AT523636B1 - Zerstäubungsvorrichtung für ein Beschichtungsmittel - Google Patents

Abstract

Es wird eine Zerstäubungsvorrichtung (1) für ein Beschichtungsmittel mit einem von einem Erreger (3) schwingungsbeaufschlagten Beschichtungsmittelträger beschrieben. Um Werkstücke auf ressourcenschonende Weise mit einer Beschichtung gleichmäßiger Dicke versehen zu können, wird vorgeschlagen, dass der Beschichtungsmittelträger eine mit einem Drehantrieb angetriebene Membran (2) ist, die vom Erreger (3) mit Schallwellen schwingungsbeaufschlagt ist.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Zerstäubungsvorrichtung für ein Beschichtungsmittel mit einem von einem Erreger schwingungsbeaufschlagten Beschichtungsmittelträger.

[0002] Aus der US4659014 ist eine Zerstäubungsvorrichtung für ein Beschichtungsmittel bekannt. Die Zerstäubungsvorrichtung weist einen Sondenkopf als Beschichtungsmittelträger auf, der mehrere mit einer Beschichtungsmittelzuleitung strömungsverbundene und umfangseitig am Sondenkopf verteilte Mündungsöffnungen aufweist. Das Beschichtungsmittel strömt von der Beschichtungsmittelzuleitung durch die Mündungsöffnungen und wird dadurch am Beschichtungsmittelträger verteilt. Der Beschichtungsmittelträger kann von einem Erreger mit Schwingungen beaufschlagt werden, wodurch sich das auf dem Beschichtungsmittelträger verteile Beschichtungsmittel als fein zerstäubte Beschichtungsmittelpartikel vom Beschichtungsmittelträger ablöst. Bei der aus der US4659014 bekannten Zerstäubungsvorrichtung ergibt sich allerdings der Nachteil, dass sich das Beschichtungsmittel unter anderem schwerkraftbedingt ungleichmäßig am Beschichtungsmittelträger verteilt, was verstärkt durch die Form des Sondenkopfes zu einem ungleichmäßigen Auftrag des Beschichtungsmittels auf einem zu beschichtenden Werkstück führt.

