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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung von Kleinteilen,
und zwar die Beschichtung von Kleinteilen in Beschichtungstrommeln.
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Beschichtungen
werden in der heutigen Technik häufig
eingesetzt, um die physikalischen und chemischen und insbesondere
die elektrischen und optischen Oberflächeneigenschaften von Werkstücken aller
Art zu verändern.
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Um
die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Beschichtung zu erfüllen, muss
das Beschichtungsmaterial – beispielsweise
Lack – gleichmäßig auf
das zu beschichtende Werkstück
aufgetragen werden. Sorgfältiges
Vorgehen ist unbedingt erforderlich, da Unregelmäßigkeiten, Unterbrechungen oder
Blasen, die bei unsachgemäßem Auftragen
in der Beschichtung entstehen, meist negative Auswirkungen verursachen.
Trotzdem müssen
gerade für Kleinteile,
wie beispielsweise Schrauben, Stifte, Nieten, Ringe, Knöpfe, Schnallen
oder Dichtungen, die Herstellungskosten gering gehalten werden.
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Ein
bekanntes effektives Beschichtungsverfahren für Kleinteile bedient sich einer
rotierenden Beschichtungstrommel. Eine solche Beschichtungstrommel
ist etwa im Internetauftritt (www.walther-trowal.de) der Firma Walther
Trowal GmbH&Co.KG
als ”Rotamat” vorgestellt.
Sie weist eine rotatorisch angetriebene Trommel auf, welche die
zu beschichtenden Kleinteile durch ihre Rotationsbewegungen umwälzt, so
dass eine in der Trommel angebrachte Sprühvorrichtung die Kleinteile
von allen Seiten mit einem Beschichtungsstrahl erreicht. Zur Trocknung der
frisch beschichteten Kleinteile wird ein Warmluftstrom durch die
Trommel geleitet. Eine solche Beschichtungstrommel fasst zum Beispiel
40 Liter Werkstücke,
die sie in einem Zeitraum von bis zu drei Stunden beschichtet und
trocknet.
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Allerdings
wirft die Trocknung mit der Hilfe des Warmluftstroms häufig Probleme
auf. So wirkt die Warmluft zuerst auf die Lackoberfläche, die
deswegen schneller härtet
als die Lackschicht darunter. Die Folge ist oft ein Einschließen von
Restlösemitteln mit
weiter verzögerter
Trocknung; evtl. entstehen sogenannte ”Kocher” durch starkes Ausgasen von
Lösemitteln
an einzelnen Stellen. Weiterhin kann der Warmluftstrom den feinen
Beschichtungsstrahl aus der Sprüheinrichtung
stören
und dadurch ein homogenes Aufbringen des Beschichtungsmaterials
verhindern. Außerdem
schränkt
die relativ langsame Warmlufttrocknung die Auswahl des Beschichtungsmaterials
ein: da sich die umgewälzten
Kleinteile in der sich bewegenden Trommel ständig berühren, muss die Warmluft die
Beschichtung innerhalb einer sehr kurzen, definierten Zeit wenigstens
soweit trock nen, dass sie Berührungen
mit anderen Kleinteilen unbeschädigt übersteht.
Dafür kommen
nur Beschichtungsmaterialien mit sehr guten Trocknungseigenschaften
in Frage.
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Die
CH 428 094 beschreibt eine
Trommel, in der Formlinge, zum Beispiel Tabletten, mit einer Beschichtungslösung besprüht und mittels
Warmluft getrocknet werden. Neben oder an Stelle der Warmlufttrocknung
kann auch Strahlungswärmetrocknung angewendet
werden.
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Für das Beschichten
von Teilchen wie Pillen, Tabletten und dergleichen schlägt die
DE 2 249 863 A die
Verwendung einer rotierenden Trommel vor, in der die Teilchen durch
Einlasen von Warmluft getrocknet und erwärmt werden. Die Möglichkeit,
beschichtete Teilchen mit Wärmestrahlungsquellen
zu erwärmen,
wird erwähnt
und als unbefriedigend verworfen.
