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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen eines geschäumten
Materials auf eine Substratoberfläche, mit den Schritten:
Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der zu beschichtenden Substratoberfläche
und einer Austrittsöffnung einer Materialauftragsvorrichtung,
Mischen von zumindest zwei Materialkomponenten zur Bereitstellung
eines fließfähigen, aufschäumbaren Auftragsmaterials
in einer Mischeinrichtung, Erzeugen eines Druckunterschieds zwischen
der Mischeinrichtung und dem in Strömungsrichtung hinter
einem Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung gelegenen
Auftragsbereich, Fördern des Auftragsmaterials von der
Mischeinrichtung zu der Austrittsöffnung, und Abgeben des Auftragsmaterials
aus der Austrittsöffnung auf die Substratoberfläche.
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Verfahren
der eingangs genannten Art werden in einer Vielzahl industrieller
Anwendungen genutzt. Allgemein ist der Auftrag eines geschäumten Materials
immer dort wünschenswert, wo ein Materialauftrag erforderlich
ist, hierbei jedoch beispielsweise aus Kosten- oder Gewichtsgründen
möglichst wenig Auftragsmaterial aufgetragen werden soll,
ohne jedoch eine bestimmte Schichtstärke zu unterschreiten.
Insbesondere werden geschäumte Materialien in industriellen Anwendungen
aufgetragen, in denen eine Verklebung zweier Substrate oder Bauteile
angestrebt wird, dabei jedoch möglichst wenig Klebstoff verwendet
werden soll, um den Verbrauch des kostspieligen Klebstoffs zu reduzieren
und das Gewicht der verklebten Substrate oder Produkte durch die Verklebung
möglichst wenig zu erhöhen.
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Zum
Erzielen einer gleichmäßigen Verklebung ist es
erforderlich, das geschäumte Material möglichst
gleichmäßig aufzutragen. Unter einem gleichmäßigen
Auftrag ist hierbei zu verstehen, dass das Material einerseits hinsichtlich
der Schichtauftragsränder in Breiten- und Längenrichtung
entlang einer exakt vorbestimmten Kontur aufgetragen werden kann
und andererseits, dass die Schichtdicke der aufgetragenen Schicht über
den gesamten Schichtbereich möglichst genau einem vorbestimmten Schichtdickenverlauf
entspricht, insbesondere möglichst gleichmäßig
in Längs- und Breitenrichtung verläuft, weiter
insbesondere an jedem Punkt der aufgetragenen Schicht die gleiche
Dicke vorherrscht.
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Aus
DE 197 57 237 und
DE 197 57 238 sind Verfahren
bekannt, wird zum Auftragen der Schicht eine Mischung aus Gas und
Klebstoff aus einer Austrittsöffnung auf ein Substrat aufgetragen
wird. Die Mischung aus Gas und Klebstoff wird zuvor in einer Mischeinrichtung
erzeugt und mittels einer Pumpe zur Austrittsöffnung befördert.
Ein spezifisches Problem bei dieser Art des Auftragens des geschäumten Materials
liegt darin, dass bei der Förderung des geschäumten
Materials Schwankungen auftreten und folglich die gewünschte
Gleichmäßigkeit des Schichtauftrags nicht in allen
Anwendungsformen und Schichtabmessungsvarianten gewährleistet
ist. Insbesondere dann, wenn geschäumte Schichten mit einer
großen Breite, beispielsweise einer Breite von mehr als
einem halben Meter, insbesondere mehr als einem Meter, aufgetragen
werden sollen, wird mit dem bekannten Verfahren eine Schicht erzeugt,
welche hinsichtlich ihrer Dicke erheblichen örtlichen Schwankungen
unterliegt, so dass die Schichtqualität und folglich die
Qualität einer mittels der Schicht erzielten Verklebung
für viele Anwendungen nicht ausreichend ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen,
welches eine höhere Gleichmäßigkeit der
geschäumten Schicht, insbesondere hinsichtlich der Schichtdicke,
erzielt als bekannte Verfahren.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst,
indem das Auftragsmaterial im benachbarten Bereich stromaufwärts
vom Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung unter einem
solchen Druck gehalten wird, dass das Auftragsmaterial in diesem
Bereich eine Schäumungsrate von weniger als 10% der Schäumungsrate
hat, die sich nach Ende des Schaumvorgangs einstellt.
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Unter
der Schäumungsrate im Sinne der Erfindung soll hierbei
der prozentuale Volumenanteil des gasförmigen Schaumanteils
am Gesamtvolumen des Schaummaterials verstanden werden.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein gleichmäßiger
Auftrag des geschäumten Materials erzielbar ist, wenn das
Material im benachbarten Bereich zu dem Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung
stromaufwärts einen möglichst geringen gasförmigen
Volumenanteil aufweist. Hierdurch wird das Material beim Durchtritt
durch die Austrittsöffnung im Wesentlichen flüssige
oder flüssigpastöse Volumenanteile aufweisen,
wodurch eine gleichmäßige Förderung und
Abgabe des Auftragsmaterials aus der Austrittsöffnung erreicht
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
diese Erkenntnis so umgesetzt, dass das Auftragsmaterial im benachbarten
Bereich stromaufwärts vom Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung
unter einen solchen Druck gesetzt wird, dass die gasförmigen
Bestandteile des Auftragsmaterials weitestgehend komprimiert werden
oder in Lösung gehen, d. h. durch physikalischen Phasenwechsel
oder chemische Reaktion oder eine Unterdrückung eines/einer
solchen in den flüssigen Zustand wechseln bzw. im flüssigen
Zustand bleiben. Erfindungsgemäß wird somit das
Auftragsmaterial in einem nahezu vollständig in flüssiger
Phase vorliegendem Zustand durch die Austrittsöffnung gefördert und
hierbei entspannt, wodurch sich im Bereich stromabwärts
von der Austrittsöffnung der Schaum in dem gewünschten
Umfang bilden kann und eine gleichmäßige, geschäumte
Auftragsschicht erzeugt.
