DE2929570C2

DE2929570C2 - Verfahren und Sonde zum Elektrobeschichten eines Behälters

Info

Publication number: DE2929570C2
Application number: DE2929570A
Authority: DE
Inventors: John James New Kensington Pa. Davidson; David Allen Murrysville Pa. Smith
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1978-09-18
Filing date: 1979-07-19
Publication date: 1987-08-20
Also published as: AU4894479A; US4210507A; JPS5727950B2; JPS5541991A; GB2029859A; GB2029859B; FR2436197B1; FR2436197A1; AU525699B2; DE2929570A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Elektrobeschichten eines Behälters, wobei eine elektrisch leitende hohle Sonde in einen umgekehrten Behälter nahe der Endwand des Behälters eingesetzt wird und Beschichtungsmaterial durch eine Öffnung in dem Ende der Sonde strömt, um den Behälter mit einem Strömungsbad des Elektrobeschichtungsmateriales zu fluten und eine primäre Strömung des Beschichtungsmateriales auswärts zu den Seiten des Behälters hin zu schaffen, sowie eine Sonde für die Verwendung in einem solchen Verfahren.

Gewöhnlich werden die Innen- und Außenflächen von Metallbehältern wie Dosen und dergl. mit einem Schutz wie beispielsweise einer Harzschicht versehen. Die Innenschicht ist zum Schutz des Behälters gegen seinen Inhalt und auch zum Schutz des Inhalts gegen eine Reaktion mit dem Behältermetall erforderlich.

Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum gleichmäßigen Elektrobeschichten eines Behälters sind in der US-PS 39 22 213 beschrieben.

Dort wird der Behälter beschichtet, während er sich in einer nach unten offenen Lage befindet und zwar mit Hilfe einer eingeführten elektrisch leitenden Sonde, durch welche das Beschichtungsmaterial in das Behälterinnere geführt wird, wobei im Behälter ein strömendes Bad des Beschichtungsmaterials aufrechterhalten wird.

ίο Dabei wird ein elektrisches Potential zwischen dem Behälter und der Sonde angelegt, so daß die Metallflächen beschichtet werden. Da indessen das Profil eines Behälterbodens sehr kompliziert sein und Biegungen mit verschiedenen Krümmungsradien enthalten kann, zieht sich zuweilen in Bereichen kleiner Krümmungsradien eine Schicht über einen Hohlraum. Dieses Überziehen von Hohlräumen findet statt, wenn die »Ecken« von dem Beschichtungsmaterial nicht benetzt werden. Mit diesem bekannten Vorschlag können lediglich die Innenwände beschichtet werden, wobei sich die Gefahr einer unregelmäßigen Beschichtungsdicke und einer streifenförmigen Beschichtung ergibt.

In der DE-OS 19 64 691 ist eine Sprühvorrichtung beschrieben, mit welcher eine gleichmäßige Beschichtung auf das Innere eines Rohres aufgetragen werden kann. Ein rohrförmiges Glied mit einer Öffnung weist einen äußeren abgeschrägten Abschnitt und eine Vielzahl von Öffnungen auf, um die Strömung des Mittels im wesentlichen radial auswärts aus dem rohrförmigen Glied zu richten. Dabei ist die Sonde nicht bis in die Nähe der Endwand eines Behälters eingesetzt. Insbesondere ist die Vielzahl der Öffnungen längs des rohrförmigen Abschnitts der Sonde nicht zu dem geschlossenen Ende einer Behälterwand oder zum Ende der Sonde hin gerichtet, durch welche der Primärstrom des Beschichtungsmaterials erfolgt.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrophoretischen Lackieren eines Werkstückes wie beispielsweise eines Behälters ist aus der US-PS 4107 016 bekannt. Mit einer Sonde wird dort eine lineare Strömung des Beschichtungsmaterials über eine entsprechende Länge des zu beschichtenden Gegenstandes gerichtet. Weiterhin ist eine Einrichtung vorgesehen, um zwischen dem zu beschichtenden Gegenstand und dem linearen Strom eine Relativbewegung zu erzeugen, um ein gleichmäßiges Aufbringen der Schicht an der gesamten Oberfläche zu erlauben. Zur Beschichtung der gesamten Oberfläche des Gegenstandes ist es also erforderlich, entweder den Gegenstand gegen die Sonde oder umgekehrt zu drehen.

