-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrostatischen
Beschichtung eines Objektes mittels eines Fluidisierbehälters sowie
einen hierfür
verwendeten Fluidisierbehälter.
-
Beim
elektrostatischen Fluidisierbehälter
sowie bei der Transferapplikation werden hohe Pulvermengen auf engem
Raum elektrostatisch abgeschieden. Dabei treten hohe Raumladungsdichten
durch aufgeladene Partikel und Luftionen auf. Durch Raumladungen
wird die Feldstärke
in unmittelbarer Nähe
zur Elektrode reduziert (Korona unterdrückt) und die Aufladung der
Partikel verringert. Es treten Inhomogenitäten in der Sprühwolke auf,
die zu Schichtdickenschwankungen, Kantenunterbeschichtung, reduzierter
optischer Verlaufsqualität
und verstärkter
Rückionisationsneigung
sowie geringer Haftung der uneingebrannten Pulverlackschicht führen. Die
Rückionisation
ist ein Effekt, bei dem in der hoch aufgeladenen Pulverschicht Partikel
umgeladen werden und aus der Schicht zurücksprühen. Dabei entstehen Rückionisationskrater
und damit verbunden Verlaufsstörungen.
Dieser Effekt ist in 1 am Beispiel einer elektrostatischen
Pulversprühpistole dargestellt.
-
Nach
dem Stand der Technik werden in der Regel zur elektrostatischen
Pulverbeschichtung Sprühpistolen
mit geringer Abscheidemenge/Zeiteinheit verwendet (ca. 1–3 g Pulver/s).
Die Sprühpistole
wird mittels einer Hub- oder Schwenkbewegung übers Werkstück gefahren, wobei sich Raumladungen
nur in geringem Maße
aufbauen bzw. durch die langsamen Hubbewegungen (z. B. 0,5 m/s)
wieder abbauen können.
Die im Verhältnis
zur aufgebrachten Pulvermenge hohen Luftvolumenströme (ca.
5–8 m3/h je Sprühpistole) und damit hohen Luftgeschwindigkeiten
an der Düse
(ca. 10 m/s in unmittelbarer Nähe
zur Elektrode) sorgen für
die Beschleunigung insbesondere feiner Partikel, die einen hohen
Anteil an der Raumladung besitzen, da sie aufgrund ihrer hohen Anzahl
in der Pulverwolke eine hohe Ladung einbringen. Beim Einsatz des
elektrostatischen Fluidisierbetts sind nur Strömungsgeschwindigkeiten bis
ca. 0,02 m/s sinnvoll (Luftvolumenstrom je nach Baugröße 5–50 m3/h), da sonst der Luftbedarf zu hoch wird
(Einsatz von großen
Mengen Druckluft ist teuer und nicht energieeffizient) und keine
homogene Fluidisierung mehr stattfindet. Bei zu hohen Luftgeschwindigkeiten
würde der
Oversprayanteil beim Fluidisierbett in den Bereich der elektrostatischen
Pulverbeschichtung kommen, so dass außer der geringen Baugröße kein
entscheidender Vorteil zur Sprühpistolentechnik
mehr vorhanden wäre,
da sonst hohe Mengen Rückgewinnungspulver
im Kreislauf gefahren werden müssten.
-
Die
DE 31 01 448 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrostatischen Beschichten
mit einer gesteuerten Teilchenwolke, wobei ionisierte Luft durch
eine poröse
Trägerplatte
geleitet wird und so elektrostatisch geladenes Pulver fluidisiert
wird. Das fluidisierte Pulver wird mittels Wechselspannung mit einer
Frequenz von 60 Hz bis 30 kHz gesteuert.
-
Die
Druckschrift
US 4,652,318
A offenbart Vorrichtungen zum elektrostatischen Aufladen
von Pulver mittels einer Kombination aus Elektroden, an denen eine
hochfrequente Wechselspannung anliegt, und Elektroden, an denen
eine hochfrequente Gleichspannung anliegt.
-
Die
DE 27 13 249 C2 beschreibt
ein Beschichtungsverfahren, wobei während des Beschichtens fluidisiertes
Pulver einem Hochspannungsimpuls ausgesetzt wird und wobei das übrige fluidisierte
Pulver nach dem Beschichten einem Spannungsimpuls in entgegen gesetzter
Feldrichtung ausgesetzt wird.
