HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine
Trocknungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Änspruch 1 und
eine Trocknungsvorrichtung gemäß den Oberbegriffen der
Ansprüche 6 und 7. Ein derartiges verfahren und eine derartige
Vorrichtung sind aus der US-A-4 863 375 bekannt.
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Herkömmliche Trocknungsverfahren, die einen Heißluftofen,
einen Ferninfrarotstrahlungsofen und dergleichen verwenden,
sind bereits bekannt und werden herkömmlicherweise
verwendet, um ein aufgetragenes Material auf einem Substrat, wie
beispielsweise einer Metallplatte oder dergleichen zu
trocknen. Auf das mit dem zu trocknenden aufgetragenen Material
versehene Substrat wird in dieser Beschreibung als Werkstück
und als Substrat per se als Muttermaterial Bezug genommen.
Der Trocknungsprozeß und die Funktion dieser
Trocknungsverfahren sind wie folgt verstanden worden.
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Als erstes wird ein Werkstück, dessen Muttermaterial mit
einem Anstrich überzogen ist, der hauptsächlich aus Harz
besteht, wie beispielsweise Acrylharz, in einen Ofen
eingesetzt. Das Werkstück wird einem Heißluftblasstrom oder einer
Ferninfrarotstrahlung ausgesetzt. Das Lösungsmittel des
aufgebrachten Materials wird von der Werkstückoberfläche
zunächst verdampft und die Oberfläche wird graduell
ausgehärtet, nachdem es seine Fähigkeit, von der
Oberflächenschicht herunter zu fließen, verloren hat. Die verfestigung
der aufgetragenen Schicht wird ferner durch Erwärmen
beschleunigt, wenn die Wärme von der heißen Luft zur
Innenseite des Werkstücks übertragen wird, das heißt zum
Muttermaterial. Bei dieser Gelegenheit wird das in der Innenseite
der Oberfläche vorhandene Lösungsmittel in den gasförmigen
zustand überführt, und das Lösungsmittelgas durchdringt die
verfestigte Oberflächenschicht, um von der
Werkstückoberfläche zu verdampfen. Dadurch werden viele feine Poren und
feine Löcher in der Werkstückoberfläche ausgebildet. Um zu
verhindern, daß die Werkstückoberfläche diese Poren und
feinen Löcher ausbildet, müssen herkömmliche Öfen gesteuert
werden, um die Heiztemperatur langsam zu erhöhen, nachdem
das Lösungsmittel von dem Werkstück in einem Setzraum
verdampft ist.
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Diese herkömmlichen Trocknungsverfahren unter Verwendung
eines derartigen Prozesses erfordern relativ lange
Zeitdauern zur Beendung des Trocknungsvorgangs, weil die
Trocknungstemperaturen auf einem niedrigen Pegel gehalten
werden müssen, um eine Ausbildung der Poren und feinen
Löcher zu verhindern. Dies stellt ein ernsthaftes zu
überwindendes Problem dar. Besonders in einem speziellen Typ von
Ofen, der eine Kombination aus Infrarotstrahlung und
Heißluftblasstrom zum Zweck einer schnellen Trocknung verwendet,
neigt die Oberflächentemperatur des Werkstücks deutlich
dazu, höher zu sein, was eine Temperaturdifferenz zwischen
der Oberfläche der aufgetragenen Schicht und der Grenzfläche
zwischen der aufgetragenen Schicht und dem Metallsubstrat
verursacht. Diese Temperaturdifferenz beschleunigt die
Ausbildung von Poren und feinen Löchern in der aufgetragenen
Schicht.
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Zusätzlich zu den vorstehend genannten herkömmlichen
Verfahren sind verschiedene Trocknungsverfahren beschrieben in
der japanischen Patentanmeldung für ein Gebrauchsmuster,
Offenlegungsschrift Nr. 1-151873 mit dem Titel
"Nahinfrarotstrahlungsofen für Flüssigkeits- und/oder Pulverüberzüge";
in der japanischen Patentanmeldung für ein Gebrauchsmuster,
Offenlegungsschrift Nr. 2-43217 mit dem Titel "Lichtpanele
zur ausschließlichen Verwendung in einem Ofen zum Anordnen
von Überzugsmaterial" und im USP 4 863 375 mit dem Titel
"Backverfahren zur Verwendung mit einem Flüssigkeits- oder
Pulverlackierofen". Eines dieser Dokumente betrifft ein
Backverfahren in einem Nahinfrarotstrahlungsofen für
Flüssigkeits- und/oder Pulverüberzüge. Dieses Verfahren
verwendet die Eigenschaften der Nahinfrarotstrahlung, wie
beispielsweise ein schnelles Erwärmen bei hoher Temperatur mit
bemerkenswertem Eindringen zur Verbesserung des
Backverfahrens in dem Ofen derart, daß die aufgebrachte Substanz
schnell trocknet und ihre Haftfähigkeit ebenfalls erhöht
werden kann. Im einzelnen wird Flüssigkeit oder Pulver in
einem flüssigen Überzugsmaterial auf die Substratoberfläche
aufgetragen und daraufhin einer Schmelzheizbearbeitung
ausgesetzt, um eine gleichmäßige Überzugsschicht auf der
Substratoberfläche
zu realisieren. Ein weiteres Dokument
betrifft einen Trocknungsofen, der eine Nahinfrarotstrahlung
verwendet, deren Lichtquelle auf der Rückseite mit einem
Keramikreflektor versehen ist, der eine Heizvorrichtung
enthält, und ein Trocknungsverfahren, das einen
Trocknungsofen verwendet, in dem ein Hochtemperaturabschnitt und ein
Niedrigtemperaturabschnitt aufeinderfolgend ausgebildet
sind.
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Andererseits ist ein "Mittelwelleninfrarotstrahler" in
"Coating Technique" Oktober-Spezialnummer, Seiten 211 bis 213,
ausgegeben am 20. Oktober 1990, veröffentlicht durch die
K.K. Rikoh Shuppan (Science and Technology Publishing
Company, Inc.) beschrieben. Dieses Dokument offenbart, daß an
einer aufgetragenen Schicht ankommende abgestrahlte Energie
jeweils teilweise an der aufgetragenen Schicht absorbiert,
durch die Schicht reflektiert und durch die Schicht
hindurchgelassen wird. Die absorbierte Energie wandelt sich in
Wärmeenergie um, die verursacht, daß die Überzugsschicht
getrocknet wird. Ferner verursacht die durchgelassene
Energie, daß das Substrat oder das Muttermaterial der
aufgetragenen Schicht derart erwärmt wird, daß die überzugsschicht
von der Innenseite erwärmt wird.
