Vorrichtung zum elektrostatischen Beschichten von Gegenständen

Abstract

 In der für die Verwendung sogenannter Wasserlacke oder eines anderen, ähnlich leitfähigen Beschichtungsmaterials geeigneten Vorrichtung wird das die versprühten Partikel aufladende elektrische Feld zwischen der geerdeten Absprühkante (6) eines Glockenzerstäubers (1) und zwei oder drei in einem bestimmten radialen Mindestabstand um den Glockenzerstäuber verteilten nadelförmigen Aussenelektroden (20) erzeugt, die an Hochspannung liegen. Hierbei lässt sich eine optimale Feldverteilung ohne die Notwendigkeit erreichen, den Glockenzerstäuber (1) und das Lackzuleitungssystem gegen Erde isolieren zu müssen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Bei einer aus der europäischen Patentschrift Nr. 0032391 bekannten Vorrichtung, die sich z.B. zum Lackieren von Fahrzeugkarosserien eignet, legt man den Sprühkopf an Hochspannung, um dadurch das die versprühten Beschichtungspartikel aufladende Feld zwischen dem Sprühkopf und dem geerdeten, zu beschichtenden Gegenstand zu erzeugen. Hierbei tritt das Problem auf, daß bei Verwendung eines Beschichtungsmaterials relativ guter Leitfähigkeit wie namentlich der sogenannten Wasserlacke der Isolationswiderstand über die den Sprühkopf mit dem Lackvorratssystem verbindende Leitung zu gering ist, wenn das Vorratssystem auf Erdpotential liegt.

[0003] Zur Lösung dieses Problems besteht die Möglichkeit, das gesamte Vorratssystem gegen Erde zu isolieren, was aber insbesondere dann unzweckmäßig ist, wenn das Vorratssystem wegen Farbwechselmöglichkeiten aus einer Vielzahl von Vorratsbehältern besteht. Abgesehen von dem beträchtlichen Isolationsaufwand kann ein umfangreiches Vorratssystem eine so erhebliche Kapazität haben, daß die entsprechende Ladeenergie (1/2 C.U²) in Hinblick auf die Gefahr explosionsartiger Entladungen am Sprühkopf zu groß wird. Eine solche Gefahr ist selbst bei Verwendung weitgehend lösungsmittelfreier Lacke nicht ganz auszuschließen. Ferner können auf dem hohen Potential liegende Behälter nicht ohne Abschalten der Spannung nachgefüllt werden, wenn man nicht hierfür aufwendige Zusatzeinrichtungen wie Zwischenbehälter od. dgl. vorsieht (vgl. DE-PS 29 00 660). Außerdem erfordern manche bekannte Systeme aufwendige, also unwirtschaftliche Hochspannungsquellen hoher Leistung.

[0004] Es ist auch bereits eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit einem geerdeten Rotationszerstäuber und mehreren an Hochspannung liegenden, um die Sprüheinrichtung verteilten äußeren Aufladeelektroden bekannt (US-PS 33 93 662). Bei einer wesentlichen radialen Sprühkomponente ist es jedoch sehr schwierig, die Sprüheinrichtung und die radial außerhalb des Sprühkopfes angeordneten Aufladeelektroden vor einer schnellen Verschmutzung durch die Farbpartikel zu bewahren, die nicht nur das elektrische Feld beeinträchtigen können, sondern etwa nach einem Farbwechsel auch den zu beschichtenden Gegenstand verunreinigen können, wenn sie sich später wieder lösen. Außerdem besteht die Gefahr eines wesentlich geringeren Auftragungswirkungsgrades als bei den üblichen Vorrichtungen mit auf Hochspannung liegendem Sprühkopf. Diese Probleme sind bei der bekannten Vorrichtung, die vier Aufladeelektroden hat, welche radial relativ nahe an dem im wesentlichen metallischen Gehäuse der Sprüheinrichtung angeordnet und axial relativ weit von der Ebene der Absprühkante zurückgesetzt sind, nicht gelöst.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für hochleitfähige Sprühstoffe ggf. häufig zu wechselnder Farbe geeignete Vorrichtung der in Rede stehenden Gattung zu schaffen, die einerseits geringen Isolierungsaufwand erfordert, andererseits guten Auftragungswirkungsgrad ohne eine zu aufwendige (d.h. wirtschaftlich ungünstige) Hochspannungsquelle ermöglicht und weitgehend eine Verschmutzung der das Aufladefeld erzeugenden Elektroden und der Sprüheinrichtung vermeidet.

[0006] Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst.

