Vom Kalkulations- zum Fertigungsrezept

Anforderungsgerecht formulieren

Jede zu entwickelnde Beschichtungszusammensetzung muss anforderungsgerecht sein, sich also an den Forderungen des Kunden orientieren — an den Eigenschaften der Beschichtung, am Substrat, an der Applikationsart — und ebenso an den Anforderungen der Umwelt. Die eigentliche Arbeit besteht darin, aus der Vielzahl angebotener Lackrohstoffe die geeignetsten auszuwählen.

Wie stark der Einsatzfall die Rezeptur bestimmt, zeigt schon die Applikationsart: Ein Lack für Airless-Spritzen wird unverdünnt und hochviskos durch die Düse gedrückt, ein Lack für die Druckluftpistole muss deutlich dünner eingestellt sein, ein Tauchlack muss über Stunden im offenen Becken stabil bleiben und darf beim Abtropfen keine Nasen ziehen. Dieselbe stoffliche Zusammensetzung taugt deshalb nicht für jedes Verfahren.

Der Lackentwicklungszyklus

• Problem- beziehungsweise Aufgabenstellung
• gedankliche Arbeit — daraus entsteht das Lackrezept
• Herstellung im Labor — daraus entsteht das Lackmuster
• Applikation auf das Substrat, Trocknung beziehungsweise Härtung, Prüfung der Beschichtung
• Vergleich der Prüfergebnisse mit den Anforderungen

Da die Ergebnisse meist noch nicht ganz übereinstimmen, folgen Optimierungsschritte am Rezept. Der Zyklus wird vielfach durchlaufen, wobei die Schritte von Durchgang zu Durchgang kleiner werden. Eingang ist die Problemstellung, Ausgang das fertige Lackrezept.

Kalkulationsrezept

Das Kalkulationsrezept enthält alle Angaben über die stoffliche Zusammensetzung eines Lacks. Es wird auf 100 Gewichtsteile formuliert. Die Rohstoffe werden üblicherweise in dieser Reihenfolge angegeben: Bindemittel, Pigmente und Füllstoffe, Additive, Lösemittel.

Fertigungsrezept

Das Fertigungsrezept wird für die jeweils herzustellende Menge formuliert und enthält zusätzlich Angaben zum Herstellungsverfahren. Hier stehen die Rohstoffe in der Reihenfolge ihrer Zugabe — nicht mehr nach Stoffgruppen sortiert.

In der betrieblichen Praxis schließen sich an das Rezept meist noch Angaben über die Eigenschaften von Lack und Beschichtung an, über die zugehörigen Prüfmethoden und über die zulässigen Toleranzen.

Was im Fertigungsrezept sonst noch steht

Über die Einwaagen hinaus gehören in die Herstellungsanweisung typischerweise:

• die Ansatzmenge und die Chargenbezeichnung
• die Zugabereihenfolge und, wo es darauf ankommt, die Zugabegeschwindigkeit
• Rühr- und Dissolverbedingungen sowie die Dispergierzeit
• die Temperatur, soweit sie geführt oder begrenzt werden muss
• Mahlschritt, Auflacken, Einstellen von Viskosität und Farbton
• Filtration und Abfüllung
• Prüfwerte mit Sollwert, Toleranz und Messbedingung

Welche dieser Angaben tatsächlich nötig sind, hängt vom Produkt und von der Anlage ab. Wie die Schritte im Betrieb ablaufen, steht in L-60.

Warum die Zugabereihenfolge zählt

Dieselben Rohstoffe in derselben Menge, aber in anderer Reihenfolge zusammengeführt, ergeben nicht zwangsläufig denselben Lack. Die Reihenfolge entscheidet darüber, was sich zuerst an welche Oberfläche setzt.

Drei Beispiele: Das Netz- und Dispergiermittel gehört ins Mahlmedium, bevor das Pigment kommt — nur dann steht es zur Verfügung, während die frischen Teilchenoberflächen entstehen (siehe L-53, L-60). Pigment, das erst in den fertigen Lack gerührt wird, dispergiert nicht mehr: Die Mahlpaste ist zu dünn, die Scherkräfte kommen nicht an (siehe L-53). Und ein Verdicker zu früh im Ansatz treibt die Viskosität hoch, bevor überhaupt dispergiert wurde.

