Lakiernictwo Ciekłe

Podczas malowania bez mgły lakierniczej powstają specjalne pojedyncze krople farby – podobnie jak w drukarce atramentowej – aby móc tworzyć powłoki na ostrych krawędziach oraz powłoki selektywne. Ta technika typu „kropla na żądanie” oferuje znaczące korzyści, takie jak: eliminacja konieczności stosowania złożonego procesu maskowania dla precyzyjnie malowanych obszarów oraz całkowite uniknięcie mgły lakierniczej (oversprayu). Powyższe prowadzi do energooszczędnej technologii systemu i minimalizuje zużycie farby.
Pomimo postępu technicznego, wdrażanie procesów powlekania bez mgły lakierniczej ograniczało się dotychczas do kilku zastosowań. Dzieje się tak dlatego, że interakcja między fizyką nakładania kropli aż po tworzenie warstwy a składem chemicznym materiałów powłokowych jest złożona i wciąż w dużej mierze niejasna. Kluczowym czynnikiem był tutaj brak zrozumienia wzajemnych oddziaływań pomiędzy recepturą farby a technologią aplikacji (rys. 1), co doprowadziło do czasochłonnych serii testów i eksperymentów zarówno przez producentów farb, jak i firmy lakierujące.

Na tym tle zespoły badawcze Instytutu Fraunhofera IPA postanowiły wypełnić lukę między teorią a praktyką w ramach projektu badawczego Stowarzyszenia AiF o nazwie „Określenie zależności struktura − właściwości farb przeznaczonych do nakładania techniką selektywnego malowania bez oversprayu (digital painting)”. W ramach projektu uzyskano cenne spostrzeżenia, które są dostępne teraz przemysłowi do własnego wdrożenia. Na przykład opracowano kompleksowy zestaw narzędzi, który umożliwia jeszcze szybsze i bardziej wydajne wdrażanie procesów powlekania selektywnego zarówno w produkcji farb, jak i w lakierniach, poprzez innowacyjne połączenie metod badań naukowych i wspomaganych komputerowo symulacji procesów CFD. 
Jury złożone z ekspertów Rady Naukowej AiF wybrało obecnie projekt Instytutu Fraunhofera IPA, będący podstawą niniejszego badania, jako jeden z trzech finalistów pretendujących do nagrody Otto von Guericke 2023.

Rys. 1. W przypadku zastosowań lakierniczych bez oversprayu opracowywanie farby odbywa się w obszarze interakcji pomiędzy stroną materiałową a technologią procesową

Wyzwania w malowaniu cyfrowym 
Najważniejszymi cechami w odniesieniu do jakości w malowaniu cyfrowym jest czyste oderwanie się kropli farby i równomierne zlanie się nałożonych kropli w jednorodną mokrą powierzchnię, co zapewnia estetyczny efekt końcowy, a także wymaganą ostrość krawędzi. Parametry te zależą jednak od wielu różnych czynników. Interdyscyplinarny zespół w Instytucie Fraunhofera IPA wykorzystał kombinację symulacji numerycznych, szczegółowych analiz aplikacji i innych metod charakteryzacji farb, aby zrozumieć te parametry i powiązane zależności. Głównymi elementami były badania eksperymentalne nad powstawaniem pojedynczych kropel i opracowanie farb modelowych. Dzięki ukierunkowanej zmianie składników farby można precyzyjnie kontrolować właściwości fizyczne i rozumieć ich wpływ na powstawanie kropel. Nowe metody charakteryzacji farb przyczyniły się do precyzyjnej oceny, a symulacje numeryczne pomogły w zrozumieniu procesu powstawania kropel (rys. 2). Symulacje opierają się na metodach związanych z dynamiką płynów „volume of fluid” (metoda VoF) i realistycznych modelach lepkości dla odpowiednich farb. Analiza za pomocą kamery pracującej z bardzo dużymi prędkościami dostarczyła cennych informacji na temat procesu aplikacji, natomiast reometria kapilarna została wykorzystana do określenia lepkości przy szybkim ścinaniu i rozciąganiu w charakterystyce farby.