Verfahren und Einrichtung zum elektrophoretischen Beschichten eines Gegenstandes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektro- phoretischen Beschichten eines Gegenstandes, bei wel chem die zu beschichtende Oberfläche in einem elek trischen Feld einer das Beschichtungsmaterial enthal tenden Elektrophorese-Flüssigkeit ausgesetzt ist sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Um auf metallischen Gegenständen garantiert poren freie Überzüge zu erhalten, werden in letzter Zeit elek- trophoretische Beschichtungs- bzw. Lackierverfahren angewendet.
Bei den bekannten Verfahren wird das zu beschich tende Stück als Anode in ein Bad eingehängt, welches die gewünschten Bindemittel und Pigmente in wässriger Lösung bzw. Dispersion enthält. Als Kathode werden üblicherweise die Badwandungen benützt. Beim Anlegen einer Gleichspannung wandert das anionische Binde mittel-Pigment-Gemisch zur Anode, also zum zu be schichtenden Werkstück, wo es koaguliert und gleich zeitig durch den elektrischen Strom auf die. Unterlage gleichsam aufgepresst wird.
Durch das Koagulieren an der Anode verliert das Bindemittel-Pigment-Gemisch seine Wasserlöslichkeit, so dass das beschichtete Werk stück sofort nach der Beschichtung, also vor der Trock nung, ohne weiteres mit Wasser abgespült werden kann. Hierdurch wird erreicht, dass etwa vorhandene Kationen sowie noch nicht koagulierte Anionen abgespült wer den und den fertigen überzugsfilm nicht beeinträch tigen.
Die angelegte Spannung variiert zwischen 30 und 250 Volt und die Stromdichte bewegt sich zwischen 20 und 100 A/m2. Eine Eintauchzeit von 2 bis 3 Mi nuten reicht aus, um eine Filmdicke von 20 bis 30,u zu erhalten. Grössere Schichtdicken zu erreichen, ist praktisch unmöglich, da der sich abscheidende Film als Isolator wirkt. Solange noch eine Pore offen ist, fliesst ein elektrischer Strom zu dieser Stelle, so dass auch dort die Ablagerung des Beschichtungsmaterials erfolgt.
Der Stromfluss hört gänzlich auf, wenn die ganze zu beschichtende Fläche mit dem Überzugsmate- rial vollständig und dicht bedeckt ist. Völlig einwandfreie Überzüge bedürfen d:r Einhal tung verschiedener Massnahmen und Arbeitsbedingungen.
Eine Voraussetzung ist, dass die gesamte zu be schichtende Oberfläche in das Bad eintaucht und mit der Badflüssigkeit auch Kontakt hat. Bei stark geform ten Gegenständen mit schmalen und tiefen Einbuch tungen, in welchen sich leicht Luft- oder Gaseinschlüsse bilden können, ist dies oft nur mit grossen Schwierig keiten zu erreichen. Es kann deshalb leicht vorkommen, dass die zum Eintauchen benötigte Zeit wesentlich grö sser ist als die B-eschichtungszeit, was sich insbesondere bei Fliessbandproduktion unangenehm bemerkbar ma chen kann.
Wichtig ist, dass in der Badflüssigkeit keine Ent mischung stattfindet. Da jedoch das in einer Richtung wirkende elektrische Feld eine Entmischung fördert, sind zur Vermeidung derselben Vorkehrungen uner lässlich.
Ferner muss die Badzusammensetzung erhalten blei ben. Während der Abscheidung entstehen Kationen, in den meisten Fällen als Ammoniak, und es ist er forderlich, dass diese anfallenden Kationen so rasch als möglich aus dem Bad entfernt werden.
Zur Vermeidung einer Entmischung und um die Kationen aus dem Bad zu entfernen, wird üblicher weise die Badflüssigkeit ständig in Bewegung gehalten. Die Durchmischung kann jedoch nur mit äusserster Vor sicht erfolgen, da sonst die Wanderung der recht schweren, bereits makromolekularen Kunststoff-Anio- nen praktisch unterbunden würde. Bei grossen und sehr grossen Bädern ist deshalb die Durchmischung oft nicht ausreichend, so dass fehlerhafte Beschichtungen auftreten.
