-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrostatischen
Beschichtung von Substraten mit einem rieselfähigen Beschichtungsmedium.
Die Substrate sind dabei im Bereich zwischen mindestens zwei Emissionsvorrichtungen
angeordnet. Die Emissionsvorrichtungen emittieren elektrisch geladene Partikel.
-
Elektrostatische
Beschichtungsverfahren stellen in der modernen Industrielackierung
sowohl wirtschaftlich als auch technisch die optimalsten Lösungen dar,
da sie zum einen die anlagetechnischen Voraussetzungen für weitgehende
Automatisierung besitzen und zum anderen einen hohen Wirkungsgrad
ermöglichen.
-
Bei
elektrostatischen Beschichtungsverfahren werden die zu applizierenden
Partikel, beispielsweise Naß-
oder Pulverlacke, elektrisch aufgeladen und über ein Beschichtungsorgan
auf die Oberfläche
des zu beschichtenden Substrates appliziert. Auf der Oberfläche des
Substrates haften die Partikel aufgrund Coulombscher Anziehungskräfte.
-
Hinsichtlich
der Partikelaufladung lassen sich verschiedene Mechanismen unterscheiden.
Partikel können
durch Ionisation im Feld einer Corona-Entladung, durch Reibungselektrizität (sog.
Tribo-Aufladung), durch Leitung in Kontakt mit spannungsführenden
Elektroden oder durch Influenz aufgeladen werden.
-
Bei
der Aufladung mittels Corona-Elektroden werden die Beschichtungspartikel
als Sprühwolke
durch das Gebiet der Corona-Entladung geführt. Bei der triboelektrischen
Aufladung wird bei der Berührung
und Trennung zweier Stoffe mit ungleichen dielektrischen Eigenschaften
mechanische in elektrische Energie umgewandelt. Die Beschichtungspartikel
werden dabei infolge von Reibung aufgeladen. Solche Lösungen sind
z. B. in
DE 24 55 161
C2 und
EP
0 437 383 A1 beschrieben. Wobei nach
DE 24 55 161 C2 eine geerdete
Fläche mit
partikelförmigen
Material beschichtet werden soll. Hierbei wird ein Kondensator geladen
und eine Fläche des
Kondensators mit gleicher Polarität, wie das geladene partikelförmige Beschichtungsmaterial
so angeordnet, daß dieses
in Richtung auf die zu beschichtende Fläche zusätzlich beschleunigt wird.
-
Zur
Erhöhung
des Auftragswirkungsgrades und zur Verbesserung der Schichtqualität ist es üblich, das zu
beschichtende Substrat zu erden. Substrate mit einem elektrischen
Oberflächenwiderstand
bis ungefähr
1 GΩ werden
direkt über
leitende Kontakte mit der Erdung verbunden. Substrate mit einem
Oberflächenwiderstand
von über
1 GΩ benötigen hingegen
Zusatzmaßnahmen,
mit deren Hilfe ein Ladungstransport zur Erdung ermöglicht wird.
-
Da
bei allen gebräuchlichen
Verfahren zur elektrostatischen Beschichtung eine Werkstückerdung
notwendig ist, die Erdungsmaßnahmen
und eventuell erforderliche Zusatzmaßnahmen aber von der elektrischen Leitfähigkeit
des Werkstückes
abhängig
sind, ist eine gleichzeitige Beschichtung von Werkstücken unterschiedlicher
Leitfähigkeit
verfahrenstechnisch sehr aufwendig. Insbesondere bereitet es große Probleme, Werkstücke, welche
aus Teilen unterschiedlicher Leitfähigkeit zusammengesetzt sind,
homogen zu beschichten.
-
Gebräuchliche
Zusatzmaßnahmen
zur Erdung schlecht leitender Substrate sind beispielsweise das Aufbringen
einer elektrisch leitfähigen
Schicht wie Leitlösungen
oder Leitlack auf die Oberfläche
des Substrates oder das Erwärmen
des Substrates zur Senkung des Oberflächenwiderstandes. Üblich ist
auch das Hinterlegen des Substrates mit einer geerdeten, leitfähigen Schicht
aus Metallfolie, Leitlösung
oder Leitlack, um über
auf der Substratrückseite
influenzierte Ladungen einen Ladungstransport zur Erdung zu ermöglichen.
