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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Auftragen
von zerstäubten
Fluiden. Weiterhin betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer
solchen Vorrichtung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten zur Zerstäubung von
Flüssigkeiten bekannt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Darüber hinaus
können,
je nach Größe des mit
dem zerstäubten
Fluid zu versehenen Bereiches auch mindestens vier oder noch weitaus
mehr Ultraschallzerstäuber
vorgesehen sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
der Zeichnung zeigt dabei:
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1 einen
Ultraschallzerstäuber
in einer schematischen, teilweise geschnittenen Darstellung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform;
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2 eine schematische Darstellung der Wirkung
einer Luftführung
in einem Ultraschallzerstäuber
gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 ein
Drallblech zur Erzeugung einer Luftführung;
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4 eine
beispielhafte Anordnung zweier Ultraschallzerstäuber, sowie deren jeweilige
und deren Gesamttropfenverteilung;
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5 eine
Anordnung der Ultraschallzerstäuber
in einer Ansicht von oben, gemäß einer
noch weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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6 die
Drallrichtung zweier nebeneinander angeordneter Ultraschallzerstäuber in
einer Ansicht von oben;
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7 eine
schematische Darstellung einer Zuführung des Fluids zu den Ultraschallzerstäubern gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform;
und
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8 ein
Schaltbild einer Ansteuerung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
der 3 ist beispielhaft ein solches Drallblech 10 mit
darauf angeordneten Umlenkblechen 9 dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
derartige Regelung erfolgt permanent, was in der 8 durch
den geschlossenen Kreislauf dargestellt ist.
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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.
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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.
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- 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