DE102012012520A1

DE102012012520A1 - Verfahren zum elektrostatischen Laden von nichtleitenden Objekten

Info

Publication number: DE102012012520A1
Application number: DE102012012520.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Vreeman; Martijn Jonkman; Erwin van 't Hul
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-01-02
Also published as: WO2014004626A1; EP2872310B1; EP2872310A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrostatischen Laden von nichtleitenden Objekten (1), wobei die Objekte (1) einzeln in aufeinanderfolgenden Ladezyklen (2) geladen werden, wobei in einem Ladezyklus (2) das jeweilige Objekt (1) mittels mindestens einer Elektrode (6) geladen wird, die hierfür nach Art eines Ionisators mittels einer Versorgungseinrichtung (7) mit einer Lade-Hochspannung ULoad gegenüber Masse oder mindestens einer Gegenelektrode beaufschlagt wird, wobei die Ladezyklen (2) mittels der Versorgungseinrichtung (7) parametrierbar sind. Es wird vorgeschlagen, dass in den Ladezyklen (2) der auf die jeweilige Lade-Hochspannung ULoad zurückgehende Ladestrom ILoad gemessen wird und dass die Ladezyklen (2) in Abhängigkeit von dem gemessenen Ladestrom ILoad bzw. den gemessenen Ladeströmen ILoad parametriert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrostatischen Laden von nichtleitenden Objekten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein solches Verfahren nach einer weiteren Lehre gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung der obigen Verfahren gemäß Anspruch 15.
Dem gezielten elektrostatischen Laden von Oberflächen nichtleitender Objekte kommt in der industriellen Fertigung eine wichtige Rolle zu. Ein Anwendungsbeispiel ist das sogenannte „In Mold Labeling” (IML), das eine spezielle Art der Durchführung eines Kunststoff-Spritzgussprozesses betrifft. Dabei werden folienartige, nichtleitende Etiketten an den Formflächen einer Spritzgussform fixiert, so dass die Applikation der Etiketten in den Spritzgussvorgang integriert ist.
Im Rahmen des obigen IML-Verfahrens hat es sich bewährt, die Etiketten durch elektrisches Aufladen an den Formflächen der Spritzgussform zu fixieren. Bei dem bekannten Verfahren ( EP 0 802 032 B1 ), von dem die Erfindung ausgeht, wird ein Etikett mittels eines Form-Kerns in den Spritzgusshohlraum der Spritzgussform gehalten und elektrostatisch aufgeladen, so dass das Etikett an der Wand des Spritzgusshohlraums elektrostatisch anhaftet. Das Aufladen erfolgt nach Art eines Ionisators, indem eine Spannungs-Versorgungseinrichtung eine an dem Form-Kern angeordnete Elektrode gegenüber Masse mit einer Lade-Hochspannung beaufschlagt.
Das oben beschriebene IML-Verfahren findet Anwendung in der Massenfertigung, beispielsweise bei der Herstellung von Behältnissen aus Kunststoff wie Farbeimern o. dgl.. Die Objekte werden einzeln in aufeinanderfolgenden Ladezyklen geladen, wobei der Einhaltung möglichst geringer Fertigungs-Taktzeiten ganz besondere Bedeutung zukommt.
Bei dem bekannten Verfahren muss für jeden Ladezyklus eine Mindest-Zykluszeit mit einem gewissen „Sicherheitspuffer” vorgesehen sein, um zu gewährleisten, dass ein sicheres Anhaften auch bei eventuellen ungünstigen Umgebungsbedingungen sichergestellt ist. Einflussfaktoren, die sich auf den Ladevorgang auswirken, sind beispielsweise die Umgebungstemperatur, die Umgebungsluftfeuchtigkeit o. dgl.. Die Einhaltung des obigen Sicherheitspuffers heißt aber auch, dass die Zykluszeiten aus den genannten Sicherheitsgründen meist länger sind als an sich erforderlich, was dem Ziel minimaler Fertigungs-Taktzeiten widerspricht.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das bekannte Verfahren derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine Minimierung der Zykluszeiten der Ladezyklen mit geringem Aufwand umsetzbar ist.
Das obige Problem wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
Wesentlich ist die Erkenntnis, dass der Ladestrom während eines Ladezyklus nicht allein durch die Lade-Hochspannung bestimmt wird, sondern auch durch die oben genannten Umgebungsbedingungen, wie Umgebungstemperatur, Umgebungsluftfeuchtigkeit etc.. Damit kann im Umkehrschluß der Ladestrom analysiert werden, um die Ladezyklen auf die jeweils aktuellen Umgebungsbedingungen hin zu parametrieren.
Im Einzelnen wird vorgeschlagen, dass in den Ladezyklen der auf die jeweilige Lade-Hochspannung zurückgehende Ladestrom gemessen wird und dass die Ladezyklen in Abhängigkeit von dem gemessenen Ladestrom bzw. den gemessenen Ladeströmen parametriert werden. Besonders vorteilhaft ist dabei die Tatsache, dass die Ladezyklen mit dem vorschlagsgemäßen Verfahren optimal auf die jeweils herrschenden Umgebungsbedingungen angepaßt werden können, ohne dass eine irgendwie geartete Sensorik zur Messung von Luftfeuchtigkeit, Temperatur o. dgl. vorgesehen sein muß.
