfolgend
wird die Oberfläche
der noch nicht ausgehärteten
Phase mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt und dadurch eine
obere kratz- und abriebfeste Decklackschicht gebildet. Die Bestrahlung
kann nach der Entformung oder auch durch eine für die Strahlung transparente
Wandung des Formwerkzeuges erfolgen.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit
die zwei Phasen des Lacksystems getrennt voneinander aufzutragen.
Dabei kann die durch Polyaddition oder anaerob-, metallinduzierter
Polymerisation aushärtbare
Phase auf die Oberfläche
des Halbfabrikats und die durch Bestrahlung aushärtbare Phase auf die Innenwand
des Formwerkzeuges aufgetragen und dann die Verdichtung, Formgebung
und eine Aushärtung
bei der Wärmebehandlung
im Formwerkzeug durchgeführt
werden. Dabei erfolgt bei der Wärmebehandlung
eigentlich keine Separation der Phasen mehr. Mit einem solchen Auftrag
kann insbesondere eine Oberflächenstruktur,
wie vorab erläutert
günstig
ausgebildet werden. Die Haftung der Lackschichten wird ebenfalls
günstig
beeinflusst.
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Nachfolgend
soll die Vorgehensweise bei der Ausbildung von Lackschichten auf
Bauteilen schematisch verdeutlicht werden.
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Dabei
zeigen:
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1 den
schrittweisen Verfahrensablauf nach dem Stand der Technik und
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2 den
schrittweisen Verfahrensablauf, wie er mit der Erfindung möglich ist.