DE10053826A1 - Vorrichtung zum Auftragen von zerstäubten Fluiden - Google Patents

Abstract

Vorliegend wird eine Vorrichtung zum Auftragen von zerstäubten Fluiden mittels Ultraschallzerstäuber auf einen vorgegebenen Bereich beschrieben, wobei mindestens zwei Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E), die mit dem Fluid beliefert werden, im wesentlichen oberhalb des vorgegebenen Bereiches, in Richtung zur Auftragung gesehen, angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Auftragen von zerstäubten Fluiden. Weiterhin betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer solchen Vorrichtung.

In vielen Bereichen der Technik ist es notwendig, dass Fluide und dabei insbesondere Flüssigkeiten in sehr feine Partikel zerstäubt werden können und dadurch in einer möglichst genau­ en Menge und in einer feinen Verteilung zerstäubt und dadurch zum Beispiel auf eine andere Schicht aufgetragen werden kön­ nen.

Bei bestimmten Rapid-Prototyping-Verfahren spielt beispiels­ weise eine Beschichtung von Bindemittel eine wichtige Rolle. Aus der DE 198 53 834.0 ist ein derartiges Rapid-Prototyping- Verfahren zum Aufbau von Gussmodellen bekannt. Hierbei wird ein unbehandeltes Partikelmaterial, wie Quarzsand, auf eine Bauplattform in einer dünnen Schicht aufgetragen. Danach wird mit Hilfe einer Spray-Vorrichtung ein Bindemittel auf das Partikelmaterial in einer möglichst feinen Verteilung aufge­ sprüht und anschließend darüber auf ausgewählte Bereiche ein Härter dosiert, wodurch die erwünschten Bereiche verfestigt werden. Wird dieser Vorgang immer wieder wiederholt, kann ein individuell geformter Körper aus dem gebundenen Partikelmate­ rial bereitgestellt werden. Dieser Körper ist zunächst in dem umliegenden, ungebundenen Partikelmaterial eingebettet und kann nach Abschluß des Bauvorganges aus dem Partikelbett ent­ nommen werden.

Wird beispielsweise bei einem derartigen Verfahren als Parti­ kelmaterial ein Quarzsand verwendet und als Bindemittel ein Furanharz, kann mit Hilfe einer schwefeligen Säure als Här­ termaterial eine Gussform hergestellt werden, die aus übli­ cherweise bei der Modellherstellung verwendeten und daher dem Fachmann bekannten Materialien besteht.

Schwierigkeiten bei diesen bekannten Verfahren liegen meist in dem Eintrag des Bindemittels begründet. Um eine geeignete Gussform herstellen zu können, muß diese Gussform bestimmten Anforderungen an die Festigkeit und an den Bindemittelgehalt genügen.

Zum Einen muß die Festigkeit ausreichen, um dem Druck des flüssigen Metalles beim Gießen standhalten zu können bezie­ hungsweise die Auftriebskräfte im Falle der Bildung eines Kernes ohne störende Verformung in das Kernlager ableiten zu können.

Zum Anderen muß der Bindemittelgehalt jedoch möglichst gering sein, damit das beim Gießen des Metalles verdampfende Binde­ mittel nicht zu Gas-Einschlüssen und damit zu einer minderen Qualität des Gussteiles führt. Ein möglichst niedriger Binde­ mittelgehalt begünstigt zudem das Entformen des Gussteils, da beim Gießen ein Großteil des Bindemittels verdampft. Bei der Verwendung von möglichst wenig Bindemittel bleibt nach dem Gießen des Bauteiles im wesentlichen nur noch loser, leicht zu entfernender Sand zurück.

Das Auftragungsverfahren des Bindemittels ist daher besonders wichtig, da hierbei der Bindemittelgehalt und die Bindemit­ telverteilung des Gussmodelles festgelegt werden. Schwierig­ keiten bereitet dabei häufig, dass es sich bei dem Bindemit­ tel um eine hochviskose Flüssigkeit handelt, die nur schwer fein verteilt werden kann.

Die Anforderungen an eine Vorrichtung zum Auftragen bei­ spielsweise eines Bindemittels auf eine Schicht von Partikeln sind, das Bindemittel in einer homogenen und vorbestimmten Verteilung auf die Oberflächen der Partikel aufzubringen, oh­ ne diese dabei in ihrer Form und ihrer Verteilung zu beein­ flussen.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten zur Zerstäubung von Flüssigkeiten bekannt.

So werden häufig Hochdruckzerstäuber verwendet, um Flüssig­ keiten mit ähnlichen Fluideigenschaften, wie dem des Binde­ mittels, sehr fein zu verteilen. Hochdruckzerstäuber drücken das zu verteilende Fluid meist mit mehr als 20 bar durch eine enge Düse hindurch. Dabei bildet sich eine Flüssigkeitslamel­ le, die in einzelne Tropfen zerfällt. Die Tropfen werden bei einer solchen Zerstäubung auf einem festen Untergrund ent­ sprechend der Lamellenform ringförmig um ein Zentrum mit niedriger Tropfendichte und einem konzentrischen Bereich mit hoher Tropfendichte verteilt.