Die Parametrierung eines Ladezyklus umfaßt vorliegend alle veränderbaren Parameter, die den Ladezyklus charakterisieren. Beispiele hierfür sind die Lade-Hochspannung, der Zeitpunkt der Zyklusendes o. dgl..
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 sieht vor, dass einem Hochspannungs-Netzteil die Sollwerte für die Lade-Hochspannung vorgegeben werden, wobei das Netzteil eine Spannungssteuerung oder eine Spannungsregelung umfassen kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Stromsteuerung bzw. eine Stromregelung vorgesehen sein.
Gemäß Anspruch 4 umfaßt die Parametrierung eines Ladezyklus die Ermittlung und Vorgabe eines Sollwerts und/oder eines Sollwertverlaufs für die Lade-Hochspannung. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass ein besonders geringer gemessener Ladestrom, der unterhalb eines Stromschwellwerts liegt, dazu führt, dass der Sollwert für die Lade-Hochspannung im Rahmen der Parametrierung angehoben wird.
Eine weiter bevorzugte Variante für die Parametrierung des Ladezyklus, die zusätzlich zu der vorgenannten Variante vorgesehen sein kann, ist die Ermittlung und Einleitung des Zyklusendes eines Ladezyklus gemäß Anspruch 8. Bei der weiter bevorzugten Ausgestaltung gemäß Anspruch 9 ist für die Ermittlung des Zyklusendes eine Abschaltbedingung basierend auf dem Ladestrom vorgesehen, deren Eintreten unverzüglich zur Einleitung des Zyklusendes führt. Damit ist es grundsätzlich möglich, die Zykluszeit für einen Ladezyklus so gering wie möglich zu halten, ohne den jeweils angestrebten Ladevorgang zu beeinträchtigen. Zwei besonders bevorzugte Varianten für die Ermittlung des Zyklusendes zeigt Anspruch 9.
Für den Fall, dass der Ladezyklus zu langsam erfolgt, also mehr Zeit benötigt als eine vorbestimmte Grenzladezeit, wird gemäß Anspruch 11 vorgeschlagen, die Lade-Hochspannung für einen folgenden Ladezyklus, insbesondere für den nächsten Ladezyklus, entsprechend hoch zu setzen.
Nach einer weiteren Lehre, der eigenständige Bedeutung zukommt, wird ein Verfahren zum elektrostatischen Laden von nichtleitenden Objekten gemäß Anspruch 12 beansprucht.
Wesentlich nach dieser weiteren Lehre ist die Erkenntnis, dass die an die Elektrode angelegte Lade-Hochspannung nach Beendigung des Ladezyklus möglichst schnell abgeschaltet, insbesondere auf eine Leerlaufspannung heruntergefahren werden muss, so dass eine ungewünschte Beeinflussung des Ladezustands nichtleitenden Objekts, insbesondere durch eine Entfernung der Elektrode, nicht auftritt. Die schnelle Reduzierung der Spannung am Hochspannungsausgang der Versorgungseinrichtung ist insoweit nicht unproblematisch, als eine gewisse Ausgangsspannung durch Kapazitäten aufrechterhalten wird, die u. a. auf die Zuleitungen zwischen der Versorgungseinrichtung und der Elektrode, auf die Elektrode selbst, etc. zurückgehen. Diese Kapazitäten werden im Folgenden unter dem Begriff ”parasitäre Kapazität” zusammengefaßt.
Es wird nun nach der weiteren Lehre gemäß Anspruch 12 vorgeschlagen, dass der Hochspannungsausgang der Versorgungseinrichtung nach Beendigung des Ladezyklus mit einem Entladestrang überbrückt wird.
Der Begriff „Entladestrang” ist vorliegend weit zu verstehen. Er umfaßt alle elektrisch leitenden Anordnungen, die geeignet sind, eine Entladung der obengenannten, parasitären Kapazitäten zu ermöglichen.
Eine Alternative besteht im Rahmen der weiteren Lehre darin, dass der Entladestrang nicht gezielt, also durch einen Schaltvorgang, nach der Beendigung des Ladezyklus an den Hochspannungsausgang der Versorgungseinrichtung angekoppelt wird, sondern, dass der Entladestrang stets an den Hochspannungsausgang der Versorgungseinrichtung angekoppelt ist. Diese Variante ist besonders kostengünstig realisierbar, da ein irgendwie gearteter Schalter sowie eine entsprechende Schalteransteuerung nicht vorgesehen sein muss.