[0003] Um die Zerstäubung der Beschichtungsmittelpartikel zu beeinflussen sind aus dem Stand der Technik Hochgeschwindigkeitsrotationszerstäuber oder Zerstäuber mit Luftdüsen bekannt. Neben dem Nachteil, dass auch solche Vorrichtungen vor allem bei Dünnschichtlackierungen eine inhomogene Beschichtung erzeugen, da den Beschichtungsmittelpartikeln durch die Rotation bzw. durch die Luftdüsen ein ungleichmäßiges Strömungsprofil aufgeprägt wird, bedingen diese einen zusätzlichen Energie- und Betriebsmittelaufwand.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Zerstäubungsvorrichtung der eingangs geschilderten Art vorzuschlagen, mit welcher Werkstücke auf ressourcenschonende Weise mit einer Beschichtung gleichmäßiger Dicke versehen werden können.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Beschichtungsmittelträger eine mit einem Drehantrieb angetriebene Membran ist, die vom Erreger mit Schallwellen schwingungsbeaufschlagt ist. Zufolge dieser Maßnahmen wird das Beschichtungsmittel durch die beim Drehen der Membran entstehende Zentrifugalkraft gleichmäßig auf der Oberfläche der Membran verteilt. Da die Zentrifugalkraft nur zum Verteilen des Beschichtungsmittels, nicht aber zum Ablösen des Beschichtungsmittels eingesetzt wird, kann die Umdrehungsgeschwindigkeit verhältnismäßig klein gewählt werden, wodurch ein energiesparender Betrieb ermöglicht wird. Um eine gleichmäBige Verteilung des Beschichtungsmittels auf der gesamten Oberfläche der Membran zu erzielen, kann das Auftragen des Beschichtungsmittels vorzugsweise im Zentrum der Membran erfolgen. Durch die gleichmäßige Dicke des auf der Membran verteilten Beschichtungsmittels ist die zum Ablösen und Zerstäuben des Beschichtungsmittels benötigte Energie über die gesamte Oberfläche der Membran annähernd gleich. Der benötigte Energieeintrag erfolgt dabei durch einen Erreger, dessen erzeugte Schallwellen die Membran in Schwingung versetzen. Die Schallwellen pflanzen sich dabei vorzugsweise über die zwischen dem Erreger und der Membran befindliche Luft fort, weswegen zwischen Erreger und Membran ein einbaufreier Schallfortpflanzungskanal vorgesehen sein kann. Mit einbaufrei ist in diesem Zusammenhang gemeint, dass sich im Schallfortpflanzungskanal keine Einbauten befinden, die die Ausbreitung der vom Erreger erzeugten Schallwellen in negativer Weise beeinflussen. Dadurch, dass kein gesonderter Stelltrieb, wie beispielsweise eine Schubstange zwischen Erreger und Membran vorgesehen sein muss, kann die Membran besonders energiesparend in Schwingung versetzt und durch eine einfache Welle drehangetrieben werden. Obwohl grundsätzlich unterschiedliche Formen für die Membran vorgesehen sein können, ergeben sich konstruktive Vorteile, wenn die Membran kreisförmig ausgestaltet ist. Als Material für die Membran kann beispielsweise Gold vorgesehen sein, oder aber andere flexible und korrosionsbeständige Materialien. Als Erreger kann eine mit einem Verstärker verbundene Schallquelle dienen. Die so erzeugten Frequenzen können je nach Anwendungsfall im Hörfrequenzberiech des Menschen oder aber im Ultraschallbereich liegen.

[0006] Besonders günstige konstruktive Verhältnisse ergeben sich, wenn die Membran von einer

Mündungsöffnung einer Beschichtungsmittelzuleitung durchbrochen ist, die durch eine die Membran mit dem Drehantrieb verbindende Welle verläuft. Auf diese Weise kann zwischen der Membran und der übrigen Zerstäubungsvorrichtung eine einzige Verbindungsstelle, nämlich die Welle, vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Mündungsöffnung im Drehpunkt der Membran angeordnet, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Beschichtungsmittels als Folge der Rotation der Membran ermöglicht wird.

[0007] Strömungssimulationen und Lichtscheibenmikroskopieaufnahmen haben gezeigt, dass die sich vom Beschichtungsmittelträger lö6senden Beschichtungsmittelpartikel Verwirbelungen im Bereich zwischen Zerstäubungsvorrichtung und einem zu beschichtenden Werkstück erzeugen. Diese Verwirbelungen beeinflussen die Strömungsrichtung der darauffolgend abgelösten Beschichtungsmittelpartikel, was eine unregelmäßige Beschichtung des Werkstücks zur Folge hat. Um daher eine gegenseitige Beeinflussung von zeitlich nacheinander abgelösten Beschichtungsmittelpartikeln untereinander zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass die Membran einen Absaugkanal mit einem Absaugmembranabschnitt abschließt, der von Absaugöffnungen durchbrochen ist. Der Absaugkanal kann dabei mit einem Unterdruckreservoir strömungsverbunden sein. Wird der Absaugkanal mit einem Unterdruck beaufschlagt, so wird die mit unerwünschten Verwirbelungen versehene Luft durch die Absaugöffnungen in den Absaugkanal gesaugt, wodurch es zu einer Gleichrichtung bzw. Auflösung der Verwirbelungen kommt. Auf diese Weise stellen sich im Bereich oberhalb der Membran homogene Strömungsbedingungen ein, wodurch eine gleichmäßig dicke Beschichtung eines Werkstückes ermöglicht wird. Um dabei möglichst wenig Beschichtungsmittelpartikel einzusaugen, kann das Absaugen gepulst erfolgen. Zu diesem Zweck kann der Absaugkanal über ein schaltbares Ventil mit dem Unterdruckreservoir verbunden sein, beispielsweise über ein MEMS - (Micro-Electro-Mechanical System) Ventil, Servo - Ventil, oder Drehventil. Die durch den Unterdruck erzeugte Energie liegt vorzugsweise unter der kinetischen Energie der von der Membran abgelösten und dadurch beschleunigten Beschichtungsmittelpartikel, um ein Einsaugen dieser weitgehend zu vermeiden. Bei einer runden Membran haben sich tangential zur runden Membran verlaufende Längsschlitze als Absaugöffnungen als besonders geeignet erwiesen. Für eine gleichmäßige Absaugung können mehrerer Absaugmembranabschnitte vorgesehen sein, welche gleichmäßig über die Membran verteilt sind.

