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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrostatisches Beschichtungsverfahren zur Beschichtung einer Oberfläche mit einem pulverförmigen Stoff, wobei die Beschichtung mittels eines gepulsten elektrischen Feldes erfolgt und wobei der Stoff synchron mit dem Feld gepulst in das Feld eingebracht wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrostatische Beschichtungsvorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
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Bei nahezu allen elektrostatischen Applikationen, bei denen die Aufladung von Partikeln bzw. Tröpfchen durch Korona-Aufladung erfolgt, treten hohe Raumladungsdichten durch aufgeladene Partikel und Luftionen auf. Durch Raumladungen wird die Feldstärke in unmittelbarer Nähe zur Elektrode reduziert (d. h. die Korona unterdrückt) und die Aufladung der Partikel verringert. Es treten Inhomogenitäten in der Sprühwolke auf, die zu Schichtschwankungen, Kantenunterbeschichtung, geringem Eindringen in Faraday-Käfige und verstärkter Rücksprühneigung, geringer Haftung der applizierten Schicht sowie beim Lackieren zu reduzierter optischer Verlaufsqualität führen. Das Rücksprühen ist ein Effekt, bei dem in der hoch aufgeladenen Oberfläche, die zu beschichten ist, Partikel umgeladen werden und aus der Schicht zurücksprühen. Dabei entstehen Rücksprühkrater und damit verbundene Verlaufsstörungen.
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Bei der Korona-Aufladung werden an der Hochspannung führenden Elektrode (meist negativ geladene) Luftionen erzeugt, die ihrerseits Partikel oder Tröpfchen des Beschichtungsstoffes aufladen. Der Wirkungsgrad, mit dem Partikel oder Tröpfchen aufgeladen werden ist gering, so dass sich mehr als 90% der Luftionen zum Werkstück hin bewegen ohne dabei einen Partikel oder ein Tröpfchen aufzuladen. Die Geschwindigkeit der Luftionen ist proportional zur Feldstärke und liegt in der Größenordnung von typischerweise 20–200 m/s.
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Die Luftionen reißen neutrale Luft mit und erzeugen damit den sog. Ionenwind. Dieser ist ebenfalls proportional zur Feldstärke und liegt in der Größenordnung von 0,1–1 m/s. An Werkstückkanten und Spitzen können lokal (wegen sehr hohen Feldstärken) wesentlich höhere Ionenwindgeschwindigkeiten auftreten, die die Kanten von den Partikeln/Tröpfchen„freiblasen”. Dieser Effekt stellt ebenfalls eine Störgröße dar. Bekannt sind die oben genannten Effekte insbesondere bei der elektrostatischen Pulverbeschichtung, im elektrostatischen Fluidisierbett, bei der elektrostatischen Flüssiglackierung, beim elektrostatischen Flockauftrag sowie im Elektrofilterbereich, ferner auch bei elektrofotografischen Applikationen.
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In der Regel werden zur elektrostatischen Pulverbeschichtung Sprühpistolen mit geringer Abscheidemenge pro Zeiteinheit verwendet (ca. 1–3 g Pulver/s). Die Sprühpistole wird mittels einer Hub- oder Schwenkbewegung über das Werkstück gefahren, wobei sich Raumladungen nur in geringem Maße aufbauen und 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. Diese besitzen einen hohen Anteil an der Raumladung, da sie aufgrund ihrer hohen Anzahl in der Pulverwolke eine hohe Ladung einbringen. Falls bei der Beschichtung schwieriger Werkstückgeometrien Rücksprühen sowie Faraday-Käfige ein Problem darstellen, kann das Pulver mittels Tribo-Sprühaggregaten elektrokinetisch aufgeladen werden. Nachteil dabei ist der eher geringe Auftragswirkungsgrad. Pulverfeinanteile werden unzureichend abgeschieden und reichern sich bei der Pulverkreislaufführung an. Außerdem müssen viele gängige Pulverlacktypen zur Erhöhung der elektrokinetischen Aufladbarkeit mit teuren Ladungssteuermitteln versehen werden.
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Beim elektrostatischen Flockauftrag stellen bei automatischen Applikationssystemen (nicht bei den meisten manuellen Aggregaten) die Aufladung und die Flockdosierung (wie bei der elektrostatischen Pulverbeschichtung) zwei separate Prozesse dar. Der Flock wird mit einer Gleichspannungsquelle aufgeladen. Die daraus resultierenden Nachteile werden in Kauf genommen.