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Unter
dem Durchtrittsquerschnitt ist hierbei der für den Strömungswiderstand
der Austrittsöffnung maßgebliche Bereich des Strömungswegs
des Auftragsmaterials zu verstehen. Dieser maßgebliche Bereich
wird in der Regel durch den Bereich des engsten Querschnitts dargestellt.
Typischerweise liegt der Durchtrittsquerschnitt in der Öffnungsebene der
Austrittsöffnung. Es ist aber zu beachten, dass der Durchtrittsquerschnitt
auch stromaufwärts hierzu liegen kann, da sich der Strömungswiderstand
in Abhängigkeit der Materialeigenschaften einstellt.
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Es
ist zu verstehen, dass der für das erfindungsgemäße
Verfahren erforderliche Druck im benachbarten Bereich stromaufwärts
des Durchtrittsquerschnitts der Austrittsöffnung einerseits
durch die Größe des Durchtrittsquerschnitts beeinflusst
wird, andererseits von der Menge des durch diesen Durchtrittsquerschnitt
pro Zeiteinheit geförderten Materials und schließlich
von der Viskosität des Auftragsmaterials abhängt.
Somit kann der Druck über diese drei Parameter grundsätzlich
beeinflusst werden, d. h. zur Erhöhung des Drucks in dem
gewünschten Bereich kann einerseits die Fördergeschwindigkeit
oder die Viskosität erhöht werden oder der Durchtrittsquerschnitt
verringert werden.
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Der
für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erforderliche Druck hängt seinerseits von den
chemischen und physikalischen Eigenschaften der Auftragsmaterialmischung
ab. Insbesondere hängt der erforderliche Druck davon ab,
bei welchem Druck die gasförmige Phase des Auftragsmaterials
durch einen chemischen oder physikalischen Prozess in Lösung
geht bzw. sich verflüssigt und in diesem Zustand gehalten
wird. Als weiterer zur Umsetzung der erfindungsgemäßen
Lehre möglicher Parameter kann daher das Auftragsmaterial
so gestaltet werden, dass es bei einem bestimmten, insbesondere
bei durch vorgegebene Auftragsgeschwindigkeit, Durchtrittsquerschnittsgröße
und Viskosität definierten sonstigen Parametern eine Schäumungsrate
von weniger als 10% der Schäumungsrate hat, die sich nach
Ende des Schäumvorgangs einstellt.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform wird das Auftragsmaterial
im benachbarten Bereich stromaufwärts vom Durchtrittsquerschnitt der
Austrittsöffnung unter einem solchen Druck gehalten, dass
das Auftragsmaterial in diesem Bereich keinen gasförmigen
Anteil aufweist. Es hat sich gezeigt, dass die Gleichmäßigkeit
der aufgetragenen Schaumschicht weiter erhöht werden kann,
wenn das Auftragsmaterial im benachbarten Bereich stromaufwärts
vom Durchtrittsquerschnitt ausschließlich flüssige
oder flüssig-pastöse Anteile und folglich keinerlei
gasförmigen Anteil enthält. In diesem Fall ist
die Drosselwirkung der Austrittsöffnung sowohl zeitlich
als auch örtlich besonders konstant und somit gut regelbar
und die Menge des austretenden Auftragsmaterials örtlich
in hohem Maße konstant, wodurch ein gleichmäßiger
Auftrag erreicht werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Auftragsmaterial
im Bereich stromaufwärts vom Durchtrittsquerschnitt der
Austrittsöffnung unter einem solchen Druck gehalten, dass
das Auftragsmaterial in diesem Bereich eine Schäumungsrate
von weniger als 10% der Schäumungsrate hat, die sich nach
Ende des Schäumvorgangs einstellt bzw. keinen gasförmigen
Anteil aufweist. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die Gleichmäßigkeit
des Schaumauftrags weiter erhöht werden kann, wenn nicht
nur im benachbarten Bereich zum Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung
ein geringer oder kein Gasanteil in dem Auftragsmaterial vorhanden
ist, sondern im gesamten Bereich stromaufwärts vom Durchtrittsquerschnitt
der Austrittsöffnung kein gasförmiger Anteil im
Auftragsmaterial vorhanden ist. Hierdurch wird über den
gesamten Bereich von der Mischeinrichtung bis zur Austrittsöffnung eine
weitestgehend oder vollständig flüssige oder flüssig-pastöse
Phase gefördert, wodurch die Fördermenge pro Zeiteinheit
in hohem Maße konstant gehalten werden kann und folglich
die Gleichmäßigkeit des Auftrags wesentlich erhöht
werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Viskosität
des Auftragsmaterials zumindest im Bereich des Durchtrittsquerschnitts
der Austrittsöffnung erhöht, um den Strömungswiderstand
im Durchtrittsquerschnitts zu erhöhen. Durch die Erhöhung
der Viskosität kann der Strömungswiderstand, welcher
ein Durchtrittsquerschnitt dem Fluss des Auftragsmaterials durch
ihn hindurch entgegengesetzt, erhöht werden und hierdurch
der Druck im Bereich stromaufwärts vom Durchtrittsquerschnitt
ebenfalls erhöht werden. Hierdurch kann das erfindungsgemäße
Bestreben einer Unterdrückung gasförmiger Phasenanteile
im Auftragsmaterial stromaufwärts vom Durchtrittsquerschnitt
erzielt oder zumindest unterstützt werden. Zur Erhöhung
der Viskosität können sich hierbei unterschiedliche
Verfahren anbieten, wie beispielsweise die Zumischung hochviskoser
Bestandteile des Auftragsmaterials.