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Die
US 6,027,568 A (ND
Industries) sieht die Trocknung von frisch beschichteten Schrauben
mit Infrarotstrahlung vor. Hier werden die Schrauben von einem Transportband
allerdings erst durch eine Sprühstation
und anschließend
durch eine Trocknungsstation bewegt, in der die Trocknung mit der IR-Strahlung
stattfindet.
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Auch
die
EP 367 867 A1 (Classic
Sanitär-Produkte
GmbH) beschreibt einen umlaufenden Förderer, welcher kleine Werkstücke zum
Trocknen in einen mit Infrarotstrahlern ausgerüsteten Trockenofen transportiert,
nachdem sie zuvor in einer separaten Einheit mit Lack beschichtet
wurden.
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Schließlich erwähnt die
DD 268 284 A1 (VEB Lehrgeräte- und
Reparaturwerk Mittenwalde) allgemein UV-Strahler als Mittel zur
Wärmebehandlung oder
Trocknung von oberflächenbeschichteten
Produkten.
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Der
Vollständigkeit
halber sei noch auf die
US
5,362,505 A (The Procter & Gamble Company) verwiesen, die das
Beschichten von ungebleichten, rohen, essbaren Nüssen mit Polysaccharid in einem rotierenden
Beschichtungsgerät
und ihre anschließende
Trocknung durch Infrarot-Erhitzung beschreibt.
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Vor
diesem technischen Hintergrund befasst sich die Erfindung mit dem
Problem, Kleinteile qualitativ hochwertig ohne erhöhte Gefährdung zu
beschichten.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Die
abhängigen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen nebst den angefügten Zeichnungen
näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
Ausschnitt aus einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung;
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2 eine
weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung;
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3 einen
Infrarotstrahler mit gesonderter Luftkühlung zum Einsatz in einer
Ausführungsform der
Erfindung.
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Vor
einer detaillierteren Beschreibung von 1 wird zunächst die
Erfindungsidee näher
erläutert.
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Die
Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Beschichtung von Kleinteilen
bereit, welche die Kleinteile in einer Beschichtungstrommel umwälzt, dort
mittels einer Sprüheinrichtung
mit Beschichtungsmaterial besprüht
und dort auch mittels einer Trocknungseinrichtung unter Verwendung
elektromagnetischer Strahlung trocknet. Weiterhin schlägt die Erfindung ein
entsprechendes Verfahren zur Beschichtung von Kleinteilen vor.
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Allgemein
ermöglicht
die Erfindung die Beschichtung von Kleinteilen beliebiger Form mit
einem Durchmesser zwischen einigen Millimetern und etwa 15 cm, die
aus einem beliebigen Material, zum Beispiel Metall, Gummi oder Kunststoff,
bestehen. Beispiele sind Ringe, Knöpfe, Handyschalen, Schrauben,
Dichtungen, Nieten, Stifte oder Golfbälle.
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Für die Beschichtung
werden die Kleinteile in eine tonnenförmige Trommel gefüllt. Die – normalerweise
verschließbare – Trommel
ist üblicherweise
mit einem Antrieb ausgestattet, welcher für eine Rotation der Trommel
sorgt. Die Drehbewegung der Trommel versetzt die Kleinteile in Bewegung.
Vorzugsweise ist die Innenwand der Trommel mit von Mischtrommeln her
bekannten Lamellen versehen, welche die Kleinteile mitnehmen und
so eine gute Umwälzung
und Durchmischung derselben veranlassen.
