EP3034175B1

EP3034175B1 - Düsenkopf und rotationszerstäuber mit einem solchen

Info

Publication number: EP3034175B1
Application number: EP15003578.0A
Authority: EP
Inventors: Jan Reichler; Herbert Schulze
Original assignee: Eisenmann SE
Current assignee: Eisenmann SE
Priority date: 2014-12-20
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2035-12-16
Also published as: CN105709954B; EP3034175A1; CN105709954A; US20160193616A1; US10265712B2; DE102014019309A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf für einen Rotationszerstäuber zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf einen Gegenstand mit:

a) einem um eine Rotationsachse drehbaren Glockenteller mit einer Abrisskante und einer Abströmfläche, welcher das Beschichtungsmaterial derart zuführbar ist, dass das Beschichtungsmaterial von der Abrisskante des Glockentellers weggeschleudert wird, und
b) einem Strömungsweg, über welchen das Beschichtungsmaterial der Abströmfläche zuführbar ist.

Außerdem betrifft die Erfindung einen Rotationszerstäuber zum Aufbringen eine Beschichtungsmaterials auf einen Gegenstand mit einem Düsenkopf.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Rotationszerstäuber, die mit einem Düsenkopf der eingangs genannten Art ausgestattet sind, werden zum Beispiel in der Automobilindustrie verwendet, um Gegenstände, wie beispielsweise Teile von Fahrzeugkarosserien, zu lackieren oder mit einem Schutzmaterial zu beschichten.
Der Glockenteller dient dabei zum Zerstäuben des Beschichtungsmaterials, wozu er im Betrieb mit sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten von 10.000 bis 100.000 U min^-1 mittels eines pneumatischen oder elektrischen Antriebs um seine Rotationsachse gedreht wird.
Dem rotierenden Glockenteller wird das ausgewählte Beschichtungsmaterial zugeführt. Auf Grund von Zentrifugalkräften, die auf das Beschichtungsmaterial wirken, wird es auf dem Glockenteller als Film nach außen getrieben, bis es zu einer radial außen liegenden Abrisskante des Glockentellers gelangt. Dort wirken derart hohe Zentrifugalkräfte auf das Beschichtungsmaterial, dass es in Form von feinen Beschichtungsmaterial-Tröpfchen tangential weggeschleudert wird.
Hierbei entstehen Tröpfchen mit unterschiedlichen Größen, die sich über einen verhältnismäßig großen Größenbereich erstrecken. Größere Tröpfchen werden dabei radial weiter nach außen geschleudert als kleinere Tröpfchen. Mit Düsenköpfen und Rotationszerstäubern der eingangs genannten Art wird so ein relativ breiter Sprühstrahl erzeugt, der im Idealfall kegelförmig ist und einen verhältnismäßig großen Konuswinkel aufweist.
Dabei ist es wünschenswert, dass die Größe der Tröpfchen verhältnismäßig einheitlich ist und dass auf die Größe bezogene Tröpfchenspektrum sich nur über einen möglichst kleinen Bereich erstreckt. Außerdem sollten die Tröpfchen möglichst klein sein, da bei kleineren Tröpfchen ein homogeneres Beschichtungsergebnis erzielt wird. Ziel ist es, einen so genannten Farbnebel zu erzeugen. Als Nebel wird generell ein Gemisch aus Luft und fein verteilten festen oder flüssigen Teilchen bezeichnet. Um die Applikation des Beschichtungsmaterials auf den zu beschichtenden Gegenstand zu gewährleisten, ist ein nässender Nebel mit minimaler Tröpfchengröße im Bereich 20 bis 40 µm notwendig. Gute Ergebnisse lassen sich bei einem Tröpfchengrößenmittelwert von 100 µm erzielen, wobei die Abweichung idealerweise ±50 µm beträgt.
Je langsamer der Glockenteller gedreht wird, desto größer sind im Mittel die Tröpfchen, welche von der Abrisskante weggeschleudert werden. Entsprechend werden bei höheren Drehzahlen des Glockentellers im Mittel kleinere Tröpfchen an der Abrisskante des Glockentellers erzeugt. Aus diesem Grund wird der Glockenteller in der Regel mit hohen Drehzahlen betrieben, was mit einem entsprechenden hohen Energieverbrauch verknüpft ist. Zugleich ist die radiale Ausbreitung des Sprühstrahls bei höheren Drehzahlen wiederum größer als bei kleineren Drehzahlen, so dass Maßnahmen ergriffen werden müssen, um diesen Sprühstrahl auf die zu beschichtende Gegenstände zu fokussieren.
Hierzu arbeiten bekannte Rotationszerstäuber beispielsweise elektrostatisch. Hierbei wird das zu applizierende Beschichtungsmaterial aufgeladen, wogegen der zu beschichtende Gegenstand geerdet ist. Dabei bildet sich ein elektrisches Feld zwischen dem Rotationszerstäuber und dem Gegenstand aus, durch welches das aufgeladene Beschichtungsmaterial gerichtet auf den Gegenstand appliziert wird. Dies funktioniert jedoch nur bei elektrisch leitfähigen Gegenständen.
