-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pulversprühvorrichtung
und ein Pulversprühverfahren,
beispielsweise zur elektrostatischen Beschichtung von Gegenständen mit
Pulverlacken oder schüttgutförmiger Stoffe.
Im folgenden werden mit Pulver sämtliche
möglichen
schüttgutförmigen Stoffe,
insbesondere selbstverständlich
jedoch auch die im Pulverlackierbereich eingesetzten Lackpulver
bezeichnet.
-
Pulverlacke
haben gegenüber
den konventionellen Nasslacksystemen den Vorteil, dass die keine
Lösemittel
enthalten und dass das Overspraypulver nahezu vollständig zurückgewonnen
werden kann. Trotzdem werden die Pulverlacke erst bei ca. der Hälfte aller
potentiellen Anwendungen eingesetzt. Dies liegt zu einem erheblichen
Teil an der nicht ausreichenden Produktionssicherheit, insbesondere dann,
wenn hohe Flexibilität
der Sprühsysteme
in Verbindung mit einer hohen Beschichtungsqualität gefordert
werden.
-
Die
Ausbildung der Pulversprühwolke
erfolgt bei den meisten Pulverlack-Applikationssystemen durch eine
feststehende Düse,
z.B. eine Flachstrahl- oder eine Pralltellerdüse. Diese Sprühsysteme
haben den Nachteil, dass die Pulversprühwolke während der Applikation nicht
an veränderbare
Beschichtungsbedingungen (z.B. unterschiedliche Werkstückgeometrien)
durch Variation der Sprühwolke
angepasst werden können.
Die Änderung
der Sprühstrahlform
kann nur durch Austausch der Düsen
durchgeführt
werden. Das bedeutet bei diesen Pulversprühsystemen, dass der Beschichtungsvorgang
beim Wechseln der Düse
unterbrochen werden muss. Hier und im folgenden wird jegliche Art
von Öffnung
oder durch die das Pulver die Pulversprühvorrichtung und deren Pulverrohr
verlässt,
als Düse
bezeichnet.
-
Zur
Veränderung
der Sprühwolkenform
in der Pulversprühdüse wird
beispielsweise in der
DE 196
14 192 A1 vorgeschlagen, die Sprühwolkenform zusätzlich durch
eine tangential zur Sprührichtung von
außen über Bohrungen
einströmende
Steuerluft zu verändern.
Nachteilig bei dieser Lösung
ist, dass die Pulversprühwolke
spiralförmig
aufgeweitet und die Partikelverteilung innerhalb der Sprühwolke inhomogen
wird, besonders bei hoher Steuerluft und großer Sprühwolke.
-
Alternativ
wird in der
DE 196
14 193 A1 vorgeschlagen, die Pulversprühwolke durch eine von außen tangential
einströmende
Steuerluft zu variieren. Die tangentiale Steuerluft wird durch verstellbare Leitbleche
(wie Turbinenschaufeln) erzielt. Konstruktiv ist diese Lösung sehr
aufwendig und es müssen
in der Pistole Teile bewegt werden.
-
Eine
Lösung
zur Erzeugung einer stufenlosen Sprühwolkensteuerung wird in
DE 36 11 577 A1 vorgeschlagen.
Die stufenlose Steuerung des Pulversprühstrahls wird durch eine, in
Sprührichtung
zusätzlich
angeordnete innere Ringluftströmung,
umgeben von der Pulver-Luftströmung erzeugt.
Die Ringluftströmung
wird durch einen Ablenkkörper
um ca. 90° nach
außen
in Richtung Pulverströmung
abgelenkt. Zwischen Ablenkkörper
und Pulveraustrittsring ist ein Spalt. Durch Betätigung eines Abzugsbügels kann
diese Ringspaltbreite und die Austrittsgeschwindigkeit der Ringluft
und damit die Sprühwolkenbreite
stufenlos variiert werden. Nachteilig bei dieser Lösung ist,
dass bei der Variation der Pulverwolke Teile der Pistole bewegt
werden müssen,
was besonders bei der hohen Verschmutzungsgefahr im Pulverbereich
kritisch sein kann.
