DaimlerChrysler: Simulation von Lackierprozessen optimiert Produktion
Zur Optimierung von Lackierprozessen entwickeln die Forscher von DaimlerChrysler spezielle Berechnungsverfahren. Bereits vor Produktionsanlauf können sie damit Aussagen treffen, auf welche Art eine Fahrzeugkarosserie so effizient wie möglich lackiert oder ein bestehendes Lackierverfahren verbessert werden kann. Dieses frühzeitige Planen reduziert Kosten und erhöht die Planungssicherheit. Auf dem Markt ist bislang kein kommerzielles Programmpaket verfügbar, das Vorhersagen über Lackierprozesse machen könnte. Deshalb bilden die Forscher von DaimlerChrysler die unterschiedlichen Systeme mit ihren dynamischen Prozessen als Modell nach. Die Erkenntnisse aus den Simulationen sind auf die Realität übertragbar.
Weg in die Praxis
Die Produktionsplaner und Entwickler können mit diesem Hilfsmittel bereits in einem frühen Stadium prüfen, wie gut eine neu entworfene Fahrzeugkarosserie lackiert werden kann. Aufwändige und kostenintensive Versuche entfallen weitgehend, da die Berechnungen verlässliche Ergebnisse liefern. Mit ihrer Hilfe sind die Planer in der Lage, frühzeitig die Bedingungen für die Produktion zu ermitteln und die erforderlichen Prozesse darauf auszulegen. Sogar in der laufenden Produktion eignen sich Modellierung und numerische Simulation hervorragend zur Optimierung der bestehenden Infrastruktur. So können Lackierroboter beispielsweise schneller und präziser auf ihre Aufgaben eingestellt werden.
Lackiert und aufgesprüht
Tausende von Lackpartikeln werden bei der Sprühlackierung rechnerisch verfolgt – vom Verlassen des Zerstäubers bis zum Auftreffen auf das Bauteil. Dabei müssen die Experten berücksichtigen, dass nicht alle Tröpfchen am Ziel ankommen. Der Auftragswirkungsgrad beschreibt die Effizienz der Beschichtung.
Die DaimlerChrysler-Forscher berechnen die Dynamik der Lacktröpfchen unter dem Einfluss der lenkenden Luftströmung und des angelegten elektrischen Feldes. Eine Vielzahl physikalischer Kräfte wirkt hier auf die Partikel. Mit Hilfe der Simulation ist es möglich, die Dicke der erwarteten Lackschicht vorherzusagen. Zusätzlich erlauben die Kalkulationen Aussagen über die Vorgehensweise, wie der Lack am besten aufgesprüht werden soll – besonders für Problembereiche wie Ein- und Ausbuchtungen an der Karosserie. Auf diese Weise ermitteln die Forscher die Bedingungen für die unterschiedlichsten Fahrzeug-Geometrien.
Aufprall und Zerfließen des Lacksprays
Das Versprühen der Lackpartikel ist eine der Herausforderungen für die Simulation. Die mathematische Beschreibung des fertigen Lackfilms spielt jedoch eine ebenso wichtige Rolle. Dabei stehen die Zusammensetzung des Lacks, seine Vernetzung und die Art des Zerfließens in enger Wechselbeziehung. Stoff- und Wärmetransport sowie Reaktionsverläufe müssen hierbei berechnet werden.
Tauchbäder
Für die erste Lackschicht wird die Rohkarosserie nicht besprüht, sondern getaucht. Die Methode heißt kathodische Tauchlackierung. Hier treten wieder ganz andere Effekte auf, wie zum Beispiel Luftblasen beim Eintauchen der Karosserie oder verschleppte Badflüssigkeit beim Austauchen.
Mit Hilfe der Modellrechnungen sind die Forscher von DaimlerChrysler in der Lage, den Ort und die Größe der eingeschlossenen Luftblasen vorherzusagen sowie die Mengen des verschleppten Lackbades anzugeben. Außerdem bestimmen sie die mechanischen Belastungen des Fahrzeug-Rohbaus während des Tauchvorgangs. Daraus leiten sie die benötigten Kräfte und Drehmomente an der Karosserie-Aufhängung ab.
Heizen und Trocknen
In Trocknern wird die Karosserie einige Minuten lang aufgeheizt, je nach Schritt bis auf 180° Grad Celsius. Hier müssen die Wissenschaftler verlässliche Temperaturverteilungen prognostizieren und voraussagen, wie sich die Vollkarosserie beim Aufheizen verhält.
Ausgehend von den vorhandenen Strömungen und Temperaturverteilungen im Trockner wird dabei der Wärmetransport über die Luft und durch die Strahlung simuliert. Gleichzeitig muss der Wärmeübergang auf die Karosserie und die Wärmeleitung innerhalb der Karosserie berücksichtigt werden. Nebeneffekte sind Verluste durch die Lösungsmittelabdunstung aus dem Lackfilm und thermische Verformungen am Fahrzeug-Rohbau.
Im Fall der Lacktrocknung können die Produktionsplaner beispielsweise Informationen über notwendige Trockenzeiten entnehmen – ohne Versuche im Vorfeld durchführen zu müssen. So tragen die Forscher mit ihren Modellrechnungen wesentlich zu kostengünstigeren Lackiervorgängen und hoher Lackqualität bei.