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Die Erfindung betrifft einen Applikationskopf zum Beschichten von Gegenständen mit einem fluidisierten Pulverlack oder einem mittel- oder hochviskosen Nasslack, der
- a) ein Zerstäubungselement mit einer Überströmfläche für den Lack,
- b) einen Zufuhrkanal mit einer Austrittsöffnung zur Zuführung des Lacks auf die Überströmfläche des Zerstäubungselements und
- c) eine mit dem Zerstäubungselement in Wirkverbindung stehende Antriebseinrichtung aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Beschichten von Gegenständen mit einem fluidisierten Pulverlack oder einem mittel- oder hochviskosen Nasslack.
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Derartige Applikationsköpfe werden beispielsweise zur Beschichtung von Teilen von Kraftfahrzeugkarosserien mit einem Lack zur Farbgebung oder Schutzbeschichtung verwendet.
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Zur Zerstäubung der meist relativ hochviskosen Lacke hat sich in der industriellen Lackierung bisher das Funktionsprinzip eines Rotationszerstäubers etabliert. Ein Rotationszerstäuber weist als Zerstäubungselement einen Glockenteller auf, der sich während des Betriebs mit einer sehr hohen Drehzahl (bis zu 100 000 U/min) um eine Drehachse dreht. Diesem rotierenden Glockenteller wird zentral von hinten der zu zerstäubende Lack zugeführt, auf welchen aufgrund der Drehbewegung Zentrifugalkräfte wirken, die den zugeführten Lack auf dem Glockenteller nach außen treiben und zu einem dünnen Lackfilm verteilen. Am Rand des Glockentellers entstehen durch die Drehbewegung und den größeren Bahnradius derart hohe Zentrifugalkräfte, dass der Lackfilm abreißt und zu feinen Lackpartikeln oder -tropfen zerstäubt wird, die tangential abgeschleudert werden. Die feinen Lacktropfen werden dann über entsprechende Lenkeinrichtungen wie Lenkluftströme als Sprühstrahl auf den zu beschichtenden Gegenstand gerichtet.
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Durch die hohen Drehgeschwindigkeiten des Glockentellers und die damit verbundenen hohen Bahngeschwindigkeiten am Rand des Glockentellers erhalten die abgeschleuderten Lacktropfen jedoch eine hohe Fluchtgeschwindigkeit, mit der sie sich tangential von dem Glockentellerrand entfernen. Dies führt zu einem anfänglich relativ breiten Sprühstrahl, in welchem die feinen Lacktropfen sich weit voneinander entfernen und somit nur in geringer Dichte vorliegen. Dementsprechend sind starke Lenkluftströme notwendig, um den Sprühstrahl wieder zu bündeln und auf den zu beschichtenden Gegenstand zu richten. Diese Art der Zerstäubung ist insbesondere bei Detaillackierungen, die einen schmalen Sprühstrahl erfordern, auch aus energetischer Sicht nicht optimal.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Applikationskopf anzugeben, bei welchem die zerstäubten Lacktropfen eine geringere Fluchtgeschwindigkeit aufweisen.
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Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei welchem die zerstäubten Lacktropfen eine geringere Fluchtgeschwindigkeit aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Applikationskopf eingangs genannter Art gelöst, bei dem die Antriebseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Zerstäubungselement so anzutreiben, dass ein Punkt an einer Abrisskante der Überströmfläche und/oder auf der Überströmfläche selbst senkrecht zur Abrisskante bzw. zur Überströmfläche im Wechsel beschleunigt und abgebremst wird.
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Es wurde erkannt, dass eine Zerstäubung des Lacks auch dadurch erreicht werden kann, dass das Zerstäubungselement möglichst sprunghafte Wechsel von Beschleunigen und Abbremsen erfährt. Bei solchen ruckartigen Beschleunigungswechseln senkrecht zur Abrisskante oder zur Überströmfläche kann der Lack aufgrund seiner Trägheit dem Zerstäubungselement nicht mehr folgen. Einfach gesagt wird im Falle der Abrisskante diese unter dem Lack weggezogen oder, bei anderer Sichtweise, bewegt sich der Lack aufgrund seiner Masseträgheit über die abgebremste Kante hinaus. Sind die dabei wirkenden Kräfte groß genug, werden einzelne feine Lacktropfen abgeschnürt. Die so zerstäubten Lacktropfen tragen nur einen geringen Impuls, sodass sie sich nur wenig vom Abgabeort entfernen und der Sprühstrahl besser und mit weniger Lenkluft geformt werden kann.