[0007] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es zur Lösung der gestellten Aufgabe nicht nur mehrerer unter Hochspannung stehender Außenelektroden bedarf, sondern vor allem einer optimalen Anordnung dieser Außenelektroden im Hinblick auf das Aufladefeld.

[0008] Durch die Erfindung wird ein optimaler Kompromiss zwischen gutem Auftragungswirkungsgrad (Verhältnis der Beschichtung zur abgesprühten Materialmenge), relativ niedrigem Betriebsstrom und minimaler Verschmutzung erreicht und zugleich eine gleichmäßige Feldverteilung am zu beschichtendem Gegenstand, d.h. eine gleichmäßige Beschichtung ermöglicht. Der Wirkungsgrad verbessert sich mit zunehmendem Radialabstand der Aufladeelektroden von der Sprühkopfachse, wobei zugleich der Betriebsstrom reduziert wird.

[0009] An einem in der Zeichnung im wesentlichen maßstabsgetreu dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.

[0010] Die dargestellte Vorrichtung enthält eine Sprühvorrichtung in Form eines Rotationszerstäubers 1 des bekannten Glockentyps, dessen den Sprühkopf bildender Glockenteller 2 vorzugsweise von einer Luftturbine mit hoher Drehzahl (z.B. 30000 U/min) angetrieben werden kann. Aus konstruktiven und fertigungstechnischen Gründen besteht die mit 3 bezeichnete Antriebs- und Lagerungseinheit des Rotationszerstäubers 1 im wesentlichen aus Metall.

[0011] Längs der Achse der Sprühvorrichtung verläuft eine das Lack- oder sonstige Beschichtungsmaterial von einem (nicht dargestellten) Vorratssystem dem Glockenteller 2 zuführende Leitung 4. Mit dieser beispielsweise durch ein geerdetes Metallrohr gebildeten Leitung 4 liegt das gesamte leitende Beschichtungsmaterial wie Wasserlack od. dgl. bis zur metallischen Farbdüse 5 und bis zur Absprühkante 6 des Glockentellers 2 auf Erdpotential. Mit der Leitung 4 ist die metallische Einheit 3 elektrisch verbunden.

[0012] Ebenfalls auf Erdpotential liegt der zu beschichtende Gegenstand (nicht dargestellt) wie beispielsweise ein Teil einer Fahrzeugkarosserie, der in einem axialen Abstand vor dem Glockenteller angeordnet wird.

[0013] Die Sprüheinrichtung kann ein ihre metallische Antriebs-und Laqerunqseinhei.t 3 umschließendes gesondertes Außengehäuse 7 aus einem geeigneten isolierenden Kunststoff, wie z.B. Polyäthylenterephtalat (PETP) od. dgl. aufweisen, das aus Montagegründen mehrteilig sein kann, wobei zwischen den aneinander angrenzenden Teilen 8 bzw. 9 des Gehäuses eventuell mit Isoliermasse gefüllte Nuten 10 vorgesehen sein können. Stattdessen kann das Außengehäuse an der mit 7 bezeichneten Stelle aber auch aus Metall, z.B. aus Aluminium bestehen (wobei sich ein etwas niedrigerer Betriebsstrom ergeben kann). Die Wahl des Außengehäuses 7 aus Metall oder Kunststoff hängt u.a. auch davon ab, ob die Sprüheinrichtung, also der Rotationszerstäuber 1 für sich allein verwendet wird oder aber in einer (nicht dargestellten) Anordnung aus einer Mehrzahl von Zerstäubern, die annähernd in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander liegen. Wenn die Achsen der Zerstäuber einen gegenseitigen Abstand haben, der

[0014] kleiner ist als ein gegebener Mindestwert, z.B. als das 15-fache des Durchmessers der Absprühkante, wobei die Gefahr einer Veschmutzung der Sprüheinrichtung oder ihrer Aufladeelektroden durch die jeweiligen Nachbar-Sprüheinrichtungen entsteht, sollte das Gehäuse 7 wenigstens an seinem axial vorderen Teil (z.B. bis zu dem in der Zeichnung erkennbaren radialen Absatz) aus Kunststoff bestehen.