Bekanntlich wird bei der Elektrophorese auch Wärme erzeugt. Für einwandfreie Beschichtungen ist jedoch eine einigermassen konstante Badtemperatur er forderlich. Da die Badflüssigkeit nur sehr vorsichtig durchmischt werden kann, ist die Konstanthaltung ihrer Temperatur oft schwierig. Diese Schwierigkeiten werden natürlich mit zuneh mendem Badvolumen grösser und es erweist sich, dass die bisher erforderlichen grossen Bäder einen der Haupt nachteile der bekannten Verfahren darstellen.
Zwischen der Kathode, die in den meisten Fällen gleichzeitig Wandung des Tauchbeckens ist, und den zu beschich tenden Stücken soll im allgemeinen ein Abstand von mindestens 30 cm bestehen. Dies bedeutet, dass das Bad mindestens 60 cm breiter, 60 cm länger und 30 cm tiefer sein muss als die Abmessungen der grössten in ihm zu beschichtenden Gegenstände.
Für Stücke im Ausmass von 100 X 100 X 200 cm ist demnach bereits ein Badvolumen von über 5000 Liter Inhalt notwendig. In der Automobilindustrie arbeitet man aber bereits heute mit Bädern, die mehr als das Zehnfache dieses Volumens enthalten. Bäder mit einem so grossen Lack inhalt stellen einen beachtlichen Wert dar, und es ist offensichtlich, dass sich nur sehr grosse Firmen eine solche Anlage erlauben können.
Für kleinere Unter nehmen und vor allem dort, wo mit mehreren ver schiedenen Lacken gearbeitet werden muss, kommt da her die; Anwendung der bisher üblichen elektrophore- tischen Verfahren aus finanziellen Erwägungen nicht in Frage.
Zweck der Erfindung ist, ein elektrophoretisches Beschichtungsverfahren anzugeben, bei welchem zur Beschichtung auch von grossen Gegenständen wesent lich geringere Lackmengen erforderlich sind als bisher, bei welchem ein guter Kontakt zwischen Badflüssigkeit und Gegenstand gewährleistet und bei welchem eine ausreichende Durchmischung; Entfernung der Kationen aus der Badflüssigkeit und Konstanthaltung der Rad temperatur mit einfachen Mitteln möglich ist.
Das er findungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche mittels mindestens eines über die Gegenelektrode fliessenden Strahles der Elektrophorese-Flüssigkeit überflutet wird. Die abflie ssende Elektrophorese-Flüssigkeit kann gesammelt und nach Entzug der angefallenen Kationen, Regeneration und Temperaturregulierung erneut der zu beschichten den Oberfläche zugeführt werden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch eine beispielsweise Vorrichtung für die Durchführung des Elektrophoreseverfahrens dargestellt.
Der zu beschichtende Gegenstand, z. B. ein Werk stück 1, wird wie üblich auf einer Transportschiene 2 zur Beschichtungsstelle herangebracht. Das Werk stück 1 ist über ihre Aufhängung 4 und die Leitung 5 mit der positiven Klemme eines Gleichstromaggregates 3 verbunden. An der Beschichtungsstelle sind mehrere Düsen, von welchen in der Zeichnung der übersicht- lichkeit wegen nur die beiden Düsen 8a und 8b dar gestellt sind, so angeordnet, dass die aus ihnen aus tretende Elektrophorese-Flüssigkeit mindestens die zu beschichtende Oberfläche des Werkstückes 1 vollstän dig überflutet.
Das Werkstück 1 ist von einem Draht geflecht 6 umgeben, welches über die Leitung 7 mit der negativen Klemme des Gleichstromaggregates 3 verbunden ist und zweckmässig in groben Zügen die Form des Werkstückes aufweist. Die aus den Düsen 8a, 8b austretenden Flüssigkeitsstrahlen 9a, 9b passie ren das Drahtgeflecht 6, bevor sie zum Werkstück 1 gelangen. Auf diese Weise wird nicht nur der für die Elektrophorese nötige Stromkreis erhalten, sondern es wird darüber hinaus erreicht, dass sich die Kunststoff- Anionen trotz der relativ starken Flüssigkeitsbewegung zur Anode hin bewegen müssen.
Die abfliessende Flüs sigkeit wird in einem Behälter 22 aufgefangen und von da über eine Sammelleitung 10 einer Pumpe zugeführt. In die Sammelleitung 10 ist zweckmässig eine Ent- gasungsvorrichtung 12 üblicher Bauart und in besonde ren Fällen eine Vorrichtung zur Entfernung der während der Elektrophorese anfallenden Kationen eingeschaltet.