-
In
der
DE 28 52 412 A1 wird
vorgeschlagen, die Rundstrahldüse
mittels des sog. „Coanda-Effekts" variabel aufzuweiten.
Dazu ist der Pulverkanal am Austritt von einem Ringschlitz umgeben.
Die Pulverwolke wird durch diese Ringluftströmung aufgeweitet. Aufgrund
mehrerer Schwachstellen (geringe Reproduzierbarkeit der Pulverwolkenform,
hohe Verstellempfindlichkeit des Ringkanals, hoher Luftvolumenstrom)
konnte sich das System aber nicht durchsetzen.
-
Die
DE 36 00 808 A1 offenbart
eine elektrostatische Pulversprühvorrichtung
mit einem triboelektrischen Pulverrohr. In diesem Pulverrohr werden
die Pulverpartikel triboelektrisch aufgeladen. Mit Abstand vom Auslassende
ist eine Aufladevorrichtung in Form von nach innen ragenden Nachladeelektroden
innerhalb des Pulverrohres angeordnet, die an eine Hochspannungszuführung angeschlossen
sind. Mittels dieser Nachladeelektroden wird die durch das triboelektrische
Rohr erzeugte Aufladung der Pulverpartikel verstärkt.
-
Die
JP 55-59860 A offenbart eine Sprühpistole,
bei der am Auslassende der Sprühpistole
mittig eine Nadelelektrode angeordnet ist. Diese erzeugt ein elektrisches
Feld, das auf die zu versprühenden Pulverpartikel
wirkt.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Pulversprühvorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, bei der die Pulverwolke bezüglich ihrer Form stufenlos
einstellbar ist, ohne den Sprühvorgang
zu unterbrechen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin,
ein entsprechendes Pulverauftragsverfahren anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Pulversprühvorrichtung nach
Anspruch 1 sowie das Pulverauftragsverfahren nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in den jeweiligen abhängigen
Ansprüchen
gegeben.
-
Erfindungsgemäß wird bei
der Pulversprühvorrichtung
die Pulverwolke in ihrer Form elektrostatisch und optional auch
strömungsmechanisch
stufenlos verstellt. Dies hat den Vorteil, dass der Sprühvorgang
nicht unterbrochen werden muss und so zwischen einem engen Sprühstrahl,
z.B. für
Vertiefungen, Hohlräume
oder kleine Werkstücke
bis zu einer breiten Sprühwolke,
z.B. für
flache Teile oder großflächige Werkstücke, die
Pulverwolke in ihrer Form verändert
werden kann. Bei der Verstellung der Sprühwolke muss aufgrund der Änderung
von elektrostatischen und gegebenfalls strömungsmechanischen Stellgrößen kein
Teil in der Pulversprühvorrichtung, auch
als Pulverpistole bezeichnet, in irgend einer Weise mechanisch bewegt
oder verändert
werden.
-
Bei
der elektrostatischen Sprühwolkenformung
wird die Pulverwolke durch außenliegende
Korona-Lenkelektroden variiert. Die Aufladung des Pulvers erfolgt
dabei triboelektrisch. Bei positiver Triboaufladung (z.B. Teflon-Reibrohr)
werden die Korona-Lenkelektroden
negativ aufgeladen. Bei negativer Triboaufladung (z.B. Nylon-Reibrohr)
werden die Korona-Lenkelektroden positiv aufgeladen. Das Pulver-Luftgemisch strömt dazu
durch das Reibrohr und das Pulver wird triboelektrisch aufgeladen.
Am Pulveraus trittskanal wird das Pulver umgelenkt und durch den
Anströmkörper umverteilt.
Durch die Korona-Lenkelektroden
wird der Sprühstrahl
geformt. Die Elektroden können
dabei in der Anzahl verschieden und beliebig angeordnet sein. Als
Maß für die Verstellbarkeit
gilt die Höhe
der Korona-Lenkspannung. Je höher
diese Lenkspannung ist, desto stärker
wird die Sprühwolke
durch die Lenkelektroden eingeschnürt. Die Hochspannungswerte
der Korona-Lenkelektroden liegen im Bereich von 0 bis ca. 100 kV.