Nach diesem bekannten Vorschlag ist ts also erforderlich, daß das Beschichtungsmaterial in einem besonderen Muster auf einem gegebenen Bereich der zu beschichtenden Oberfläche aufgetragen werden muß. Dieses Muster folgt einer Linearabmessung, so daß das Beschichten der gesamten Oberfläche mit einer axialen Drehung entweder der Sonde oder des Gegenstandes einhergeht.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Sonde anzugeben, mit denen ein Behälter auf einfache Weise und gleichmäßig beschichtet werden kann, wobei das Beschichtungsmaterial auch im Bereich kleiner Krümmungsradien und in Vertiefungen und Ecken eines Behälters gelangt, ohne daß dabei Unstetigkeiten der Strömung entstehen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der

eingangs umrissenen Art so gelöst, daß durch Öffnungen in dem Sondenkörper in der Richtung der Behälterwand eine sekundäre Strömung des Beschichtungsmateriales geschaffen wird, welche der primären Strömung des Beschichtungsmateriales entgegenwirkt und die Strömungsturbulenz erhöht, während das Beschichtungsmaterial im fortlaufenden Kontakt mit dem Behälterinnern gehalten wird, und daß ein elektrisches Potential zwischen dem Behälter und der Sonde angelegt wird, um das Behälterinnere elektrisch zu beschichten.

Eine elektrisch leitende hohle Sonde, welche in einen Behälter einsetzbar und für die Verwendung in einem Verfahren zum Eiektrobeschichten des Behälters geeignet ist, wobei ein elektrisches Potential zwischen dem Behälter und der Sonde angelegt ist und die Sonde eine Ausbildung aufweist, die im allgemeinen mit dem Behälterinnern übereinstimmt und eine im wesentlichen konkave Endfläche und eine öffnung aufweist, ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß sie eine Vielzahl von öffnungen um den Umfang der Sonde einschließt, welche zu der Endfläche der Sonde hin gerichtet sind.

Zweckmäßig sind die öffnungen in gleichem Abstand auf dem Umfang der Sonde angeordnet.

Es ist vorzugsweise eine Einstelleinrichtung vorgesehen, mittels welcher die Stärke der Sekundärströmung einstellbar und das Ausmaß der Verlangsamung der Strömung bestimmbar ist.

Die Sonde ist zweckmäßig vertikal ausgerichtet, um das Beschichtungsmaterial aufwärts in einen Behälter strömen zu lassen, der unten offen ist.

Überraschenderweise wird mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag die aufgetragene Beschichtungsmenge erhöht. Weiterhin ist mit der Erfindung eine Verringerung des Arbeitsstroms und der Arbeitsspannung möglich, um eine Beschichtung gewünschter Dicke aufzubringen, und diese geringere Arbeitsspannung ergibt auch eine Beschleunigung des Elektrobeschichtungsvorgangs. Zusätzlich können mit einer reduzierten Schichtdicke die gewünschten Lackwerte erreicht werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt einer hohlen Sonde,

F i g. 2 schematisch die Strömung des Beschichtungsmaterials in einem Behälter aus einer bekannten Sonde,

F i g. 3 schematisch die Strömung des Beschcihtungsmaterials aus der Sonde nach Fig. i,

Fig.4 einen graphischen Vergleich der mittels einer bekannten Sonde und einer Sonde nach F i g. 1 aufgebrachten Beschichtungsgewichte und

F i g. 5 einen graphischen Vergleich der Lackwerte von mittels der bekannten Sonde und der Sonde nach F i g. 1 aufgetragenen Beschichtungen.

Nach F i g. 1 erstreckt sich eine Sonde 20 aufwärts in einen Behälter 22. Die Sonde 20 ist hohl und umfaßt eine Längsbohrung 24. Diese Längsbohrung 24 ist an ihrem unteren Ende an eine Quelle (nicht gezeigt) eines Elektrobeschichtungsmaterials angeschlossen.

Die Längsbohrung 24 ist in ihrem oberen Bereich breiter ausgestaltet und weist eine scharfe Kante 28 auf. In ihrem Oberteil auf der Endfläche der Sonde 20 ist eine konische bzw. konkave öffnung 30 vorgesehen, um die Strömung des Beschichtungsmaterials in das Innere des Behälters 22 zu richten und zu steuern. Eine solche öffnung unmittelbar am Behälterboden 23 erlaubt ein besseres Beschichten der Innenfläche, wenn ein elektrisches Potential zwischen Sonde und Behälter gelegt wird. Die Kante 28 verbessert dabei das Strömungsmuster des Beschichtungsmaterials in das Behälterinnere hinein und verstärkt die »Wurfkraft«, so daß auch Vertiefungen in der Behälterinnenfläche gut beschichtet werden.