-
Die
DE 26 00 592 C2 offenbart
ein Verfahren zur Erzeugung geladener Teilchen, wobei Pulver durch einen
von 2 Elektroden begrenzten Raum bewegt wird. Die Elektroden sind
dabei aus plattenförmigen
Teilelektroden aufgebaut, an denen eine Wechselspannung anliegt.
Auch zwischen den beiden Elektroden liegt eine Potentialdifferenz
vor.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine geeignete Hochspannungstechnik
zur Verfügung
zu stellen, um kompakte und kostengünstige elektrostatische Pulverapplikationen,
insbesondere für
den elekt rostatischen Fluidisierbehälter zur Verfügung zu
stellen.
-
Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie den Fluidisierbehälter nach
Anspruch 8 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Fluidisierbehälters werden
in den jeweiligen abhängigen
Ansprüchen
gegeben.
-
Mit
dem erfindungsgemäß verbesserten
Verfahren wird eine deutlich verbesserte Schichtdickengleichmäßigkeit,
Kantenabdeckung, optische Verlaufsqualität, verminderte Rückionisationsneigung
und verbesserte Haftung der uneingebrannten Pulverschicht (Coulombsche
Haftkräfte)
durch verbesserte Aufladung der Partikel erzielt. Der Oversprayanteil
wird wegen der höheren
Aufladung des Pulvers minimiert (höherer Auftragswirkungsgrad).
Die erfindungsgemäße Technik
ist insbesondere in Zusammenhang mit der Transferapplikation von
Pulver, wie in der
EP
1 321 197 A1 und der Fluidisierbehälter wie in der
DE 10 2004 010 177 A2 zu
sehen, da dort die Dosierung und der Transport des Pulvers durch überwiegend
elektrostatische Kräfte
erfolgt.
-
Im
Folgenden werden nun einige Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens
und des erfindungsgemäßen Fluidisierbehälters beschrieben.
-
Dabei
zeigen
-
1 das
Auftreten von Rückionisation
nach dem Stand der Technik;
-
2 eine
eingesetzte sinusförmige
Wechselhochspannung;
-
3 eine
eingesetzte rechteckförmige
Wechselhochspannung;
-
4 eine
weitere eingesetzte Wechselhochspannung;
-
5 ein
Schema des Haftungsprüfgerätes;
-
6 Ergebnisse
der Haftungsprüfung
bei unterschiedlichen Spannungssignalen;
-
7 ein
Messaufbau zur Rückionisationsmessung;
-
8 die
Rückionisationsneigung
bei unterschiedlichen Spannungssignalen;
-
9 Ergebnisse
Wd-Wert Verlaufsmessung; und
-
10 relative
Standardabweichung der Schichtdicke bei unterschiedlichen Spannungssignalen.
-
Versuche
mit einem Hochspannungsverstärker,
der über
einen Funktionsgenerator angesteuert wird, zeigen, dass pulsierende
Hochspannungssignale vorteilhaft sein können. Der Einsatz reiner Wechselspannung
führt allerdings
ab ca. 20 Hz zu Entladungen der Pulverschicht und unter 20 Hz zu
sehr schlechten Verlaufsergebnissen der applizierten Pulverschicht.
Bei pulsierenden Gleichspannungssignalen liefern Sinuskurven, sowie
Sinuskurven mit einem Versatz um eine Spannungsdifferenz Δ U (Offset)
eine verringerte Aufladung des Pulvers, da bei geringem Spannungswert
ge ring aufgeladene Pulverpartikel erzeugt werden. Hochspannungserzeuger,
die „sinusähnliche” Kurven
erzeugen, wären
grundsätzlich
kostengünstig
herzustellen, da bei den hohen erforderlichen Spannungen (in den
Versuchen bis 30 kV) der Abbau der Kapazität zur Erzeugung von Rechtecksignalen
in der technischen Umsetzung aufwändig ist. Besonders kostengünstig sind
Hochspannungstechniken, die eine 50 Hz pulsierende Gleichspannung
erzeugen (Steckdosenwechselspannungsfrequenz). Eine „sinusähnliche” Kurve
mit Offset kann beispielsweise durch eine Überlagerung von Gleichspannung
und Wechselspannung erzielt werden. Dabei wird jedoch eine verringerte
Aufladung des Pulvers im Vergleich zur Aufladung mittels einer Gleichspannungsquelle
in Kauf genommen.