Die Hochspannung wird dabei außerhalb
der Sprühkabine
durch ein Hochspannungsgerät
eingestellt. Die elektrostatische Sprühwolkenformung mittels Lenkelektroden
bei Tribosprühsysteme
sind sowohl für
Automatikpistolen, als auch für
Handpistolen einsetzbar.
-
Bei
der strömungsmechanischen
Veränderung
der Pulversprühwolke
werden sowie innerhalb als auch außerhalb der zu erzeugenden
Sprühwolke jeweils
eine Innenluft als auch eine Außenluft
erzeugt, deren Stärke
verstellt werden kann. Je nach Verhältnis der Strömungsstärke von
Außen-
und Innenringluft wird durch diese Leitlüfte die Pulverwolke verengt
oder aufgeweitet.
-
Im
folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Pulversprühvorrichtungen
gegeben. Es zeigen
-
1 die schematische Ansicht
einer erfindungsgemäßen Sprühvorrichtung
mit Lenkelektroden;
-
2 eine Sprühvorrichtung
mit strömungsmechanischer
Sprühwolkenverstellung;
-
3 die Funktion der Pulversprühvorrichtung
nach 2; und
-
4 den Schnitt durch eine
weitere Pulversprühvorrichtung
mit strömungsmechanischer
Pulverwolkenverstellung.
-
1 zeigt eine Pulversprühpistole 1 mit Lenkelektroden 7.
Die Pulversprühpistole 1 weist
einen zylindrischen Mantel 2 auf, in dessen Mittelachse in
axialer Richtung ein Pulverrohr 3 als Reibrohr ausgebildet
ist. Das Pulverrohr 3 besitzt einen Einlass 4 zum
Einbringen einer Pulver-Gas-Mischung und einen Auslaß 5.
In Strömungsrichtung
des Pulver-Gas-Gemisches ist hinter dem Auslass 5 ein Anströmkörper bzw.
Prallteller 6 angeordnet, der die ausströmende Pulverwolke
zur Seite ablenkt.
-
Das
Reibrohr 3 ist auf seiner Innenseite mit Polytetrafluorethylen
(Teflon) beschichtet, was zu einer positiven Triboaufladung des
durchströmenden Pulvers
führt.
Alternativ kann das Reibrohr auch mit Polyamid (Nylon) beschichtet
sein, was zu einer negativen Triboaufladung des durchströmenden Pulvers
führt.
Am Pulverauslaß 5 wird
nun das Pulver durch den Anströmkörper 6 umgelenkt
und umverteilt. Den Auslass 5 umgebend sind insgesamt vier Korona-Elektroden 7 angeordnet,
die eine elektrische Spannung tragen, die der Triboaufladung des Pulvers
entgegengesetzt ist. Durch diese Korona-Lenkelektroden 7 wird
nun der Sprühstrahl
elektrostatisch geformt. Die Elektroden können dabei von dem in 1 gezeigten Beispiel bezüglich Anzahl und
Anordnung verschieden sein. Die Verstellbarkeit wird u.a. durch
die Höhe
der Korona-Lenkspannung, die
an die Korona-Elektroden 7 angelegt ist, gegeben. Je höher diese
Lenkspannung ist, desto stärker wird
die Sprühwolke
durch die Lenkelektroden eingeschnürt.
-
Die
durch Reibung aufgeladenen Partikel passieren den Auslaß 5 und
werden durch die durch die hochspannungsgeführten Korona-Elektroden erzeugten
Luftionen wieder umgeladen. Durch die Umladung reduziert sich der
Luftionenstrom, die Partikel werden jetzt durch das elektrische
Feld beeinflußt,
in dem Fall abgestoßen,
bzw. als ganzer Sprühstrahl eingeschnürt.
-
Die
Hochspannungswerte der Korona-Lenkelektroden liegen beispielsweise
im Bereich zwischen 0 und 100 kV.
-
Der
Anströmkörper 6 ist
an einem Ende eines Befestigungsstabes 11 angeordnet, der
axial und mittig in dem Reibrohr 3 verläuft.
-
2 zeigt ein Beispiel für eine Pulversprühvorrichtung,
bei der die Verstellung der Sprühstrahlwolkenform
strömungsmechanisch
erfolgt. Eine solche strömungsmechanische
Verstellung kann zusätzlich
zu der in 1 dargestellten
elektrostatischen Verstellung der Sprühstrahlwolkenform vorgesehen
sein.
-
Hier
wie bei den folgenden Abbildungen werden wie auch in 1 für gleiche oder ähnliche
Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet.
-
Die
Sprühvorrichtung 1 weist
wiederum einen Pulverkanal 8 auf, in dessen axialer Mitte
ein Befestigungsstab 11 für einen Anströmkörper 6 verläuft. Damit
ist der Pulverkanal ringförmig.
Dieser ringförmige
Pulverkanal 8 ist innerhalb sowie außerhalb jeweils von einem weiteren
Innenringkanal 10 und Außenringkanal 9 umgeben,
die jeweils von einer Innenringsteuerluft sowie von einer Außenringsteuerluft durchströmt werden. 2b zeigt einen seitlichen Querschnitt
durch die Pulversprühvorrichtung,
während 2a einen Schnitt längs der
Linie A-A in 2b darstellt.
-
Die
Pulverpistole 1 wird nun über den Mittelringkanal 8 mit
einem Pulverluftgemisch versorgt. Der Außen- und Innenring 9, 10 wird
von einer gemeinsamen Quelle mit Luft gespeist. Alternativ können die
beiden Steuerluftkanäle 9 und 10 jedoch auch
einzeln angesteuert werden. Bei einer gemeinsamen Luftquelle ergibt
sich damit, dass die Außenringluft
um einen bestimmten Betrag erhöht
wird, wenn sich die Innenringluft um den gleichen Betrag verringert.
Die Pulverströmung
innerhalb des Mittelringkanals 8 ist jedoch konstant. Durch
die Wahl geeigneter Außenringluftstärke und
Innenringluftstärke wird
nun die Form der Pulverwolke, die aus der Öffnung 5 austritt,
bestimmt. Ist z.B. die Außenringluft auf
einen maximalen Luftstrom eingestellt, dann hat die Innenringluft
den geringsten Luftstrom. Die im mittleren Ringkanal 8 durch
die Öffnung 5 ausströmende Pulver-Luftströmung wird
dann überwiegend durch
die Außenringluft
geführt,
also in diesem Fall auf einem kleinen Querschnitt der Pulverwolke
gehalten.
-
Verringert
man jedoch die Außenringluft, dann
erhöht
sich der Strom der Innenringluft. Der Pulverstrahl, der aus der Öffnung 5 austritt,
wird nun also von der Innenringluft im wesentlichen getragen und folglich
aufgeweitet. Bei der maximalen Innenringluft wird die größte Sprühwolke erzeugt.
Wie auch bei 1 dient
der weiteren Verteilung des Pulvergasgemisches und hier auch der
Innenringluft der Anströmkörper 6. Vorteilhaft
ist nun, dass zwischen den oben beschriebenen Extremfällen die
Größe bzw.
der Querschnitt der Sprühwolke
durch Variation der Außen-
und Innenringlüfte
stufenlos einstellbar ist.
-
Die
oben beschriebenen beiden Fälle
sind in 3 dargestellt. 3a zeigt den Fall einer
starken Außenringluft 12a und
einer kleinen Innenringluftströmung 12i.
Die Sprühwolke 13 besitzt
also einen geringen Querschnitt. 3b zeigt
den Fall einer starken Innenringluft 12b und einer kleinen
Außenringluftströmung 12a.
In diesem Falle weitet sich die Sprühwolke 13 maximal
auf.
-
4 zeigt ein weiteres Beispiel
für eine Sprühpistole,
die nach dem gleichen Prinzip wie die Sprühpistole in 2 funktioniert.
-
Diese
Pulverpistole 1 weist mehrere Mantelkörper 2, 16, 17 auf,
die ringförmige
Kanäle 8, 9, 10 ausbilden.
-
Das
Pulverluftgemisch strömt
durch den mittleren Ringkanal 8 zum Pulveraustritt 5.
Die Steuerluft wird in einem bestimmten Verhältnis auf den Innenringkanal 10 und
auf den Außenringkanal 9 umverteilt.
Die stufenlose Sprühwolkenformung
erfolgt durch die Variation der Stärke der Außen- und Innenringluft. Zwei
Randeinstellungen sind mit der Pistole möglich. Bei maximaler Außenringluft
bei gleichzeitiger minimalster Innenringluft werden die über den Mittelringkanal 8 ausströmenden Partikel
eingeschnürt,
der Pulverstrahl wird schmal. Bei minimalster Außenringluft bei gleichzeitig
maximaler Innenringluft, werden die über den Mittelringkanal 8 ausströmende Pulverteilchen
durch die Innenringluft nach außen
gedrückt,
der Pul verstrahl wird aufgeweitet. Der Effekt der Aufweitung des
Pulverstrahls durch die Innenringluft wird durch eine an das Mittelringrohr 8 angebrachte
Hülse 15 und
durch die Pralltellerinnenfläche 6a und
durch den zur Mündung
hin schräg
geneigten Außenringkanal 9 verstärkt. Die Hülse 15 bewirkt
zudem eine gewisse Aufweitung der Pulverstrahls und verhindert ein
Rückströmen der Pulverpartikel
in das Innenrohr 10. Der Effekt der Einschnürung des
Pulverstrahls durch die Außenringluft wird
durch die Pralltelleraußenfläche 6a und
durch den zur Mündung
hin schräg
geneigten Außenringkanal 9 verstärkt. Neben
den Maximaleinstellungen der Ringlüfte (große Sprühwolke – kleine Sprühwolke) kann
der Sprühstrahl
durch beliebige Variation der Außenring- und Innenringlüfte stufenlos
von der kleinen Sprühwolke
(enger Sprühstrahl
wie z.B. bei die Nahtabdichtung) bis zur großen Sprühwolke (breiter Sprühstrahl
wie z.B. bei der Pulverglocke) variiert werden.
-
Weiterhin
weist die Pulverpistole 1 eine an der Spitze des Pralltellers
angeordnete zentrale Koronaelektrode sowie weitere die ringförmigen Kanäle 8, 9, 10 bzw.
deren Auslässe
umgebende Koronaelektroden 18 auf, mit denen das ausströmende Pulver
für das
elektrostatische Beschichtungsverfahren aufgeladen wird.
-
Die
Außen-
und Innenringluft kann von einer gemeinsamen Steuerluftquelle gespeist
werden. Dabei gilt die Kontinuitätsgleichung: VST = VAI +
VII = const.wobei VST der
Volumenstrom aus der gemeinsamen Steuerluftquelle, VAI der
Volumenstrom der Außensteuerluft
und VII der Volumenstrom der Innenringluft ist.
-
Die
Steuerung des Volumenstroms aus der Steuerluftquelle kann z.B. auf
elektrischer oder pneumatischer Weise ermöglicht werden. Der Außen- und Innenringkanal
können
jedoch selbstverständlich auch
getrennt mit Luft versorgt und/oder angesteuert werden.
-
Die
Dimensionen der Ringkanäle
kann beliebig variiert werden. Statt ringförmigen Düsenöffnungen können auch beliebig geformte Öffnungen,
z.B. Bohrungen, Ellipsen und dergleichen eingesetzt werden. Die
Anzahl und Anordnung der Öffnungen 5, 5' oder 5'' kann dabei variiert werden.
-
Auch
die strömungsmechanische
Verstellung der Pulversprühwolke
kann sowohl für
Automatik- als auch für
Handpistolen eingesetzt werden.
-
Für die stufenlose
Steuerung der Pulversprühwolke
kann also auch eine Kombination zwischen den erfindungsgemäßen elektrostatischen
und den oben dargestellten strömungsmechanischen
Lösungen
gewählt
werden.