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Die physikalischen Eigenschaften von Infrarotstrahlung sind
allgemein wie folgt bekannt:
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(1) Nahe Infrarotstrahlung: Die Temperatur beträgt 2000 bis
2200ºC, der maximale Energiewert der Wellenlänge wird
bei etwa 1,5µm erzeugt, die Energiedichte ich hoch, die
reflektierte Energie und die durchgelassene Energie
sind größer, die Anstiegsgeschwindigkeit ist hoch (1
bis 2 Sekunden), die Lebenszeit ist kurz (etwa 5000
Stunden).
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(2) Mittlere Infrarotstrahlung: Die Temperatur beträgt 850
bis 900ºC, der maximale Energiewert der Wellenlänge
wird bei etwa 2,5µm erzeugt, die Energiedichte ist
mittelhoch, die absorbierte Energie und die
durchgelassene Energie sind derart ausgewogen, daß die Energie in
die Innenseite der aufgetragenen Schicht eintreten
kann, die Lebenszeit ist lang.
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(3) Ferne Infrarotstrahlung: Die Temperatur beträgt 500 bis
600ºC, der höchste Energiewert der Wellenlänge wird bei
etwa 3,5µm erzeugt, die Energiedichte ist niedrig, die
Energie wird durch die Oberfläche der aufgetragenen
Schicht derart deutlich absorbiert, daß die Oberfläche
dazu neigt, erwärmt zu werden, die
Anstiegsgeschwindigkeit ist gering (5 bis 15 Minuten), der
Zirkulationsverlust ist groß.
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Um eine überlegene Überzugsqualität durch Verwendung der
Infrarotstrahlung mittlerer Wellenlänge mit ihrem maximalen
Wirkungsgrad zu erreichen, müssen zur selben Gelegenheit die
folgenden beiden Bedingungen erfüllt sein.
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1. Die von einem Infrarotstrahler abgestrahlte Energie
ändert sich mit der vierten Potenz des angestiegenen
Werts der absoluten Temperatur (T) des Strahlers;
Eb α T&sup4;. Mit anderen Worten wird die abgestrahlte
Energie größer, wenn die Temperatur des Strahlers ansteigt.
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2. Der maximale Energiewert der Wellenlänge ist
geringfügig zur kurzen Wellenlänge in bezug auf den höchsten
Wert der Absorptionsfähigkeit der aufgetragenen Schicht
verschoben.
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Der maximale Energiewert der Wellenlänge der auf dem
industriellen Gebiet zur Erwärmung derartiger aufgetragener
Schichten verwendeten Infrarotstrahlung ist ausnahmslos um
etwa 3µm konzentriert. Der Infrarotstrahler mit dem
maximalen Energiewert bei der Wellenlänge von etwa 2,5µm wird zur
Verwendung für ein wirksaines Trocknen der aufgetragenen
Schicht durch eine Kombination der absorbierten Energie und
dar durchgelassenen Energie bevorzugt verwendet, die die
Überzugsschicht von ihrer Vorderseite und Rückseite wirksam
und gleichmäßig erwärmt.
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Die Beziehung zwischen der Temperatur (T) des
Infrarotstrahlers und seinem maximalen Energiewert der bei λ m erzeugten
Wellenlänge wird durch Wiens Verschiebungsgesetz
wiedergegeben:
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λ m = 2897/t.
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Wenn der maximale Energiewert der Wellenlänge bei λ m 2,5
erzeugt wird, kann die vorstehend genannte Gleichung wie
folgt umgeschrieben werden:
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T = 2897/2,5 = (t + 273)
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t = 880 ºC.
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Der maximale Wirkungsgrad kann deshalb dann realisiert
werden, wenn die Infrarotstrahlung mittellanger Wellenlänge
unter Erfüllung der vorstehenden Bedingung verwendet wird.
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Die vorstehend beschriebenen Dokumente, die japanischen
Patentanmeldungen für Gebrauchsmuster, offenlegungsschriften
1-1651873 und 2-43217, und USP 4 863 375 offenbaren jedoch
keinerlei optimale Bedingungen für die auf eine
Überzugsschicht auf einem Metallsubstrat angewandte
Infrarotstrahlung. Diese Dokumente zum Stand der Technik lehren die
Verwendung von naher Infrarotstrahlung, um Überzugsschichten zu
trocknen und eine allgemeine Erläuterung über die
Eigenschaften der zu verwendenden nahen Infrarotstrahlung.
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Bei der Verwendung von ferner und mittlerer
Infrarotstrahlung zum Trocknen von aufgetragenen Schichten wird ihre
Wellenlänge so ausgewählt, daß die abgestrahlte Infrarotenergie
durch die Überzugsschicht stark absorbiert wird. Dies dient
dem Zweck einer Erwärmung, ausgehend von der
Schichtoberfläche. Dies verursacht jedoch die Ausbildung einer Vielzahl
von feinen Porenlöchern in der Schichtoberfläche, und die
Trocknungsdauer für die Überzugsschicht wird deshalb
verlängert, während die Trocknungstemperatur auf einem
niedrigen Pegel gehalten wird, um zu verhindern, daß die
Überzugsschicht feine Löcher oder Poren ausbildet.
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Die "Coating Technique Oktober-Spezialnummer" lehrt
keinerlei optimale Bedingungen der Infrarotstrahlung gemäß einer
Studie über die Absorptionsfähigkeit der Infrarotstrahlung
bezüglich des Muttermaterials und/oder der Ursache für in
der aufgetragenen Schicht ausgebildete feine Löcher oder
Poren. Diesem Dokument ist vielmehr die Schlußfolgerung zu
entnehmen, daß der Infrarotstrahler, der den maximalen
Energiewert bei der Wellenlänge von etwa 2,5µm erzeugt,
bevorzugt ist, weil seine abgestrahlte Energie wirksam absorbiert
und durchgelassen werden kann, um die Vorderseite und die
Rückseite der aufgetragenen Schicht zu erwärmen.
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Der Erfinder dieser Anmeldung hat herausgefunden, daß die
Ausbildung von feinen Löchern oder Poren in der
aufgetragenen Schicht durch Bevorzugung der nahen Infrarotstrahlung
verhindert werden kann, deren Wellenlänge leichter durch die
Überzugsschicht hindurch übertragen werden kann als der
Bereich, der ein hohes Absorptionsvermögen durch die
Überzugsschicht hat. Es kann vermutet werden, daß die durch die
Überzugsschicht hindurchgelassene Infrarotstrahlung die
Substratoberfläche, nicht jedoch die Schichtoberfläche
direkt erwärmt, wobei die Überzugsschicht von ihrer Rückseite
her durch die Wärme graduell getrocknet wird.
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Im Fall des Metallsubstrats wird sein Reflexionsvermögen
gegenüber Infrarotstrahlung vergrößert, wenn die Wellenlänge
der Infrarotstrahlung länger oder breiter gemacht wird, und
sein Absorptionsvermögen für Wärmeenergie wird vergrößert,
wenn die Wellenlänge kürzer gemacht wird. Wenn nahe
Infrarotstrahlung zum Trocknen aufgetragener Schichten verwendet
wird, kann als Ergebnis vermutet werden, daß die nahe
Infrarotstrahlung eine hohe Durchlässigkeit bezüglich der
aufgetragenen Schicht hat; das heißt, eine niedrige
Absorptionsfähigkeit bezüglich der aufgetragenen Schicht wird
bevorzugt verwendet, um zu verhindern, daß die
Überzugsschicht feine Löcher ausbildet.