Die Vorrichtung zur Entfernung der Kationen ist im allgemeinen nicht erforderlich, wenn die Kationen als Ammoniak anfallen, da dieser zum grössten Teil wegen der starken Flüssigkeitsbewegung bereits vor deren Auf fangen entweicht und der Rest bei der Entgasung der Elektrophorese-Flüssigkeit entfernt wird.
Die gesammelte, von Kationen freie und entgaste Elektrophorese-Flüssigkeit wird von der Pumpe 11 über eine Versorgungsleitung 16 den Düsen 8a, 8b zugeführt, so dass ein Flüssigkeitskreislauf entsteht.
Bei diesem Kreislauf werden normalerweise Flüssig keitsverluste auftreten. Zum Ausgleich dieser Verluste kann der Pumpe 11 aus einem Reservetank 15 über eine Leitung 14 und ein gesteuertes Ventil 13 Elektro- phorese-Flüssigkeit zugeführt werden.
Hauptsächlich bei kleineren umgepumpten Flüssig keitsmengen wird der Gehalt an Bindemittel rasch ab sinken und die Salzionenkonzentration zunehmen und sich damit der pH-Wert ändern. Die Regelung des Bindemittelgehaltes kann beispielsweise über eine Be stimmung der Viskosität der Elektrophorese-Flüssigkeit erfolgen. Hierzu geeignete Vorrichtungen sind z. B. die unter der Bezeichnung Viskositaten bekannten Geräte.
Für die Regelung des pH-Wertes kann eine aus der Vielzahl der bekannten und hierzu geeigneten Vor richtungen ausgewählt werden. Solche Geräte in den Flüssigkeitskreislauf einzubauen, stösst auf keinerlei Schwierigkeiten. So kann beispielsweise, wie in der Zeichnung schematisch dargestellt, die Versorgungs leitung 16 einen solchen Viscostaten 17 und/oder eine Vorrichtung 18 zur Steuerung des pH-Wertes enthalten.
Einerseits wird sowohl bei der Elektrophorese als auch in der Pumpe Wärme erzeugt, anderseits wird Wärme über das Leitungssytem abgeführt, so dass die aus den Düsen 8a, 8b austretende Flüssigkeit nicht die richtige Temperatur aufweisen wird. Zur Regelung der Flüssigkeitstemperatur ist deshalb im Kreislauf ein Thermostat 19 vorgesehen.
Schliesslich können in den zu den einzelnen Düsen 8a, 8b führenden Zweigleitungen 20a, 20b noch den Flüssigkeitsdruck und die Durchflussmenge regulierende Ventile 21a, 21b vorgesehen sein, so dass aus den Düsen 8a, 8b stets eine regenerierte, d. h. den rich tigen pH-Wert und Gehalt an Bindemittel sowie die vorgeschriebene Temperatur aufweisende und entgaste Elektrophorese-Flüssigkeit unter optimalem Druck und in ausreichender Menge austritt.
Die im Prinzip beschriebene Vorrichtung kann den jeweiligen Bedürfnissen leicht angepasst werden. Wichtig ist z. B. wie bereits erwähnt, dass das zu beschichtende Werkstück von der Elektrophorese-Flüssigkeit lückenlos überspült wird. Dies ist durch Anordnung einer Mehr zahl von Düsen, welche die Flüssigkeit an das Werk stück aus verschiedenen Richtungen und in verschie denen Strahlformen, wie z. B. dünne Strahlen für tiefe Einbuchtungen, breite Flachstrahlen für ebene Flächen usw., heranbringen auf einfachste Weise sichergestellt.
Eine universell verwendbare Anlage wird zweckmässig eine Vielzahl einzeln an die Versorgungsleitung anschliess- barer und in ihrer Abstrahlrichtung einstellbarer Düsen mit auswechselbaren Düsenköpfen aufweisen. Auch die Form des als Gegenelektrode dienenden Drahtgeflechtes 6 kann leicht den jeweiligen optimalen Bedingungen angepasst werden. Insbesondere können einige oder alle Düsen einzeln mit einer geeignet geformten Gegen elektrode ausgestattet sein.
Durch das Umpumpen und Überspülen des Werk stückes ist die Elektrophorese-Flüssigkeit stets in relativ starker Bewegung gehalten, so dass sowohl eine Ent mischung verhindert als auch die Entfernung der meist als Gas auftretenden Kationen gewährleistet wird.