[0008] Damit ein Eindringen des Beschichtungsmittels in die Absaugöffnungen beim Verteilen des Beschichtungsmittels durch die Drehbewegung der Membran vermieden werden kann, kann zwischen dem Absaugmembranabschnitt und der übrigen Membranfläche eine Stufe zum Rückhalten des aus der Mündungsöffnung austretenden Beschichtungsmittel vorgesehen sein. Beim Drehen der Membran kann das aus der Mündungsöffnung tretende Beschichtungsmittel nicht das gegenüber der restlichen Membran erhöhte Niveau der Stufe passieren. Dabei spielt es keine Rolle, ob der absaugmembranabschnitt das Höhenniveau der übrigen Membran oder der Stufe aufweist. Ist der für das Beschichtungsmittel vorgesehene Teil zwischen zwei Absaugmembranabschnitten und somit zwischen zwei Stufen angeordnet, so wird das Verteilen des Beschichtungsmittels durch den sich zwischen den zwei Stufen einstellenden Kapillareffekt begünstigt, sodass bereits geringe Drehzahlen der Membran für ein Verteilen des Beschichtungsmittels über die dafür vorgesehene Membranfläche genügen.

[0009] Im Sinne einer kompakten Ausführung kann die Welle zum Drehantreiben und zur Beschichtungsmittelversorgung durch den Absaugkanal verlaufen und vorzugsweise konzentrisch in diesem angeordnet sein.

[0010] Um eine weitgehend gleichmäßige Schallausbreitung ausgehend vom Erreger zur Membran zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Welle konzentrisch durch den Erreger verläuft. Die Hohlwelle kann dabei so ausgeführt sein, dass sie von den durch den Erreger erzeugten Schallwellen nicht oder kaum in Schwingung versetzt wird, sodass sich der Schall vorwiegend im von der Welle durchsetzten Absaug- und Schallfortpflanzungskanal ausbreitet und anschließend die Membran mit Schwingungen beaufschlagt.

[0011] Damit die Zerstäubungsvorrichtung auch große Flächen gleichmäßig beschichten kann, ohne dabei durch materialbedingte Dimensionierungsgrenzen eingeschränkt zu sein, kann ein

Beschichtungskopf mit mehreren Zerstäubungsvorrichtungen vorgesehen sein, wobei die Zerstäubungsvorrichtungen matrixförmig nebeneinander angeordnet sind, und wobei die Membranen in einer gemeinsamen Trägerebene liegen. Dadurch können die Zerstäubungsvorrichtungen selbst einheitlich ausgelegt und gefertigt sein und je nach Bedarf der Beschichtungskopf an die Anforderungen des zu beschichtenden Werkstücks angepasst werden. Damit über den gesamten Beschichtungskopf gleichmäßige Beschichtungsbedingungen erzielt werden können, liegen die Membranen in einer gemeinsamen Trägerebene.

