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Zusammenfassung:
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Die
Neuerung betrifft ein Verfahren sowie zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Vorrichtungen zur Endfiltration der Luft,
welche in Farbspritzkabinen eingeblasen und als Zuluft bezeichnet
wird. Sie besteht in einer Trennung der beiden Funktionen der üblichen
Feinfilterdecken, die bislang zum Einen eine Endfiltration der Zuluft,
gleichzeitig zum Anderen aber zu einer gleichmäßigen
Verteilung der Zuluft über die gesamte Raumdeckenfläche
der Spritzkabine – oder eines Großteiles dieser
Deckenfläche – dienen. So wird entsprechend der
Neuerung die Luftverteilung von der Filtrierung unabhängig
mittels an sich bekannter Raumluftverteilergitter, die Filtrierung
aber räumlich getrennt in einer vorgeschalteten Filterkammer
mittels der üblichen Feinfiltervliesmatten durchgeführt
und dadurch vermieden, dass die Filter evtl. durchtretende Staub-
oder Schmutzpartikel nicht wie bisher direkt auf die unter den Raumdeckenfiltern
befindlichen Lackierobjekte fallen und dort Lackstörungen
verursachen können. In besonders gut geeigneten Ausführungen
der Neuerung sind die Filterflächen nicht mehr so angeordnet,
dass sie von oben nach unten durchströmt werden, sondern
durch bevorzugt, aber nicht ausschließlich etwa senkrechte Anordnung
ihre Durchströmung von einer zur anderen Seite in etwa
waagerecht verlaufender Richtung erfolgt. Die Nachschaltung an sich
bekannter mechanischer Abscheider wie z. B. von Prallblechen oder insbesondere
ebenfalls bekannter Elektrofilter dient dazu, diejenigen wenigen
Partikel abzuscheiden, die das Filtervlies durchtreten haben, bevor
sie das Luftverteilersystem erreichen und in die Kabine gelangen können.
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Stand der Technik:
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In
großen, geschlossenen Farbspritzkabinen für anspruchsvolle
Lackierarbeiten wird die gesamte Raumdecke als Luftfilter genutzt,
indem man den weitaus größten Flächenanteil
mit waagerecht angeordneten Luftfiltermatten (sog. Feinfiltermatten
im Unterschied zu den für die Vorfiltration verwendeten Vorfiltermatten)
bestückt, durch welche die dem Raum zuzuführende
Frischluft von oben einströmt.
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Derartige,
seit längerem übliche Feinfiltermatten bestehen
aus einer Schichtung von Fasern, welche in sogenanntem „progressiven
Aufbau" geschichtet sind. Das bedeutet, dass Schichten aus Fasern
in unterschiedlicher Dichtepackung so hintereinander – in
Durchströmrichtung betrichtet – immer dichter,
ungeordnet kreuz und quer angeordnet sind, dass eine gleichmäßige
Porositätsabnahme zur Reingasseite hin entsteht.
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Während
des Durchströmens wird die Luft von den Fasern ständig
umgelenkt, wobei von ihr mitgeführte, in der Vorfiltration
nicht vollzählig abgeschiedene Staubteilchen oder andere
Schmutzpartikel infolge ihres Trägheitsverhaltens auf einzelne
Fasern aufprallen. Die Fasern sind durch ein Imprägnierverfahren
mit einer haftaktiven Beschichtung versehen, sodass die auf die
Fasern während der Durchströmung der Feinfiltermatte
auftreffenden Staubteilchen an den Fasern anhaften und mehr oder weniger
fest kleben bleiben.
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Neben
dieser End-Filtration oder Feinfiltration der durch die sog. Vorfilter
anderweitig vorgefilterten Luft erfüllen die Feinfiltermatten
die Aufgabe, die Frischluft gleichmäßig auf die
gesamte Deckenfläche zu verteilen, damit sie möglichst
wirbelfrei senkrecht nach unten zu der am Boden der Farbspritzkabine angeordneten
Absaugung fließt. Den nicht von den Feinfiltermatten selbst
eingenommenen Flächenanteil der Raumdecke von nur ca. 10%
benötigt man für die Tragkonstruktion der aus
den Filtern zusammengesetzten sog. Filterdecke, denn außer
dem Eigengewicht der Feinfiltermatten und ihrer sich bis auf ca. 300
g/m2 erhöhenden Staubaufnahme muss
der statische Widerstand getragen werden, den die Feinfiltermatte
der durch sie hindurchströmenden Frischluft entgegensetzt.
Um der Forderung nach möglichst wirbelfreier Einströmung
gerecht zu werden, bildet man die Tragkonstruktion als Rahmen von
ca. 1 Meter Breite aus, welche Rahmen quer zur Raumdecke an einem
oberhalb der sog. Filterdecke vorgesehenen Tragwerk, rundum zur
Wandkonstruktion abgedichtet, aufgehängt werden, wobei
die Rahmenlänge meist der Kabinenbreite entspricht. Jeder
Rahmen besteht aus zwei etwa gleich großen Rahmenteilen, zwischen
denen ein Stützgitter angeordnet ist, auf welches die Filtermatte
aufgelegt ist. Einer der beiden Rahmenteile, der obere oder der
untere ist zum Auswechseln der Filtermatte leicht lösbar
bzw. abklappbar befestigt. Der untere trägt das Stützgitter, auf
welchem die Luftfiltermatte aufliegt und von dem sie während
des Betriebes getragen wird. Die Kanten der Feinfiltermatten werden
beim Einbau zwischen den beiden genannten Rahmenteilen, dem Tragrahmen
und dem Klemmrahmen, in bekannter Weise eingeklemmt und dadurch
abgedichtet, sodass die Frischluft die Feinfiltermatten zwangsläufig
passieren muss.
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Derartige
Feinfiltermatten besitzen selbst nicht die nötige mechanische
Festigkeit, um dem Luftwiderstand von ca. 150 Pa standzuhalten,
den die Matten der durchströmenden Luft entgegensetzen,
wie auch um das Eigengewicht der Matten und zusätzlich
das Gewicht des schließlich aufgenommenen Staubes zu tragen.
Sie werden vor dem Zerreissen bzw. allgemein vor zu starker Belastung
geschützt, indem sie von den in den unteren der beiden Rahmen
eingesetzten Stützgittern abgestützt werden.
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Es
ist bei dieser an sich bewährten und allgemein üblichen
Bauweise unvermeidlich, das sämtliche auf die Farbspritzkabine
einwirkenden Erschütterungen, z. B. von dem Fördersystem
der Werkstückträger ausgelöst, wie auch
alle Schwingungen, z. B. vom Ventilatorsystem verursacht, wie insbesondere auch
Infraschallschwingungen des Belüftungssystems durch diese
Stützgitter auf die Feinfiltermatten übertragen
werden.
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Diese
Schwingungen bewirken, dass schwächer an den Fasern haftende
Staubteilchen losgerüttelt werden und, sobald sie nach
und nach an der untersten Faserschicht angelangt sind, sich auch
von dieser lösen können und dann einige von ihnen
auf das darunter hindurch geförderte Werkstück
auftreffen, haften bleiben und somit einen sog. Lackierfehler verursachen.
Der Effekt ist den Herstellern der Filtermaterialien gut bekannt,
wie aus der Konstruktion der von ihnen selbst entwickelten und ständig
verwendeten Filterprüfeinrichtung hervorgeht. Dort ist
nämlich extra ein Rüttler eingebaut, um die Schwingungen des
Farbspritzkabinensystems zu simulieren. Genau beschrieben ist eine
solche Prüfeinrichtung mit integriertem Rüttler
in dem bereits im Jahre 1992 als Sonderdruck der Fa. Carl Freudenberg/Weinheim,
einem maßgeblichen Hersteller von Feinfiltermatten, veröffentlichten
Vortrag von Dipl. Ing. M. Friedl mit dem Titel „Die
richtigen Luftfilter als Voraussetzung für gute Lackierergebnisse".
Man ist sich demnach seit langem im Klaren, dass die verschiedenen
auf die Feinfiltermatten einwirkenden Schwingungen den Hauptzweck
der Filter, nämlich das Fernhalten von Staub konterkarieren.
Man hat sich aber damit abgefunden und tauscht die Filtermatten
aus, bevor sie von Staub soweit gesättigt sind, dass viele
Teilchen austreten.
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Anders
ausgedrückt: Die Feinfiltermatte selbst besteht wie bereits
oben ausgeführt aus einer Vielzahl von feinen Fasern, die
derart aufeinander geschichtet sind, dass sie ein chaotisches Gewirr
bilden, wodurch die zwischen den Fasern durchströmende
Luft vielfach immer wieder umgelenkt wird. Durch diese während
des Luftdurchtritts von den Fasern bewirkte ständige Umlenkung
der Luft werden in ihr mitgeführte feinste Schmutzteilchen
in den verschiedensten Richtungen gegen die haftaktiv beschichteten
Fasern geschleudert und bleiben dort mehr oder weniger fest haften.
