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Elektrostatisches Pulverspritzverfahren zur Erzeugung eines
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Farbauftrags -Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrostatisches
Pulverspritzverfahren zur Erzeugung eines Farbauftrags und insbesondere auf ein
solches Verfahren, bei dem eine Reibungsaufladung der Pulverteilchen erfolgt.
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Es sind verschiedene elektrostatische Pulverspritzverfahren zur Erzeugung
eines Farbauftrags bekannt, bei denen in der Regel eine Korona- bzw. Glimmentladung
zur Aufladung von Pulverteilchen angewendet wird, damit die Pulverteilchen an der
mit dem Farbauftrag zu versehenen Oberfläche elektrostatisch haften. Bei diesem
Glimmentladungsverfahren wird auf folgende Weise vorgegangen: Es wird eine hohe
elektrische Spannung an Glimmentladungselektroden bzw. Entladungsstifte angelegt,
die in einer Sprüh- bzw. Spritzpistole angeordnet sind, so daß mittels der Entladungsstifte
Ionen erzeugt werden. Pulverteilchen
werden mittels der auf diese
Weise erzeugten Ionen aufgeladen, und die aufgeladenen Pulverteilchen werden so
gesprüht bzw. gespritzt, daß sie an der zu beschichtenden Oberfläche haften bleiben.
Dieses herkömmliche Glimmentladungsverfahren weist jedoch folgende Nachteile auf:
1. Nur ein kleiner Prozentsatz der durch die Glimmentladung erzeugten Ionen wird
zur Aufladung der Pulverteilchen ausgenutzt, was zur Folge hat, daß der Aufladungswirkungsgrad
niedrig ist. Wenn die Ladung auf den Pulverteilchen klein ist, ist auch der Wirkungsgrad
des Farbauftrags niedrig.
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2. Die Glimmentladungsionen, die die zu beschichtende Oberfläche erreichen,
sammeln sich auf der Oberfläche des stark isolierenden Farbauftrags an und können
diesen beschädigen oder zerstören, so daß die Qualität des Farbauftrags verringert
ist.
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3. Um die Geschwindigkeit der aufgeladenen Pulverteilchen erhöhen
zu können, die sich in Richtung zur zu beschichtenden Oberfläche bewegen, damit
die Auftragsleistung höher ist, muß eine hohe Spannung an die Glimmentladungselektroden
bzw. Entladungsstifte, die die Entladungsionen erzeugen, angelegt werden. Eine solche
hohe Spannung bringt jedoch Sicherheitsprobleme mit sich, d.h. Personen, die die
Glimmentladungselektroden berühren, werden gefährdet, und ferner besteht die Gefahr
von Staubexplosionen. Ferner kann es dazu kommen, daß in der auf der zu beschichtenden
Oberfläche aufgebrachten Pulverschicht sich so viel Ionen ansammeln, daß die elektrische
Durchschlagsspannung überschritten wird, da der Entladungsstrom groß ist. Dies hat
zur Folge, daß in der aufgebrachten Pulver schicht eine Rückionisierung erfolgt
und im Farbauftrag häufig kraterartige Fehler auftreten. Ferner ist auch der Auftragswirkungsgrad
äußerst niedrig, wenn die Dicke der Pulverschicht einen bestimmten
Wert
übersteigt.
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Um die vorstehend beschriebenen Nachteile zu vermeiden, ist bereits
in der JA-OS 53-77236 ein elektrostatisches Pulverspritzverfahren zur Erzeugung
eines Farbauftrags vorgeschlagen worden, bei dem Pulverteilchen statt durch eine
Glimmentladung durch Reibungsaufladung aufgeladen werden, so daß die angelegte Spannung
gleich Null oder sehr niedrig sein kann.
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Bei diesem Verfahren werden in Luft schwebende Farb- bzw.
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Pulverteilchen durch einen Kanal transportiert, in dem die Pulverteilchen
durch Reibung aufgeladen werden. Den Kanal umgibt eine dünne Schicht aus einem elektrischen
Isolator, der elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise Metallpulver, enthält,
wobei die elektrische Isolatorschicht geerdet ist.
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Dies hat zur Folge, daß in der elektrischen Isolatorschicht ein Reibungselektrizitätsstrom
auftritt und die Pulverteilchen kontinuierlich durch Reibung aufgeladen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das elektrostatische Pulverspritzverfahren
zur Erzeugung eines Farbauftrags, bei dem die Aufladung durch Reibung erfolgt, dahingehend
zu verbessern, daß der Wirkungsgrad des Farbauftrags erhöht ist.