Alternativ oder auch ergänzend zum elektrostatischen Betrieb haben sich bei bekannten Rotationszerstäubern Lenklufteinrichtungen etabliert. Mit diesen wird ein meist ringförmiger Lenkluftstrom so auf den Sprühstrahl geleitet, dass dieser gebündelt wird und die Tröpfchen unterschiedlicher Größe auf den zu beschichtenden Gegenstand gelenkt werden. Teilweise sind hierzu jedoch starke Lenkluftströme notwendig, deren Erzeugung relativ aufwendig ist.
Aus der DE 43 30 602 A1 ist ein Rotationszerstäuber zum elektrostatischen Beschichten mit einer statischen Düsenbaugruppe bekannt, die eine Mehrzahl von Beschichtungsmaterialdüsen aufweist, die mit entsprechenden Beschichtungsmaterialquellen über verschiedene Kanäle kommunizieren. Jede Düse und der daran angeschlossene Kanal werden zur Zufuhr nur eines bestimmten Beschichtungsmaterials verwendet.
Dies bedingt einen sehr aufwendigen Innenaufbau des Rotationszerstäubers und somit gesteigerte Produktionskosten. Ferner besteht die Gefahr, dass Beschichtungsmaterial, welches über eine längere Zeitspanne in dem einzelnen Kanal steht, Ablagerungen an den Kanalwänden bildet. Bei erneuter Benutzung des Kanals können sich diese Ablagerungen lösen und zu einem unbrauchbaren Beschichtungsergebnis führen. Dokument DE19609812 A1 beschriebt einen Rotationszerstäuber zum elektrostatischen Beschichten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Düsenkopf und einen Rotationszerstäuber der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welchen ein energieeffizienter Betrieb bei einem möglichst homogenen und fokussierten Sprühstrahl ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird bei dem Düsenkopf der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass

c) der Strömungsweg sich in einem Abgabebereich in Teilwege mit jeweils einer zur Rotationsachse des Glockentellers exzentrisch angeordneten Abgabeöffnung aufteilt, aus welcher das Beschichtungsmaterial abgebbar ist, das von dort zur Abströmfläche gelangt.

Bei einer zentralen Zuführung des Beschichtungsmaterials zu dem Umlenkkörper über einen koaxial angeordneten Kanal kann dieses je nach Viskosität des Beschichtungsmaterials eine zu geringe Geschwindigkeit in radialer und in Umfangsrichtung aufweisen, um den gewünschten Materialfilm an der Abströmfläche auszubilden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass dann, wenn das Beschichtungsmaterial über mehrere Teilwege durch einen Abgabebereich mit in Bezug auf die Rotationsachse radial versetzten Abgabeöffnungen geleitet wird, eine gleichmäßigere Abgabe an die Abströmfläche möglich ist als bei einem einzigen zentralen Zuführkanal.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Abgabeöffnungen um die Rotationsachse verdrehbar gelagert sind. In diesem Fall erfährt das Beschichtungsmaterial durch eine Drehbewegung der Abgabeöffnungen um die Rotationsachse eine zusätzliche Beschleunigung in radialer und in Umfangsrichtung, so dass es mit den entsprechenden zusätzlichen Geschwindigkeitskomponenten auf den Umlenkkörper auftrifft und zur Abströmfläche gelangt. Diese zusätzliche kinetische Energie steht dem Beschichtungsmaterial auch beim Fließen entlang der Abströmfläche in Richtung zur Abrisskante zur Verfügung. Dadurch kann sich das Beschichtungsmaterial mit einer größeren Geschwindigkeit von der Abrisskante ablösen, ohne dass die Betriebsdrehzahl des Rotationszerstäubers erhöht werden muss.
Dadurch, dass der Strömungsweg in Teilwege aufgeteilt wird, wird in jedem Teilweg ein geringerer Querschnitt wirksam. Ist der Gesamtquerschnitt der Teilwege geringer als der Querschnitt des Strömungswegs, so steigt aufgrund der Massenerhaltung bei einem inkompressiblen Beschichtungsmaterial die Strömungsgeschwindigkeit proportional an. Dadurch kann die absolute Geschwindigkeit des Beschichtungsmaterials noch weiter erhöht werden.
Derart lässt sich die erzeugte Tröpfchengröße wirksam reduzieren, ohne dass die Drehzahl des Rotationszerstäubers erhöht werden muss.