Die Kette lautet also: andere Zugabe → andere Benetzung und Dispergierung → anderer Prozesszustand → womöglich andere Lackeigenschaften. Deshalb ist die Reihenfolge Bestandteil des Rezepts und keine Sache des Tagesablaufs.

Gewichtsteil ist nicht automatisch Prozent

Ein Gewichtsteil entspricht nur dann einem Massenprozent, wenn die Rezeptur wirklich auf 100 Teile summiert. Fehlt eine Zeile oder wurde gerundet, stimmt die Gleichsetzung nicht mehr.

Zahlenbeispiel: Ein Rezept ergibt 45 + 18 + 6 + 2 + 28 = 99,0 Teile. Rechnet man die Anteile unverändert auf 400 kg um, kommen 99 · 400 / 100 = 396 kg heraus — 4 kg fehlen. Der Fehler gehört vor der Fertigung geklärt und nicht stillschweigend weggerechnet: Entweder fehlt ein Rohstoff, oder die Rezeptur muss auf 100 Teile normiert werden.

Zweite Stolperstelle sind kleine Additivmengen. 0,2 Teile in einem 5-kg-Laboransatz sind 10 g — bei 0,02 Teilen ist man bei 1 g. Dann entscheiden Waagenauflösung und Ablesegenauigkeit mit. Abhilfe: Stammlösung ansetzen und vorverdünnt dosieren, oder den Ansatz größer wählen. Das ändert die Rezepturchemie nicht, sondern nur die Art, wie sicher man sie trifft.

Der Unterschied auf einen Blick

                 Kalkulationsrezept      Fertigungsrezept

Bezugsmenge      100 Gewichtsteile       die tatsächliche Menge
Reihenfolge      nach Stoffgruppen       nach Zugabe
Zusatzangaben    keine                   Herstellungsverfahren
Zweck            Zusammensetzung,        Anweisung für die
                 Kalkulation             Herstellung

Vom Laboransatz zum Produktionsansatz

Ein Fertigungsrezept ist keine vergrößerte Laborrezeptur: Die Rohstoffmengen lassen sich durch Dreisatz hochrechnen, die Prozessbedingungen hingegen nicht — sie müssen eigens auf den größeren Maßstab abgestimmt werden.

Beispiel Dissolver: Beim Scale-up ist die Umfangsgeschwindigkeit der Dissolverscheibe die maßgebliche Übertragungsgröße, nicht die Drehzahl. Es gilt u = π · d · n: Eine doppelt so große Scheibe erreicht bei identischer Drehzahl die doppelte Umfangsgeschwindigkeit und damit einen vollständig anderen Schereintrag. Wer die Laborumdrehungszahl unverändert in die Produktion übernimmt, dispergiert unter anderen Bedingungen, als das Labor vorgegeben hat (Kennwerte in L-53).

Ein weiterer Skalierungseffekt betrifft die Wärme: Mit wachsendem Ansatz sinkt das Oberflächen-Volumen-Verhältnis — bei einem Würfel gilt A/V = 6/a (siehe L-44). Der große Ansatz gibt die beim Dispergieren entstehende Wärme deutlich schlechter ab und erwärmt sich stärker als der Laboransatz.

Die Konsequenz: Nicht die Prozesszeit entscheidet, wann ein Schritt abgeschlossen ist, sondern das analytisch ermittelte Ergebnis — Grindometerwert und Viskosität. Zehn Minuten im Labor sind keine zehn Minuten in der Produktion.

Sollwert, Toleranz — und die Messbedingung

Zu einem Produkt gehören Sollwerte mit Toleranzen, damit sich Charge mit Charge vergleichen lässt — typischerweise für Viskosität, Dichte, Farbton, Glanz und Feinheit.

Beispiel: Sollviskosität 2,00 Pa·s, zulässig ± 0,10 Pa·s. Damit liegt das Toleranzband zwischen 1,90 und 2,10 Pa·s. Ein Messwert von 2,06 Pa·s ist in Ordnung, 2,15 Pa·s nicht.

Wichtig ist der Zusatz, der oft vergessen wird: Ohne Messbedingung ist die Zahl wenig wert. Zur Viskosität gehören Temperatur und Messverfahren beziehungsweise Schergefälle, weil Lacke in aller Regel nicht newtonsch sind (siehe L-178, L-142). Zwei Labore, die dieselbe Charge bei verschiedener Temperatur oder mit verschiedener Scherung messen, kommen sonst zu verschiedenen Urteilen über dieselbe gute Ware.

Merksatz