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Ein Beschleunigen oder ein Abbremsen eines Punktes des Zerstäubungselementes senkrecht zu einer Abrisskante oder einer Überströmfläche bedeutet dabei, dass sich zumindest die Geschwindigkeitskomponente in senkrechter Richtung betragsmäßig ändert. Bei einem Punkt auf einer Abrisskante umfasst dies alle Richtungen, die senkrecht zu einer Tangente sind, die an diesem Punkt durch den Verlauf der Abrisskante eindeutig definiert ist.
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Außer den angegebenen Bedingungen muss das Zerstäubungselement keine bestimmten Bewegungsmuster aufweisen, sodass auch zufällige oder pseudo-zufällige Bewegungen zum erfindungsgemäßen Erfolg führen, wenn die auftretenden Beschleunigungswechsel unter Berücksichtigung des zu zerstäubenden Lacks groß genug sind.
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Die Beschleunigungswechsel können mit einer Häufigkeit von circa 1 Hz bis circa 100 kHz, vorzugsweise von circa 100 Hz bis 1 kHz, auftreten. Je häufiger die Beschleunigungswechsel auftreten, desto größer ist die Ausbeute der Zerstäubung.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Zerstäubungselement oszillierend anzutreiben.
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Ein oszillierend angetriebenes Zerstäubungselement kann bei seiner Hin- und Herbewegung zwischen den Umkehrpunkten ausreichend Geschwindigkeit aufnehmen, damit beim Abbremsen bei den Umkehrpunkten ausreichend hohe Kräfte auftreten, die die Lacktropfen vom Lackfilm abschnüren.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Zerstäubungselement in einer periodischen Bewegung anzutreiben.
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Eine Antriebseinrichtung, die periodische Bewegungen erzeugt, ist vorteilhaft, da sich wiederholende Bewegungsabläufe leichter zu realisieren sind.
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Ferner kann bei einer periodischen Bewegung der Lackfilm, der sich auf der Überströmfläche des Zerstäubungselements bildet, zur Bildung von Kapillarwellen angeregt werden, an deren Wellenbergen sich Fluidpartikel abschnüren können. Im Gegensatz zur gleichförmigen Rotationsbewegung eines Rotationszerstäubers werden dabei oszillierende periodische Bewegungen gewählt, bei welchen nur geringe Fliehkräfte auftreten und trotzdem aufgrund der Periodizität der Bewegung ausreichend Energie in den Lackfilm eingebracht wird, um die Kapillarwellen anzuregen und einzelne Lacktropfen abzuschnüren. Die Größe der so erzeugten Lacktropfen ist weitgehend homogen, da sich an den Kapillarwellen bei einmal gewählter Form, Frequenz und Amplitude der Bewegung durch die intrinsischen Abschnürbedingungen des Lacks stets etwa gleich große Lacktropfen abschnüren.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Antriebseinrichtung ein Einstellmittel zugeordnet ist, mit welchem die Form, die Frequenz und/oder die Amplitude der Bewegung einstellbar sind.
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Auf den Antrieb wirkende Einstellmittel, wie steuerbare Spannungsquellen, oder zwischen Antrieb und Zerstäubungselement wirkende Einstellmittel, wie eine verstellbare Übersetzungsmechanik, ermöglichen die Form, die Frequenz und/oder die Amplitude an unterschiedliche Bedingungen bei der Zerstäubung anzupassen. Eine Anpassung kann beispielsweise an unterschiedliche zu zerstäubende Lacke, unterschiedliche Zerstäubungselemente oder unterschiedliche gewünschte Lacktropfengrößen erfolgen. Insbesondere bei periodischen Bewegungen kann so eine Anpassung an Resonanzbedingungen des Zerstäubungselements und/oder des Lacks erfolgen.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Wechselaufnahme für das Zerstäubungselement vorgesehen ist, die einen Austausch des Zerstäubungselements ermöglicht.
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Eine solche Wechselaufnahme kann beispielsweise über einen Schraub- oder Bajonettverschluss mit komplementären Verschlussmitteln an der Wechselaufnahme und dem Zerstäubungselement realisiert sein. Bei einem periodisch angetriebenen Zerstäubungselement ermöglicht der Austausch des Zerstäubungselements die Anpassung der Resonanzbedingungen des Schwingungssystems an unterschiedliche Eigenschaften des zu zerstäubenden Lacks, wie beispielsweise dessen Viskosität. Dadurch kann bei einem vorgegebenen Lack die Resonanzfrequenz des Systems so verschoben werden, dass optimale Bedingungen zur Ausbildung von Kapillarwellen und der damit verbundenen Lacktropfenabschnürungen vorliegen. Vorzugsweise erlaubt die Wechselaufnahme einen werkzeuglosen Austausch des Zerstäubungselements, um schnelle Wechsel zu ermöglichen.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Überströmfläche des Zerstäubungselements derart ausgebildet ist, dass sich auf der Überströmfläche ein Lackfilm ausbildet, der ausgehend von der Austrittsöffnung zunehmend dünner wird.