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Dabei soll das zu schaffende Verfahren derart sein, daß dem Auftreten
von Fehlern, beispielsweise kraterartigen Fehlern, im Farbauftrag vorgebeugt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrostatisches
Pulverspritzverfahren zur Erzeugung eines Farbauftrags, bei dem Pulverteilchen in
Luft schwebend in einen Aufladungskanal eingeleitet werden, den ein statisch aufgeladener,
elektrischer Isolator mit zur Ladung der Pulverteilchen entgegengesetzter Ladung
umgibt, wobei die Pulverteilchen im Aufladungskanal durch Reibung aufgeladen werden,
bei dem die Pulverteilchen in Richtung einer zu beschichtenden Oberfläche gespritzt
werden und bei dem die Geschwindigkeit der durch
den Aufladungskanal
transportierten Pulverteilchen im Bereich von 60 bis 260 m/s liegt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen ausführlicher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt
durch eine Spritzpistole,mittels der ein Farbauftrag nach dem erfindungsgemäßen
elektrostatischen Pulverspritzverfahren erzeugt werden kann; Figur 2 eine Schnittdarstellung
gemäß II-II in Figur 1, die ein Verwirbelungselement zeigt; und Figur 3 ein Diagramm,
das die Beziehung zwischen der mittleren Transportgeschwindigkeit der Pulverteilchen
in einem Aufladungskanal und dem Wirkungsgrad des Farbauftrags wiedergibt.
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Im folgenden wird zunächst ausführlicher auf Figur 1 eingegangen.
Darin ist ein zylindrisches Gehäuse 1 erkennbar, das aus einem geeigneten Kunststoffmaterial
hergestellt ist und einen Abschnitt mit einem Innengewinde aufweist, mit dem ein
Außengewinde 3 eines zylindrischen äußeren Einsatzes 2 aus Metall verschraubt ist.
Ein zylindrischer innerer Einsatz 4 aus Metall ist mittels eines an ihm ausgebildeten
Außengewindes 5 mit dem äußeren Einsatz 2 verschraubt. In eine Innenbohrung des
inneren Einsatzes 4 ist dichtend ein Rohrteil 6 eingepaßt, das auseinemFluorkohlenstoff-Kunstharz
besteht, wie es beispielsweise unter der Bezeichnung "Teflon" gehandelt wird.
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Das Rohrteil 6 umfaßt einen Abschnitt 6a, der eine konische Innenwand
aufweist, sowie einen rohrförmigen Abschnitt 6b mit einer verhältnismäßig dünnen
Wand, der vom engeren Ende der
konischen Innenwand des Abschnittes
6a ausgehend in Axialrichtung verläuft. Das andere Ende.des konischen Abschnittes
6a, das einen größeren Durchmesser hat, ist mit einem Ende eines Schlauches 8 verbunden,
der in einer Öffnung 7 des Gehäuses 1 befestigt ist und durch den Farb- bzw. Pulverteilchen
zugeführt werden. Das andere Ende des Schlauches 8 ist mit einem nicht dargestellten
Vorratsbehälter, beispielsweise einem Fülltrichter, für die Farb- bzw. Pulverteilchen
verbunden.
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Der Übergang 9 zwischen dem offenen Ende der konischen Innenwand des
Rohrteiles 6 und dem Schlauch 8 ist glatt und stufenlos ausgebildet.
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Am in Figur 1 rechten Ende des inneren Einsatzes 4 sind an dessen
Umfang vier Fenster 4a ausgebildet, die jeweils voneinander einen Abstand von 900
in Umfangsrichtung haben. In das in Figur 1 rechte Ende des inneren Einsatzes 4
aus Metall ist ein Schraubstift 4b fest eingeschraubt. Der Schraubstift 4b umfaßt
einen schlanken Stababschnitt 4c, der nach links (in Figur 1) entlang der Längsmittellinie
des Rohrteiles 6 aus "Teflon" verläuft. Auf der Außenseite des Stababschnittes 4c
sitzt eine Kappe 10 aus einem Fluorkohlenstoff-Kunstharz, d.h.
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aus "Teflon". Auf der Außenseite des Kopfes des Schraubstiftes 4b
sitzt ferner ein im wesentlichen konischer Ablenker bzw.
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Deflektor 11, der aus dem gleichen Material wie die Kappe 10, d.h.
aus "Teflon", besteht. Der rohrförmige Abschnitt 6b des Rohrteiles 6 und die Kappe
10 begrenzen einen verhältnismäßig langen und engen, ringförmigen Aufladungskanal
12.