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Weiterhin
umfasst die Beschichtungsvorrichtung eine Sprüheinrichtung, die das Beschichtungsmaterial
im Inneren der Trommel beispielsweise mit der Hilfe einer Sprühpistole
auf die Kleinteile aufbringt. Da sich die Kleinteile aufgrund der
Trommelrotation in ständiger
Bewegung befinden, erreicht der Strahl des Beschichtungsmaterials
bei ausreichender Sprühdauer
zuverlässig
jede Stelle jedes einzelnen Kleinteils. Dauer, Stärke, Wiederholungsrate
und Fläche
des Sprühstrahls
werden an die zu beschichtenden Kleinteile und das Beschichtungsmaterial
angepasst. Als Beschichtungsmaterial kommen – um nur einige Beispiele zu
nennen – Lacke
aller Art sowie Isolations-, Korrosionschutz-, Gleit- und Haftmittel,
Haftvermittler, Nanocoatings oder Speziallösungen in Frage.
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Die
Trocknungseinrichtung der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung
erwärmt,
trocknet und/oder härtet
das frisch aufgebrachte Beschichtungsmaterial noch im Inneren der
Trommel. Dazu wird ein zu der Trocknungseinrichtung gehöriger Strahler
beispielsweise auf oder unmittelbar neben die Stelle gerichtet,
an der der Sprühstrahl
auf die Kleinteile trifft. Es findet also eine gezielte, punktuelle
Trocknung der frisch besprühten
Kleinteile statt. Entsprechend den Eigenschaften der Kleinteile und
des Beschichtungsmaterials kann die Trocknung/Härtung alternativ gleichzeitig
mit der Besprühung
oder (unmittelbar) danach erfolgen. Beispielsweise können Besprühung und
Trocknung abwechselnd vorgesehen sein, was jedoch eine relativ langsame
Umwälzung
der Kleinteile notwendig macht; eine mit der Besprühung zeitgleiche
Trocknung ermöglicht
aufgrund der guten Trocknungseigenschaften von elektromagnetischer
Strahlung eine weitaus höhere
Umdrehungsfrequenz der Trommel oder auch das Auftragen einer dickeren
Beschichtungsmaterialschicht pro Trommelumdrehung, was zur schnelleren
Fertigstellung der Gesamtbeschichtung führt.
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Die
erfindungsgemäß zur Trocknung
verwendete Strahlung entstammt vorzugsweise entweder dem infraroten
(ca. 750–1000
nm) oder dem ultravioletten (ca. 5 bis 400 nm) Wellenlängenbereich. Auch
der Einsatz von Strahlung aus beiden Wellenlängenbereichen in einer Beschichtungstrommel
ist möglich.
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UV-Strahlung
kommt beispielsweise für
die Trocknung von UV-strahlenhärtenden
bzw. UV-Lacken zum Einsatz. UV-Lacke weisen meist eine hohe Oberflächenhärte und
Kratzfestigkeit auf. Diese Art von Lacken braucht zur Trocknung
keine Wärme; vielmehr
regt die UV-Strahlung im UV-Lack enthaltene Photoinitiatoren an,
welche bei UV-Belichtung Radikale bilden und eine Polymerisation
induzieren.
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Im
Gegensatz dazu erzeugt die IR-Strahlung in der gesamten Lackschicht
gleichmäßig Wärme und
bewirkt so deren schnelle und direkte Trocknung. Deswegen ist IR-Strahlung
für die
Trocknung aller auf Wärme
reagierenden Beschichtungsmaterialien geeignet. Eine Anpassung der
Infrarotfrequenz an das verwendete Beschichtungs- und/oder Kleinteilematerial
beschleunigt den Trocknungsvorgang noch weiter.
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Speziell
bei der Beschichtung der Kleinteile mit Hybridlack ist eine Trocknung
mit Strahlung aus beiden Wellenlängenbereichen
vorteilhaft. Die IR-Strahlung erwärmt den Hybridlack zunächst und trocknet
ihn vor, bevor die UV-Strahlung den Lack zur Erzielung guter Oberflächenhärte abschließend aushärtet.
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Nun
zurück
zu 1, die einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung
darstellt, nämlich eine
Trommel 1 mit einer Sprüheinrichtung 4, 5 und einer
Trocknungseinrichtung 6, 7, 8.