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Ein dünner Lackfilm an der Abrisskante begünstigt das Zerstäuben. Zudem erleichtert ein dünner werdender Lackfilm die Bildung von Kapillarwellen, sodass sich die Lacktropfen bevorzugt in einem von der Austrittsöffnung entfernten Bereich der Überströmfläche abschnüren.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass an der Abrisskante ein hydraulischer Durchmesser eingestellt ist, der kleiner ist als der hydraulische Durchmesser des Zufuhrkanals.
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Wird der auf der Überströmfläche vorhandene Lackfilm auch von der anderen Seite durch eine Fläche begrenzt, so erhält man einen Kanal für den Lackfilm, der zur Abrisskante führt. Dimensioniert man diesen Kanal so, dass der kleinste hydraulisch Durchmesser an der Abrisskante beispielsweise in Form eines kleinen Öffnungsspalts liegt, so führt der von dem Zufuhrkanal kommende Lackdruck zu einer gleichmäßigen Verteilung des Lacks auf der Überströmfläche.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Überströmfläche des Zerstäubungselements sich trichterförmig, insbesondere gekrümmt trichterförmig, erweitert.
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Von einer Überströmfläche, die sich ausgehend von der Austrittsöffnung beispielsweise wie ein Gravitationstrichter erweitert, wird ein sich zunehmend ausdünnender Lackfilm erzeugt, wenn der Lack in der Nähe des Zentrums des Trichters aus der Austrittsöffnung des Zufuhrkanals austritt.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Zerstäubungselement einen kreisrunden, insbesondere tellerförmigen Abschnitt aufweist.
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Bei einer entsprechend gewählten Bewegung, wird bei einem kreisrunden Abschnitt eines Zerstäubungselements ein weitgehend rotationssymmetrischer Sprühstrahl erzeugt.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Abrisskante als Rändelung des Zerstäubungselements ausgeführt ist.
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Die Abrisskante stellt eine Diskontinuität in den vorherrschenden Strömungsbedingungen dar und verstärkt die Zerstäubung von Lacktropfen. Durch eine Rändelung als Abriss kante, wird der Lackfilm zunächst in dünne Lackfäden unterteilt, die dann zu feinen Lacktropfen zerfallen, was die Zerstäubung des Lacks weiter fördert. Insbesondere bei einer Drehschwingungsbewegung eines tellerförmigen Zerstäubungselements weist die Abrisskante aufgrund der Rändelung Abschnitte auf, die Beschleunigungswechsel senkrecht zur Abrisskante erfahren.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Applikationskopf einen Auslass für einen Lenkluftstrom aufweist.
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Mit einem aus dem Auslass austretenden Lenkluftstrom kann der zerstäubte Lack, d. h. die abgeschnürten Lacktropfen, auf den zu beschichtenden Gegenstand gerichtet und die Form des Sprühstrahls (breit, schmal, etc.) je nach Bedarf verändert werden. Hierfür können als Auslass mehrere individuell ansteuerbare Druckluftdüsen vorgesehen sein.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Ionisierungseinrichtung vorgesehen ist, mit welcher der Lack oder Bestandteile des Lacks ionisierbar sind.
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Wird der Lack, insbesondere der fluidisierte Pulverlack, beispielsweise durch Direktaufladung oder durch Außenaufladung mit Hilfe einer Hochspannungsquelle auf ein elektrisches Potenzial gebracht, so kann der Auftragswirkungsgrad gesteigert werden, indem zwischen dem zu beschichtenden Gegenstand und dem Applikationskopf ein elektrisches Feld erzeugt wird.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung ein Übersetzungsmittel zur Amplitudenvergrößerung aufweist.
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Der Antrieb kann über einen Piezoantrieb, einen elektromechanischen Antrieb, einen rein mechanischen Antrieb oder sogar einen pneumatischen Antrieb realisiert sein. Insbesondere bei einem Piezoantrieb ist es jedoch vorteilhaft zur Amplitudenvergrößerung Übersetzungsmittel, wie beispielsweise Schwenkhebel einzusetzen, um die für die Zerstäubung von hochviskosen Lacken notwendigen Amplituden und Beschleunigungen bei der Bewegung des Zerstäubungselements zu erreichen.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Zerstäubungselement in einer Exzenterbewegung anzutreiben.
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Eine Exzenterbewegung als ungleichförmige, periodische Bewegung kann als eine Überlagerung zweier senkrecht zueinander verlaufender Sinusschwingungen angesehen werden. Zusammen mit einem rotationssymmetrischen Zerstäubungselement erzeugt eine solche Exzenterbewegung einen weitgehend symmetrischen Sprühstrahl. Ferner kann man einen Applikationskopf, der eine Exzenterbewegung zum Zerstäuben des Fluids verwendet, durch geringfügige bauliche Änderungen eines Rotationszerstäubers erhalten.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Zerstäubungselement eine Symmetrieachse hat und die Antriebseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Zerstäubungselement in einer axialen Schwingungsbewegung entlang der Symmetrieachse anzutreiben.
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Die Symmetrieachse des vorzugsweise rotationssymmetrischen Zerstäubungselements zeigt wie bei einem Rotationszerstäuber im Wesentlichen in Auftragungsrichtung des Applikationskopfs. Verläuft die Überströmfläche am Rand in etwa senkrecht zu dieser Symmetrieachse, so schwingt der ausgedünnte Lackfilm bei einer axialen Schwingungsbewegung senkrecht zur Filmausbreitungsrichtung. Die dadurch entstehenden Kapillarwellen schwingen in axialer Richtung, sodass die Abschnürung der Lacktropfen ohne einen nennenswerten, radial nach außen zeigenden Impuls erfolgt.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Zerstäubungselement eine Symmetrieachse hat und die Antriebseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Zerstäubungselement in einer zur Symmetrieachse transversalen Schwingungsbewegung anzutreiben.
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Eine solche transversale Schwingungsbewegung, die eine reine Verschiebebewegung sein kann, kann durch eine zentrisch an dem Zerstäubungselement ansetzende Verschiebemechanik erreicht werden. Die Abschnürung von Lacktropfen erfolgt dabei im Wesentlichen in der Ebene der transversalen Schwingungsbewegung.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Applikationskopf ein Gehäuse aufweist und das Zerstäubungselement nur über ein federndes Rohr gelagert ist, das den Zufuhrkanal beinhaltet und in einem Lagerpunkt am Gehäuse befestigt ist, und dass die Antriebseinrichtung vom Lagerpunkt beabstandet am Zerstäubungselement angreift.
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Bei Verwendung einer zentrisch ansetzenden Verschiebemechanik, die vom Lagerpunkt beabstandet angreift, wird eine transversale Pendelbewegung erzeugt, bei der das federnde Rohr eine Rückstellkraft ausübt.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Zerstäubungselement eine Symmetrieachse hat und die Antriebseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Zerstäubungselement in einer Drehschwingung um die Symmetrieachse anzutreiben.
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Dies kann durch eine außeraxial an einer Schwingscheibe ansetzende Verschiebemechanik erreicht werden, die ein Teil des Zerstäubungselements oder mit diesem verbunden sein kann. Die Drehschwingung ist dabei vorzugsweise kleiner als etwa 5°, insbesondere kleiner als etwa 1°, sodass möglichst kleine Fliehkräfte wirken und die Fluidtropfen somit nur mit einem kleinen radialen Impuls abgeschnürt werden.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Zerstäubungselement Einschnitte mit radialer Erstreckungskomponente aufweist und vorzugsweise in einer schrittweisen Drehbewegung angetrieben wird.
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Durch Einschnitte mit einer radialen Erstreckungskomponente werden auch bei einer Drehbewegung wie einer schrittweise fortlaufenden oder einer Drehschwingung zumindest Kantenabschnitte der Abrisskante senkrecht zum Kantenverlauf beschleunigt und abgebremst.
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Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:
- a) Bereitstellen eines Applikationskopfes, der ein Zerstäubungselement mit einer Überströmfläche und eine mit dem Zerstäubungselement in Wirkverbindung stehende Antriebseinrichtung aufweist;
- b) Zuführen des Lacks auf die Überströmfläche des Zerstäubungselements;
- c) Antreiben des Zerstäubungselements derart, dass ein Punkt an einer Abrisskante der Überströmfläche und/oder auf der Überströmfläche selbst senkrecht zur Abrisskante bzw. zur Überströmfläche im Wechsel beschleunigt und abgebremst wird.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Zerstäubungselement in Resonanz angetrieben wird.