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Im Verwendungsfall, bei dem die Infrarotstrahlung eine hohe
Durchlässigkeit bezüglich der aufgetragenen Schicht und ein
hohes Absorptionsvermögen des Substrats zum Trocknen der
aufgetragenen Schichten hat, erzeugen einige Schichten feine
Blasen in der gesamten Oberfläche oder in ihrem dickeren
Abschnitt, wenn für das Substrat Metallplatten verwendet
werden, deren Dicke relativ dünner ist. Diese feinen Blasen
werden derart erzeugt, daß das Lösungsmittel, das in dem
Überzugsmaterial enthalten ist, das auf dem Substrat
ausgebildet ist, während des Verfestigungsschritts der
aufgebrachten Schicht plötzlich zum Sieden gebracht wird.
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Die Tabelle 17 zeigt experimentelle Daten, welche die
Beziehung zwischen der Schichtdicke und der Erzeugung feiner
Blasen wiedergeben, wenn die Epoxidharzschicht auf eine
dünne gebonderte Stahlplatte von 1,6mm Dicke aufgetragen
wird. Gemäß diesem experimentellen Versuch werden die feinen
Blasen leicht erzeugt, wenn die Schicht dicker wird. Wenn
andererseits das Substrat relativ dick ist oder
Ferninfrarotstrahlung zum Trocknen der Schicht verwendet wird, werden
die feinen Blasen nicht erzeugt.
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Zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Phänomenen umfaßt
die Überzugsschicht verschiedene Lösungsmittel, die
verschiedene Siedepunkte haben.
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Der Erfinder dieser Anmeldung hat aus den vorstehend
beschriebenen Phänomenen die folgenden Tatsachen
herausgefunden.
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Im Verwendungsfall der Infrarotstrahlung in einem speziellen
Bereich, der eine hohe Durchlässigkeit bezüglich der
aufgetragenen Schicht hat, die auf dem Substrat ausgebildet ist
sowie ein hohes Absorptionsvermögen hinsichtlich des
Substrats, wird das Substrat vor der Schichtoberfläche im
Vergleich zu dem Fall erwärmt, daß die Ferninfrarotstrahlung
verwendet wird. Wenn die Wärmeenergie zum Erwärmen des
dikken Substrats verwendet wird und eine relativ lange Dauer
erforderlich ist, um die Überzugsschicht zu trocknen, kann
die Wärmeenergie die Überzugsschicht schnell erwärmen, die
auf dem dünnen Substrat ausgebildet ist. Die Verfestigung
der aufgetragenen Schicht aufgrund einer
Brübkenbildungsreaktion und dergleichen wird durch die Wärme beschleunigt,
die von dem Substrat übertragen wird und durch die
Infrarotstrahlung erzeugt wird. Da die Ferninfrarotstrahlung
andererseits nicht so viel Energie wie die vorstehend
beschriebene Infrarotstrahlung enthält, wird die Überzugsschicht
graduell erwärmt, weshalb die Trocknungsdauer länger dauert,
die feinen Blasen aber nicht erzeugt werden. Dieser Effekt
wird durch die Lösungsmittel verursacht, die in der Schicht
enthalten sind und in der Siedepunktabfolge graduell
verdampft werden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Trocknungsverfahren und eine Trocknungsvorrichtung für
verschiedene Überzugsmaterialien zu schaffen, wie
beispielsweise
wärmetrocknende Harze, die auf ein Substrat, wie
beispielsweise eine Metallplatte aufgebracht sind, wobei das
Verfahren und die Vorrichtung die aufgebrachten Schichten
ohne die Erzeugung feiner Löcher oder feiner Blasen zu
trocknen vermögen.
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Um die vorstehend genannten Ziele zu erreichen, wird ein
Trocknungsverfahren gemäß Anspruch 1 geschaffen.
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Bei dem Trocknungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
wird die beim ersten Schritt abgestrahlte Infrarotstrahlung
durch die Überzugsschicht hindurchgelassen und durch das
Substrat absorbiert, wodurch die Substratoberfläche durch
die absorbierte Energie erwärmt wird. Lösungsmittel im
Überzugsmaterial werden aus der aufgebrachten Schicht durch die
Wärme an der Substratoberfläche verdampft. Die beim zweiten
Schritt abgestrahlte Infrarotstrahlung wird durch die
Überzugsschicht absorbiert, um die Reaktionsteilnehmer in dem
Überzugsmaterial zu verfestigen.
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Die vorliegende Erfindung schafft außerdem
Trocknungsvorrichtungen gemäß den Ansprüchen 6 und 7.
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Der erste Infrarotstrahler umfaßt bevorzugt eine Mehrzahl
von IR-Strahlern, die voneinander beabstandet angeordnet
sind, und der zweite Infrarotstrahler umfaßt eine Mehrzahl
von Infrarotstrahlern, die eng zueinander angeordnet sind.
Gemäß diesen Anordnungen wird die Überzugsschicht graduell
erwärmt und getrocknet, ohne die Ausbildung von feinen
Löchern und feinen Blasen.
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Die IR-Strahler der ersten und zweiten Infrarotstrahler sind
auf eine Mehrzahl von bankförmigen Elementen angebracht, die
mit Bezug auf die Werkstückoberfläche geneigt sind. Während
das Werkstück vor den geneigten Infrarotstrahlern
vorbeiläuft, wird eine konstante Infrarotenergieinenge langsam auf
das Werkstück übertragen.