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In
die Trommel 1 werden die zu beschichtenden Kleinteile 3 eingefüllt. Die
Trommel 1 ist drehbar gelagert; eine nicht dargestellte
Antriebsvorrichtung kann die Trommel um eine durch den Mittelpunkt
M der Trommel 1 gedachten Achse in Drehung versetzen, wie
in der Zeichnung durch den Pfeil P angedeutet. Die Drehgeschwindigkeit
der Trommel wird der Sprüh-
und Trocknungsgeschwindigkeit angepasst.
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An
der Innenseite der Trommel 1 sind Lamellen 2 zu
sehen. Sie nehmen die Kleinteile 3 bei einer Drehung der
Trommel 1 teilweise mit und sorgen so für ihre gute Umwälzung und
Durchmischung. Bevorzugt sind alle Lamellen 2 austauschbar
in der Trommel 1 montiert. Hierdurch kann bei Bereitstellung
unterschiedlich geformter Lamellen 2 eine optimale Abstimmung
zwischen Lamellenform und Form der Kleinteile 3 – und damit
ein optimaler Mitnahmeeffekt – zur
Verbesserung der Umwälzung/Durchmischung der
Kleinteile 3 erzielt werden.
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An
einer vorbestimmten Stelle sprüht
eine schwenkbare und höhenverstellbare
Sprühpistole 4 einen
Beschichtungsmaterialstrahl auf die bewegten Kleinteile 3.
Das Beschichtungsmaterial wird der Sprühpistole 4 durch Versorgungsschläuche zugeführt, welche
innerhalb einer Befestigungsvorrichtung 5 verlaufen. Aus
dem zitierten Stand der Technik sind dem Fachmann weitere Einzelheiten
beispielsweise zu Aufbau und Funktion der Sprüheinrichtung 4, 5 und
der Antriebsvorrichtung bekannt, auf die hier deshalb nicht näher eingegangen
werden muss.
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Die
Trocknungseinrichtung 6, 7, 8 umfasst einen
IR-Heizstrahler 6. Dieser ist, wie die Sprühpistole 4,
schwenkbar und höhenverstellbar
gelagert, so dass er beliebige Stellen der Kleinteilmenge bestrahlen
kann. Er ist mittels einer Befestigungsvorrichtung 7 an
der Trommel 1 befestigt, welche die notwendigen Zuleitungen
(bspw. Stromleitungen) enthält.
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Zur
Messung der Kleinteiltemperatur ist ein Sensor 8 direkt
am IR-Strahler 6 angebracht. Seine Messwerte werden zu
einer Regelung der Bestrahlungsstärke und -dauer herangezogen.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung 20.
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Die – bereits
in 1 gezeigte – Trommel 1 ist
in einer Aufnahmevorrichtung 14 zwischen zwei Standsäulen 13 drehbar
gelagert. Der Antrieb, welcher die Trommel 1 in Rotation
versetzt, ist im Innern der Aufnahmevorrichtung 14 vorgesehen.
Vorzugsweise weist die Beschichtungsvorrichtung 20 in einer der
Standsäulen 13 oder
der Aufnahmevorrichtung 14 zusätzlich eine Schwenkvorrichtung
auf, die den Neigungswinkel der Aufnahmevorrichtung 14 und
damit der Trommel 1 wie von dem Pfeil P angedeutet relativ
zu den Standsäulen
verändern
kann. Der optimale Neigungswinkel bestimmt sich in Abhängigkeit von
der Kleinteilmenge, mit der die Trommel 1 befällt wird.
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Die
vorliegende Ausführungsform
weist an der Aufnahmevorrichtung 14 angebrachte Türen 9 auf,
welche die Trommel 1 im Betrieb verschließen und
hierdurch den Aufbau eines – später noch
erläuterten – Unterdrucks
ermöglichen. Öffnungen
in einer der Türen 9 erlauben
eine Durchführung
der Befestigungsvorrichtungen 5, 7 und damit der
innerhalb der Befestigungsvorrichtungen 5, 7 verlaufenden
Versorgungsleitungen für
die Sprühpistole 4 bzw.
den elektromagnetischen Strahler 6, die sich beide im Inneren der
Trommel 1 befinden. Die Weiterführung der Leitungen ist nicht
dargestellt.
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Ein
Sichtfenster 10 in einer der Türen 9 ermöglicht einem
Maschinenführer,
den Beschichtungsfortschritt in der Trommel 1 zu beobachten. Über Bedienelemente 11,
die beispielsweise ein Display und verschiedene Knöpfe umfassen,
kann der Maschinenführer
in den Beschichtungsablauf eingreifen, der vorzugsweise vollautomatisch
erfolgt.
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Während des
Betriebs der Beschichtungsvorrichtung 18 entstehen unter
Umständen – je nach verwendetem
Beschichtungsmaterial – Dämpfe oder Gasgemische
in der Trommel 1. Zur Vermeidung von Explosions- oder Vergiftungsgefahr
oder von Geruchsbelästigungen
ist in der vorliegenden Ausführungsform
eine Entlüftung
vorgesehen: Eine sich in der rechten Standsäule 13 befindliche,
in der Figur nicht sichtbare Absauganlage saugt durch den Abluftkanal 12 das
Gasgemisch aus der Trommel 1 und gleichzeitig durch eine
Luftzufuhröffnung 18 Frischluft
in die Trommel 1. Diese Methode ruft zudem einen leichten
Unterdruck in der Trommel 1 hervor, der ein Austreten von
Dämpfen
oder Gerüchen
wirksam verhindert. Sofern keine Explosions- oder Vergiftungsgefahr
besteht, ist für
andere Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung
statt der Abluftabsaugung eine Frischlufteinblasung denkbar.
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Da
während
des Beschichtungsbetriebs ständig
neue Dämpfe
entstehen, ist die Trommel nie völlig
frei von unter Umständen
schädlichen
Gasgemischen. Beispielsweise im Fall von lösungsmittel haltigen Dämpfen, die
einige Lackarten beim Beschichtungsvorgang abgeben, kann trotz Entlüftung eine
im Extremfall explosive Atmosphäre
entstehen. Diese Gefahr wird durch den erfindungsgemäßen Einsatz
von elektromagnetischer Strahlung zur Trocknung der Beschichtung
unter Umständen
noch erhöht:
da eine (sehr effektiv trocknende) Strahlungsquelle sich innerhalb
kurzer Zeit auf hohe Temperaturen erhitzen kann, kann sie in einer
entsprechenden Atmosphäre
unter Umständen
eine Explosion auslösen.
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Um
einer solchen Gefahr vorzubeugen und die Erfindung uneingeschränkt für alle Beschichtungsmaterialien
nutzbar zu machen, sehen die Ausführungsformen der Erfindung
eine Kühlung
der in der Trocknungseinrichtung enthaltenen Strahlungsquelle vor.
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Beispielsweise
ist es möglich,
den Abluftstrom so zu leiten bzw. die Strahlungsquelle derart zu platzieren,
dass der Abluftstrom die Strahlungsquelle kühlt.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht in einer gesonderten Luftkühlung des Strahlers.
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3 zeigt
einen Infrarotstrahler 6 mit gesonderter Luftkühlung zum
Einsatz in einer Ausführungsform
der Erfindung.
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Drei
Strahlungsquellen 15, beispielsweise IR-Lampen, sind in
einem Gehäuse 17 angeordnet. Maßgeblich
für eine
Explosionsgefahr ist die Temperatur des Gehäuseäußeren 17. Um die Temperaturen dort
nicht zu groß werden
zu lassen, ermöglichen
die Lüftungsanschlüsse 16 bei
Anschluss entsprechender Leitungen ein Durchblasen von Luft, beispielsweise
in der Richtung der Pfeile, durch das Gehäuse 17. Einige Ausführungsformen
verwenden hierfür
gekühlte
Luft. Nach Durchlaufen des Gehäuses 17 lenkt eine
Ausführungsform
der Erfindung den aufgeheizten Luftstrom als Zusatzheizung auf die
Kleinteile.