Vorzugsweise weist der Abgabebereich mindestens zwei Abgabeöffnungen auf, die auf einem zu der Rotationsachse koaxialen Kreis angeordnet sind. Um zu verhindern, dass eine Periodizität in dem Beschichtungsergebnis sichtbar wird, die mit der Betriebsdrehzahl gekoppelt ist, ist es zweckmäßig, die Teilwege mit den Abgabeöffnungen am Umfang gleichmäßig zu verteilen. Dadurch kann erreicht werden, dass sich bei der Rotation des Glockentellers auf der Abströmfläche ein in Umfangsrichtung zusammenhängender Beschichtungsmaterialfilm ausbilden kann, so dass pro Zeiteinheit von einem möglichst großen Umfangsbereich Tröpfchen weggeschleudert werden können.
Bei einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Strömungsweg einen koaxialen Zentralkanal umfasst, welcher in Strömungsrichtung des Beschichtungsmaterials vor dem Abgabebereich angeordnet ist.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn zumindest der koaxiale Zentralkanal in einer Antriebswelle aufgenommen ist, mit welcher der Glockenteller gekoppelt ist.
Das von den Abgabeöffnungen abgegebene Beschichtungsmaterial kann zur Abströmfläche gelangen, indem es auf einen Umlenkkörper geführt werden kann. Der Umlenkkörper ist vorzugsweise koaxial zu der Rotationsachse angeordnet und mit dem Glockenteller bewegungsfest verbunden. Des Weiteren ist der Umlenkkörper rotationssymmetrisch und umfasst eine Prallfläche, die den Abgabeöffnungen gegenüberliegt, und eine Außenmantelfläche, die im Wesentlichen parallel zu der Abströmfläche des Glockentellers verläuft.
Damit der Umlenkkörper möglichst leicht ausgebildet ist, ist er bevorzugt als hohler Kegelstumpf ausgeführt.
In dem inneren Bereich des Glockentellers entsteht im Betrieb ein Unterdruck, so dass die Gefahr besteht, dass Beschichtungsmaterial von der Abrisskante zur Mitte des Glockentellers angesaugt wird. Dies beeinflusst wiederum die Geometrie des Sprühstrahls. Um zu verhindern, dass sich dadurch das Beschichtungsergebnis verschlechtert, ist es vorteilhaft, wenn durch den die Prallfläche definierenden Umlenkkörper durchgehende Luftdurchlassbohrungen angebracht sind, die für einen Druckausgleich sorgen.
Der Umlenkkörper ist in dem von der Abströmfläche des Glockentellers begrenzten Raum aufgenommen, welcher ebenfalls die Form eines Kegelstumpfes aufweist. Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Durchmesser des Umlenkkörpers weniger als 60% des Abrisskantendurchmessers beträgt. Besonders vorteilhaft ist ein Umlenkkörperdurchmesser, der in etwa ein Drittel des Abrisskantendurchmessers beträgt. Der Abrisskantendurchmesser kann in einem Bereich zwischen 20 und 90 mm liegen, wobei bei einer größeren Abrisskante entsprechend mehr Abströmfläche zur Verfügung steht. Dadurch kann sich ein dünner Beschichtungsmittelfilm ausbilden, was kleinere und gleichmäßigere Tröpfchen verursacht.
Um Energie zu sparen ist es zweckmäßig, die rotierenden Komponenten möglichst leicht auszugestalten. Der Düsenkopf kann aus einem Glockenteil, welches den Glockenteller und den Abgabebereich umfasst, und aus einer konischen Seitenwand derart ausgebildet sein, dass zwischen Glockenteil und Seitenwand ein Hohlraum entsteht. Die Seitenwand und der Glockenteil können beispielsweise mittels Kleben, Schweißen, Schrauben, Nieten oder Schrumpfen miteinander bewegungsfest verbunden werden.
Es ist vorteilhaft, wenn als Werkstoff für den Glockenteil, die Seitenwand und den Umlenkkörper ein Material mit einer geringen Dichte eingesetzt wird, so dass die zu bewegenden Massen möglichst klein gehalten werden. Geeignete Werkstoffe sind je nach Beschichtungsmaterial und Abrieb durch Partikel im Beschichtungsmaterial beispielsweise Titan, Aluminium oder Legierungen wie Ti-6A1-4V, 6A1-4V oder 6Al-25N-4Zr-2Mo.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Abströmfläche in einem Ringbereich Rillen, insbesondere radiale Rillen, aufweist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Rillen in einem radial äußersten Ringbereich der Abströmfläche, der in der Abrisskante endet, angeordnet sind. Dadurch werden Initialstellen für die Tröpfchenbildung erzeugt.
Alternativ oder zusätzlich kann in einem Ringbereich ein Winkel zwischen der Abströmfläche und der Rotationsachse in Richtung auf die Abrisskante zu kleiner werden. Hierbei ist besonders von Vorteil, wenn der Winkel sich in einem radial äußersten Ringbereich der Abströmfläche kontinuierlich ändert. Durch die Umlenkung des Beschichtungsmaterials erfährt ein sich von der Abrisskante ablösendes Tröpfchen eine verringerte Beschleunigung in radialer Richtung, sodass sich der maximale Radius des Sprühstrahls verringern lässt.