Da jedoch die kinetische Energie der mit einem Hochdruckzer­ stäuber gebildeten Tropfen relativ hoch ist, kann eine lose Pulverschüttung, auf die das Bindemittel aufgetragen werden soll, nur durch einen großen Abstand von der Düse gegen Ver­ blasen geschützt werden. Dadurch ist aber ein unerwünscht hoher Platzbedarf bei einem solchen Zerstäuber notwendig und weiterhin unterliegen die Tropfen auf dem langen Weg von der Tropfenbildung zum Auftragungsort auch äußeren Einflüssen.

Ein weiteres Problem dieser Hochdruckzerstäuber ist die große Totzeit bei den Start- und Stopp-Vorgängen. Bis sich nach Druckbeaufschlagung an der Düse eine Lamelle und damit auch der Tropfenabriß gebildet hat, entsteht dort ein größerer Fluidtropfen, der sich unvermittelt ablöst und die gleichmä­ ßige Verteilung des Fluids deutlich stört. Dies gilt ebenso, wenn der Druck abgeschaltet wird. Dieser Effekt verstärkt sich zudem noch durch Nachgiebigkeiten beziehungsweise Unge­ nauigkeiten im System, die zu einem weiteren Nachtropfen von Bindemittel führen.

Eine weitere Zerstäubungsvorrichtung wird in der EP 0 049 636 A1 offenbart. Auch diese Vorrichtung arbeitet mit Vordruck in einer Düsenkammer. Jedoch wird der Tröpfchenzerfall hierbei durch einen elektrischen Vibrierer, der beispielsweise über einen Piezoaktuator angesteuert wird, erzeugt.

Bei allen diesen, mit Düsen arbeitenden Zerstäubern hat es sich als nachteilig erwiesen, dass die sehr kleinen Düsen­ durchmesser zum Verstopfen neigen. Dies trifft insbesondere bei der Verwendung von hochzähen Flüssigkeiten schwer ins Ge­ wicht. Größere Düsendurchmesser neigen hingegen zu einem Lufteinsaugen in die Düsenkammer und damit zu einem starken Wirkungsverlust.

In der WO 98/00237 wird ein Tröpfchenwolkenerzeuger vorge­ stellt, der mit innerhalb einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer strömungstechnisch effektiv angeordneten Piezobiege­ wandler ein ganzes Feld von Düsen mit Druck beaufschlagt, wodurch ein Tropfenausstoß bewirkt wird. Im Gegensatz zu dem aus der EP 0 049 636 A1 bekannten Prinzip ist dabei jedoch kein Vordruck notwendig.

Aber auch dieses System neigt aufgrund der geringen Düsen­ durchmesser zum Verstopfen. Außerdem ist die Lebensdauer ei­ nes solchen Tröpfchenwolkenerzeugers, insbesondere bei Ver­ wendung von hochviskosen Flüssigkeiten, wie beispielsweise Bindemitteln, relativ kurz.

Weiterhin ist es aus der Praxis auch bekannt, Luftzerstäuber einzusetzen. Hierbei reißt ein Mantelluftstrom feinste Tröpf­ chen aus einer Kapillare ab. Diese Art der Zerstäubung wird vor allem in der Lackiertechnik verwendet. Bei einer Anwen­ dung beispielsweise für Bindemittel, das auf loses Parti­ kelmaterial aufgetragen werden soll, verbläst der Mantelluft­ strom unerwünschterweise auch das Partikelmaterial. Darüber hinaus entstehen auch hier wiederum Schwierigkeiten bzw. Un­ regelmäßigkeiten beim Ein- und Ausschalten des Zerstäubers.

Auch ist es möglich, dass feine Tröpfchen beispielsweise über einen Rotationszerstäuber auf einen vorbestimmten Bereich aufgetragen werden. Dabei wird über eine Rotation eine dünne Flüssigkeitslamelle erzeugt, die in einzelne Tropfen zer­ fällt. Jedoch ist auch bei einer solchen Vorrichtung das An­ laufverhalten für eine Anwendung, bei der das Fluid sehr ge­ nau aufgetragen werden soll, sehr nachteilig.