Die Sonde 20 muß elektrisch leitend ausgeführt sein. Dabei entspricht sie in der Gestalt dem Inneren des Behälters und besteht aus einem gegenüber Korrosion beständigen Werkstoff. Ein Übereinstimmen zwischen dem Behälterinnern und der Sondenform erlaubt eine bessere Strömung des Beschichtungsmaterials zu allen Behälterinnenflächen und einen schneJleren Beschichtungsvorgang.

Die Sonde 20 kann an ihrem Unterteil einen (nicht gezeigten) Drosseikörper enthalten, wie er in der US-PS 40 94 760 offenbart ist. Ist die Sonde 20 vollständig in den Behälter 22 eingeführt, befindet sich der Drosselkörper im oder unter dem Bereich der Sonde 20 an der Kante des offenen Endes des umgekehrten Behälters 22. Der Sinn dieses Drosselkörpers ist, den Bereich zwischen der Sonde 20 und der Innenfläche des Behälters 22 am Rand aufrechtzuerhalten oder zu verringern, um die Strömung des Beschichtungsmaterials aus dem Raum 34 in das Innere des Behälters 22 zu drosseln.

Nach F i g. 1 sind weiterhin Öffnungen 26 vorgeseher;, durch welche das Beschichtungsmaterial in den Bereich der Bodenwandung 23 des Behälters 22 geführt werden kann, um entgegengesetzte Strömungen aufzubauen, welche die liefen Ausnehmungen im Behälterboden vollständig auszufülen gestatten. Diese Öffnungen 26 sind mit der Längsbohrung 24 verbunden. Jede öffnung 26 kann jeweils eine gradlinige Bohrung zur Längsbohrung 24 unter einem Winkel A von weniger als 90° zur Längsachse der Sonde 20 sein, so daß das Beschichtungsmaterial allgemein aufwärts (vergl. Fig. 1) zum Boden 23 des Behälters 22 gerichtet wird. Diese Öffnungen 26 sind symmetrisch um die Sonde 20 herum angeordnet u:id mit der Längsbohrung 24 in etwa der gleichen waagerechten Ebene verbunden. Nach Fig. 1 sind acht Öffnungen 26 gleichbeabstandet um den Umfang der Sonde 20 herum und in einem Winkel A von etwa 60° zur Längsachse der Sonde angeordnet.

Der Durchmesser der öffnungen 26 läßt sich auf der Grundlage des Durchmessers der Längsbohrung 24, des Gesamtdrucks und der Strömungsstärke des Beschichtungsmaterials und der Art des zu beschichtenden Behälters festlegen. Typischerweise hat die Längsbohrung einen Durchmesser von etwa 19 mm, während die Öffnung 26 einen Durchmesser von 1,6 bis 6,35 mm aufweist. Auf der Grundlage des Querschnitts der Düsenbohrung und der Anzahl und des Durchmessers der Öffnungen 26 läßt sich ein prozentualer Anteil der Strömungsfläche des Querschnitts der Längsbohrung errechnen. Beispielsweise ergeben acht öffnungen 26 von jeweils 3,18 mm Durchmesser einen Anteil von etwa 22% der Querschnittsfläche der Längsbohrung 24 bei einem Durchmesser von 19 mm; acht Öffnungen 26 von jeweils 4,76 mm Durchmesser einen Anteil von etwa 50% der Strömungsdurchtrittsfläche der Längsbohrung und entsprechend acht öffnungen von je 6,35 mm einen Anteil von etwa 88% des Strömungsquerschnitts der Längsbohrung 24. Acht öffnungen 26 mil einem Durchmesser von 3,18 mm lenken also theoretisch 22% der Strömung aus der Längsbohrung 24 ab und führen zu einer Gegenströmung im Bereich des Behälterbodens.

In Fig. 1 ist ein Kopf 38 als abnehmbarer Teil einer

Sonde 20 gezeigt, durch den sich die Längsbohrung 24 erstreckt, welche die konkave Öffnung 30 mündet und mit den Öffnungen 26 verbunden ist. Der Kopf 38 ist am oberen Teil der Sonde 20 abnehmbar mit einer Madenschraube 40 festgelegt und kann aus dem gleichen oder einem ähnlichen elektrisch leitfähigen Werkstoff wie die Sonde 20 hergestellt sein. Die Austauschbarkeit des Kopfes 38 erlaubt ein Einstellen der durch die Öffnungen 26 in das Behälterinnere strömenden Menge des Beschichtungsmaterials auf der Grundlage der Größe und Form des Behälters sowie der Strömungsstärke und des Drucks des Beschichtungsmaterials. Alternativ kann der Kopf 38 eine Vielzahl von unterschiedlich bemessenen Öffnungen 26 aufweisen, so daß bei Drehen des Kopfes 38 in der Sonde 20 eine Ausrichtung der Öffnungen 26 erhalten wird, welche die gewünschte Verlangsamung der Strömung ergibt.