Ein besonderer Vorteil ist jedoch, dass selbst zur Beschichtung grösster Werkstücke Flüssigkeitsmengen von nur 50 bis wenigen Hundert Litern ausreichen, so dass das elektrophoretische Beschichten wesentlich billiger und damit allgemeiner anwendbar wird als bis her. Auch können beliebige Farbnuancen ohne grosse Verluste nach kurzem Spülen des Pumpenkreislaufes eingesetzt werden.
Nicht unbedeutend ist ferner noch die Möglichkeit der vollständigen Automation des Beschichtungsvorgan- ges und die Anpassungsfähigkeit des Verfahrens bzw. der Einrichtung an die jeweils gegebene Fliessband produktion.
Method and device for electrophoretic coating of an object The invention relates to a method for electrophoretic coating of an object, in which the surface to be coated is exposed to an electrophoresis liquid containing the coating material in an electrical field, and a device for carrying out this method .
In order to obtain guaranteed pore-free coatings on metallic objects, electrophoretic coating and painting processes have been used recently.
In the known processes, the piece to be coated is hung as an anode in a bath which contains the desired binders and pigments in aqueous solution or dispersion. The bath walls are usually used as the cathode. When a direct voltage is applied, the anionic binder-pigment mixture migrates to the anode, i.e. to the workpiece to be coated, where it coagulates and at the same time due to the electric current on the. Pad is pressed on as it were.
As a result of the coagulation at the anode, the binder-pigment mixture loses its solubility in water, so that the coated workpiece can be rinsed off with water immediately after coating, i.e. before drying. This ensures that any cations present and anions that have not yet been coagulated are rinsed off and do not impair the finished coating film.
The applied voltage varies between 30 and 250 volts and the current density is between 20 and 100 A / m2. An immersion time of 2 to 3 minutes is sufficient to obtain a film thickness of 20 to 30 µ. Achieving greater layer thicknesses is practically impossible because the film that is deposited acts as an insulator. As long as a pore is still open, an electric current flows to this point, so that the coating material is deposited there too.
The current flow stops completely when the entire surface to be coated is completely and tightly covered with the coating material. Completely perfect coatings require compliance with various measures and working conditions.
A prerequisite is that the entire surface to be coated is immersed in the bath and also has contact with the bath liquid. In the case of strongly shaped objects with narrow and deep indentations in which air or gas inclusions can easily form, this can often only be achieved with great difficulty. It can therefore easily happen that the time required for immersion is significantly greater than the coating time, which can be uncomfortably noticeable, especially in assembly line production.
It is important that no segregation takes place in the bath liquid. However, since the electric field acting in one direction promotes segregation, the same precautions are essential to avoid the same.
Furthermore, the bath composition must be retained. During the deposition, cations are formed, in most cases as ammonia, and it is necessary that these cations are removed from the bath as quickly as possible.
To avoid segregation and to remove the cations from the bath, the bath liquid is usually kept in constant motion. However, thorough mixing can only take place with extreme caution, since otherwise the migration of the very heavy, already macromolecular plastic anions would practically be prevented. In large and very large baths, the mixing is therefore often insufficient, so that defective coatings occur.
It is well known that electrophoresis also generates heat. However, a fairly constant bath temperature is necessary for perfect coatings. Since the bath liquid can only be mixed very carefully, it is often difficult to keep its temperature constant. These difficulties are of course greater with increasing bath volume and it turns out that the large baths required so far represent one of the main disadvantages of the known methods.
There should generally be a distance of at least 30 cm between the cathode, which in most cases is also the wall of the dip tank, and the pieces to be coated. This means that the bath must be at least 60 cm wider, 60 cm longer and 30 cm deeper than the dimensions of the largest objects to be coated in it.
For pieces measuring 100 X 100 X 200 cm, a bath volume of over 5000 liters is necessary. In the automotive industry, however, people are already working with baths that contain more than ten times this volume. Baths with such a large amount of paint are of considerable value, and it is obvious that only very large companies can afford such a system.
For smaller companies and especially where you have to work with several different paints, that's where the; Use of the electrophoretic methods customary up to now is out of the question for financial reasons.
The purpose of the invention is to provide an electrophoretic coating process in which, for the coating of large objects, significantly smaller quantities of paint are required than before, in which good contact between the bath liquid and the object is ensured and in which sufficient mixing; Removal of the cations from the bath liquid and keeping the wheel temperature constant is possible with simple means.