Nach einer weiteren Lehre gemäß Anspruch 15, der ebenfalls eigenständige Bedeutung zukommt, wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines der vorschlagsgemäßen Verfahren beansprucht. Auf alle Ausführungen, die geeignet sind, die den vorschlagsgemäßen Verfahren zugeordnete Vorrichtung zu erläutern, darf verwiesen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine IML-Vorrichtung zur Durchführung eines vorschlagsgemäßen Verfahrens a) vor einem Ladezyklus und b) während eines Spritzgusszyklus,
2a) Ladeströme während eines Ladezyklus der Vorrichtung gemäß 1 in drei Varianten, die. auf die in b) gezeigten Sollwerte für die Lade-Hochspannung zurückgehen, jeweils bei fest vorgegebener Zykluszeit,
3a) den Ladestrom eines Ladezyklus bei automatisch ermitteltem und eingestellten Zyklusende und b) der zugeordnete Sollwert für die Lade-Hochspannung, und
4 ein Schaltbild für die Hochspannungs-Versorgungseinrichtung für die Vorrichtung gemäß 1.
Die Zeichnung zeigt das vorschlagsgemäße Verfahren beispielhaft als Bestandteil eines IML-Fertigungsverfahrens. Insoweit handelt es sich bei den zu ladenden Objekten 1 um nichtleitende, folienartige Etiketten, die in 1a) auf einem Form-Kern 3 angeordnet sind. 1a) zeigt ein Etikett 1 auch als solches in gestrichelter Linie, um die Formgebung des Etiketts 1 zu zeigen. Das Etikett 1 besteht hier und vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial. Denkbar sind andere Materialien wie Papier o. dgl..
Es darf darauf hingewiesen werden, dass das vorschlagsgemäße Verfahren in weiten Bereichen auch außerhalb des IML-Verfahrens eingesetzt werden kann. Insoweit kann es sich bei dem aufzuladenden Objekt 1 um irgendein Objekt handeln, das im Zuge der Ionisation aufladbar ist.
Das elektrostatische Laden der Objekte 1 erfolgt einzeln in aufeinanderfolgenden Ladezyklen. Hierfür wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das zu ladende Objekt 1, hier das Etikett 1, auf den Form-Kern 3 aufgebracht und dort pneumatisch über Unterdruckkanäle 3a fixiert. Anschließend wird der Form-Kern 3 mit dem an seiner Außenfläche befindlichen Etikett 1 in den Spritzgusshohlraum 4 einer geöffneten, zweiteiligen Spritzgussform 5 gebracht. 1a) zeigt auf der rechten Seite den einen Teil 5a der geöffneten Spritzgussform 5, während 1b) auch den zweiten Teil 5b der Spritzgussform 5 zeigt, der in 1b) abdichtend mit dem ersten Teil 5a in Eingriff steht.
Der Form-Kern 3 ist an seiner Außenseite mit einer Elektrode 6 ausgestattet, auf die das aufzuladende Objekt 1 in obiger Weise aufgebracht worden ist.
Der Form-Kern 3 wird aus der in 1a) gezeigten Stellung heraus in den Spritzgusshohlraum 4 der Spritzgussform 5 gefahren, bis das aufzuladende Objekt 1, hier das Etikett 1, in Anlage an der Innenwandung oder dicht an die Innenwandung des ersten Teils 5a der Spritzgussform 5 kommt. Anschließend wird in einem Ladezyklus 2 das aufzuladende Objekt 1 über die Elektrode 6 geladen, die hierfür nach Art eines Ionisators mittels einer Versorgungseinrichtung 7 mit einer Lade-Hochspannung U_Load gegenüber Masse beaufschlagt wird. Die Lade-Hochspannung U_Load liegt hier vorzugsweise im kV-Bereich, der Strom liegt vorzugsweise im μA-Bereich oder mA-Bereich.
Durch das Aufladen des Etiketts 1 haftet das Etikett 1 an der Innenseite des ersten Teils 5a der Spritzgussform 5. Bevor der Form-Kern 3 mit der Elektrode 6 wieder aus dem Spritzgusshohlraum 4 herausgefahren werden kann, wird die Lade-Hochspannung U_Load in noch zu erläuternder Weise abgesenkt. In einer bevorzugten Variante wird allerdings nicht das vollständige Absenken der Lade-Hochspannung U_Load, insbesondere auf eine Leerlaufspannung oder auf 0 V, abgewartet, um Fertigungs-Taktzeit einzusparen. Bevorzugt wird der Form-Kern 3 bereits aus dem Spritzgusshohlraum 4 herausgefahren, wenn die Lade-Hochspannung U_Load auf einen unkritischen Betrag abgesenkt wurde, beispielsweise auf eine Spannung zwischen etwa 50 V und 300 V.
Für die Ausgestaltung der Elektrode 6 sind zahlreiche vorteilhafte Varianten denkbar. Hier und vorzugsweise weist die Elektrode 6 eine geringfügig elektrisch leitende Schicht zumindest in der Region auf, in der das Etikett 1 getragen werden soll. Zu dieser Ausgestaltung der Elektrode 6 sowie zu der grundsätzlichen Ausgestaltung des IML-Verfahrens darf auf die EP 0 802 032 B1 verwiesen werden, die auf die Anmelderin zurückgeht und deren Inhalt insoweit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Die Elektrode 6 kann aber auch in ganz anderer Weise ausgestaltet sein. Insbesondere ist es nicht funktionsnotwendig, dass die Elektrode mit einer elektrisch geringfügig leitenden Schicht ausgestattet ist.
Weiter ist es denkbar, dass eine mehrteilige Elektrode 6 und/oder mehrere Elektroden 6 vorgesehen ist bzw. sind.
Die mindestens eine Elektrode 6 kann, wie hier, gegenüber Masse mit der Lade-Hochspannung U_Load beaufschlagt werden. Denkbar ist aber auch die Beaufschlagung der Elektrode 6 mit der Lade-Hochspannung U_Load gegenüber mindestens einer Gegenelektrode.
Nach der Entfernung des Form-Kerns 3 aus dem Spritzgusshohlraum 4 wird die Spritzgussform 5 durch den dichtenden Eingriff der beiden Teile 5a, 5b geschlossen, so dass der Spritzgussvorgang in an sich üblicher Weise vollzogen werden kann. 1b) zeigt einen entsprechenden Zuführkanal 8, über den der flüssige Kunststoff in den Spritzgusshohlraum 4 eingeleitet wird. Der obige Lade- und Spritzgusszyklus wird identisch für die Anzahl der herzustellenden Produkte wiederholt. Hier und vorzugsweise handelt es sich bei dem herzustellenden Produkt um einen mit dem Etikett 1 zu versehenden Becher.
Um eine hohe Prozesssicherheit sicherzustellen, ist es vorgesehen, dass die Ladezyklen zum Laden des jeweiligen Objekts 1 mittels der Versorgungseinrichtung 7 parametrierbar sind. Die Parametrierung betrifft in erster Linie die Lade-Hochspannung U_Load und den Zeitpunkt des Zyklusendes des Ladezyklus 2, wie noch erläutert wird. Wesentlich ist, dass die Parametrierung der Ladezyklen 2 von dem tatsächlichen Ladestrom I_Load abgeleitet wird. Hierfür wird in den Ladezyklen 2 der auf die jeweilige Lade-Hochspannung U_Load zurückgehende Ladestrom I_Load gemessen, wobei die Ladezyklen 2 in Abhängigkeit von dem gemessenen Ladestrom I_Load bzw. den gemessenen Ladeströmen parametriert werden.
Die Parametrierung der Ladezyklen 2 in Abhängigkeit von dem Ladestrom I_Load kann auf ganz unterschiedliche Weise erfolgen. In einer ersten Variante kann es vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Parametrierung eines Ladezyklus 2 aus dem in einem vorhergehenden Ladezyklus 2 gemessenen Ladestrom I_Load abgeleitet wird. Bei dem vorhergehenden Ladezyklus 2 kann es sich um den unmittelbar vorhergehenden Ladezyklus 2, oder um einen weiter zurückliegenden Ladezyklus 2 handeln. Mit diesen beiden Varianten sind zahlreiche Möglichkeiten für die Parametrierung der Ladezyklen 2 gegeben. Es darf darauf hingewiesen werden, dass hier und vorzugsweise die beiden Varianten sogar miteinander kombiniert werden, wie aus den folgenden Erläuterungen deutlich wird.
Die Parametrierbarkeit der Ladezyklen 2 ergibt sich u. a. durch die Ausstattung der Versorgungseinrichtung 7 mit einem Netzteil 9, dem Sollwerte für die Lade-Hochspannung U_Load vorgegeben werden. Die Sollwerte werden hier und vorzugsweise in Form einer Steuerspannung U_Set vorgegeben, die auf einen Steuereingang 10 des Netzteils 9 geschaltet wird. Der Steuereingang 10 des Netzteils 9 ist in 4 angedeutet.
Die Versorgungseinrichtung 7 ist hier und vorzugsweise mit einer Steuerungseinrichtung 11 ausgestattet, die die Parametrierung der Ladezyklen 2 steuert. Die wesentlichen Aufgaben der Steuerungseinrichtung 11 sind die Messung des Ladestroms I_Load, vorzugsweise über das Netzteil 9, ggf. die Messung der Lade-Hochspannung U_Load, und die Ermittlung und Umsetzung der jeweiligen Parameterwerte. Die Messungen des Ladestroms I_Load und der Lade-Hochspannung U_Load sind in 4 über entsprechende, gestrichelt dargestellte Steuer-Zuleitungen in die Steuerungseinrichtung 11 angedeutet.
2a) zeigt den Verlauf des Ladestroms I_Load für drei unterschiedliche Lade-Hochspannungen U_Load in idealisierter Form. Die Sollwerte für die jeweilige Lade-Hochspannung U_Load zeigt 2b. Die tatsächliche Lade-Hochspannung U_Load nähert sich dem Sollwert regelmäßig je nach Ausgestaltung des Netzteils 9 und der schaltungstechnischen Randbedingen mehr oder weniger zeitverzögert an.
In den 2a) und 2b) sind die Werte in unterschiedlicher Linienart dargestellt, um die Zuordnung der jeweiligen Strom- und Spannungswerte zueinander festzulegen. Aus dieser Darstellung wird grundsätzlich deutlich, dass sich der Ladestrom I_Load durch eine Parametrierung der Lade-Hochspannung U_Load bzw. deren Sollwertes gezielt beeinflussen lässt. Ist beispielsweise der Ladestrom I_Load aufgrund ungünstiger Umgebungsbedingungen zu gering, so kann beispielsweise für einen folgenden Ladezyklus, insbesondere für den nächsten Ladezyklus, der Sollwert für die Lade-Hochspannung U_Load entsprechend angehoben werden. Ein einfaches Beispiel für die Ermittlung eines zu niedrigen Ladestroms I_Load ist beispielsweise die Überprüfung des Anfangswerts I_max des Ladestroms I_Load zum Zeitpunkt t₀ (2a) im Hinblick auf das Unterschreiten einer Stromschwelle I_Trigger. So lassen sich die Ladezyklen auf die jeweils herrschenden Umgebungsbedingungen hin parametrieren, ohne dass eine Sensorik zur Messung der Umgebungsbedingungen erforderlich ist.
Ganz allgemein ist es so, dass im Zuge der Parametrierung eines Ladezyklus 2 der Sollwert und/oder der Sollwertverlauf für die Lade-Hochspannung U_Load us dem Betrag und/oder dem Verlauf des Ladestroms I_Load ermittelt wird bzw. werden.
Beispielsweise kann in Abhängigkeit von einem aus dem Ladestrom I_Load in einem Ladezyklus 2 abgeleiteten Wert, insbesondere von dem Betrag des Ladestroms I_Load zu einem vorbestimmten Zeitpunkt innerhalb des Ladezyklus 2, der Sollwert für die Lade-Hochspannung U_Load für einen folgenden Ladezyklus 2 erhöht oder reduziert werden. Vorzugsweise wird dabei der Sollwert für die Ladehochspannung U_Load beim ersten zu ladenden Objekt 1 zunächst auf einen überhöhten Wert gesetzt. In den anschließenden Ladezyklen wird sich der Sollwert durch die fortlaufende Parametrierung auf einen Betriebs-Sollwert einpendeln.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird in Abhängigkeit von dem Ladestrom I_Load in einem Ladezyklus 2 der Sollwert für die Lade-Hochspannung U_Load für einen folgenden Ladezyklus 2 derart ermittelt und vorgegeben, dass in dem folgenden Ladezyklus 2 zumindest näherungsweise eine vorbestimmte Ladungsmenge in einer vorbestimmten Ladezeit auf das Objekt 1 gebracht wird. Ergibt sich beispielsweise aus dem gemessenen Ladestrom, dass die in einem vorbestimmten Zeitfenster aufgebrachte Ladungsmenge zu gering ist, so wird die Lade-Hochspannung U_Load für einen folgenden Ladezyklus entsprechend erhöht. Es darf darauf hingewiesen werden, dass der tatsächliche Wert für die aufgebrachte Ladungsmenge nicht ermittelt werden muß. Vielmehr kann die Parametrierung beispielsweise so vorgenommen werden, dass sich die in Versuchen einmal eingestellte – aber nicht explizit ermittelte – Ladungsmenge bei allen folgenden Ladungszyklen im Wesentlichen einstellt.
Hier und vorzugsweise ist es zusätzlich so, dass die Parametrierung eines Ladezyklus 2 auch die Ermittlung und Einleitung des Zyklusendes umfaßt. Das Zyklusende ist also nicht fest vorgegeben, sondern wird vorzugsweise für jeden Ladezyklus neu bestimmt. Die Einleitung des Zyklusendes entspricht hier der Abschaltung der Lade-Hochspannung U_Load oder der Vorgabe des Sollwerts U_Set, für die Lade-Hochspannung U_Load auf eine Leerlaufspannung, hier auf eine Spannung von 0 V. Die Abschaltung der Lade-Hochspannung U_Load bedeutet hier die Abschaltung des Netzteils 9. Eine Trennung der Elektrode 6 von dem Netzteil 9 ist dabei nicht erforderlich.
In Abhängigkeit von den schaltungstechnischen Randbedingungen senkt sich die Lade-Hochspannung U_Load mit einer noch zu erläuternden Verzögerung ab.
Die Ermittlung des Zyklusendes geht auf die Überwachung einer Abschaltbedingung zurück, die von der Versorgungseinrichtung 7, hier von der Steuerungseinrichtung 10 der Versorgungseinrichtung 7, vorgenommen wird. Die Abschaltbedingung ist basierend auf dem Ladestrom I_Load während des Ladezyklus 2 definiert, so dass auch zur Bestimmung des Zyklusendes keine Sensorik o. dgl. erforderlich ist.