[0012] Um sicherzustellen, dass sich die im Beschichtungskopf angeordneten Zerstäubungsvorrichtungen nicht in negativer Weise gegenseitig beeinflussen, empfiehlt es sich in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Beschichtungskopfes, dass zwischen den einzelnen Zerstäubungsvorrichtungen über die Trägerebene vorragende Blendiamellen vorgesehen sind. Die einzelnen Zerstäubungsvorrichtungen sind demnach durch die Blendlamellen von den benachbarten Zerstäubungsvorrichtungen abgegrenzt, wodurch sich die jeweiligen Strömungsbedingungen im Bereich der Zerstäubungsvorrichtungen nicht gegenseitig beeinflussen können. Darüber hinaus ergeben sich definierte, voneinander abgegrenzte Bereiche für die abgegebenen Beschichtungsmittelpartikel, sodass es auch im Übergangsbereich zwischen zwei Zerstäubungsvorrichtung zu keiner vergrößerten Beschichtungsmitteldicke auf dem zu beschichtenden Werkstück kommt.

[0013] Die beschriebene Vorrichtung kann in einem Verfahren, wobei die Membran zum Verteilen des Beschichtungsmittels um eine Rotationsachse gedreht und in Richtung der Rotationsachse mit Schallwellen schwingungsbeaufschlagt wird, betrieben werden. Durch die Trägheit des auf der Membran verteilten Beschichtungsmittels löst sich dieses durch die Anderung der Schwingungsrichtung der Membran als fein zerstäubte Beschichtungsmittelpartikel. Dadurch, dass das Ablösen der Beschichtungsmittelpartikel aufgrund der durch die Schallwellen erzeugte Vibration in der Membran forciert wird und nicht durch die Zentrifugalkraft, wie dies beispielsweise bei Rotationszerstäubern der Fall ist, können die Winkelgeschwindigkeiten der Membran niedrig gewählt sein. Es muss demnach nur einer Verteilung des Beschichtungsmittels auf der Membran, nicht aber ein zentrifugalkraftbedingtes Lösen des Beschichtungsmittels gewährt sein. Es genügen beispielsweise Winkelgeschwindigkeiten, welche zwischen einschließlich 90% und einschließlich 400% der kritischen Winkelgeschwindigkeit wer liegen, wobei g die Feldstärke des Gravitationsfeldes auf der Erdoberfläche und R der Radius der Membran ist:

£ Wer = R

[0014] Bei einer Membran mit etwa 2,5 cm Durchmesser ergeben sich somit Drehzahlen der Membran von unter 1000 Umdrehungen pro Minute, während bei gängigen Rotationszerstäubern Drehzahlen zwischen 10000 und 30000 Umdrehungen pro Minute benötigt werden. Durch die geringen Drehzahlen ist das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich energieschonender.

[0015] Um sowohl möglichst ressourcenschonende als auch gleichmäßige Beschichtungsbedingungen zu schaffen, kann zwischen dem auf ein erstes Schwingungsmaximum folgenden Wendepunkt und dem nächsten Schwingungsmaximum der Schallwellen der Absaugkanal mit einem Unterdruck beaufschlagt werden. Durch das Anlegen eines Unterdruckes kommt es im Ablösebereich oberhalb der Membran zu einer Gleichrichtung der dort vorherrschenden Verwirbelungen und damit zu einer Unterbindung der von den Verwirbelungen erzeugten Strömungsrichtungsänderungen der abgelösten Beschichtungsmittelpartikel. Um dabei möglichst wenige bereits von der Membran abgelöste Beschichtungsmittelpartikel einzusaugen, wird der Absaugkanal nicht dauerhaft mit Unterdruck beaufschlagt, sondern nur zu einem bestimmten Zeitintervall, nämlich dann, wenn sich möglichst wenig Beschichtungsmittelpartikel geringer kinetischer Energie in unmittelbarer Nähe des Absaugmembranabschnittes befinden. Das hierfür geeignete Zeitintervall liegt zwischen dem auf ein erstes Schwingungsmaximum folgenden Wendepunkt und dem nächsten Schwingungsmaximum der Schallwellen. Vorzugsweise kann die Unterdruckbeaufschlagung in einem Zeitintervall erfolgen, das im Bereich des Schwingungsminimums der Schall-