Zudem kann vorgesehen sein, dass der Winkel zwischen der Abströmfläche und der Rotationsachse sich in Richtung zur Abrisskante mehrmals ändert, wobei verschiedene Ringbereiche der Abströmfläche jeweils unterschiedliche konstante Winkel in einem Bereich von 50° bis 85° aufweisen. Durch derart entstehende Stufen lassen sich auf der Abströmfläche Bereiche mit verschiedenen Strömungsverhältnissen erzeugen, in denen das Beschichtungsmaterial unterschiedliche Beschleunigungsanteile erfährt. Für eine gleichmäßige Tröpfchengrößenverteilung ist eine laminare Strömung des Beschichtungsmaterials wünschenswert. Um diese zu gewährleisten, sind die Übergänge zwischen den Ringbereichen möglichst stetig mit sich kontinuierlich änderndem Winkel auszuführen.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass zur Bündelung des Sprühstrahls eine Lenklufteinrichtung eingesetzt wird. Diese weist vorzugsweise mehrere Lenklufteinheiten, die als Düsenringe ausgeführt sind. Diese sind koaxial zu der Rotationsachse am Gehäuse des Rotationszerstäubers außerhalb des Düsenkopfes angeordnet und können Düsenöffnungen unterschiedlicher Größe aufweisen. Hierbei hat sich ein Durchfluss von 200 bis 350 L min^-1 als zweckmäßig erwiesen.
Zur weiteren Fokussierung des Sprühstrahls kann das Beschichtungsmaterial mit Hilfe eines elektrischen Feldes auf den zu beschichtenden Gegenstand gerichtet werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Beschichtungsmaterial selbst direkt mittels eines Hochspannungserzeugers auf Hochspannung von 20 bis 50 kV, vorzugsweise von 30 kV, innerhalb des Strömungswegs aufgeladen wird und der zu beschichtende Gegenstand geerdet wird.
Alternativ kann die elektrostatische Aufladung von außen durch Nadelelektroden erfolgen, die radial um die Glocke angebracht sind und sich auf negativem Gleichspannungspotential befinden. Die Spannung liegt im Bereich zwischen -40 kV und -100 kV. Die bei der Ionisierung der Luft vor den Nadelspitzen entstehenden Elektronen können die Tröpfchen negativ aufladen, so dass sich diese in Richtung zu dem geerdeten zu beschichtenden Gegenstand bewegen wodurch der Beschichtungswirkungsgrad gesteigert werden kann.
Um Verschmutzungen an dem Rotationszerstäuber zu entfernen, die durch nicht zum zu beschichtenden Gegenstand gelangendes Beschichtungsmaterial entstehen, kann eine Spülmittelsprüheinrichtung vorgesehen sein. Diese kann an der Seitenwand des Glockenteils angeordnet sein und diese bei Bedarf reinigen.
Bei einem Wechsel des Beschichtungsmaterials wird der komplette Strömungsweg mit Lösungsmittel gespült, um Vermischungen zu vermeiden. Um Reste des Beschichtungsmaterials aus den Zuführleitungen auszudrücken oder diese von dem Lösungsmittel zu reinigen, kann ein hin- und herbewegbarer Molch eingesetzt werden, der beim Hindurchbewegen durch den Leitungsabschnitt dessen innere Oberfläche von dem Fluid befreit.
Der beschriebene Düsenkopf ist ein Teil einer Farbspritzvorrichtung zum Beschichten von Gegenständen, die viele Farbquellen mit bis zu 50 verschiedenen Farben haben kann. Die Farbspritzvorrichtung kann eine Vielzahl an Spritzkabinen umfassen, die mit zugehörigen Verteilleitungen mit Beschichtungsmaterial versorgt werden. In jeder Spritzkabine können mehrere Roboter oder Handhabungsmittel vorhanden sein, die Rotationszerstäuber tragen.
Ferner gibt es ein oder mehrere Farbwechselventile, so dass sich immer nur eine Farbe zwischen Farbwechsler und Zerstäuber in den Leitung befindet. Es kann zusätzlich Dosier- und Speicherbehälter zwischen Farbwechsler und Zerstäuber geben, die genaue Anordnung der Speicherbehälter und Farbwechsler ist nicht relevant. Die oben angegebene Aufgabe wird bei einem Rotationszerstäuber der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Düsenkopf mit einigen oder allen der oben dazu genannten Merkmale vorgesehen ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Figur 1: einen Axialschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Düsenkopfes mit einer Vollwelle als Antriebswelle;
Figur 2: einen Radialschnitt eines Abgabebereichs des Düsenkopfes nach Figur 1, in welchem Teilwege des Strömungswegs verlaufen;
Figur 3: einen Axialschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Düsenkopfes mit einer Hohlwelle als Antriebswelle;
Figur 4: einen Radialschnitt des Abgabebereichs des Düsenkopfes nach Figur 3, in welchem Teilwege des Strömungswegs verlaufen;
Figur 5: einen Axialschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines Düsenkopfes mit einer Hohlwelle als Antriebswelle;
Figur 6: einen Radialschnitt des Abgabebereichs des Düsenkopfes nach Figur 5;
Figur 7: einen Axialschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels eines Düsenkopfes, bei dem ein Einsatzteil in einer Zentralbohrung des Abgabebereichs angeordnet ist;
Figur 8: einen Radialschnitt des Abgabebereichs des Düsenkopfes nach Figur 7.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

1. Grundlegender Aufbau des Rotationszerstäubers.

In den Figuren ist mit 10 insgesamt ein Rotationszerstäuber bezeichnet, von dem lediglich ein Kopfabschnitt mit einem Gehäuse 12 und einem Düsenkopf 14 gezeigt ist. Mittels des Rotationszerstäubers 10 kann Beschichtungsmaterial, insbesondere Lack, auf einen nicht eigens gezeigten Gegenstand appliziert werden.
Der Düsenkopf 14 umfasst ein Glockenteil 24, welches mit hoher Geschwindigkeit um eine Rotationsachse 16 drehbar und hierzu mit einer Antriebswelle 18 gekoppelt ist.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Düsenkopf 14 ist die Antriebswelle 18 als Vollwelle ausgeführt. Die Antriebswelle 18 ist in dem Gehäuse 12 über abgedichtete Radiallager 22 gelagert und kann beispielsweise mittels eines Elektromotors oder pneumatisch mittels einer Druckluftturbine angetrieben werden. Im Betrieb rotiert das Glockenteil 24 mit Drehzahlen von 10.000 bis 100.000 min^-1 um seine Rotationsachse 16.
Das Glockenteil 24 umfasst einen Glockenteller 42 und eine an den Glockenteller 42 radial außen anschließende Seitenwand 26, die bewegungsfest miteinander verbunden sind und zusammen einen Hohlraum umschließen. Durch diese Ausgestaltung des Glockenteils 24 lässt sich dessen Massenträgheit gering halten, so dass Antriebsenergie gespart werden kann.
Über einen Strömungsweg 28 wird zu applizierendes Beschichtungsmaterial von der Seite der Antriebswelle 18 kommend dem Düsenkopf 14 zugeführt. In Figur 1 führt hierzu eine bezogen auf die Rotationsachse 16 exzentrische Leitung 30 das Beschichtungsmaterial einem koaxialen Kanal 32 zu, welcher beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ringförmig ist und in radialer Richtung innen durch die Vollwelle 20 und außen durch das Gehäuse 12 begrenzt wird. In axialer Richtung wird der Kanal 32 auf der einen Seite durch das Radiallager 22 begrenzt und mündet auf der gegenüberliegenden Seite in einen zur Rotationsachse 16 koaxial angeordneten zylindrischen Abgabebereich 34 des Glockenteils 24. Hierbei ist ein freies Ende der Antriebswelle 18 über eine Nabe 36 beispielsweise mittels einer Klebeverbindung oder einer Presspassung bewegungsfest mit dem Abgabebereich 34 des Glockenteils 24 verbunden. Dadurch wird die Drehbewegung der Antriebswelle 18 an das Glockenteil 24 übertragen.
In dem Abgabebereich 34 teilt sich der Strömungsweg 28 in mehrere Teilwege 38 auf, die in den Ausführungsbeispielen als Durchgangsbohrungen ausgestaltet sind, welche parallel zu der Rotationsachse 16 verlaufen. Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel münden sechs Teilwege 38 in Abgabeöffnungen 40, die koaxial auf einem Kreis um die Rotationsachse 16 angeordnet sind. Die Anordnung der Teilwege 38 ist in dem Radialschnitt A-A in der Figur 2 gezeigt.
Der Glockenteller 42 ist kegelstumpfförmig und grenzt an den Abgabebereich 34 an, wobei er ebenfalls koaxial zu der Rotationsachse 16 angeordnet ist. Der Glockenteller 42 kann auch hiervon abweichende Geometrien haben, wie sie an und für sich bei Glockentellern aus dem Stand der Technik bekannt sind. Der Glockenteller 42 hat eine kegelstumpfförmige Innenmantelfläche 44, die als Abströmfläche 46 dient. Am von der Antriebswelle 18 abliegenden Außenrand endet die Abströmfläche 46 in einer umlaufenden Abrisskante 48. Die Abströmfläche 46 schließt mit der Rotationsachse 16 einen Winkel α ein. Dieser beträgt etwa 45°, insbesondere kommen Winkel in einem Bereich von 40° bis 85° in Frage. Als günstig hat sich ein Glockentellerdurchmesser in einem Bereich von 20 mm bis 90 mm erwiesen, wobei bei größeren Glockentellerdurchmessern generell das Beschichtungsmaterial als dünnerer Film strömt, wodurch an der Abrisskante kleinere Tröpfchen gebildet werden.