Aus der US 4,796,807 ist ein Ultraschallzerstäuber zum Zer­ stäuben niedrigviskoser Fluide bekannt. Diese Ultraschallzer­ stäuber bestehen aus einem Aktuatorelement, in der Regel ei­ ner Piezokeramik, einer Flüssigkeitszuführung und je nach Einsatzzweck auch einer Luftführung. Der Piezoaktuator oszilliert bei seinem Betrieb mit einer hohen Frequenz. Das Fluid befindet sich auf einer Schwingplatte und wird durch die durch die Schwingung erzeugten Oberflächeneffekte in der Flüssigkeit abgeschleudert. Ein um den Aktuator führender Luftstrom nimmt die mit einem relativ schwachen Impuls verse­ henen Tropfen auf und befördert sie in einer Luftströmung weiter.

Solche Ultraschallzerstäuber finden heutzutage in der Klima­ technik Anwendung, um die Luftfeuchtigkeit über die Zumi­ schung von Wassertröpfchen einzustellen oder auch in der Me­ dizintechnik, um Medikamente derart aufzubereiten, dass sie von einem Patienten inhaliert werden können.

Bei einem solchen aus dem Stand der Technik bekannten Ultra­ schallzerstäuber hat es sich als nachteilig erwiesen, dass bei einem Auftrag von Fluiden auf ein begrenztes Feld relativ viel Zeit vonnöten ist, um im wesentlichen eine gleichmäßige homogene Verteilung des Fluides zu erreichen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vor­ richtung bereitzustellen, bei der mit einem relativ kurzen Zeitaufwand eine homogene Verteilung von zu zerstäubendem Fluid erreicht werden kann und bei dem das Problem des Ver­ stopfens von Düsen verhindert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einer Vorrich­ tung zum Auftragen von zerstäubten Fluiden mittels Ultra­ schallzerstäuber auf einen vorgegebenen Bereich, wobei minde­ stens zwei Ultraschallzerstäuber, die mit dem Fluid beliefert werden, im wesentlichen oberhalb des vorgegebenen Bereiches, in Richtung zur Auftragung gesehen, angeordnet sind.

Dadurch, dass nun zumindest zwei Ultraschallzerstäuber im we­ sentlichen oberhalb des vorgegebenen Bereiches angeordnet sind, kann beim Zerstäuben zumindest über einen durch die zwei Zerstäuber gebildeten Bereich ein relativ homogenes Sprühbild des zerstäubten Fluides erreicht werden. Dabei sollte der Abstand der zumindest zwei Ultraschallzerstäuber voneinander vorzugsweise derart gewählt sein, dass das aus dem Zerstäuber austretende Sprühgut sich in einem gewissen Bereich überlappt.

Handelt es sich bei dem vorgegebenen Bereich um einen sich zumindest in der Breite und/oder in der Tiefe weiter erstrec­ kenden Bereich, als der von den Ultraschallzerstäubern er­ reichte, so ist die Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausge­ staltung derart vorgesehen, dass zumindest einer der Ultra­ schallzerstäuber über dem vorgegebenen Bereich verfahrbar ist. So kann durch Verfahren der Ultraschallzerstäuber auch auf einem größeren Bereich Fluid aufgetragen werden.

Die Verfahrmöglichkeiten der Ultraschallzerstäuber können ne­ ben den Erstreckungsrichtungen des vorgegebenen Bereiches auch eine Höhenverfahrbarkeit umfasssen. Sind die Ultra­ schallzerstäuber auch in ihrer Höhe verfahrbar, so kann der Abstand zum vorgegebenen Bereich je nach Auftragungsart, Fluid, Umgebungsbedingungen usw. eingestellt werden.

Sind die mindestens zwei Ultraschallzerstäuber nebeneinander, hintereinander und/oder versetzt zueinander angeordnet, so kann eine noch bessere homogene Verteilung des Sprühgutes er­ reicht werden. Bei einer entsprechenden Anordnung der Ultra­ schallzerstäuber kann die Auftragung in ihrer Verteilung des Sprühgutes auf dem Bereich, wie erwünscht eingestellt werden.

Darüber hinaus können, je nach Größe des mit dem zerstäubten Fluid zu versehenen Bereiches auch mindestens vier oder noch weitaus mehr Ultraschallzerstäuber vorgesehen sein.

Ist zumindest ein oder sind sogar alle Ultraschallzerstäuber mit einer Luftführung versehen, so werden die zu zerstäuben­ den Partikel noch besser auf dem vorgegebenen Bereich ver­ teilt. Ohne eine Luftzuführung bewegen sich die zerstäubten Partikel ausschließlich aufgrund ihrer Schwerkraft vom Ultra­ schallzerstäuber zum vorgegebenen Bereich, wie beispielsweise einer Bearbeitungsfläche. Das Auftragungs-Bild des Zerstäu­ bers entspricht dabei ohne Luftzuführung im Querschnitt der Austrittsfläche des Zerstäubers. Um einen breiteren flächige­ ren Auftrag erreichen zu können, werden die Partikel vorzugs­ weise durch eine kegelförmige Luftführung aufgefächert.