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Es
ist dabei besonders bevorzugt, das Auftragsmaterial abzukühlen,
um die Viskosität des Auftragsmaterials zu erhöhen.
Durch Abkühlen kann die Viskosität von in der
Regel allen heutzutage eingesetzten Auftragsmaterialien signifikant
herabgesetzt werden, indem die Verfestigungstemperatur des Auftragsmaterials
angenähert wird oder eine viskositätsverringernde
chemische Reaktion unterdrückt oder verzögert
wird. Dabei kann erfindungsgemäß durch aktives
Abküh len, beispielsweise in Form eines Wärmetauschers
mit einem gegenüber der Umgebungstemperatur abgesenkten
Kühlmittels, die Temperaturabsenkung im Auftragsmaterial
erreicht werden. Da das Auftragsmaterial jedoch häufig
durch den Fördervorgang und die Druckbeaufschlagung über die
Umgebungstemperatur erwärmt ist, kann die Abkühlung
im erfindungsgemäßen Sinne bereits durch Bereitstellung
wärmetauschender Flächen zur Umgebungsluft im
Wärmeflusskontakt zum gewünschten Abkühlungsbereich
erzielt werden, wenn ein wirksamer Wärmefluss zwischen
diesen Flächen und dem Auftragsmaterial besteht. Insbesondere
ist die Viskositätserhöhung bei der Verwendung
von heißschmelzenden Auftragsmaterialien geeignet, da diese
durch Abkühlung in einen Bereich knapp oberhalb ihrer späteren
Einsatztemperatur (in der sie in fester Phase vorliegen) eine erhebliche
Viskositätserhöhung erfahren.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn das Volumen des der Austrittsöffnung
zugeführten Auftragsmaterials in Abhängigkeit
des Drucks im benachbarten Bereich stromaufwärts vom Durchtrittsquerschnitt der
Austrittsöffnung geregelt wird, insbesondere so, dass ein
konstanter Druck im benachbarten Bereich stromaufwärts
vom Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung aufrechterhalten
wird. Durch die solcherart erzielte druckabhängige Volumenförderung
wird eine Regelung des Drucks in dem relevanten Bereich stromaufwärts
von dem Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung mit
schneller Regelgeschwindigkeit erreicht. Dabei ist gegebenenfalls,
um die aus der Erhöhung der Fördergeschwindigkeit
folgende, erhöhte Austrittsmenge pro Zeiteinheit aus der
Austrittsöffnung zu kompensieren, die Relativgeschwindigkeit zwischen
Substrat und Austrittsöffnung proportional zur Fördergeschwindigkeit
des Auftragsmaterials zu regeln, um die Gleichmäßigkeit
des Auftrags aufrechtzuerhalten.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn das Auftragsmaterial mittels einer volumetrisch
fördernden Pumpe zur Austrittsöffnung gefördert
wird. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine
präzise definierte Drosselwirkung im Durchtrittsquerschnitt
der Austrittsöffnung erzielt wird, kann zur Förderung
gegen diese Drosselwirkung besonders bevorzugt eine volumetrisch
fördernde Pumpe eingesetzt werden. Unter einer volumetrisch
fördernden Pumpe soll hierbei eine Pumpe verstanden werden,
welche in Abhängigkeit ihrer Steuereingangsgröße,
wie beispielsweise der Drehzahl einer Zahnradpumpe, einen bestimmten
Volumen strom fördert, der in einem vorzugsweise proportionalen
Verhältnis zur Steuereingangsgröße steht.
Für das erfindungsgemäße Verfahren wird
bevorzugt eine oder mehrere Zahnradpumpen eingesetzt, um eine volumetrische
Förderung zu erzielen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Auftragsmaterial
durch einen parallel zu der zu beschichtenden Substratoberfläche angeordneten
Spalt als Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung auf
die Substratoberfläche aufgetragen, und Substratoberfläche
und Austrittsöffnung während des Auftragsvorgangs
in einer quer zur Erstreckungsrichtung des Spalts verlaufenden Richtung
relativ zueinander bewegt. Wie eingangs erläutert, besteht
die Problematik des ungleichmäßigen Schichtauftrags
insbesondere dann, wenn Substrate mit einer Schicht in einer Längsrichtung
zum geschäumten Auftragsmaterial beschichtet werden sollen,
welche quer zur Längsrichtung eine Breite von mehr als
einem halben Meter, insbesondere mehr als einem Meter, einnehmen.