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Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 zeigt eine Kennkurve eines Infrarotspektrums von
Butylharnstoff-Butylmelaminharz;
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Fig. 2 zeigt eine Kennkurve eines Infrarotspektrums von
Epoxidharz vom Bisphenol-A-Typ;
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Fig. 3 zeigt eine Kennkurve eines Infrarotspektrums von
MMA-Homopolymerisat (Acrylgruppe);
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Fig. 4 zeigt eine Kennkurve eines Infrarotspektrums von
EMA-Homopolymerisat (Arcylgruppe);
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Fig. 5 zeigt eine Kennkurve eines Infrarotspektrums von
ungesättigtein Polyesterharz;
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Fig. 6 zeigt eine Darstellung von Kennkurven von zwei
unterschiedlichen Lampen für Nahinfrarot- und
Ferninfrarotstrahlung;
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Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt einer handbetätigbaren
Trocknungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform
"A1" (tunnelförmiger Ofen oder Kameltrückenofen)
der Erfindung;
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Fig. 8 zeigt einen teilweise vergrößerten Querschnitt
eines Infrarotstrahlers mit einem
Parabol-Reflektor, der in der erfindungsgemäßen
Trocknungsvorrichtung verwendet wird;
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Fig. 9 zeigt einen teilweise vergrößerten Querschnitt
eines anderen Infrarotstrahlers mit einem
hyperbolischen Reflektor, der in der erfindungsgemäßen
Trocknungsvorrichtung verwendet wird;
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Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung
aus mehreren Infrarotstrahlern, die in der
erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung verwendet
werden;
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Fig. 11 zeigt eine Aufrißansicht eines Beispiels einer
Anordnung von Infrarotstrahlern, die auf einem
bankförmigen Element angeordnet sind, das in der
erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung eingebaut
ist;
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Fig. 12 zeigt eine Aufrißansicht eines anderen Beispiels
einer Anordnung von Infrarotstrahlern, die auf
einem bankförmigen Element angeordnet sind, das in
der erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung
eingebaut ist;
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Fig. 13 zeigt eine Aufsicht der Infrarotstrahler, die auf
dem in den Fig. 11 und 12 gezeigten bankförmigen
Element angeordnet sind;
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Fig. 14 Fig. 15 und Fig. 16 zeigen Flußdiagramme
verschiedener Trocknungsprozesse gemäß den
Ausführungsforinen B1, B2 und B3 der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 17 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines
Beispiels eines Vorheizofens oder Hauptheizofens,
die in den Ausführungsformen B1, B2 und B3
verwendet werden;
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Fig. 18 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
weiteren Beispiels eines Vorheizofens oder eines
Hauptheizofens, die in den Ausführungsformen B1,
B2 und B3 verwendet werden;
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Fig. 19 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht zur
Erläuterung des Infrarotstrahlers, der in dem in
Fig. 18 gezeigten Ofen verwendet wird;
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Fig. 20 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht
einer Trocknungsvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform C1 der vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 21 zeigt eine schematische Ansicht einer
Trocknungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform C2 der
vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In den Zeichnungen umfaßt ein durch das Trocknungsverfahren
und die Trocknungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zu trocknendes Werkstück 100 ein Metallsubstrat und ein
darauf aufgetragenes Überzugsmaterial.
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Das Metallsubstrat ist vorzugsweise ausgewählt aus Eisen,
Aluminium, Kupfer, Messing, Beryllium, Molybdän, Nickel,
Blei, Rhodium, Silber, Tantal, Antimon, Cadmium, Chrom,
Iridium, Kobalt, Magnesium, Wolfram usw. Vor allem werden
Kupfer, Aluminium und Eisen dafür verwendet.
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Das Überzugsmaterial ist vorzugsweise ausgewählt aus
Acrylharzanstrich, Urethanharzanstrich, Epoxidharzanstrich,
Melaminharzanstrich usw. Das Überzugsmaterial ist auf dem
Metallsubstrat durch eine beliebige herkömmliche
Vorgehensweise aufgetragen, wie beispielsweise Spritzauftragen,
Walzenauftragen usw. Ferner kann die Überzugsschicht durch
einen Schmelzniederschlag von Pulverüberzugsmaterial
(Polyestergruppe, Epoxidgruppe, Acrylgruppe usw.) ausgebildet
sein.
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Die Tabellen 1 bis 4 zeigen das Reflexionsvermögen von
Metallen für unterschiedliche Wellenlängen aus dem American
Institute of Physics Handbook 6-120. Das Absorptionsvermögen
ist allgemein umgekehrt proportional zum Reflexionsvermögen.
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Fig. 1 zeigt eine Infrarotspektralkurve von Butylharnstoff-
Butylmelaminharz. Fig. 2 zeigt eine Infrarotspektralkurve
von Epoxidharz des Bisphenol-A-Typs. Fig. 3 zeigt eine
Infrarotspektralkurve von MMA-Homopolymerisat (Acrylgruppe).
Fig. 4 zeigt eine Infrarotspektralkurve von
EMA-Homopolymerisat (Acrylgruppe). Fig. 5 zeigt eine Infrarotspektralkurve
von ungesättigtem Polyesterharz. Fig. 6 zeigt zwei
Kennkurven von zwei unterschiedlichen Lampen für
Nahinfrarotstrahlung,
die in dieser Ausführungsform verwendet wird, und für
Ferninfrarotstrahlung, die in Vergleichsversuchen verwendet
wird. Die Nahinfrarotlampe hat einen Spitzenwert bei 1,4um
und die Ferninfrarotlampe hat einen Spitzenwert von 3,5um.
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In dem Fall, in dem das Werkstück 100 wie vorstehend
beschrieben, aus einem der vorstehend genannten Metalle und
einem der vorstehend genannten Überzugsmaterialien
zusammengesetzt ist, wird vorzugsweise die Infrarotlampe mit einem
Spitzenwert bei 2 um oder weniger verwendet, vor allem die
Nahinfrarotlampe, die einen Spitzenwert bei 1,2µm bis 1,5µm
hat.
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Die ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Trocknungsverfahrens werden nachfolgend in
bezug auf die Vergleichsbeispiele 1 und 2 näher erläutert.
Erste Ausführungsform der Erfindung
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Lichtquelle: Nahinfrarotlampe mit einem Spitzenwert bei
1,4um.
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Substrat: Gebonderte Stahlplatte (Dicke 1mm, Abmessung 100mm
x 100mm).
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Überzugsmaterial: Melaminharz (Amilac Nr. 1531, hergestellt
durch Kansai Paint Co., Ltd., weiß,
Alkydmelaminharzanstrich, Viskosität 20 Sekunden, gemessen mit dem Iwata-
Becher NK-2 Viskometer).
Vergleichsbeispiel 1
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Lichtquelle: Ferninfrarotlampe mit einem Spitzenwert bei
3, 5µm.
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Substrat: Gebonderte Stahlplatte (Dicke 1mm, Abmessung 100mm
x 100mm).
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Überzugsmaterial: Melaminharz (Amilac Nr. 1531, hergestellt
durch Kansai Paint Co., Ltd., weiß,
Alkydmelaminharzanstrich, Viskosität 20 Sekunden, gemessen mit dem Iwata-
Becher NK-2 Viskometer).
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Zweite Ausführungsform der Erfindung
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Lichtquelle: Nahinfrarotlampe mit einem Spitzenwert bei
1,4µm.
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Substrat: Gebonderte Stahlplatte (Dicke 1mm, Abmessung 100mm
x 100mm).
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Überzugsmaterial: Acrylharz (Magicron Nr. 1531, hergestellt
durch Kansai Paint Co., Ltd., weiß,
Acrylmelamin-Epoxidharzanstrich, Viskosität 20 Sekunden, gemessen mit dem Iwata-
Becher NK-2 Viskometer).
Vergleichsbeispiel 2
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Lichtquelle: Ferninfrarotlampe mit einem Spitzenwert bei
3,5µm.
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Substrat: Gebonderte Stahlplatte (Dicke 1mm, Abmessung 100mm
x 100mm).