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Von den verschiedenen Methoden zur elektrostatischen Flüssiglackapplikation hat sich der Einsatz der Hochrotationsglocke am Markt am besten bewährt. Da dabei zusätzlich zur elektrostatischen Kraft noch der Lenkluftvolumenstrom sowie die aus der Rotation der Glocke resultierende Zentrifugalkraft einen Anteil an der Tröpfchenbewegung haben, treten die o. g. Störgrößen nur abgeschwächt auf und werden in Kauf genommen. Als Hochspannungsquelle kommen Gleichspannungserzeuger zum Einsatz. Dosierung und Aufladung stellen wie bei der elektrostatischen Pulverbeschichtung und bei automatischen Flockauftrags-Applikationen voneinander unabhängige Prozessschritte dar.
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Beim elektrostatischen Fluidisierbett wird Pulver ausschließlich mit einer Gleichspannungsquelle aufgeladen. Die daraus resultierenden Nachteile werden in Kauf genommen, da derzeit fast ausschließlich Ankerpakete für Elektromotoren für geringe optische Qualitätsansprüche beschichtet werden. Die Drehbewegung, mit der die Ankerpakete übers Fluidisierbett geführt werden, bringt eine Homogenisierung der Feldkräfte und Raumladungen mit sich.
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US 2005/0056713 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zum Dispensieren von sub-mikrofluidischen Tropfen. Die genannte Veröffentlichung beschreibt hierzu eine Dispenser, der mit einer Dispensionsspitze verbunden ist, welche eine Düse und eine Tröpfchen emittierende Öffnung am abgewandten Ende hat. Es wird ein elektrisches Feld zwischen der Spitze und einem Führungsmittel so erzeugt, dass ein elektrischer Feldgradient im Wesentlichen parallel zur beabsichtigten Tröpfchentrajektorie erzeugt wird.
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US 2003/0029379 A1 beschreibt ein elektrostatisches Beschichtungsgerät, das eine Kammer zum Speichern einer Beschichtungsflüssigkeit aufweist. Das Gerät weist Mittel zum Anlegen einer Spannung auf, die positiv oder negativ bezüglich des zu beschichtenden Objektes ist. Das Gerät weist außerdem eine Düse auf, die die Beschichtungsflüssigkeit in Tröpfchenform in Richtung des zu beschichtenden Objektes ausstößt.
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Die
DE 199 09 805 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrostatischen Pulverbeschichten. Es wird hierbei ein Pulver durch triboelektrische Aufladung elektrostatisch aufgeladen und auf ein Werkstück aufgebracht. Das nicht abgeschiedene Overspray-Pulver wird in den Beschichtungskreislauf zurückgeführt. Als Pulver wird eine Pulvermenge aus zumindest zwei Komponenten mit unterschiedlicher triboelektrischer Aufladbarkeit verwendet. Das Pulvergemenge wird zusätzlich zur triboelektrischen Aufladung durch eine Koronaaufladung aufgeladen, mit der die durch die triboelektrische Aufladung in geringerem Maß auf dem Werkstück abgeschiedene Komponente des Pulvergemenges bevorzugt abgeschieden wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Beschichtungsverfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung zur Verfügung zu stellen, mit welchen eine Beschichtung auf einer Oberfläche hinsichtlich der Gleichmäßigkeit ihrer Schichtdicke, der Kantenabdeckung, der optischen Verlaufsqualität und Haftung der uneingebrannten Pulverlackschicht an der Oberfläche verbesserbar ist. Auch sollte die Rückionisationsneigung verringert werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch das elektrostatische Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1 sowie die elektrostatische Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 15. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des elektrostatischen Beschichtungsverfahrens und der elektrostatischen Beschichtungsvorrichtung an.
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Erfindungsgemäß ist ein Beschichtungsverfahren zur Beschichtung einer Oberfläche eines Objektes mit einem Stoff oder einem Material mittels eines elektrostatischen Feldes. Der Stoff ist ein Pulver. Erfindungsgemäß wird in einem Driftbereich, in welchem der Stoff bzw. das Material in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche driftet, durch Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld erzeugt. Der Stoff bzw. das Material wird elektrostatisch geladen und so in den Driftbereich eingebracht, dass er durch die Wirkung des elektrischen Feldes auf die zu beschichtende Oberfläche bewegt wird. „Stoff” und „Material” können synonym verwendet werden.