Oftmals kommt es bei diesen Anwendungen bei Verwendung konventioneller Auftragsverfahren
zu erheblichen Dickenschwankungen der aufgetragenen Schicht sowohl
in Längs- als auch in Breitenrichtung der Schicht. Das
erfindungsgemäße Verfahren erzielt daher insbesondere
bei der Anwendung in Beschichtungsvorgängen mit großer
Breite besondere Vorteile und kann hierzu solcherart umgesetzt werden,
dass als Auftragsdüse eine Schlitzdüse verwendet
wird, welche eine ausreichende Querschnittsverringerung bereitstellt,
um die für das erfindungsgemäße Verfahren
erforderliche Druckerhöhung im Bereich stromaufwärts
des Durchtrittsquerschnitts der Schlitzdüse zu erzielen.
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Dabei
ist es insbesondere bevorzugt, wenn das Auftragsmaterial mittels
mehrerer Auftragsmaterialförderpumpen zu entsprechend mehreren
Spaltabschnitten des Spalts gefördert wird, wobei jedem Spaltabschnitt
eine Auftragsmaterialförderpumpe zugeordnet ist. Es hat
sich gezeigt, dass trotz der Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eine Gleichmäßigkeitsschwankung in
Breitenrichtung auftreten kann, wenn das geschäumte Auftragsmaterial mit
großen Breiten aufgetragen wird. Der zuvor beschriebenen
Fortbildung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Gleichmäßigkeitsschwankungen maßgeblich
darauf zurückzuführen sind, dass die Verteilung
des Auftragsmaterials mittels einer einzigen Förderpumpe
nicht gleichmäßig über die gesamte Breite
der Schlitzdüse erfolgt. Erfin dungsgemäß ist daher
vorgesehen, den Spalt der Schlitzdüse in mehrere Abschnitte
zu unterteilen und jeden Abschnitt separat mit einer ihm zugeordneten
Förderpumpe mit Auftragsmaterial zu versorgen. Als Abschnitt
ist in diesem Zusammenhang ein physikalisch tatsächlich abgegrenzter
Abschnitt des gesamten Spalts der Düse oder ein lediglich
virtuell bestimmter Abschnitt des Spalts zu verstehen. Während
bei ersterer Gestaltung die einzelnen Spaltabschnitte durch eine zwischen
ihnen ausgebildete Begrenzung unterteilt sind, hinter welcher sich
stromabwärts der Auftragsmaterialstrom zu einem gemeinsamen
Materialstrom zusammenschließt, ist im letzteren Fall die
Materialführung vor, hinter und in dem Spalt ein zusammenhängender
Materialstrom, der nicht getrennt wird.
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Die
erfindungsgemäße Ausführungsform mit mehreren
Spaltabschnitten und jeweils jedem Spaltabschnitt zugeordneter Auftragsmaterialförderpumpe
kann insbesondere dadurch fortgebildet werden, dass sich jeder Spaltabschnitt über
weniger als 20 cm erstreckt, insbesondere über 15 cm. Diese
Abmessung hat sich für eine Reihe von Auftragsmaterialien
als besonders vorteilhaft zur Erzielung eines gleichmäßigen
Auftrags erwiesen.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn das Material in einer Mischeinrichtung zu
einer schäumbaren Materialmischung gemischt wird, mittels
einer ersten, in der Mischeinrichtung angeordneten Förderpumpe zu
einem Auftragskopf gefördert wird und innerhalb des Auftragskopfs
mittels zumindest einer zweiten, vorzugsweise mehreren zweiten,
im Auftragskopf angeordneten Förderpumpen zu der am Auftragskopf angeordneten
Austrittsöffnung gefördert wird. Durch die Bereitstellung
von einer ersten und zumindest einer zweiten Förderpumpe,
welche beabstandet voneinander angeordnet sind, kann einerseits
die erfindungsgemäße Druckregelung in dem für
das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen
Druckbereich unterhalb einer Schaumbildung bzw. maßgeblichen
Schaumbildung besonders gut erzielt werden, ohne dass hierzu die
Notwendigkeit besteht, dass Schaummischung und Schaumauftrag aus
einem einzigen Modul heraus erfolgen muss. Stattdessen wird durch
die Anordnung ermöglicht, die Schaummischung und -aufbereitung
in einer Mischeinrichtung vorzunehmen und den Schaumauftrag aus
einem Auftragskopf heraus durchzuführen, der hinsichtlich seiner
Abmessungen folglich sehr kompakt gehalten werden kann. Sowohl die
erste Förderpumpe als auch die zweite Förderpumpe
können dabei als eine oder mehrere einzelne Förderpumpen
ausgebildet sein, wobei insbesondere die erste Förderpumpe durch
zwei strömungstechnisch in Serie arbeitende Förderpumpen
ausgebildet sein kann und die zweiten Förderpumpen insbesondere
mehrere nebeneinander und strömungstechnisch parallel arbeitende Förderpumpen
sein können.