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Überzugsmaterial: Acrylharz (Magicron Nr. 1531, hergestellt
durch Kansai Paint Co., Ltd., weiß,
Acrylmelamin-Epoxidharzanstrich, Viskosität 20 Sekunden, gemessen mit dem Iwata-
Becher NK-2 Viskometer).
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Unter den in der Ausführungsform 1, im Vergleichsbeispiel 1,
in der Ausführungsform 2 und im Vergleichsbeispiel 2
beschriebenen Bedingungen wurden Proben mit drei
unterschiedlichen aufgetragenen Schichten, deren Dicken 30µm, 40µm und
50µm sind, jeweils sechs Trocknungsarbeitsgängen mit der
folgenden Trocknungstemperatur und Bestrahlungszeitdauer
unterworfen: 130ºC x 12 Min., 140ºC x 10 Min., 150ºC x 8
Min., 160ºC x 6 Min., 170ºC x 5 Min. und 180ºC x 4 Min. Die
resultierenden Proben wurden beobachtet, um die auf ihrer
Oberfläche ausgebildeten feinen Löcher zu zählen. Die
gezählte Zahl der feinen Löcher ist in den Tabellen 5 bis 8
gezeigt.
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Die Ausführungsform 1 entspricht Tabelle 5, das
Vergleichsbeispiel 1 entspricht Tabelle 6, die Ausführungsform 2
entspricht Tabelle 7 und das Vergleichsbeispiel 2 entspricht
Tabelle 8.
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Wie in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigt, wird die IR-Lampe 1 im
Fokus des Reflektors 2 angeordnet. Der in Fig. 8 gezeigte
Reflektor 2 ist in einer parabolischen Schnittform
konfiguriert von der Lichtstrahlen parallel zueinander reflektiert
werden. Der in Fig. 9 gezeigte Reflektor 2 ist in einer
hyperbolischen Schnittform konfiguriert von der
Lichtstrahlen radial reflektiert werden. Fig. 10 zeigt ein Beispiel
mehrerer vertiakl zusammengebauter Infrarotstrahler 3.
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Vergleichsversuche unter Verwendung der IR-Lampen mit und
ohne dem Reflektor 2 zum Erwärmen des Werkstücks 100 auf bis
zu 120ºC wurden ausgeführt. Der Fall ohne den Reflektor 2
erforderte 7 Minuten, während der mit dem Reflektor 2
lediglich 1 Minute 20 Sekunden erforderte. Die maximale
Temperatur des Werkstücks 100, das durch die Lampe mit dem
Reflektor 2 erwärmt wurde, war 1,65 Mal größer als im Fall ohne
den Reflektor 2. Die IR-Lampe mit dem Reflektor kann den
abgestrahlten Strahl auf das Werkstück so konzentrieren, daß
die Heizdauer verkürzt werden kann.
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Die Fig. 11 bis 13 zeigen Infrarotstrahler, die auf einem
bankförmigen Element 4 angebracht sind. Die Fig. 11 und 12
zeigen Aufrißansichten unterschiedlicher Konfigurationen und
Fig. 13 zeigt eine Aufrißansicht dieser beiden
Konfigurationen.
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Das bankförmige Element 4 umfaßt eine zentrale Wand 5, auf
der die IR-Strahler 3 angeordnet sind und Spiegelseitenwände
6, 6', die einwärts gebogen sind, um als Reflektor zu
wirken. Wie in Fig. 11, Fig. 12 und Fig. 13 gezeigt, sind die
IR-Strahler 3 in einer vertikal geneigten Richtung
angeordnet. Die geneigte Anordnung der Strahler 3 ist nicht auf die
in Fig. 11 gezeigte Konfiguration beschränkt, bei der der
erste Strahler an der unteren Position nahe der rechten
Spiegelseitenwand 6 angeordnet ist, sondern umfaßt auch die
in Fig. 12 gezeigte Konfiguration, bei der der erste
Strahler in der oberen Position nahe der rechten
Spiegelseitenwand 6 angeordnet ist.
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Die IR-Strahler 3 sind auf der Innenwand des Ofens durch das
bankförmige Element 4 oder direkt auf diesem angebracht.
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Die ersten und zweiten Strahler bilden einen vertikal
abstrahlenden Bereich "a" wie in Fig. 11 und in Fig. 12
gezeigt, der nicht länger ist, als die vertikale Länge des
Werkstücks 10. Der vertikal abstrahlende Bereich "a" kann
jedoch kürzer sein als das Werkstück 100, wenn dieses
Plattenform hat.
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Ein Vergleichsexperiment unter Verwendung zweier Ofenarten,
das heißt einem ersten Trocknungsofen, bei dem drei
IR-Lampen geneigt angeordnet sind oder einem zweiten
Trocknungsofen, bei dem drei Lampen ausgerichtet angeordnet sind,
wurde durchgeführt, um zwischen den beiden Ofenarten
unterscheiden zu können. Proben des Werkstücks 100 (Substrat:
gebonderte Stahlplatte mit einer Dicke von 1,2mm, eine
Abmessung von 100mm x 100mm; Überzugsmaterialien: Magicron
white, hergestellt durch die Kansai Paint Inc., Viskosität:
10 Sekunden durch den Iwata-Becher NK-2), die
unterschiedliche Schichtdicken aufweisen, wurden der Infrarotstrahlung
für 4 Minuten in diesen beiden Ofenarten ausgesetzt. Im Fall
des zweiten Ofens hat die Probe mit einer Schichtdicke von
40 µm keine Blasen ausgebildet, während die Probe mit einer
Schichtdicke von 51µm wenige Blasen und diejenige mit einer
Schichtdicke von 54µm eine große Anzahl von Blasen
ausgebildet hat. Im Fall des ersten Ofens hat die Probe mit einer
Schichtdicke von zumindest 57µm andererseits Blasen
ausgebildet.
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Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt einer Trocknungsvorrichtung
in einem Kainelrückenofen 7 gemäß einer Ausführungsform,"A"
der vorliegenden Erfindung.
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Der Ofen 7 umfaßt eine Einlaßöffnung 71 und eine
Auslaßöffnung 72 für die Ein- und Ausführung des Werkstücks 100 in
bzw. aus dem Ofen 7 und vier Abschnitte 7A, 7B, 7C und 7D.
Der Höhenabschnitt 7A und die ebenen Abschnitte 7B und 7D
sind mit den IR-Lampen 1 oder dem IR-Strahler versehen, der
auf den Bankelementen 4 angebracht ist.
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Bei dieser Ausführungsform werden für die IR-Lampen 1, die
auf dem Höhenabschnitt 7A und dem ebenen Abschnitt 7B
angeordnet sind, Nahinfrarotlampen verwendet, die einen
Spitzenwert der Wellenlänge bei 2µm oder darunter, vorzugsweise
1,2 bis 1,5 µm haben. Da die optimalen IR-Lampen von der Art
des Substrats und des Überzugsmaterials, die verwendet
werden, abhängen, wird die Infrarotstrahlung, die eine hohe
Durchlässigkeit in bezug auf das Überzugsmaterial haben, das
auf das Substrat aufgebracht ist, sowie ein hohes
Absorptionsvermögen bezüglich des Substrats praktisch in bezug auf
die Fig. 1 bis 6 und die Tabellen 1 bis 8 ausgewählt.
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Die IR-Lampen 1, die an dem ebenen Abschnitt 7C angeordnet
sind, haben ein hohes Absorptionsvermögen hinsichtlich der
aufgebrachten Schicht. Im Fall von Melaminharzen oder
Acrylharzen, die durch eine Kondensationsreaktion ausgehärtet
werden, wird beispielsweise eine Zwischen-IR-Lampe
verwendet, die einen Spitzenwert bei etwa 2,8µm hat. Im Fall von
Urethanharzen, die durch eine Urethanreaktion ausgehärtet
werden, wird bevorzugt eine IR-Lampe verwendet, die einen
Spitzenwert bei etwa 5,6µm hat. Im Fall von Siliconharzen,
die durch eine Si-Reaktion ausgehärtet werden, wird
bevorzugt eine IR-Lampe verwendet, die einen Spitzenwert bei etwa
7 bis 8µm hat. Der Ofen kann per se IR-Lampen verwenden, die
einen Spitzenwert im Bereich von 1,3 bis 20µm haben.
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Das Werkstück 100 wird durch einen Förderer 8 in den Ofen 7
hinein und aus diesem heraus transportiert.
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Die IR-Lampen 1 oder die IR-Strahler 3 am ebenen Abschnitt
7B sind enger zueinander angeordnet, als am Möhenabschnitt
7A. Der ebene Abschnitt 7C verwendet eine engere Anordnung
als der Abschnitt 7B.
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Im herkömmlichen Trocknungsofen sind die IR-Lampen 1 mit
Zwischenräumen von 100 bis 150mm gleichmäßig angeordnet. Im
Gegensatz hierzu sind in dieser Ausführungsform "A" die
Zwischenräuine der IR-Lampen 1 auf den Abschnitten derart
variiert, daß der Abschnitt 7A die Zwischenräume 300 bis
400mm, der Abschnitt 7B die Zwischenräume 200 bis 300mm und
der Abschnitt 7C die Zwischenräume 100 bis 150mm aufweist.
Diese Anordnung stellt sicher, daß das Werkstück 100 mit
Wärmeenergie graduell versorgt wird, um die Überzugsschicht
um einen geringen Grad zu erwärmen.
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Experimentelle Proben unter der Verwendung einer gebonderten
Stahlplatte mit einer Dicke von 1,0mm als Substrat und
Melaminharz als Überzugsmaterial, das auf dem Substrat
aufgebracht ist, um unterschiedlich dicke Schichten, wie
beispielsweise 12 bis 14µm, 15 bis 20µm, 20 bis 24µm, 24 bis
29µm, 31 bis 38µm und 45 bis 50µm zu bilden, wurden
beispielsweise in dem Kamelrückenofen 7 erwärmt, wie in der
Ausführungsform "A" gezeigt. Selbst die Lagen, die dicker
waren als 35µm erzeugten weder Blasen noch geplatzte Blasen.
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Der Ofen 7 umfaßt zusätzlich eine Mehrzahl von
Lufteinlaßschlitzen 9, durch welche Heißluft geblasen wird, und eine
Mehrzahl von Luftauslaßschlitzen 10, durch welche Heißluft
abgegeben wird. Die Lufteinlaßschlitze 9 und die
Luftauslaßschlitze 10 sind in den ebenen Abschnitten 7B und 7C nahe
dem Boden und nahe der Decke gegenüberliegend jeweils so
ausgebildet, daß Heißluft von den Schlitzen 9 in den Ofen 7
geblasen und in die Schlitze 10 gezogen wird. Die Temperatur
der Heißluft ist auf 160ºC oder weniger für den ebenen
Abschnitt 7B und auf 180ºC oder weniger für den ebenen
Abschnitt 7C eingestellt. In diesem Ofen 7 werden die
Infrarotstrahler 3 oder die Kombination der Strahler 3 mit der
Heißluft so gesteuert, damit die Lufttemperatur nahe dem
Abschnitt 7B sich im Bereich von 60 bis 70ºC, nahe dem
Abschnitt 7B im Bereich von 120 bis 160ºC und nahe dem
Abschnitt 7C im Bereich von 160 bis 180ºC befindet.
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Die Heizdauer an den Abschnitten 7A, 7B und 7C hängt von der
Dicke des Substrats ab. Im einzelnen erfordern die
gebonderten Stahlsubstrate mit einer Dicke 0,8mm, 1mm und 3,2mm
jeweils 1 Minute, 1 Minute 30 Sekunden und 2 Minuten 30
Sekunden. Am Abschnitt 7B erfordern die gebonderten Stahl
substrate mit einer Dicke von 0,8mm, 1mm und 3,2mm 1 Minute,
1 Minute 30 Sekunden und 2 Minuten 30 Sekunden. Am Abschnitt
7C erfordern die gebonderten Stahlsubstrate mit einer Dicke
von 0,8mm, 1mm und 3,2mm 1 Minute 30 Sekunden, 2 Minuten und
4 Minuten.
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Die Tabellen 9 bis 16 zeigen die Siedepunkte der
Lösungsmittel, die in den verschiedenen Verdünnern enthalten sind,
die für die Überzugsmaterialien verwendet werden.
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Eine typische Arbeitsweise der Ausführungsform "A" wird
nachfolgend im einzelnen erläutert.
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Das Werkstück 100 wird in den Kamelrückenofen 7
hineintransportiert. Zunächst wird die Überzugsschicht des Werkstücks
100 am Höhenabschnitt 7A einer Infrarotstrahlung ausgesetzt,
die die hohe Durchlässigkeit bezüglich der aufgetragenen
Schicht und das hohe Absorptionsvermögen bezüglich des
Substrats hat, und sie wird gleichzeitig für etwa 1 Minute bis
2 Minuten 30 Sekunden der Heißluft ausgesetzt, die auf 60
bis 70ºC eingestellt ist. Die Infrarotstrahlung erwärmt das
Substrat und die Rückseite der aufgebrachten Schicht
benachbart zum Substrat, so daß die Lösungsmittel in dem
Überzugsmaterial verdampft werden. Einige Lösungsmittel, welche
einen relativ niedrigen Siedepunkt haben, der in den
Tabellen 9 bis 16 gezeigt ist, wie beispielsweise Ethylacetat und
Methylethylketon werden durch die Heißluft ohne Sieden
wirksam verdampft.
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Darauffolgend wird am ebenen Abschnitt 7B die
Überzugsschicht des Werkstücks 100 ebenfalls der Infrarotstrahlung
ausgesetzt, welche dieselbe Leistung hat wie der Abschnitt
7A, und der Heißluft für etwa 1 Minute 30 Sekunden bis 2
Minuten 30 Sekunden, die auf 120 bis 160ºC eingestellt ist.
Einige Bestandteile sind am Abschnitt 7A nicht verdampft
worden, und einige spezielle Lösungsmittel mit einem
mittleren Siedepunkt, die in den Tabellen 9 bis 16 gezeigt sind,
wie beispielsweise Toluen, Xylen, Butylacetat, n-Butanol
usw. werden ohne Sieden effektiv verdampft. Bei derselben
Gelegenheit beginnt das Ausgleichen und Tempern für die
Überzugsschicht.
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Am ebenen Abschnitt 7C wird die Überzugsschicht des
Werkstücks 100 einer Infrarotstrahlung ausgesetzt, die ein hohes
Absorptionsvermögen bezüglich der aufgebrachten Schicht hat
und gleichzeitig mit der Heißluft für etwa 3 Minuten 30
Sekunden beaufschlagt, die auf 120 bis 160ºC eingestellt
ist. Einige nicht am Abschnitt 7B verdampfte Bestandteile
und einige spezielle Lösungsmittel mit hohem Siedepunkt, die
in den Tabellen 9 bis 16 gezeigt sind, werden durch die
Heißluft ohne Sieden wirksam verdampft und die
Infrarotenergie wird durch die Reaktionseleinente in dem Überzugsmaterial
absorbiert, deren Elemente die Brückenreaktion und die
Kondensationsreaktion beschleunigen. Das aufgebrachte Material
ist deshalb vollständig getempert.
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Während das Werkstück 100 von dem Höhenabschnitt 7A, den
ebenen Abschnitten 7B und 7C des Kamelrückenofens 7 durch
den Förderer 8 abtransportiert wird, wird die
Überzugsschicht zunächst von ihrer Rückseite nahe dem Substrat
erwärmt, und die verschiedenen Lösungsmittel mit den
unterschiedlichen Siedepunkten werden durch die Kombination der
Heißluft und der Nahinfrarotstrahlung graduell verdampft.
Die Überzugsschicht wird schließlich durch die
Kondensationsreaktion des Überzugsmaterials ausgehärtet, das mit der
mittleren Infrarotstrahlung beaufschlagt wird. Dieser Prozeß
kann deshalb verhindern, daß die Überzugsschicht
irgendwelche feinen Löcher oder Blasen ausbildet. Zusätzlich zu
diesem Vorteil kann die Trocknungsdauer verkürzt werden.
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In Fig. 14, Fig. 15 und Fig. 16 sind weitere
Ausführungsformen B1, B2 und B3 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt.
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In diesen Ausführungsformen ist das Werkstück 10 einem
Vorheizschritt unterworfen und einem Hauptheizschritt nach dem
Beschichtungsschritt. Der Vorheizschritt verwendet eine
Mehrzahl von Heizeinheiten, die Infrarotstrahlung mit einem
hohen Durchlaßvermögen bezüglich der aufgebrachten Schicht
und ein hohes Absorptionsvermögen bezüglich des Substrats
hat. Die optimale Infrarotstrahlung wird mit Bezug auf die
Fig. 1 bis 6 und die Tabellen 1 bis 8 ausgewählt. Der
Hauptheizschritt verwendet eine Mehrzahl von Heizeinheiten,
welche die Ferninfrarotstrahlung oder den Heißluftblasstrom
erzeugen.
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In den Zeichnungen bezeichnen die Bezugsziffern 31 und 34
jeweils eine erste Beschichtungskammer und eine zweite
Beschichtungskammer. Sie sind identisch oder ähnlich mit
beispielsweise einer automatisch gesteuerten
Beschichtungsvorrichtung aufgebaut, durch die ein Substrat, beispielsweise
eine gebonderte Stahlplatte mit einer Schicht eines
Überzugsmaterials
versehen wird, das aus den vorstehend
genannten Materialien ausgewählt ist.
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In Fig. 15 und Fig. 16 erzeugt die zweite
Beschichtungskaminer 34, die in den Ausführungsformen B2 und B3 gezeigt ist,
eine zusätzliche Überzugsschicht mit beispielsweise einer
Dicke von 30µm auf dem Werkstück 10, das bereits durch den
Vorheizschritt 32 erwärmt worden ist, um auf dem Substrat
eine dicke Überzugsschicht auszubilden.
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Der Vorheizschritt 32 verwendet einen tunnelförmigen Ofen
oder einen Kamelrückenofen mit IR-Lampen 1, die eine
Infrarotstrahlung mit einer Spitzenwertwellenlänge von 2µm oder
weniger, vorzugsweise 1,2 bis 1,5µm (nahe Infrarotstrahlung)
erzeugen. Alternativ kann der Vorheizschritt 32 die in Fig.
17 und Fig. 18 gezeigten Öfen verwenden.
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Der Ofen am Vorheizschritt 32 wird eingestellt, damit seine
Innenlufttemperatur auf 140 bis 160ºC in der Ausführungsform
B1 gehalten wird. Das Werkstück 10 wird für 3 bis 4 Minuten
mit Wärme beaufschlagt, um die Oberflächentemperatur des
Werkstücks 100 auf 40 bis 60ºC einzustellen. In den
Ausführungsformen B2 und B3 wird das Werkstück 100 für 2 bis 3
Minuten der Wärme ausgesetzt, um das Werkstück 100 auf 50
bis 70ºC einzustellen.
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Der Hauptheizschritt 33 verwendet einen tunnelförmigen Ofen,
einen Kamelrückenofen oder einen Heißluftofen. Der Ofen beim
Hauptheizschritt 33 wird so eingestellt, daß seine
Innentemperatur auf 130 bis 150ºC in der Ausführungsform B1 gehalten
wird, und das Werkstück 100 wird für 20 bis 30 Minuten der
Wärme ausgesetzt. In den Ausführungsformen B2 und B3 wird
der Ofen so eingestellt, daß er seine Innentemperatur auf
200 bis 220ºC hält, und das Werkstück 100 wird für 30 bis 50
Minuten mit Wärme beaufschlagt.
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In der in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform ist das Substrat
mit einer Schicht eines Überzugsmaterials durch die erste
Beschichtungskammer 31 versehen, und die Überzugsschicht auf
dem Substrat wird darauffolgend mit der Infrarotstrahlung
beaufschlagt, die eine hohe Durchlässigkeit hinsichtlich der
aufgebrachten Schicht und ein hohes Absorptionsvermögen
hinsichtlich des Substrats hat in dem Ofen beim
Vorheizschritt. Die durch die Überzugsschicht hindurchgelassene
Infrarotstrahlung wird durch das Substrat absorbiert und in
Wärmeenergie umgewandelt, um die Rückseite der aufgetragenen
Schicht zu erwärmen. Dadurch werden die Lösungsmittel in der
aufgetragenen Schicht verdampft, bevor die Schichtoberfläche
vollständig ausgehärtet ist. Daraufhin wird das Werkstück
100 zusätzlich mit Wärme durch die Infrarotstrahlung und die
Heißluft in dem Ofen des Hauptheizschritts 33 beaufschlagt.