-
Diese
herkömmlichen
Maßnahmen
zur Beschichtung von Substraten mit hohem Oberflächenwiderstand sind mit einer
Reihe von verfahrenstechnischen Nachteilen behaftet. So erfordert
die Verwendung von Leitlösungen
oder Leitlacken zusätzliche
Arbeitsgänge
und Kontrollschritte beim Beschichtungsprozeß. Auch das Erwärmen der
Substrate vor der elektrostatischen Beschichtung stellt einen zusätzlichen
Arbeitsgang dar und ist mit erhöhtem
Energieeinsatz verbunden.
-
Das
Hinterlegen von Substraten mit Metallfolien ist kompliziert und äußerst aufwendig.
Zwar ist es möglich,
bei einfachen Substratgeometrien das Werkstück auf vorgefertigte Formteile
aus Metall zu stecken. Diese müssen
jedoch der Substratform äußerst genau
angepaßt
sein, da schon geringe Luftspalte einen homogenen Schichtaufbau
stören.
Die Entwicklung, Regulierung und Optimierung geeigneter Beschichtungsanlagen
ist ebenfalls mit einem sehr hohen Aufwand verbunden.
-
Zur
Vermeidung dieser Nachteile sind Verfahren im Einsatz, bei welchen
die Substratrückseite
mit bipolar ionisierter Luft besprüht wird. Analog zu einer leitfähigen Hinterlegung
für einen
Ladungstransport läßt sich
dadurch eine Erdung des Substrates erzielen. Die bipolar ionisierte
Luft wird mittels einer Corona-Entladung erzeugt, welche sich an
mindestens einer Elektrodenspitze ausbildet. Für den bipolar ionisierten Luftstrom
ist kennzeichnend, daß er
als Ganzes elektrisch neutral ist.
-
Ähnlich wird
auch bei der in
EP
0 437 383 A1 beschriebenen Lösung verfahren.
-
In
der Praxis hat sich herausgestellt, daß zur Erzielung einer guten
Schichtqualität
bei hochohmigen Substraten die Verwendung bipolar ionisierer Luft
häufig
lediglich als unterstützende
Maßnahme
in Kombination mit anderen, oben beschriebenen Zusatzmaßnahmen
geeignet ist.
-
Bipolar
ionisierte Luft wird häufig
in Verbindung mit flüssigen
Beschichtungsmaterialen verwendet. Bei Beschichtungspulvern hat
sich nämlich
gezeigt, daß insbesondere
ohne weitere unterstützende
Maßnahmen Benetzungsstörungen und
Haftungsprobleme auftreten.
-
Bei
der Verwendung bipolar ionisierter Luft werden aufgrund der geringen
Stromstärken
bei wechselnder Polarität
soviele Anteile der Luft ionisiert, wie für einen Ladungstransport bezüglich der
Erdung in der unmittelbaren Nähe
der Substratrückseite
benötigt
werden. Zum Zwecke der Erdung reichen geringe Ionisierungen der
Luft vollständig
aus. Allerdings ist auch bei der Verwendung bipolar ionisierter
Luft eine unmittelbare Erdung der Substratrückseite notwendig.
-
Allen
erwähnten
Verfahren gemeinsam ist eine schwierige Innenbeschichtung von Hohlräumen, Aussparungen,
Nuten und dergleichen (Faraday-Käfig).
Es zeigt sich, daß mit
steigendem Oberflächenwiderstand des
Substrates der Aufwand für
die Beschichtungsmaßnahmen
zunimmt. Meist müssen
mehrere Maßnahmen kombiniert
werden, um eine ausreichende Schichtqualität zu erzeugen.
-
Dabei
ist das Problem der neutralen Zonen, die durch die sogenannten Faraday'schen Käfige auftreten
in "defazet", 31. Jahrgang, Nr.
8/1977, S. 313–317
angesprochen worden. Dem soll aber durch gut dosierbare Pulverförderung,
Einflußnahme
auf die Aufladung des Beschichtungsmaterials und durch Erdung bzw. Zwangserdung
entgegengetreten werden.
-
Desweiteren
ist in
US 4,197,331 ein
System beschrieben wie es bei Fotokopieren eingesetzt werden kann.
Dabei wird ein nichtleitendes Element auf einer Seite mittels Elektroden
elektrostatisch teilweise aufgeladen und auf der anderen Seite des
Elementes haften dann elektrostatisch geladene Partikel (Toner)
in den geladenen Bereichen des Elementes.
-
Ausgehend
von diesen Nachteilen ist es Aufgabe der Erfindung. ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur elektrostatischen Beschichtung von Substraten
zu schaffen, mit welchen auch sehr hochohmige Substrate in einem
Arbeitsgang ohne weitere Zusatzmaßnahmen und Vorbehandlungen
sowohl einseitig als auch beidseitig mit rieselfähigen Schüttgütern, inbesondere mit Pulverlacken,
problemlos beschichtet werden können, und
welches sich für
die Innenbeschichtung von Hohlräumen,
Aussparungen, Nuten ohne Schichtstörungen eignet.
-
Diese
Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 und was eine Vorrichtung anbelangt durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Die
Unteransprüche
stellen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der jeweiligen
Lösung
dar.
-
Indem
von den jeweils auf gegenüberliegenden
Seiten des Substrates angeordneten Emissionsvorrichtungen Partikel
entgegengesetzter Polarität
emittiert werden, wobei die von mindestens einer Emissionsvorrichtung
emittierten Partikel das Beschichtungsmedium darstellen, lassen
sich die Substrate ohne aufwendige Erdungsmaßnahmen oder zusätzliche
Arbeitsgänge
wahlweise einseitig oder beidseitig beschichten.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren
lagern sich gegenpolig geladene Partikel auf gegenüberliegenden
Seite des Substrates an und sind aktiv am Aufbau der Schicht und
an der Schichthaftung beteiligt. Die entgegengesetzt geladenen Partikel
bleiben auf der Substratoberfläche
haften, weil sie sich aufgrund Coulombscher Kräfte gegenseitig durch das Substrat
hindurch anziehen. Es werden polarisierbare Anteile im Substrat
in eine Vorzugsrichtung ausgerichtet, was zu Partikelhaftung beiträgt. Bei
Beschichtungsverfahren des Standes der Technik tritt gerade dieser
Effekt nicht auf, da die auf das Substrat applizierten Ladungen
möglichst
schnell über
die Substraterdung abfließen
sollen, damit der Schichtaufbau nicht negativ beeinflußt wird.
-
Ein
wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Tatsache, daß keine
Erdung des Substrates notwendig ist. Aus diesem Grund können mehrere
Substrate unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit oder aus Teilen unterschiedlicher
elektrischer Leitfähigkeit
zusammengesetzte Substrate gleichzeitig in einem Arbeitsschritt
homogen beschichtet werden. So sind etwa Reparaturarbeiten an metallischen,
teilweise blankgeschliffenen und teilweise noch beschichteten Werkstücken, beispielsweise
Kotflügeln,
problemlos möglich.
-
Als
Beschichtungsmedien eignen sich erfindungsgemäß rieselfähige Schüttgüter wie keramische Pulver,
wie Emaile oder Zement, Pulverlacke wie Epoxy-, Polyester- oder
Acrylatpulver oder andere pulverförmige Stoffe wie Zucker oder
Salz. Das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere für
pulverförmige Stoffe
wie Pulverlacke, bei welchen im Gegensatz zu flüssigen Benetzungsstoffen, welche
einen Flüssigkeitsfilm
ausbilden, keine adhäsive
Haftung auftritt.
-
Es
hat sich in der Praxis gezeigt, daß eine gute Beschichtungsqualität nahezu
unabhängig
vom Oberflächenwiderstand
des Substrates ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich jedoch
sowohl Leiter als auch Isolatoren beschichten. Das Verfahren eignet
sich insbesondere auch für
eine qualitativ hochwertige Beschichtung von beispielsweise Hohlräumen, Aussparungen,
Profilen und Nuten, ohne daß Zeit-
und kostenaufwendige Zusatzmaßnahmen
erforderlich wären.
-
Als
Emissionsvorrichtungen eignen sich beispielsweise herkömmliche
Beschichtungsorgane wie Sprühpistolen.
Bevorzugt finden solche Emissionsvorrichtungen Verwendung, mit denen
Partikelladung, Partikelmassenstrom, usw. gezielt steuerbar sind.
Bei größeren Substraten
oder zur Verbesserung der Schichthomogenität können auf einer oder auf beiden
Seiten des Substrates auch mehr als eine Emissionsvorrichtung angeordnet
sein.
-
Zur
beidseitigen Beschichtung von Substraten wird auf jeder Werksückseite
von mindestens einer Emissionsvorrichtung das Beschichtungsmedium
emittiert, wobei von auf der einen Seite des Substrates angeordneten
Vorrichtungen positiv geladene Beschichtungspartikel und von auf
der anderen Seite des Substrates angeordneten Vorrichtungen negative
Beschichtungspartikel emittiert werden.
-
Zur
einseitigen Beschichtung von Substraten ist es vorteilhaft, wenn
von mindestens einer, auf der zu beschichtenden Seite des Substrates
angeordneten Emissionsvorrichtung das Beschichtungsmedium emittiert
wird. Erfindungsgemäß emittiert
mindestens eine, auf der entgegengesetzten Seite des Substrates
angeordnete Emissionsvorrichtung Partikel als geladenes Kompensationsmedium
zum entgegengesetzt geladenen Beschichtungsmedium. Das Kompensationsmedium
ist dadurch charakterisiert, daß es
im Gegensatz zum Beschichtungsmedium nicht dauerhaft am Substrat
haftet.
-
Die
elektrische Aufladung von Beschichtungs- und Kompensationsmedium
kann durch Leitung in Kontakt mit spannungsführenden Elektroden, durch Influenz,
durch Reibungselektrizität
(Tribo-Aufladung), durch Ionisation im Feld einer Corona-Entladung
oder durch eine Kombination dieser Maßnahmen erfolgen. Die Partikelaufladung
mittels Corona-Entladung
findet bei Beschichtungspartikeln bevorzugt bei einem Elektroden
potential zwischen 30 und 200 kV und bei Kompensationspartikeln
ebenfalls bevorzugt bei einem Elektrodenpotential zwischen 30 und
200 kV, besonders bevorzugt zwischen 60 und 120 kV statt. Die geeignete
Spannung hängt
jeweils ab von Form und Größe der Partikel,
von der eingestellten Luftströmungsgeschwindigkeit
in der Düse
und dem Abstand der Emissionsvorrichtungen vom Substrat.
-
Gegenüber anderen
Verfahren bietet das triboelektrische Verfahren eine Reihe von Vorteilen
wie hohes Eindringvermögen
der geladenen Partikel in Hohlräume,
problemlose Mehrschichtbeschichtung und hohe Aufladungseffektivität. Das triboelektrische
Verfahren eignet sich vor allem für Pulverlacke.
-
Zur
Verbesserung der Schichthomogenität kleinerer Substrate oder
zur ganzflächigen
Beschichtung größerer Substrate
ist es vorteilhaft, wenn die auf der zu beschichtenden Substratseite
bzw. den zu beschichtenden Substratseiten angeordneten Emissionsvorrichtungen
parallel zur Substratoberfläche
bewegt werden. Auch eine Variation der Abstände zwischen den Emissionsvorrichtungen
und dem Substrat sind zum Zwecke der Kantendeckung und Hohlrauminnenbeschichtung
von beispielsweise Flaschen oder Helmen möglich. Besonders vorteilhaft
ist eine synchrone Bewegung gegenüberliegender Emissionsvorrichtungen.
-
Die
Aufladung der Partikel kann in der Weise erfolgen, daß die auf
einer Substratseite angeordneten Emissionsvorrichtungen während des
gesamten Beschichtungsvorganges ausschließlich positiv geladene Partikel
und die gegenüberlie genden
Emissionsvorrichtungen ausschließlich negativ geladene Partikel
emittieren.
-
Alternativ
können
von den auf einer Substratseite angeordneten Emissionsvorrichtungen
abwechselnd Partikel positiver und negativer Polarität und von
den auf der gegenüberliegenden
Seite angeordneten Emissionsvorrichtungen Partikel mit jeweils entgegengesetzter
Polarität
emittiert werden.
-
Als
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
beschichtbare Substrate eignen beispielsweise Stoffe wie Holz, MDF-Platten,
Spanplatten, Glas, Papier, Pappe, Stoff, Keramik, Metalle wie Formteile
aus Schwarz- oder Aluminiumblech, Kunststoffe wie Polyacetylen,
Polyvinylchlorid, Noryl, Acryl oder glasfaserferstärkten Kunststoffe,
Laminate aus unterschiedlichen Werkstoffen oder Lebensmittel wie
Backwaren oder Schokolade. Die Substrate können sowohl starr als auch
flexibel sein. Ein simultanes Beschichten von am selben Werkstückträger befestigen
Werkstücken
unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit ist möglich.
-
Da
mit dem Verfahren auch mehrere Schichten übereinander appliziert werden
können,
ist es für
die Mehrschicht- und die Effektlackierung geeignet. So kann beispielsweise
Pulverklarlack auf Pulverbasislacken appliziert werden.
-
Als
Vorrichtungen zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens
eignen sich erfindungsgemäß als Emissionsvorrichtungen
handelsübliche
Corona- oder reibungsaufgeladene Sprühorgane, welche zumindest Zuführungen
und Kanäle
für Luft
und zu applizierendes Beschichtungsmedium aufweisen. Mit der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
sind folglich keine erneuten Anschaffungskosten verbunden.
-
Zur
einseitigen Beschichtung kann bei der auf der nicht zu beschichtenden
Substratseite angeordneten Emissionsvorrichtung die Beschichtungsmediumzudosierung
gesperrt werden, so daß beispielsweise
nur die das Kompensationsmedium bildenden Partikel elektrisch aufgeladen
und in Richtung auf das Substrat emittiert werden.
-
Der
Abstand zwischen Corona- bzw. reibungsaufgeladenen Tribo-Sprühorganen
und dem Substrat beträgt
bevorzugt zwischen 100 und 300 mm bzw. zwischen 5 und 300 mm. Die
Sprühabstände sind
an die jeweilige Form, Größe und Dicke
des Werkstückes
sowie an die Partikelgröße anzupassen.
-
Die
Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen elektrostatischen
Beschichtungsverfahrens. Das Substrat 1 ist dabei zwischen
zwei Emissionsvorrichtungen 2, 3 angeordnet. Angedeutet
ist die Emission geladener Partikel durch die Emissionsvorrichtungen 2, 3.
Wie durch die Pfeile 4 und 5 skizziert. werden
die Emissionsvorrichtungen parallel zu den Substratoberflächen bewegt,
wobei die Bewegung der beiden gegenüberliegenden Emissionsvorrichtungen 2, 3 synchronisiert
ist.
-
Nachfolgend
wird je ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
für eine
einseitige und eine zweiseitige Substratbeschichtung näher beschrieben.
-
Verfahren
für beidseitige
Beschichtung
-
Nach
der Reinigung und Entfettung des Substrats wird auf die Substratvorderseite
eine Tribo-Handpistole mit Flachstrahl- oder Pralltellerdüse gerichtet.
Beim Durchströmen
des Aufladekanals werden die Pulverpartikel positiv aufgeladen.
-
Auf
die Rückseite
des Substrates wird eine Corona-Handpistole (ohne Ionenreduzierung)
mit Flachstrahl- oder Pralltellerdüse gerichtet. Die Elektrodenspannung
beträgt
100 kV Pulverlackpartikel werden durch Kontakt mit den Luftionen
der Corona negativ aufgeladen.
-
Beide
Sprühorgane
besitzen einen Abstand von ungefähr
100 mm zur Substratoberfläche
und sind jeweils senkrecht auf diese gerichtet. Der Pulvermassenstrom
beider Sprühorgane
stimmt überein.
Bei gleichzeitigem Beschichten gegenüberliegender Substratseiten
ist die Bewegung gegenüberliegender
Pulversprühorgane
synchronisiert. Die Pulversprühorgane
bewegen sich jeweils über
die gesamte Substratfläche.
Bei Pulverlacken werden Schichtdicken zwischen 60 und 100 μm realisiert.
-
Da
bei den erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren
die unterschiedliche Polarität
der Ladungsträger
auf den entgegengesetzten Substratseiten für den Aufbau und die Haftung
der Pulverschicht verantwortlich ist, sind viele Variationen der
Pulverauflademechanismen denkbar. Sowohl zur Erzeugung positiver
als auch negativer Ladungsträger
eigenen sich daher beispielsweise Auflademechanismen wie Corona-,
ionenreduzierte Corona- oder Tribo-Aufladung sowie eine Kombination
aus Tribo- und Corona-Aufladung.
-
Zur
Erzielung einer guten Innenbeschichtung von Hohlräumen oder
Profilteilen ist eine leichte Annäherung des Sprühorgans
an die entsprechende Öffnung
oder das Profil des Substrates ausreichend.
-
Verfahren
für einseitige
Beschichtung
-
Nach
erfolgter Reinigung werden zwei Sprühorgane wie für die beidseitige
Beschichtung auf das Substrat gerichtet. Auch bei der einseitigen
Beschichtung bringt eine synchrone Bewegung der beiden Sprühorgane
Vorteile hinsichtlich der Beschichtungsqualität.
-
Bei
der Außenbeschichtung
von Hohlkörpern
wie Helmen genügt
es, ein Corona-Sprühorgan
in die Öffnung
zu richten und mit einem Tribo-Sprühorgan die Bewegung für die Flächenbeschichtung
auszuführen.
-
Bei
Versuchen wurden an einen Kunststoff-Warenträger gleichzeitig leitende und
nichtleitende Substrate befestigt und qualitativ hochwertig beschichtet.
-
Die
nachfolgende Tabelle zeigt einige Beschichtungsbeispiele. Die Substrate
konnten sowohl einseitig als auch beidseitig beschichtet werden.
Die Beschichtung seitlicher Substratkanten war unproblematisch.
-