Zum Erreichen einer Luftführung kann die zugeführte Luft durch Umlenkbleche in eine starke Rotation versetzt werden und als rotierende, zylindrische Luftmasse neben der vibrie­ renden Oberfläche des Zerstäubers austreten. Das zerstäubte Fluid wird durch diesen Luftstrom mitgerissen und durch die Zirkulation der Luft nach dem Austritt aus dem Zerstäuber ke­ gelförmig aufgeweitet.

Diese Luftzirkulation kann beispielsweise durch in den Ultra­ schallzerstäuber eingelegte, mit Umlenkblechen versehene Drallbleche erreicht werden, wobei die Umlenkbleche individu­ ell nach ihrer Drallrichtung und Drallstärke eingestellt wer­ den können.

Handelsüblich verwendete Zerstäuber besitzen im allgemeinen eine einheitliche Drallrichtung der Luftführung. Dies kann jedoch zu einer Beeinträchtigung des sogenannten Spray- Bildes, also der Auftragungsbereich des Zerstäubergutes, füh­ ren, da im Überlappungsbereich die zerstäubten Partikel mit entgegengesetzter Geschwindigkeit aufeinanderprallen. Um eine dadurch entstehende gegenseitige Störung des Flusses der zer­ stäubten Partikel einzudämmen, sollten die Luftrotationsrich­ tungen benachbarter Ultraschallzerstäuber mit Luftführung vorteilhafterweise entgegengesetzt aufeinander zulaufen.

Um mehrere, erfindungsgemäß eingesetzte Ultraschallzerstäuber mit einem Fluid zu versorgen, ist es wichtig, dass das Fluid an alle Zerstäuber gleichberechtigt verteilt wird. Darüber hinaus soll die Versorgung mit dem Fluid unabhängig von der Anzahl der angeschlossenen Ultraschallzerstäuber sein, um ein Zu- oder Abschalten von Zerstäubern während der Laufzeit der Vorrichtung zu ermöglichen. Weiterhin soll eine derartige Vorrichtung eine möglichst genaue Durchflußmenge fördern.

Zu diesem Zweck wird nun erfindungsgemäß eine zentrale Zufüh­ rung des Fluids gewählt, die für alle Ultraschallzerstäuber einen konstanten Druck des Fluids bereitstellt. Dabei ist die Zuführung derart ausgestaltet, dass die Gehäuse- und Lei­ tungsquerschnitte so ausgelegt sind, dass sich bei den vor­ handenen Strömungsgeschwindigkeiten kein Druckabfall in dem System einstellt.

Werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hochviskose Fluide, wie beispielsweise Bindemittel, verwendet, ist der Temperatureinfluß auf die Viskosität und damit bei einem Druckförderer auch auf die Durchflußmenge erheblich.

Um diesem Umstand Rechnung zu tragen und solchen äußeren Ein­ flüssen entgegenzutreten, wird der notwendige Druck, der zur gewünschten Durchflußrate führt, abhängig von Temperatur und eingesetztem Fluid über ein geeignetes Druckregelsystem va­ riabel eingestellt. Der Druck wird dabei ständig während der Laufzeit der Anwendung den äußeren Gegebenheiten angepaßt.

Um den Ultraschallzerstäubern jeweils die gleiche Menge an Medium bereitzustellen, müssen die Zuführsysteme vor ihrem Einsatz auch kalibriert werden. Alle Systeme müssen dem Medi­ um den gleichen Durchflußwiderstand bieten. Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch den Einsatz von Dros­ seln erreicht, wobei jeweils einem Ultraschallzerstäuber eine Drossel vorgeschaltet ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die An­ steuerung des Ultraschallzerstäubers derart ausgeführt, dass es sich um eine adaptive Ansteuerung handelt. Solche Ansteue­ rungen sind meist sehr schwierig, da aufgrund der höheren Dichte eines vorzugsweise eingesetzten Bindemittels eine ad­ aptive Frequenzsteuerung notwendig ist, denn zum Zerstäuben von hochviskosen Fluiden ist eine möglichst hohe Amplitude notwendig.

Dies hat zur Folge, dass die als Aktuator eingesetzte Piezo­ keramik immer mit der Eigenfrequenz des ganzen Systems Piezo­ keramik plus Anbauteile angeregt werden muss, um eine maxima­ le Schwingungsamplitude auf der Schwingplatte zu erreichen und damit die hochviskose Flüssigkeit optimal zu zerstäuben. Hierbei ist es nun problematisch, dass sich die Eigenfrequenz während des Betriebes ändert. Um immer eine maximale Schwin­ gungsamplitude zu erzielen, ist eine adaptive Regelung erfor­ derlich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfin­ dung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung. Zur näheren Erläuterung wird die Erfindung anhand be­ vorzugter Ausführungsbeispiele nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

In der Zeichnung zeigt dabei:

