DE20221980U1

DE20221980U1 - Anordnung zur thermischen Behandlung eines Werkstücks

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Publication number: DE20221980U1
Application number: DE20221980U
Authority: DE
Original assignee: Advanced Photonics Technologies AG
Current assignee: Advanced Photonics Technologies AG
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2012-09-27
Also published as: EP1543280A1; WO2004031671A1; AU2003273904A1; DE10245004A1; JP2006500547A

Abstract

Anordnung zur thermischen Behandlung eines Werkstücks, insbesondere zur Trocknung und/oder Vernetzung einer Beschichtung, mit einem konventionellen Ofen und einer Transporteinrichtung zum Hindurchfördern des Werkstücks mit einer vorbestimmten Fördergeschwindigkeit durch den Ofen,
gekennzeichnet durch
eine vor oder nach dem Ofen angeordnete zusätzliche Erwärmungsstrecke mit einer Bestrahlungseinrichtung zur Erzeugung einer Strahlungszone elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot mit hoher Leistungsdichte, insbesondere von mehr als 100 kW/m², und eine Einstellung der Transportvorrichtung zur Realisierung einer Fördergeschwindigkeit, die wesentlich über einer Soll-Fördergeschwindigkeit liegt, welche zum Eintrag einer vorgegebenen Soll-Gesamtenergie in das Werkstück beim Durchlaufen des konventionellen Ofens erforderlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur thermischen Behandlung eines Werkstücks, insbesondere zur Trocknung und/oder Vernetzung einer Beschichtung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Anordnungen sind in großer Vielgestaltigkeit seit langem bekannt und in verschiedenen Industriezweigen im Einsatz. Wärmebehandlungsverfahren gehören bekanntlich zu den historisch ältesten technischen Prozessen und haben über Jahrhunderte hinweg unzählige Verfeinerungen erfahren. Das hat indes nichts grundsätzliches an dem großem Bauvolumen und hohen Energieverbrauch herkömmlicher Industrieöfen bzw. Wärmebehandlungsstrecken ändern können.
Da klassische Wärmebehandlungsverfahren, die auf der Einwirkung von Wärmestrahlung im mittel- bis langwelligen Infrarotbereich und/oder Wärmeleitung und/oder Konvektion auf das Werkstück beruhen, mit relativ niedriger Leistungsdichte – Leistungseintrag pro Oberflächeneinheit des Werkstücks – arbeiten und zumeist auch auf einer weitgehend vollständigen Durchwärmung des (mehr oder weniger voluminösen) Werkstücks beruhen, ist zur Erreichung des gewünschten Effekts zumeist eine relativ lange Einwirkungsdauer erforderlich. Dies wiederum setzt entweder eine relativ geringe Fördergeschwindigkeit des Werkstücks oder der Werkstücke durch die Erwärmungsstrecke oder eine große Länge derselben voraus.
Dies gilt in analoger Weise für alternative Erwärmungsverfahren, beispielsweise die induktive Erwärmung, die zur Trocknung bzw. Vernetzung der Beschichtung eines endlosen Metallbandes (beim sogenannten „Coilcoating”) üblich ist.
In jüngerer Zeit sind auch alternative Erwärmungsverfahren für verschiedenartige Werkstücke, insbesondere zur Trocknung bzw. Vernetzung von Beschichtungen, aber auch für Vulkanisier- oder Klebeverfahren oder auch zur Vorbereitung von Umformprozessen – bekannt geworden, die auf dem Einsatz von Strahlung im Bereich des nahen Infrarot (NIR) mit hoher Leistungsdichte basieren. Verfahren dieser Art und hierzu geeigneter Anordnungen sind unter anderem beschrieben in den auf die Anmelderin zurückgehenden Druckschriften WO 99/10160 A1 , EP 1 068 062 B1 , EP 1 062 053 B1 , DE 100 24 706 A1 oder WO 02/32652 A1 .
Da bei diesen Verfahren mit sehr hohen Leistungsdichten gearbeitet wird und die einwirkende Bestrahlung in besonders effizienter Weise für den jeweiligen Verfahrenszweck nutzbar gemacht werden kann, lassen sich hiermit die Behandlungsdauern und/oder Längen der Erwärmungsstrecken und auch der zur Prozessdurchführung betriebene Energieaufwand wesentlich senken.