wellen liegt. Die Unterdruckbeaufschlagung wird dabei bevorzugt in jeder Schwingungsperiode wiederholt, wobei sich die Ablösung von Beschichtungsmittelpartikeln von der Membran und das Beaufschlagen des Absaugkanals mit Unterdruck abwechseln.

[0016] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

[0017] Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung,

[0018] Fig. 2 einen Beschichtungskopf mit mehreren Zerstäubungsvorrichtungen in einem kleineren Maßstab,

[0019] Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch einen Beschichtungskopf der Fig. 2 in einem größeren Maßstab und

[0020] Fig. 4 ein Diagramm mit einer schematischen Schwingungskurve der vom Erreger erzeugten Schallwelle und mit einem Steuersignal für ein Schaltventil.

[0021] Eine erfindungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung 1 für ein Beschichtungsmittel, beispielsweise Flüssiglack, weist, wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, eine Membran 2 als Beschichtungsmittelträger auf. Die Membran 2 kann dabei von einem Erreger 3 durch Schallwellen mit Schwingungen beaufschlagt werden, wodurch sich das auf dem Beschichtungsmittel befindliche Beschichtungsmittel von der Membran 2 ablöst. Um eine gleichmäßige Verteilung des Beschichtungsmittels auf der Membran 2 und damit eine homogene Beschichtung eines zu beschichtenden Werkstückes zu ermöglichen, ist die Membran 2 mit einem Drehantrieb verbunden.

[0022] Die Rotation der Membran 2 dient demnach zur Verteilung des Beschichtungsmittels und nicht zum Ablösen der Beschichtungsmittelpartikel von der Membran 2, weswegen geringe Drehzahlen eingesetzt werden können und somit ein energieschonender Betrieb ermöglicht wird.

[0023] Die Membran 2 kann über eine Welle 4 mit dem Drehantrieb verbunden sein, wobei durch die Welle 4 eine Beschichtungsmittelzuleitung 5 (Fig. 3) verläuft, deren Mündungsöffnung 6 die Membran 2 durchbricht.

[0024] Wie in den Figs. 1 und 3 dargestellt ist, kann die Membran 2 einen Absaugmembranabschnitt 7 umfassen, der von Absaugöffnungen 8 durchbrochen ist und einen Absaugkanal 9 abschließt. Der Absaugkanal 9 kann über ein für den Fachmann bekanntes schaltbares Ventil mit einem nicht näher dargestellten Unterdruckreservoir verbunden sein. Durch das gepulste Anlegen des Unterdruckes kommt es im Ablösebereich der Membran 2 zu einer Gleichrichtung der Luftströmung und damit zu einer Auflösung der dort vorherrschenden Verwirbelungen, wodurch unerwünschte Strömungsrichtungsänderungen der abgelösten Beschichtungsmittelpartikel reduziert werden können.

[0025] Damit ein Einströmen des auf der Membran 2 verteilten Beschichtungsmittels in die Absaugöffnungen 8 verhindert werden kann, ist zwischen dem Absaugmembranabschnitt 7 und der übrigen Membranfläche 10 eine Stufe 11 (Fig. 1) vorgesehen, welche das aus der Mündungsöffnung 6 austretende Beschichtungsmittel zurückhält und diesem somit eine Strömungsbahn vorgibt.

[0026] In einer besonders kompakten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Welle 4 durch den Absaugkanal 9 und konzentrisch durch den Erreger 3 verlaufen.