The method according to the invention is characterized in that the surface to be coated is flooded by means of at least one jet of the electrophoresis liquid flowing over the counter electrode. The outflowing electrophoresis liquid can be collected and, after removal of the cations that have accumulated, regeneration and temperature regulation, fed back to the surface to be coated.
For a more detailed explanation of the invention, an example device for carrying out the electrophoresis process is shown schematically in the drawing.
The object to be coated, e.g. B. a work piece 1 is brought as usual on a transport rail 2 to the coating point. The work piece 1 is connected to the positive terminal of a DC generator 3 via its suspension 4 and the line 5. At the coating point, several nozzles, of which only the two nozzles 8a and 8b are shown in the drawing for the sake of clarity, are arranged so that the electrophoresis liquid exiting from them is at least the surface of the workpiece 1 to be coated completely flooded.
The workpiece 1 is surrounded by a wire mesh 6, which is connected via the line 7 to the negative terminal of the direct current unit 3 and expediently roughly has the shape of the workpiece. The jets of liquid 9a, 9b emerging from the nozzles 8a, 8b pass through the wire mesh 6 before they reach the workpiece 1. In this way, not only is the electrical circuit required for electrophoresis obtained, but it is also achieved that the plastic anions must move towards the anode despite the relatively strong movement of the liquid.
The outflowing liquid is collected in a container 22 and fed from there to a pump via a collecting line 10. A degassing device 12 of conventional design and, in special cases, a device for removing the cations occurring during the electrophoresis is expediently switched into the collecting line 10.
The device for removing the cations is generally not required if the cations are obtained as ammonia, since this largely escapes due to the strong movement of the liquid before it is collected and the remainder is removed when the electrophoresis liquid is degassed.
The electrophoresis liquid collected, free of cations and degassed, is supplied by the pump 11 via a supply line 16 to the nozzles 8a, 8b, so that a liquid circuit is created.
In this cycle, liquid losses will normally occur. To compensate for these losses, electrophoresis fluid can be supplied to the pump 11 from a reserve tank 15 via a line 14 and a controlled valve 13.
Mainly in the case of smaller amounts of liquid being pumped around, the binder content will drop rapidly and the salt ion concentration will increase and the pH value will change with it. The control of the binder content can be done, for example, by determining the viscosity of the electrophoresis liquid. Suitable devices for this purpose are, for. B. the devices known as viscosities.
One of the large number of known and suitable devices can be selected for regulating the pH. There are no difficulties in installing such devices in the fluid circuit. For example, as shown schematically in the drawing, the supply line 16 can contain such a viscostat 17 and / or a device 18 for controlling the pH value.
On the one hand, heat is generated both in the electrophoresis and in the pump; on the other hand, heat is dissipated via the line system so that the liquid emerging from the nozzles 8a, 8b will not have the correct temperature. A thermostat 19 is therefore provided in the circuit to regulate the liquid temperature.
Finally, in the branch lines 20a, 20b leading to the individual nozzles 8a, 8b, valves 21a, 21b which regulate the liquid pressure and the flow rate can also be provided so that a regenerated, i.e. H. the correct pH value and content of binding agent as well as the prescribed temperature and degassed electrophoresis liquid escapes under optimal pressure and in sufficient quantity.
The device described in principle can be easily adapted to the respective requirements. It is important e.g. B. As already mentioned, that the workpiece to be coated is completely washed over by the electrophoresis liquid. This is by arranging a plurality of nozzles, which the liquid to the work piece from different directions and in which different jet shapes, such. B. bring thin beams for deep indentations, wide flat beams for flat surfaces, etc., ensured in the simplest possible way.
A universally usable system will expediently have a large number of nozzles with exchangeable nozzle heads which can be individually connected to the supply line and are adjustable in their direction of emission. The shape of the wire mesh 6 serving as a counter electrode can also easily be adapted to the respective optimal conditions. In particular, some or all of the nozzles can be individually equipped with a suitably shaped counter-electrode.
By pumping over and flushing the work piece, the electrophoresis liquid is always kept in relatively strong motion, so that both separation is prevented and the removal of the cations, which mostly appear as gas, is ensured.
A particular advantage, however, is that even for the coating of the largest workpieces, quantities of liquid of only 50 to a few hundred liters are sufficient, so that electrophoretic coating is much cheaper and therefore more generally applicable than before. Any color nuances can also be used without major losses after briefly flushing the pump circuit.
Furthermore, the possibility of complete automation of the coating process and the adaptability of the process or the device to the particular assembly line production are not insignificant.