Die Innenmantelfläche 44 des Glockentellers 42 umgibt ein kegelstumpfförmiges Volumen, in welchem ein Umlenkkörper 50 angeordnet ist. Dieser ist koaxial zu der Rotationsachse 16 des Düsenkopfes 14 in einem von der Antriebswelle 18 abliegenden Ende des Abgabebereichs 34 aufgenommen. Hierbei ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Stutzen 52 des Umlenkkörpers 50 bewegungsfest mit dem Abgabebereich 34 des Glockenteils 24 verbunden; dies kann beispielsweise mittels einer Klebeverbindung oder einer Presspassung erfolgen. Somit folgt der Umlenkkörper 50 der Drehbewegung des Glockenteils 24.
Die Außenmantelfläche des Stutzens 52 des Umlenkkörpers 50 mündet in eine ringförmige Prallfläche 54, welche ihrerseits in eine kegelstumpfförmige Außenmantelfläche 56 übergeht, die in eine umlaufende Endkante 58 endet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel verläuft die Prallfläche 54 weitgehend in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse 16.
Beschichtungsmaterial, welches aus den Abgabeöffnungen 40 austritt, trifft auf die gegenüberliegend angeordnete Prallfläche 54. Auf Grund der Drehung des Glockenteils 24 und des Umlenkkörpers 50 strömt dieses Beschichtungsmaterial auf der Prallfläche 54 als Film nach radial außen und zu der innen liegenden Abströmfläche 46 des Glockentellers 42. Auf dieser strömt das Beschichtungsmaterial weiter nach zu der Abrisskante 48, wo der Film sich in Form von Strahlen oder Lamellen von dem Glockenteller 42 löst, aus denen dann Tröpfchen entstehen. Wie eingangs angesprochen, ist es wünschenswert, kleine Tröpfchen zu erzeugen.
Abhängig von der Drehzahl des Glockentellers verändert sich bei einem Rotationszerstäuber die durchschnittliche Größe der Tröpfchen, welche von dem Glockenteller 42 weggeschleudert werden. Je geringer die Drehzahl des Glockentellers 42 ist, desto größer sind die erzeugten Tröpfchen. Gleichzeitig ist es jedoch wünschenswert, den Glockenteller 42 mit kleinen Drehzahlen zu rotieren, um Energie zu sparen.
Durch die Aufteilung des Strömungswegs 28 in Teilwege 38 im Abgabebereich 34 wird dem unerwünschten Effekt entgegengewirkt, dass bei kleineren Drehzahlen größere Tröpfchen vom Glockenteller 42 weggeschleudert werden. Durch ihre Exzentrizität wirken die Teilwege 38 wie radial angeordnete Mitnehmer und können zusätzliche Rotationsenergie auf das Beschichtungsmaterial übertragen. Infolgedessen tritt das gesamte Beschichtungsmittel mit einer höheren absoluten Geschwindigkeit aus den Abgabeöffnungen 40 heraus, als wenn es nur zentral zugeführt werden würde. Ein derartig beschleunigtes Beschichtungsmaterial trifft somit mit höherer kinetischer Energie auf die Prallfläche 54 und anschließend auf die Abströmfläche 46 auf, um dann in einem dünneren Film zur Abrisskante 48 zu fließen, was die Bildung kleinerer gleichmäßigerer Tröpfchen zur Folge hat.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist die Prallfläche 54 im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse 16 ausgebildet. Denkbar ist ebenso eine geneigte Prallfläche 54.
Die Prallfläche 54 geht, wie oben erwähnt, in die kegelstumpfförmige Außenmantelfläche 56 über. Diese schließt mit der Rotationsachse 16 einen Winkel α eins, welcher genauso groß ist wie der Winkel, den die Abströmfläche 46 des Glockentellers 42 mit der Rotationsachse 16 einschließt. Somit verlaufen die Außenmantelfläche 56 und die Abströmfläche 46 parallel zueinander. Falls bei kleineren Drehzahlen Beschichtungsmaterial auch an der Außenmantelfläche 56 des Umlenkkörpers 52 entlang fließt, wird dieses spätestens an dessen Endkante 58 abgegeben und trifft auf die Abströmfläche 46 des Glockentellers 42. Als günstig hat sich ein Durchmesser der Endkante 58 erwiesen, welcher weniger als 60% des Durchmessers des Glockentellers beträgt.
