DE1777329A1 - Vorrichtung zum elektrostatischen UEberziehen von Gegenstaenden - Google Patents

Vorrichtung zum elektrostatischen UEberziehen von Gegenstaenden

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Description

PATENTANWÄLTE
DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMA^N
DR. M. KÖHLER DlPL-ING. C. GERNHARDT „ AA
1777^99
MÖNCHEN HAM8URG ' ' ' ' ^ *" ^
1 395314 2000 HAMB U RG 50, 'ig. Mai IO7I
TELEGRAMME: KARPATENT KONIGSTRASSE 28
W. 24 317/70 20/Sh Ausscheidung aus P 12 Ql 6
Ransburg Electro-Coating Corp., Indianapolis, Indiana (V.St.A.)
Vorrichtung zum elektrostatischen Überziehen von Gegenständen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum elektrostatischen Überziehen von Gegenständen ohne die Verwendung von Zerstäubungsdruckgas, bei welcher das Material unter Hochdruck aus einer länglichen Düsenöffnung (Flachstrahldüse) austritt.
In der einschlägigen Technik sind mit Druckluft arbeitende Spritzpistolen bekannt, bei denen durch Druckluft eine Zerstäubung erfolgt und die zerstäubten Teilchen durch den .Luftstrom auf dem zu überziehenden Gegenstand abgelegt werden. Mit solchen Spritzpistolen kann zwar ein qualifiziertes Finish mit einem guten Leistungsfaktor erzielt werden, jedoch ist der Niederschlagswirkungsgrad klein, da insbesondere | bei nicht geschlossenen Gegenständen ein wesentlicher Teil der Flüssigkeit verloren geht und hinter dem Gegenstand durch eine Sammelvorrichtung aufgenommen und abgeleitet werden muß.
Um den Niederschlagswirkungsgrad bei Spritzpistolen zu verbessern bzw. die Verluste an vorbeigesprühter Flüssigkeit zu verkleinern, wurde unter Verwendung von mit Druckluft arbeitenden Spritzpistolen die Flüssigkeit nach ihrer Zerstäubung in einem Feld elektrisch aufgeladen und dann auf einem geerdeten Gegenstand .niedergeschlagen. Auch dieses Arbeiten führte nicht zu einem vollen Erfolg, da wegen der ungleichmäßigen Aufladung der Flüssigkeitsteilchen wiederum nur ein
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Teil des Zerstäubten auf dem Gegenstand niedergeschlagen wurde.
Die Weiterentwicklung führte dann zu dem bekannten Vorschlag, bei Zerstaubervorrichtungen ohne Verwendung von Druckluft die Zerstäubung, Aufladung und den Transport der Flüssigkeit durch ein elektrostatisches Feld vorzunehmen; dieses Verfahren hat den Vorteil, daß im wesentlichen 100 % des Überzugsmaterials ausgenutzt werden, da praktisch alle Flüssigkeitsteilchen gleichmäßig elektrisch aufgeladen sind und daher das Bestreben haben, sich auf dem geerdeten Gegenstand niederzuschlagen.
y Trotz des Vorteils eines nahezu vollkommenen IJiederschlagswirkungsgrades haben diese bekannten elektrostatischen Zerstaubervorrichtungen einen Nachteil, da gewisse Überzugsstoffe zufolge ihrer chemischen oder physikalischen Eigenschaften sich durch elektrostatische Kräfte allein nicht oder nur schwer zerstäuben lassen. Dies trifft insbesondere für schwer zu zerstäubende künstliche Emails und Lacke, metallische Pigmentfarben und Wasser-in-öl-Emulsions-Farben zu. Außerdem bedurfte die Leistung dieser bekannten elektrostatischen Zerstaubervorrichtungen insoweit einer Verbesserung, als angestrebt wurde, in der Zeiteinheit eine größere Menge an Überzugsmaterial zu zerstäuben und niederzuschlagen, als
ψ es mit den vorerläuterten elektrostatischen Zerstaubervorrichtungen möglich ist.
Daher sind mit hydrostatischem Druck arbeitende elektrostatische Zerstaubervorrichtungen entwickelt worden, und nach einem älteren Vorschlag wird unter Anwendung eines hydrostatischen Druckes auf das Überzugsmaterial das Herausschleudern des überzugsmaterials mit hoher Geschwindigkeit in der Form eines dünnen, sich fächerartig ausbreitenden Films vorgenommen und ein elektrostatisches Feld an eine mit länglicher öffnung versehene Zerstäuberdüse angelegt. Eine solche mit hydrostatischem Druck arbeitende elektrostatische Zer-
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stäubervorrichtung hat jedoch keinen ausreichenden Niederschlagswirkungsgrad.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, Wirkungsgrad und Sicherheit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zu erhöhen.
Entsprechend ist bei einer Vorrichtung zum elektrostatischen Überziehen von Gegenständen ohne Verwendung von Zerstäubungsdruckgas, bei welcher das Material unter Hochdruck aus einer länglichen Düsenöffnung {Flachstrahldüse) austritt, gemäß der Erfindung neben der Längsseite der Düsenöffnung in unmittelbarer Nähe des austretenden Flachstrahls eine ein- | zige Hochspannungselektrode angeordnet und diejenigen Teile des Zerstäubungskopfes, welche der Atmosphäre ausgesetzt sind, sind mit Ausnahme der Düse und der Hochspannungselektrode aus Isolierstoff hergestellt. Die dadurch erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß sich durch Verwendung dieser einzigen Hochspannungselektrode der Niederschlagswirkungsgrad wesentlich erhöht, wodurch der Verlust an Überzugsmaterial erheblich reduziert wird. Durch Herstellen des Zerstäuberkopfes aus Isolierstoff wird ein unerwünschtes elektrisches Abschirmen der Elektrodenspitze vermieden, und indem wenigstens der vordere Teil der Vorrichtung mit Ausnahme der Düse und der Hochspannungselektrode vollständig aus Isolierstoff hergestellt ist, werden Feldkonzentration und | Ionenproduktion an der Elektrodenspitze erhöht und an dieser
ein
Stelle ι extrem hoher Potentialgradient und ein Bereich hoher Ionenkonzentration erzeugt. Die Teilchen des Überzugsmaterials werden durch Ionenbombardement stark geladen, während sie durch den Bereich hoher Ionenkonzentration hindurchgehen, bevor sie sich bemerkenswert voneinander getrennt haben. Hierdurch wird weiterhin ein hoher Übertragungswirkungsgrad erreicht.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist unmittelbar hinter der Hochspannungselektrode ein Widerstand von hohem Megohm-Wert angeordnet, der mit der Kochspannungselek-
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trode und mit der Hochspannungsquelle verbunden ist. Durch eine solche Ausführung"wird ereicht, daß bei Näherkommen der Vorrichtung zum Überziehen an den zu überziehenden Gegenstand trotz der angelegten hohen Spannung keine gefährlichen Funken auftreten und bei der Anwendung auf Handzerstäubungs-Überziehvorrichtungen die Bedienungsperson gegen elektrische Schocks wirksam geschützt ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein den Zerstäuberkopf tragendes Element, das hinter der Hochspannungselektrode angeordnet ist, geerdet. Die Erdung bewirkt, daß zwischen der Elektrode und dem geerdeten EIement ein Feld vorhanden ist. Um das Element an der Aufladung zu hindern, werden die Teilchen des Nebels von der Vorrichtung; zum elektrostatischen Überziehen in Richtung auf den zu überziehenden Gegenstand mit einem ausreichenden Bewegungsantrieb ausgesendet, um deren Neigung zu überwinden, sich auf dem geerdeten Element abzusetzen, und sie werden in einen Bereich gebracht, in dem sie sich zufolge ihrer eigenen Ladung auf den zu überziehenden geerdeten Gegenständen absetzen. Das richtige Anordnen des geerdeten Elementeb hat selbst dann einen meßbaren Einfluß auf den Niederschlagswirkungsgrad, wenn der mittlere Potentialgradient zwischen dem geerdeten Element und der Elektrode geringer ist als der Potentialgradient zwischen der Elektrode und dem zu überziehenden Gegenstand. Falls eine Vorrichtung zum elektrostatischen Überziehen von Gegenständen gemäß der Erfindung mit einer Elektrode an ihrem vorderen Teil und einem geerdeten Element an ihrem hinteren Teil verwendet wird, um einen geerdeten Gegenstand zu überziehen, wirkt das geerdete Element als eine Gegenelektrode und kann den Niederschlagswirkungsgrad sogar dann erhöhen, wenn der Abstand zwischen der Elektrode und dem Handgriff größer ist als der Abstand zwischen der Elektrode und dem Gegenstand. Bei einer Anordnung, in welcher der Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode kleiner ist als der Ab-
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stand zwischen Elektrode und dem zu überziehenden Gegenstand, verursacht die Gegenelektrode eine bemerkenswerte Verbesserung des Niederschlagswirkungsgrades. Dadurch können Energiequellen mit niedrigerer Ausgangsspannung verwendet werden, wodurch eine kompakte Vorrichtung zum elektrostatischen Überziehen, insbesondere für den Handgebrauch, erreicht wird.
Versuche haben gezeigt, daß durch Verwendung einer einzigen Elektrode in unmittelbarer Nähe des austretenden Flachstrahls der Niederschlagswirkungsgrad etwa 78 fo beträgt, während bei Verwendung von zwei Elektroden lediglich ein Niederschlagswirkungsgrad von etwa 50 % erreicht wird. Weitere Versuche in einer anderen Anordnung haben ergeben, daß sich der Niederschlagswirkungsgrad mit einer einzigen Elektrode auf 85 % erhöht, während er bei Verwendung von zwei Elektroden etwa 65 % betrug. Außerdem wird gegenüber der bekannten vorerläuterten Zerstäubervorrichtung mit elektrostatischer Aufladung und Zerstäubung der Vorteil einer erhöhten Leistung der neuen Vorrichtung pro Zeiteinheit erzielt; weiterhin können gegenüber diesen bekannten elektrostatischen Zerstäubervorrichtungen bei Anwendung der Erfindung für Handzerstäubervorrichtungen die Abmessungen der Zerstäuberpistole erheblich verkleinert werden, so daß dadurch der Bedienende ein handliches und vergleichsweise leichtgewichtiges Gerät in der Hand halten kann. i
In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise zur Darstellung gebracht.
Fig. 1 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine Vorrichtung zum elektrostatischen Überziehen von Gegenständen gemäß der Erfindung. Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung der
Fig. 1 mit teilweise weggebrochenen Teilen. Fig. j5 zeigt eine Draufsicht des rechten Endes der Vorrichtung der Fig. 1 mit teilweise weggebrocheneri Teilen.
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Die in Pig. 1 dargestellte Ausführungsform zeigt eine 'Vorrichtung 100, die einen Lauf 101 aus Isoliermaterial hat, der an einem elektrisch geerdeten Metallkörper 103 in geeigneter .V/eise befestigt ist. Durch den Metallkörper 103 und den Lauf 101 erstreckt sich eine mit Isolierstoff überzogene Hauptleitung 104, die mit dem Anschluß einer (nicht dargestellten) elektrischen Energiequelle und vermittels einer Verbindung 105 mit einem Widerstand 106 verbunden ist. Der Widerstand 106 hat einen Widerstandswert in der Größenordnung von l60 Megohm und ist an seinem rechten Ende mit einem Kontaktglied 106a verbunden, das seinerseits mit einer feinen W Drahtelektrode 107 verbunden ist, die einen Endteil 108 hat, der sich nach außen von einer Stirnkappe 109 und einer Düsenplatte 109a erstreckt, die beide aus einem elektrischen Isoliermaterial bestehen. Der Endteil IO8 befindet sich in unmittelbarer Nähe, jedoch in radialem Abstand von einer längxlichen Öffnung 110, aus welcher Farbe od.dgl. herausgedrückt wird. Der Abstand von dem Endteil I08 zu dem nächstliegenden geerdeten Teil der Pistole, dem vorderen Ende des Metallkörpers IO3, beträgt z.B. etwa I5 cm. Es ist vorzuziehen, eine dünne Drahtelektrode 107 bzw. einen dünnen Endteil 108 zu verwenden, die bzw. der einen Durchmesser von nicht mehr als 2,5 mm, vorzugsweise einen Durehmesser von 0,25 mm oder 0,5 mm, haben. Die Elektrode ist vorzugsweise zugespitzt.
Die längliche Öffnung 110 ist in einer Düse 126, vorzugsweise aus einem gegen Abnutzung hochwiderstandsfähigen Material, gebildet, z.B. Wolframkarbid oder einem Edelstein, und kann einen kleinsten Durchmesser in der Größenordnung von 0,1.3 mm und einen größten Durchmesser von ca. 0,38 mm haben, wobei sie eine Öffnung bildet, die etwa einer kreisförmigen Öffnung mit einem Durchmesser von etwa 0,23 mm gleich 1st. Die Öffnung 110 muß eine genügend kleine Größe haben, damit sie in Verbindung mit den sehr hohen verwendeten Drucken die
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gewünschte Feinheit der Zerstäubung bei der erforderlichen Abgabegesehwindigkeit erzeugt. Wenn offene Gegenstände, z.B. rohrförmige Stuhlrahmen aus Stahl oder Fahrradrahmen, überzogen werden sollen, sind Abgabegeschwindigkeiten von weniger als 250 cm /min am besten geeignet, und beim Überziehen dieser Gegenstände wird der größte Nutzen aus den elektrostatischen Kräften gewährleistet. Bei weniger "offenen" Gegenständen können die Abgabegeschwindigkeiten bis auf 400 cnr/min erhöht werden. Die Abgabegesehwindigkeit kann weiter erhöht werden, wenn das Verhältnis von Oberflächenbereich zum offenen Bereich des Gegenstandes sich weiter vergrößert .
Das Überzugsmaterial wird aus einer (nicht dargestellten) Quelle durch eine Leitung 111 in dem Zerstäuberkörper 10J zur Vorrichtung 100 geliefert. Die Leitung 111 ist mit einer sich in Längsrichtung in dem Lauf 101 erstreckenden Leitung 112 verbunden, welche in einem Ventilsitz II3 endigt, der am Ende der Leitung 111 in unmittelbarer Nähe der Düse 126 an-' geordnet ist und mit der öffnung 110 in Verbindung steht. Das Ventil wird durch das konische Ende eines Ventilgliedes 114· geregelt, das mit einer Antriebsstange II5 aus Isoliermaterial verbunden ist, die ihrerseits mit nicht dargestellten Betätigungsmitteln der Vorrichtung 100 verbunden ist.
Es ist wesentlich, einen ausreichenden Druck und eine ausreichende Geschwindigkeit der Flüssigkeit in einem sich ausbreitenden Film 121 herzustellen, um die Filmseiten im wesentlichen gerade, vorzugsweise beinahe genau gerade, zu halten, um eine Zerstäubung der gewünschten Feinheit zu erreichen. Der zwischen den Seiten des Films 121 eingeschlossene Winkel kann wenigstens 25° betragen, in gewissen Fällen kann der Winkel bis zu 15° verkleinert werden und liegt jedoch vorzugsweise in der Größenordnung von 50° oder 60 . Wenn Flüssigkeit bei hohen Drucken durch die sehr kleine öffnung abgegeben wird, besteht eine Neigung, an jeder der Seiten des Films 121 "Streifen" zu bilden. "Streifen" sind
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• bei Niederschlagen von Überzugsmaterialien unerwünscht, da sie nicht nur das Niederschlagsmuster stören, sondern weiterhin Bereiche von großen Partikelgrößen mit sich daraus ergebender Ablenkung aus der Steuerung durch das elektrische Feld und eine Verschlechterung der Qualität des aufgebrachten Finish verursachen. Um diese "Streifen" zu vermeiden, sollten Flüssigkeitsdrucke in der Größenordnung von 17 kg/cm
und vorzugsweise ausreichend über 21 kg/cm verwendet werden. Beim praktischen Arbeiten ist es bei den auf einer Fließbandlinie auftretenden Variablen häufig erwünscht, einen Druck von wenigstens 56 kg/cm zu verwenden. Sehr befriedigende Niederschlagsmuster und eine Zerstäubung von künstlichem Email aus der beschriebenen Düsenöffnung ,sind
beispielsweise mit Drucken in der Nähe von II9 kg/cm erreicht worden.
