DE20023848U1 - Vorrichtung zum Auftragen von zerstäubten Fluiden - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Auftragen von zerstäubten Fluiden mittels Ultraschallzerstäuber auf einen vorgegebenen Bereich, wobei mindestens zwei Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E), die mit dem Fluid beliefert werden, im wesentlichen oberhalb des vorgegebenen Bereiches, in Richtung zur Auftragung gesehen, angeordnet sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Auftragen von zerstäubten Fluiden. Weiterhin betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer solchen Vorrichtung.
  • In vielen Bereichen der Technik ist es notwendig, dass Fluide und dabei insbesondere Flüssigkeiten in sehr feine Partikel zerstäubt werden können und dadurch in einer möglichst genauen Menge und in einer feinen Verteilung zerstäubt und dadurch zum Beispiel auf eine andere Schicht aufgetragen werden können.
  • Bei bestimmten Rapid-Prototyping-Verfahren spielt beispielsweise eine Beschichtung von Bindemittel eine wichtige Rolle. Aus der DE 198 53 834.0 ist ein derartiges Rapid-Prototyping-Verfahren zum Aufbau von Gussmodellen bekannt. Hierbei wird ein unbehandeltes Partikelmaterial, wie Quarzsand, auf eine Bauplattform in einer dünnen Schicht aufgetragen. Danach wird mit Hilfe einer Spray-Vorrichtung ein Bindemittel auf das Partikelmaterial in einer möglichst feinen Verteilung aufgesprüht und anschließend darüber auf ausgewählte Bereiche ein Härter dosiert, wodurch die erwünschten Bereiche verfestigt werden. Wird dieser Vorgang immer wieder wiederholt, kann ein individuell geformter Körper aus dem gebundenen Partikelmaterial bereitgestellt werden. Dieser Körper ist zunächst in dem umliegenden, ungebundenen Partikelmaterial eingebettet und kann nach Abschluß des Bauvorganges aus dem Partikelbett entnommen werden.
  • Wird beispielsweise bei einem derartigen Verfahren als Partikelmaterial ein Quarzsand verwendet und als Bindemittel ein Furanharz, kann mit Hilfe einer schwefeligen Säure als Härtermaterial eine Gussform hergestellt werden, die aus üblicherweise bei der Modellherstellung verwendeten und daher dem Fachmann bekannten Materialien besteht.
  • Schwierigkeiten bei diesen bekannten Verfahren liegen meist in dem Eintrag des Bindemittels begründet. Um eine geeignete Gussform herstellen zu können, muß diese Gussform bestimmten Anforderungen an die Festigkeit und an den Bindemittelgehalt genügen.
  • Zum Einen muß die Festigkeit ausreichen, um dem Druck des flüssigen Metalles beim Gießen standhalten zu können beziehungsweise die Auftriebskräfte im Falle der Bildung eines Kernes ohne störende Verformung in das Kernlager ableiten zu können.
  • Zum Anderen muß der Bindemittelgehalt jedoch möglichst gering sein, damit das beim Gießen des Metalles verdampfende Bindemittel nicht zu Gas-Einschlüssen und damit zu einer minderen Qualität des Gussteiles führt. Ein möglichst niedriger Bindemittelgehalt begünstigt zudem das Entformen des Gussteils, da beim Gießen ein Großteil des Bindemittels verdampft. Bei der Verwendung von möglichst wenig Bindemittel bleibt nach dem Gießen des Bauteiles im wesentlichen nur noch loser, leicht zu entfernender Sand zurück.
  • Das Auftragungsverfahren des Bindemittels ist daher besonders wichtig, da hierbei der Bindemittelgehalt und die Bindemittelverteilung des Gussmodelles festgelegt werden. Schwierigkeiten bereitet dabei häufig, dass es sich bei dem Bindemittel um eine hochviskose Flüssigkeit handelt, die nur schwer fein verteilt werden kann.
  • Die Anforderungen an eine Vorrichtung zum Auftragen beispielsweise eines Bindemittels auf eine Schicht von Partikeln sind, das Bindemittel in einer homogenen und vorbestimmten Verteilung auf die Oberflächen der Partikel aufzubringen, ohne diese dabei in ihrer Form und ihrer Verteilung zu beeinflussen.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten zur Zerstäubung von Flüssigkeiten bekannt.
  • So werden häufig Hochdruckzerstäuber verwendet, um Flüssigkeiten mit ähnlichen Fluideigenschaften, wie dem des Bindemittels, sehr fein zu verteilen. Hochdruckzerstäuber drücken das zu verteilende Fluid meist mit mehr als 20 bar durch eine enge Düse hindurch. Dabei bildet sich eine Flüssigkeitslamelle, die in einzelne Tropfen zerfällt. Die Tropfen werden bei einer solchen Zerstäubung auf einem festen Untergrund entsprechend der Lamellenform ringförmig um ein Zentrum mit niedriger Tropfendichte und einem konzentrischen Bereich mit hoher Tropfendichte verteilt.