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Die elektrostatische Aufladung des Stoffes kann unabhängig von der Erzeugung des elektrischen Feldes geschehen, beispielsweise durch eine separate Korona-Entladung oder auch triboelektrisch, also durch Reiben oder Rühren des Stoffes, auch als Gemisch mit zusätzlichen Partikeln zur Ladungsaufnahme oder -abgabe. Die Aufladung des Stoffes kann aber vorteilhaft auch zusammen mit der Felderzeugung erfolgen, vorteilhafterweise durch eine Elektrode, über welche auch die Spannung zur Erzeugung des elektrischen Feldes angelegt wird.
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Erfindungsgemäß wird nun die Spannung zur Erzeugung des elektrischen Feldes periodisch verändert. Das heißt, dass die Spannung periodisch zwischen zwei Extremwerten schwankt bzw. umgeschaltet wird. Für den Spannungsverlauf kommen eine Vielzahl von periodischen Funktionen, wie beispielsweise Sinus, Sägezahn oder Rechteck in Frage. Besonders bevorzugt ist ein Spannungsverlauf in einer Rechteckkurve, wobei periodisch zwischen einem ersten Konstantwert und einem zweiten Konstantwert umgeschaltet wird. Dabei wird der erste Konstantwert für eine erste Zeit angenommen und der zweite Konstantwert für eine zweite Zeit, die gleich der ersten Zeit sein kann, die aber auch unterschiedlich zur ersten Zeit sein kann.
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Erfindungsgemäß wird nun der Stoff ausschließlich zu jenen Zeiten in den Driftbereich eingebracht, zu denen der Betrag der Spannung bei einem Vorzeichen der Spannung einen Schwellenwert überschreitet. Das bedeutet, dass der Stoff nur zu jenen Zeiten in den Driftbereich eingebracht wird, zu denen die Spannung positiver als ein vorgegebener Mindestwert als Schwellenwert ist, oder zu dem die Spannung negativer als ein vorgegebener maximaler Wert als Schwellenwert ist.
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„Einbringen” des Stoffes in den Driftbereich bedeutet, dass der Stoff dem Driftbereich zugeführt wird, vorzugsweise aktiv zugeführt wird. Eine gegebene Einheit des Stoffes, beispielsweise ein Pulverteilchen, liegen also vor dem Einbringen im Driftbereich nicht vor und befinden sich nach dem Einbringen im Driftbereich.
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Es ist hier bevorzugt, wenn der Driftbereich durch jenen Bereich gegeben ist, in welchem das durch die angelegte Spannung bestehende elektrische Feld vorliegt. Das heißt, dass der Driftbereich jener Bereich ist, in dem die Feldstärke des elektrischen Feldes einen vorbestimmten Mindestwert zu jenen Zeiten überschreitet, in denen der Betrag der Spannung den Schwellenwert mit dem entsprechenden Vorzeichen überschreitet. Vor dem Einbringen in den Driftbereich wirkt daher das elektrische Feld nicht auf den Stoff und würde nicht auf den Stoff wirken, wenn es einen betragsmäßigen Wert größer als den Mindestwert hätte. Nach dem Einbringen befindet sich der Stoff in diesem Sinne im Wirkungsbereich des elektrischen Feldes und wird durch die Kraftwirkung des elektrischen Feldes auf die zu beschichtende Oberfläche transportiert.
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Es ist bevorzugt, wenn die Spannung in eine Vorzeichenrichtung mit einem Offsetwert versehen ist. Der Mittelwert der Spannungen liegt also in diesem Falle nicht bei Null, sondern bei einem um den Offset von Null verschiedenen Wert. Dieser von Null verschiedene Wert kann positiv oder negativ sein, bevorzugt ist er negativ. Möglich ist auch, dass die Spannung um den Null-Wert schwankt und das elektrische Feld mit einem Offset versehen ist, beispielsweise indem mittels einer weiteren Spannung oder anderer Vorrichtungen im Driftbereich ein konstantes elektrisches Feld erzeugt wird, zu welchem sich das durch die variierende Spannung erzeugte elektrische Feld addiert.
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Die mit einem Offset versehene Spannung kann sich während einer Periode über den Wert Null hinweg ändern, sie kann aber auch ausschließlich positive oder ausschließlich negative Werte annehmen. Insbesondere kann die Spannung auch so eingerichtet sein, dass ein Extremwert des Spannungsverlaufs, im Falle einer Rechteckspannung einer der Konstantwerte, gleich Null ist.