-
Unabhängig davon,
ob die gepulste Spannung eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung
ist, ist der Offset vorzugsweise kleiner als die Pulshöhe, welche
als halbe Amplitude des Signals definiert ist.
-
Unsere
Versuche zeigen jedoch, dass bei Frequenzen unterhalb von 20–30 Hz entscheidende
Vorteile hinsichtlich der Kriterien Schichtdicke/Kantenabdeckung/optische
Verlaufsqualität/Rückionisationsneigung/Haftung
der uneingebrannten Pulverlackschicht am Substrat erkennbar sind.
Bei hohen Frequenzen wird die Flächenleistung
des Abscheidegrades minimiert. Aus der Kenntnis des Fachmanns wäre jedoch
zu erwarten gewesen, dass Frequenzbereiche im kHz-Bereich Vorteile
bringen. Denn Luftionen, die einen großen Anteil bei Rückionisationsproblemen
haben, bewegen sich bei üblichen
Feldstärken
mit Geschwindigkeiten von ca. 100 m/s, so dass bei typischen Abständen Elektrode/Werkstück (0,05–0,15 m)
die Elektrode beim Abschalten im Bereich 10–3 s
als „Innenfänger” dienen könnte, da
Luftionen etwa 10–3 s von der Elektrode
zum Werkstück
benötigen.
Die vorliegenden Versuche zeigen aber ein Optimum im Bereich von
ca. 3–20
Hz Rechtecksignal je nach Sprühabstand/Feldstärke/Pulsbreite.
Das Rechtecksignal ist insofern vorteilhaft, da damit Pulverpartikel
entweder hoch aufgeladen werden (bei eingeschalteter Hochspannung)
oder gar nicht (bei ausgeschalteter Hochspannungsquelle), so dass
sie auch nicht abgeschieden werden, während bei Sinussignalen bei
geringer Spannung weiterhin gering aufgeladene Partikel ans Werkstück gelangen.
Um möglichst
homogene Abscheideergebnisse bei unterschiedlichen Abscheideleistungen
zu erzielen, wird vorteilhafterweise nicht die Spannung (und damit
Feldstärke)
variiert, sondern die Pulsbreite des Spannungssignals.
-
Ein
weiterer überraschender
Effekt ist folgender: Die besten Ergebnisse hinsichtlich der optischen
Verlaufsqualität
und Rückionisation
sowie Haftung der uneingebrannten Pulverschicht und Schichtdickengleichmäßigkeit
wurden dann erzielt, wenn ein Rechteck-Wechselspannungssignal appliziert
wird, das von beispielsweise –20
bis +5 kV im Frequenzbereich 3–20
Hz pulst. Ein derartiges Rechteck-Wechselspannungssignal wird in 4 gezeigt,
wobei hier der Offset ca. –6
V bei einer Pulshöhe
(halber Amplitude) von ca. 11 V beträgt und damit der Offset kleiner
als die Pulshöhe
ist. Vorteilhaft ist, wenn bei der Aufladung der Partikel (im Beispiel bei –20 kV)
die Korona-Einsatzspannung deutlich überschritten wird. Beim Wechsel
zur positiven Hochspannung (im Beispiel 5 kV) soll die Korona-Einsatzspannung
nicht erreicht werden, da sonst je nach Frequenz eine Umladung bzw.
Entladung der Pulverlacke stattfindet. Ebenfalls möglich ist
die Pulsation von z. B. +20 auf –5 kV. Eine Wechselspannung
mit Offset, wie in den beiden genannten Beispielen, wird als asymmetrische
Wechselspannung bezeichnet.
-
Beim
Einsatz von im elektrostatischen Fluidisierbett typischen Drahtelektroden-Durchmessern (80–150 μm) und Abständen Elektrode/Werkstück 0,03–0,1 m wird
die Korona-Einsatzspannung bei ca. +/–6 kV überschritten. Bei sprühpistolentypischen
Elektroden und Sprühab ständen im
Bereich von 0,15–0,25
m liegt die Korona-Einsatzspannung
im Bereich > +/–10 kV.