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Dabei
ist es weiterhin bevorzugt, wenn das Material innerhalb des Auftragskopfs
mittels mehrerer im Auftragskopf angeordneten und parallel arbeitenden
Förderpumpen, vorzugsweise Zahnradpumpen, zu mehreren Austrittsöffnungsabschnitten
gefördert wird, von denen jeweils ein Austrittsöffnungsabschnitt
jeweils einer Förderpumpe zugeordnet ist. Durch diese Fortbildung
wird der gleichmäßige Materialauftrag des Schaummaterials über
eine große Breite weiterhin entscheidend verbessert, indem
die Austrittsöffnung in mehrere Abschnitte unterteilt wird, welche
jeweils einer von mehreren parallel arbeitenden zweiten Förderpumpen
zugeordnet sind. Durch diese Zuordnung kann die jeweils einem Austrittsöffnungsabschnitt
zugeordnete Förderpumpe so geregelt werden, dass sich eine
insgesamt gleichmäßige Auftragsstärke über
die gesamte Auftragsbreite einstellt. Dabei ist zu verstehen, dass
die Austrittsöffnungsabschnitte sowohl tatsächlich
physikalisch voneinander getrennte Abschnitte sein können
als auch lediglich virtuell zugeordnete Abschnitte darstellen können,
welche innerhalb einer gesamten Austrittsöffnung definiert
sind, ohne dass hierzu eine tatsächliche physikalische
Abtrennung zwischen den Austrittsöffnungsabschnitten besteht,
d. h. eine virtuelle Zuordnung der Abschnitte zu deren jeweiliger Förderpumpe
besteht.
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Weiterhin
ist es dabei bevorzugt, wenn der Druck des Materials innerhalb des
Auftragskopfs im Bereich zwischen den im Auftragskopf angeordneten Förderpumpen
und der Austrittsöffnung mittels eines oder mehrerer Drucksensoren
erfasst wird, und die Förderleistung der im Auftragskopf
angeordneten Förderpumpen in Abhängigkeit des
erfassten Drucks solcherart geregelt wird, dass das Auftragsmaterial
in diesem Bereich eine Schäumungsrate von weniger als 10%
der Schäumungsrate hat, die sich nach Ende des Schäumvorgangs
einstellt bzw. keinen gasförmigen Anteil aufweist. Mit
dieser Fortbildungsform wird eine präzise Regelung der
für die erfindungsgemäße Druckregelung
erforderlichen Förderleistung der Förderpumpen
erzielt, indem ein direkter Regelkreis des Drucks aus den relevanten
Bereichen zu Förderpumpen, welche unmittelbar den Druck
in diesen Bereichen beeinflussen, ausgebildet wird.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Auftragen
eines geschäumten Materials auf eine Substratoberfläche,
umfassend: eine Mischeinrichtung, welche mit zumindest zwei Materialquellen
in Fluidverbindung steht und eine Mischeinheit zum Mischen der aus
den beiden Materialquellen zugeführten Materialkomponenten
zu einem fließfähigen, aufschäumbaren
Auftragsmaterials, eine Förderpumpe zum Erzeugen eines
Druckunterschieds zwischen der Mischeinrichtung und einem in Strömungsrichtung
hinter einem Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung
gelegenen Auftragsbereich, eine Austrittsöffnung mit einem
Durchtrittsquerschnitt, welcher einen Strömungswiderstand
gegenüber dem sie durchströmenden Auftragsmaterial
bereitstellt, bei welcher der Durchtrittsquerschnitt so bemessen ist,
dass das Auftragsmaterial im benachbarten Bereich stromaufwärts
vom Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung unter einem
solchen Druck gehalten wird, dass das Auftragsmaterial in diesem
Bereich eine Schäumungsrate von weniger als 10% der Schäumungsrate
hat, die sich nach Ende des Schäumvorgangs einstellt. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere
dafür, den Auftrag eines geschäumten Auftragsmaterials
gemäß des erfindungsgemäßen
Verfahrens durchzuführen. Fortbildungen der Vorrichtung
sind in den Ansprüchen 15 bis 25 angeführt.
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Zu
Details, spezifischen Vorteilen und Funktionsweisen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird auf die vorherige Beschreibung entsprechender Verfahrensaspekte
und deren Fortbildungen verwiesen.
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Hierzu
ist insbesondere in Bezug auf die erste Förderpumpe zu
beachten, dass diese erste Förderpumpe durch eine oder
mehrere in Serie oder parallel arbeitende Förderpumpen
ausgebildet werden kann, um die Förderleistung entsprechend
den Anforderungen bereitzustellen. Die zweiten Förderpumpen
können insbesondere strömungstechnisch im Auftragskopf
angeordnet sein und jeweils einen virtuell abgetrennten oder tatsächlich
physikalisch abgetrennten Abschnitt der Austrittsöffnung
mit dem Auftragsmaterial versorgen. Diese zweiten Förderpumpen
arbeiten strömungstechnisch parallel und sind vorzugsweise
konstruktiv ebenso parallel am Auftragskopf angeordnet. Sie werden
vorzugsweise einzeln geregelt, so dass eine individuelle Regelung
von deren Förderleistung und folg lich des aus den ihnen zugeordneten
Austrittsöffnungsabschnitten austretenden Auftragsmaterials
möglich ist. Hierdurch können insbesondere über
die Breite des Austrittsöffnungsabschnitts sich ausbildende
Unterschiede in der Auftragshöhe des Auftragsmaterials,
beispielsweise bedingt durch unterschiedliche Strömungswiderstände
in den Zuleitungsabschnitten, ausgeglichen werden und ein insgesamt
gleichmäßiges Auftragsbild erzielt werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der
anhängenden Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht des Auftragskopfes einer Auftragsvorrichtung
gemäß der Erfindung von schräg vorne
oben,
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2 eine
Frontalansicht des Auftragskopfes gemäß 1,
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3 eine
Draufsicht des Auftragskopfes gemäß 1,
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4 eine
Seitenansicht des Auftragskopfes gemäß 1,
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5 eine
Explosionsdarstellung der wesentlichen Bestandteile eines erfindungsgemäßen Auftragskopfes,
und
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6 eine
schematische Darstellung des Materialflusses innerhalb der erfindungsgemäßen Auftragsvorrichtung.