Der Umlenkkörper 50 ist als ein hohler Kegelstumpf ausgeführt, um die Massenträgheit des Düsenkopfes 14 insgesamt zu reduzieren. Um die Saugwirkung des dadurch gebildeten Hohlraumes zu reduzieren, sind in der Prallfläche 54 Luftdurchlassbohrungen 60 angeordnet. Diese sorgen für einen Druckausgleich und verbessern somit die Verteilung des Beschichtungsmaterials, das von der Abrisskante 48 weggeschleudert wurde. In der Figur 1 sind zwei solche Luftdurchlassbohrungen 60 gezeigt, wobei diese derart ausgestaltet sind, dass das ungehinderte Durchtreten von Beschichtungsmaterial verhindert werden kann. Hierzu weisen diese nur geringen Durchmesser auf und haben zudem eine zur Neigung der Außenmantelfläche 56 entgegengesetzte Neigung.
Eine weitere Möglichkeit, die Geometrie des von dem Düsenkopf 14 erzeugten Sprühstrahls zu beeinflussen, ist durch den Einsatz von einer nicht eigens gezeigten Lenklufteinheit. Beispielsweise kann an einem Gehäusekragen 62, welcher zum Teil den Düsenkopf 14 überdeckt, eine Ringdüse angeordnet sein. Diese richtet Lenkluft auf den erzeugten Sprühstrahl, um ihn in radialer Richtung zu begrenzen. Weitere Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Lenklufteinheit sind der DE 10 2012 010 610 A1 zu entnehmen.
Um Reste von Beschichtungsmaterial an der Seitenwand des Düsenkopfes 14 zu entfernen, kann eine nicht eigens gezeigte Spülmittelsprüheinrichtung vorgesehen sein. Diese kann an der Seitenwand des Glockenteils angeordnet sein und diese bei Bedarf mit einem Lösungsmittel reinigen.
Bei Wechsel des Beschichtungsmaterials wird der Strömungsweg 28 vollständig mit Lösungsmittel gespült, um Vermischungen unterschiedlicher Materialien zu vermeiden. Dazu kann in den Zuführleitungen zu dem Düsenkopf 14 ein nicht eigens gezeigter, hin- und herbewegbarer Molch vorgesehen sein, welcher die Wände der Zuführleitungen von Innen von Beschichtungsmaterialreste befreit.

2. Weitere Ausführungsbeispiele des Düsenkopfes

Die Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Düsenkopfes 14, bei dem die Antriebswelle 18 als Hohlwelle 64 ausgeführt ist. Das Beschichtungsmaterial wird durch die Hohlwelle 64 über den koaxialen Kanal 32 dem Abgabebereich 34 des Glockenteils 24 zugeführt. Der koaxiale Kanal 32 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Zentralbohrung 66 in dem Glockenteil 24 ausgebildet und befindet sich zwischen der Nabe 36, welche die Hohlwelle 64 aufnimmt, und dem Abgabebereich 34, in welchem die Teilwege 38 verlaufen.
Die Zentralbohrung 66 hat denselben Durchmesser wie der Außenkreis, der durch die radial äußersten Punkte der exzentrisch angeordneten Teilwege 38 gebildet wird. Dadurch wird das Einströmen des Beschichtungsmaterials aus dem koaxialen Kanal 32 in die Teilwege 38 erleichtert. In diesem Ausführungsbeispiel münden vier Teilwege 38 in den Abgabeöffnungen 40, die auf einem Kreis um die Rotationsachse 16 angeordnet sind. Die Anordnung der Teilwege 38 ist in dem Radialschnitt A-A in der Figur 4 gezeigt.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können der Umlenkkörper 50 und der Abgabebereich 34 wieder beispielhaft mittels einer Klebeverbindung oder einer Presspassung oder alternativ mittels einer nicht eigens gezeigten Schraubverbindung miteinander verbunden sein. Hierzu kann der Endabschnitt des Stutzens 52 in die Zentralbohrung 66 hineinragen und ein Gewinde tragen, das in Verbindung mit einer Gewindemutter den Umlenkkörper 50 und den Abgabebereich 34 bewegungsfest miteinander verbinden kann.
Die Figur 5 veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel, das an dem Ausführungsbeispiel aus der Figur 3 angelehnt ist. Im Unterschied dazu weist hier der Umlenkkörper 50 keinen Stutzen auf, sondern ist über Stifte 68 koaxial zu der Rotationsachse 16 bewegungsfest an den Abgabebereich 34 angebunden. Wie der Radialschnitt A-A in der Figur 6 zeigt, sind drei Stifte 68 auf einem Kreis um die Rotationsachse 16 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel münden drei Teilwege 38 in die drei Abgabeöffnungen 40, die ebenfalls auf einem Kreis um die Rotationsachse 16 angeordnet sind. Als Luftdurchlassbohrung 60 dient eine in der Prallfläche 54 zentral angeordnete Durchgangsbohrung, wie in der Figur 5 dargestellt.