Weniger heißt, dass einzelne Teilchen auch wieder losgerissen
werden, insbesondere solche, die auf eine Stelle treffen, an der
bereits ein anderes Teilchen angelagert wird bzw. festklebt.
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Die
Ursache für das Ablösen von einem bereits an einer
Faser anhaftenden Staubteilchen kann also zum Ersten die durchströmende
Luft sein, zum Zweiten ein an die gleiche Stelle treffendes Staubteilchen
und zum Dritten mechanische bzw. akustische Schwingungen.
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Der
Filtervorgang ist also keine absolute Entfernung von Staubteilchen,
sondern lediglich eine statistische, wobei die Filtrationswirkung
mit zunehmender Sättigung des Filters abnimmt und im Laufe der
Nutzungsdauer immer mehr Teilchen die Filtermatte in Richtung auf
das zu lackierende Werkstück, z. B. eine Autokarosse verlassen!
Spätestens sobald eine Staub-Sättigung mit maximal
ca. 300 g Staub je m2 Filterfläche
erreicht ist oder zu einem früheren Zeitpunkt, wenn nämlich
zu viele Staub-Partikel durchgelassen werden, werden alle in die
betreffende Farbspritzkabinendecke eingebauten Feinfiltermatten
ersetzt.
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Wie
eine neuerdings übliche automatische Lackfehlerkontrolle
erwartungsgemäß bestätigt, finden sich
auf den überwiegend waagerecht liegenden Oberflächen
von Karossendach, -haube und Kofferraumdeckel von Kraftfahrzeugen
wesentlich mehr Lackierstörungen, bestehend aus kleinen
Schmutz- und Staub- und auch Filterfaserteilchen, als auf den überwiegend
senkrechten Oberflächen der Karossen-Seitenwände
bzw. -Türen.
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Das
bedeutet, dass die meisten Lackfehler tatsächlich von oben
kommend aus den Feinfiltermatten stammen, wie auch andere Untersuchungen gezeigt
haben.
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Verschiedene
Forschungs- und Untersuchungsberichte haben in den vergangenen Jahren zwar
zu Verbesserungen der Verhältnisse allgemein und besonders
der Filtermattenqualität geführt, jedoch die Situation
nicht grundlegend verändert.
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Aufgabenstellung der Neuerung:
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Es
ist die Aufgabe der hier beschriebenen Neuerung, einen beträchtlichen
Fortschritt bezüglich der Reduzierung der Menge der durch
die Filtermatten hindurch auf die Lackierobjekte gelangenden Staubpartikel
zu erzielen, indem man das direkte Herabfallen von Staubpartikeln,
die das Filter sozusagen „überwunden" haben bzw.
durch das Filter zu dessen Reinluftseite hindurch gelangt sind,
unterbindet.
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Lösung:
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Durch
die Trennung der beiden von den Filterdecken bislang gleichzeitig übernommenen
Funktionen der Feinfiltrierung einerseits und Luftverteilung andererseits
wird die Möglichkeit geschaffen, durch die Filter hindurchgetretene
Staub- bzw. Schmutzpartikel abzufangen, bevor sie zu den zur Luftverteilung
dienenden Gittern gelangen! Begünstigt wird diese Maßnahme
dadurch, dass man die Filterflächen nicht länger
waagerecht nebeneinander verteilt anordnet, weil das dann einen
großen Platzbedarf bedingen würde, sondern sie
zick-zackförmig schräg zueinander in einen den üblichen
Vorfiltern, Luftwäschern samt Wasserabscheidern nachgeschalteten Nachfilterraum
einbaut. Dabei sollten sie derart angeordnet werden, dass ihre Reinluftseite,
also die Seite, aus der die Luft aus dem Filter austritt, schräg nach
unten zeigt und somit durch das Filter hindurchgelangte Partikel
nicht auf der Reinluftseite liegen bleiben. Unter den Filtern ordnet
man dann noch Abscheider oder Staubabsorber an, die in bekannter Weise
solche Partikel festhalten, sodass sie nicht vom Luftstrom mitgerissen
und zu den Verteilerelementen transportiert werden. Da die Anzahl
der hier ankommenden Partikel im Vergleich zu anderen bekannten
Staubabscheidern relativ klein ist, genügen vielfach Staubfixiereinrichtungen,
die nach dem Prinzip der bekannten, kleberbeschichteten Fliegenfänger
arbeiten und die Partikel festhalten. Besonders geeignet für
das Abfangen und Fixieren von Partikeln, die das Filter durchdrungen
haben, sind ferner die bekannten Elektrofilter, die mittels Hochspannungsaufladung
der Partikel diese zu den geerdeten Abscheideelektroden wandern
lassen, von wo sie turnusmäßig in Betriebspausen
vollends entfernt werden. Als weniger aufwändige Abfang-
und Fixierungselemente sind haftaktiv beschichtete Prallbleche bekannter
Ausführung ebenfalls nicht ungeeignet. Für Umbauten
bestehender Anlagen, bei denen die Unterbringung der Feinfiltereinrichtung
in einem gesonderten Raum nicht ohne weiteres möglich ist, kann
der Einbau eines haftaktiv beschichteten Systems von Prallblechen
oder einer Elektrofiltervorrichtung bzw. eine Kombination aus beiden
anstelle des hier vorgeschlagenen Luftverteilersystems unterhalb der
in diesem Falle in der Spritzkabine zu belassenden Filterdecke bereits
eine wesentliche Verbesserung der Luftreinheit ergeben, weil auch
damit ein hoher Anteil der das Feinfiltersystems durchdringenden Staubpartikel
erfasst werden kann.