Fig. 1 einen Ultraschallzerstäuber in einer schematischen, teilweise geschnittenen Darstellung gemäß einer be­ vorzugten Ausführungsform;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wirkung einer Luftführung in einem Ultraschallzerstäuber gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung;

Fig. 3 ein Drallblech zur Erzeugung einer Luftführung;

Fig. 4 eine beispielhafte Anordnung zweier Ultraschallzer­ stäuber, sowie deren jeweilige und deren Ge­ samttropfenverteilung;

Fig. 5 eine Anordnung der Ultraschallzerstäuber in einer Ansicht von oben, gemäß einer noch weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 6 die Drallrichtung zweier nebeneinander angeordneter Ultraschallzerstäuber in einer Ansicht von oben;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Zuführung des Fluids zu den Ultraschallzerstäubern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; und

Fig. 8 ein Schaltbild einer Ansteuerung.

Beispielhaft soll im folgenden die erfindungsgemäße Vorrich­ tung für den Einsatz zum Zerstäuben von Bindemittel als Fluid, beispielsweise zum schichtweisen Aufbau von Gussmodel­ len aus Partikelmaterial, Bindemittel und Härter erläutert werden.

Bei einem solchen Aufbauverfahren eines Bauteiles, wie eines Gussmodelles, wird eine Bauplattform, auf die die Gussform aufgebaut werden soll, um eine Schichtstärke abgesenkt. Da­ nach wird Partikelmaterial, beispielsweise Quarzsand, in ei­ ner erwünschten Schichtstärke auf die Bauplattform aufgetra­ gen. Daran schließt sich das Auftragen des Bindemittels, im wesentlichen großflächig auf dem Partikelmaterial, an, wonach dann selektiv auf den auszuhärtenden Bereichen Härter aufge­ bracht wird. Dies kann beispielsweise mittels eines Drop-on- demand-Tropfenerzeugers, nach Art eines Tintenstrahldruckers, durchgeführt werden. Diese Auftragungsschritte werden wieder­ holt, bis das fertige Bauteil, eingebettet in loses Parti­ kelmaterial, erhalten wird.

In der Fig. 1 ist nun beispielhaft der Aufbau eines Ultra­ schallzerstäubers 1A zum Auftragen von Bindemittel darge­ stellt. Das Prinzip eines erfindungsgemäß eingesetzten Ultra­ schallzerstäubers 1A beruht vorzugsweise auf einem Lei­ stungsultraschallwandler mit einem Amplitudentransformator.

Bei einem derartigen Leistungsultraschallwandler wird die für die Zerstäubung von Flüssigkeiten eigentlich unzureichende Amplitude der Longitudinalschwingung einer Piezokeramik an der abstrahlenden Fläche eines Wandlers durch einen Amplitu­ dentransformator verstärkt. In der gezeigten Ausführungsform kommt dabei ein sogenanntes Stufenhorn 3 zum Einsatz, das die von den Piezoaktuatoren 2A, 2B eingebrachte Schwingungsener­ gie auf eine kleine Fläche, die sogenannte Abstrahlfläche, konzentriert und derart die Amplitude dieser Schwingung stark vergrößert.

Die zwei Piezoaktuatoren 2A, 2B werden dabei mittels einer Spannmutter 4 auf ein Stufenhorn 3 aufgespannt und mit Hilfe einer Kontaktfolie 5 und einer Befestigungsfolie 6 kontak­ tiert. Durch die gegengleiche Anordnung der Piezoaktuatoren 2A, 2B erfolgt bei einer Ansteuerung eine Dickenzunahme in beide Richtungen.

Zusätzlich kann eine Ausgleichsscheibe die Piezoaktuatoren 2A, 2B vor Beschädigung bei der Montage und durch einen un­ terschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu Stahl das Gesamtsystem vor einer großen Temperaturabhängig­ keit zu schützen.

Gemäß der gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist der Ul­ traschallzerstäuber 1A mit einer Luftführung ausgebildet. In der Fig. 2 ist nun die Wirkung der Luftführung genauer dar­ gestellt. Dabei zeigt die Fig. 2A einen Ultraschallzerstäu­ ber 1A ohne Luftzufuhr und die Fig. 2B mit zugeführter Luft 7. Wie der Fig. 2A zu entnehmen ist, bewegen sich die zer­ stäubten Flüssigkeitspartikel 8 üblicherweise nur durch ihre eigene Schwerkraft vom Ultraschallzerstäuber 1A zur Bearbei­ tungsfläche, auf die sie aufgetragen werden sollen. Es ent­ steht daher ein Zerstäubungsbild, das im Querschnitt der Aus­ trittsfläche des Ultraschallzerstäubers 1A ähnelt. Um einen größerflächigen Auftrag zu erzielen, wird das zerstäubte Fluid 8, hier Bindemittel, vorzugsweise durch zugeführte Luft 7, die eine kegelförmige Luftführung zur Folge hat, aufgefä­ chert.

