DE19626209A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks, wobei das Werkstück vor und/oder nach dem Aufbringen des Be­ schichtungsmediums induktiv erwärmt wird und wobei das beschichtete Werkstück einer anschließenden Temperaturbehandlung zum Trocknen, Ausreagieren oder Härten der Beschichtung ausgesetzt wird.

Aus der Praxis sind die unterschiedlichsten Beschichtungsverfahren bekannt. Neben der Beschichtung durch Aufsprühen eines flüssigen bzw. viskosen Beschichtungs­ mediums - hier handelt es sich um die klassische Sprühlackierung - gibt es neben zahlreichen weiteren Verfahren die Beschichtung im Tauchverfahren sowie die Pul­ verbeschichtung.

Bei herkömmlichen Beschichtungs- und Lackierprozessen ist es jedenfalls erforder­ lich, die Beschichtungen oder Lackierungen zu trocknen bzw. ausreagieren zu las­ sen. Dazu werden die beschichteten bzw. lackierten Werkstücke in einem Umluftofen einer Temperaturbehandlung ausgesetzt. Dabei werden die Werkstücke und das daran bereits haftende Beschichtungsmedium auf die erforderliche Temperatur ge­ bracht, die i.d.R. vom Hersteller bzw. Lieferanten des Beschichtungsmediums vorge­ geben wird. Anschließend wird diese Temperatur über eine ebenfalls vorgegebene Zeitspanne hinweg gehalten, damit ggf. erforderliche chemische Reaktionen stattfin­ den können.

Bei dem voranstehend genannten Verfahren ist es von ganz besonderem Nachteil, daß die Wärmeübertragung von der Ofenatmosphäre an das beschichtete Werkstück äußerst schlecht ist, so daß ein Ofen mit ganz erheblicher Kapazität erforderlich ist. Darüber hinaus ist eine erhebliche Verweilzeit innerhalb der Ofenatmosphäre erfor­ derlich.

Ein weiterer Nachteil des herkömmlichen Verfahrens besteht darin, daß die Wärme stets durch die bereits aufgebrachte Beschichtung bzw. durch den Lack hindurch dem Werkstück zu vermitteln ist. Gerade die Beschichtung bzw. der Lack bildet je­ doch eine gewisse thermische Isolierung, die den Aufwärmprozeß des Werkstücks ganz erheblich behindert. Letztendlich muß bei Pulverlacken zunächst die äußere Schicht bishin zur Grenzschicht zum Werkstück aufgeschmolzen werden. Eine Ent­ gasung eines bspw. porösen Werkstücks sowie eine Entgasung des Pulvers ist inso­ weit erschwert, da nämlich das Gas durch die bereits angeschmolzene obere Haut entweichen muß, so daß sich nicht selten an der Oberfläche der Beschichtung Luft­ blasen bilden. Außerdem ist die Haftung der Beschichtung am Werkstück oftmals nicht ausreichend und wird insbesondere durch Blasenbildung behindert. Eine vollflä­ chige Kontaktierung ist meist nicht gegeben, was sich wiederum auf die Benetzung und die spätere Haftung der Beschichtung am Werkstück negativ auswirkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks anzugeben, wonach die voranste­ hend erörterten Nachteile zumindest weitgehend ausgeschlossen sind. Darüber hin­ aus soll gewährleistet sein, daß die gesamte Temperaturbehandlung des bereits be­ schichteten Werkstücks unter günstigsten energetischen Verhältnissen stattfindet.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Danach ist ein Verfahren zum Be­ schichten eines Werkstücks der hier in Rede stehenden Art dadurch gekennzeichnet, daß zur induktiven Erwärmung des Werkstücks eine thermisch isolierte Kammer mit einer darin angeordneten Induktionsheizeinrichtung vorgesehen ist und daß die wäh­ rend und nach der induktiven Erwärmung an die Kammeratmosphäre abgegebene Wärme zum Beheizen der Kammer und dabei zur anschließenden Temperaturbe­ handlung des Werkstücks sowie der Beschichtung dient.

Bei der induktiven Erwärmung erfolgt die Erwärmung durch unmittelbares Ankoppeln und die Erzeugung von Wirbelströmen im elektrisch leitfähigen Werkstück. Dabei wird zunächst das Werkstück selbst und anschließend das darauf befindliche Be­ schichtungsmedium erwärmt. Da die induktive Erwärmung äußerst kontrolliert und präzise - programmgesteuert - durchgeführt werden kann, ist es grundsätzlich mög­ lich, die Auf- oder Anschmelzvorgaben des Herstellers des Beschichtungsmediums bzw. das Verdampfen von Lösungsmittel oder Wasser aus Lacken präzise nach den Vorgaben des jeweiligen Herstellers vorzunehmen. Dabei ist stets sichergestellt, daß zunächst das Werkstück und dann schließlich das Beschichtungsmedium entgast werden. Erst danach könnte man durch weitere Temperaturerhöhung den An­ schmelzvorgang bzw. das vollständige Ausreagieren und die dabei erreichbare Haf­ tung des Beschichtungsmediums am Werkstück realisieren. Folglich führt dieses Verfahren - zwangsweise - zu einer besseren Haftung des Beschichtungsmediums an der Oberfläche des Werkstücks, und zwar im Vergleich zu einer herkömmlichen Temperaturbehandlung im Umluftofen.

Erfindungsgemäß ist hier im konkreten erkannt worden, daß man zur Temperaturbe­ handlung des bereits beschichteten Werkstücks die induktive Erwärmung insoweit nutzen kann, als man die induktive Erwärmung in einer thermisch isolierten Kammer mit einer darin angeordneten Induktionsheizeinrichtung vornimmt. Die während und nach der induktiven Erwärmung vom gesamten System - Induktionsspule und Werk­ stück mit Beschichtung - abgegebene Wärme wird aufgrund der Anordnung innerhalb der thermisch isolierten Kammer in ganz besonders vorteilhafter Weise zum Behei­ zen der Kammer und dabei zur anschließenden Temperaturbehandlung genutzt. Letztendlich liegt der erfindungsgemäße Vorteil in einer optimalen Nutzung der zur induktiven Erwärmung des Werkstücks erforderlichen Energie, nämlich dahingehend, daß die insgesamt abgestrahlte Wärme zum Aufheizen der Kammer dient. Letztend­ lich dient die Induktionsspule, das Werkstück und sogar die Beschichtung als Heiz­ körper und wärmt die Kammer durch Wärmestrahlung auf.

In ganz besonders vorteilhafter Weise kann die induktive Erwärmung des Werkstücks - mittels Induktionsheizeinrichtung - zur Vermittlung einer Mindestwärmemenge die­ nen. Diese Mindestwärmemenge könnte den Entgasungsvorgang des Werkstücks und/oder des Beschichtungsmediums sowie ein Anschmelzen des Beschichtungs­ mediums am Werkstück bewirken. Eine weitere Erwärmung mittels Konvektion könnte dann aus der indirekt durch Induktion erwärmten Kammeratmosphäre - über eine gewisse Zeitspanne hinweg - erfolgen.

Die induktive Erwärmung, insbesondere die Temperatur des Werkstücks, kann ge­ mäß den voranstehenden Ausführungen derart gesteuert werden, daß zunächst das Werkstück und ggf. das Beschichtungsmedium entgast werden. Nach dem Verfah­ rensschritt des Ausgasens ist es dann möglich, die Temperatur des Werkstücks - wiederum durch induktive Aufheizung - solange zu erhöhen, bis das Beschichtungs­ medium anschmilzt, reagiert bzw. ausreagiert, härtet oder trocknet. Die dem Werk­ stück zu vermittelnden Temperaturen sind jedenfalls auf das jeweilige Beschich­ tungsmedium abzustimmen.