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Dadurch können bei der Bewegung des Zerstäubungselements ausreichend große Amplituden erzeugt werden, da die Antriebsenergie optimal auf das Zerstäubungselement übertragen wird. In die Resonanzbedingungen fließen dabei die genauen Ausgestaltungen des Zerstäubungselements bzw. des gesamten Schwingungssystems ein, was die Lagerung des Zerstäubungselements im Applikationskopf sowie Teile der Antriebseinrichtung umfassen kann. Ferner sind der auf der Überströmfläche vorliegende Fluidfilm sowie die Art der angeregten Schwingungsbewegung zu berücksichtigen. Bei einem permanent gekoppelten Antrieb wird das Zerstäubungselement bei der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems angetrieben werden. Ist der Antrieb lose gekoppelt, sodass der Antrieb beispielsweise nur bei jeder zweiten Schwingungsbewegung Energie zuführt, so können die angeregten Resonanzfrequenzen auch ein ganzzahliges Vielfaches der Antriebsfrequenz betragen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. In diesen zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen Applikationskopf mit einem Zerstäubungselement, das eine Exzenterbewegung vollführt;
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2 eine Seitenansicht des Zerstäubungselements;
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3 eine Vergrößerung des Ausschnitts A aus 2, der eine Abrisskante des Zerstäubungselements zeigt;
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4 einen Längsschnitt durch einen Applikationskopf nach einem anderen Ausführungsbeispiel, bei dem das Zerstäubungselement eine axiale Schwingungsbewegung vollführt;
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5 einen Längsschnitt durch eine Applikationskopf nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem das Zerstäubungselement eine transversale Pendelbewegung vollführt;
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6 einen Querschnitt durch den Applikationskopf der 5 entlang der Linie C-C;
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7 einen Längsschnitt durch einen Applikationskopf nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem das Zerstäubungselement eine Drehschwingung vollführt;
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8 einen Querschnitt durch den Applikationskopf der 7 entlang der Linie C-C;
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9 eine Aufsicht eines abgewandelten Zerstäubungselements, das radial eingeschlitzt ist;
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10 eine Aufsicht eines abgewandelten Zerstäubungselements, das ein Abdeckelement umfasst;
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11 einen Längsschnitt durch das Zerstäubungselement der 9 entlang der Linie A-A:
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1 zeigt einen insgesamt mit 10 bezeichneten Applikationskopf einer industriellen Lackieranlage, der zum Zerstäuben und Auftragen eines Lackes auf einen nicht gezeigten Gegenstand dient.
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Der Applikationskopf 10 weist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 12 mit einer Mittelachse 14 auf.
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Axial entlang der Mittelachse 14 läuft in dem Gehäuse 12 eine Hohlwelle 16, die mit Hilfe zweier Kugellager 18 und 20 gelagert ist. An ihrem in der 1 nach links zeigenden vorderen Ende weist die Hohlwelle 16 eine Exzenteraufnahme 22 auf, die im Vergleich zur Mittelachse 14 der Hohlwelle 16 um einen Radialabstand e exzentrisch versetzt angeordnet ist.
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Die Exzenteraufnahme 22 ist als axiale Senkbohrung in einem gegenüber der Hohlwelle 16 verbreiterten Wellenkopf ausgestaltet, wobei das Innere der Hohlwelle 16 über den Boden der Senkbohrung mit der Exzenteraufnahme 22 in Verbindung steht.
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In die Exzenteraufnahme 22 ist ein weiteres Kugellager 24 eingesetzt, das sich mit seinem Außenring an einer Schulter der abgestuften Senkbohrung abstützt und das über eine feste Passung oder einen Sprengring axial gesichert ist.
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Der Innenring des Kugellagers 24 umfasst das hintere Ende eines Zerstäubungselements 26, das in 2 in einer Seitenansicht gezeigt ist.
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Das tellerförmige Zerstäubungselement 26 ist im Wesentlichen ein Rotationskörper, der an seiner Vorderseite eine kreisrunde ebene Abschlussfläche 28 und zu seiner Rückseite hin eine Überströmfläche 30 aufweist. Die in Richtung des zu beschichtenden Gegenstandes zeigende Abschlussfläche 28 hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Durchmesser, der in etwa dem Durchmesser des zylindrischen Gehäuses 12 des Applikationskopfes 10 entspricht. Je nach Bedarf können jedoch Zerstäubungselemente 26 mit deutlich unterschiedlichen Durchmessern zum Einsatz kommen. Die Überströmfläche 30 des Zerstäubungselements 26 wird von einer um die Symmetrieachse rotierten Hyperbel geformt, sodass sich insgesamt eine gravitationstrichterförmige Verjüngung des Zerstäubungselements 26 nach hinten ergibt.
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An die Überströmfläche 30 schließt sich hinten ein zylindrischer Abschnitt 32 an, mit welchem das Zerstäubungselement 26 so im Kugellager 24 der Exzenteraufnahme 22 aufgenommen ist, dass die Abschlussfläche 28 des Zerstäubungselement 26 aus dem Applikationskopf 10 herausragt.
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Zu Beginn des zylindrischen Abschnitts 32 ist am Übergang von der Überströmfläche 30 auf den zylindrischen Abschnitt 32 eine umlaufende Außennut 34 vorgesehen. In diese greift gleitend ein gewellter Staubschutzring 36 ein, der an seinem Außenrand mit dem Gehäuse 12 des Applikationskopfes 10 verbunden ist und dieses nach vorne zum Zerstäubungsbereich hin abdichtet. Durch seine Wellung lässt der Staubschutzring 36 dabei radiale Bewegungen des Zerstäubungselements 26 gegenüber dem Gehäuse 12 zu.
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Das Zerstäubungselement 26 weist ferner einen Zufuhrkanal 38 in Form einer Sackbohrung auf, die ausgehend von der hinteren Stirnseite entlang der Symmetrieachse verläuft. Im eingebauten Zustand des Zerstäubungselements 26 ist an dem Zufuhrkanal 38 ein flexibler Zufuhrschlauch 40 angeschlossen, der im Inneren der Hohlwelle 16 aus dem Applikationskopf 10 herausgeführt ist und dort an einen Auslass einer nicht gezeigten Lackieranlage angeschlossen werden kann.
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Sechs in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Radialbohrungen 42, die vom Boden der axialen Sackbohrung des Zerstäubungselements 26 leicht schräg nach vorne verlaufen, enden als Austrittsöffnungen 44 an der Überströmfläche 30. Dadurch kann ein über den Zufuhrschlauch 40 zugeführter Lack aus den Austrittöffnungen 44 austreten und sich von dort aus auf der Überströmfläche 30 zu einem dünnen Lackfilm verteilen.
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Wie aus der Vergrößerungsansicht der 3 ersichtlich ist, weist das Zerstäubungselement 26 an seinem Tellerrand 46 eine Abrisskante 48 auf, welche die Überströmfläche 30 nach außen begrenzt. Entlang der Abrisskante 48 verläuft eine Rändelung 50, die an der Überströmfläche 30 beginnend radial nach außen zeigt und den dünnen Lackfilm in feine Fäden unterteilt.
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Zur Ausbildung und Ausrichtung eines Sprühstrahls weist das Gehäuse 12 des Applikationskopfs 10 in seiner vorderen Stirnfläche 52, aus welcher das Zerstäubungselement 26 herausragt, Lenkluftdüsen 54 auf, die als Auslass für einen Lenkluftstrom dienen. Die Lenkluftdüsen 54 sind in gleichmäßigen Abständen entlang des Umfangs der Stirnfläche 52 verteilt und stehen über Lenkluftkanäle 56 mit einer nicht gezeigten steuerbaren Druckluftquelle in Verbindung, sodass die Form des Sprühstrahls mit Hilfe der aus den Lenkluftdüsen 54 austretenden Lenkluftströme beeinflusst werden kann.
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Der Applikationskopf 10 funktioniert im Betrieb derart, dass durch den Zufuhrschlauch 40 und den Zufuhrkanal 38 der Überströmfläche 30 des Zerstäubungselements 26 der zu zerstäubende Lack zugeführt wird.
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Durch Drehung der Hohlwelle 16 mit einem nicht gezeigten Antriebsmotor, wird das Zerstäubungselement 26 in einer Exzenterbewegung angetrieben, deren Amplitude sich aus der Exzentrizität, d. h. dem Radialabstand e der Exzenteraufnahme 22, ergibt. Aufgrund der drehbaren Lagerung im Kugellager 24 und dem gleitenden Staubschutzring 36 kann das Zerstäubungselement 26 dabei sein Drehorientierung bezüglich des Gehäuses 12 beibehalten.
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Bei dieser Exzenterbewegung, die nicht einer rein gleichförmigen Rotation entspricht, werden die einzelnen Punkte, die die Abrisskante 48 bzw. die Rändelung 50 bilden, zumindest teilweise senkrecht zur Kante beschleunigt und wieder abgebremst. Dies regt bei geeignet gewählter Frequenz und Amplitude eine Ablösung einzelner Lacktropfen von dem dünnen Lackfilm an der Abrisskante an. Die periodischen Wechsel der auf einzelne Volumenelemente des Lackfilms wirkenden Beschleunigungs- und Trägheitskräfte einer dermaßen ungleichförmigen Bewegung tragen somit zur Zerstäubung des Lacks bei.
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Die abgeschnürten und damit zerstäubten Lacktropfen werden dann von den aus den Lenkluftdüsen 54 austretenden Lenkluftströmen mitgerissen und um das tellerförmige Zerstäubungselement 26 herum in Richtung des zu beschichtenden Gegenstandes gefördert.
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Zur Ausbildung der Sprühwolke und zur Erhöhung des Auftragwirkungsgrades weist der Applikationskopf 10 ferner eine Ionisierungseinrichtung mit einer Hochspannungsquelle 57 auf, welche das Zerstäubungselement 26 auf ein elektrostatisches Potential setzt und dadurch den überströmenden Lack auflädt.
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In Abwandlung kann bei diesem Ausführungsbeispiel die Exzenteraufnahme 22 mit einem Gegengewicht verbunden sein, das so ausgestaltet ist, dass die durch die exzentrische Anbringung des Zerstäubungselements 26 hervorgerufene Unwucht ausgeglichen wird.
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In weiterer Abwandlung des Ausführungsbeispiels ist in der Exzenteraufnahme 22 eine drehbare und arretierbare Exzenterbuchse angeordnet, die ein exzentrisch versetztes Innenloch für das Kugellager 24 aufweist. Durch Verdrehen der Exzenterbuchse kann so die Exzentrizität des Zerstäubungselements 26 und dementsprechend die Amplitude der Exzenterbewegung eingestellt werden.
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4 zeigt einen Applikationskopf 10 nach einem anderen Ausführungsbeispiel, in welchem Komponenten mit gleicher Funktion wie im ersten Ausführungsbeispiel die gleichen Bezugsziffern tragen.
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Im Gehäuse 12 des Applikationskopfs 10 sind parallel zur Mittelachse 14 zwei Piezoaktoren 60 angeordnet. Die Piezoaktoren 60 umfassen eine Vielzahl von dünnen Piezoelementen, die zu einem sogenannten Piezostack zusammengefasst sind, sodass die Piezoaktoren 60 sich bei Anlegen einer Spannung aus einer steuerbaren Spannungsquelle 61 in axialer Richtung nennenswert strecken oder zusammenziehen können.
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Mit ihrem in der Zeichnung nach links gerichteten Arbeitsende 62 wirken die beiden Piezoaktoren 60 auf Betätigungsarme 64 zweier radial verlaufender, diametral gegenüberliegender Schwenkhebel 66, die jeweils an einem mit dem Gehäuse 12 verbundenen Stützelement 68 gelagert sind. Die Abtriebsarme 70 der Schwenkhebel 66 setzen an einer zylinderförmigen Axialschwingaufnahme 72 an. Die Lagerpunkte der Schwenkhebel 66 sind dabei so gewählt, dass eine gleichzeitige axiale Streckung oder Kürzung beider Piezoaktoren 60 in eine axiale Verschiebung der Axialschwingaufnahme 72 entlang der Mittelachse 14 mit einer größeren Amplitude umgesetzt wird. Die steuerbare Spannungsquelle 61 gewährleistet dabei einen Gleichlauf der Piezoaktoren 60.
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In einer zentralen Durchgangsbohrung durch die Axialschwingaufnahme 72 ist das vordere Ende 74 einer hohlen Rohrstange 76 eingepasst, die in zwei Gleitbuchsen 78 entlang der Mittelachse 14 des Gehäuses 12 axial gleitend aufgenommen ist. Das vordere Ende 74 der Rohrstange 76 weist Bajonettverschlusseinkerbungen auf, in die das Zerstäubungselement 26, das über entsprechende Bajonettzapfen verfügt, derart einsteckbar ist, dass bei einer axialen Schwingungsbewegung ein Lösen des Bajonettverschlusses nicht möglich ist.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Applikationskopfs 10, bei welchem das Zerstäubungselement 26 an seinem hinteren Ende ein längliches federndes Rohr 80 aufweist, das am hinteren Ende des Applikationskopfes 10 in einer Passung 82 angeordnet ist.
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Wiederum sind bezüglich der Mittelachse 14 diametral gegenüberliegende Piezoaktoren 60 vorgesehen, die auf Kniehebelgestänge 84 wirken. Die Kniehebelgestänge 84 stützen sich einerseits an dem Stützelement 68 und andererseits an einer Transversalschwingaufnahme 86 ab, die das Rohr 80 umschließt. Wie aus 6 ersichtlich ist, wirken die Kniehebelgestänge 84 dabei bezüglich der Symmetrieachse des Zerstäubungselements 26 diametral gegenüberliegend auf die Transversalschwingaufnahme 86.
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Die Kniehebelgestänge 84 weisen jeweils zwei über ein Verbindungslager miteinander verbundene Stangenelemente 88 auf, die gegeneinander leicht abgewinkelt sind, wobei die Piezoaktoren 60 auf den Bereich des Verbindungslagers wirken, um das jeweilige Kniehebelgestänge 84 zu strecken. Der Winkel der Abwinkelung des Kniehebelgestänges 84 beeinflusst dabei die Hubvergrößerung. Je spitzer der Winkel desto größer ist der Hub. Ein zu spitzer Winkel wird jedoch zum blockieren des Kniehebelgestänges führen.
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Durch gegenläufiges Ansteuern der Piezoaktoren 60 wird so eine Verschiebemechanik realisiert, die an dem Zerstäubungselement 26 bzw. an dessen federndem Rohr 80 angreift, sodass das tellerförmige Zerstäubungselement 26 eine transversale Pendelschwingung vollführt.
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In Abwandlung können anstatt der Kniehebelgestänge 84 gebogene Blattfedern vorgesehen werden, wodurch auf Lager in den Lagerpunkten verzichtet werden kann. Insbesondere bei hohen Frequenzen kann dies zu geringeren Reibungsverlusten führen.
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Die 7 und 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Applikationskopfs 10, bei welchem das Zerstäubungselement 26 mit seinem hinteren Ende in einer Schwingscheibenaufnahme 90 angeordnet ist.
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Bei der Schwingscheibenaufnahme 90 ist die hohle Rohrstange 76, durch die der Lack zugeführt wird, als nach hinten, d. h. in der 7 nach rechts zeigender, einstückiger Fortsatz der Schwingscheibenaufnahme 90 ausgebildet. Die Rohrstange 76 ist wieder in zwei Gleitbuchsen 78 aufgenommen, jedoch ist hier bei der hinteren Gleitbuchse 78 eine umlaufende Außennut zur Aufnahme eines Axialsicherungsrings 92 vorgesehen, welcher die Rohrstange 76 und damit die Schwingscheibenaufnahme 90 gegen eine axiale Verschiebung sichert.
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Der so drehbar gelagerten Rohrstange 76 wird der Lack über einen am hinteren Ende angebrachten, flexiblen Zufuhrschlauch 40 zugeführt.
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Der Antrieb erfolgt wie beim Ausführungsbeispiel der 5 über zwei gegenüberliegende Kniehebelgestänge 84, deren Piezoaktoren 60 im Gegentakt angesteuert sind. Die Kniehebelgestänge 84 setzen jedoch im vorliegenden Ausführungsbeispiel exzentrisch an der Schwingscheibenaufnahme 90 an, sodass dieser aufgrund des Hebelarms ein richtungsmäßig wechselndes Drehmoment aufgezwungen wird.
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Wie aus 8 ersichtlich weist die Schwingscheibenaufnahme 90 dabei Aussparungen 94 für die Anordnung der Kniehebelgestänge 84 auf, wodurch sich die Schwingscheibenaufnahme gegenüber diesen verdrehen kann.
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Das Zerstäubungselement 26 vollführt somit eine Drehschwingung um die Mittelachse 14 des Applikationskopfes 14, deren maximaler Auslenkungswinkel aus der Ruhelage vorzugsweise kleiner 5°, insbesondere kleiner 1° ist.
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Eine solche Drehschwingung führt bei Verwendung eines mit einer Rändelung 50 versehenen Zerstäubungselements 26 zum Zerstäuben des Lacks. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, kann in Abwandlung jedoch auch eine in 9 gezeigte Schlitzscheibe 100 als Zerstäubungselement 26 verwendet werden.
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Die Schlitzscheibe 100 weist eine tellerförmige Überströmfläche 30 auf und ist in Umlaufrichtung mehrfach radial eingeschlitzt. Die dadurch entstehenden radialen Kantenabschnitt 102 werden bei einer Drehschwingung senkrecht zum Kantenverlauf beschleunigt und abgebremst, sodass an diesen Abrisskanten der Lack zerstäubt wird. Auch andere Verläufe der Schlitze sind denkbar, solange der Kantenverlauf zumindest eine radiale Komponente hat.
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In einer weiteren Abwandlung kann die Schlitzscheibe 100 oder ein ähnliches Zerstäubungselement 26 in einer schrittweisen fortlaufenden Drehbewegung angetrieben werden. Durch die schrittweise Bewegung kommt es zu wechselnden Beschleunigungen senkrecht zu den Abrisskanten, die bei entsprechender Größe zum Abreißen und Zerstäuben des Lacks führen.
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Um bei den vorgestellten Ausführungsbeispielen trotz der fehlenden hohen Zentrifugalkräfte, die bei einem Rotationszerstäubers auftreten würden, eine gleichmäßige Verteilung des Lacks auf der Überströmfläche 30 zu erhalten, kann ein Zerstäubungselement nach den 10 und 11 vorgesehen werden. Dabei ist die Überströmfläche 30 von einem Abdeckelement 110 überdeckt, das über den zylindrischen Abschnitt 32 aufsteckbar ist. Der dadurch zwischen der Überströmfläche 30 und dem Abdeckelement 110 gebildete Überströmkanal 112 ist so geformt, dass der kleinste hydraulischer Querschnitt an der Abrisskante 48 vorgesehen ist. Der Lack wird so ausgehend von dem Zufuhrkanal 38 aufgrund des Lackdrucks gleichmäßig auf der Überströmfläche 30 verteilt und zur Abrisskante 48 gefördert.