Um die Geometrie des von dem Düsenkopf 14 erzeugten Sprühstrahls zu beeinflussen, verändert sich bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Winkel α zwischen der Rotationsachse 16 und der Abströmfläche 46. Insbesondere wird der Winkel α in Richtung zur Abrisskante 48 hin kleiner. Dadurch, dass der Beschichtungsmaterialfilm umgelenkt wird, wird dessen Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung auf Kosten der Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung vergrößert. An der Abrisskante 48 erfährt das Beschichtungsmaterial somit eine verringerte Beschleunigung in radiale Richtung, sodass sich der maximale Radius des Sprühstrahls verringern lässt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Figur 7 dargestellt. Hierbei ist die Antriebswelle 18 ebenfalls als Hohlwelle 64 ausgeführt, allerdings ist die axiale Bohrung, die einen Teil des Strömungsweges 28 bildet, exzentrisch zu der Rotationsachse 16. Das aus der Hohlwelle 64 kommende Beschichtungsmaterial gelangt über den koaxialen Kanal 32 zu dem Abgabebereich 34. Der koaxiale Kanal 32 verläuft in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls in einer Zentralbohrung 66 des Glockenteils 24, wobei hier eine in die Zentralbohrung 66 eingesetzte Buchse 70 die Wand des koaxialen Kanals 32 bildet. Damit wird der Durchmesser des koaxialen Kanals 32 dem Durchmesser angeglichen, bei dem die exzentrische axiale Bohrung in der Hohlwelle ihren radial äußersten Punkt hat, was zur Reduktion von Totraum im Strömungsweg 28 beiträgt.
Aus dem koaxialen Kanal 32 gelangt das Beschichtungsmaterial in die Teilwege 38 des Abgabebereichs 34. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Teilwege 38 dadurch gebildet, dass ein Einsatzteil 74 in einer durch den Abgabebereich 34 durchgehende zentrale Abgabebohrung 72 eingesetzt ist. Das Einsatzteil 74 hat eine zylindrische Grundform und trägt an seiner Umfangsfläche drei axiale Rillen 76, die zusammen mit der Wand der zentralen Abgabebohrung 72 die Teilwege 38 für das Beschichtungsmaterial bilden. Die Anordnung der Teilwege 38 ist in dem Radialschnitt A-A in der Figur 8 gezeigt. Die drei Teilwege 38 münden in drei Abgabeöffnungen 40.

Claims

Düsenkopf für einen Rotationszerstäuber zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf einen Gegenstand mit:
a) einem um eine Rotationsachse (16) drehbaren Glockenteller (42) mit einer Abrisskante (48) und einer Abströmfläche (46), welcher das Beschichtungsmaterial derart zuführbar ist, dass das Beschichtungsmaterial von der Abrisskante (48) des Glockentellers (42) weggeschleudert wird, und

b) einem Strömungsweg (28), über welchen das Beschichtungsmaterial der Abströmfläche (46) zuführbar ist,
wobei
c) der Strömungsweg (28) sich in einem Abgabebereich (34) in Teilwege (38) mit jeweils einer zur Rotationsachse (16) des Glockentellers (42) exzentrisch angeordneten Abgabeöffnung (40) aufteilt, aus welcher das Beschichtungsmaterial abgebbar ist, das von dort zur Abströmfläche (46) gelangt,
dadurch gekennzeichnet, dass
d) der Strömungsweg in Teilwege (38) aufgeteilt wird, wobei der Gesamtquerschnitt der Teilwege geringer ist als der Querschnitt des Strömungswegs so dass die absolute Geschwindigkeit des Beschichtungsmaterials erhöht wird.
Düsenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabeöffnungen (40) um die Rotationsachse (16) des Glockentellers (42) verdrehbar gelagert sind.
Düsenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgabebereich (34) mindestens zwei Abgabeöffnungen (40) aufweist, die auf einem zu der Rotationsachse (16) koaxialen Kreis angeordnet sind.
Düsenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg (28) einen koaxialen Zentralkanal (32) umfasst, welcher in Strömungsrichtung des Beschichtungsmaterials vor dem Abgabebereich (34) angeordnet ist.
Düsenkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgabebereich (34) in einer Verlängerung des Zentralkanals (32) ausgebildet ist, in welcher ein Einsatzteil (74) derart eingesetzt ist, dass sich der Strömungsweg (28) aufteilt.
Düsenkopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der koaxiale Zentralkanal (32) in einer Antriebswelle (18) aufgenommen ist, mit welcher der Glockenteller (42) gekoppelt ist.
Düsenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von den Abgabeöffnungen (40)abgegebene Beschichtungsmaterial zur Abströmfläche gelangt, indem es auf einen Umlenkkörper (50) führbar ist.
Düsenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmfläche (46) in einem Ringbereich Rillen (76), insbesondere radiale Rillen, aufweist.
Düsenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ringbereich ein Winkel zwischen der Abströmfläche (46) und der Rotationsachse (16) in Richtung auf die Abrisskante (48) zu kleiner wird.
Rotationszerstäuber zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf einen Gegenstand mit einem Düsenkopf (14), dadurch gekennzeichnet, dass ein Düsenkopf (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen ist.