Die zugeführte Luft 7 wird dabei durch Umlenkbleche 9 in eine starke Rotation versetzt und tritt neben der vibrierenden Fläche des Ultraschallzerstäubers 1A als rotierende, zylin­ drische Luft-Fluid-Partikelmasse aus. Das zerstäubte Binde­ mittel 8 wird durch den Luftstrom mitgerissen und durch diese Zirkulation der Luft kegelförmig aufgeweitet. Dies ist in der Fig. 2B durch die Pfeile schematisch dargestellt.

Der entstehende Kegelwinkel der austretenden Luft- Bindemittelpartikel-Masse ist dabei abhängig von der Geo­ metrie der Umlenkbleche 9, des Austrittsquerschnitts des Ul­ traschallzerstäubers 1A und dem Druck der zugeführten Luft 7.

Wie schon erwähnt, wird die Luftzirkulation durch eingelegte Drallbleche 10, die mit Umlenkblechen 9 versehen sind, und die individuell nach Drallrichtung und Drallstärke einge­ stellt werden können, erreicht.

In der Fig. 3 ist beispielhaft ein solches Drallblech 10 mit darauf angeordneten Umlenkblechen 9 dargestellt.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich derart aus, dass mindestens zwei Ultraschallzerstäuber 1A, 1B im wesent­ lichen oberhalb des vorgegebenen Bereiches, auf den das zer­ stäubte Fluid aufgetragen wird, angeordnet sind.

Werden nun Ultraschallzerstäuber 1A, 1B mit durch Luftführun­ gen erzeugten Sprühkegeln eingesetzt, kann durch das Neben­ einanderanordnen der Ultraschallerzeuger und damit auch der der Sprühkegel ein homogenes Sprühbild des zerstäubten Binde­ mittels 8 erreicht werden. Dies ist schematisch in der Fig. 4 dargestellt. Dabei ist die Tropfenverteilung, also das zerstäubte Bindemittel 8 auf einem zu beschichtenden Bereich, des einen Ultraschallzerstäubers 1A dünner gestrichelt und die des anderen Ultraschallzerstäubers 1B fetter gestrichelt dargestellt.

Die als durchgezogene Linie dargestellte Gesamtverteilung des zerstäubten Bindemittels 8 auf einem Bereich ist, wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, im wesentlichen eine ebene Vertei­ lung, wie sie meist auch erwünscht ist. Der Abstand der ein­ zelnen Ultraschallzerstäuber 1A, 1B zueinander ist dabei ab­ hängig von dem Abstand der Ultraschallzerstäuber 1A, 1B von dem mit dem zerstäubten Bindemittel 8 zu versehenen Bereich, wie hier beispielsweise einer zu beschichtenden Fläche.

Ein typischer Abstand der Ultraschallerzeuger 1A, 1B zu der zu beschichtenden Fläche beträgt 140 bis 160 mm. Dabei hat sich ein seitlicher Abstand der Ultraschallzerstäuber 1A, 1B voneinander von ca. 45 mm als vorteilhaft erwiesen.

In der Fig. 5 ist nun eine vorteilhafte Anordnung der Ultra­ schallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D in einer Ansicht von oben dargestellt. Es sind dabei beispielhaft vier Ultraschallzer­ stäuber 1A, 1B, 1C, 1D angeordnet, jedoch könnten nach links und nach rechts weiter jeweils in dieser in der Fig. 5 ge­ zeigten Art und Weise weitere Ultraschallerzeuger angeordnet werden.

Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung der Ultraschallzer­ stäuber 1A, 1B, 1C, 1D werden die Systeme seitlich versetzt gegenüberliegend an einem Träger 11 angeordnet. Derart können die geforderten Abstände der Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D gut eingehalten werden. Ferner kann durch das Verfah­ ren des Trägers 11 auch ein gleichmäßiges Verfahren aller Ul- traschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D erreicht werden, wenn dies erwünscht ist.

Die durch die oben näher beschriebene Luftführung erreichte Drallrichtung bzw. Luftrotationsrichtung 12A, 12B der Ultra­ schallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D ist in handelsüblichen Ultra­ schallzerstäubern 1A, 1B, 1C, 1D meist einheitlich. Dies be­ deutet, dass bei einer Nebeneinanderanordnung der Ultra­ schallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D das Zerstäuben beeinträchtigt werden kann, da im Überlappungspunkt der durch die zugeführte Luft 7 erzeugten Kegel des zerstäubten Bindemittels 8 diese mit einer entgegengesetzter Geschwindigkeit aufeinanderpral­ len.