Die thermisch isolierte Kammer kann in weiter vorteilhafter Weise im Sinne eines Umluftofens arbeiten, wobei die Wärmequelle innerhalb des Umluftofens die Indukti­ onsspule, das Werkstück und das Beschichtungsmedium ist. Die so erwärmte Kam­ meratmosphäre könnte zum Erhalt einer gleichmäßigen Temperaturverteilung inner­ halb der Kammer mittels Gebläse umgewälzt werden, wobei es auch durchaus mög­ lich ist, bei Nichterreichen einer vorgebbaren Temperatur von außerhalb der Kammer der Kammer erwärmte Luft zuzuführen.

Des weiteren ist es möglich, die Kammeratmosphäre mittels einer unabhängigen Heizeinrichtung vorzuheizen. Diese unabhängige Heizeinrichtung könnte auch zum Zusatzheizen oder Nachheizen der Kammeratmosphäre verwendet werden. Auch hierbei kann es sich um einen induktiv beheizten Wärmetauscher handeln, der näm­ lich im Verlaufe seiner induktiven Beheizung Wärme an die Umgebung abgibt.

Auch ist es denkbar, die Energie des gesamten Systems weiterreichend zu nutzen, nämlich dadurch, daß das Kühlmedium der Induktionskühlung, d. h. das durch die In­ duktionsspule strömende Kühlmedium, einem Wärmetauscher zugeführt wird, der zumindest ein hinreichendes Maß an Wärme zum Vorwärmen der Kammeratmo­ sphäre zur Verfügung stellt. Insgesamt läßt sich somit die Energie des Systems op­ timal nutzen.

Entsprechend den voranstehenden Ausführungen wird die zuvor genannte Aufgabe hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks durch die Merkmale des Patentanspruches 11 gelöst. Eine entsprechende Vorrich­ tung ist danach derart ausgebildet, daß zur induktiven Erwärmung des Werkstücks eine thermisch isolierte Kammer mit einer darin angeordneten Induktionsheizeinrich­ tung vorgesehen ist und daß die während und nach der induktiven Erwärmung abge­ gebene Wärme zum Beheizen der Kammer und dabei zur anschließenden Tempe­ raturbehandlung dient.

In vorteilhafter Weise ist die Kammer im Sinne eines Umluftofens ausgebildet, wobei zum Umwälzen der erwärmten Kammeratmosphäre ein Gebläse vorgesehen sein kann.

Zum Vor-, Zusatz- oder Nachheizen der Kammeratmosphäre ist in weiter vorteilhafter Weise eine unabhängige Heizeinrichtung vorgesehen, die wiederum einen induktiv beheizten Wärmetauscher umfassen kann.

Schließlich könnte ein Wärmetauscher zum Vorwärmen der Kammeratmosphäre vorgesehen sein, wobei das Kühlmedium der Induktorkühlung dem Wärmetauscher zugeführt wird.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbin­ dung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung an­ hand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur in einer schematischen Darstellung die prinzipielle Funktions­ weise des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung.

Die einzige Figur zeigt ganz schematisch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks 1, wobei das Werkstück 1 vor und nach dem Aufbrin­ gen des Beschichtungsmediums 2 induktiv erwärmt wird und wobei das beschichtete Werkstück 1 einer anschließenden Temperaturbehandlung zum Ausreagieren und somit zum Härten der Beschichtung ausgesetzt wird.

Erfindungsgemäß ist zur induktiven Erwärmung des Werkstücks 1 eine thermisch isolierte Kammer 3 mit einer darin angeordneten Induktionsheizeinrichtung 4 vorge­ sehen. Die während und nach der induktiven Erwärmung abgegebene Wärme dient in weiter erfindungsgemäßer Weise zum Beheizen der Kammer 3 und somit zur an­ schließenden Temperaturbehandlung.

Die in der einzigen Figur dargestellte Kammer 3 arbeitet im Sinne eines Umluftofens, verfügt nämlich über ein Gebläse 5 zum Umwälzen der Kammeratmosphäre. Des weiteren ist eine unabhängige Heizeinrichtung 6 vorgesehen, die zum Vorheizen, Zu­ satzheizen oder Nachheizen der Kammeratmosphäre dient. Auch diese Heizeinrich­ tung 6 arbeitet induktiv, verfügt nämlich über einen induktiv beheizten Wärmetau­ scher.

Schließlich wird das Kühlmedium der Induktorkühlung einem Wärmetauscher 7 zum Vorwärmen der Kammeratmosphäre zugeführt.

Des weiteren sei in Ergänzung zu den voranstehenden Ausführungen angemerkt, daß die Wärmeerzeugung in einem herkömmlichen Umluftofen üblicherweise durch die Verbrennung von Gas oder Öl, oder auch durch elektrische Beheizung erfolgt. Die induktive Erwärmung eines zu beschichtenden oder zu lackierenden Teils erfolgt dagegen stets unter Verwendung elektrischer Energie. Durch die Kombination einer induktiven Erwärmung des zu beschichtenden Werkstücks in einem Umluftofen bzw. innerhalb eines isolierten Kammer wird erreicht, daß zunächst die Vorzüge der in­ duktiven Erwärmung für den Beschichtungs- und Lackierprozeß voll zum Tragen kommen, und daß zum anderen die bei der Erwärmung abgegebene Wärme in der isolierten Kammer des Umluftofens erhalten bleibt. Insofern kann nach Überwindung einer Vorheizphase - sofern die Wärmekapazität ausreicht - auf jede weitere Ener­ giezufuhr zum Umluftofen verzichtet werden.

Da die induktive Erwärmung um ein Vielfaches schneller erfolgt als die reine Erwär­ mung des Werkstücks mittels Umluft, oder auch durch elektrisch oder mittels Gas beheizte Strahler, dienen die zu beschichtenden bzw. zu lackierenden Werkstücke gleichermaßen als Heizung für den Umluftofen. Dieser Ofen ist dann so auszulegen, daß sich die Teile im Verlaufe des Beschichtungsprozesses solange im Ofen befin­ den, bis die Aufheizphase durch Induktion und das Ausreagieren des Beschich­ tungsmediums durch die Umluft vollständig abgeschlossen ist. Da für die Erwärmung des Werkstücks mittels Induktion nur ein Bruchteil derjenigen Zeit erforderlich ist, wie sie bei jeder anderen Form der Erwärmung bzw. Temperaturbehandlung benötigt wird, reduziert sich einerseits die Größe und andererseits der Energiebedarf des Umluftofens.

Auch ist es denkbar, das Anschmelzen des Beschichtungsmediums ausschließlich bis zu einer vorgebbaren Mindesttemperatur vorzunehmen und die restliche Wärme mittels Konvektion aus der indirekt ebenfalls durch Induktion erwärmten Ofenatmo­ sphäre zu nehmen.

Um von Beginn an gleichmäßige Prozeßbedingungen zu erreichen, kann es erforder­ lich sein, die Atmosphäre in der Kammer durch einen einfachen Brenner oder eine sonstige Heizquelle vorzuheizen. Sollten mehr Wärmeverluste auftreten, als durch die Beheizung des Werkstücks bzw. durch dessen Abstrahlung zur Verfügung steht, so müßte diese "verlorengegangene" Wärme von außerhalb des Induktionssystems nachgeliefert werden. Jedenfalls wäre dann lediglich soviel Wärme und somit auch Energie zuzuführen, wie dem Gesamtsystem einerseits durch das zu beschichtende Werkstück und andererseits durch Wärmeverluste entzogen wird.