[0015] Auch der Glockenteller 2 kann aus Kunststoff wie z.B. Acrylglas bestehen; in der Regel kann man aber einen üblichen Metallglockenteller verwenden,

[0016] Da die Sprüheinrichtung und der zu beschichtende Gegenstand auf Erdpotential liegen, muß das zum Aufladen des Beschichtungsmaterials erforderliche elektrische Feld durch an Hochspannung liegende äußere Aufladeelektroden 20 erzeugt werden. Darstellungsgemäß sind diese Außenelektroden jeweils am axial vorspringenden äußeren Schenkel 22 eines aus Kunststoff bestehenden; winkelförmigen Elektrodenhalters 21 montiert, dessen anderer Schenkel 23 wenigstens annähernd radial, vorzugsweise senkrecht vom Außengehäuse 7 absteht und an diesem über einen mit den Haltern 21 einstückig verbundenen Haltering 29 aus Kunststoff befestigt ist. Wie noch erläutert wird, sind bei dem dargestellten Beispiel nur drei Elektrodenhalter 21 vorgesehen, die mit gleichmäßigem gegenseitigen Abstand um die Sprüheinrichtung verteilt sind. Die Elektroden 20 selbst sind axial liegende Metallnadeln, zweckmäßig aus gehärtetem Stahl mit beispielsweise 1,2 mm Durchmesser, die so in einem in das vordere Ende des Schenkels 22 eingesetzten gesonderten Halteteil 24 sitzen, daß ihre Spitze wenigstens annähernd bündig mit dem axial vorderen Ende des Halteteils 24 abschließt. Dadurch ist die Gefahr einer Verschmutzung der Elektrode 20 auf ein Minimum herabgesetzt. Bei dem dargestellten Beispiel liegt nur die äußere Nadelspitze innerhalb einer kleinen Einsenkung im Halteteil 24 frei.

[0017] Statt der dargestellten Anordnung könnten die Aufladeelektroden 20 auch auf andere Weise in der erforderlichen Lage bezüglich des Glockentellers 2 gehalten werden.

[0018] Es müssen mindestens zwei und höchstens drei Elektroden 20 vorhanden sein. Während bei nur einer Elektrode das Feld und damit die Beschichtung stark asymetrisch wären, ferner in erheblichem Maße die Sprühglocke verschmutzt würde und außerdem nur ein geringer Auftragungswirkungsgrad erreicht werden könnte und diese Nachteile in allerdings wesentlich abgeschwächter Form auch bei zwei Elektroden noch beobachtet werden könnten, stellen drei Elektroden bei dem erwähnten Beispiel einer für sich allein verwendeten Sprüheinrichtung ein Optimum dar. Weitere Elektroden würden nur den Betriebsstrom erhöhen. Auch würde man z.B. bei Verwendung eines geschlossenen Metallringes als Außenelektrode anstelle der erfindungsgemäß verwendeten Einzelelektroden nur einen sehr geringen Auftragungswirkungsgrad und zugleich eine erhebliche Verschmutzung sowohl des Metallringes als auch der Sprühglocke feststellen.

[0019] Wenn sich die Sprüheinrichtung dagegen in einer gemeinsamen Anordnung mehrerer nebeneinander montierter Zerstäuber befindet, die einen kleineren als den oben definierten Mindestabstand haben und sich daher gegenseitig beschmutzen können, stellen nur zwei Elektroden pro Sprüheinrichtung das Optimum dar.

[0020] Wie schon erwähnt wurde, ist weiterhin ein optimaler radialer Abstand der Aufladeelektroden 20 von dem Glockenteller 2, d.h. von der Absprühkante 6 wichtig. Er soll wesentlich größer sein als der Durchmesser der Absprühkante. Bei dem dargestellten Beispiel hat sich das Zwei- bis Vierfache des Kantendurchmessers als zweckmäßig, das ungefähr Dreifache als optimal erwiesen. Bei Verwendung einer üblichen Sprühglocke (Ausflußrate in der Größenordnung von 120 cm³/min), deren Absprühkante einen Durchmesser von 66 mm hat, kann der radiale Abstand der Elektrode von der Glockenachse z.B. etwa 225 mm, betragen (d.h. 192 mm von der Kante 6). Bei zu geringem Abstand wird das Feld in der Nähe des zu beschichtenden Gegenstandes in unerwünschter Weise schwächer. Ein zu großer Abstand kann andererseits eine Verschmutzung der Elektroden oder des Sprühkopfes zur Folge haben.

[0021] Für eine günstige Feldverteilung ist es ferner zweckmäßig, die Spitzen der Aufladeelektroden 20 nicht vor der Absprühkantenebene (d.h. in Richtung zum zu beschichtenden Gegenstand) anzuordnen, sondern allenfalls in dieser Ebene und vorzugsweise hinter die Absprühkantenebene zurückgesetzt, und zwar um höchstens den halben radialen Abstand der Elektroden 20 von der Absprühkante 6, vorzugsweise weniger als 1/5 dieses Abstandes.