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Prinzipiell
sind ähnliche, meist jedoch aufwändigere Techniken
der Absolut-Abscheidung von Staub in der Reinraumtechnik seit langem
bewährt, in Zulufteinrichtungen von Spritzkabinen aber
nicht üblich. Erst eine in der oben beschriebenen Weise
verbesserte Apparatetechnik ermöglicht die Lösung
der Probleme von durch Staub beeinträchtigten Lackieroberflächen,
die bislang mit außerordentlichem manuellen Nacharbeitsaufwand
behoben werden müssen; dieser erfordert heute in jeder
der in der Automobilindustrie betriebenen Lackierstraßen
die ständige, ununterbrochene Beschäftigung von
ca. 20 Arbeitskräften je Lackierlinie; das bedeutet, dass
bei den üblicherweise in einem Automobilwerk vorhandenen
2 Decklackierlinien im Dreischichtbetrieb 120 von insgesamt in diesen
hochautomatisierten Werken dieser Größe beschäftigten
ca. 3000 Facharbeitern in speziellen Nacharbeitseinrichtungen ein
Personalanteil von ca. 4% besteht.
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Wäre
die hier vorgeschlagene Neuerung so naheliegend, wie sie im Nachhinein
erscheint, so hätte man diesen hohen Kostenanteil schon
entsprechend lange auf die neuerungsgemäße Weise
wesentlich reduziert, zumal ihre Investitions- und Betriebskosten
in weniger als einem Jahr amortisiert wären.
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Der
wesentliche Grund jedoch, warum man diese Problematik bisher nicht
in der vorgeschlagenen Weise angegangen ist, ist darin zu sehen,
dass die gesamte Fachwelt bis zur Stunde generell bestreitet, dass überhaupt
ein nennenswerter Anteil von durchschnittlich ca. 10 Decklackfehlern
auf jeder Autokarosse überhaupt von aus den Filtern ausgetretenen
Staubteilchen verursacht wird.
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Der
Grund hierfür ist, dass zum Nachweis der Luftreinheit eine
in der Reinraumtechnik bestens bewährte Messmethode fälschlicherweise
auch in der Technik der Spritzkabinen angewendet wird, nämlich
die sog. Partikelzählmethode mittels Geräten,
die eine im Verhältnis zu der jeder Spritzkabine zugeführten
Luftmenge von z. B. 60 000 m3/Stunde = 1000
m3/Minute (= 1 000 000 Liter je Minute)
viel zu kleine Menge von nur ca. 1,5 Liter je Minute ansaugen. Diese
kleine Stichprobe genügt in der echten Reinraumtechnik,
weil aufgrund der dort verwendeten Absolutfilter über haupt
größere Partikel nicht bzw. in so geringer Zahl
auftreten, dass sie samt und sonders an der Ansaugöffnung
des Prüfgerätes vorbeifliegen.
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Wenn
nämlich, wie bei der geringeren Intensität der
Filtrierung der Spritzkabinenzuluft unvermeidbar, nur ca. 1 Partikel
(der störenden Größe von mehr als 10 μm)
in je ca. 100 bis 200 m3 Luft enthalten
ist, gelangt ein solches Teilchen nur außerordentlich selten
in den Ansaug des nur 2,8 Liter/min ansaugenden Prüfgerätes;
man nimmt deshalb an, die auf den Lackierobjekten vorgefundenen
Störpartikel stammten aus anderer Quelle und nimmt die
hohen Nacharbeitskosten als unvermeidbar hin.