[0027] Die Fig. 2 zeigt einen Beschichtungskopf 12 mit mehreren Zerstäubungsvorrichtungen 1, wobei diese matrixförmig nebeneinander angeordnet sind. Die Zerstäubungsvorrichtungen 1 sind dabei so angeordnet, dass deren Membranen 2, wie in der Fig. 3 offenbart, in einer gemeinsamen Trägerebene liegen. Die Absaugkanäle 9 der jeweiligen Zerstäubungsvorrichtungen 1 können in einem gemeinsamen Mündungskanal 13 zusammenlaufen.

[0028] Die einzelnen benachbarten Zerstäubungsvorrichtungen 1 können durch Blendlamellen 14, welche über die Trägerebene der Membranen 2 vorragen, voneinander abgegrenzt sein. Dadurch ergeben sich definierte, voneinander abgegrenzte Bereiche für die abgegebenen Beschichtungsmittelpartikel, wodurch eine gegenseitige Beeinflussung der Strömungsbedingungen

verhindert werden kann.

[0029] Fig. 4 zeigt schematisch die Amplitude A der Schwingung 15 der vom Erreger 3 erzeugten Schallwellen und damit die Schwingung 15 der Membran 2 über die Zeit aufgetragen. Des Weiteren ist das Steuersignal 16 zum Öffnen eines Schaltventils zum Beaufschlagen des Absaugkanals 9 mit einem Unterdruck dargestellt. Um möglichst wenige Beschichtungsmittelpartikel in den Absaugkanal 9 einzusaugen, wird der Absaugkanal 9 durch Ansteuern und damit Öffnen und Schließen des Schaltventils zeitlich zwischen dem auf ein erstes Schwingungsmaximum 17 folgenden Wendepunkt 18 und dem nächsten Schwingungsmaximum 19 der Schallwellen beaufschlagt. Vorzugsweise kann die Unterdruckbeaufschlagung in einem Zeitintervall erfolgen, das im Bereich des Schwingungsminimums 20 der Schallwellen liegt.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Zerstäubungsvorrichtung (1) für ein Beschichtungsmittel mit einem von einem Erreger (3) schwingungsbeaufschlagten Beschichtungsmittelträger, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsmittelträger eine mit einem Drehantrieb angetriebene Membran (2) ist, die vom Erreger (3) mit Schallwellen schwingungsbeaufschlagt ist.

2. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) von einer Mündungsöffnung (6) einer Beschichtungsmittelzuleitung (5) durchbrochen ist, die durch eine die Membran (2) mit dem Drehantrieb verbindende Welle (4) verläuft.

3. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) einen Absaugkanal (9) mit einem Absaugmembranabschnitt (7) abschließt, der von Absaugöffnungen (8) durchbrochen ist.

4. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Absaugmembranabschnitt (7) und der übrigen Membranfläche (10) eine Stufe (11) zum Rückhalten des aus der Mündungsöffnung (6) austretenden Beschichtungsmittel vorgesehen ist.

5. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (4) durch den Absaugkanal (9) verläuft.

6. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (4) konzentrisch durch den Erreger (3) verläuft.

7. Beschichtungskopf (12) mit mehreren Zerstäubungsvorrichtungen (1) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsvorrichtungen (1) matrixförmig nebeneinander angeordnet sind, wobei die Membranen (2) in einer gemeinsamen Trägerebene liegen.

8. Beschichtungskopf (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Zerstäubungsvorrichtungen (1) über die Trägerebene vorragende Blendlamellen (14) vorgesehen sind.

9. Verfahren zum Betrieb einer Zerstäubungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) zum Verteilen des Beschichtungsmittels um eine Rotationsachse gedreht und in Richtung der Rotationsachse mit Schallwellen schwingungsbeaufschlagt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem auf ein erstes Schwingungsmaximum (17) folgenden Wendepunkt (18) und dem nächsten Schwingungsmaximum (19) der Schallwellen der Absaugkanal (9) mit einem Unterdruck beaufschlagt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen