DE102014013158A1

DE102014013158A1 - Freistrahl-Einrichtung

Info

Publication number: DE102014013158A1
Application number: DE102014013158.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Exel Industries SA
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-03-17
Also published as: US20160074882A1

Abstract

Es wird eine Freistrahleinrichtung vorgestellt mit mindestens einem individuell adressierbaren Kanal zur kontaktlosen Abgabe einer Flüssigkeit durch Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) und mit einer Flüssigkeits-Versorgung (7), welche die Flüssigkeit mit einem Druck beaufschlagt, der gegenüber der Umgebung um mindestens 0,2 bar erhöht ist, wobei der mindestens eine adressierbare Kanal eine Ventileinheit umfasst mit einem Flüssigkeits-Einlasskanal (5) welcher an seinem Ende eine Ventilöffnung (6) aufweist; und mit einem Verschluss-Element, das eine Membrane (2) umfasst und das mittels eines pneumatischen Steuerdrucks oder mittels einer Steuerkraft, die mit dem jeweiligen adressierbaren Kanal korrespondiert, aktuiert wird und welches in einer Dichtposition die Ventilöffnung (6) verschließt und in einer geöffneten Position die Ventilöffnung (6) freigibt; und eine Kavität umfasst, die der Ventilöffnung (6) in Fließrichtung nachgelagert ist und die mit ein oder mehreren Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) verbunden ist, wobei ein äußerer Teil (3) der Membrane (2) Bestandteil des Hohlraums ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Freistrahl-Einrichtung zur kontaktlosen Abgabe von Flüssigkeiten auf die Fläche eines Körpers oder einer Flüssigkeit. Flüssigkeiten sind beispielsweise: Wasser oder wässrige Lösungen, Farben, im speziellen Dispersionsfarben, Lacke, im speziellen Lösungsmittel – basierte Lacke, im speziellen Autolacke, Suspensionen oder Dispersion im Allgemeinen, aus Feststoffpartikeln in einer flüssigen wässrigen oder nicht-wässrigen Phase, Emulsionen, flüssige Nahrungsmittel, in eine flüssige Phase dispergierte, emulgierte oder gelierte nicht-flüssige pulverförmige Nahrungsmittel, Gipse, Zemente, Tone, Glasuren oder Dispersionen aus Glasmehlen, Monomere, Polymere, Flüssigkeiten mit Aminosäuren, insbesondere Zellen oder deren Bestandteile.
Eine kontaktlose Flüssigkeitsabgabe kann dabei kontinuierlich in Form eines Flüssigkeits-Strahls erfolgen oder diskontinuierlich, was allgemein als Drop-on-Demand (DOD) Verfahren bezeichnet wird. Die kontinuierliche Form wird hierbei jedoch nur als Sonderform des Drop-on-Demand Verfahrens betrachtet, da ein Flüssigkeitsstrahl grundsätzlich nur einer Tropfenabgabe mit besonders langer Abgabe-Zeit entspricht. Als Drop-on-Demand Verfahren soll auch der Fall eingeschlossen werden, dass die Flüssigkeitstropfen nach oder während des Austritts aus der Vorrichtung durch ein Druck-beaufschlagtes Gas auseinandergerissen und zerstäubt werden.
Da die oben beschriebenen Flüssigkeiten eine oft weitaus höhere Viskosität als Wasser aufweisen, wird hier eine DOD-Technologie zugrunde gelegt, die eine ausreichend hohe Leistung für eine Tropfen-Erzeugung aufbringen kann. Eine solche Technologie wird in US 8,556,373 B2 beschrieben. Mittels eines Arrays aus pneumatischen Mikro-Pilotventilen werden pneumatische Steuerdrücke generiert, welche ihrerseits pneumatisch gesteuerte Membran-Fluidventile schalten. Auf diese Weise lassen sich selbst auf kleinstem Raum hohe Schaltleistungen erzielen. US 8,556,373 B2 schlägt dabei als Membran-Fluidventile einen Mechanismus vor, in dem eine durch den Steuerdruck bewegte Membrane oder ein pneumatisch bewegter Ventilstößel das Loch eines Auslasses verschließt oder öffnet. Das Öffnen des Ventils erfolgt letztlich durch den Fluiddruck, sobald dieser größer als der Steuerdruck ist, oder, sobald der Steuerdruck den Fluiddruck unterschreitet. Um eine effektive Dichtkraft zu erzielen, muss der Steuerdruck substanziell höher als der Fluiddruck sein. Somit ist ein Nachteil des Verfahrens, dass zusätzlich zu dem Fluiddruck ein wesentlich höherer Steuerdruck zur Verfügung gestellt werden müssen. Ein weiterer Nachteil des beschriebenen Ventilprinzips ist, dass das Schließen des Ventils, welches den Fluidabriss bestimmt, nicht schnellstmöglich vonstatten geht, da der für das Schließen des Ventils verantwortliche ansteigende Steuerdruck immer um den Fluiddruck vermindert wird. Schließlich ergibt sich ein weiterer Nachteil des Designs in US 8,556,373 B2 aus dem Wunsch, mehr als eine Fluidauslass-Öffnung pro Fluidventil zu realisieren. Dieser Wunsch besteht beispielsweise, wenn eine Fläche gleichmäßig mit eine dünnen Schicht aus einer Dispersionsfarbe beschichtet werden soll. Hierfür ist eine weitere Fluidplatte erforderlich, welche die gewünschte Anzahl von Fluid-Auslässen pro Fluidventil enthält.
Es ist damit Aufgabe der Erfindung, eine Freistrahleinrichtung und ein Freistrahlverfahren für die Abgabe von Flüssigkeiten der oben beschrieben Art zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demnach wird von einer Freistrahleinrichtung ausgegangen mit mindestens einem individuell adressierbaren Kanal zur kontaktlosen Abgabe einer Flüssigkeit durch Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) und mit einer Flüssigkeits-Versorgung (7), welche die Flüssigkeit mit einem Druck beaufschlagt, der gegenüber der Umgebung um mindestens 0,2 bar erhöht ist, wobei der mindestens eine adressierbare Kanal Folgendes umfasst: Eine Ventileinheit mit einem Flüssigkeits-Einlasskanal (5) welcher an seinem Ende eine Ventilöffnung (6) aufweist und mit einem Verschluss-Element, das eine Membrane (2) umfasst und das mittels eines pneumatischen Steuerdrucks oder mittels einer Steuerkraft, die mit dem jeweiligen adressierbaren Kanal korrespondiert, aktuiert wird und welches in einer Dichtposition die Ventilöffnung (6) verschließt und in einer geöffneten Position die Ventilöffnung (6) freigibt; weiterhin eine Kavität umfasst, die der Ventilöffnung (6) in Fließrichtung nachgelagert ist und die mit ein oder mehreren Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) verbunden ist, wobei ein äußerer Teil (3) der Membrane (2) Bestandteil des Hohlraums ist.
Die erfindungsgemäße Freistrahleinrichtung ermöglicht die Verwendung einer einzigen pneumatischen Druckquelle für die Erzeugung der Steuerdrücke und für die Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit. Ferner ergibt sich als wesentlicher Vorteil zum genannten Stand der Technik, dass sich mit der erfindungsgemäßen Freistrahleinrichtung ein wesentlich höherer Anpresskraft der Membrane auf eine Ventilöffnung erreichen lässt, somit eine bessere Dichtwirkung, da der dem Steuerdruck entgegenwirkende Flüssigkeitsdruck nur auf eine Fläche von der Größe der Ventilöffnung wirkt. Oder anders betrachtet, es kann mit einem erheblich geringeren Steuerdruck dieselbe Anpresskraft, also dieselbe Dichtwirkung wie beim Stand der Technik erzielt werden. Dabei kann der Steuerdruck sogar erheblich unter dem Flüssigkeitsdruck liegen. Da in der Praxis die Erzeugung von hochtransienten Steuerdrücken bei hohen Drücken technologisch aufwändig sind, kann die erfindungsgemäße Freistrahleinrichtung insgesamt einer Leistungssteigerung dienen.
Ein weiterer Vorteil gegenüber dem genannten Stand der Technik wird erkennbar, wenn ein individuell adressierbarer Kanal mehrere Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) aufweisen soll, um beispielsweise eine flächige Beschichtung zu erzeugen. Im Stand der Technik muss hierfür eine weitere Fluidplatte hinzugefügt werden, welche den einen Flüssigkeits-Ausgang des Ventils auf die entsprechende Anzahl von Flüssigkeits-Abgabeöffnungen verteilt. In der erfindungsgemäßen Freistrahleinrichtung befinden sich die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) in demselben Teil, in dem sich auch die übrigen Fluidkanäle befinden.
Schließlich kann durch eine spezielle fluidische Auslegung ein weiterer vorteilhafter Effekt erzielt werden: Wird der Flüssigkeits-Einlasskanal (5) als Drossel mit einem hohen Strömungswiderstand ausgelegt, so bestimmt diese und der anliegende Flüssigkeitsdruck die Flüssigkeitsmenge, die durch die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen ausgestoßen wird. Eine solche Drossel kann beispielsweise als Kapillare mit einem Druckmesser von 0,1 mm bis 0,5 mm und einer Länge von 0,5 mm bis 20 mm ausgebildet sein. In dieser hier als Inkjet-Modus bezeichneten Betriebsweise arbeitet die erfindungsgemäße Freistrahleinrichtung dann während des Fluidausstoßes nach dem Verdrängungsprinzip, da die durch die Drossel eingetretene Flüssigkeitsmenge durch die Membrane nur noch durch die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) ausgestoßen wird. Es lassen sich so auch noch mit Ventil-Öffnungszeiten von 1 ms bis 5 ms Tropfenvolumina im Nanoliter-Bereich ausstoßen.
Die erfindungsgemäße Freistrahleinrichtung dient vornehmlich der kontaktlosen Abgabe von Tropfen oder Strahlen durch die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) von Flüssigkeiten, die vornehmlich eine Viskosität von 10 bis 50 mPas im Falle Newtonschen Verhaltens oder eine Viskosität von 5 bis 30 mPas gemessen bei einer Scherrate von 15000 1/s im Falle eines strukturviskosen Verhaltens. Vornehmlich werden Flüssigkeitstropfen der Volumina 50 Nanoliter bis 1 Milliliter mit einer Frequenz von 1 Hz bis 1000 Hz bei Ventil-Öffnungszeiten zwischen 0,2 ms und 5 ms, Flüssigkeitsdrücken von 0,5 bar bis 15 bar durch Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) mit einem Querschnitt von 0,1 mm bis 6 mm abgegeben.
Die erfindungsgemäße Freistrahleinrichtung ist für eine breite Vielfalt von Flüssigkeiten und Anwendungen geeignet. Besonders hervorgehoben werden sollen hier (A) die Beschichtung von Flächen mit Gebäudefarben, insbesondere mit wasserbasierten Dispersionsfarben vorgenannter Eigenschaften im Innen- oder Außenbereich und (B) die Beschichtung von metallischen Flächen im industriellen Bereich, beispielsweise in der Automobil-Fertigung oder in der Luft- und Raumfahrttechnik, zum Zwecke der Lackierung. Beide Anwendungen profitieren bei Verwendung der erfindungsgemäßen Freistrahleinrichtung von der Tatsache, dass im Gegensatz zu den bekannten Spritzverfahren ausschließlich Flüssigkeitströpfchen definierter Größe generiert werden ohne dass feiner Flüssigkeitsnebel entsteht, um Flächen zu beschichten. Dadurch steht ein günstiges und ökonomisches kontaktloses Beschichtungsverfahren zur Verfügung, welches den umweltschädlichen Farbnebel Prinzipbedingt vollständig vermeidet. Erwähnt werden soll auch die Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Freistrahleinrichtung im Bereich der generativen Fertigung.
Es wird erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen, dass sich die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) eines adressierbaren Kanals in einer Matrixanordnung aus mindestens einer Reihe befinden.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass sich die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) aller adressierbaren Kanäle in einer Matrixanordnung aus mindestens einer Reihe befinden.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zwischen der Ebene der Einspannung der Membrane (2) und der Ventilöffnung (6) am Ende des Flüssigkeits-Einlasskanals eine Distanz d besteht, sodass mittels des Steuerdrucks die Membrane um die Distanz D ausgelenkt wird, um die Ventilöffnung (6) zu verschließen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass sich die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) und der Flüssigkeits-Einlasskanal (5) innerhalb eines gemeinsamen Bauteils befinden.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) und der Flüssigkeits-Einlasskanal (5) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) und der Flüssigkeits-Einlasskanal (5) im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Flüssigkeits-Einlasskanal einen bis zu 20-fach höheren hydraulischen Strömungswisderstand als die zusammengenommenen Flüssigkeit-Abgabeöffnungen aufweist.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zum Betrieb der erfindungsgemäßen Freistrahleinrichtung folgende Schritte durchgeführt werden: Die Beaufschlagung der Membrane (2) mit einem Steuerdruck, sodass die Membrane (2) auf die Ventilöffnung (6) am Ende des Flüssigkeits-Einlasskanals (5) in ihre Ausgangsposition gedrückt wird und Beaufschlagung der Flüssigkeit mit einem Flüssigkeitsdruck, die Reduzierung des Steuerdruckes, sodass die Membrane durch den Flüssigkeitsdruck an der Stelle der Membrane ausgelenkt wird und von der Ventilöffnung (6) am Ende des Flüssigkeits-Einlasskanals (5) abhebt und so eine Flüssigkeitspassage freigibt, die Erhöhung des Steuerdrucks, sodass die Membrane (2) wieder in ihre Ausgangsposition bewegt wird, dabei angrenzende Flüssigkeit verdrängt, sodass es zu einem Flüssigkeits-Ausstoß durch die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) kommt.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Steuerdruck für das Verschließen der Ventilöffnung (6) höchstens um 0,3 bar vom Flüssigkeitsdruck abweicht.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Freistrahl-Einrichtung so betrieben wird, dass bei einem Durchmesser der Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) von 0,1 mm bis 0.6 mm die Austrittgeschwindigkeit der Flüssigkeit 3 m/s bis 12 m/s beträgt.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Freistrahl-Einrichtung so betrieben wird, dass bei einem Durchmesser der Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) von 0,5 mm bis 6 mm die Austrittgeschwindigkeit der Flüssigkeit 0,5 m/s bis 6 m/s beträgt.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Freistrahl-Einrichtung dazu verwendet wird, um eine strukturviskose Flüssigkeit auf ein Substrat abzugeben, welche eine Viskosität von 5 bis 50 mPas bei einer Scherrate von 15000 1/s aufweist, mittels eines Fluiddruckes von 2 bis 6 bar, mittels mindestens einer Reihe von Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10), welche einen Abstand von 0,3 mm bis 1,3 mm aufweisen, um einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm von 0,05 mm bis 0,3 mm Dicke zu erzielen.
Beschreibung der Figuren:
1A zeigt einen seitlichen Schnitt durch die erfindungsgemäße Freistrahl-Einrichtung mit nach unten gerichteten Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10), 1B mit nach links gerichteten Fluid-Abgabeöffnungen (10).
2A bis 2D verdeutlichen die Verfahrensschritte eines Flüssigkeit-Abgabezyklus.
2E verdeutlicht eine spezifische Ausführungsform.
3A verdeutlicht eine Ausführungsform der Flüssigkeits-Zuführung für eine erfindungsgemäße Freistrahl-Einrichtung.
1 zeigt einen seitlichen Schnitt durch einen adressierbaren Kanal, worunter hier ein einzeln ansteuerbares Fluidventil, kurz Ventil, mit den zugehöringen Zu- und Ableitungen einschließlich der ein oder mehreren Flüssigkeits-Auslässen (10) verstanden wird. Sind die kleinsten Abmessungen eines Ventils wesentlich kleiner als ein Millimeter, so wird dies auch als Mikroventil bezeichnet. Erfindungsgemäß sind mehrere dieser adressierbaren Kanäle in einer regelmäßigen Anordnung, bevorzugt in ein- oder mehreren Reihen, in einem Gehäuse (1) angeordnet. Flüssigkeit wird unter Druck in einer Fluidzuführung (7) zugeführt. Optional kann das Fluid eine Zirkulationsleitung (8) durchlaufen, um beispielsweise Entmischungen innerhalb der Flüssigkeit entgegenzuwirken. Abgehend von der Zirkulationsleitung (8) oder direkt von der Fluidzuführung (7) verfügt ein adressierbarer Kanal über einen Flüssigkeits-Einlasskanal (5). Dieser kann einen konstanten Querschnitt aufweisen oder aus mehreren Kanalabschnitten bestehen mit unterschiedlichen Querschnitten. Beispielsweise kann der Flüssigkeits-Einlasskanal (5) in Fließrichtung zuerst einen Kanalabschnitt mit kleinem Querschnitt von 0,1 mm bis 0,5 mm und am Ende ein Kanalabschnitt mit größerem Querschnitt (5a), beispielsweise von 0,3 mm bis 1 mm aufweisen. An der Öffnung am Ende des Flüssigkeits-Einlasskanals (5), hier auch als Ventilöffnung (6) bezeichnet, wird ein Ventil gebildet. Die Stirnfläche an der Ventilöffnung (6) dient als Ventilsitz. Die Breite des Ventilsitzes beträgt zwischen 0,03 mm und 0,2 mm und sollte möglichst klein sein. Es ist vorteilhaft, wenn die Ventilöffnung (6) am Ende eines Kanalabschnitts mit großem Querschnitt (5a) von beispielsweise 0,3 mm bis 0,7 mm ist, sodass der auf diesen großen Querschnitt wirkende Flüssigkeitsdruck eine große Kraft zum Öffnen des Ventils vom Ventilsitz generiert. Die Öffnung wird dabei durch ein Verschluss-Element verschlossen, welches in einer ersten, geschlossenen Position die Öffnung verschließt und in einer zweiten, offenen Position die Öffnung freigibt, sodass Flüssigkeit hindurch fließen kann. Das Verschluss-Element umfasst vorzugsweise eine Membrane (2), welche sich über die Ventilöffnung (6) erstreckt. Als Membranen sind hier in Richtung des Ventil-Einlasskanals (5) stark verformbare, deshalb vorzugsweise flache, dünne Formen elastischer Materialen zusehen. In Frage kommen Membranen aus elastomeren Materialen in einer Stärke von 20 bis 200 Mikrometern, dünne Metall Membranen beispielsweise aus Edelstahl in Stärken von 2 bis 20 Mikrometern, aus Thermoplasten oder Duroplasten in Stärken von 10 Mikrometern bis 150 Mikrometern oder aus Kompositen daraus, oder Elastomer-getränkten Geweben. Der Durchmesser runder Membranen beträgt beispielsweise 0,5 mm bis 2 mm, wenn Beschichtungsstoffe aufgetragen werden sollen, oder 2 mm bis 50 mm, wenn Beton oder Gips aufgetragen werden soll. Es ist vorteilhaft, wenn der Durchmesser der Ventilöffnung (6) ein Drittel bis zwei Drittel des Durchmessers der Membrane (2) ist. Eine Membrane kann auch länglich geformt sein, wobei die Position des Ventil-Einlasskanals (5) zumindest in einer Richtung außer-mittig ist. Eine Membrane (2) kann ferner eine Stößel-förmige Ausformung auf der Seite der Öffnung (6) des Einlasskanals haben, hier nicht dargestellt, welche als Verschluss-Element für das Ventil dient. Damit wird die Öffnung (6) nicht durch die Membrane (2) verschlossen, sondern durch einen Stößel, der die Funktion eines Dichtelements übernimmt und ferner den Verschleiß der Membrane durch eine beispielsweise Partikel-haltige Flüssigkeit verringert. Die Membrane (2) kann eine längliche, eckige, ovale oder runde Form aufweisen und ist entlang ihrer Einspannung mit dem Gehäuse (1) verbunden. Somit dient eine erste Seite der Membrane zur Betätigung des Ventils. Die Membrane kann auf ihrer zweiten Seite mechanisch mittels eines weiteren Stößels aktuiert werden, vorzugsweise jedoch pneumatisch mittels eines Druckmediums. Somit dient die Membrane (2) zur Begrenzung des Fluidraumes an der Stelle des Ventils und zur Medientrennung von Flüssigkeit und Druckmedium, welches vorzugsweise ein Gas, besonders bevorzugt Druckluft ist.
Im geschlossenen Zustand des Ventils weist der Steuerdruck pc einen Überdruck zur Umgebung auf, im geöffneten Zustand des Ventils weist der Steuerdruck Werte im Bereich des Umgebungsdrucks, +/–0,1 bar auf, was beispielsweise durch Belüften der zweiten Seite der Membrane erreicht wird. Der Fluiddruck, eine vorgespannte bzw. vor-ausgelenkte Membrane oder ein zusätzliches Federelement liefern die antreibende Kraft zum Öffnen des Ventils.
Auf der Auslass-Seite des Ventils durchströmt die Flüssigkeit eine Kavität innerhalb des Gehäuses (1), die hier als Ventil-Auslassbereich (9) bezeichnet wird. Die Kavität ist zudem durch die Membrane (2) in einen äußeren Teil der Membrane (2) begrenzt und verteilt die Flüssigkeit auf ein oder mehrere Düsen, Auslässe, hier allgemein als Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) bezeichnet. Das in der ausgewölbten Membrane enthaltene Verdrängungs-Volumen wird beim schnellen Schließen der Membrane durch die Fluid-Abgabeöffnungen (10) hinauskatapultiert. Ein Teil der Flüssigkeit fliest dabei wieder zurück durch den Flüssigkeits-Einlasskanal (5). Wie in 1A dargestellt, sind die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen nach unten gerichtet, verlaufen somit parallel in entgegengesetzter Richtung zum Flüssigkeits-Einlasskanal. In 1B wird veranschaulicht, dass die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) nach links ausgerichtet sind, also senkrecht zu dem jeweiligen Flüssigkeits-Einlasskanal (5).
2A bis 2D veranschaulichen die einzelnen Phasen einer Flüssigkeitsabgabe. Der Aufbau ist dabei schematisch in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt, Größe und Form der verschiedenen Kammern können in der Realität abweichen. Es wird im Folgenden von einer pneumatischen Aktuation der Membrane über ein Druckmedium ausgegangen, diese wird beispielsweise durch pneumatische Mikroventile vorgenommen, welche hier nicht dargestellt sind. Im Ausgangszustand in 2A wird die Membrane durch den Steuerdruck pc auf die Ventilöffnung (6) gepresst und verschließt diese. Flüssigkeit liegt an der Flüssigkeitsversorgung mit einem Druck p_fl an. Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, dass der Steuerdruck pc auf die gesamte Membranfläche wirkt, während der Flüssgkeitsdruck p_fl nur auf die wesentlich kleinere Fläche der Ventilöffnung (6) wirkt. Auf diese Weise kann Flüssigkeit geschaltet werden, die einen höheren Druck p_fl aufweist als der Steuerdruck pc. Das mögliche Druckverhältnis kann dabei im Einzelfall unter Vorgabe einer gewünschten Dichtkraft der Membrane auf den die Ventilöffnung (6) umgebenden Ventilsitz berechnet werden, wobei die Einspannkräfte und der Verformungszustand der Membrane im geschlossenen Zustand des Ventils berücksichtigt werden müssen. Diese Berechnungen können von einem Durchschnittsfachmann vorgenommen werden.