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Mit Hilfe von Schrauben 14 aus Kunststoff ist einDiffusorelement 13,
das ebenfalls aus "Teflon" besteht, am äußeren Einsatz 2 befestigt. Das Diffusorelement
13 weist eine konische Innenfläche 13a auf. Zwischen dem Diffusorelement 13 und
dem inneren Einsatz 4 ist ein Verwirbelungselement 15 fest eingebaut, das ebenfalls
aus "Teflon" besteht. Das Verwirbe-
lungselement 15 ist in seiner
mit dem Diffusorelement 13 in Berührung stehenden Oberfläche mit mehreren Kanälen
bzw. Ausnehmungen 15a versehen, die ungefähr radial verlaufen.
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Das Gehäuse 1 aus Kunststoff trägt eine Schraube 16 aus Metall, die
an eine Hochspannungsquelle 17 angeschlossen ist, so daß über einen Leiter 18 an
den inneren Einsatz 4 aus Metall eine Hochspannung (positiv) angelegt werden kann.
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Die Farb- bzw. Pulverteilchen werden in Luft schwebend vom nicht dargestellten
Vorratsbehälter durch den Schlauch 8 in Richtung eines Pfeiles A der vorstehend
beschriebenen Spritzpistole zugeführt.
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Die Transportgeschwindigkeit der Pulverteilchen nimmt im konischen
Abschnitt 6a des Rohrteiles 6 zu, da der freie Stromungsquerschnitt im konischen
Abschnitt 6a allmählich abnimmt.
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Danach strömen die Pulverteilchen mit konstanter Geschwindigkeit durch
den ringförmigen Aufladungskanal 12. Das Rohrteil 6 aus "Teflon" ist statisch aufgeladen
(entgegengesetzte Polarität zu der der Pulverteilchen, d.h. negative Polarität),
so daß die Farb- bzw. Pulverteilchen durch Reibung positiv elektrisch aufgeladen
werden, während sie durch den ringförmigen Aufladungskanal 12 strömen. Während die
elektrische Ladung (positive Polarität) auf den Pulverteilchen durch die Reibung
zwischen diesen und der Innenfläche des rohrförmigen Abschnittes 6b erzeugt wird,
wird die entgegengesetzte Ladung (negative Polarität), da der rohrförmige Abschnitt
6b des Rohrteiles 6 eine dünne Wand hat, unbehindert an den inneren Einsatz 4 aus
Metall abgegeben, so daß eine kontinuierliche und hochwirksame Aufladung möglich
ist. Da mittels der Hochspannungsquelle 17 eine hohe positive Spannung an den inneren
Einsatz 4 aus Metall angelegt ist, wird dadurch nicht nur der Abtransport der negativen
elektrischen Ladung, die auf der Oberfläche des rohrförmigen Abschnittes 6b aus
"Teflon" er-
zeugt worden ist, unterstützt, sondern erzeugt der
innere Einsatz 4 aus Metall auch ein äußeres elektrisches Feld für die aufgeladenen
Teilchen.
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Die aufgeladenen Pulverteilchen strömen durch den Aufladungskanal
12 und treten durch die Fenster 4a des inneren Einsatzes 4 aus Metall aus, wonach
die Pulverteilchen durch einen konischen Strömungskanal 10, der von der konischen
Innenfläche 13a des Diffusorelementes 13 und dem Deflektor 11 begrenzt wird, in
Richtung zu der zu beschichtenden Oberfläche 20 geschleudert bzw. gespritzt werden.
Die Oberfläche 20 ist geerdet, so daß sie entgegengesetzt zur Ladung der aufgeladenen
Pulverteilchen, d.h. negativ, elektrisch geladen ist.
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Um die Pulverteilchen so gleichmäßig wie möglich zu verteilen und
einen gleichmäßig aufgespritzten Auftrag auf der Oberfläche 20 zu erzeugen, wird
Zusatzluft benutzt Die Zusatzluft wird in die Spritzpistole durch einen Lufteinlaß
21 ins Gehäuse 1 in Richtung eines Pfeiles B eingeleitet und strömt durch im äußeren
Einsatz'-2 aus Metall ausgebildete Luftdurchlässe 22 in eine Ringkammer 23. In einem
Ringkanal 24 entsteht schließlich ein kräftiger Luftwirbel aufgrund der durch die
Ausnehmungen 15a des Verwirbelungselementes 15 strömenden Luft. Die durch die Fenster
4a des inneren Einsatzes 4 aus Metall austretenden, aufgeladenen Pulverteilchen
werden von der Wirbelluftströmung gleichmäßig verteilt und durch den konischen Strömungskanal
19 transportiert, dessen Durchmesser allmählich größer wird, so daß die Geschwindigkeit
der Pulverteilchen in der Wirbelströmung allmählich abnimmt, so daß schließlich
ein gleichmäßiger Farbauftrag auf der Oberfläche 20 erzeugt wird. Die Oberfläche
des vom Diffusorelement 13 und dem Deflektor 11 begrenzten Strömungskanales 19 ist
vollständig mit "Teflon" bedeckt, so daß keine Metallteile freiliegen und daher
keine Koronaentladung auftreten kann.
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Es wurden Untersuchungen durchgeführt, die gezeigt haben, daß die
Strömungsgeschwindigkeit der Luft, die die Pulverteilchen durch den ringförmigen
Aufladungskanal 12 transportiert, einen erheblichen Einfluß auf die Reibungsaufladung
hat.
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In Figur 3 sind die Ergebnisse von Versuchen hinsichtlich der Beziehung
zwischen dem Wirkungsgrad des Farbauftrages, gemessen in Prozent, und der mittleren
Transportgeschwindigkeit der Pulverteilchen, gemessen in m/s, dargestellt. Unter
"Wirkungsgrad des Farbauftrags" wird hier das Verhältnis der Menge der an der Oberfläche
20 haftenden Pulverteilchen zur Menge der der Spritzpistole zugeführten Pulverteilchen
verstanden. Bei der für die Versuche benutzten Spritzpistole hatte der Aufladungskanal
12 einen Innendurchmesser von 12 cm (der Innendurchmesser des Aufladungskanales
12 wird in der Regel vorzugsweise zwischen 8 und 20 cm gewählt), und die mittels
der Hochspannungsquelle 17 angelegte Spannung betrug 30 kV (die Spannung wird in
der Regel vorzugsweise zwischen 20 und 90 kV gewählt). Der Abstand der Spritzpistole
von der zu beschichtenden Oberfläche 20 betrug 20 cm (der Abstand wird in der Regel
vorzugsweise zwischen 15 und 30 cm gewählt).
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In Figur 3 gibt die Kurve X die Ergebnisse für den Fall kleinen Pulvermengendurchflusses
(weniger als 100 g/min) wieder, gibt die Kurve Y die Ergebnisse für den Fall mittleren
Pulvermengendurchflusses (von 100 g/min bis 200 g/min) wieder und gibt die Kurve
Z die Ergebnisse für den Fall großen Pulvermengendurchflusses (von 200 g/min bis
300 g/min) wieder.
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Wie aus Figur 3 erkennbar ist, weisen die Wirkungsgradkurven jeweils
ein Maximum auf. Bei niedriger mittlerer Transportgeschwindigkeit ist der Wirkungsgrad
niedrig, da die Reibungsaufladung unzureichend ist. Auch bei hoher mittlerer Transportgeschwindigkeit
ist der Wirkungsgrad niedrig, da die Luftgeschwindigkeit so hoch ist, daß die an
der zu beschichtenden Oberfläche haftenden Pulverteilchen gestört werden. Fi-
gur
3 zeigt, daß die Transportgeschwindigkeit der Pulverteilchen (die Geschwindigkeit
der Luft) am günstigsten im Bereich von 60 m/s bis 260 m/s liegt.
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Bei erfindungsgemäßem Vorgehen ist somit der Wirkungsgrad des Farbauftrages
hoch. Die Farb- bzw. Pulverteilchen werden gleichmäßig auf die zu beschichtende
Oberfläche gespritzt bzw. gesrüht,wobei die Entstehung kraterartiger Fehlerstellen
auf der bespritzten Oberfläche verhindert wird.
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Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als Rohrteil
6 mit dem rohrförmigen Abschnitt 6b ein Teil aus "Teflon" benutzt. Statt eines Rohrteiles
aus diesem Material kann ein beliebiges anderes Kunststoff-Auskleidungsmaterial
benutzt werden, in das elektrisch leitfähige Teilchen, beispielsweise Kohlenstoffteilchen
oder Aluminiumteilchen, eingemischt sind.
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Beim erfindungsgemäßen elektrostatischen Pulverspritzverfahren zur
Erzeugung eines Farbauftrags werden somit Farb- bzw. Pulverteilchen in Luft schwebend
in einen Aufladungskanal transportiert, den ein elektrischer Isolator umgibt, der
eine statische elektrische Ladung trägt, die entgegengesetzt zu der der Pulverteilchen
ist. Die Pulverteilchen werden im Aufladungskanal durch Reibung elektrisch aufgeladen
und zu der zu beschichtenden Oberfläche gesprüht bzw. gespritzt, wobei die Geschwindigkeit
der durch den Aufladungskanal strömenden Pulverteilchen im Bereich von 60 bis 260
m/s liegt.
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