Eine Vielzahl von Industrieanlagen, bei denen thermische Behandlungsschritte realisiert werden, sind jedoch mit herkömmlichen Erwärmungsstrecken bzw. Öfen ausgerüstet, und eine Umrüstung kommt vielfach aus technologischen oder betriebswirtschaftlichen Erwägungen nicht in Betracht. Aus den oben genannten Gründen ist bei diesen Anlagen dann aber auch die Taktzeit und damit die Fördergeschwindigkeit des Werkstücks oder der Werkstücke nur in engen Grenzen veränderbar. Wesentliche Produktivitätssteigerungen sind daher aufgrund der Charakteristiken der Erwärmungsstrecke nicht zu erreichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, mit der in an sich bekannten und in der Praxis realisierten Bearbeitungsverfahren und -anlagen, die eine thermische Behandlung eines Werkstücks einschließen, mit vertretbarem Aufwand wesentliche Produktivitätssteigerungen erreichbar sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken einer synergistischen Kombination einer „klassischen” Erwärmungsstrecke mit einer NIR-Strecke ein, wobei diese Kombination in der Praxis durch die Kompaktheit einer NIR-Bestrahlungseinrichtung und die daraus resultierende relativ problemlose Eingliederbarkeit in eine ansonsten praktisch unveränderte Industrieanlage möglich wird. Weiter schließt die Erfindung den Gedanken ein, die zusätzliche NIR-Bestrahlung im Sinne eines „Booster” derart zu nutzen, dass hierdurch die thermische Behandlung des Werkstücks impulsartig abgeschlossen wird.
Das wiederum ermöglicht es, den herkömmlichen Teil der Erwärmungsstrecke zur Vorwärmung des Werkstücks zu betreiben, also insbesondere mit geringerer Taktzeit bzw. höherer Fördergeschwindigkeit des Werkstücks. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit wesentlicher Verringerungen der Taktzeiten der Gesamtanlage und entsprechender Produktivitätssteigerungen. Alternativ hierzu oder in Kombination hiermit ist auch eine Modifizierung der herkömmlichen Erwärmungsstrecke in dem Sinne möglich, dass diese einen kleineren Wärmeeintrag in das Werkstück erbringt als er ohne die zusätzliche NIR-Bestrahlungseinrichtung zu erbringen wäre. Dies ermöglich entweder eine Reduzierung der thermischen Leistung des konventionellen Ofens oder eine Verkürzung der konventionellen Erwärmungsstrecke oder beides und gegebenenfalls erhebliche Energieeinsparungen.
In einer bevorzugten Verfahrensführung liegt die Leistungsdichte der Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot im Bereich zwischen 200 und 1500 kW/m², spezieller zwischen 300 und 800 kW/m². Mit derartigen Leistungsdichten lassen sich die systembedingten Vorteile der NIR-Strahlung als „Wärmequelle” besonders effizient nutzen.
In bevorzugten praktischen Ausführungen wird die zusätzliche Erwärmungsstrecke derart bemessen, dass die Differenzenergie im Bereich zwischen ¼ und ¾ der Soll-Gesamtenergie und somit die Fördergeschwindigkeit im wesentlichen beim 1,3- bzw. 3-fachen der Soll-Fördergeschwindigkeit liegt. Es versteht sich, dass mit der zusätzlichen NIR-Erwärmungsstrecke auch kleinere oder sogar noch größere Anteile der insgesamt benötigten Wärmeenergie eingetragen werden können, im angegebenen Wertebereich dürften aber die in der Praxis sinnvollsten Lösungen liegen. Hiermit verbunden ist natürlich eine entsprechende Ausführung der Transporteinrichtung für das Werkstück – diese muss dann nämlich zur Realisierung einer Transportgeschwindigkeit von 1,3 bis 3-Fachen der normalen Transportgeschwindigkeit geeignet sein.
Eine vorteilhafte Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens ist in zahlreichen Anwendungen möglich, wo als Werkstück eine Beschichtung, insbesondere Pulver- oder Flüssiglackbeschichtung, von Metall-, Kunststoff- oder Holzwerkstoffträgern, eingesetzt wird, wobei der konventionelle Ofen insbesondere ein mit mittel- bis langwelliger Infrarotstrahlung und/oder Wärmeleitung und/oder Konvektion arbeitender Ofen ist. Es versteht sich, dass bei diesen Anwendungen die Transporteinrichtung, der konventionelle Ofen und die zusätzliche Erwärmungsstrecke zum Durchlauf von einzelnen Metall-, Kunststoff- oder Holzwerkstoffgegenständen ausgebildet sind.
