DE3640587C2 - Einrichtung zur elektrostatischen Beschichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur elektrostatischen Beschichtung, die ein elektro­ statischen Aufbringelement, das heißt eine Be­ schichtungsplatte oder einen rotierenden Zer­ stäuber enthält, und im einzelnen ist die Erfindung mit einer Einrichtung befaßt, die einen größeren Bereich von Beschichtungsgewichten (oder Dicken) zuläßt, als dies bis jetzt möglich war.

Elektrostatische Beschichtungseinrichtungen sind weithin bekannt, z. B. aus "Elektrostatisches Einölen von gebeitztem Band" Stahl u. Eisen 90 (1970) S. 601, und finden für den Auftrag einer Flüssigkeit, beispielsweise Öl oder Farbe, auf ein leitfähiges Substrat Verwendung, indem ein elektrostatisches Feld zwischen Substrat und Auf­ bringelement aufrechtzuerhalten wird. Wenn die Flüssig­ keit dem Aufbringelement zugeführt wird, bricht das Feld die Flüssigkeit in geladene Tröpfchen auf, die durch das Feld in Richtung auf das Substrat gezogen werden. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Beschichtung mit der Flüssigkeit auf dem Substrat hergestellt.

Bei anderen Beschichtungseinrichtungen, wie sie bei­ spielsweise aus der US-3 762 701 bekannt sind, wird die Flüssigkeit über eine Vernebelungsvorrichtung in kleine Tröpfchen aufgeteilt, die dann erst in einem separaten Bauelement elektrostatisch geladen werden, um von dort in das elektrostatische Feld zu gelangen.

Das elektrostatische Feld wird üblicherweise dadurch er­ zeugt, daß das Substrat auf Nullpotential gehalten wird, das heißt geerdet ist, und daß das Aufbringelement auf ein bestimmtes Potential aufgeladen wird, das das ge­ wünschte Feld erzeugt. Das Potential ist in Übereinstim­ mung mit den Gegebenheiten der auf zutragenden Flüssigkeit festgelegt und im einzelnen unter Berücksichtigung der Leitfähigkeit der Flüssigkeit. Das Substrat wird übli­ cherweise an der Beschichtungseinrichtung, die sich an einem feststehenden Platz befindet, durch eine geerdete Transportvorrichtung vorbeibefördert.

Die Menge der auf das Substrat aufgetragenen Flüssigkeit, die gemeinhin als "Beschichtungsgewicht" bekannt ist und in g/m² gemessen wird, kann durch Variation des Flüssig­ keitsvolumens geändert werden, das eine Dosierpumpe dem Aufbringelement zuführt. Die Dosierpumpe wird durch einen Motor angetrieben, dessen Geschwindigkeit in Übereinstim­ mung mit dem gewünschten, auf zutragenden Beschichtungsge­ wicht und in Übereinstimmung mit der Geschwindigkeit ge­ ändert werden kann, mit der die Transportvor­ richtung das Substrat an der Beschichtungsein­ richtung vorbeibewegt. Auf diese Weise ist die Pumpe automatisch auf die korrekte Flüssigkeits­ menge bezüglich der Bewegungsrate des Substrats vorbei an der Beschichtungsvorrichtung eingestellt. Das an dem Aufbringelement angelegte Potential ist durch ein handbetätigtes, äußeres Potentiometer einge­ stellt.

