Lackentwicklung im Labor 4.0 bei BASF

Eine herausfordernde Fragestellung sucht innovative Antworten 

Lacke sind hochkomplexe Stoffsysteme, die mehrere Materialfunktionen gleichzeitig erfüllen und natürlich auch die ästhetische Wirkung beschichteter Produkte verstärken oder sogar bestimmen. Lacke zu entwickeln ist eine anspruchsvolle Aufgabe – und oft eine Sisyphusarbeit, denn häufig wirken funktionale Rezepturbestandteile nicht harmonisch zusammen, sondern beeinflussen sich gegenseitig und verändern so Eigenschaften wie Härte oder Farbwert. Für ein Lack-Entwicklungslabor läuft das auf endlose Versuchsreihen und eine mühevoll auszuwertende, fast unüberschaubare Datenmenge hinaus. Und wenn eine optimierte Formulierung für einen anderen Farbton adaptiert werden soll oder ein Rohstoff durch einen nachhaltigeren ersetzt wird, beginnt die Arbeit von Neuem.

Als die BASF im Jahr 1865 gegründet wurde, war Anilin, einer der ersten industriell hergestellten Grundstoffe für Farbstoffe, das wichtigste Produkt des Unternehmens. Heute ist die BASF SE ein Weltkonzern mit unzähligen Produktsparten, doch die Kompetenz für Farben und Lacke ist noch in der DNA des Unternehmens vorhanden. Folgerichtig geht BASF bei der herausfordernden Entwicklungsforschung für Lacke innovative Wege – mit dem Digital Material Profiling Lab: Die Probenprofildaten werden weltweit im Unternehmen verteilt und ermöglichen schnelle und gezielte Entwicklungen für spezifische Kundenanforderungen.

Das Lacklabor der Zukunft ist schon heute Realität

„Digitalisierung ist die Zukunft!“, sagt Priya Anand, Product Development Manager (Digital Material Profiling Lab) bei BASF. Eine Zukunft, die für sie bereits Gegenwart ist: Dr. Anand leitet das Labor und hat die Mission, die digitale Transformation weiter voranzubringen und die Ergebnisse für datengestützte Modellierung zu nutzen. Die automatische Messroutine des Labors wurde in enger Zusammenarbeit mit der Firma ORONTEC aus Dortmund konzipiert und entwickelt. ORONTEC ist ein Automatisierungs- und Digitalisierungsspezialist für die Lack- und Coatingsindustrie; bei BASF SE konnte das Unternehmen sein bisher umfangreichstes Projekt umsetzen.

Das Automationslabor am Ludwigshafener Hauptsitz umfasst den gesamten Prozess einer Lackprobenanalyse. Im ersten Schritt werden die Formulierungen in einer Hochdurchsatzanlage für das Screening vorbereitet, wobei jede dieser Rezepturen nach vordefinierten Parametern variiert wird. Im ersten Schritt mischt ein Hochdurchsatzsystem Formulierungen maschinell an und variiert sie dabei jeweils nach vorgegebenen Parametern. Im nächsten Schritt werden verschiedene Substrate mit den Lackproben uniform beschichtet und ausgehärtet. Das geht nicht nur enorm schnell, sondern sorgt auch für standardisierte und nutzerunabhängige Probenvorbereitung, die für die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse maßgeblich ist. Der letzte, von ORONTEC implementierte Schritt besteht in einer Charakterisierung der Proben mit einem Q-Chain® Surface Scanner, welcher Materialparameter wie Farbwert, Glanz, DOI, Trübung und Trockenfilmdicke sowie die Benetzbarkeit anhand des Kontaktwinkels bestimmt. Zuletzt werden die automatisch zusammengeführten Probendaten all dieser Messungen mit der Zusammensetzung der jeweiligen Formulierung korreliert.

Benetzbarkeit – ein neuer Standardparameter bei der automatischen Lackcharakterisierung 

Der modulare Surface Scanner von ORONTEC integriert Messgeräte nach den Normen und Standards der Lackindustrie. Wenn individuelle Anforderungen darüber hinausgehen, wie im Fall der BASF, entwickelt ORONTEC das Automatisierungskonzept gemeinsam mit dem Kunden. Bei der BASF SE hat ORONTEC gemäß der Vorgabe erstmalig die Messung des Kontaktwinkels in das Surface Scanner System integriert. Diese Messgröße korreliert mit den wasser- und schmutzabweisenden sowie antikorrosiven Eigenschaften beschichteter Oberflächen und daher letztlich mit der Produktlebensdauer und Nachhaltigkeit.

Der für den Kontaktwinkel verwendete Mobile Surface Analyzer – MSA von KRÜSS kam bei der BASF SE bereits im konventionellen Laborbetrieb zum Einsatz. Neben dessen Mobilität und zuverlässiger, automatischer Analyse gab auch die besonders schnelle Messung und Ergebnisausgabe den Ausschlag für die Entscheidung, das Instrument einzubinden. Die zugehörige Software ADVANCE konnte ORONTEC über eine Schnittstelle (API) problemlos in die komplexe Automation und Datenverarbeitung einbinden.

Für KRÜSS handelt es sich nicht um die erste Integration in ein Automationssystem – allerdings wird zum ersten Mal nicht nur der Wasserkontaktwinkel, sondern auch der von Diiodmethan gemessen, um die freie Oberflächenenergie (SFE) zu bestimmen. Diese Information liefert ein Profil der Oberflächenbenetzbarkeit durch polare und unpolare Stoffe. Die digitale Integration dieses Messverfahrens ist erst durch die Entwicklung der schnellen Methode One-Click SFE möglich geworden.

In der Lackbranche herrscht Aufbruchstimmung – für ORONTEC stehen die Möglichkeiten der Entwicklung und Synergienutzung durch die Digitalisierung erst am Anfang. Das bei BASF SE umgesetzte Projekt demonstriert eindrucksvoll, wie effizient Lackentwicklung durch Automatisierung und Systemintelligenz werden kann.

Über die BASF SE

Chemie für eine nachhaltige Zukunft, dafür steht BASF. Wir verbinden wirtschaftlichen Erfolg mit dem Schutz der Umwelt und gesellschaftlicher Verantwortung. Mehr als 111.000 Mitarbeitende in der BASF-Gruppe tragen zum Erfolg unserer Kunden aus nahezu allen Branchen und in fast allen Ländern der Welt bei. Unser Portfolio umfasst sechs Segmente: Chemicals, Materials, Industrial Solutions, Surface Technologies, Nutrition & Care und Agricultural Solutions. BASF erzielte 2022 weltweit einen Umsatz von 87,3 Milliarden €. BASF-Aktien werden an der Börse in Frankfurt (BAS) sowie als American Depositary Receipts (BASFY) in den USA gehandelt. Weitere Informationen unter www.basf.com.

Über ORONTEC

Als Digitalisierer und Automatisierer haben wir von ORONTEC uns binnen kürzester Zeit von einer buchstäblichen Garagenfirma zum führenden Anbieter digitaler Systemlösungen für Messmethoden in der Lack- und Farbenindustrie entwickelt. Unsere 2014 von den Unternehmern Ralph Jan Wörheide und Hendrik Hustert gegründete GmbH operiert inzwischen von unserem Hauptsitz in Dortmund sowie Niederlassungen in Wuppertal und Michigan (USA) aus in einem globalen Netzwerk aus Branchenkunden sowie Organisationen wie dem Europäischen Zentrum für Dispersionstechnologien (EZD). Weitere Informationen unter www.orontec.com.