In Fig.2 ist eine bekannte Sonde in einem Behälter 22 mit komplexem Bodenprofil gezeigt. Trotz der Verwendung einer diesem in der Gestalt angepaßten Sonde können die Vertiefungen 42 im Boden 23 vom Beschichtungsmaterial nicht benetzt werden. Diese nicht benetzten Stellen können auch dann auftreten, wenn die Strömungsstärke und der Druck des einströmenden Beschichtungsmaterials einstellbar sind. Normalerweise bewirkt ein zu hoher Druck eine Geschwindigkeitszunahme des Beschichtungsmaterials und die Bildung von Bläschen, Turbulenzen und dergl., die indessen unerwünscht sind. In der Bilanz aller dieser Variablen ist es dennoch möglich und häufig bei Behältern mit komplexem Bodenprofil, daß nach beendetem Beschichtungsvorgang Teile der Innenfläche nicht mit dem Beschichtungsmaterial abgedeckt worden sind. Vermutlich werden derartige Flächenteile 42 mit kleinem Krümmungsradius von einer laminaren Strömung verursacht, die diesen Bereich nicht füllt, obgleich der Behälter mit von dem durchströmenden Beschichtungsmaterial ausgefüllt wird.

In F i g. 3 ist schematisch die Strömung des Beschichtungsmaterials aus der Sonde 20 nach der vorliegenden Erfindung in den Behälter 22 gezeigt. Die Hauptströmung des Beschichtungsmaterials erfolgt durch die Längsbohrung 24 und aus der konkaven Öffnung 30 zum Raum 34 des Behälterinnern im Bereich des Bodens 23. Weiterhin wird Beschichtungsmaterial durch die Öffnungen 26 hindurch in einer sekundären Strömung in die Nähe der »Ecken« des Bodens 23 mit kleinen Krümmungsradien wie bei 42 geführt Vermutlich wirkt diese sekundäre Strömung aus den Öffnungen 26 der primären Strömung des Beschichtungsmaterials entgegen, da sie um die scharfe Kante 28 im Raum 34 zwischen der Kante 28 und der Vertiefung 43 und aus den »Ecken« des Behälterbodens 23 heraus strömt. Diese sekundäre Strömung zwingt das Beschichtungsmaterial in die kleinen Bereiche und Vertiefungen 42 und gewährleistet so eine vollständige Berührung und Benetzung der gesamten Innenfläche des Behälters 22. Die Strömung aus den Öffnungen 26 verlangsamt also die Strömung des Beschichtungsmaterials, die ansonsten im wesentlichen frei von Turbulenz ist Diese verlangsamende Strömung verstärkt die Turbulenz des in der Nähe des Behälterbodens strömenden Beschichtungsmaterials; die Turbulenz ist jedoch gesteuert, so daß in der Strömung keine Bläschen oder Unstetigkeiten auftreten.

In Fig. 4 ist graphisch die Verbesserung des Wirkungsgrads im Zusammenhang des Beschichtungsgewichts mit der Gleichspannung gezeigt, die an eine Sonde 20 nach F i g. 1 sowie an eine bekannte Sonde nach F i g. 2 angelegt wurde. Bei gleicher Spannung wird eine stärkere Ablagerung des Beschichtungsmaterials als mit der bekannten Sonde bewirkt. In diesem Beispiel hatte die Sonde 20 acht Öffnungen 26 mit einem Durchmesser von 6,35 mm und eine Längsbohrung 24

ίο mit einem Durchmesser von 19 mm. Um die Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Vorschlages zu zeigen, wurden Nahrungsmitteldosen mit Vertiefungen bzw. »Ecken« eines Durchmessers von etwa 63,5 mm und einer Tiefe von 63,5 mm mit einem Durchsatz von etwa 30 Dosen pro Minute und etwa 0,5 s Spannungsanlegzeit mit einer Harzbeschichtung bei einer Temperatur von 43° versehen.