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Bezug
nehmend auf die 1 bis 4 umfasst
eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Auftragsvorrichtung einen Auftragskopf 1 mit einem Verschlussgehäuse 2a,
in dem eine verschwenkbare Welle angeordnet ist, die über
eine Motor-/Getriebeeinheit 2 angetrieben wird. Die schwenkbare
Welle weist einen Längsschlitz auf, durch den eine Mischung
aus zwei Komponenten eines schäumbaren Materials in einer
ersten Schwenkstellung hindurchtreten und in einer zweiten Schwenkstellung
nicht hindurchtreten kann.
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Der
Auftragskopf 1 umfasst insgesamt acht Materialförderpumpen 90a–h.
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Am
Auftragskopf 1 ist eine Schlitzdüse 4 angeordnet,
welche sich über die Breite des Auftragskopfs und quer
zur Förderrichtung eines unter der Schlitzdüse
durchgeförderten Substrats erstreckt. Die Schlitzdüse 4 erstreckt
sich über eine Breite von 1,5 m. Der Auslassquerschnitt
der Schlitzdüse ist so bemessen, dass im Bereich zwischen
den Materialförderpumpen 91a–h und der
Schlitzdüse 4 ein Druck aufrechterhalten wird,
der vollständig oder nahezu vollständig verhindert,
dass in dem Materialstrom zwischen den Materialförderpumpen 91a–h
und der Schlitzdüse 4 gasförmige Anteile
im Auftragsmaterial auftreten können. Der Druck ist so
hoch, dass sämtliche oder fast sämtliche gasförmigen
Anteile in diesem Bereich in Lösung gehen oder auf ein
solches Maß komprimiert werden, dass ein vernachlässigbarer
gasförmiger Volumenanteil insbesondere weniger als 10%
im Auftragsmaterial vorliegt. Erst nach Austritt aus der Schlitzdüse 4 findet
der eigentliche Aufschäumvorgang und die damit verbundene
Expansion des Auftragsmaterials statt.
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5 zeigt
eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform eines
Auftragskopfes zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Auftragsverfahrens. Der Auftragskopf umfasst das Verschlussgehäuse 2a,
in dem die mit einem Längsschlitz versehene Verschlusswelle 2b schwenkbar
gelagert ist. Die Verschlusswelle 2b kann über
die Motor-/Getriebeeinheit 2 verschwenkt werden, um den
Materialfluss zu sperren oder freizugeben.
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Unterhalb
und in Strömungsrichtung hinter der Verschlusswelle 2b im
Gehäuse 2a ist eine durch zwei Begrenzungskanten 4a, 4b definierte
Schlitzdüse 4 angeordnet, durch welche das Material
austreten kann.
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Oberhalb
seitlich und in Strömungsrichtung vor der Verschlusswelle 2b im
Gehäuse 2a sind insgesamt acht Zahnradförderpumpen 90a–h
angeordnet, die jeweils durch einen separaten Elektromotor 91a–h
angetrieben werden. Die Zahnradpumpen 91a–h werden über
jeweils ein Winkelgetriebe angetrieben.
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Die
Zahnradpumpen 91a–h werden mit Auftragsmaterial
von einer am linken Ende und einer am rechten Ende des Auftragskopfes
angeschlossene Förderleitung versorgt. Somit steht den
außenliegenden Zahnradpumpen 90a bzw. 90h jeweils
eine praktisch widerstandsfreie Auftragsmaterialquelle zur Verfügung.
Jeweils im Eingangsbereich in den Auftragskopf dieser beiden Zuführleitungen
ist ein Drucksensor 73, 74 angeordnet, welcher
den Druck stromaufwärts von den Zahnradpumpen misst.
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6 zeigt
ein schematisches Ablaufdiagramm der erfindungsgemäßen
Auftragsvorrichtung.
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Die
in 6 schematisch dargestellte Vorrichtung umfasst
eine Materialquelle 10, in der ein flüssiges Auftragsmaterial
aufbewahrt wird. Die Materialquelle 10 ist über
eine erste Verbindungsleitung 11 mit einer Materialförderpumpe 20 verbunden,
die das Material aus der Materialquelle 10 in eine zweite Verbindungsleitung 21 fördert.
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Aus
der zweiten Verbindungsleitung 21 tritt das geförderte
Material in einen dritten Verbindungsleitungsabschnitt 22 ein
und wird an einem T-Stück 23 mit Luft aus einer
Luftzuführleitung 31 vermengt.
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Die
Luft, die über die Luftzuführleitung 31 dem
T-Stück 23 zugeführt wird, wird hinsichtlich
ihres Volumenstroms durch ein Luftsteuerungsventil 30 geregelt
und ist an das T-Stück 23 mit einem Rückschlagventil 32 angeschlossen,
welches verhindert, dass Material aus dem Leitungsabschnitt 22 in
die Luftzuführleitung 31 gedrückt wird.