Entsprechend der geometrischen Gegebenheiten ändert sich also die Auslegung
der Hochspannungstechnik. Beispiele zeigt die Tabelle unten: Tabelle
| Auslegung
Elektrode/Sprühabstand | negative
Aufladung der Partikel (Pulsation des HS-Signals von-bis) | positive
Aufladung der Partikel |
| Elektroden-⌀ 80–120 μm Sprühabstand < 0,03 m | –8 kV bis
+2 kV | +8
kV bis –2
kV |
| Elektroden-⌀ 80–120 μm Sprühabstand
0,03–0,1
m | –20 kV bis
+5 kV | +20
kV bis –5
kV |
| Elektroden-⌀ 200–500 μm Sprühabstand
0,15–0,25
m | –40 kV bis
+10 kV | +40
kV bis –10
kV |
-
Im
Vergleich zu herkömmlichen
Gleichspannungsquellen werden also bei pulsierenden Signalen je nach
Auslegung etwa um die Hälfte
reduzierte Fächenabscheideleistungen
erzielt. Der Fluidisierbehälter
muss also für
gleiche Prozessgeschwindigkeiten etwa um den Faktor 2 größer ausgelegt
werden. Das führt
zu einer weiteren Minimierung kritischer Raumladungseffekte und
Homogenisierung der Schichtgleichmäßigkeit.
-
Um
die Qualität
der Pulverbeschichtung bewerten zu können, wurden verschiedene Werkstoffprüfungen durchgeführt:
-
Haftungsprüfung
-
Die
Haftung der uneingebrannten Pulverschicht am Werkstück korreliert
mit der Aufladung der Pulverpartikel durch Coulomb'sche Kräfte. Vor
diesem Hintergrund wurde eine einfache Messmethode entwickelt, wie sie
in 5 dargestellt ist, bei der ein Probeblech mit
der beschichteten Seite nach unten auf einen Profilrahmen gelegt
und ein definiertes Gewicht aus definierter Höhe auf das Probeblech fallen
gelassen wird. Dabei wird das Pulver je nach Haftungsgrad mehr oder
weniger stark abgeschlagen. Durch Wiegen des Bleches vor und nach
dem Abschlagen kann die Pulverrestmenge relativ zur aufgetragenen
Pulvermenge berechnet werden. Um unterschiedliche Versuchsvarianten
miteinander vergleichen zu können,
muss dabei immer die gleiche Pulvermenge bezogen auf den m2 appliziert werden (z. B. 100 g/m2). Dies wird i. d. R. in den Versuchen durch
Anpassung der Fördergeschwindigkeit übers Fluidisierbett
erreicht.
-
Die
Versuchsergebnisse in 6 zeigen, dass das beste Haftungsergebnis
der Pulverpartikel (durch Coulomb'sche Haftkräfte) beim Einsatz der ins positive
gehenden pulsierenden Hochspannung erzielt werden.
-
Messung des Rückionisationsverhaltens
-
Mit
den unterschiedlichen Versuchsvarianten werden außer unterschiedlichen
Haftungsergebnissen auch unterschiedliche optische Verlaufsqualitäten erzielt.
Diese können
mit dem in 7 beschriebenen Messaufbau untersucht
werden. Die Probeplättchen
werden von Hand ohne elektrostatische Unterstützung beschichtet und das Pulver
mit Hilfe eines Rakels gleichmäßig verteilt,
wobei auf eine gleichbleibende Pulvermenge von ca. 0,4 g je Probeplättchen geachtet
wird. Es wird 4 Sekunden Spannung angelegt.
-
Die
hochspannungsführende
Elektrode ist über
dem Probeplättchen
gespannt. Über
dem Messaufbau wird eine Kamera auf einem Stativ angebracht, mit
der das Rück ionisationsverhalten
aufgenommen werden kann. Die Bilder werden mittels eines Bildverarbeitungsprogramms
ausgewertet.
-
-
Je
kleiner die Werte, desto geringer die Rückionisationsneigung und damit
desto besser die Beschichtungsqualität.