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Verläuft die variierende Spannung in Form einer Rechteckkurve, so ist es bevorzugt, wenn die Spannung den ersten Konstantwert für 1/3, 2/3 oder 1/2 der Periodendauer annimmt. Vorzugsweise wird dann der Stoff zu jenen Zeiten bzw. Abschnitten der Periode in den Driftbereich eingebracht, zu denen die Spannung den ersten Konstantwert annimmt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Spannung oder das elektrische Feld mit einer Frequenz zwischen 3 und 20 Hz umgeschaltet wird, wobei die Frequenz abhängig vom Sprühabstand, d. h. dem Abstand zwischen dem Ort des Einbringens des Stoffes in den Driftbereich und der zu beschichtenden Oberfläche, der Feldstärke des elektrischen Feldes und/oder der Pulsbreite der Pulse eingestellt wird.
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Vorzugsweise wird der Stoff durch die angelegte Spannung elektrostatisch geladen. Die Ladung des Stoffes variiert also mit der angelegten Spannung und daher auch mit dem im Driftbereich vorliegenden elektrischen Feld. Bei einem entsprechenden Rechtecksignal werden daher die Partikel entweder hoch aufgeladen, wenn die Spannung ihren Maximalwert annimmt oder gar nicht, wenn die Spannung ausgeschaltet ist oder ein entgegengesetztes Vorzeichen hat. Dadurch gelangen ausschließlich maximal geladene Teilchen zum Werkstück. Die homogensten Abscheideergebnisse bei unterschiedlichen Abscheideleistungen werden erzielt, wenn nicht die Spannung (und damit die Feldstärke) variiert wird, sondern die Pulsbreite des Spannungssignals. Versuche haben gezeigt, dass Kanten einer Oberfläche bei höheren Pulsbreiten (z. B. 2/3 der Periodendauer) besser beschichtet werden, während große Flächen besser mit geringen Pulsbreiten beschichtet werden (z. B. 1/3 der Periodendauer), da in diesem Fall die optische Verlaufsqualität verbessert wird. Wenn (z. B. bei lackiertechnischen Applikationen oder der Flockapplikation) sich keine geerdete Gegenelektrode (Werkstück) in der Nähe der aktiven Elektrode befindet, ist der Stromfluss gering. Ist nur einer Kante in der Nähe der aktiven Elektrode, so ist der Stromfluss moderat. Er steigt an, sobald sich das komplette Werkstück über der oder den Elektrode(n) befindet.
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Im Falle eines rechteckigen Spannungsverlaufs ist bevorzugt, wenn die Dauer eines der Konstantwerte, vorzugsweise des ersten Konstantwertes, in Abhängigkeit von einer Stromstärke durch den Driftbereich, der sich durch den Drift des Stoffes und den damit verbundenem Ladungstransport ergibt, variiert wird. Es ist auch möglich, die Dauer des entsprechenden Konstantwertes so zu variieren, dass die mittlere Stromstärke, die sich als Mittelung über eine Periode ergibt, konstant ist. Es kann also der über eine oder mehrere Sequenzen (Perioden) gemittelte Stromfluss als Regelgröße konstant gehalten werden. Die Pulsbreite kann damit in Abhängigkeit vom Stromfluss durch den Driftbereich angepasst werden. Steigt der gemittelte Strom an, so wird die Pulsbreite verringert, so dass der gemittelte Wert des Stromes konstant bleibt. Sinkt der gemittelte Strom, so wird entsprechend die Pulsbreite vergrößert.
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Der Driftbereich gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise jener vom elektrischen Feld durchsetzte Bereich, wie oben dargelegt. Möglich ist aber auch, dass unter dem Driftbereich ein Bereich verstanden wird, der nur ein Teilbereich des vom elektrischen Feld durchsetzten Bereiches ist. Wird beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren mittels eines elektrostatischen Fluidisierbehälters durchgeführt, so kann der Driftbereich jener Bereich zwischen Fluidisierbehälter und zu beschichtender Oberfläche sein, welcher oberhalb des Fluidisierbehälters in Richtung zur zu beschichtender Oberfläche beginnt, dabei aber den Fluidisierbehälter selbst, den Stoffvorrat und/oder die Elektroden nicht umfasst. In diesem Fall wird erst durch Wirkung des elektrostatischen Feldes der Stoff in den Driftbereich eingebracht.
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Vorteilhafterweise wird eine Rechteckwechselspannung verwendet, die bei der Aufladung der Partikel im Bereich negativer Spannungen die Korona-Einsatzspannung deutlich überschreitet. Beim Wechsel zu positiven Spannungen darf die Korona-Einsatzspannung nicht erreicht werden. Überraschenderweise haben sich hierbei die besten Ergebnisse hinsichtlich der Rücksprühneigung sowie der Haftung der Schicht und Gleichmäßigkeit der Abscheidung eingestellt. Hierbei kann beispielsweise die Spannung zwischen –20 und +5 kV im Frequenzbereich zwischen 3 und 20 Hz einstellen.