Ein geregeltes Drosselventil 33 stellt einen konstanten
Eingangsdruck für die Luftsteuerungsvorrichtung 30 bereit.
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Die
vermengte Luft/Materialmasse wird über einen vierten Verbindungsleitungsabschnitt 24 einer Schaumförderpumpe 40 zugeführt,
die das Luft/Materialvolumen an ihrer Auslassseite in einen fünften Verbindungsleitungsabschnitt 41 fördert,
der in eine Mischvorrichtung 50 mündet.
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Die
Mischvorrichtung
50 ist ein Rotationsmischer, in der die
Luft/Materialmenge homogen miteinander vermischt wird, beispielsweise
in der Art, wie in
EP
0 220 450 B1 beschrieben. Hierzu wird Bezug genommen auf
EP 0 220 450 B1 ,
insbesondere die dort beschriebene Scheibenmischvorrichtung gemäß Spalte
4,
Zeile
21 bis Spalte
5, Zeile
51 sowie
die
2–
4 mit den
zugehörigen Beschreibungsteilen.
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Aus
der Mischvorrichtung wird das homogen vermischte Schaummaterial
durch einen sechsten Leitungsabschnitt 51 einer Drossel 60 zugeführt.
In Schaumströmungsrichtung vor und hinter der Drossel 60 sind
Druckssensoren 71, 72 einer Druckmessvorrichtung 70 angeordnet,
die den Differenzdruck über die Drossel 60 aufnehmen.
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Die
Drucksensoren 71, 72 sind mit einer Steuerungsvorrichtung
(nicht dargestellt) verbunden, um ihr Druckmesssignal an diese Steuerungsvorrichtung
zu übermitteln. Die Steuerungsvorrichtung ist mit der Gasventilvorrichtung 30 verbunden,
um in Abhängigkeit der Druckmesssignale der Drucksensoren 71, 72 den
Zufuhrvolumenstrom des Gases durch die Leitung 31 zu regeln.
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Hinter
der Drossel 60 wird das homogen vermischte Material durch
einen weiteren Leitungsabschnitt 61 und eine flexible Schlauchleitung 81 zu
einem Schaumauftragskopf 1 gefördert. Der Schaumauftragskopf 1 umfasst
eine Vielzahl von Schaumauftragsabschnitten 82a, b, c,
.., h aus denen das Schaumauftragsmaterial auf ein Substrat abgegeben wird,
das unter den Auftragsöffnungen dieser Schaumauftragsdüsen
entlang läuft.
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Der
Schaumauftragskopf 1 weist weiterhin eine Durchlauföffnung 83 auf,
die mit einem flexiblen Schlauchabschnitt 84 verbunden
ist. Der flexible Schlauchabschnitt 84 mündet
in ein Sperrventil 85, das mit einem Leitungsabschnitt 86 verbunden
ist. Der Leitungsabschnitt 86 mündet zwischen
dem zweiten und dritten Leitungsabschnitt 21 bzw. 22 in die
Förderleitung zwischen der Materialförderpumpe 20 und
dem T-Stück 23, bei dem Luft zugeführt
wird. Über die Schlauchleitung 84 und den Leitungsabschnitt 86 kann
der Schaum durch Betrieb der Schaumförderpumpe 40 zirkuliert
werden, ohne dass Schaum aus den Schaumauftragsabschnitten 82a–h abgegeben
wird.
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Zusätzlich
ist das Sperrventil 85 mit einer flexiblen Schlauchleitung 12 versehen,
die mit dem Schlauchabschnitt 84 verbunden ist und über
ein Ventil 13 in den oberen, luftgefüllten Teil
der Materialquelle 10 mündet. Über diese
Schlauchleitung 12 kann das Material bei Betrieb der Materialförderpumpe 20 durch
die gesamte Anlage zirkuliert werden, ohne dass ein kritischer Druckanstieg
in der Anlage erzielt wird, wenn aus den Schaumauftragsdüsen 82a,
b, c, ... kein Schaum abgegeben wird. Hierzu wird das Ventil 13 geöffnet,
wenn die Schaumabgabe für eine bestimmte Zeitspanne gestoppt
ist.
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Zudem
kann über die Schlauchleitung 12 eine Spülung
der gesamten Anlage durchgeführt werden, indem die Schaumauftragsdüsen
geschlossen werden, das Ventil 13 geöffnet wird
und eine Zirkulation stattfindet bis beispielsweise die gesamte Anlage
mit einer neuen, geänderten Schaumqualität befüllt
ist.
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Am
Auftragskopf 1 sind insgesamt acht Zahnradförderpumpen 90a–h
angeflanscht, welche das über die Schlauchleitung 81 und
einen Verteilerkanal 81a zugeführte Auftragsmaterial
zu den Schaumauftragsabschnitten 82a–h fördern.
Ein Drucksensor 73 ist am Auftragskopf 1 angeordnet, um
den Druck in der Zuleitung zu erfassen. Das Sensorsignal des Drucksensors 73 wird
genutzt, um die Förderleistung der Zahnradpumpen 90a–h
zu regeln, um hierdurch den erfindungsgemäß erforderlichen Druck
zur Unterdrückung einer Schaumbildung zu erzielen.