Schließlich könnte man in vorteilhafter Weise die Möglichkeit nutzen, die Wärme aus der Induktionskühlung dem Gesamtsystem zu Heizzwecken zu vermitteln, nämlich durch Wärmerückgewinnung dahingehend, daß man die Flüssigkeit der Induktor­ kühlung einem Wärmetauscher im Gegenstromprinzip zuführt. Im Rahmen einer sol­ chen Ausgestaltung könnte die Kammer bzw. der Umluftofen aus drei wesentlichen Bauteilen bestehen, nämlich aus der eigentlichen Induktionsheizeinrichtung, der Heißluftreaktionszone für das Werkstück und einer das Verfahren abschließenden Kühlzone. Jedenfalls läßt sich mit dem voranstehend geschilderten System zumin­ dest weitgehend der schlechte Wirkungsgrad der induktiven Erwärmung guter elektri­ scher Leiter kompensieren.

Claims (16)

1. Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks (1), wobei das Werkstück (1) vor und/oder nach dem Aufbringen des Beschichtungsmediums (2) induktiv erwärmt wird und wobei das beschichtete Werkstück (1) einer anschließenden Temperaturbe­ handlung zum Trocknen, Ausreagieren oder Härten der Beschichtung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur induktiven Erwärmung des Werk­ stücks (1) eine thermisch isolierte Kammer (3) mit einer darin angeordneten Indukti­ onsheizeinrichtung (4) vorgesehen ist und daß die während und nach der induktiven Erwärmung abgegebene Wärme zum Beheizen der Kammer (3) und dabei zur an­ schließenden Temperaturbehandlung dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Erwär­ mung des Werkstücks (1) zur Vermittlung einer Mindestwärmemenge dient und daß die weitere Erwärmung mittels Konvektion aus der indirekt durch Induktion erwärmten Kammeratmosphäre erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Erwärmung, insbesondere die Temperatur des Werkstücks (1), derart gesteuert wird, daß zunächst das Werkstück (1) und ggf. das Beschichtungsmedium (2) entgast werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verfah­ rensschritt des Ausgasens die Temperatur des Werkstücks (1) solange erhöht wird, bis das Beschichtungsmedium (2) anschmilzt, reagiert bzw. ausreagiert, härtet oder trocknet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (3) im Sinne eines Umluftofens arbeitet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erwärmte Kammeratmosphäre mittels Gebläse (5) umgewälzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammeratmosphäre mittels einer unabhängigen Heizeinrichtung (6) vorgeheizt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die unabhängige Heizeinrichtung (6) auch zum Zusatz- oder Nachheizen der Kammeratmosphäre dient.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (6) einen induktiv beheizten Wärmetauscher umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium der Induktorkühlung einem Wärmetauscher (7) zum Vorwärmen der Kammeratmosphäre zugeführt wird.

11. Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks, wobei das Werkstück (1) vor und/oder nach dem Aufbringen des Beschichtungsmediums (2) induktiv erwärmt wird und wobei das beschichtete Werkstück (1) einer anschließenden Temperaturbe­ handlung zum Trocknen, Ausreagieren oder Härten der Beschichtung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur induktiven Erwärmung des Werk­ stücks (1) eine thermisch isolierte Kammer (3) mit einer darin angeordneten Indukti­ onsheizeinrichtung (4) vorgesehen ist und daß die während und nach der induktiven Erwärmung abgegebene Wärme zum Beheizen der Kammer (3) und dabei zur an­ schließenden Temperaturbehandlung dient.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (3) im Sinne eines Umluftofens ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Um­ wälzen der erwärmten Kammeratmosphäre ein Gebläse (5) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vor-, Zusatz- oder Nachheizen der Kammeratmosphäre eine unabhängige Heizeinrichtung (6) vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (6) einen induktiv beheizten Wärmetauscher umfaßt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (7) zum Vorwärmen der Kammeratmosphäre vorgesehen ist und daß das Kühlmedium der Induktorkühlung dem Wärmetauscher (7) zugeführt wird.