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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Beschichtungstechnik Die

Beschichtungstechnik Die Zukunft der Elektronenstrahlhärtung Möglichkeiten und Vorteile für gehärtete Beschichtungen Die ersten Experimente mit Elektronenstrahlen reichen zurück bis in die 1920er Jahre in den USA. Doch die ersten Versuche, Lacke mit Elektronenstrahlhärtung (ESH) zu trocknen, wurden erst im Jahr 1960 durchgeführt. Das Funktionsprinzip der ESH besteht darin, dass ein Elektronenbündel in einer Beschichtung eine Vernetzung induziert, die mit einer radikalischen Polymerisation verbunden ist, wie sie aus der organischen Chemie bekannt ist. Diese Vernetzung ist nur möglich, wenn der Lack Doppelbindungen, beispielsweise in Autor: David Helsby, Präsident von RadTech Europe Form von Äthylen-, Propylen-, Vinyl- oder Acrylgruppen, enthält. Die letzteren werden aufgrund der Kombination mehrerer vorteilhafter Eigenschaften bevorzugt. Elektronenbeschleunigung im elektrischen Feld Die Elektronen werden erzeugt, indem ein elektrischer Strom durch einen Wolframdraht geleitet und dann im Vakuum in einem elektrischen Feld beschleunigt wird. Die Elektronen verlassen den Beschleuniger durch ein Fenster aus Titanfolie, das für die Elektronen durchlässig ist. Dieses Verfahren bietet sich hauptsächlich für flache Produkte an, obwohl das Elektronenspektrum auch geeignet ist, um eine gewisse Profilhöhe zu härten. Jetzt wird das mit Lack oder Tinte beschichtete Produkt unter dem Titanfenster hindurchgeführt, so dass der Elektronenstrahl die Schicht härten kann. Hierzu wird eine Schutzgasatmosphäre benötigt, da der vorhandene Sauerstoff zu einer Reihe von ungewünschten reaktiven Bindungen in der Beschichtung führen würde. Für gewöhnlich kommt reiner Stickstoff (mind. 99,98 %) mit einem Sauerstoffanteil von weniger als 200 ppm zum Einsatz. Dosierung und Energiedichte Die Elektronenstrahlhärtung ist vor allem von der Dosis und der Energiedichte der Elektronen abhängig. Die Dosis bezeichnet die Menge an Elektronen, die auf die Beschichtung auftreffen, und wird von der Temperatur des Wolframdrahts bzw. der Stromstärke und/oder der Spannung bestimmt. Sie definiert die Geschwindigkeit bzw. den Grad der Vernetzung, der in Verbindung mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden kann. Das angelegte elektrische Hochspannungsfeld gibt die Energie der Elektronen und daher vor, wie tief diese in die zu härtende Beschichtung eindringen. Im Allgemeinen wird bei Lacken und Tinten eine Spannung von 70 kV bis 300 kV angewendet. Damit wird eine Eindringtiefe von etwa 15 µm bis 500 µm erreicht, obwohl dieser Wert natürlich auch von der Dichte des Beschichtungsmaterials abhängig ist. Hier kommt es darauf an, diese Parameter genau aufeinander abzustimmen, denn eine zu niedrigere Spannung härtet nicht bis in die vorgesehene Tiefe, während bei einer zu hohen Spannung das Trägermaterial unnötig beeinflusst werden könnte. Neben dem unnötigen Energieverbrauch kann auch eine Verfärbung die Folge sein. Geringer Energieverbrauch und keine Abfallprodukte Im Vergleich zu Pulver- und Nasslacken bietet die Elektronenstrahlhärtung zahlreiche Vorteile. Vor allem kommen keine organischen oder sonstigen Lösungsmittel zum Einsatz, so dass dieses Verfahren umweltfreundlich ist, da es zudem kein Kohlendioxid an die Atmosphäre abgibt. Um die Materialien für Beschichtungsprozesse verwenden zu können, werden lediglich niedermolekulare Polyethylenglucole (PEG), Propylenglycolacryle (PGA) oder andere multifunktionale Verbindungen als „Lösungsmittel“ hinzugesetzt. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Energieverbrauch. Wenn man jetzt noch die Kühlung und andere Prozesse in die Berechnung mit einbezieht, wird der Vorsprung der ESH noch deutlicher. Auch die CO 2 -Emissionen sind um ein Vielfaches geringer. Zudem laufen die Vernetzungsreaktionen bei der Elektronenstrahlhärtung schnell und vollständig ab. Eine hohe Kratzfestigkeit, Chemikalienund Farbbeständigkeit sind weitere Vorteile. ESH-Umstieg und Anfangskosten Die hohen Anfangskosten stellen eine wesentliche Hürde für den Umstieg auf die Elektronenstrahlhärtung dar. Diese sind durch die benötigte Vakuumkammer, die Hochspannungsversorgung sowie die Schutzgasatmosphäre begründet. Aufgrund der beispiellos vorteilhaften Eigenschaften der resultierenden Beschichtung und der Umweltfreundlichkeit werden solche Fragestellungen, wie der Energieverbrauch und das Vermeiden von Abwasser und Abgasen, in Zukunft jedoch eine immer größere Rolle spielen. Das Verfahren ist einsatzbereit und Rad Tech Europe sieht es als eine seiner vordringlichsten Aufgaben an, die Industrie über die Qualität und den Wert der Elektronenstrahlhärtung zu informieren. Eine wichtige Plattform, um dieses Ziel zu erreichen, ist die alle zwei Jahre ausgerichtete Konferenz und Ausstellung von RadTech Europe, die in diesem Jahr vom 15. – 17. Oktober in Basel, Schweiz, stattfindet. RadTech Europe mail@radtech-europe.com www.radtech-europe.com 32 3/2013

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel