-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf ein Werkstück mittels eines Rotationszerstäubers.
-
In modernen Anlagen zur industriemäßigen Beschichtung von Werkstücken wie beispielsweise Fahrzeugkarosserien werden heutzutage vielfach Rotationszerstäuber eingesetzt. Bei dieser Zerstäuberbauweise wird auf eine als Glocke oder Glockenteller bezeichnete und mit hoher Geschwindigkeit rotierende Oberfläche das zu zerstäubende Beschichtungsmaterial aufgegeben. Die Glocke kann beispielsweise die Form eines Kegelstumpfs aufweisen, dessen Radius sich in Richtung des zu beschichtenden Materials hin vergrößert. Nach dem Aufgeben des Beschichtungsmaterials wird dieses aufgrund der Drehbewegung zunächst auf der Oberfläche der Glocke verteilt und verlässt die Oberfläche der Glocke, sobald das Beschichtungsmaterial an der Stirnseite der Glocke angelangt ist und die einwirkenden Fliehkräfte größer als die Haftkräfte sind. Es entsteht ein Sprühstrahl, der beispielsweise mittels Lenkluft oder elektrostatischen Kräften in Richtung des zu beschichtenden Werkstücks gelenkt wird.
-
Mit der zunehmenden Automatisierung und dem insbesondere bei der Automobilherstellung herrschenden Kostendruck besteht auch bei der Beschichtung beispielsweise von Fahrzeugkarosserien das Bestreben, möglichst reproduzierbare Beschichtungsqualitäten zu erzielen. Je besser eine Beschichtungsqualität reproduzierbar ist, umso besser kann beispielsweise die Beschichtungsdicke optimiert und es können gegebenenfalls Kosten reduziert werden. Es hat sich bislang bei der Beschichtung von großflächigen Werkstückoberflächen bewährt, den Rotationszerstäuber und damit den Sprühstrahl beispielsweise mäanderförmig über die Werkstückoberfläche zu führen. Trotz aller bisherigen Bemühungen war es nicht möglich, eine Beschichtungsqualität zu erreichen, die unabhängig von der Bahn ist, entlang welcher Sprühstrahl über die Oberfläche des Werkstücks geführt wurde. Anders ausgedrückt: Das mäanderförmige Bewegungsmuster zeigt sich in der entstehenden Beschichtungsqualität, insbesondere in der Beschichtungsdicke und der Beschichtungsstruktur.
-
Das Entstehen eines solchen Musters lässt sich durch den Einsatz mehrerer parallel geführter Rotationszerstäuber weitgehend unterdrücken, die zusätzlich zu einer linearen Bewegung über die Werkstückoberfläche senkrecht zur Bewegungsachse hin und her bewegt werden. Dies hat aber den Nachteil, dass die größere Anzahl an Rotationszerstäubern höhere Kosten und einen erhöhten Steuerungs- und Wartungsaufwand erfordert.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf ein Werkstück mittels eines Rotationszerstäubers anzugeben, das die genannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine Verbesserung der Beschichtungsqualität hinsichtlich Schichtdicke und Schichtstruktur erreicht.
-
Die Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf ein Werkstück mittels eines Rotationszerstäubers sieht vor, dass das Beschichtungsmaterial auf eine Oberfläche des Werkstücks entlang einer Bahn aufgebracht wird, wobei die Bahn einen ersten Bahnabschnitt mit einer ersten Drehrichtung des Rotationszerstäubers und einen zweiten Bahnabschnitt mit einer zweiten Drehrichtung des Rotationszerstäubers aufweist, wobei sich die erste Drehrichtung von der zweiten Drehrichtung unterscheidet. Es ist also erfindungsgemäß vorgesehen, entlang einer Bahn zwischen einem ersten Bahnabschnitt und einem zweiten Bahnabschnitt die Drehrichtung des Rotationszerstäubers zu wechseln.
-
Diese Maßnahme fußt auf der Erkenntnis, dass die Verteilung der Beschichtungspartikel in dem Sprühstrahl hinsichtlich Ort und Geschwindigkeit inhomogen ist. Die räumliche Verteilung der Beschichtungspartikel beim Auftreffen auf die zu beschichtende Oberfläche ist ringförmig. Innerhalb einer Projektion der Glocke entlang ihrer Rotationsachse auf die Werkstückoberfläche befinden sich relativ wenige Beschichtungspartikel. Mit zunehmendem Radius nach außen erhöht sich die Dichte der Beschichtungspartikel und nimmt dann mit weiter ansteigendem Radius wieder ab. Gleichzeitig ist die Geschwindigkeitsverteilung der Beschichtungspartikel in dem Sprühstrahl derart, dass sich die Beschichtungspartikel aufgrund der Lenkluft auf die Werkstückoberfläche zu bewegen und somit eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Werkstücks aufweisen. Gleichzeitig weisen die Lackpartikel auch eine Geschwindigkeitskomponente auf, die in Umfangsrichtung des beschriebenen Rings verläuft. Aufgrund der Rotation der Glocke lösen sich die Lackpartikel mit einer tangentialen Komponente von der Oberfläche der Glocke ab, so dass der gesamte Sprühstrahl gewissermaßen einen Drall aufweist. Aufgrund der Verdrallung des auf die Oberfläche des Werkstücks auftreffenden Beschichtungspartikel-Luftstroms entlang der Bahn entsteht eine Ungleichverteilung bei dem Auftrag des Beschichtungsmaterials auf das Werkstück. Bei konstanter Drehrichtung und konstanter Fortbewegung des Rotationszerstäubers weist das links der Bahnmitte auftreffende Material eine andere Geschwindigkeitscharakteristik auf als das rechts der Bahnmitte auftreffende Material. Während sich in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotationszerstäubers auf der einen Seite der Bahn die Bewegungsrichtungskomponente positiv zu der Drehrichtungskomponente eines Beschichtungspartikels addiert und somit vergrößert, wirkt auf der anderen Seite der Bahnmitte die Drehkomponente des Beschichtungspartikels entgegen der Bewegungskomponente des Rotationszerstäubers. Diese Ungleichverteilung der Geschwindigkeiten links und rechts der Bahnmitte führt zu einem ungleichmäßigen Farbauftrag und somit zu verschiedenen Schichtdicken und verschiedenen Schichtstrukturen. Wird hingegen zwischen zwei Bahnabschnitten die Drehrichtung geändert, kann diese Ungleichverteilung kompensiert werden.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Aufbringen in dem ersten Bahnabschnitt in einer ersten Bewegungsrichtung und in dem zweiten Bahnabschnitt in einer zweiten Bewegungsrichtung erfolgt, wobei die erste Richtung gegenläufig zu der zweiten Richtung ist. Unter dem Begriff „gegenläufig” kann beispielsweise bei geradlinigen Bahnabschnitten eine antiparallele Anordnung der Richtungen verstanden werden. Bei gekrümmten Bahnabschnitten könnte beispielsweise der zweite Bahnabschnitt dem ersten Bahnabschnitt in umgekehrter Richtung nachgeführt sein. Weiterhin könnte die auf dem zweiten Bahnabschnitt erfolgende Beschichtung vollständig über dem ersten Bahnabschnitt oder teilweise oder ganz versetzt neben dem ersten Bahnabschnitt erfolgen. Verknüpft man die Umkehr der Bewegungsrichtung mit einer Umkehr der Drehrichtung des Rotationszerstäubers, besteht die Möglichkeit, beispielsweise durch ein teilweises Überdecken des ersten Bahnabschnitts durch den zweiten Bahnabschnitt, ein in der Summe gleichmäßiges Aufbringen des Beschichtungsmaterials zu erreichen.
-
Bevorzugt wechselt die Drehrichtung des Rotationszerstäubers bei einem Wechsel von der ersten Richtung auf die zweite Richtung. Somit kann der Wechsel der Bewegungsrichtung des Rotationszerstäubers, der unter bestimmten Umständen ohnehin ein von der linearen Bewegung abweichendes Strahlbild zeigt, gleichzeitig zu einem Drehrichtungswechsel genützt werden, bei dem der Sprühstrahl durch den Drehrichtungswechsel unter Umständen beeinträchtigt oder ganz unterbrochen ist.
-
In ähnlicher Weise kann die Drehrichtung des Rotationszerstäubers bei einem Übergang von dem ersten Bahnabschnitt zu dem zweiten Bahnabschnitt wechseln.
-
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der erste Bahnabschnitt und der zweite Bahnabschnitt Teil eines streifen- oder mäanderförmigen Bewegungsmusters sind. Bei einem streifen- oder mäanderförmigen Bewegungsmuster liegen einzelne Bahnabschnitte nebeneinander. Dabei können nebeneinander liegende Bahnabschnitte mit entgegengesetzter Bewegungsrichtung vorgesehen sein, so dass in einem solchen Fall sich auch die Drehrichtung benachbarter Bahnabschnitte unterscheidet.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Wechsel der Drehrichtung des Rotationszerstäubers am Endpunkt eines Bahnabschnitts stattfindet, insbesondere am Endpunkt eines geradlinigen Bahnabschnitts. Wenn beispielsweise bei einem mäanderförmigen Bewegungsmuster das Ende eines geradlinigen Bahnabschnitts erreicht ist, kann an dieser Stelle ein Wechsel der Drehrichtung vorgesehen sein.
-
Besonders bevorzugt ist es, wenn bei dem Wechsel der Drehrichtung das Beschichtungsmaterial nicht auf die Oberfläche des Werkstücks gelangt. Da sowohl bei einem Wechsel der linearen Bewegungsrichtung, d. h. bei einer Umkehr der Bewegungsrichtung während eines Auftrags des Beschichtungsmaterials und insbesondere bei einem Wechsel der Drehrichtung des Rotationszerstäubers ein ungleichmäßiger Auftrag des Beschichtungsmaterials stattfinden würde, ist es vorteilhaft, wenn diese Bahnabschnitte außerhalb der zu beschichtenden Oberfläche des Werkstücks liegen und somit das dabei von dem Rotationszerstäuber abgegebene Beschichtungsmaterial nicht auf das Werkstück gelangt.
-
Der Gedanke der Erfindung kann auch in einer Vorrichtung zur Beschichtung eines Werkstücks mit einem Beschichtungsmaterial realisiert werden. Eine solche Vorrichtung weist einen Rotationszerstäuber und eine Steuereinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Rotationszerstäuber für ein Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf eine Oberfläche des Werkstücks entlang einer Bahn zu führen und auf einem ersten Bahnabschnitt der Bahn eine erste Drehrichtung des Rotationszerstäubers vorzusehen und auf einem zweiten Bahnabschnitt einen zweite Drehrichtung des Rotationszerstäubers vorzusehen, wobei sich die erste Drehrichtung von der zweiten Drehrichtung unterscheidet. Somit lassen sich auch die oben beschriebenen Vorteile des Verfahrens in einer Vorrichtung realisieren.
-
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Bahn in dem ersten Bahnabschnitt in einer ersten Richtung und in dem zweiten Bahnabschnitt in einer zweiten Richtung verläuft und die erste Richtung gegenläufig zu der zweiten Richtung ist.
-
Vorteilhafterweise verläuft die Bahn so, dass bei einem Wechsel der Drehrichtung das Beschichtungsmaterial nicht auf die Oberfläche des Werkstücks gelangt.
-
Bei einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren ausgelegt.
-
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Rotationszerstäubers sowie des entstehenden Sprühstrahls;
-
2A, 2B schematische Darstellungen der horizontalen Geschwindigkeitskomponenten des Sprühstrahls eines unbewegten und eines gleichförmig bewegten Rotationszerstäubers;
-
3 eine weitere schematische Darstellung ähnlich der 2B mit einander überlappenden Bahnen des Rotationszerstäubers; und
-
3A, 3B eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung mit einer mäanderförmigen Applikationsbahn.
-
1 zeigt eine schematische Detaildarstellung einer Glocke 10 eines Rotationszerstäubers sowie einen von der Glocke 10 erzeugten Sprühstrahl 12. Die Glocke 10 dreht sich in Richtung auf die zu beschichtenden Oberfläche 16 gesehen im Uhrzeigersinn – symbolisiert durch das Bezugszeichen 11 – um eine Rotationsachse X. Das durch die schnelle Drehbewegung beschleunigte Beschichtungsmaterial verlässt die Glocke 10 als fein zerstäubter Sprühstrahl 12. Aufgrund der Fliehkräfte verlassen die Lackpartikel die Glocke 10 im Wesentlichen tangential und würden somit eigentlich eine sich an der Stirnkante 14 der Glocke 10 ausbildende Scheibe formen. Es sind jedoch üblicherweise Vorkehrungen getroffen, um den Sprühstrahl zu richten. So können beispielsweise eine Lenkluft oder elektrostatische Kräfte vorgesehen sein, die den Sprühstrahl 12 in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche lenken. Eine solche zu beschichtende Oberfläche ist in der 1 als Ausschnitt einer Oberfläche 16 dargestellt. Der Weg eines einzelnen Beschichtungspartikels ist schematisch als Flugbahn 18 dargestellt. In der Nähe der Stirnkante 14 der Glocke 10 verlässt ein solches Beschichtungspartikel die Glocke 10 nahezu tangential und wird dann durch Lenkluft oder elektrostatische Kräfte in Richtung Oberfläche 16 bewegt. Die Tangentialkomponente bleibt jedoch je nach den herrschenden Strömungsverhältnissen zumindest teilweise erhalten und führt zu einer Verdrallung des Sprühstrahls 12. Wenn der Sprühstrahl 12 auf die Oberfläche 16 auftrifft, bedeckt er im Wesentlichen die Form eines Rings 20. Vor dem Auftreffen des Beschichtungsmaterials besitzen die Beschichtungspartikel die genannte Drehkomponente, die schematisch als Pfeil 22 dargestellt ist.
-
In 2A ist diese Situation nochmals dargestellt für eine ruhende Glocke 10, d. h. außer der Drehbewegung gemäß Pfeil 11 bewegt sich die Glocke 10 nicht relativ zu der Oberfläche 16 des Werkstücks. Die Beschichtungspartikel treffen entlang einer Umfangsrichtung des Rings 20 der gleichen Drehkomponente 22 auf die Oberfläche 16 des Werkstücks auf. Dies ist in der 1A durch Pfeile 21, 23 symbolisiert, die gleich lang sind und damit gleich große Tangentialkomponenten darstellen.
-
Wird sich jedoch die Glocke 10 entlang eines Pfads Y mit hier beispielsweise angenommener konstanter Geschwindigkeit bewegt – dargestellt durch einen Pfeil 24 – verändert sich die Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Rings 20. Zwar bleibt die Verdrallung – dargestellt durch den Pfeil 22 – innerhalb des Rings 20 konstant, relativ zur Oberfläche 16 jedoch entsteht eine räumliche Ungleichverteilung der Geschwindigkeiten. Der Ring 20 lässt sich zur Vereinfachung in eine linke und eine rechte Hälfte relativ der Mitte des Pfads Y aufteilen. Die in Bewegungsrichtung 24 entlang des Pfads Y gesehen linke Seite des Rings besitzt eine gegenüber der Oberfläche 16 erhöhte Geschwindigkeit, dargestellt durch einen Pfeil 26, der länger als der Pfeil 23 im ruhenden Fall ist. Umgekehrt verringert sich die Geschwindigkeit der Beschichtungspartikel relativ zur Oberfläche 16 gesehen auf der rechten Seite, in 2B dargestellt durch der verkürzten Pfeil 28. Entsprechend findet auch eine ungleichförmige Beschichtung der Oberfläche 16 entlang der Bewegungsrichtung Y statt. Während die in Bewegungsrichtung gesehen linke Fläche 30 eine Beschichtung erhält, die aus Beschichtungspartikeln aufgebaut wird, die eine vergleichsweise hohe horizontale Geschwindigkeitskomponente aufweisen, wird die in Bewegungsrichtung gesehen rechte Fläche 32 aus Beschichtungspartikeln zusammengesetzt, die mit vergleichsweise geringer Horizontalgeschwindigkeit auf die Oberfläche 16 auftreffen. Im Ergebnis entstehen unterschiedliche Abscheideraten und eine unterschiedliche Beschichtungsstruktur. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, für eine flächige Beschichtung der Oberfläche 16 ein Bewegungsmuster zu wählen, das aus Bahnabschnitten mit Bewegungsrichtungen 24, 33 entlang von Pfaden Y, Z, aufgebaut ist. Dabei ist die Bewegungsrichtung 33 entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung 24 angeordnet. Gleichzeitig wird bei der ersten Bewegungsrichtung 24 eine erste Drehrichtung 22 der Glocke 10 gewählt und bei der zweiten Bewegungsrichtung 33 eine zweite Drehrichtung 34 der Glocke 10 gewählt, die entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung 22 ist.
-
Eine solche zur Bewegungsrichtung 24 umgekehrte Bewegungsrichtung 33 ist in der rechten Seite der 2B dargestellt. Durch die zu Drehrichtung 22 umgekehrte Drehrichtung 34 weist die Bahn Z auf ihrer in Bewegungsrichtung links liegenden Fläche 36 eine Geschwindigkeitsverteilung auf, die vergleichbar ist mit der in Bahn Y auf der in Bewegungsrichtung gesehenen rechten Fläche 32 herrscht. Gleiches gilt für die in Bewegungsrichtung rechts liegende Fläche 38 der Bahn Z, die ein Geschwindigkeitsprofil erhält, das der in Bewegungsrichtung links liegenden Fläche 30 der Bahn Y entspricht. Ein möglicher Anwendungsfall dieser Koppelung von Bewegungsrichtungsumkehr und Drehrichtungsumkehr ist in 3 gezeigt.
-
3 zeigt eine beispielsweise in der Praxis vorgesehene zumindest teilweise Überlagerung der Bahnen Y und Z. Im Ergebnis entsteht ein durchwegs homogener Schichtaufbau, der wesentlich reproduzierbarer und damit besser optimierbar ist.
-
Die 4A und 4B zeigen eine Vorrichtung 50 zur Beschichtung eines Werkstücks 40 mit einem Beschichtungsmaterial. Bei dem Werkstück 40 kann es sich beispielsweise um eine Fahrzeugkarosserie oder ein Teil für eine Fahrzeugkarosserie handeln. Es sind in den 4A und 4B lediglich Ausschnitte der zu beschichtenden Werkstücke 40 und der Oberflächen 16 gezeigt.
-
Die Vorrichtung 50 umfasst einen Rotationszerstäuber 51 an einen Applikatorarm 52, der eine Bewegung des entstehenden Spritzstrahls 12 über die Oberfläche 16 des Werkstücks 40 ermöglicht. Es sind aber auch andere Ausführungsformen ohne Applikatorarm 52, beispielsweise mit einem feststehenden Rotationszerstäuber 51 und einem beweglichen Werkstück 40 möglich. Die Vorrichtung 50 weist ferner eine Steuerungseinrichtung 54 auf, die mit dem Rotationszerstäuber 51 direkt über eine oder mehrere Steuerleitungen 56 oder mittelbar – beispielsweise über ein Bussystem – verbunden ist und den Rotationszerstäuber 51 hinsichtlich der Erzeugung des Spritzstrahls 12 und der Bewegung des Applikatorarms 52 ansteuert und so beispielsweise den Spritzstrahl 12 entlang einer mäanderförmigen Bahn 42 über die Oberfläche 16 des Werkstücks führt.
-
Die Bahn 42 weist gerade Abschnitte 44, 46 sowie die geraden Abschnitte 44, 46 verbindende gekrümmte Abschnitte 48 auf. Während auf den geraden Abschnitten 44 eine Bewegung eines Applikatorarms 52 mit einer Glocke 10 entlang einer Richtung 24 stattfindet, auf der sich die Glocke 10 in Uhrzeigerrichtung 22 dreht, findet auf den geraden Abschnitten 46 eine Bewegung entlang der Richtung 33 gegenläufig zu den geraden Abschnitten 44 statt und die Glocke 10 dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn in der Drehrichtung 34.
-
Ein Wechsel zwischen den Drehrichtungen 22, 34 erfolgt in den gekrümmten Bereichen 48 der Bahn 42 und damit vorzugsweise außerhalb des zu beschichtenden Werkstücks 40. Selbstverständlich sind auch andere Bewegungsmuster als eine mäanderförmige Bahnführung möglich, solange eine Kompensation der bei der Führung des verdrallten Spritzstrahls 12 über die Oberfläche entstehenden Ungleichverteilung erfolgt.