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Als besonders vorteilhaft hat sich auch ein Spannungssignal erwiesen, welches einen rechteckigen Verlauf mit einem Offset hat, der zu einem Nulldurchgang in die andere Polarität führt, dabei aber die Korona-Einsatzspannung nicht überschreitet. Hierdurch kann eine besonders gute Kantenbeschichtung erreicht werden. Die besten Ergebnisse wurden mit einer Pulsbreite von 2/3 und einer höheren Frequenz, beispielsweise 15 Hz, erzielt.
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Es zeigt sich, dass bei gepulster Hochspannung insgesamt sehr gute Verlaufswerte erzielt werden, insbesondere, wenn eine Spannung verwendet wird, die so in negativer Richtung verschoben ist, dass die Pulse des zweiten Konstantwertes ins Positive gehen. Dabei werden teilweise sogar bessere Verlaufsergebnisse erzielt als mit herkömmlichen elektrostatischen Sprühpistolen. Der Einsatz von Gleichspannung im elektrostatischen Fluidisierbett führt zu wesentlich schlechteren Ergebnissen der optischen Verlaufsqualität.
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Im Vergleich zu herkömmlichen Gleichspannungsquellen werden bei pulsierenden Signalen je nach Auslegung beim Fluidisierbett sowie beim manuellen Flockaggregat und bei Elektrofiltern etwa um die Hälfte reduzierte Fächenabscheideleistungen erzielt. Der elektrostatische Fluidisierbehälter wird vorteilhafterweise also für gleiche Prozessgeschwindigkeiten etwa um den Faktor 2 größer ausgelegt oder die Elektroden werden (beim elektrostatischen Fluidisierbett wie beim manuellen Flockaggregat) dichter gepackt. Die Abmessungen der Abscheideelektroden bei Elektrofiltern in Luftströmungsrichtung werden vorteilhafterweise vergrößert und die Anzahl aktiver Hochspannungführender Elektroden erhöht.
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Vorteilhafterweise sollte im Spannungsverlauf die Spannung schnell ansteigen und abfließen, um der Form eines Rechtecksignals möglichst nahe zu kommen. Dabei besteht grundsätzlich die Möglichkeit, einen Primärstromkreis eines Hochspannungsverstärkers zu modulieren oder zu schalten und das Niederspannungssignal anschließend zu verstärken. Dieses Verfahren ist teuer und erfordert bei der Bedienung elektrotechnisch geschultes Personal. Auch wird durch die Kapazität des Sekundärstromkreises das erwünschte Hochspannungssignal verfälscht. Insbesondere bei Spannungen höher als 10 kV und Frequenzen von über 50 Hz ergeben sich sehr verwaschene Hochspannungssignale. Vorteilhafterweise wird daher die Hochspannungsseite eines Hochspannungsverstärkers selbst geschaltet oder moduliert, während auf der Primärseite des Verstärkers eine konstante Spannung angelegt wird. Hierdurch können die Auf- und Entladezeiten deutlich verkürzt werden. Eine solche Schaltung der Hochspannung kann beispielsweise mittels Röhrenverstärker erfolgen, was jedoch einen hohen Platzbedarf erfordert und störungsanfällig ist. Auch bewegliche oder rotierende Funkenstrecken sind möglich, wobei jedoch die Variabilität des Hochspannungssignals sowie dessen Steuerbarkeit und Regelbarkeit stark eingeschränkt ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Halbleiterschalter einzusetzen. Beispielsweise können MOSFET-Transistoren zur Schaltung hoher Spannungen eingesetzt werden.
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Bevorzugterweise wird der Stoff synchron zur Spannung dosiert. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass Pulver aus dem Fluidisierbehälter mittels des Venturi-Prinzips angesaugt und über einen Schlauch zur Sprühpistole transportiert wird. Hierbei kann die Förderluft am Injektor (der Venturidüse) synchron zur Hochspannung gepulst werden. Für Anwendungen bei Frequenzen größer als 2 Hz ist diese Vorgehensweise jedoch zu träge, da sich der Unterdruck in der Venturidüse erst aufbauen muss. Bevorzugterweise werden daher Kolbenpumpen, Doppelkolbenpumpen, Gegendruck-Kolbenpumpen oder Membranpumpen eingesetzt, die zur Erzeugung von pulsierenden Dosierungen optimal geeignet sind. Bevorzugterweise arbeitet das entsprechende Dosierungssystem mit einem Zeitversatz, der dem Transportweg des Stoffes von der entsprechenden Pumpe zum Driftbereich angepasst ist, so dass der Stoff den Driftbereich zu jenen Zeiten erreicht, in denen die Spannung den oben genannten Schwellenwert überschreitet. Der Zeitversatz ist normalerweise deutlich kleiner als 0,1 s. Es sind daher ohne Probleme Frequenzen zwischen 3 Hz und 20 Hz synchronisierbar.
