Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

3.3 Application processes for automotive coatings
As already mentioned, the processes used for serial coating of automotive car bodies are: elec-
trodeposition and various spraying processes. As electrodeposition is specific to the application 
of primers, it is described in Chapter 3.4.6. Spray application is suitable for all other paints and 
is described here in more detail. The special process of powder application is also described in 
Chapter 3.5.7.3 and Chapter 3.8.7.
Spray Application
When a liquid flows through a pipe, its velocity increases as the diameter decreases. The converse 
is true of the pressure – it decreases as the diameter increases 
[40]
. At the end of a pipe which 
tapers into a nozzle, the velocity of the liquid is at a maximum and the liquid has a very high 
internal pressure on leaving the pipe. This causes the liquid to form an aerosol jet consisting of a 
great many particles. The built-up pressure behind the jet causes the particles to split apart. This 
is the principle behind airless spraying of paints based solely on the pressure acting on the paint 
material. In pneumatic spray application, the primary jet is accelerated by an additional jet of 
compressed air, which also generates more particles. This method allows optimum variation and 
dosing of the spray process. The results of pneumatic spray processes are governed by the pres-
sure of the paint, the viscosity, the density or cohesion, the surface tension, and the pressure and 
quantity of auxiliary air. The quantity of paint and auxiliary air is controlled by the diameter of 
the nozzle and by valves. Temperature and humidity also affect the results. The size and structure 
of the spray jet is determined by the auxiliary air jet and additionally by so-called horn air which 
regulates the flow. The main 
purpose of shaping and regu-
lating the spray jet is to obtain 
homogeneous and smooth paint 
layers on the substrates. Figure 
3.3.1 shows a cross-section of a 
pneumatic spray gun and the 
arrangement of nozzles and 
valves for paint material, auxil-
iary air, and regulation air 
[41]
.
The most important task when it 
comes to optimising spray proc-
esses is to increase the transfer 
efficiency. This is the proportion 
of paint that forms a layer on the 
substrate, relative to the total 
amount sprayed. The residue is 
called over-spray. Theoretically, 
airless spraying has a better 
transfer efficiency than pneu-
matic spraying. However, the 
airless process does not allow 
regulation of the spray result, 
e.g. for obtaining special effects. 
Furthermore, reducing the air 
pressure increases the transfer 
efficiency of pneumatic applica-
tion. However, that also reduces 
Figure 3.3.1: Cross-section of pneumatic spray gun
Figure 3.3.2: Principle behind electrostatic spray application
Automotive OEM coatings

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material transfer per unit of time (lower layer thickness for the same amount of time) and limits 
productivity. This limitation has been overcome with optimised spray guns. Nowadays, automo-
tive paint is applied by means of high-efficiency spray guns 
[42]
, which mainly use higher amounts 
of auxiliary air than the common pneumatic spray guns.
A significant improvement in transfer efficiency came with the introduction of electrostatic spray 
guns. In these spray guns, the paint is charged by a high-voltage electric field. The charged mate-
rial is atomised on rotating disks or bells. The paint particles formed are transported along the 
electric field to the earthed object. The particles adhere on the surface of the object, where they 
form homogeneous coating films. The electric field reduces the level of overspray and increase 
transfer efficiency. The other advantage is that particles also follow the electric field to parts of the 
object facing away from the front of the object. This effect is called throwing power. However, it is 
not possible to coat the surface of hollow spaces if the electric field does not penetrate inside such 
objects (Faraday’s cages). Figure 3.3.2 shows the principle behind electrostatic spray application 
with spray jets following the electric field lines.
Electrostatic spray guns contain a valve for the paint, a high-voltage electrode, an air feed, and a 
rotation bell driven by a motor. The rotation speed is very high in order that the finest particles 
possible may be produced. Figure 3.3.3 shows a cross-section of an electrostatic spray gun 
[43]
.
The transfer efficiencies of various spray application methods, independent of the shape of the 
substrates, are listed in Table 3.3.1 
[44]
.
Optimisation of transfer efficiency is not the only criterion for resorting to spray application. For 
example, electrostatic spraying does not produce the optimum effects in the case of basecoats with 
very light and bright colours. These still have to be applied by normal pneumatic spray methods.
Figure 3.3.3: Cross-section of an electrostatic spray gun
Table 3.3.1: Transfer efficiency of different spray application methods