Das Ventil wird geöffnet durch Belüftung des Steuerdrucks auf ein niedriges Druckniveau, beispielsweise auf Umgebungsdruck. Dabei führt der Flüssigkeitsdruck zur Auswölbung der Membrane und dem Öffnen des Ventils. Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Einlasskanal (5) strömt dabei durch Öffnung (6) in die Auswölbung der Membrane (2) und dann weiter durch den Ventil-Auslassbereich (9) zu den Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10). Der Auslassbereich wird dabei durch Wände des Gehäuses begrenzt und im Bereich der Membrane durch einen äußeren Teil (3) der Membrane. Er kann als einfache Kavität oder als sich fingerartig verteilende Fluid-Verteilungs-Struktur ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Freistrahl-Einrichtung kann für die Abgabe sehr kleiner Tropfen mit einem Tropfenvolumen von beispielsweise unter 100 Nanolitern konfiguriert werden. Hierbei wird der Flüssigkeits-Einlasskanal (5) oder auch in Strömungsrichtung weiter zurück gelegene Strömungsstrecken so dimensioniert, dass sie eine Drosselung der Flüssigkeitsströmung bewirken, beispielsweise durch Einbau von Lochblenden mit einem Querschnitt von 0,05 mm bis 0,5 mm oder durch Kapillarstrecken mit Querschnitten zwischen 0,1 mm und 0,5 mm und Längen von 1 mm bis 20 mm ausgeführt sind. Das während einer Ventil-Öffnungszeit T transportierte Flüssigkeitsvolumen ergibt sich somit zu V_fl = dp·T/R, mit dem Druckabfall dp über die Drosselstrecke und R dem Strömungswiderstand der Drosselstrecke. Es wird deutlich, dass durch die Drosselung die Flüssigeiktsmenge V_fl, die je Schuss über die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) ausgestoßen wird, definiert werden kann und sehr klein gewählt werden kann durch eine starke Drosselung oder eine kurze Öffnungszeit. Für die weitere Betrachtung wird davon ausgegangen, dass beispielsweise bei einer Öffnungszeit von 0,5 ms bis 3 ms und unter einem anliegenden Flüssigkeitsdruck von 0,5 bar bis 5 bar eine Flüssigkeitsmenge von 50 bis 500 Nanoliter in das Ventil fließt und dieses Volumen näherungsweise auch dem verdrängten Volumen der ausgewölbten Membrane (2) entspricht.
In 2C wird der Zustand des Ventils im Moment des Schließens angezeigt, welches durch eine rasche Druckerhöhung des Steuerdruckes innerhalb von 0,1 ms bis 1 ms erfolgt. Ein derart schneller Anstieg des Steuerdruckes führt zu einer schnellen Bewegung der Membrane in die geschlossene Position des Ventils und damit einhergehend mit der Verdrängung des zuvor in der ausgewölbten Membrane enthaltenen Flüssigkeits-Volumens. In dieser Phase wirkt die Membrane somit als Membran-Verdränger und stößt Flüssigkeit aus der Kavität (9) aus. Dies geschieht hauptsächlich durch die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) und weniger durch den Flüssigkeits-Einlasskanal (5), da zum einen der hohe statische Versorgungsdruck p_fl und zum anderen ein optional hoch ausgelegter Strömungswiderstand des Flüssigkeits-Einlasskanals (5) einen Rückfluss durch die Ventil-Öffnung (6) verhindert.
2D zeigt schließlich den Zustand des Ventils nach erfolgtem Ausstoß der Flüssigkeit an. Das Loslösen eines Tropfens oder Flüssigkeitsstrahls von einer Flüssigkeits-Abgabeöffnung (10) wird dabei durch das Zurück-Schwingen des äußeren Teils (3) der Membrane (2), also durch ein geringfügiges Zurückfließen der Flüssigkeit unterstützt. Somit wird erkennbar, dass die erfindungsgemäße Freistrahleinrichtung die Vorzüge eines Ventilprinzips mit denen des Verdrängungsprinzips verbindet.
Somit wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in einem Inkjet-Modus der Flüssigkeitsdruck, die Öffnungszeit des Ventils und der Fluidwiderstand des Flüssigkeits-Einlasskanals so bemessen sind, dass die durch die zugeordneten Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) abgegebene Flüssigkeitsmenge kleiner als das durch die Membrane (2) verdrängte Volumen ist.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in einem Strahl-Modus der Flüssigkeitsdruck, die Öffnungszeit des Ventils und der Fluidwiderstand des Flüssigkeits-Einlasskanals so bemessen sind, dass die durch die zugeordneten Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) abgegebene Flüssigkeitsmenge größer als das durch die Membrane (2) verdrängte Volumen ist.
Dabei kann das durch die Membrane verdrängte Volumen vergrößert werden, indem die Membrane (2) soweit vergrößert wird, dass sie die Kavität des Ventil-Auslassbereichs (9) nahezu vollständig überspannt, oder indem weitere Membranen mit dem Ventil-Auslassbereich (9) verbunden sind, die durch den Steuerdruck pc aktuiert werden.
Die Flüssigkeit kann im einfachsten Fall aus einem Druck-beaufschlagten Tank zugeführt werden. Alternativ kann ein Flüssigkeits-Zirkulationssystem wie in 3A dargestellt verwendet werden, in dem die Flüssigkeit mittels einer Pumpe (20) gefördert wird, von einem Reservoir (21), über die Pumpe (20), über einen Zulauf (15) zur Zirkulationsstrecke (8), über die Zirkulationsstrecke (8), von welcher die Flüssigkeits-Einlasskanäle (5) abzweigen, über einen Ablauf (15) von der Zirkulationsstrecke (8), durch ein durch einen pneumatischen Druck pv gesteuertes Druckregulierventil (17), und durch einen Rücklauf (19) wieder zurück zum Reservoir (21). In 3B wird eine erfindungsgemäße Ausführung mit einem innerhalb des Gehäuses (1) der Freistrahleinrichtung integrierten Druckregulierventil (17) veranschaulicht, welches durch den Versorgungsdruck pv gesteuert wird, welcher auch für die Erzeugung der Steuerdrücke pc verwendet wird. Somit kann beispielsweise das Zirkulationssystem so betrieben werden, dass automatisch der Flüssigkeitsdruck mit dem Steuerdruck pc für den Fall geschlossener Ventile in einem festen Verhältnis steht. Ein solches Druckregulierventil, in 3B rechts dargestellt, ist dem Durchschnittsfachmann bekannt und entspricht in seiner Funktionsweise den Flüssigkeits-Abgabeventilen, jedoch mit umgekehrter Fließrichtung. Das Membranventil wird gebildet aus der Membrane (18), die über den Druck pv auf einen kreisförmigen Ventilsitz gepresst wird. Das Ventil öffnet oberhalb eines Fluiddruckes, welcher durch pv einstellbar ist.
Die wirtschaftliche Nutzung der Erfindung umfasst beispielsweise die Auftragung einer Farbe auf Basis einer Polymerdispersion, einer Dispersionsfarbe, auf eine Fläche eines Gebäudes, die vornehmlich eine Viskosität von 5 bis 30 mPas, gemessen bei einer Scherrate von 15000 1/s, und mit darin enthaltenen Partikeln, deren Durchmesser 70 Mikrometer im Wesentlichen nicht überschreitet. Vornehmlich werden Flüssigkeitstropfen von 50 Nanoliter bis 1 Mikroliter mit einer Frequenz von 1 Hz bis 1000 Hz bei Ventil-Öffnungszeiten zwischen 0,2 ms und 2 ms, Flüssigkeitsdrücken von 0,5 bar bis 8 bar durch Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) mit einem Querschnitt von 0,1 mm bis 0,5 mm abgegeben. In einer Konfiguration wird dabei bei einem Durchmesser der Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) von 0,1 mm bis 0,5 mm die Flüssigkeit mit einer Austrittgeschwindigkeit von 3 m/s bis 12 m/s ausgestoßen. Die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) sind dabei in einem Array so angeordnet, dass die von einer einzelnen Flüssigkeits-Abgabeöffnung im Mittel beschichtete Fläche auf einem Substrat zwischen 0,25 mm² und 1 mm² beträgt, bzw. der mittlere Abstand der Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) 0,5 mm bis 1 mm beträgt. Somit weist das erfindungsgemäße Verfahren deutlich größere Düsenabstände auf als sie Stand der Technik im Inkjet-Druck sind. So erzielte nasse Schichtdicken betragen beispielsweise 0,04 mm bis 0,3 mm.
Die wirtschaftliche Nutzung der Erfindung kann auch die Auftragung eines flüssigen Betons oder eines Gipses umfassen, allgemein, eines Konstruktionsstoffes, welcher in flüssiger Dispersion mit anorganischen Partikeln vorliegt.
Erfindungsgemäß wird somit ein Flüssigbeton in mehreren Schichten variabler Geometrie aufgetragen, der einen Feststoffanteil aus Zementen und Sanden mit Partikelgrößen bis zu 0,3 mm von insgesamt 30% bis 70% enthält, mit Verdickungsmitteln von 0,5% bis 5% für die selektive Erhöhung der Viskosität im Scherratenbereich bis 100 1/s mit Verdickungsmitteln für die Erhöhung der Viskosität im gesamten Scherratenbereich und sonstigen Additiven, mit einer Viskosität von 15 bis 70 mPas, gemessen bei einer Scherrate von 15000 1/s, abgegeben in Form von Tropfen von 1 Mikroliter bis 10 Milliliter mit einer Frequenz von 1 Hz bis 1000 Hz bei Ventil-Öffnungszeiten von 1 ms bis 20 ms, oder in Form von Flüssigkeitsstrahlen von variabler Dauer. Die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) seien dabei in einem Array so angeordnet, dass der mittlere Abstand der Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) 2 mm bis 20 mm beträgt und die im Falle der Tropfen-Abgabe von einer einzelnen Flüssigkeits-Abgabeöffnung im Mittel beschichtete Fläche auf einem Substrat zwischen 4 mm² und 500 mm² beträgt. Die Schichtdicke beträgt dabei dem 0,1- bis 2-fachen Abstand der Abgabeöffnungen (10). In einer Konfiguration wird dabei bei einem Durchmesser der Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) von 0,5 mm bis 6 mm die Flüssigkeit mit einer Austrittgeschwindigkeit von 0,5 m/s bis 8 m/s ausgestoßen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8556373 B2 [0003, 0003, 0003]

Claims

Freistrahleinrichtung mit mindestens einem individuell adressierbaren Kanal zur kontaktlosen Abgabe einer Flüssigkeit durch Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) und mit einer Flüssigkeits-Versorgung (7), welche die Flüssigkeit mit einem Druck beaufschlagt, der gegenüber der Umgebung um mindestens 0,2 bar erhöht ist, wobei der mindestens eine adressierbare Kanal Folgendes umfasst: eine Ventileinheit – mit einem Flüssigkeits-Einlasskanal (5) welcher an seinem Ende eine Ventilöffnung (6) aufweist; – und mit einem Verschluss-Element, das eine Membrane (2) umfasst und das mittels eines pneumatischen Steuerdrucks oder mittels einer Steuerkraft, die mit dem jeweiligen adressierbaren Kanal korrespondiert, aktuiert wird und welches in einer Dichtposition die Ventilöffnung (6) verschließt und in einer geöffneten Position die Ventilöffnung (6) freigibt; eine Kavität, die der Ventilöffnung (6) in Fließrichtung nachgelagert ist und die mit ein oder mehreren Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) verbunden ist, wobei ein äußerer Teil (3) der Membrane (2) Bestandteil des Hohlraums ist.
Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) wenigstens eines adressierbaren Kanals in einer Matrixanordnung aus mindestens einer Reihe befinden.
Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ebene der Einspannung der Membrane (2) und der Ventilöffnung (6) am Ende des Flüssigkeits-Einlasskanals eine Distanz D besteht.
Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) und der Flüssigkeits-Einlasskanal (5) innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses (1) befinden.
Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) und der Flüssigkeits-Einlasskanal (5) im Wesentlichen parallel oder senkrecht zueinander verlaufen.
Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeits-Einlasskanal einen bis zu 20-fach höheren hydraulischen Strömungswiderstand als die zusammengenommenen Flüssigkeit-Abgabeöffnungen aufweist.
Verfahren zur Abgabe einer Flüssigkeit mit einer Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Beaufschlagung der Membrane (2) mit einem Steuerdruck, sodass die Membrane (2) auf die Ventilöffnung (6) am Ende des Flüssigkeits-Einlasskanals (5) in ihre Ausgangsposition gedrückt wird und Beaufschlagung der Flüssigkeit mit einem Flüssigkeitsdruck, – Reduzierung des Steuerdruckes, sodass die Membrane unter Einfluss des Flüssigkeitsdrucks von der Ventilöffnung (6) am Ende des Flüssigkeits-Einlasskanals (5) abhebt und so eine Flüssigkeitspassage freigibt; – Erhöhung des Steuerdrucks, sodass die Membrane (2) wieder in ihre Ausgangsposition bewegt wird, dabei angrenzende Flüssigkeit verdrängt, sodass es zu einem Flüssigkeits-Ausstoß durch die Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) kommt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerdruck für das Verschließen der Ventilöffnung (6) höchstens um 0,3 bar vom Flüssigkeitsdruck abweicht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Durchmesser der Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) von 0,1 mm bis 0,5 mm die Flüssigkeit mit einer Austrittgeschwindigkeit von 3 m/s bis 12 m/s ausgestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Durchmesser der Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (10) von 0,5 mm bis 6 mm die Flüssigkeit mit einer Austrittgeschwindigkeit von 0,5 m/s bis 8 m/s ausgestoßen wird.