Um dies zu vermeiden, ist in der Fig. 6 eine vorteilhafte Ausgestaltung nebeneinander angeordneter Ultraschallzerstäu­ ber 1A, 1B dargestellt, wobei die Luftrotationsrichtung durch die Pfeile 12A, 12B dargestellt ist. Es wird nun gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform dem Aufeinanderprallen des zerstäubten Fluids beziehungsweise Bindemittels 8 mit ei­ ner entgegengesetzten Geschwindigkeit derart entgegengewirkt, dass benachbarte Ultraschallzerstäuber 1A, 1B eine entgegen­ gesetzte Luftrotationsrichtung 12A, 12B aufweisen. Bei einer solchen Ausgestaltung wird die Störung des Flusses des Flui­ des in dem sich überlappenden Bereich der "Fluidkegel" erheb­ lich verringert.

Erfindungsgemäß werden mindestens zwei oder mehrere Ultra­ schallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E eingesetzt. Um diese Ul­ traschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E alle mit dem zu zer­ stäubenden Fluid 8, dem Bindemittel, zu versorgen, ist in der Fig. 7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, bei der alle Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E gleichbe­ rechtigt mit dem Fluid versorgt werden.

Außerdem ist bei einer derartigen Zuführung die Anzahl der angeschlossenen Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, va­ riabel. Auch ist ein Zu- oder Abschalten der Ultraschallzer­ stäubern 1A, 1B, 1C, 1D, 1E ohne sonstige Beeinträchtigungen zu ermöglichen. Weiterhin ist eine genaue Einhaltung der Durchflußmenge des Fluides möglich.

Es wird nun eine zentrale Zuführung gewählt, die für alle Ul­ traschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E einen konstanten Druck des Mediums bereitstellt. Grundsätzlich sind die Gehäuse- und Leitungsquerschnitte derart gewählt, dass sich bei den vor­ handenen Strömungsgeschwindigkeiten kein Druckabfall im Sy­ stem einstellt.

Da hierbei gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform hochviskose Fluide, nämlich vorzugsweise Bindemittel, verwen­ det werden, ist der Temperatureinfluß auf die Viskosität und somit bei einem Druckförderer auch auf die Durchflußmenge, erheblich. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, wird der nö­ tige Druck, der zu einer gewünschten Durchflußrate führt, ab­ hängig von Temperatur und dem eingesetzten Fluid über ein passendes Druckregelventil 13 variabel eingestellt. Der Druck wird also ständig bei Laufzeit der Vorrichtung den äußeren Gegebenheiten angepaßt.

Um letztendlich den Ultraschallzerstäubern 1A, 1B, 1C, 1D, 1E jeweils die gleiche Menge an Fluid zuzuführen, müssen diese vor ihrem Einsatz kalibriert werden. Alle Ultraschallzerstäu­ ber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E müssen dem Fluid den gleichen Durch­ flußwiderstand bieten. Dies wird gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform durch den Einsatz von Drosseln 17A, 17B, 17C, 17D, 17E erreicht, die den jeweiligen Ultraschall­ zerstäubern 1A, 1B, 1C, 1D, 1E vorgeschaltet sind.

Das Fluid wird in einen Druckbehälter 14 eingefüllt und mit­ tels des Druckregelsystems 13 auf den nötigen Druck gebracht. Das Fluid fließt von dort aus weiter in einen Verteiler 15 und wird über Leitungen zu den Drosseln 17A, 17B, 17C, 17D, 17E geführt, die ihrerseits die Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 15 mit dem Fluid versorgen. Über zusätzlich zwischen­ geschaltete Ventile 16A, 16B, 16C, 16D, 16E können die jewei­ ligen Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E jeweils zu- oder abgeschaltet werden. Derart gesteuert muss nicht zwangs­ läufig immer die selbe, gesamte Fläche mit dem Bindemittel beschichtet werden, sondern nur so viel, wie notwendig. Da­ durch ist eine Einsparung des Bindemittels möglich.

In der Fig. 8 ist nun beispielhaft ein Logikbild einer vor­ zugsweise verwendeten Ansteuerung für die Ultraschallzerstäu­ ber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E dargestellt. Aufgabe einer Ansteuerung ist es im Allgemeinen, die Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E mit ihrer Eigenfrequenz anzuregen, um eine maximale Schwingungsamplitude auf der Schwingplatte zu erreichen. Pro­ blematisch ist jedoch, dass sich üblicherweise die Eigenfre­ quenz während des Betriebes ändert und somit eine adaptive Regelung der Frequenz erfolgen muss.

Ein Ultraschallerzeuger 1A besitzt in seinem Resonanzbereich einen definierten Verlauf seiner elektrischen Impedanz I. Dieser Verlauf wird in einem digitalen Regler 20, wie bei­ spielsweise einem Mikrokontroller, derart hinterlegt, dass zuerst eine Umrechnung der Impedanz I in die Spannung U mit­ tels einer Vorrichtung 18 erfolgt. Danach wird dieses analoge Signal in einem Analog/Digital-Wandler 19 in ein digitales Signal umgewandelt und dem Regler 20 zugeführt.