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Das
Problem der Sprühstrahlablenkung
tritt bei dieser gesonderten Kühlungseinrichtung
nicht auf, da sie dafür
sorgt, dass der kühlende
Luftstrom nur in den Zuleitungen und im Strahlergehäuse 17 strömt, aber
nicht aus ihnen austritt. Bei der o. g. Ausführungsform, bei welcher der
aufgeheizte Luftstrom als Zusatzheizung der Kleinteile dient, tritt
der Luftstrom zwar nach Durchlaufen des Gehäuses 17 in den Trommelinnenraum
ein, aber nur so, dass er nicht in den Bereich des Sprühstrahls
eindringen kann, aber auf Kleinteile außerhalb des Sprühstrahlbereichs
gelenkt wird.
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Nach
dem in 3 dargestellten Prinzip führen einige Ausführungsformen
der Erfindung eine Wasserkühlung
der Strahlungsquelle in der Trocknungseinrichtung durch. Auch hier
befindet sich die Strahlungsquelle (bzw. die Strahlungsquellen)
in einem Gehäuse,
beispielsweise aus Glas. Anstelle von Luft wird kühles Wasser
mit der Hilfe von zwei Wasseranschlüssen durch das Gehäuse geleitet,
welches einen beträchtlichen
Anteil (bis zu 50%) der in das Gehäuse selbst eingebrachten Wärme abführt. Das
durchlaufende Wasser erwärmt
sich dabei nur um wenige Grad. Vorzugsweise umfasst die Strahlungsquelle
(bzw. ihr Stromanschluss) als Schutz vor dem durch das Gehäuse strömenden Wasser
eine strahlungsdurchlässige
Abdeckung.
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Die
erfindungsgemäße Strahlungstrocknung in
einer Beschichtungstrommel bietet eine Reihe von Vorteilen.
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So
tritt bei Strahlungstrocknung das einleitend erwähnte Problem der Spritzstrahlablenkung nicht
auf, weil der bei konventioneller Warmlufttrocknung ausgerechnet
an der Sprühstelle
notwendige Luftstrom fehlt. Auch trocknet das Beschichtungsmaterial
schneller, was eine vielfältige
Lackauswahl erlaubt, bei der nur noch wenig auf die Trocknungseigenschaften
der Beschichtungsmaterialien geachtet werden muss. Wegen der besseren
Erwärmung
und schnelleren Trocknung der Beschichtung sind höhere Trommeldrehzahlen
oder dickerer Beschichtungsauftrag pro Rotation möglich; die
Prozesszeit wird gegenüber
der konventionellen Warmlufttrocknung deutlich (um ca. ein Drittel)
gesenkt. Die Verkürzung der
Prozesszeit zieht auch eine Senkung des ”Oversprays”, also des unnötig verbrauchten
Beschichtungsmaterials, nach sich. Daneben entstehen beim Auftrag
dickerer Schichten von Beschichtungsmaterial und ihrem schnellen
Trocknen bzw. Härten
besonders glänzende,
brilliante Oberflächen.
Weiterhin wird die Vorwärmzeit
der Trommel (vor allem beim Einsatz von Infrarotstrahlung) deutlich
verkürzt,
weil die Strahlung die Kleinteile sehr schnell auf die zur Beschichtung
ideale Temperatur erwärmt.
Da die Strahlung gezielt auf die Kleinteile einwirken kann, muss
nicht die gesamte Trommel erwärmt
werden. Hierdurch werden gegenüber
der konventionellen Lufttrocknung spürbare Leistungseinsparungen
von teilweise 20 kW und mehr erzielt.