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Erfindungsgemäß ist auch eine elektrostatische Beschichtungsvorrichtung. Diese weist eine Ladungsvorrichtung auf, mit welcher ein Stoff elektrostatisch aufladbar ist. Die Beschichtungsvorrichtung weist außerdem eine Felderzeugungsvorrichtung auf, mit der in einem Driftbereich durch Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld so erzeugbar ist, dass der Stoff durch das elektrische Feld auf eine zu beschichtende Oberfläche bewegt wird. Vorzugsweise wird auch die genannte elektrostatische Aufladung des Stoffes durch diese Spannung bewirkt. Dazu kann die Vorrichtung beispielsweise eine Korona-Elektrode aufweisen.
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Erfindungsgemäß weist die Beschichtungsvorrichtung außerdem eine Dosierungsvorrichtung auf, mit welcher der Stoff periodisch in den Driftbereich eingebracht werden kann. Die Dosierungsvorrichtung kann, wie oben beschrieben, Venturidüsen, Kolbenpumpen, Doppelkolbenpumpen, Gegendruck-Kolbenpumpen und/oder Membranpumpen aufweisen.
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Die elektrostatische Beschichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung weist außerdem eine Spannungsveränderungsvorrichtung auf, mit der die das elektrische Feld erzeugende Spannung und vorzugsweise auch die den Stoff elektrostatisch aufladende Spannung periodisch veränderbar ist.
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Bevorzugt ist die Spannungsveränderungsvorrichtung geeignet, Spannungen zu verändern, deren Betrag der Amplitude oder doppelten Amplitude der an den Driftbereich angelegten Spannung entspricht. Das bedeutet, dass hier die variierte Spannung nicht weiter verstärkt wird. Vielmehr wird zunächst eine konstante Niedrigspannung auf eine höhere Spannung verstärkt und diese höhere Spannung dann mittels einer von der Verstärkungsvorrichtung verschiedenen Vorrichtung, der Spannungsveränderungsvorrichtung, variiert. Die Spannungsveränderungsvorrichtung kann hierzu zumindest einen MOSFET-Transistor aufweisen.
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Die Spannung und/oder die Dosierung erfolgen vorzugsweise mit einer Frequenz ≥ 3, vorzugsweise ≥ 5, vorzugsweise ≥ 10, besonders vorzugsweise ≥ 15 Hz und/oder ≤ 50 Hz, vorzugsweise ≤ 30 Hz, besonders bevorzugt ≤ 20 Hz.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise mit einem elektrostatisches Fluidisierbett, einem Flock-Aggregat, einem Elektrofilter, oder einer Pulversprühpistole durchgeführt werden. Die elektrostatische Beschichtungsvorrichtung der Erfindung kann eine solche Vorrichtung sein.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Beispiele erläutert werden.
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1 zeigt eine elektrostatische Pulversprühpistole und das dabei auftretende Problem des Rücksprühens und der Rückionisation,
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2 zeigt einen Elektrofilter, in dem die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommen kann,
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3 zeigt einen rechteckigen Spannungsverlauf, wie er für die vorliegende Erfindung vorteilhaft ist,
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4 zeigt die Partikelgeschwindigkeit im Driftbereich in Abhängigkeit von der Pulsbreite eines Rechteckimpulses,
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5 zeigt die Partikelgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser für verschiedene Spannungsverläufe,
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6 zeigt eine mögliche Spannungsveränderungsvorrichtung zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung und
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7 zeigt die Variation der Schichtdicke für verschiedene Hochspannungssignale.
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8 und 9 zeigen die Wirbelbildung beim Einsatz verschiedener Spannungen.
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1 zeigt eine Pulversprühpistole, wie sie auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und als erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung zum Einsatz kommen kann. Bei Pulversprühpistolen nach dem Stand der Technik ergibt sich das in der Figur zu erkennende Problem der Rückionisation und des Rücksprühens. Dem Sprühsystem 1 wird über eine Zuleitung 2 fluidisiertes Pulver 3 zugeleitet. Zwischen einem geerdeten Werkstück 4 und einer hochspannungsführenden Elektrode 5 wird mittels eines Hochspannungsgenerators 6 eine Hochspannung angelegt. An der hochspannungsführenden Elektrode 5 konzentrieren sich die elektrischen Feldlinien. Durch Korona-Aufladung werden hier Partikel des fluidisierten Pulvers 7 aufgeladen und es entstehen Luftionen 8. Durch das zwischen Elektrode 5 und geerdetem Werkstück 4 anliegende elektrische Feld wandern die geladenen Partikel 7 und die Luftionen 8 in Richtung des Werkstücks 4. Die Partikel 7 scheiden sich auf dem Werkstück 4 ab. Hierbei kann es passieren, dass geladene Partikel 9 durch Kontakt mit dem geladenen Werkstück 4 umgepolt werden und dadurch gleichnamig zum Werkstück 4 gepolt sind. Solche Partikel 9 werden vom Werkstück 4 elektrostatisch abgestoßen, was zu Rückionisationskratern 10 in der Beschichtung 11 führt. Hierdurch wird die optische Verlaufsqualität der Schicht reduziert.
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2 zeigt einen Elektrofilter, wie er in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann. Hierbei werden Staubpartikel als Stoff in Richtung 21 entlang der Drahtelektroden 22 zwischen den Abscheideelektroden 23a und 23b geleitet. Zwischen den Drahtelektroden 22 und den Abscheideelektroden 23a und 23b wird mittels einer Hochspannungsquelle 24 eine Hochspannung angelegt. Der Driftbereich im Sinne der Erfindung liegt hier in den Bereichen 25a und 25b vor. Der Driftbereich kann hierbei so definiert sein, dass er die Drahtelektroden 22 umfasst oder so, dass er die Drahtelektroden 22 nicht umfasst. In letzterem Fall ist also der Driftbereich 25a, 25b der Bereich zwischen den Abscheideelektroden 23a, 23b und den Drahtelektroden 22, wobei der Bereich in einem Abstand > 0 von den Drahtelektroden 22 endet, so dass die Drahtelektroden nicht umfasst sind.
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3 zeigt einen Spannungsverlauf, wie er für die vorliegende Erfindung vorteilhaft ist. Hierbei ist die Spannung in kV gegen die Zeit in s aufgetragen. Die Spannung weist hierbei einen Offset von ungefähr 6 kV in Richtung negativer Spannungswerte auf. Der Spannungsverlauf nimmt jeweils für eine Zeit von ca. 0,2 s einen Wert von +5 V an und für eine Zeit von ca. 0,1 s einen Wert von –17 kV. Der Wert von –17 kV ist hierbei also der erste Konstantwert im Sinne der Erfindung und der Wert von 5 kV der zweite Konstantwert. Die Frequenz der gezeigten Spannung beträgt ca. 3 Hz.
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4 zeigt die Partikelgeschwindigkeit von Partikeln des Beschichtungsstoffes in m/s in Abhängigkeit von der Pulsbreite eines Rechtecksignals. Die Partikelgeschwindigkeit ist proportional zur auf der rechten vertikalen Achse aufgetragenen Abscheidungsrate. Zu erkennen ist, dass sowohl die Geschwindigkeit der Stoffpartikel als auch der Ionen wie auch die Abscheidungsrate mit der Pulsbreite linear zunehmen.
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Zu beachten ist generell, dass, je höher die gemittelte Feldstärke im Driftbereich ist, desto höher auch die flächenbezogene Abscheiderate pro Zeiteinheit (Einheit g/(m2s)) ist, so dass beim Einsatz kleinerer Pulsbreiten für gleiche Abscheideraten entweder das Fluidisierbett größer dimensioniert werden muss oder die Anzahl der Elektroden pro Fläche erhöht werden muss.
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5 zeigt berechnete Partikelgeschwindigkeiten über das gesamte Partikelgrößenspektrum. Es ist zu erkennen, dass bei Einsatz gepulster Hochspannung über das gesamte Spektrum gleichmäßigere Partikelgeschwindigkeiten erzielt werden, so dass sich in der Sprühwolke feine Teilchen nicht in dem Maße anreichern können wie beispielsweise bei Gleichspannung. Bei ausgeschalteter Elektrode reichert sich tendenziell sogar grobes Pulver in der Sprühwolke an und feine Anteile werden verstärkt abgeschieden.
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6 zeigt beispielhaft eine Schaltungsanordnung, mit welcher eine Hochspannung nach Verstärkung auf die von der anzulegenden Spannung maximal angenommenen Werte geschaltet werden kann.
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Mit einer hochleistungsfähigen, spezialisierten Version einer Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistorschaltung (MOSFET) können je nach Aufbau (z. B. je nach Kabellängen) Ladungsanstiegs- und Abfließzeiten (und damit Schaltzeiten) im Nanosekunden bis μs-Bereich realisiert werden. Hohe Durchschlagfestigkeitswerte werden durch Eingießen der Schalterkomponenten in Harz erreicht, wobei durch Eingießen des Schalters im Vakuum die Blasenbildungen im Harz vermieden und die Durchschlagfestigkeit dadurch gesteigert wird. Komponenten zur Kühlung des Schalters erhöhen die Robustheit. Mit spezieller Hochspannungsmesstechnik, z. B. mit Hochspannungsteilern, kann das mit dem Schalter erzeugte, gepulste Hochspannungssignal mittels eines Oszilloskops in regelmäßigen Abständen überprüft werden.
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7 zeigt die relative Standardabweichung der durch ein erfindungsgemäßes Beschichtungsverfahren erzeugten Schichtdicke in % für verschiedene Spannungsverläufe. Hinsichtlich der Schichtdickenverteilung bietet die gepulste Hochspannung besonders bei der Beschichtung von Kanten und Spitzen Vorteile, wenn mit der geeigneten Pulsbreite beschichtet wird. Die besten Ergebnisse werden bei gepulster Hochspannung mit einer hohen Pulsbreite von, im gezeigten Beispiel, 2/3 erzielt, wobei es vorteilhaft ist, wenn, wie oben beschrieben, das Hochspannungssignal ins Positive geht, wobei im negativen Bereich die Korona-Einsatzspannung bei der Aufladung der Partikel überschritten wird, im positiven Bereich jedoch nicht.
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Die Schichtdickenschwankung sollte möglichst gering gehalten werden, da bei sehr geringen Schichtdickenschwankungen die mittlere Schichtdicke herabgesetzt werden kann, ohne die vorgegebene Minimalschichtdicke zu unterschreiten.
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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 Sprühabständen 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:
| 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 |
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Generell ist zu beobachten, dass eine Verringerung der Ionenwindgeschwindigkeit beispielsweise im elektrostatischen Fluidisierbett zu einer verbesserten Abscheidung von Partikeln an Kanten und Spitzen führt, da dort (durch hohe Feldstärken) hohe Ionenwindgeschwindigkeit beim Einsatz von Gleichspannung zu unzureichenden Beschichtungsergebnissen führt. Die durch reine Luftströmung hervorgerufene Wirbelbildung an Kanten wird durch den Ionenwind beim Einsatz von Gleichspannung noch verstärkt.
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8 zeigt zwei Laserschnittaufnahmen eines Beschichtungsvorganges, bei denen ein Objekt, das vom rechten Bildrand horizontal in das Bild hinein ragt, von unten mittels pulverförmigem Material beschichtet wird. Dabei zeigt das linke Teilbild eine Beschichtung mit gepulster Hochspannung mit einer Frequenz von 15 Hz. Es bilden sich erkennbare kleine Wirbel, die Beschichtung wird auch an den Kanten sehr gleichmäßig. Das rechte Teilbild von 8 zeigt eine Beschichtung mit Gleichspannung. Es bilden sich hier keine Wirbel, die Kante der Oberfläche wird jedoch nur gering beschichtet.
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9 zeigt eine Laserschnittaufnahme eines Beschichtungsvorganges. Im linken Teilbild kommt Gleichspannung zum Einsatz. Beim Einsatz von Gleichspannung entsteht ein starker Ionenwind, der die durch reine Luftströmung hergerufene Wirbelbildung an Kanten noch verstärkt. Im rechten Teilbild wird gepulste Gleichspannung eingesetzt, was die Wirbelbildung verringert. Die hier zusehenden Kanten entstehen durch reine Luftströmung.
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Mit der Erfindung wird eine deutlich verbesserte Schichtdickengleichmäßigkeit, Kantenabdeckung, optische Verlaufsqualität, eine verminderte Rückionisationsneigung und verbesserte Haftung der uneingebrannten Pulverschicht (durch Columbsche Haltekräfte) erreicht. Der Oversprayanteil wird deutlich verringert, so dass sich ein höherer Auftragswirkungsgrad ergibt.