[0022] Bei dem oben erwähnten Beispiel kann die Zurücksetzung ungefähr 10-20 mm betragen oder bis ungefähr 1/10 des radialen Abstands der Elektroden 20 von der Absprühkante 6. Mit zunehmender Zurücksetzung wird der Betriebsstrom etwas kleiner, zugleich aber in stärkerem Maße der Auftragungswirkungsgrad reduziert.

[0023] Jede Aufladeelektrode 20 ist in Reihe mit einem hochohmigen Dämpfungswiderstand 25 (z.B. in der Größenordnung von 50 MOhm) an ein Hochspannungskabel 26 angeschlossen, das ohne Unterbrechung oder Kupplungsstelle durch den Elektrodenhalter 21 hindurch darstellungsgemäß zur Außenseite des Gehäuses 7 geführt ist. Von dort führt es ggf. über einen die jeweils anderen Elektroden 20 speisenden Verteiler zu der Hochspannungsquelle (nicht dargestellt). Das Potential der Hochspannungsquelle kann wie üblich negativ oder auch positiv sein und einen üblichen Wert haben, beispielsweise 75 kV. Der Dämpfungswiderstand 25 verhindert schnelle Stromänderungen und vermindert den Betriebsstrom (um ca. 10%) ohne spürbare Herabsetzung des Aufladewirkungsgrades.

[0024] Die drei von den Elektroden 20 kommenden Kabel 26 können jeweils unmittelbar am Fuße des zugehörigen Halters 21 aus dem Haltering 29 herausgeführt und an einer entfernten Stelle miteinander verbunden sein. Es ist aber auch möglich, die drei Kabel 26 nebeneinander in einem im Haltering 29 vorgesehenen (nicht dargestellten) Ringkanal wenigstens teilweise um den Gehäuseumfang herumzuführen und entweder im Ringkanal oder vorzugsweise in einem Zuführungsrohr ausserhalb des Halteringes 29 miteinander zu verbinden. Die Verbindungsstelle wird in diesem Fall in Vergußmasse eingebettet.

[0025] Zur Vermeidung einer Verschmutzung ist eine gesonderte Lenkeinrichtung erforderlich, die dem abgesprühten Beschichtungsmaterial eine zusätzliche axiale Bewegungskomponente in Richtung zum zu beschichtenden Gegenstand erteilt. Diese Lenkeinrichtung besteht beim dargestellten Beispiel zunächst aus Lenkluftkanälen 27, die radial außerhalb des Glockentellers 2 an einer dem zu beschichtenden Gegenstand zugewandten Fläche an einem axial hinteren Teil des Außengehäuses 7 münden. Die Achsen der Lenkluftkanäle 27 liegen in an sich bekannter Weise auf einem zu dem Zerstäuber konzentrischen Kreis mit einer Verteilung, die einem Winkelabstand zwischen 8° und 20° entsprechen soll. Ferner ist in der Stirnfläche des Gehäuses 7 eine zweite Anordnung von Lenkluftkanälen 27' vorgesehen, deren Achsen ebenfalls auf einen zum Zerstäuber konzentrischen Kreis liegen, dessen Durchmesser aber im Gegensatz zu den Kanälen 27 kleiner sein kann als derjenige der Absprühkante 6. Schließlich kann in der Nähe des axial vorderen Gehäuseendes noch eine dritte Ringanordnung von Lenkluftkanälen vorgesehen sein (nicht dargestellt), deren Ringdurchmesser wiederum größer ist als der Durchmesser der Absprühkante. Jede Kombination aus diesen drei möglichen Ringanordnungen kann zweckmäßig sein. Die Lenkluft kann in der Praxis zur Verringerung der Verschmutzungsgcfahr beitragen, auch bei der erwähnten Reihenanordnung mehrerer Zerstäuber.

[0026] Bei einem praktischen Versuch mit der in der beschriebenen Weise optimierten Vorrichtung zum Beschichten eines 300 mm vor der Absprühkante stehenden geerdeten Metallrohres mit Wasserlack (unter Lenkluft von 120 kPa = 1,2 bar) wurde derselbe Auftragungswirkungsgrad erzielt wie mit einem konventionellen Glockenzerstäuber mit unter Hochspannung stehender Glocke und Farbzuführung und entsprechender Isolierung. Dem Vorteil des Wegfalls dieser Isolierung stand lediglich ein etwas höherer Betriebsstrom gegenüber. Weder die Elektroden noch die Sprüheinrichtung wurden durch den Lack nennenswert verschmutzt, und wegen ihrer darstellungsgemäß zurückgesetzten Lage im Bereich geringer Feldstärke gilt dies auch für die Elektrodenhalter.

[0027] Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung war der Schenkel 23 des Elektrodenhalters 21 um einige Grad gegen die Senkrechte nach vorne geneigt. Hier war jedoch die Feldstärke an der Absprühkante etwas geringer, während das Feld im Bereich zwischen Elektrodenhalter und Glockenteller größer war als bei senkrechter Anordnung des Schenkels 23, so daß in diesem Bereich gelangende Lackteilchen entsprechend stärker zum Elektrodenhalter gelenkt wurden.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum elektrostatischen Beschichten von Gegenständen mit einem elektrisch leitfähigen Material, mit einer Sprüheinrichtung, die dem versprühten Material eine im wesentlichen radiale Bewegungskomponente erteilt, insbesondere einem Rotationszerstäuber;

mit einem den Sprühkopf (2) halternden Außengehäuse (7), das eine Leitung (4) umschließt, die das Beschichtungsmaterial von einem Vorratssystem einer Absprühkante (6)

am Sprühkopf (2) zuführt, wobei die das Beschichtungsmaterial zuführende Leitung (4) und das Material bis in den Sprühkopf (2) auf Erdpotential liegen;

mit radial um den Sprühkopf (2) mit gleichmäßigen gegenseitigen Winkelabständen verteilten Elektroden (20),

die zum Erzeugen eines das Beschichtungsmaterial aufladenden elektrischen Feldes an eine Hochspannungsquelle angeschlossen sind;

und mit einer gesonderten Lenkeinrichtung, die dem abgesprühten Beschichtungsmaterial eine zusätzliche axiale Bewegungskomponente in Richtung zum beschichteten Gegenstand erteilt, insbesondere in Form mindestens einer ringförmigen Anordnung um die Achse der Sprüheinrichtung verteilter Kanäle (27, 27'), aus denen ein Lenkgas strömt; dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand der Aufladeelektroden (20) von der Absprühkante (6) größer ist als der doppelte Durchmesser der Absprühkante (6).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderen Enden der Aufladeelektroden (20) axial um höchstens den halben radialen Abstand der Elektroden (20) von der Absprühkante (6) hinter die Ebene der Absprühkante (6) zurückgesetzt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur drei Aufladeelektroden (20) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anordnung aus einer Mehrzahl von Sprüheinrichtungen, die wenigstens annähernd in einer gemeinsamen Ebene nebeneinanderliegen und deren Achsen einen gegenseitigen Abstand von weniger als dem ₁₅-fachen Durchmesser der Absprühkante haben, jede Sprüheinrichtung nur zwei Aufladeelektroden hat.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladeelektroden (20) an je einem Elektrodenhalter (21) aus Kunststoff angeordnet sind, der einen axial hinter der Elektrode wenigstens annähernd radial vom Außengehäuse (7) abstehenden Teil (23) und einen axial vorspringenden Teil (22) hat, wobei der radiale Teil (23) länger ist als der axiale Teil (22).

6. Vorrichtung nach Anspruch ₅, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenhalter (21) mit einem zum Aufschieben auf das Gehäuse (7) dienenden Haltering (29) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladeelektroden (20) axial liegende Nadeln sind, die in einen Elektrodenhalter (21) aus Isoliermaterial eingesetzt sind, mit dessen axial vorderem Ende die Nadelspitze wenigstens annähernd bündig abschließt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder Aufladeelektrode (20) je ein Hochspannungskabel (26) geführt ist, welches durch den Elektrodenhalter (21) und dessen Haltering (29) hindurch bis nach außen ohne Unterbrechung verläuft.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Aufladeelektrode (20) ein hochohmiger Dämpfungswiderstand (25) vorgeschaltet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (7) der den Sprühkopf (2) haltenden Einheit wenigstens an seinem axial vorderen Teil bis in die Nähe der Elektrodenhalter (21) aus Isoliermaterial besteht.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kreises, auf dem die Achsen einer ringförmigen Anordnung von Lenkgaskanälen (27) liegen, größer ist als der Durchmesser der Absprühkante (6).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der folgenden drei ringförmigen Anordnungen von Lenkgaskanälen vorgesehen sind:

a) eine am vorderen, dem Sprühkopf (2) zugewandten Ende des Außengehäuses (7) befindliche Anordnung, deren Kreisdurchmesser größer ist als der Durchmesser der Absprühkante (6);

b) eine an einem axial hinteren Teil des Außengehauses (7) befindliche Anordnung, deren Kreisdurchmesser größer ist als der Durchmesser der Absprühkante (6);

c) eine Anordnung (27'), deren Kreisdurchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Absprühkante (6).

Zeichnung