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Es
ist das Ergebnis der Untersuchungen des Erfinders, diesen Umstand
erkannt zu haben und damit das Vorurteil der Fachleute zu überwinden.
Die Wahrscheinlichkeit, mittels der Partikelzählgeräte
bei einer im Verhältnis der Zuluftmenge zur Ansaugmenge
des Zählgerätes so kleinen Anzahl von Partikeln der
schädlichen Größe das Durchdringen des
Feinfilters durch wenige – aber in wirtschaftlicher Hinsicht gesehen
doch zu zahlreiche – Teilchen nachzuweisen, liegt nämlich
zwischen 1:10 000 bis 1:400 000! Die Neuerung zeigt einen Weg auf,
dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen. In der Reinraumtechnik verhalten
sich die Dinge anders: derart relativ große Partikel treten
dort auf der Reinseite überhaupt nicht auf und die Anzahl
der dort störenden viel kleineren Partikel ist im Verhältnis
von Zuluftmenge zu Ansaugprüfmenge groß genug,
um sie mit den Partikelzähl-Geräten nachweisen
zu können. Das Gleiche gilt für mit Prüffiltern
arbeitende Prüfgeräte, deren Ansaugmengen ebenfalls
viel zu klein sind, um eine sehr kleine Anzahl störender
Partikel zu entdecken. Deshalb geht der Einwand, die hier vorgeschlagenen Lösungen
seien von der Reinraumtechnik her hinlänglich bekannt,
an der Sache vorbei. Der Neuerungsgedanke liegt in der Übertragung
bekannter Lösungen auf ein anderes Anwendungsgebiet infolge der
beschriebenen neuen Erkenntnis und der Überwindung überkommener
Vorurteile.
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Erst
mit der seit der Erkenntnis des Erfinders gleichzeitig verlaufenden
Entwicklung einer verbesserten Nachweismethode ist die hier beschriebene Neuerung
für die Fachwelt als äußerst wertvoll
anzuerkennen, weil sie die hohen Nacharbeitskosten qualitativ höchst
anspruchsvoller Lackierung einzusparen ermöglicht.
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Die
Zeichnung zeigt schematisch den Querschnitt eine Farbspritzkabine
mit Gehäuse (1), Zuluftansaugkammer (2),
Luftaufbereitungsraum (3), Verteilerraum (4),
Absaugkammer (5) und Abluftausblas (6). Ein Zuluftgebläse
(2.1) saugt die Luft durch das Ansauggitter (2.2)
und bläst sie in den Luftaufbereitungsraum (3),
zuerst durch das Vortilter (3.1), durch das Heizregister
(3.2), den Wäscher (3.3) mit dem Wasserabscheider
(3.4) samt Wasserauffangwanne (3.5) und danach
durch die als Nachfilter dienenden Feinfilter (3.6) sowie
die den Feinfiltern nachgeschalteten Reststaubabscheider (3.7)
mit Reststaubauffangwanne (3.8), um sie dann in den getrennt
vom Luftaubereitungsraum (3) in den Verteilerraum (4).
Die Zuluft tritt aus dem Verteilerraum (4) durch einstellbare
Verteilergitter (4.1) in den Beschichtungsraum (1.1)
mit Lackierobjekt (1.2) durch die Bodengitter (1.3)
in die Absaugkammer (5) mit Lacknebelabscheider (5.1),
von wo aus sie mittels des Abluftventilators (5.2) zum
Abluftausblas (6) befördert wird. Die Pfeile deuten
die Luftströmungsrichtungen an. Es ist deutlich zu erkennen,
dass die Feinfilter (3.6) sowie die Reststaubabscheider
(3.7) mit Reststaubauffangwanne (3.8) räumlich
so angeordnet sind, dass durch die Feinfilter (3.6) hindurchtretende
Staubpartikel nicht durch die Verteilergitter (4.1) in
den Beschichtungsraum (1.1) fallen können, wie
das bei der bislang üblichen Bauweise geschieht, bei der
die Feinfilter anstelle der Verteilergitter unmittelbar über
den Lackierobjekten (1.2) angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Dipl. Ing.
M. Friedl mit dem Titel „Die richtigen Luftfilter als Voraussetzung
für gute Lackierergebnisse" [0008]