abgeschlossene Promotionen & Habilitationen

Dissertation

Die Verkleidung des Innenraums mit Echtholz hat einen besonderen Stellenwert im Premiumsegment des Automobilbaus. Durch die hohen Ansprüche ist die Auswahl an Holzarten für die Verwendung allerdings begrenzt. Dieses photochemisch anfällige Holz ist vor lichtinduzierter Alterung zu schützen, wodurch zumeist dunkle Beizen oder weniger empfindliche, dunkle Holzarten verwendet werden. Hinzukommend werden Autos kontinuierlich weiter entwickelt, Designs, Trends und Geschmack verändern sich. Es gibt keine passende oder neu entstehende Holzart, welche diesen Kriterien gerecht werden könnte. Das Bedrucken vom für Zierteile verwendeten Furnier im Digitaldruckverfahren soll die Lösung bilden. Für die größtmögliche Kostenneutralität der neuen Technologie soll das bedruckte Furnier im konventionellen Prozess zum Zierteil verarbeitet werden. Dafür muss ein geeignetes Tintensystem gefunden und mit der Prozessführung abgestimmt werden. Teil davon ist, dass das Bedrucken im Flachdruckverfahren stattfindet. In der Folge muss die Umformung zum Formteil von der Tinte mit getragen werden. Da das konventionell als Lichtschutz eingesetzte Beizen entfällt, wird eine Alternative benötigt. Daraus ergeben sich für die Arbeit drei große Themenfelder: Das Holz und Furnier, die Tinte und das Bedrucken und zuletzt der technologische Herstellungsprozess von Zierteilen.
Im ersten und größten Themenfeld wird die Holzart Tulpenbaum (Liriodendron tulipifera L.) aufgrund guter Verarbeitungseigenschaften ausgewählt und untersucht. Die thermische Modifizierung soll als Ersatz für die Beize geprüft werden. Da dies alleinstehend nicht zur Lichtechtheit ausreicht, wird mit weißer, titandioxidbasierter Grundierung ergänzt. Dazu werden Alterungsversuche in Form von Heißlichtalterung mit der Belichtung mit Wellenlängen λ = 420 nm und Sonnensimulation mit der Belichtung mit λ = 280–3000 nm an thermisch modifizierten Furnieren durchgeführt, welche Aufschluss über das optimale Modifikationsregime geben sowie chemische Analysen, welche weitest möglich über die Modifizierungsprozesse Aufschluss geben. Im Anschluss werden die Oberflächeneigenschafen von Furnier in Bezug auf das Bedrucken über das Benetzungsverhalten und die Rauheit analysiert, um den Einfluss auf das Bedrucken abschätzen zu können. Zusammen mit der Grundierung werden die Untersuchungen wiederholt, um die Bedruckbarkeit und Lichtschutzwirkung zu prüfen.
Die Alterungsversuche werden an Furnierproben durchgeführt, die im Temperaturbereich um 190 °C für eine Zeit mit bis zu 4 h thermisch modifiziert sind. Eine Verbesserung der Lichtechtheit gegenüber nativen Furnieren ist das Ergebnis. Dabei sind die Furniere anfälliger für Farbänderungen in der Sonnensimulation je höher die Behandlungsintensität durch die Modifizierung ist, dafür sind sie stabiler in der Heißlichtalterung. Die optimalen Modifizierungsparameter für die Lichtechtheit zwischen den gegenläufigen Werten der beiden Prüfungen befinden sich bei der Temperatur 185 °C mit der Dauer von 2 h sowie mit 190 °C und 1 h. Durch die Analyse der Wellenlängen wird deutlich: Natives Holz wird durch UV-Licht dunkler, röter und gelber. Je höher die Modifizierungsparameter sind, desto geringer wird diese Verfärbung und zeigt sich bei Temperaturen über 200 °C gegenläufig. Im VIS-Licht hellt natives Furnier etwas auf und verblasst, modifizierte Furniere verlieren verstärkt Helligkeit und rote Farbe, verändern aber kaum ihren Gelbton. Dementsprechend verändern sich die Absorptionsmaxima, deren Wellenlängen höhere Werte annehmen je höher die Modifizierungsparameter sind.
Die Hydrophobierung der Furniere durch thermische Modifizierung sowie die Verringerung des Spreitungs- und Penetrationsverhaltens werden in den Untersuchungen der Oberflächen deutlich. Die Empfehlung aus der Literatur, die Oberflächenenergie kleiner der Oberflächenspannung der Tinte mit 30 mN/m zu halten, wird nicht erreicht. Dies jedoch erscheint von Vorteil, da mit einer verbesserten Anbindung des Tintensystems an das Substrat zu rechnen ist, welche für eine spätere Umformung bei Feuchte und Hitze unabdingbar ist. Die im Druckprozess eingebrachten Tintenmengen müssen mit dem resultierenden wasserbasierten Tintensystem mit Tropfengrößen von V ≤ 3 pl möglichst gering gehalten werden, um eine Blutung durch die erhöhte Oberflächenenergie zu vermeiden. Daneben wird erkannt, dass die Rauheit R_a < 5,1 μm einer Empfehlung für den vorliegenden Fall überschritten werden kann. Rauheitswerte mit R_a < 7 μm reichen für die Ansprüche an den Druck aus, welche später eingehend untersucht werden. Im angestrebten Modifikationsregime mit 185 °C bei 2 h oder 190 °C mit 1 h besteht keine markante Veränderung der Rauheit, sie wird erst bei gesteigerten Modifizierungsparametern ab 200 °C mit 3 h erhöht.