Wie erläutert, kann das Beschichtungsgewicht durch Variation der dem Aufbringelement zugeführten Flüssigkeitsmenge geändert werden, jedoch ist dies nur innerhalb eines begrenzten Bereiches sicherge­ stellt, da die Rate, zu der die Flüssigkeit von einem Aufbringelement abgegeben werden kann, ihrer­ seits begrenzt ist und die Abgaberate außerhalb eines bestimmten Bereiches nicht durch Zuführung einer größeren oder kleineren Menge von Flüssig­ keit zu dem Aufbringelement geändert werden kann. Ist die Menge, in der die Flüssigkeit der Beschichtungs­ platte zugeführt wird, zu groß, wird diese über­ flutet und die Arbeitsweise ist nicht nur unsauber sondern auch unwirtschaftlich und darüberhinaus sind die erzeugten Tröpfchen groß, was zu einer nicht gleichmäßigen Beschichtung des Zielsubstrats führt. Ist auf der anderen Seite die dem Aufbring­ element zugeführte Flüssigkeitsmenge zu niedrig, ent­ hält das Arbeitsergebnis Unterbrechungen. Im Bereich zwischen diesen beiden Extremen ist die Arbeits­ weise im allgemeinen zufriedenstellend. Im Falle einer elektrostatischen Beschichtungsplatte können die Abgaberaten charakteristischerweise variiert werden zwischen 0,5 und 6 ml Flüssigkeit pro cm Plattenlänge pro Minute (ml/cm Plattenlänge/min).

Es wurde nun gefunden, daß der Bereich der Abgabe­ menge (und folglich der Bereich der Beschichtungs­ gewichte) erheblich vergrößert werden kann, wenn das Feld zwischen Aufbringelement und Zielsubstrat eingestellt wird in Übereinstimmung mit der Menge der dem Aufbringelement zugeführten Flüssigkeit. Unter Verwendung des Gegenstandes der Erfindung wurden für eine bestimmte Platte Abgabemengen zwischen 0,03 und 15 ml/cm Plattlänge/min erreicht. Während das Verhältnis der größtmöglichen Abgabe­ menge zur niedrigstmöglichen Abgabemenge, das bis­ her erreicht werden konnte, ungefähr 30 : 1 war, ist dasselbe Verhältnis nach der Erfindung 500 : 1. Ein derartiger Anstieg ist nicht nur überraschend sondern auch für die moderne Industrie äußerst vorteilhaft, da er eine größere Flexibilität des aufzubringenden Beschichtungsgewichtes erlaubt und insbesondere die Anbringung sehr niedriger Be­ schichtungsgewichte zuläßt. Bisher war der Zusammen­ hang zwischen angelegtem Feld und Menge der zuge­ führten Flüssigkeit nicht erkannt.

Das Zielsubstrat wird nicht immer gleichmäßig am Aufbringelement vorbeibewegt und beispielsweise bei der Beschichtung eines Stahlbandes mit Öl in einem Stahlwerk läuft das Stahlband aus dem Stillstand los und wird schnell auf eine gewünschte, gleichbleibende Geschwindigkeit beschleunigt. Dabei wird jedoch der Bandanfang nicht immer ordentlich beschichtet, da seine Geschwindigkeit vorbei an dem Aufbringelement und infolge dessen die Ölabgabe­ inenge niedriger ist als dies erforderlich wäre, um bei einem einzigen feststehenden Potential ein akzeptables Sprühmuster oder Sprühbild zu erhalten. Aufgabe der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es dieses Problem durch Erweiterung des Bereiches der Mengen, in denen Flüssigkeit in zufriedenstellenderweise von dem Aufbringelement abgegeben werden kann, zu überwinden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 enthaltenen Merkmale des Patengegenstandes gelöst.

Das Ausgangssignal auf die Flüssigkeitszuführungs­ mittel ist das selbe Signal, das auch den feldbildenden Mitteln zugeführt wird.

Die Steuermittel können Mittel zu Messung der Relativgeschwindigkeit zwischen Substrat und Auf­ bringelement enthalten, in welchem Falle die Steuermittel vorzugsweise die Ausgangssignale in Übereinstimmung mit der durch die Meßmittel gemessenen Geschwindigkeit so einstellen, daß dem Zielsubstrat ein gleichbleibendes Beschichtungs­ gewicht zugeführt wird unabhängig von der Relativ­ geschwindigkeit zwischen Substrat und Aufbring­ element.

Wie vorstehend ausgeführt, ist das Feld zwischen Auf­ bringelement und Zielsubstrat üblicherweise ge­ bildet, in dem ein Potential an das Aufbringelement angelegt und das Zielsubstrat auf Erdpotential ge­ halten wird. Die folgende Diskussion wird auf eine solche Anordnung gerichtet sein, obwohl ver­ gegenwärtigt bleiben soll, daß die Erfindung auf eine solche Anordnung nicht beschränkt ist und das Feld auch gebildet sein kann, in dem ein Potential an das Substrat gelegt wird anstelle des oder zusätzlich zum Aufbringelement.

In vielen Fällen ist es für die feldbildenden Mittel ausreichend, an das Aufbringelement ein feststehendes Grundpotential anzulegen und ober­ halb des Grundpotentials ein Potential, das direkt oder indirekt proportional zum Ausgang der Steuermittel ist. Andere Anordnungen zur Einstellung des Potentials des Aufbringelementes können jedoch auch Anwendung finden. Es ist für das Potential des Aufbring­ elementes nicht erforderlich, direkt proportional zu der Menge zu sein, in der die Flüssigkeit dem Aufbringelement zugeführt wird, und es ist folg­ lich für diese beiden Parameter möglich, indirekt proportional zueinander zu sein. Irgend ein ge­ wünschtes Verhältnis zwischen Potential des Auf­ bringelementes und Menge der dem Aufbringelement zugeführten Flüssigkeit kann Verwendung finden, beispielsweise kann die Kurve des Potentials des Aufbringelementes über der Menge der zugeführten Flüssigkeit gekrümmt verlaufen. Dies kann durch Verwendung analoger Arbeitsschaltungen oder digi­ taler Datenverarbeitung unter Verwendung eines selbstprogrammierbaren Halbleiter-Lesespeichers (PROM) erreicht werden, beispielsweise eines lösch­ baren, selbstprogrammierbaren Halbleiter-Lese­ speichers (EPROM). Selbstverständlich können die dem Aufbringelement zugeführte Flüssigkeit und das am Aufbringelement angelegte Potential durch digitale oder analoge Schaltungen gesteuert werden.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer elektrostatischen Beschichtungseinrichtung anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Einrichtung;

Fig. 2 eine Kurve, die die Veränderung des Potentials des Aufbringelementes bei geänderten Flüssigkeitsabgabemengen zeigt, und

Fig. 3 eine Kurve, die die Veränderung der Abgabemenge einer Beschichtungsplatte über der angelegten Spannung zeigt.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine elektrostatische Beschichtungs­ einrichtung eine Beschichtungsplatte 10, eine Pumpe 12 zur Zuführung von Flüssigkeit aus einem Reservoir 14 über eine Leitung 13 zur Beschichtungsplatte, einen Motor 16 zum Antrieb der Pumpe, eine Ge­ schwindigkeitssteuerung 18, die die Geschwindig­ keit des Motors 16 und demzufolge die Menge der der Platte zugeführten Flüssigkeit regelt, eine Einrichtung 19, die die Geschwindigkeit mißt, mit der ein Zielsubstrat 21 an der Platte 10 vorbei­ bewegt wird, und ein rechner- oder handgesteuertes Potentiometer 20, das einen Ausgang 22 aufweist. Ein Tachometer 15 mißt die Geschwindigkeit des Motors 16 und ist über eine Rückkopplungsschleife 17 mit der Geschwindigkeitsregelung 18 verbunden. Das Beschichtungsgewicht ist an einem Potentiometer 20 eingestellt und dessen Ausgang 22 wird modifiziert durch die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung 19 ent­ sprechend der Geschwindigkeit des Substrates 21 zur Bildung eines Ausgangssignals 23, das dem Ge­ schwindigkeitsregler 18 zugeführt wird und die Menge der der Platte 10 zugeführten Flüssigkeit steuert. Durch Verwendung der Einrichtung 19 zur Modifizierung des Ausganges 22 wird die Menge der der Beschichtungsplatte 10 zugeführten Flüssigkeit automatisch verstellt, wenn die Geschwindigkeit des Substrates 21 sich ändert, und folglich wird jedem Substrat ein gleichbleibendes Beschichtungs­ gewicht zugeführt unabhängig von der Bewegungs­ größe des Substrats vorbei an der Platte.