-
Wie
in 8 gezeigt, korreliert die optische Beschichtungsqualität, beschrieben
durch die Rückionisationsneigung,
mit hohen Ergebnissen der Haftung die insbesondere bei geringen
Pulsbreiten von 1/3 gegeben ist. Das beste Ergebnis hinsichtlich
der Rückionisationsneigung
liefert das ins Positive gehende Rechtecksignal bei 15 Hz und 1/3
Pulsbreite, das auch das beste Ergebnis in der Haftung (beim elektrostatischen
Fluidisierbett) erzielt. Bei dieser Einstellung findet keine Rückionisation
statt. Die Versuche mit Wechselspannung +/–6 kV fallen deutlich schlechter
aus als mit Gleichspannung.
-
Optische Verlaufsqualität
-
Die
optische Verlaufsqualität
der eingebrannten Pulverlackschicht ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Um
den visuellen Eindruck bei der optischen Beurteilung von Oberflächenstrukturen
zu simulieren, wird die Oberfläche
mit dem Wave-Scan DOI der Firma Byk-Gardner nach der Norm AA-QW-105
des DAP (Deutsches Akkreditierungssystem Prüfwesen GmbH) gemessen.
-
Wie
mit unserem Auge wird das wellige Helligkeitsmuster auf der Oberfläche optisch
abgetastet. Eine Laser- Punktlichtquelle
beleuchtet die Probe unter einem Winkel von 60°, ein Detektor auf der Gegenseite misst
das reflektierende Licht ebenfalls unter 60°. Das Messgerät wird auf
der Probe über
eine Strecke von 10 cm bewegt.
-
Die
gemessenen Daten des Helligkeitsprofils werden durch mathematische
Filterung in mehrere Anteile aufgeteilt. Die langwellige Orangenhautstruktur
wird durch den Wd-Wert beschrieben und hat
sich in der Automobilindustrie als Standardmessgröße durchgesetzt.
Je höher
der Wert desto ausgeprägter
der Orangenhauteffekt, je geringer desto glatter die Oberfläche.
-
Wie
in 9 zu erkennen ist, korrelieren gute Verlaufswerte
mit geringer Rückionisationsneigung
und (bei den Varianten im Fluidisierbett) mit guten Haftungswerten.
Es fällt
auf, dass bei gepulster Hochspannung insgesamt sehr gute Verlaufswerte
erzielt werden, insbesondere bei der Einstellung mit dem ins Positive
gehenden Rechtecksignal. Dabei werden im Trend sogar bessere Verlaufsergebnisse
erzielt als mit herkömmlichen
elektrostatischen Sprühpistolen
(im Diagramm Tribopistole/Koronapistole). Der Einsatz von Gleichspannung
im elektrostatischen Fluidisierbett führt zu wesentlich schlechteren
Ergebnissen der optischen Verlaufsqualität.
-
Schichtdickenmessung
-
Um
Materialkosten zu minimieren ist es erforderlich die Schichtdickenschwankungen
möglichst
gering zu halten, da bei sehr geringen Schichtdickenschwankungen
die mittlere Schichtdicke herabgesetzt werden kann ohne die vorgegebene
Minimalschichtdicke zu unterschreiten.
-
Aus
statistischen Gründen
werden pro Einstellung 3 Bleche beschichtet, die an 15 Punkten mit
einem magn.-ind. Schichtdickenmessgerät der Fa. Fischer (DUALSCOPE® MP4C)
nach DIN EN ISO 2178 gemessen werden.
-
Mit
den Mittelwerten aus 3 Messungen werden Flächendiagramme erstellt und
die Schichtdickenschwankung in Form der relativen Standardabweichung
bewertet.
-
Wie
in 10 zu erkennen ist, wird beim Einsatz einer Sinuskurve
eine ähnliche
schlechte Schichtdickencharakteristik erzeugt wie bei Gleichspannung.
Die besten Ergebnisse werden bei gepulster Hochspannung mit einer
hohen Pulsbreite 2/3 (1/3 im Diagramm nicht dargestellt) erzielt,
wobei die Variante mit dem ins Positive gehenden Hochspannungssignal
vorteilhaft ist.