Eine weitere bevorzugte Anwendung sieht vor, dass als Werkstück ein quasi-endloses beschichtetes Metallband eingesetzt wird, wobei der konventionelle Ofen insbesondere durch eine Induktionsheizstrecke gebildet ist. Hier sind die Transporteinrichtung, der konventionelle Ofen und die zusätzliche Erwärmungsstrecke zum Hindurchfördern eines quasi-endlosen Metallbandes ausgebildet.
In einer inzwischen praktisch bewährten Ausführung der zusätzlichen Erwärmungsstrecke umfasst deren Bestrahlungseinrichtung mindestens eine langgestreckt röhrenförmige Strahlungsquelle, insbesondere Halogen-Glühfadenlampe, die mit einer Strahlertemperatur von 2900 K oder höher betrieben wird und der auf der vom Werkstück abgewandten Seite ein Reflektor zugeordnet ist. In praktisch sinnvollen Ausführungen hat die Bestrahlungseinrichtung eine Mehrzahl von langgestreckten Strahlern in Zuordnung zu einem aktiv gekühlten, insbesondere flüssigkeits- oder gebläsegekühlten, Reflektorkörper.
Die Bemessung der NIR-Erwärmungsstrecke und damit insbesondere des Reflektorkörpers mit den darin aufgenommenen NIR-Emittern – erfolgt neben dem zu realisierenden Wärmeeintrag – in Abhängigkeit vom in der gegebenen Produktionsanlage verfügbaren Bauraum. Hierbei lassen sich räumliche Limitierungen, die zum Einsatz eines relativ kleinen Reflektorkörpers führen, durch den Einsatz von Hochleistungs-Emittern und einer entsprechend leistungsfähigen Kühlung des Reflektors teilweise kompensieren. Auf der anderen Seite ermöglicht ein ausreichender Unterbringungsraum eine Reduzierung der NIR-Strahlungsleistung und eine geringere Dimensionierung des Kühlsystems bzw. den Ersatz einer Flüssigkeitskühlung durch die flexibel einsetzbare Luft- bzw. Gebläsekühlung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung umfasst die zusätzliche Erwärmungsstrecke eine Luftstrom-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines auf das Werkstück gerichteten Luftstromes zu dessen Kühlung und/oder zur Abführung von flüchtigen Bestandteilen während der thermischen Behandlung aus oder stromabwärts der Strahlungszone. Hierdurch lässt sich die Wirkung der zusätzlichen NIR-Erwärmung im Sinne des Prozesszieles unterstützen bzw. ein durch diese Erwärmungsstrecke bewirktes „Erhitzungspeak” auf dem Werkstück vor dessen Übergabe an eine andere Bearbeitungsstation erforderlichenfalls wieder abbauen.
Des weiteren hat die zusätzliche Erwärmungsstrecke bevorzugt Mess- und Auswertungsmittel zur Erfassung mindestens eines physikalischen Parameters des Werkstücks, insbesondere von dessen Oberflächentemperatur, und mit den Mess- und Auswertungsmitteln verbundene Steuermittel zur Steuermittel zur Steuerung des Differenzenergieeintrages in das Werkstück in Abhängigkeit vom Auswertungsergebnis. Hiermit lässt sich in vorteilhafter Weise eine Abstimmung der energetischen Parameter der Teilbereiche der Gesamt-Erwärmungsstrecke erreichen. Es ist hierbei auch denkbar, dass die Mess- und Auswertungsmittel der NIR-Erwärmungsstrecke zugleich mit einer Steuerung der konventionellen Erwärmungsstrecke verbunden sind und dieser Eingangssignale bereitstellen, die zu einem effizienten – insbesondere Energiesparenden – Betrieb dieses Teils der Erwärmungsstrecke genutzt werden können.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Coilcoating-Beschichtungsanlage in Art eines Längsschnittes und
2 eine schematische Darstellung einer Lackieranlage für Möbel oder Gehäuseteile in Art einer Längsschnittdarstellung
1 zeigt als erste Ausführungsform der Erfindung eine Coilcoating-Anlage 1 zur Beschichtung eines quasi-endlosen Stahlbleches 3, welches auf einen Coil 5 aufgewickelt wird, und zum Trocknen der aufgebrachten Beschichtung. Der Coil 5 wird durch einen elektrischen Antrieb 7 in Drehung versetzt, wodurch das Blech 3 unter einem Sprühbeschichter 9 hindurch und über einen Induktionsheizer 10 hinweg bewegt wird.
Durch den Sprühbeschichter 9 wird auf das Blech 3 als Ausgangsstoff für eine Korrosionsschütz- oder Grundierungsschicht 13 eine wässrige Lösung 13' aufgebracht. Diese wird zunächst durch Wärmeleitung aus dem über dem Induktionsheizer 10 erwärmten Blech 3 erhitzt und partiell vernetzt bzw. „vorgebacken”. Anschließend durchläuft das Stahlblech 3 mit der vorgewärmten und vorgebackenen Korrosionsschutzschicht 13'' eine NIR-Erwärmungsstrecke 11, in der die Beschichtung unter dem Einfluss von NIR-Strahlung mit hoher Leistungsdichte, insbesondere oberhalb von ca. 200 kW/m², fertig vernetzt wird.
Die NIR-Erwärmungsstrecke 11 umfasst einen massiven Al-Reflektor 15 mit einer Mehrzahl von im Querschnitt annähernd W-förmigen Reflektorabschnitten 15a, der intern wassergekühlt und hierzu über Kühlwasserleitungen 17 mit einem externen (nicht dargestellten) Kühler verbunden ist. Im Zentrum jedes W-förmigen Reflektorabschnitts 15a sitzt eine langgestreckt röhrenförmige Halogen-Glühfadenlampe 19. Die Halogen-Glühfadenlampen 19 werden durch eine Bestrahlungssteuereinheit 21 mit Strom versorgt und derart gesteuert, daß sie mit einer Strahlertemperatur oberhalb von 2900 K NIR-Strahlung mit einem Intensitätsmaximum im Bereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm abgeben.
Im Al-Reflektor 15 ist ein Pyrometerelement 23 zur Erfassung der Oberflächentemperatur der Beschichtung 13 in einer T-Erfassungszone B angeordnet, der mit einem Signaleingang der Bestrahlungssteuereinheit 21 verbunden ist. Die Bestrahlung wird derart gesteuert, dass in der Beschichtung eine im wesentlichen konstante Temperatur eingehalten wird, die in Abhängigkeit von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Ausgangsstoffs 13' der Korrosionsschutz- oder Grundierungsschicht 13 gewählt wird und typischerweise bei ca. 200°C liegt.
Durch geeignete Steuerung des Antriebes 7 wird die Durchlaufgeschwindigkeit des Stahlbleches 13 durch die Bestrahlungszone A derart eingestellt, daß eine Verweildauer der wäßrigen Lösung 13 in der Bestrahlungszone A von wenigen Sekunden erhalten wird, welche zum vollständigen Abdampfen der Lösungsmittelkomponente und zur thermischen Vernetzung der Schicht 13 ausreichend ist. Hierbei ermöglicht der Einsatz der NIR-Erwärmungsstrecke 11 gegenüber einer Anlage mit ausschließlicher Induktionsheizung eine wesentliche Erhöhung der Durchlaufgeschwindigkeit des Stahlbandes ohne Verlängerung der Induktionsheizstrecke und – vor allem – ohne eine zur Erhöhung der Fördergeschwindigkeit proportionale Erhöhung der bereitzustellenden Wärmeleistung.
2 zeigt, ebenfalls in schematischer Darstellung, eine weitere bevorzugte Anwendung der vorgeschlagenen Lösung, nämlich eine Lackieranlage 1' für einzelne lackierte Gegenstände 3'. Wesentliche Teile dieser Anlage stimmen mit Teilen der Coilcoating-Anlage nach 1 überein, und insoweit werden auch die gleichen Bezugsziffern verwendet, und auf eine detaillierte Erläuterung wird nachfolgend verzichtet.
Die auf einem Transportband 5 mit einem Antrieb 7 transportierten Gegenstände 3' laufen zunächst wieder unter einem Sprühbeschichter 9 hindurch, wo hier eine Flüssiglackschicht 14' auf Wasserbasis aufgebracht wird. Sie durchlaufen anschließend einen (hier verkürzt skizzierten) Tunnelofen 10' konventioneller Bauart, in dem die Flüssiglackschicht vorgeheizt und in eine partiell vernetzte Lackschicht 14'' umgewandelt wird. Anschließend gelangen die Gegenstände 3' auf dem Transportband 5' in eine NIR-Erwärmungsstrecke 11, die ebenso aufgebaut ist und funktioniert wie bei der ersten Ausführungsform nach 1. Dort wird die partiell vernetzte Lackschicht in eine durchgehärtete Lackierung 14 umgewandelt und die lackierten Gegenstände werden aus der Lackieranlage herausgeführt.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf diese Beispiele und die oben hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. So kann eine Beschichtung der oben erwähnten Art anstelle eines Sprühbeschichters auch mit einem Walzen- oder Bürstenbeschichter aufgebracht werden. Weiterhin kann die Art der eingesetzten NIR-Strahlungsquelle sowie des Reflektors von der im Beispiel angegebenen Ausführung abweichen, und eine geregelte Prozeßführung ist nicht in jedem Fall erforderlich.

1: Coilcoating-Anlage
1': Lackieranlage
3: Stahlblech
3': Lackiergegenstand
5: Coil
5': Transportband
7: Antrieb
9: Sprühbeschichter
10: Induktionsheizer
10': Tunnelofen
11: NIR-Erwärmungsstrecke
13: Korrosionsschutz- oder Grundierungsschicht
13': Ausgangsstoff (wässrige Lösung)
13'': vorgebackene Korrosionsschutzschicht
14: Lackierung
14': Flüssiglackschicht
14'': partiell vernetzte Lackschicht
15: Al-Reflektor
17: Kühlwasserleitung
19: Halogen-Glühfadenlampe
21: Bestrahlungssteuereinheit
23: Pyrometerelement
A: Bestrahlungszone
B: T-Erfassungszone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 99/10160 A1 [0005]
- EP 1068062 B1 [0005]
- EP 1062053 B1 [0005]
- DE 10024706 A1 [0005]
- WO 02/32652 A1 [0005]

Claims

Anordnung zur thermischen Behandlung eines Werkstücks, insbesondere zur Trocknung und/oder Vernetzung einer Beschichtung, mit einem konventionellen Ofen und einer Transporteinrichtung zum Hindurchfördern des Werkstücks mit einer vorbestimmten Fördergeschwindigkeit durch den Ofen, gekennzeichnet durch eine vor oder nach dem Ofen angeordnete zusätzliche Erwärmungsstrecke mit einer Bestrahlungseinrichtung zur Erzeugung einer Strahlungszone elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot mit hoher Leistungsdichte, insbesondere von mehr als 100 kW/m², und eine Einstellung der Transportvorrichtung zur Realisierung einer Fördergeschwindigkeit, die wesentlich über einer Soll-Fördergeschwindigkeit liegt, welche zum Eintrag einer vorgegebenen Soll-Gesamtenergie in das Werkstück beim Durchlaufen des konventionellen Ofens erforderlich ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung zur Erzeugung von Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot und im Leistungsbereich zwischen 200 und 1500 kW/m² speziell zwischen 300 und 800 kW/m² ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung zur Realisierung einer Fördergeschwindigkeit vom 1,3 bis 3-Fachen der Soll-Fördergeschwindigkeit ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung, der konventionelle Ofen und die zusätzliche Erwärmungsstrecke zum Durchlauf von einzelnen Metall-, Kunststoff- oder Holzwerkstoffgegenständen ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung, der konventionelle Ofen und die zusätzliche Erwärmungsstrecke zum Hindurchfördern eines quasi-endlosen Metallbandes ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung mindestens eine langgestreckt röhrenförmige Strahlungsquelle, insbesondere Halogen-Glühfadenlampe, umfasst, die mit einer Strahlertemperatur von 2900 K oder höher betrieben wird und der auf der vom Werkstück abgewandten Seite ein Reflektor zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung eine Mehrzahl von langgestreckten Strahlern in Zuordnung zu einem aktiv gekühlten, insbesondere flüssigkeits- oder gebläsegekühlten, Reflektorkörper umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Erwärmungsstrecke eine Luftstrom-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines auf das Werkstück gerichteten Luftstromes zu dessen Kühlung und/oder zur Abführung von flüchtigen Bestandteilen während der thermischen Behandlung aus oder stromabwärts der Strahlungszone aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Erwärmungsstrecke Mess- und Auswertungsmittel zur Erfassung mindestens eines physikalischen Parameters des Werkstücks, insbesondere von dessen Oberflächentemperatur, und mit den Mess- und Auswertungsmitteln verbundene Steuermittel zur Steuermittel zur Steuerung des Differenzenergieeintrages in das Werkstück in Abhängigkeit vom Auswertungsergebnis aufweist.