  • Da jedoch die kinetische Energie der mit einem Hochdruckzerstäuber gebildeten Tropfen relativ hoch ist, kann eine lose Pulverschüttung, auf die das Bindemittel aufgetragen werden soll, nur durch einen großen Abstand von der Düse gegen Verblasen geschützt werden. Dadurch ist aber ein unerwünscht ho her Platzbedarf bei einem solchen Zerstäuber notwendig und weiterhin unterliegen die Tropfen auf dem langen Weg von der Tropfenbildung zum Auftragungsort auch äußeren Einflüssen.
  • Ein weiteres Problem dieser Hochdruckzerstäuber ist die große Totzeit bei den Start- und Stopp-Vorgängen. Bis sich nach Druckbeaufschlagung an der Düse eine Lamelle und damit auch der Tropfenabriß gebildet hat, entsteht dort ein größerer Fluidtropfen, der sich unvermittelt ablöst und die gleichmäßige Verteilung des Fluids deutlich stört. Dies gilt ebenso, wenn der Druck abgeschaltet wird. Dieser Effekt verstärkt sich zudem noch durch Nachgiebigkeiten beziehungsweise Ungenauigkeiten im System, die zu einem weiteren Nachtropfen von Bindemittel führen.
  • Eine weitere Zerstäubungsvorrichtung wird in der EP 0 049 636 A1 offenbart. Auch diese Vorrichtung arbeitet mit Vordruck in einer Düsenkammer. Jedoch wird der Tröpfchenzerfall hierbei durch einen elektrischen Vibrierer, der beispielsweise über einen Piezoaktuator angesteuert wird, erzeugt.
  • Bei allen diesen, mit Düsen arbeitenden Zerstäubern hat es sich als nachteilig erwiesen, dass die sehr kleinen Düsendurchmesser zum Verstopfen neigen. Dies trifft insbesondere bei der Verwendung von hochzähen Flüssigkeiten schwer ins Gewicht. Größere Düsendurchmesser neigen hingegen zu einem Lufteinsaugen in die Düsenkammer und damit zu einem starken Wirkungsverlust.
  • In der WO 98/00237 wird ein Tröpfchenwolkenerzeuger vorgestellt, der mit innerhalb einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer strömungstechnisch effektiv angeordneten Piezobiegewandler ein ganzes Feld von Düsen mit Druck beaufschlagt, wo durch ein Tropfenausstoß bewirkt wird. Im Gegensatz zu dem aus der EP 0 049 636 A1 bekannten Prinzip ist dabei jedoch kein Vordruck notwendig.
  • Aber auch dieses System neigt aufgrund der geringen Düsendurchmesser zum Verstopfen. Außerdem ist die Lebensdauer eines solchen Tröpfchenwolkenerzeugers, insbesondere bei Verwendung von hochviskosen Flüssigkeiten, wie beispielsweise Bindemitteln, relativ kurz.
  • Weiterhin ist es aus der Praxis auch bekannt, Luftzerstäuber einzusetzen. Hierbei reißt ein Mantelluftstrom feinste Tröpfchen aus einer Kapillare ab. Diese Art der Zerstäubung wird vor allem in der Lackiertechnik verwendet. Bei einer Anwendung beispielsweise für Bindemittel, das auf loses Partikelmaterial aufgetragen werden soll, verbläst der Mantelluftstrom unerwünschterweise auch das Partikelmaterial. Darüber hinaus entstehen auch hier wiederum Schwierigkeiten bzw. Unregelmäßigkeiten beim Ein- und Ausschalten des Zerstäubers.
  • Auch ist es möglich, dass feine Tröpfchen beispielsweise über einen Rotationszerstäuber auf einen vorbestimmten Bereich aufgetragen werden. Dabei wird über eine Rotation eine dünne Flüssigkeitslamelle erzeugt, die in einzelne Tropfen zerfällt. Jedoch ist auch bei einer solchen Vorrichtung das Anlaufverhalten für eine Anwendung, bei der das Fluid sehr genau aufgetragen werden soll, sehr nachteilig.
  • Aus der US 4,796,807 ist ein Ultraschallzerstäuber zum Zerstäuben niedrigviskoser Fluide bekannt. Diese Ultraschallzerstäuber bestehen aus einem Aktuatorelement, in der Regel einer Piezokeramik, einer Flüssigkeitszuführung und je nach Einsatzzweck auch einer Luftführung. Der Piezoaktuator oszil liert bei seinem Betrieb mit einer hohen Frequenz. Das Fluid befindet sich auf einer Schwingplatte und wird durch die durch die Schwingung erzeugten Oberflächeneffekte in der Flüssigkeit abgeschleudert. Ein um den Aktuator führender Luftstrom nimmt die mit einem relativ schwachen Impuls versehenen Tropfen auf und befördert sie in einer Luftströmung weiter.
  • Solche Ultraschallzerstäuber finden heutzutage in der Klimatechnik Anwendung, um die Luftfeuchtigkeit über die Zumischung von Wassertröpfchen einzustellen oder auch in der Medizintechnik, um Medikamente derart aufzubereiten, dass sie von einem Patienten inhaliert werden können.
  • Bei einem solchen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallzerstäuber hat es sich als nachteilig erwiesen, dass bei einem Auftrag von Fluiden auf ein begrenztes Feld relativ viel Zeit vonnöten ist, um im wesentlichen eine gleichmäßige homogene Verteilung des Fluides zu erreichen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der mit einem relativ kurzen Zeitaufwand eine homogene Verteilung von zu zerstäubendem Fluid erreicht werden kann und bei dem das Problem des Verstopfens von Düsen verhindert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung zum Auftragen von zerstäubten Fluiden mittels Ultraschallzerstäuber auf einen vorgegebenen Bereich, wobei mindestens zwei Ultraschallzerstäuber, die mit dem Fluid beliefert werden, im wesentlichen oberhalb des vorgegebenen Bereiches, in Richtung zur Auftragung gesehen, angeordnet sind.
  • Dadurch, dass nun zumindest zwei Ultraschallzerstäuber im wesentlichen oberhalb des vorgegebenen Bereiches angeordnet sind, kann beim Zerstäuben zumindest über einen durch die zwei Zerstäuber gebildeten Bereich ein relativ homogenes Sprühbild des zerstäubten Fluides erreicht werden. Dabei sollte der Abstand der zumindest zwei Ultraschallzerstäuber voneinander vorzugsweise derart gewählt sein, dass das aus dem Zerstäuber austretende Sprühgut sich in einem gewissen Bereich überlappt.
  • Handelt es sich bei dem vorgegebenen Bereich um einen sich zumindest in der Breite und/oder in der Tiefe weiter erstreckenden Bereich, als der von den Ultraschallzerstäubern erreichte, so ist die Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausgestaltung derart vorgesehen, dass zumindest einer der Ultraschallzerstäuber über dem vorgegebenen Bereich verfahrbar ist. So kann durch Verfahren der Ultraschallzerstäuber auch auf einem größeren Bereich Fluid aufgetragen werden.
  • Die Verfahrmöglichkeiten der Ultraschallzerstäuber können neben den Erstreckungsrichtungen des vorgegebenen Bereiches auch eine Höhenverfahrbarkeit umfasssen. Sind die Ultraschallzerstäuber auch in ihrer Höhe verfahrbar, so kann der Abstand zum vorgegebenen Bereich je nach Auftragungsart, Fluid, Umgebungsbedingungen usw. eingestellt werden.
  • Sind die mindestens zwei Ultraschallzerstäuber nebeneinander, hintereinander und/oder versetzt zueinander angeordnet, so kann eine noch bessere homogene Verteilung des Sprühgutes erreicht werden. Bei einer entsprechenden Anordnung der Ultraschallzerstäuber kann die Auftragung in ihrer Verteilung des Sprühgutes auf dem Bereich, wie erwünscht eingestellt werden.
  • Darüber hinaus können, je nach Größe des mit dem zerstäubten Fluid zu versehenen Bereiches auch mindestens vier oder noch weitaus mehr Ultraschallzerstäuber vorgesehen sein.
  • Ist zumindest ein oder sind sogar alle Ultraschallzerstäuber mit einer Luftführung versehen, so werden die zu zerstäubenden Partikel noch besser auf dem vorgegebenen Bereich verteilt. Ohne eine Luftzuführung bewegen sich die zerstäubten Partikel ausschließlich aufgrund ihrer Schwerkraft vom Ultraschallzerstäuber zum vorgegebenen Bereich, wie beispielsweise einer Bearbeitungsfläche. Das Auftragungs-Bild des Zerstäubers entspricht dabei ohne Luftzuführung im Querschnitt der Austrittsfläche des Zerstäubers. Um einen breiteren flächigeren Auftrag erreichen zu können, werden die Partikel vorzugsweise durch eine kegelförmige Luftführung aufgefächert.
  • Zum Erreichen einer Luftführung kann die zugeführte Luft durch Umlenkbleche in eine starke Rotation versetzt werden und als rotierende, zylindrische Luftmasse neben der vibrierenden Oberfläche des Zerstäubers austreten. Das zerstäubte Fluid wird durch diesen Luftstrom mitgerissen und durch die Zirkulation der Luft nach dem Austritt aus dem Zerstäuber kegelförmig aufgeweitet.
  • Diese Luftzirkulation kann beispielsweise durch in den Ultraschallzerstäuber eingelegte, mit Umlenkblechen versehene Drallbleche erreicht werden, wobei die Umlenkbleche individuell nach ihrer Drallrichtung und Drallstärke eingestellt werden können.
  • Handelsüblich verwendete Zerstäuber besitzen im allgemeinen eine einheitliche Drallrichtung der Luftführung. Dies kann jedoch zu einer Beeinträchtigung des sogenannten Spray- Bildes, also der Auftragungsbereich des Zerstäubergutes, führen, da im Überlappungsbereich die zerstäubten Partikel mit entgegengesetzter Geschwindigkeit aufeinanderprallen. Um eine dadurch entstehende gegenseitige Störung des Flusses der zerstäubten Partikel einzudämmen, sollten die Luftrotationsrichtungen benachbarter Ultraschallzerstäuber mit Luftführung vorteilhafterweise entgegengesetzt aufeinander zulaufen.
  • Um mehrere, erfindungsgemäß eingesetzte Ultraschallzerstäuber mit einem Fluid zu versorgen, ist es wichtig, dass das Fluid an alle Zerstäuber gleichberechtigt verteilt wird. Darüber hinaus soll die Versorgung mit dem Fluid unabhängig von der Anzahl der angeschlossenen Ultraschallzerstäuber sein, um ein Zu- oder Abschalten von Zerstäubern während der Laufzeit der Vorrichtung zu ermöglichen. Weiterhin soll eine derartige Vorrichtung eine möglichst genaue Durchflußmenge fördern.
  • Zu diesem Zweck wird nun erfindungsgemäß eine zentrale Zuführung des Fluids gewählt, die für alle Ultraschallzerstäuber einen konstanten Druck des Fluids bereitstellt. Dabei ist die Zuführung derart ausgestaltet, dass die Gehäuse- und Leitungsquerschnitte so ausgelegt sind, dass sich bei den vorhandenen Strömungsgeschwindigkeiten kein Druckabfall in dem System einstellt.
  • Werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hochviskose Fluide, wie beispielsweise Bindemittel, verwendet, ist der Temperatureinfluß auf die Viskosität und damit bei einem Druckförderer auch auf die Durchflußmenge erheblich.
  • Um diesem Umstand Rechnung zu tragen und solchen äußeren Einflüssen entgegenzutreten, wird der notwendige Druck, der zur gewünschten Durchflußrate führt, abhängig von Temperatur und eingesetztem Fluid über ein geeignetes Druckregelsystem variabel eingestellt. Der Druck wird dabei ständig während der Laufzeit der Anwendung den äußeren Gegebenheiten angepaßt.
  • Um den Ultraschallzerstäubern jeweils die gleiche Menge an Medium bereitzustellen, müssen die Zuführsysteme vor ihrem Einsatz auch kalibriert werden. Alle Systeme müssen dem Medium den gleichen Durchflußwiderstand bieten. Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch den Einsatz von Drosseln erreicht, wobei jeweils einem Ultraschallzerstäuber eine Drossel vorgeschaltet ist.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Ansteuerung des Ultraschallzerstäubers derart ausgeführt, dass es sich um eine adaptive Ansteuerung handelt. Solche Ansteuerungen sind meist sehr schwierig, da aufgrund der höheren Dichte eines vorzugsweise eingesetzten Bindemittels eine adaptive Frequenzsteuerung notwendig ist, denn zum Zerstäuben von hochviskosen Fluiden ist eine möglichst hohe Amplitude notwendig.
  • Dies hat zur Folge, dass die als Aktuator eingesetzte Piezokeramik immer mit der Eigenfrequenz des ganzen Systems Piezokeramik plus Anbauteile angeregt werden muss, um eine maximale Schwingungsamplitude auf der Schwingplatte zu erreichen und damit die hochviskose Flüssigkeit optimal zu zerstäuben. Hierbei ist es nun problematisch, dass sich die Eigenfrequenz während des Betriebes ändert. Um immer eine maximale Schwingungsamplitude zu erzielen, ist eine adaptive Regelung erforderlich.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschrei bung. Zur näheren Erläuterung wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
  • In der Zeichnung zeigt dabei:
  • 1 einen Ultraschallzerstäuber in einer schematischen, teilweise geschnittenen Darstellung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
  • 2 eine schematische Darstellung der Wirkung einer Luftführung in einem Ultraschallzerstäuber gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 ein Drallblech zur Erzeugung einer Luftführung;
  • 4 eine beispielhafte Anordnung zweier Ultraschallzerstäuber, sowie deren jeweilige und deren Gesamttropfenverteilung;
  • 5 eine Anordnung der Ultraschallzerstäuber in einer Ansicht von oben, gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 6 die Drallrichtung zweier nebeneinander angeordneter Ultraschallzerstäuber in einer Ansicht von oben;
  • 7 eine schematische Darstellung einer Zuführung des Fluids zu den Ultraschallzerstäubern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; und
  • 8 ein Schaltbild einer Ansteuerung.
  • Beispielhaft soll im folgenden die erfindungsgemäße Vorrichtung für den Einsatz zum Zerstäuben von Bindemittel als Fluid, beispielsweise zum schichtweisen Aufbau von Gussmodellen aus Partikelmaterial, Bindemittel und Härter erläutert werden.
  • Bei einem solchen Aufbauverfahren eines Bauteiles, wie eines Gussmodelles, wird eine Bauplattform, auf die die Gussform aufgebaut werden soll, um eine Schichtstärke abgesenkt. Danach wird Partikelmaterial, beispielsweise Quarzsand, in einer erwünschten Schichtstärke auf die Bauplattform aufgetragen. Daran schließt sich das Auftragen des Bindemittels, im wesentlichen großflächig auf dem Partikelmaterial, an, wonach dann selektiv auf den auszuhärtenden Bereichen Härter aufgebracht wird. Dies kann beispielsweise mittels eines Drop-on-demand-Tropfenerzeugers, nach Art eines Tintenstrahldruckers, durchgeführt werden. Diese Auftragungsschritte werden wiederholt, bis das fertige Bauteil, eingebettet in loses Partikelmaterial, erhalten wird.
  • In der 1 ist nun beispielhaft der Aufbau eines Ultraschallzerstäubers 1A zum Auftragen von Bindemittel dargestellt. Das Prinzip eines erfindungsgemäß eingesetzten Ultraschallzerstäubers 1A beruht vorzugsweise auf einem Leistungsultraschallwandler mit einem Amplitudentransformator.
  • Bei einem derartigen Leistungsultraschallwandler wird die für die Zerstäubung von Flüssigkeiten eigentlich unzureichende Amplitude der Longitudinalschwingung einer Piezokeramik an der abstrahlenden Fläche eines Wandlers durch einen Amplitudentransformator verstärkt. In der gezeigten Ausführungsform kommt dabei ein sogenanntes Stufenhorn 3 zum Einsatz, das die von den Piezoaktuatoren 2A, 2B eingebrachte Schwingungsenergie auf eine kleine Fläche, die sogenannte Abstrahlfläche, konzentriert und derart die Amplitude dieser Schwingung stark vergrößert.
  • Die zwei Piezoaktuatoren 2A, 2B werden dabei mittels einer Spannmutter 4 auf ein Stufenhorn 3 aufgespannt und mit Hilfe einer Kontaktfolie 5 und einer Befestigungsfolie 6 kontaktiert. Durch die gegengleiche Anordnung der Piezoaktuatoren 2A, 2B erfolgt bei einer Ansteuerung eine Dickenzunahme in beide Richtungen.
  • Zusätzlich kann eine Ausgleichsscheibe die Piezoaktuatoren 2A, 2B vor Beschädigung bei der Montage und durch einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu Stahl das Gesamtsystem vor einer großen Temperaturabhängigkeit zu schützen.
  • Gemäß der gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist der Ultraschallzerstäuber 1A mit einer Luftführung ausgebildet. In der 2 ist nun die Wirkung der Luftführung genauer dargestellt. Dabei zeigt die 2A einen Ultraschallzerstäuber 1A ohne Luftzufuhr und die 2B mit zugeführter Luft 7. Wie der 2A zu entnehmen ist, bewegen sich die zerstäubten Flüssigkeitspartikel 8 üblicherweise nur durch ihre eigene Schwerkraft vom Ultraschallzerstäuber 1A zur Bearbeitungsfläche, auf die sie aufgetragen werden sollen. Es entsteht daher ein Zerstäubungsbild, das im Querschnitt der Austrittsfläche des Ultraschallzerstäubers 1A ähnelt. Um einen größerflächigen Auftrag zu erzielen, wird das zerstäubte Fluid 8, hier Bindemittel, vorzugsweise durch zugeführte Luft 7, die eine kegelförmige Luftführung zur Folge hat, aufgefächert.
  • Die zugeführte Luft 7 wird dabei durch Umlenkbleche 9 in eine starke Rotation versetzt und tritt neben der vibrierenden Fläche des Ultraschallzerstäubers 1A als rotierende, zylindrische Luft-Fluid-Partikelmasse aus. Das zerstäubte Bindemittel 8 wird durch den Luftstrom mitgerissen und durch diese Zirkulation der Luft kegelförmig aufgeweitet. Dies ist in der 2B durch die Pfeile schematisch dargestellt.
  • Der entstehende Kegelwinkel der austretenden Luft-Bindemittelpartikel-Masse ist dabei abhängig von der Geometrie der Umlenkbleche 9, des Austrittsquerschnitts des Ultraschallzerstäubers 1A und dem Druck der zugeführten Luft 7.
  • Wie schon erwähnt, wird die Luftzirkulation durch eingelegte Drallbleche 10, die mit Umlenkblechen 9 versehen sind, und die individuell nach Drallrichtung und Drallstärke eingestellt werden können, erreicht.
  • In der 3 ist beispielhaft ein solches Drallblech 10 mit darauf angeordneten Umlenkblechen 9 dargestellt.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich derart aus, dass mindestens zwei Ultraschallzerstäuber 1A, 1B im wesentlichen oberhalb des vorgegebenen Bereiches, auf den das zerstäubte Fluid aufgetragen wird, angeordnet sind.
  • Werden nun Ultraschallzerstäuber 1A, 1B mit durch Luftführungen erzeugten Sprühkegeln eingesetzt, kann durch das Nebeneinanderanordnen der Ultraschallerzeuger und damit auch der der Sprühkegel ein homogenes Sprühbild des zerstäubten Bindemittels 8 erreicht werden. Dies ist schematisch in der 4 dargestellt. Dabei ist die Tropfenverteilung, also das zer stäubte Bindemittel 8 auf einem zu beschichtenden Bereich, des einen Ultraschallzerstäubers 1A dünner gestrichelt und die des anderen Ultraschallzerstäubers 1B fetter gestrichelt dargestellt.
  • Die als durchgezogene Linie dargestellte Gesamtverteilung des zerstäubten Bindemittels 8 auf einem Bereich ist, wie der 4 zu entnehmen ist, im wesentlichen eine ebene Verteilung, wie sie meist auch erwünscht ist. Der Abstand der einzelnen Ultraschallzerstäuber 1A, 1B zueinander ist dabei abhängig von dem Abstand der Ultraschallzerstäuber 1A, 1B von dem mit dem zerstäubten Bindemittel 8 zu versehenen Bereich, wie hier beispielsweise einer zu beschichtenden Fläche.
  • Ein typischer Abstand der Ultraschallerzeuger 1A, 1B zu der zu beschichtenden Fläche beträgt 140 bis 160 mm. Dabei hat sich ein seitlicher Abstand der Ultraschallzerstäuber 1A, 1B voneinander von ca. 45 mm als vorteilhaft erwiesen.
  • In der 5 ist nun eine vorteilhafte Anordnung der Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D in einer Ansicht von oben dargestellt. Es sind dabei beispielhaft vier Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D angeordnet, jedoch könnten nach links und nach rechts weiter jeweils in dieser in der 5 gezeigten Art und Weise weitere Ultraschallerzeuger angeordnet werden.
  • Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung der Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D werden die Systeme seitlich versetzt gegenüberliegend an einem Träger 11 angeordnet. Derart können die geforderten Abstände der Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D gut eingehalten werden. Ferner kann durch das Verfahren des Trägers 11 auch ein gleichmäßiges Verfahren aller Ul traschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D erreicht werden, wenn dies erwünscht ist.
  • Die durch die oben näher beschriebene Luftführung erreichte Drallrichtung bzw. Luftrotationsrichtung 12A, 12B der Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D ist in handelsüblichen Ultraschallzerstäubern 1A, 1B, 1C, 1D meist einheitlich. Dies bedeutet, dass bei einer Nebeneinanderanordnung der Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D das Zerstäuben beeinträchtigt werden kann, da im Überlappungspunkt der durch die zugeführte Luft 7 erzeugten Kegel des zerstäubten Bindemittels 8 diese mit einer entgegengesetzter Geschwindigkeit aufeinanderprallen.
  • Um dies zu vermeiden, ist in der 6 eine vorteilhafte Ausgestaltung nebeneinander angeordneter Ultraschallzerstäuber 1A, 1B dargestellt, wobei die Luftrotationsrichtung durch die Pfeile 12A, 12B dargestellt ist. Es wird nun gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform dem Aufeinanderprallen des zerstäubten Fluids beziehungsweise Bindemittels 8 mit einer entgegengesetzten Geschwindigkeit derart entgegengewirkt, dass benachbarte Ultraschallzerstäuber 1A, 1B eine entgegengesetzte Luftrotationsrichtung 12A, 12B aufweisen. Bei einer solchen Ausgestaltung wird die Störung des Flusses des Fluides in dem sich überlappenden Bereich der „Fluidkegel" erheblich verringert.
  • Erfindungsgemäß werden mindestens zwei oder mehrere Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E eingesetzt. Um diese Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E alle mit dem zu zerstäubenden Fluid 8, dem Bindemittel, zu versorgen, ist in der 7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, bei der alle Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E gleichberechtigt mit dem Fluid versorgt werden.
  • Außerdem ist bei einer derartigen Zuführung die Anzahl der angeschlossenen Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, variabel. Auch ist ein Zu- oder Abschalten der Ultraschallzerstäubern 1A, 1B, 1C, 1D, 1E ohne sonstige Beeinträchtigungen zu ermöglichen. Weiterhin ist eine genaue Einhaltung der Durchflußmenge des Fluides möglich.
  • Es wird nun eine zentrale Zuführung gewählt, die für. alle Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E einen konstanten Druck des Mediums bereitstellt. Grundsätzlich sind die Gehäuse- und Leitungsquerschnitte derart gewählt, dass sich bei den vorhandenen Strömungsgeschwindigkeiten kein Druckabfall im System einstellt.
  • Da hierbei gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform hochviskose Fluide, nämlich vorzugsweise Bindemittel, verwendet werden, ist der Temperatureinfluß auf die Viskosität und somit bei einem Druckförderer auch auf die Durchflußmenge, erheblich. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, wird der nötige Druck, der zu einer gewünschten Durchflußrate führt, abhängig von Temperatur und dem eingesetzten Fluid über ein passendes Druckregelventil 13 variabel eingestellt. Der Druck wird also ständig bei Laufzeit der Vorrichtung den äußeren Gegebenheiten angepaßt.
  • Um letztendlich den Ultraschallzerstäubern 1A, 1B, 1C, 1D, 1E jeweils die gleiche Menge an Fluid zuzuführen, müssen diese vor ihrem Einsatz kalibriert werden. Alle Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E müssen dem Fluid den gleichen Durchflußwiderstand bieten. Dies wird gemäß der gezeigten bevor zugten Ausführungsform durch den Einsatz von Drosseln 17A, 17B, 17C, 17D, 17E erreicht, die den jeweiligen Ultraschallzerstäubern 1A, 1B, 1C, 1D, 1E vorgeschaltet sind.
  • Das Fluid wird in einen Druckbehälter 14 eingefüllt und mittels des Druckregelsystems 13 auf den nötigen Druck gebracht. Das Fluid fließt von dort aus weiter in einen Verteiler 15 und wird über Leitungen zu den Drosseln 17A, 17B, 17C, 17D, 17E geführt, die ihrerseits die Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E mit dem Fluid versorgen. Über zusätzlich zwischengeschaltete Ventile 16A, 16B, 16C, 16D, 16E können die jeweiligen Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E jeweils zu- oder abgeschaltet werden. Derart gesteuert muss nicht zwangsläufig immer die selbe, gesamte Fläche mit dem Bindemittel beschichtet werden, sondern nur so viel, wie notwendig. Dadurch ist eine Einsparung des Bindemittels möglich.
  • In der 8 ist nun beispielhaft ein Logikbild einer vorzugsweise verwendeten Ansteuerung für die Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E dargestellt. Aufgabe einer Ansteuerung ist es im Allgemeinen, die Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E mit ihrer Eigenfrequenz anzuregen, um eine maximale Schwingungsamplitude auf der Schwingplatte zu erreichen. Problematisch ist jedoch, dass sich üblicherweise die Eigenfrequenz während des Betriebes ändert und somit eine adaptive Regelung der Frequenz erfolgen muss.
  • Ein Ultraschallerzeuger 1A besitzt in seinem Resonanzbereich einen definierten Verlauf seiner elektrischen Impedanz I. Dieser Verlauf wird in einem digitalen Regler 20, wie beispielsweise einem Mikrokontroller, derart hinterlegt, dass zuerst eine Umrechnung der Impedanz I in die Spannung U mittels einer Vorrichtung 18 erfolgt. Danach wird dieses analoge Signal in einem Analog/Digital-Wandler 19 in ein digitales Signal umgewandelt und dem Regler 20 zugeführt.
