Lack wird oftmals mit einer »zweiten Haut« verglichen. Diese Haut sorgt dafür, dass Objekte widerstandsfähiger gegen Umwelteinflüsse werden und ästhetisch weiter gewinnen. Sofern man davon absieht, dass man den meisten Fahrzeugen, Möbeln oder Werkzeugen nicht unbedingt eine (erste) Haut zuschreiben sollte: der Vergleich hat durchaus seine Berechtigung. Das Lackieren ist meist der letzte, absolut notwendige Schritt bei der Produktion von Objekten. Vom Schemel bis zu Teilen für ein Großraumflugzeug. Dabei wird das Auftragen der Farbe in der Regel längst von Lackiermaschinen übernommen, die von speziell ausgebildeten Lackierern exakt auf die Maße der zu veredelnden Teile eingestellt werden. Das ist problemlos und kostengünstig - sofern es sich um Massenanfertigungen und damit auch um Massenlackierungen handelt. Aufwändig wird es aber dann, wenn nicht ganze Serien, sondern nur wenige Teile oder gar Einzelstücke lackiert werden sollen. Dann muss der Lackierer selbst Hand anlegen und die Spritzpistole bedienen. Dass dieser Prozess derzeit nur mit menschlicher Arbeitskraft und Augenmaß möglich ist, birgt zwei wesentliche Probleme: zum einen sind die Kosten für das Lackieren überall dort hoch, wo ausgebildete Lackierer individuell eingreifen müssen. Zum anderen kommt es beim Abschätzen der richtigen Farbmenge naturgemäß zu Fehlern: Kein Mensch ist in der Lage überall die minimal nötige Menge an Lack gleichmäßig aufzutragen.

Geht es nach dem Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM gehören beide Schwierigkeiten künftig der Vergangenheit an. Denn nun gewährleistet eine neue Technologie die mathematisch-optimale Lackierung von Einzelstücken. Die Ergebnisse sind erstaunlich. Das Lackiersystem erlaubt im Vergleich zum fachmenschlichen Anstrich eine Reduktion des Lackverbrauchs um 20 Prozent. Zudem werden 15 Prozent weniger Energie verbraucht. Und die Zeit für den eigentlichen Lackierprozess reduziert sich um fünf Prozent.

Losgröße eins

Einer der »Väter« des neuartigen, automatischen Lackierens ist Joachim Jonuscheit. Er und sein Team am Fraunhofer ITWM haben in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und dem schwedischen Fraunhofer-Chalmers Centre for Industrial Mathematics FCC »SelfPaint« entwickelt, eine selbstprogrammierende Lackierzelle. Sie erlaubt es, künftig selbst kleine Chargen oder gar Einzelobjekte vollautomatisch, effektiv und kostengünstig zu lackieren. Im Unterschied zu gängigen Methoden setzen die Forscher auf zwei wesentliche Neuerungen: Zum einen auf dreidimensionale Modelle und Simulationen, mit deren Hilfe für den Lackierroboter nicht nur die zu lackierenden Stellen berechnet werden, sondern auch, worauf die Maschine besonders »achten« und wie sie lackieren soll. Das sind beispielsweise Bereiche wie Ecken oder Kanten, die einer individuellen, besonders sorgsamen Behandlung bedürfen. Und zum anderen auf eine Qualitätsprüfung, bei der Licht mit einer Wellenlänge zwischen Mikrowelle und Infrarot genutzt wird, um die Dicke des aufgetragenen Lacks exakt zu vermessen. »Mit dieser Terahertz-Technik haben wir am Institut lange und vor allem gute Erfahrungen gemacht. Sie ist ideal, um Lackschichten zu messen, die noch nass sind oder wegen der Farbe für sichtbares Licht nicht transparent sind«, sagt Jonuscheit. Die Technik beruht auf dem Prinzip einer speziellen Laufzeitmessung, bei der, ähnlich wie beim Ultraschall, Impulse auf die Oberfläche ausgesendet werden und anhand der Zeiten für die Reflexionen die Schichtdicken berechnet werden. Weil die Qualitätsprüfung quasi gleichzeitig mit ihm Lackieren vorgenommen werden kann, ergibt sich zudem ein weiterer Vorteil: eventuelle Mängel können sofort ausgeglichen werden. Ein unter Umständen fehlerhaft lackiertes Objekt muss also nicht nochmals zurück in die Lackiererstraße.

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Ablauf des automatisierten Lackierprozesses: 3D-Erfassung des Bauteil Bild: Fraunhofer ITWM

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Ablauf des automatisierten Lackierprozesses: Abgleich mit CAD-Modell Bild: Fraunhofer ITWM

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Ablauf des automatisierten Lackierprozesses : Simulation des Lackierergebnisses Bild: Fraunhofer ITWM

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Ablauf des automatisierten Lackierprozesses: Ergebnis der Terahertzmessung Bild: Fraunhofer ITWM

CAD Modelle und Scan

Die dreidimensionalen Modelle werden aus Daten errechnet, die zum einen in der Regel als CAD-Modelle vorliegen und nun mit den Informationen von zusätzlichen Bildscans ergänzt werden. Sinnvoll ist das deshalb, weil der Computer nicht »weiß«, in welcher Position er das zu lackierende Objekt vorfindet. »Oftmals werden einzelne Teile beispielsweise an Lackierrahmen befestigt. Deshalb ist die Lage des zu lackierenden Teils im Raum nicht bekannt. Natürlich«, so Jonuscheit, »sei aber auch ein kompletter Scan möglich, falls keine CAD-Daten vorliegen.«

Die erfassten und berechneten Daten sind dann Grundlage für eine fluiddynamische Simulation. »Die Simulation bestimmt, welche Lack- und Luftmengen optimal sind, um die gewünschte Schichtdicke der Farbe zu erreichen«, erklärt Jonuscheit. Der eigentliche Lackiervorgang läuft anschließend vollautomatisch ab. Eingesetzt werden können die üblicherweise in der Industrie genutzten Lackierroboter. »Letztlich wird mit SelfPaint ein Bauteil also voll automatisch gescannt, lackiert und die Qualität sofort überprüft. Ein Zutun des Mitarbeiters jenseits der Einstellung der Maschinen beziehungsweise Überwachung ist nicht mehr nötig. Waren Lackierer in industriellen Lackiererstraßen bislang schon meist »nur« mit der Programmierung und Qualitätsüberprüfung beschäftigt, so wird ihr Aufgabenbereich damit nochmals technisierter. Vor allem aber: Das automatisierte Lackieren von kleinen Losgrößen wird nun auch wirtschaftlich sinnvoll.

Noch konzentrieren sich die Forscher auf die einzelnen Arbeitsschritte und die Abstimmung der Module. Läuft alles nach Plan, soll aber bereits Ende des Jahres 2018 ein Prototyp seine Arbeit aufnehmen. (hen)