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Erfindungsgemäß wird
im gesamten Bereich stromabwärts von der Mischvorrichtung 50 bis
zur Austrittsöffnung der Schaumauftragsabschnitte 82a–h
ein Druck aufrechterhalten, welcher eine Schaumbildung im Auftragsmaterial
vollständig unterdrückt oder zumindest so weit
reduziert, dass nicht mehr als 10% der Schäumungsrate in
diesem Bereich besteht gegenüber der sich am Ende des Schäumvorgangs
einstellenden Schäumungsrate.
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Das
erfindungsgemäße Schaumerzeugungs- und Auftragsverfahren
läuft wie folgt ab:
Die Materialförderpumpe 20 fördert
Material aus der Materialquelle 10 zu der Schaumförderpumpe 40.
In einem ersten Betriebsmodus wird diesem Material keine Luft zugeführt,
sodass das Material durch die Mischvorrichtung 50 ohne
eine Mischung mit Luft dem Auftragskopf 80 zugeführt
wird und folglich ein Auftrag von ungeschäumtem Material
aus der Materialquelle erzielt wird. Hierbei kann in einem Bypassbetrieb über
die flexiblen Leitungen 84, 12 das Material rezirkuliert
werden, wenn die Materialförderpumpe 20 und die
Schaumförderpumpe 40 betrieben werden. Alternativ
kann das Material in einem zweiten Betriebsmodus in einem kleinen
Kreislauf über die flexible Leitung 84 und den
Leitungsabschnitt 86 zirkuliert werden, wenn nur die Schaumförderpumpe 40 betrieben
wird.
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In
einem dritten Betriebsmodus wird dem geförderten Material
am T-Stück 23 Luft oder ein anderes Gas, beispielsweise
Stickstoff, zugeführt, sodass eine Gas/Materialmenge in
die Schaumförderpumpe 40 eintritt und von dort
in die Mischvorrichtung 50 gefördert wird. In
der Schaumförderpumpe findet eine Vorvermischung des Materials
und des Gases statt. In der Mischvorrichtung 50 wird diese
Gas/Materialmischung zu einer homogenen Materialmischung vermischt
und schließlich dem Auftragskopf 1 zugeführt.
Beim Auftragskopf 1 wird dieses Schaummaterial aus den
Auftragsdüsen 82a–c auf ein Substrat abgegeben.
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Soll
der Auftragsvorgang vorübergehend unterbrochen werden,
so können die Auftragsdüsen 82a–c
verschlossen werden und das Auftragsmaterial über die flexible
Leitung 84 bei betriebener Schaumförderpumpe 40 zirkuliert
werden. Dabei kann entweder die Materialförderpumpe abgestellt werden
oder die Materialförderpumpe ebenfalls im Bypass betrieben
werden, indem das Auftragsmaterial über die flexiblen Leitungen 84, 12 in
die Materialquelle 10 zurückgeführt wird.
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Das
Schaumerzeugungs- und Auftragsverfahren wird dabei geregelt, indem
die Drucksensoren 71,72 den Differenzdruck über
die Drossel 60 erfassen und der Steuervorrichtung zuführen.
Die Steuervorrichtung vergleicht den gemessenen Differenzdruck mit
einem für die gewünschte Schaumqualität vorbestimmten
Differenzsolldruck und führt in Abhängigkeit des
Unterschieds von Ist-Differenzdruck und Soll-Differenzdruck der
Gasventilvorrichtung 30 ein Signal zu, um die Gaszufuhr
zu erhöhen oder zu verringern oder steuert die Materialförderpumpe,
die Schaumförderpumpe und/oder die Mischvorrichtung entsprechend
an.
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Ein
weiterer Steuerungs- bzw. Regelungseffekt wird dadurch erzielt,
dass die Materialförderpumpe 20 als Zahnradpumpe
ausgebildet ist und ein drehzahlabhängiges Signal erzeugt,
das ebenfalls der Steuerungsvorrichtung zugeführt wird.
Die Steuerungsvorrichtung steuert nun in Abhängigkeit von diesem
drehzahlabhängigen Signal die Gasventilvorrichtung 30 so
an, dass bei steigender Drehzahl der Materialförderpumpe 20 auch
eine steigende Gasmenge am T-Stück 23 eingespiesen
wird und umgekehrt.
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Die
Materialförderpumpe 20, die Schaumförderpumpe 40 fördern
dabei das Material bzw. das mit dem Schaumerzeuger versetzte Material
mit einem solchen Druck in die Mischvorrichtung 50, dass stromabwärts
von der Mischvorrichtung 50 bis zu den Zahnradförderpumpen 82a–h
ein solcher Druck besteht, dass Schaumbildung vollständig
unterdrückt bzw. weitestgehend vermieden wird. Die Zahnradförderpumpen 90a–h
fördern das ihnen solcherart zugeförderte Auf tragsmaterial
ihrerseits mit einem solchen Druck bis zum Auslassquerschnitt der
Austrittsöffnung der Schaumauftragsabschnitte 82a–h,
dass stromabwärts von den Zahnradförderpumpen 90a–h bis
zu dem Auslassquerschnitt keine Schaumbildung bzw. eine nur geringfügige
Schaumbildung auftritt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19757237 [0004]
- - DE 19757238 [0004]
- - EP 0220450 B1 [0047, 0047]