Elektrische Energie wird der Platte über einen Leiter 25 von einer Hochspannungs-Stromversorgungs­ einheit 24 zugeführt, die aus einem Transformator und einer Spannungsverdopplerschaltung besteht. Das der Stromversorgungseinheit 24 zugeführte Potential ist vorgegeben durch eine Spannungskonstanthalter­ einheit 26 in Form eines motorisierten Spartrans­ formators, die ihrerseits durch den Ausgang einer Spannungsgleichlaufeinheit 28 geregelt ist. Die Spannungsgleichlaufeinheit ist eine Additions­ schaltung, deren Ausgangsspannung die Summe der Ausgangsspannung eines äußeren Potentiometers 34 und einer Spannung 32 ist, die proportional zum Ausgang 23 der Geschwindigkeitsüberwachungsein­ richtung 19 ist. Die Größe der Spannung 32 ist durch ein Potentiometer 36 bestimmt, was bedeutet, daß das Verhältnis zwischen Ausgang 23 und Aus­ gang 32 durch das Potentiometer 36 bestimmt ist.

Das Potentiometer 20 ist auf das gewünschte Be­ schichtungsgewicht auf dem Zielsubstrat einge­ stellt, und die der Platte 10 zugeführte Spannung ist dann automatisch auf die Herstellung eines optimalen Sprühmusters eingestellt. Ist es erwünscht, das Beschichtungsgewicht zu ändern, wird das Potentio­ meter 20 auf eine Änderung des Ausganges 22 und folglich des Ausganges 23 verstellt, was wiederum die Menge der der Platte 10 zugeführten Flüssig­ keit ändert. Gleichzeitig ist der Ausgang 32 ver­ ändert, wodurch das Potential der Platte 10 ver­ stellt wird auf den optimalen Wert für das neue Beschichtungsgewicht.

Grundsätzlich wird das Potential der Platte ver­ größert, wenn die Menge der der Platte zuge­ führten Flüssigkeit wächst, die ihrerseits zunimmt, wenn das gewünschte Beschichtungsge­ wicht steigt und/oder wenn das Substrat 21 schneller an der Platte 10 vorbeibewegt wird. Dies ist graphisch in Fig. 2 dargestellt. Die der Platte 10 zugeführte Basisspannung (veranschaulicht durch die gestrichel­ te Linie 38) ist von der Einstellung des Potentio­ meters 34 abgeleitet und es ist die sich mit der Menge der der Platte 10 zugeführten Flüssigkeit in Ab­ leitung vom Ausgang 23 ergebende Variation der Span­ nung zu dieser Basisspannung addiert, um das Poten­ tial zu ergeben, das dem Aufbringelement zugeführt wird und durch die ausgezogene Linie 40 dargestellt ist. Die Steigerung der Linie 40 ergibt sich aus der Einstellung des Potentiometers 36.

Obwohl die anhand der Fig. 1 beschriebenen Steuer­ schaltungen analog sind, können diese jedoch auch digital sein. Das in Fig. 2 dargestellte Verhältnis zwischen zugeführter Flüssigkeitsmenge und angeleg­ ter Spannung muß nicht linear sein und kann irgend­ eine Form haben, beispielsweise einen gekrümmten Verlauf, wie es sich jeweils für die Bildung eines optimalen Feldes bei einem bestimmten Beschichtungs­ gewicht ergibt. Eine solche Abweichung von einem linearen Verhältnis kann durch Verwendung einer geeigneten analogen Arbeitsschaltung anstelle der Einheit 28 erreicht werden oder sie ist digital durch Verwendung eines EPROM erhältlich.

Anstelle der dargestellten Platte 10 kann auch ein rotierender Zerstäuber verwendet werden.

Das Verhältnis zwischen der Menge, in der Flüssigkeit von der Beschichtungsplatte abgegeben wird, und der angelegten Spannung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Versuche wurden bei 20°C durchgeführt unter Ver­ wendung einer Platte, wie sie in der europäischen Patentanmeldung Nr. 86306460.6 beschrieben ist, und unter Verwendung eines Öls vom Typ Nalco XL 174. In Fig. 3 ist die Abgabemenge angegeben in ml/cm Blattlänge/Minute auf der x-Achse und die angelegte Spannung in KV auf der y-Achse. Die Punkte, an denen eine Überflutung auftrat, sind als Kreise bezeich­ net, während die Punkte, an denen die Materialabga­ be unterbrochen wurde, durch Kreuze bezeichnet sind. Diese Punkte sind jeweils durch Linien 42 und 44 miteinander verbunden, während die Linie 46 das optimale Verhältnis Spannung/Abgabemenge zeigt.

Aus Fig. 3 wird deutlich, daß ein Zusammenhang zwi­ schen Abgabemenge und angelegter Spannung besteht, was bisher nicht erkannt wurde.

Will jemand eine feststehende Spannung von bei­ spielsweise 115 KV verwenden, kann anhand der Fig. 3 festgestellt werden, daß der Bereich der Abgabe­ mengen, der Verwendung finden kann, begrenzt ist zwischen 1,5 und 2,2 ml/cm Blattlänge/Minute, während durch Variation der Spannung in Überein­ stimmung mit der Abgabemenge ein wesentlich größe­ rer Bereich von Abgabemengen erreicht werden kann.

Claims (5)

1. Elektrostatische Beschichtungseinrichtung mit

• - einem Aufbringelement (10),
• - Mitteln (12-16) zur Zuführung von Flüssigkeit zum Aufbringelement (10) in einer gesteuerten Menge,
• - Mitteln (24-36) zur Bildung eines elektrostatischen Feldes zwischen dem Aufbringelement (10) und einem zu beschichtenden Substrat (21) und
• - Steuermitteln (19, 20), die die Mittel zur Zuführung von Flüssigkeit (12-16) mit einem Steuersignal (23) zur Einstellung der Menge versehen, in der dem Aufbringelement (10) Flüssigkeit zugeführt wird,
  wobei die genannten Steuermittel (19, 20) außerdem die das Feld bildenden Mittel (24-36) mit einem Steuersignal (23) beliefern, das im Betrieb die Spannung des angelegten Feldes einstellt und
  wobei die Flüssigkeit durch das elektrostatische Feld zwischen dem Aufbringelement (10) und dem zu beschichtenden Substrat (21) in geladene Tröpfchen aufgebrochen wird, die durch das elektrostatische Feld zu dem Substrat (21) gezogen werden, und
  wobei die Spannung des elektrostatischen Feldes und die dem Aufbringelement (10) zugeführte Flüssigkeitsmenge variabel sind in Abhängigkeit von einem Steuersignal (23), das die Geschwindigkeit und das eingestellte Beschichtungsgewicht der zu beschichtenden Substrate (21) repräsentiert,
  wobei die Spannung des elektrostatischen Feldes automatisch vergrößert wird, wenn die dem Aufbringelement (10) zugeführte Flüssigkeitsmenge wächst, und verkleinert wird, wenn die zugeführte Flüssigkeitsmenge fällt,
  und wobei das Verhältnis zwischen der Spannung des elektrostatischen Feldes und der zugeführten Flüssigkeitsmenge mittels einer programmierbaren Steuerschaltung vorgebbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (19, 20) Mittel (19) zur Messung der Relativgeschwindig­ keit zwischen Substrat (21) und Aufbringelement (10) enthalten.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuermittel (19, 20) das Steuer­ signal (23) in Abhängigkeit von der durch die Meßmittel (19) gemessenen Geschwindigkeit so einstellen, daß dem Substrat (21) ein gleich­ bleibendes Beschichtungsgewicht zugeführt wird unabhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen Substrat und Aufbringelement (10).

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feldbildenden Mit­ tel (24-36) das Aufbringelement (10) mit einem feststehenden Grundpotential und oberhalb diesem mit einem Potential be­ liefern das direkt oder indirekt proportional zum Steuersignal (23) der Steuermittel (19, 20) ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurvenverlauf der am Aufbringelement anliegenden Spannung aufgetragenen gegenüber der Flüssig­ keitszuführungsmenge gekrümmt oder geradlinig ist.