Die Lichtechtheit der thermisch modifizierten Furniere liegt noch unter dem in der Praxis verlangten Grenzwert und wird mit applizierter weißer Grundierung untersucht. Die Oberflächenenergie ist nur wenig verringert gegenüber der nichtgrundierten Furnieroberfläche. Außerdem wird die optimale Auftragsmenge der spezifischen Grundierung mit 45 g/m² bestimmt. In den Alterungsprüfungen und der Lichtabsorptionsmessungen wird die Lichtschutzwirkung der Grundierung festgestellt.
Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen dieses Themenfeldes fließen in das nächste mit dem Thema der Tinten und Bedruckung ein. Es werden die Tintensysteme flüssig für die Abstimmung der Oberflächeneigenschaften sowie ausgehärtet in Form eines Druckprüfdekors auf dem Furnier für die Bestimmung ausreichender Qualität von Farben und Präzision analysiert.
Es geht hervor, dass Wassertinten bei gleichen rheologischen Eigenschaften mit Lösungsmitteltinten einen höheren polaren Anteil haben, welcher mit besserer Qualität der Druckbilder korreliert. Das erwünschte sensible Zusammenspiel der Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Tinte für die Haftung bei gleichzeitig geringer Tintenmenge zur Vermeidung der Blutung wird damit im Gegensatz zu Lösemitteltinten erreicht. Die thermische Modifizierung verbessert für alle wasserbasierten Systeme die Druckqualität. Sie wird außerdem durch die weiße Grundierung erhöht. Die besten Eigenschaften ergeben sich auf 185 °C bei 2 h oder 190 °C mit 1 h modifizierten, grundierten und nicht-grundierten Furnieren (siehe Tabelle). Farbmessungen zeigen, dass die weiße Grundierung eine Verbesserung der Farbwiedergabe verursacht. Die Alterungsprüfung zeigt die Erhöhung der Lichtechtheit. Je dunkler die Tinte oder je mehr Tintenmenge auf dem Messpunkt ist, desto stärker ist der Lichtschutzeffekt.
Diese Ergebnisse fließen in das dritte Themenfeld, der Prüfung im Zierteilprozess, ein. Darin wird die Umformbarkeit des Substrats überprüft und das bedruckte Furnier auf Prozess- und Automotive-Tauglichkeit untersucht.
Um abzusichern, dass die Umformbarkeit, welche zur Herstellung eines Zierteils benötigt wird, unbeeinträchtigt ist, wird der Tiefungsversuch an thermisch modifizierten Furnieren durchgeführt. Die Proben mit den favorisierten Modifizierungsparametern 185 °C bei 2 h und 190 °C bei 1 h weisen keine Versprödung auf. Diese tritt erst bei Proben mit höheren Modifizierungsparametern auf.
Die Umformung unter Einfluss von Hitze und Feuchte im nachgestellten Serienprozess zeigt Ablösungen der Tinte auf 190 °C mit 1 h modifiziertem Furnier. Eine verringerte Haftung durch die leicht verringerte Oberflächenenergie auf der weißen Grundierung oder die erhöhte Schichtdicke mit der Grundierung und deren Abrieb können Gründe dafür sein. Die Abfärbungen mindern die Farbwirkung auf dem Umformling nicht sichtbar und werden nicht als hinderlich interpretiert.
Die abschließende Alterungsprüfung Polyurethan-beschichteter Furniere verursacht etwas höhere Farbänderungen, als durch die Grenzwerte der Praxis zugelassen sind. Eine positive Bewertung erfolgt dennoch durch die weniger genaue, in der Praxis übliche, Graumaßstabsmessung. Aus diesen Ergebnissen und Diskussion entsteht final eine Material- und Technologieübersicht.

Als Resumée der Arbeit geht hervor, dass die Herausforderung, aus dem vlieskaschierten Furnier trotz ausgeschlossener Beize ein lichtstabiles Drucksubstrat zu schaffen, den Schwerpunkt der Technologieentwicklung bildet. Die Mechanismen der Farbänderungen, wie auch die mechanischen und Oberflächeneigenschaften, werden analysiert und bewertet. Damit ist die Festlegung der Parameter eines geeigneten thermischen Modifikationsregimes möglich. Die Kombination des Furniers mit weißer Grundierung und Tinte werden mit dem Umformprozess der Zierteilfertigung eingehend betrachtet. Durch die Abstimmung von Grundierung und Tinte hinsichtlich Druckqualität und Alterungsverhalten wird eine Materialkombination und Methode gefunden, mit welchen bedruckte Zierteile nach weitestgehend konventionellem Prozess zu fertigen sind.

Technologie, digitales Bedrucken, Echtholzdekoroberflächen, Fahrzeuginterieur