Flüssigkeit bzw. Farbe unter hohem Druck gemäß vorstehender Beschreibung wird der Vorrichtung 100 durch die •Leitung 111 zugeführt und tritt aus der öffnung 110 in der Form des fächerartigen Films 121 heraus, wie es in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist. Die Flüssigkeit bzw. Farbe bricht an einer Zerstäubungszone 122 an der Kante des Films 121 zu einem fächerförmigen Zerstäubten 125 von fein verteilten Teilchen auf, die auf den geerdeten Gegenstand niederge^ schlagen werden. Ein Hindurchsickern von Farbe in den Teil des Laufes 101, der durch den Widerstand 10ö eingenommen ist, Vfird durch einen 0-Ring 132 verhindert, der ein Paßstück 133 umgibt, durch v/elches das Kontaktglied 10b a hindurchgeht. Wie der Lauf 101, so sind auch die Antriebsstange 115, die Stirnkappe I09, die Düsenplatte 109a und das Paßstück 133 aus Isoliermaterial hergestellt»
Aus den Figuren 2 und 3 ist ersichtlich, daß der Endteil 108 der Drahtelektrode 107 von der Seitenfläche des Films 121 im Abstand angeordnet ist und weiterhin kurz vor der Zerstäubungszone 122 endigt. Auf diese Weise ist die
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Drahtelektrode 10? außerhalb des aus der öffnung 110 austretenden Materialstromes angeordnet, und sein Anschlußteil ist zwischen der öffnung und der Zerstäubungszone angeordnet, dort wo der Film zu zerstäubten Teilchen aufbricht. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Endteil 108 der Drahtelektrode 107 um etwa 3 mm gegenüber der breiten Fläche, der Seitenfläche, des Films versetzt und etwa 3 mm hinter der Zerstäubungszone 122 angeordnet.
Es wurde ge fund en,.daß" die Anordnung der Elektrodenspitze hinter der Zerstäuberzone bei dieser Ausführungsform ein wirksameres Aufladen der zerstäubten Teilchen und daher einen höheren Niederschlagswirkungsgrad gewährleistet, als er erhalten werden würde, falls die Elektrode nach vorn vorsteht oder über die Zerstäuberzone hinaus vorragt. Die Anordnung der Elektrode im Abstand von der breiten Fläche des Films verhindert ein durch das elektrische Feld erzeugtes Abstumpfen der Elektrode durch die Farbe und verhindert weiterhin, daß die Elektrode die Herstellung des gewünschten Films und den ZerstaubungsVorgang stört«
Die Drahtelektrode 107 bzw. der Endteil 108 können gewöhnlich auf ein Potential in der Größenordnung von 50000 Volt aufgeladen sein. Bei einem normalen Abstand von Drahtelektrode zu Gegenstand von etwa 25 cm würde ein Feld zwischen Drahtelektrode und Gegenstand mit einem mittleren Potential- | gradienten von 2000 Volt/cm erzeugt werden, und wenn der geerdete Metallkörper 103 der Vorrichtung 100 etwa 15 cm hinter dem Endteil 108 der Drahtelektrode 107 angeordnet ist, würde zu dem geerdeten Gegenstand ein Feld mit einem mittleren Potentialgradienten größer als 3200 Volt/cm vorhanden sein. Das Vorhandensein des geerdeten Metallkörpers 103 in einem festen und relativ kurzen Abstand von der Drahtelektrode 107 hat bestimmte Vorteile. Nahe dem Endteil 10.8 der Draht elektrode 108 wird trotz Veränderungen des Abstandes zwischen der Vorrichtung 100 und den zu überziehenden Gegenständen ein Miindest-Potentialgradient gewährleistet. Der verhältnismäßig
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kurze Abstand zwischen dem Endteil 108, der Drahtelektrode ' 108 und dem geerdeten Metallkörper 10j5 ermöglicht es, nahe der Elektrodenspitze einen hohen örtlichen Potentialgradienten und infolgedessen eine wirksame Aufladung der zerstäubten Flüssigkeit bzw. der Farbe mit einer niedrigeren, an die Drahtelektrode IO7 angelegten Spannung zu gewährleisten, und die Verwendung einer niedrigeren angelegten Spannung macht es ihrerseits möglich, eine kleinere und weniger teuere Energievorrichtung und eine leichtere und biegsamere Hochspannungszuführungsleitung zu verwenden; letzteres ist von besonderer Bedeutung, wenn die Vorrichtung von Hand betätigt bzw. in der Hand gehalten werden soll. Ein weiteres Verkleinern des Elektrodenpotentials kann ohne ernsthaften Verlust an Niederschlagswirkungsgrad dadurch erhalten werden, daß der Abstand zwischen dem Endteil I08 der Drahtelektrode I08 und dem geerdeten Metallkörper 103 weiterhin vermindert wird. Sehr gute Resultate sind mit einer Vorrichtung dieser Art erhalten worden, welche einen Elektrode-zu- Erde-Abstand von etwa 7»5 cm hat und welche mit einem Elektrodenpotential in der Größenordnung von 25000 Volt arbeitet.
Die Verwendung der Drahtelektrode I07 in der in den Figuren 1 bis J5 dargestellten Vorrichtung schafft eine weit wirksamere Aufladung der zerstäubten Teilchen als es möglich wäre, wenn nur die Düse 126 selbst auf einem hohen Potential zum Zweck der Aufladung des Films 121 gehalten würde. Bei der in den Figuren 1 bis .3 dargestellten Ausführung wird ein Aufladungswirkungsgrad ausreichend aufrechterhalten, selbst wenn verhältnismäßig große Änderungen in dem Abstand zwischen der Vorrichtung 100 und dem Gegenstand vorhanden sind, ohne da3 merkliche Kompensationsspannungsänderungen erfolgen.
Die Vorrichtung 100 kann zwecks Verwendung als eine in der Hand gehaltene Spritzpistole ausgebildet sein, indem der Metallkörper 103 am Hinterende der Pistole so ausgebildet ist, daß er einen Handgriff bildet. Die Verwendung des Widerstan-
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des 106 ist bei einer in der Hand gehaltenen Pistole besonders vorteilhaft, da er dazu dient, die Intensität einer elektrischen Aufladung zu begrenzen, welche bei Annähern der Elektrode an einen geerdeten Gegenstand oder an den Körper des Bedienenden auftreten würde. Dadurch wird die Möglichkeit der Entzündung der Flüssigkeit bzw. der Farbe und von elektrischen Schocks vermindert. Wenn eine Verminderung dieser Gefahrenmöglichkeiten wesentlich ist, ist es ratsam, das Kontaktglied 106a und die Drahtelektrode 107 möglichst klein zu machen, um ihre Kapazität zu vermindern. Aus dem gleichen Grund kann es erwünscht sein, die Düse 126, den Ventilsitz 113 und wenigstens das vordere Ende des Ventilgliedes 114 aus Isolierstoff herzustellen.
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Claims (3)

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum elektrostatischen Überziehen von Gegenständen ohne die Verwendung von Zerstäubungsdruckgas, bei welcher das Material unter Hochdruck aus einer länglichen Msenöffnung (Flachstrahldüse) austritt, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Längsseite der DüsenoTfnung (110) in unmittelbarer Nähe des austretenden Plachstrahls (121) eine einzige Hochspannungselektrode (1O8) angeordnet ist und daß diejenigen Teile des Zerstäuberkopfes, welche der Atmosphäre ausgesetzt sind, aus Isoliermaterial hergestellt sind, mit Ausnahme der Düse (110) und der Hochspannungselektrode (108).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar hinter der Hochspannungselektrode (10.8) ein Widerstand (106) von hohem Megohm-Wert angeordnet ist, der mit der Hochspannungselektrode (108) und mit der Hochspannungsquelie verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn«
pten
zeichnet, daß ein/Zerstäuberkopf tragendes, hinter der Hochspannungseiektrode (l08) angeordnetes Element (10j5) geerdet
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