Für die Definition der Abschaltbedingung sind zahlreiche Varianten denkbar. In einer besonders einfach umzusetzenden Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Abschaltbedingung die Überschreitung eines vorbestimmten Absenkens des Ladestroms I_Load während eines Ladezyklus 2 ist. In einer einfach zu realisierenden Variante entspricht das vorbestimmte Absenken einem prozentualen Absenken des Ladestroms I_Load relativ zu einem Strom-Anfangswert I_max zum Zeitpunkt t₀. 3a) zeigt, dass eine Absenkung des Ladestroms I_Load um den Wert ΔI_rel dazu führt, dass die Abschaltbedingung erfüllt ist. Die Erfassung der Abschaltbedingung durch die Steuerungseinrichtung 10 der Versorgungseinrichtung 7 führt zu der sofortigen Einleitung des Zyklusendes des Ladezyklus, hier durch Abschaltung der Lade-Hochspannung U_Load oder durch Vorgabe des Sollwerts für die Lade-Hochspannung U_Load auf eine Leerlaufspannung, hier auf 0 V.
Eine andere bevorzugte Variante für die Abschaltbedingung ergibt sich aus der Ermittlung eines Wertes für die während des laufenden Ladezyklus 2 bereits aufgebrachten Ladung. Hierfür wird der Ladestrom I_Load über die Ladezeit integriert, wobei die Abschaltbedingung das Erreichen einer vorbestimmten Ladungsschwelle durch das Integral des Ladestroms I_Load über die Ladezeit entspricht. 3a) zeigt das Integral des Ladestroms I_Load über die Ladezeit in einer schraffierten Fläche. Die schraffierte Fläche ist ein Maß für die zu dem jeweiligen Zeitpunkt auf das Objekt 1 aufgebrachte Ladung.
Interessant bei der obigen Parametrierung des Zyklusendes ist die Tatsache, dass die Zykluszeit, hier die Differenz zwischen dem Zeitpunkt des Zyklusendes t₁ und dem Zeitpunkt des Zyklusanfangs t₀, für jeden Ladezyklus 2 individuell auf einen minimalen Wert eingestellt werden kann. Dadurch ist es möglich, die u. a. durch die Ladezyklen 2 bestimmte Fertigungs-Taktzeit, beispielsweise für das dargestellte IML-Verfahren, zu verkürzen. Umgekehrt ist aber auch sichergestellt, dass bei ungünstigen Umgebungsbedingungen die Zykluszeit verlängert wird, so dass stets eine hinreichende Ladung sichergestellt ist. Vor diesem Hintergrund ist vorzugsweise eine vorbestimmte Grenzladezeit vorgesehen, bei der es sich um die gerade noch tolerierbare Zykluszeit handelt. Für den Fall, dass zum Ablauf der Grenzladezeit die Abschaltbedingung noch nicht eingetreten ist, wird der Sollwert für die Lade-Hochspannung U_Load für den jeweils nächsten Ladezyklus 2 erhöht. Es lässt sich der Darstellung gemäß 2 entnehmen, dass eine solche Erhöhung mit einer Erhöhung des Ladestroms I_Load einhergeht, so dass die Ladung des Objekts 1 entsprechend schneller vonstatten geht.
Es darf noch darauf hingewiesen werden, dass die vorschlagsgemäße, automatische Parametrierung der Ladezyklen 2 mit einer externen Vorgabe des Sollwerts für die Lade-Hochspannung U_Load kombiniert werden kann. In einer Variante wird dem Netzteil 9 eine externe Spannung U_Set für den Sollwert vorgegeben, so dass die Lade-Hochspannung U_Load ausschließlich durch die externe Vorgabe, und nicht durch die vorschlagsgemäße Parametrierung, beeinflußt wird. Denkbar ist aber auch, dass die Parametrierung eine von der externen Vorgabe abweichende Lade-Hochspannung U_Load einstellt. Das kann vorteilhaft sein, wenn von extern eine bestimmte Lade-Hochspannung U_Load eingestellt wird, die angesichts sich ändernder Umgebungsbedingungen anzupassen ist, um den gewünschten Ladevorgang zu erzielen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Versorgungseinrichtung 7 zeigt 4. Zu erkennen sind dort die bereits diskutierten Komponenten Netzteil 9 und Steuerungseinrichtung 10. Der Darstellung gemäß 4 lässt sich weiter entnehmen, dass eine Zuleitung 12 zwischen der Versorgungseinrichtung 7 und der Elektrode 6 vorgesehen ist. Im Sinne einer übersichtlichen Darstellung ist zusätzlich eine Kapazität C_p dargestellt, die der parasitären Kapazität der Zuleitung 12, der Elektrode 6, etc. entspricht. Die Zuleitung 12 als solche stellt ja gegenüber Masse eine gewisse Kapazität dar, deren Größe mit der Länge der Zuleitung 12 ansteigt.