  • Der Regler steuert einen regelbaren Oszillator 22, dessen Ausgangsspannung auf die notwendigen Verhältnisse mit Hilfe eines Verstärkers 23 verstärkt und über einen Transformator 24 transformiert wird. Dem Ultraschallzerstäuber 1A wird dieses Signal zugeführt und dadurch eine Oszillation desselbigen bewirkt.
  • Wird nun die Oszillatorfrequenz gering variiert und gleichzeitig die Impedanz des Ultraschallzerstäubers 1A gemessen, erkennt der Regler 20, ob die Eigenfrequenz des Ultraschallzerstäubers 1A erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, kann entschieden werden, ob die Frequenz des Oszillators erhöht oder verringert werden muss, um die momentane Eigenfrequenz des Ultraschallzerstäubers 1A zu erreichen.
  • Da der Regler 20 den Verlauf der elektrischen Impedanz und den möglichen Bereich der Eigenfrequenz des Ultraschallzerstäubers 1A kennt, kann zudem leicht festgestellt werden, ob eine Oszillation in Resonanz stattfindet oder nicht und somit die Funktion überprüft werden und Oszillationen in unerwünschten Moden verhindert werden.
  • Eine derartige Regelung erfolgt permanent, was in der 8 durch den geschlossenen Kreislauf dargestellt ist.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zerstäuben von Fluiden hat es sich besonders als vorteilhaft erwiesen, dass keine verstopfungsanfälligen Düsenquerschnitte notwendig sind, da Ultraschallzerstäuber 1A, 1B, 1C, 1D, 1E eingesetzt werden. Weiterhin haben die Ultraschallzerstäuber keine star ke Luftströmung, die einen Sand, auf den beispielsweise Bindemittel aufgetragen werden soll, verblasen können. Außerdem hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Tropfenausstoß sehr gleichmäßig ist und damit durch das An- und Ab- bzw. Zu- und Abschalten unproblematisch ist.
  • Weiterhin haben diese Ultraschallzerstäuber eine sehr hohe Lebensdauer, erzeugen geringe Tropfendurchmesser und weisen eine geringe Leistungsaufnahme auf. Insbesondere mit einer Ansteuerung, wie sie oben beschrieben wurde, ist ein Ultraschallzerstäuber besonders leicht anzusteuern.
  • 1A bis E
    Ultraschallzerstäuber
    2A, 2B
    Piezoaktuatoren
    3
    Stufenhorn
    4
    Spannmutter
    5
    Kontaktfolie
    6
    Befestigungsfolie
    7
    Luftzuführung
    8
    Zerstäubtes Fluid
    9
    Umlenkbleche
    10
    Drallbleche
    11
    Träger
    12A, 12B
    Luftrotationsrichtung
    13
    Druckregelsystem
    14
    Druckbehälter
    15
    Verteiler
    16A bis E
    Ventile
    17A bis E
    Drosseln
    18
    Impedanz-Spannungs-Wandler
    19
    Analog-Digital-Wandler
    20
    Digitaler Regler
    21
    Digital-Analog-Wandler
    22
    Spannung-Frequenz-Wandler
    23
    Verstärker
    24
    Transformator

Claims (14)

  1. Vorrichtung zum Auftragen von zerstäubten Fluiden mittels Ultraschallzerstäuber auf einen vorgegebenen Bereich, wobei mindestens zwei Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E), die mit dem Fluid beliefert werden, im wesentlichen oberhalb des vorgegebenen Bereiches, in Richtung zur Auftragung gesehen, angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest einer der Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) über dem vorgegebenen Bereich verfahrbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens zwei Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) nebeneinander, hintereinander und/oder versetzt zueinander angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens vier Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) vorgesehen sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) mit einer Luftführung versehen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zerstäubten Partikel (8) durch die Luftführung beim Austritt aus dem Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) kegelförmig aufgeweitet sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Luftführung durch durch ein Drallblech (10) hindurchgeleitete Luft gebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei mindestens zwei Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) Luftführungen aufweisen, die entgegengesetzte Luftrotationsrichtungen (12A, 12B) aufweisen.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid eine hochviskose Flüssigkeit, insbesondere ein Bindemittel für Formsand, ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Druck, mit dem die mindestens zwei Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) zentral mit dem Fluid beliefert werden, gleichbleibend ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Druck an äußere Einflussfaktoren angepasst ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor den Ultraschallzerstäubern (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) jeweils eine Drossel (17A, 17B, 17C, 17D, 17E) für eine Zuführung des Fluids vorgesehen ist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) einzeln zu- und abschaltbar sind.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ansteuerung der Ultraschallzerstäuber (1A, 1B, 1C, 1D, 1E) adaptiv ist.
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