Der Regler steuert einen regelbaren Oszillator 22, dessen Ausgangsspannung auf die notwendigen Verhältnisse mit Hilfe eines Verstärkers 23 verstärkt und über einen Transformator 24 transformiert wird. Dem Ultraschallzerstäuber 1A wird die­ ses Signal zugeführt und dadurch eine Oszillation desselbigen bewirkt.

Wird nun die Oszillatorfrequenz gering variiert und gleich­ zeitig die Impedanz des Ultraschallzerstäubers 1A gemessen, erkennt der Regler 20, ob die Eigenfrequenz des Ultraschall­ zerstäubers 1A erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, kann entschieden werden, ob die Frequenz des Oszillators erhöht oder verringert werden muss, um die momentane Eigenfrequenz des Ultraschallzerstäubers 1A zu erreichen.

Da der Regler 20 den Verlauf der elektrischen Impedanz und den möglichen Bereich der Eigenfrequenz des Ultraschallzer­ stäubers 1A kennt, kann zudem leicht festgestellt werden, ob eine Oszillation in Resonanz stattfindet oder nicht und somit die Funktion überprüft werden und Oszillationen in uner­ wünschten Moden verhindert werden.

Eine derartige Regelung erfolgt permanent, was in der Fig. 8 durch den geschlossenen Kreislauf dargestellt ist.

Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zerstäuben von Fluiden hat es sich besonders als vorteilhaft erwiesen, dass keine verstopfungsanfälligen Düsenquerschnitte notwendig sind, da Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E eingesetzt werden. Weiterhin haben die Ultraschallzerstäuber keine starke Luftströmung, die einen Sand, auf den beispielsweise Bin­ demittel aufgetragen werden soll, verblasen können. Außerdem hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Tropfenausstoß sehr gleichmäßig ist und damit durch das An- und Ab- bzw. Zu- und Abschalten unproblematisch ist.

Weiterhin haben diese Ultraschallzerstäuber eine sehr hohe Lebensdauer, erzeugen geringe Tropfendurchmesser und weisen eine geringe Leistungsaufnahme auf. Insbesondere mit einer Ansteuerung, wie sie oben beschrieben wurde, ist ein Ultra­ schallzerstäuber besonders leicht anzusteuern.

Bezugszeichenliste

1A bis E Ultraschallzerstäuber

2

A,

2

B Piezoaktuatoren

3

Stufenhorn

4

Spannmutter

5

Kontaktfolie

6

Befestigungsfolie

7

Luftzuführung

8

Zerstäubtes Fluid

9

Umlenkbleche

10

Drallbleche

11

Träger

12

A,

12

B Luftrotationsrichtung

13

Druckregelsystem

14

Druckbehälter

15

Verteiler
16A bis E Ventile
17A bis E Drosseln

18

Impedanz-Spannungs-Wandler

19

Analog-Digital-Wandler

20

Digitaler Regler

21

Digital-Analog-Wandler

22

Spannung-Frequenz-Wandler

23

Verstärker

24

Transformator

Claims (16)

1. Vorrichtung zum Auftragen von zerstäubten Fluiden mittels Ultraschallzerstäuber auf einen vorgegebenen Bereich, wobei mindestens zwei Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E), die mit dem Fluid beliefert werden, im wesentlichen oberhalb des vorgegebenen Bereiches, in Richtung zur Auftragung gesehen, angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest einer der Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) über dem vorgegebenen Bereich verfahrbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens zwei Ultraschallzerstäuber (1A, 1E, 1C, 1D, 1E) nebeneinander, hintereinander und/oder versetzt zueinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens vier Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) mit einer Luftführung versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zerstäubten Partikel (8) durch die Luftführung beim Austritt aus dem Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) kegelförmig aufgeweitet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Luftführung durch durch ein Drallblech (10) hindurchgeleitete Luft gebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei mindestens zwei Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) Luftführungen aufweisen, die entgegengesetzte Luftrotationsrichtungen (12A, 12B) aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid eine hochviskose Flüssigkeit, insbesondere ein Bindemittel für Formsand, ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Druck, mit dem die mindestens zwei Ultraschallzer­ stäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) zentral mit dem Fluid belie­ fert werden, gleichbleibend ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Druck an äußere Einflussfaktoren angepasst ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor den Ultraschallzerstäubern (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) jeweils eine Drossel (17A, 17B, 17C, 17D, 17E) für eine Zuführung des Fluids vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) einzeln zu- und abschaltbar sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ansteuerung der Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) adaptiv ist.

15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Beschichten von losem Partikelmaterial mit einem Bindemittel.

16. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 bei einem Verfahren zum Aufbau von Gußmodellen.