Aus der Darstellung gemäß 4 wird deutlich, dass die Veränderbarkeit der Lade-Hochspannung U_Load auch durch die parasitäre Kapazität C_p beeinflusst wird. Jede Änderung der Lade-Hochspannung U_Load ist nämlich mit einem Umladen der parasitären Kapazität C_p verbunden. Dies bedeutet beispielsweise, dass im Zeitpunkt t₁, in dem die Lade-Hochspannung U_Load abgeschaltet wird oder der Sollwert für die Lade-Hochspannung U_Load auf eine Leerlaufspannung, vorzugsweise auf 0 Volt, gesetzt wird, regelmäßig keine sofortige Reduzierung der Lade-Hochspannung U_Load auf die Leerlaufspannung oder auf 0 V stattfindet. Vielmehr sinkt die Lade-Hochspannung U_Load zeitverzögert entsprechend der Kapazität C_p und u. a. dem Leitungswiderstand der Zuleitung 12 ab, sofern keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden. Dies ist an sich nachteilig, da der Form-Kern 3 mit der Elektrode 6 erst aus dem Spritzgusshohlraum 4 bewegt werden kann, wenn die Lade-Hochspannung U_Load entsprechend heruntergefahren ist. Andernfalls würde die Bewegung des Form-Kerns 3 wieder zu ungewünschten Ladungsverschiebungen und einer Beeinträchtigung der Fixierung des Etiketts 1 an der Spritzgussform 5 führen.
Eine bevorzugte Maßnahme zur Beschleunigung des Entladens der parasitären Kapazität C_p besteht nun darin, dass der Hochspannungsausgang 13, 14 der Versorgungseinrichtung 7 nach Beendigung des Ladezyklus mit einem Entladestrang 15 überbrückt wird oder stets überbrückt ist.
Bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Entladestrang 15 einen Ohmschen Entladewiderstand R_L auf, der auf den Hochspannungsausgang 13, 14 der Versorgungseinrichtung 7 schaltbar ist. Hierfür ist ein über die Steuerungseinrichtung 11 ansteuerbarer Schalter 16 vorgesehen. Je nach Anwendungsfall kann auf den Schalter 16 aber auch verzichtet werden. Dann muss der Entladewiderstand R₁ so ausgelegt sein, dass er den Ladevorgang möglichst wenig beeinträchtigt.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei dem Ohmschen Entladewiderstand um einen veränderbaren Widerstand, dessen Betrag insbesondere über die Steuerungseinrichtung 11 einstellbar ist. Vorteilhafterweise kann der Betrag für den Ohmschen Entladeiderstand R_L dann steuerungstechnisch und insbesondere stufenlos einstellbar sein. Die Einstellung des Entladewiderstands R_L kann dann in obigem Sinne in Abhängigkeit von dem gemessenen Ladestrom I_Load parametriert werden.
Der Entladewiderstand R_L sollte möglichst klein gewählt sein, um ein schnelles Entladen der parasitären Kapazität C_p sicherzustellen. Vorzugsweise ist der Entladewiderstand R_L kleiner als der Innenwiderstand des Netzteils 9. Weiter vorzugsweise ist der Innenwiderstand des Netzteils 9 mindestens um den Faktor 10, insbesondere um den Faktor 100, größer als der Entladewiderstand R_L.
Die oben erläuterte Überbrückung des Hochspannungsausgangs 13, 14 der Versorgungseinrichtung 7 ist Gegenstand einer weiteren Lehre, der eigenständige Bedeutung zukommt. Bemerkenswert ist dabei die Tatsache, dass diese weitere Lehre die vorschlagsgemäße Überbrückung als solche beansprucht, so dass es auf die weiter oben erläuterte, vorschlagsgemäße Parametrierung nicht notwendigerweise ankommt.
Nach einer weiteren Lehre, der ebenfalls eigenständige Bedeutung zukommt, wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines der vorschlagsgemäßen Verfahren beansprucht. Eine solche Vorrichtung umfaßt jedenfalls eine Elektrode 6 und eine Versorgungseinrichtung 7, die in oben erläuterter Weise zusammenwirken. Hinsichtlich möglicher Varianten und Vorteile darf auf die obigen Ausführungen verwiesen werden, sofern diese geeignet sind, die vorschlagsgemäße Vorrichtung zu erläutern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0802032 B1 [0003, 0032]

Claims

Verfahren zum elektrostatischen Laden von nichtleitenden Objekten (1), wobei die Objekte (1) einzeln in aufeinanderfolgenden Ladezyklen (2) geladen werden, wobei in einem Ladezyklus (2) das jeweilige Objekt (1) mittels mindestens einer Elektrode (6) geladen wird, die hierfür nach Art eines Ionisators mittels einer Versorgungseinrichtung (7) mit einer Lade-Hochspannung U_Load gegenüber Masse oder mindestens einer Gegenelektrode beaufschlagt wird, wobei die Ladezyklen (2) mittels der Versorgungseinrichtung (7) parametrierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ladezyklen (2) der auf die jeweilige Lade-Hochspannung U_Load zurückgehende Ladestrom I_Load gemessen wird und dass die Ladezyklen (2) in Abhängigkeit von dem gemessenen Ladestrom I_Load bzw. den gemessenen Ladeströmen I_Load parametriert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Parametrierung eines Ladezyklus (2) aus dem in einem vorhergehenden Ladezyklus (2) gemessenen Ladestrom I_Load, insbesondere aus dem in einem unmittelbar vorhergehenden Ladezyklus (2) gemessenen Ladestrom I_Load, vorgenommen wird, und/oder, dass zumindest ein Teil der Parametrierung eines Ladezyklus (2) aus dem in diesem Ladezyklus (2) gemessenen Ladestrom I_Load vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinrichtung (7) ein Netzteil (9) umfaßt, dem Sollwerte für die Lade-Hochspannung U_Load vorgegeben werden, vorzugsweise, dass die Sollwerte in Form einer Steuerspannung U_Set auf das Netzteil (9) geschaltet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parametrierung eines Ladezyklus (2) die Ermittlung und Vorgabe eines Sollwerts und/oder eines Sollwertverlaufs für die Lade-Hochspannung U_Load umfaßt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge der Parametrierung eines Ladezyklus (2) der Sollwert und/oder der Sollwertverlauf für die Lade-Hochspannung U_Load aus dem Betrag und/oder dem Verlauf des Ladestroms I_Load ermittelt wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einem aus dem Ladestrom I_Load in einem Ladezyklus (2) abgeleiteten Wert, insbesondere von dem Betrag des Ladestroms I_Load zu einem vorbestimmten Zeitpunkt innerhalb des Ladezyklus (2), der Sollwert für die Lade-Hochspannung U_Load für einen folgenden Ladezyklus (2) erhöht oder reduziert wird, vorzugsweise, dass der Sollwert für die Ladehochspannung U_Load beim ersten zu ladenden Objekt (1) auf einen überhöhten Wert gesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Ladestrom I_Load in einem Ladezyklus (2) der Sollwert für die Lade-Hochspannung U_Load für einen folgenden Ladezyklus (2) derart ermittelt und vorgegeben wird, dass in dem folgenden Ladezyklus (2) zumindest näherungsweise eine vorbestimmte Ladungsmenge in einer vorbestimmten Ladezeit auf das Objekt (1) gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parametrierung eines Ladezyklus (2) die Ermittlung und Einleitung des Zyklusendes umfaßt, vorzugsweise, dass die Einleitung des Zyklusendes dem Abschalten der Lade-Hochspannung U_Load oder der Vorgabe des Sollwerts für die Lade-Hochspannung U_Load auf eine Leerlaufspannung, insbesondere auf 0 V, entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Zyklusendes auf die Überwachung einer Abschaltbedingung zurückgeht und dass die Abschaltbedingung basierend auf dem Ladestrom I_Load während des Ladezyklus (2) definiert ist, vorzugsweise, dass die Abschaltbedingung ein vorbestimmtes Absenken des Ladestroms I_Load während eines Ladezyklus (2) ist, vorzugsweise, dass das vorbestimmte Absenken einem prozentualen Absenken des Ladestroms I_Load relativ zu einem Strom-Anfangswert I_max entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom I_Load über die Ladezeit integriert wird und dass die Abschaltbedingung das Erreichen einer vorbestimmten Ladungsschwelle durch das Integral des Ladestroms I_Load über die Ladezeit entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorbestimmte Grenzladezeit vorgesehen ist und dass für den Fall, dass zum Ablauf der Grenzladezeit die Abschaltbedingung nicht eintritt, der Sollwert für die Lade-Hochspannung U_Load für einen folgenden Ladezyklus (2) erhöht wird.
Verfahren zum elektrostatischen Laden von nichtleitenden Objekten (1), wobei die Objekte (1) einzeln in aufeinanderfolgenden Ladezyklen (2) geladen werden, wobei in einem Ladezyklus (2) das jeweilige Objekt (1) mittels mindestens einer Elektrode (6) geladen wird, die hierfür nach Art eines Ionisators mittels einer Versorgungseinrichtung (7) mit einer Lade-Hochspannung U_Load gegenüber Masse oder mindestens einer Gegenelektrode beaufschlagt wird, wobei die Ladezyklen (2) mittels der Versorgungseinrichtung (7) parametrierbar sind, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsausgang (13, 14) der Versorgungseinrichtung (7) nach Beendigung des Ladezyklus (2) mit einem Entladestrang (15) überbrückt wird oder stets überbrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrang (15) einen insbesondere veränderbaren ohmschen Entladewiderstand R_L umfaßt, vorzugsweise, dass der Betrag des ohmschen Widerstands R_L steuerungstechnisch, insbesondere stufenlos, einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (9) einen Innenwiderstand aufweist, der größer ist als der Entladewiderstand R_L, vorzugsweise, der mindestens um den Faktor 10, vorzugsweise um den Faktor 100, größer ist als der Entladewiderstand R_L.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.