In Fi g. 5 ist graphisch das Beschichtungsgewicht auf der Behälterinnenfläche gegen den Lackwert für eine Sonde nach F i g. 2 und für die erfindungsgemäße Sonde aufgetragen. Bei der Erfindung sind bei gleichem Beschichtungsgewicht die Lackwerte niedriger. In diesem Beispiel war die Sonde 20 die gleiche, wie sie in Verbindung mit F i g. 4 diskutiert wurde. Getränke- und Bierdosen mit komplexem Bodenprofil, wie in F i g. 1 und 3 gezeigt ist, mit einem Durchmesser von etwa 70 mm, einer Tiefe von 1207 mm sowie einer Innenfläche von insgesamt 0,029 m² wurden mit Spannungen von etwa 50 bis 150 V und einer Spannungseinschaltzeit von etwa 2 s behandelt. Die gleichmäßigere Abdeckung der Behälterinnenfläche erweist sich an der Tatsache, daß sich bessere Lackwerte erreichen lassen, wenn Behälter gleicher Innenflächengröße mit dem gleichen Gewicht beschichtet werden.

Obgleich ein Spannungsbereich von 120 bis 300 V bevorzugt ist, hat sich herausgestellt, daß Spannungen bis hinunter zu 35 V gleichmäßige Beschichtungen reduzierter Dicke und Beschichtungsgewichts mit den gewünschten Lackwerten ergeben.

Die Geschwindigkeit des Elektrobeschichtungsvorgangs zum Aufbringen einer gewünschten Beschichtungsdicke kann also erhöht werden. Diese Geschwindigkeitszunahme wird dabei verursacht von der größeren Beschichtungsmenge für vorgegebene Span-

nungen und der Fähigkeit, gleichmäßige Beschichtungen bei reduzierter Spannung aufzutragen.

Die Sonde erfüllt dabei ihre Aufgabe, die Strömung des Beschichtungsmaterials aus dem Behälterinnern zu verlangsamen, so daß sämtliche Flächenteile des

Behälters einschließlich der kleinen Krümmungen und Vertiefungen im Behälterboden ausreichend benetzt werden. Zusätzlich erbringt sie unerwartete Ergebnisse bei der Benutzung der sekundären Strömung, wobei das bei einer gegebenen Gleichspannung abgelagerte

Beschichtungsgewicht zunimmt. Schließlich wird die Verteilung der Beschichtung verbessert, so daß sich die Möglichkeit zu einem Beschichten von Behältern mit komplexem Bodenprofil bei sehr hohen Geschwindigkeiten eröffnet Weiterhin ist es möglich, mit geringer Schichtdicke die erwünschten Lackwerte zu erbringen, wobei niedrigere Spannungen und Ströme erforderlich sind, um die Beschichtung gleichmäßig auf den Innenflächen eines Behälters mit komplexem Bodenprofil aufzubringen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Elektrobeschichten eines Behalters, wobei eine elektrisch leitende hohle Sonde in einen umgekehrten Behälter nahe der Endwand des Behälters eingesetzt wird und Beschichtungsmaterial durch eine Öffnung in dem Ende der Sonde strömt, um den Behälter mit einem Strömungsbad des Elektrobeschichtungsmateriales zu fluten und eine primäre Strömung des Beschichtungsmaterials auswärts zu den Seiten des Behälters hin zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, daC durch Öffnungen in dem Sondenkörper in der Richtung der Behälterendwand eine sekundäre Strömung des Beschichtungsmateriales geschaffen wird, welche der primären Strömung des Beschichtungsmaterials entgegenwirkt und die Strömungsturbulenz erhöht, während das Beschichtungsmaterial im fortlaufenden Kontakt mit dem Behälterinnern gehalten wird, und daß ein elektrisches Potential zwischen dem Behälter und der Sonde angelegt wird, um das Behälterinnere elektrisch zu beschichten.

2. Elektrisch leitende hohle Sonde, welche in einen Behälter einsetzbar ist und für die Verwendung in einem Verfahren zum Elektrobeschichten des Behälters geeignet ist, wobei ein elektrisches Potential zwischen dem Behälter und der Sonde angelegt ist und die Sonde eine Ausbildung aufweist, die im allgemeinen mit dem Behälterinnern übereinstimmt und eine im wesentlichen konkave Endfläche und eine Öffnung aufweist, durch welche Material zum Elektrobeschichten strömt, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde eint Vielzahl von Öffnungen um den Umfang der Sonde einschließt, welche zu der Endfläche der Sonde hin gerichtet sind.

3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in gleichem Abstand auf dem Umfang der Sonde angeordnet sind.

4. Sonde nach einem der Ansprüche 2 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einstelleinrichtung, mittels welcher die Stärke der Sekundärströmung einstellbar und das Ausmaß der Verlangsamung der Strömung bestimmbar ist.

5. Sonde nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie vertikal ausgerichtet ist, um das Beschichtungsmaterial aufwärts in einen Behälter strömen zu lassen, der unten offen ist.