Diese Wärmeenergie wird durch die Überzugsschicht
absorbiert, um die Schichtoberfläche auszuhärten. Da die
Lösungsmittel aus der aufgetragenen Schicht beim Vorheizschritt
bereits verdampft worden sind, kann die Schichtoberfläche
ohne die Ausbildung feiner Löcher oder Blasen rasch
ausgehärtet werden.
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In der in Fig. 15 gezeigten Ausführungsform B2 wird das
Werkstück 100 ferner mit einer zusätzlichen Schicht in der
zweiten Beschichtungskainmer 34 nach dem Vorheizschritt 32
versehen. Daraufhin wird das Werkstück im Hauptheizschritt
33 der Hauptheizbehandlung unterworfen. Da das Substrat
während des zweiten Beschichtungsschritts die Wärmeenergie
behält, die von der Infrarotstrahlung beim Vorheizschritt
zugeführt worden ist, können die Lösungsmittel, die in der
zusätzlichen Schicht enthalten sind, aufgrund der
Wärmeenergie verdampft werden. Die zusätzliche Schicht kann dadurch
auf der vorausgehend aufgebrachten Schicht ohne Einbrechen
aufgebracht werden.
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In der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform B3 wird das
Werkstück 100 dem Vorheizen bei einem zweiten Vorheizschritt
32' erneut nach dem ersten Vorheizschritt 32 und dem zweiten
Beschichtungsschritt 34 unterworfen. Daraufhin wird das
Werkstück 100 beim Hauptheizschritt 33 der
Hauptheizbehandlung unterworfen. Das zweite Vorheizen stellt die
Verdampfung der Lösungsmittel sicher, die in der zusätzlichen
Schicht enthalten sind, so daß die zusätzliche Schicht auf
der vorausgehend aufgebrachten Schicht ohne Einbrechen
vollständig aufgebracht werden kann. Da die Verdampfung durch
dieses zweite Vorheizen beschleunigt wird, kann die
Heiztemperatur beim Hauptheizschritt 33 erhöht werden, um die
Trockendauer zu verkürzen.
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Fig. 17 und Fig. 18 zeigen Beispiele von tunnelförmigen
Öfen, die zum Vorheizen in den vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen B1 bis B3 verwendet werden.
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Ein in Fig. 17 gezeigter tunnelförmiger Ofen 15 umfaßt zwei
Einlaß- und Auslaßöffnungen 15A und 15B, durch welche das
Werkstück in den Ofen 15 hinein und aus diesem heraus
transportiert werden kann. Der Ofen 15 umfaßt ferner eine
Mehrzahl von IR-Strahler-Montage-Bankelementen 14 an der
Innenseitenwand des Ofens 15. Das Bankelement 4 ist mit einer
Mehrzahl von IR-Strahlern 3 versehen, die auf diesem geneigt
angebracht sind. Der Ofen 15 ist mit zwei Sätzen von
Luftvorhängen 16 an der Einlaßöffnung 15A und an der
Auslaßöffnung 15B versehen. Der Luftvorhang 16 ist zwischen einer
unteren Luftöffnung 17 und einer oberen Luftöffnung 18
gebildet, die miteinander über einen Umwälzkanal 20 in
Verbindung stehen. Der Kanal 20 umfaßt ein Gebläse 19 zum
Umwälzen der Luft von der oberen Luftöffnung 18 zur unteren
Luftöffnung 17, ein Filter 21, das stroinabwärts vom Gebläse
19 angeordnet ist und ein Luftkühlsystem 22.
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Das Kühlsystein 22 umfaßt zwei erste und zweite regulierte
Steuermotoren 32 und 24, einen ersten Dämpfer 25, der
stromaufwärts vom Gebläse 19 angeordnet und durch den ersten
Motor 23 betätigt ist, einen zweiten Dämpfer 26, der an der
oberen Luftöffnung 18 angeordnet und durch den zweiten Motor
24 betätigt ist, eine Temperatursteuereinheit 28 zum
Ermitteln der Temperatur der aus der unteren Luftöffnung 17
ausgeblasenen Luft und zum Steuern der Motore 23 und 24.
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Ein weiterer in Fig. 18 gezeigter tunnelförmiger Ofen 15 ist
nahezu mit demselben Aufbau ausgebildet mit der Ausnahme,
daß ein zusätzlicher IR-Strahler 3 oder ein Bankelement 4 am
Luftvorhang 16 angeordnet ist.
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Fig. 19 zeigt eine vereinfachte Darstellung des effektiven
Bestrahlungsbereichs 29 des IR-Strahls, der von der IR-Lampe
1 abgestrahlt wird und den Luftblasbereich 30 des
Luftvorhangs 16.
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Eine typische Arbeitsweise des in Fig. 17 gezeigten
tunnelförmigen Ofens 15 wird nachfolgend erläutert.
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Das Werkstück 100 wird in den Ofen 15 durch die
Einlaßöffnung 15A transportiert. Wenn das Werkstück 100 den
Luftvorhang 16 passiert, wird das Werkstück 100 mit der Luft
beaufschlagt, die aus der unteren Luftöffnung 17 ausgeblasen
wird. Da die Lufttemperatur durch das Kühlsystem 22 auf
einem vorbestimmten Pegel gehalten wird, wird die
Schichtoberfläche des Werkstücks 100 durch den Luftblasstrom des
Luftvorhangs 16 nicht ausgehärtet. Unter der Annahme, daß
die aktuelle Lufttemperatur an der unteren Luftöffnung 17
110ºC ist, die durch die Temperatursteuereinheit 28
ermittelt wird, daß die aktuelle Lufttemperatur in dem Ofen 15
bis 160ºC ist, daß die aktuelle Lufttemperatur an der oberen
Luftöffnung 18 130ºC ist, und daß eine vorbestiinmte
Temperatur der aus der Luftöffnung 17 herausgeblasenen Luft
vorliegt,
gibt die Steuereinheit 28 an die ersten und zweiten
Regelsteuermotore 23 und 24 ein Befehlssignal aus, um die
Differenztemperatur von 30ºC zwischen der aktuellen
Temperatur 110ºC und der vorbestimmten Temperatur 80ºC zu
korrigieren. Der erste Motor 23 treibt den Dämpfer 25 an, damit
dieser öffnet, so daß Umgebungsluft in den Umwälzkanal 20
eingeleitet wird. Der zweite Motor 24 treibt außerdem den
Dämpfer 26 an, damit dieser öffnet und versetzt das
Auslaßgebläse 27 in Drehung, so daß die Luft zwangsweise aus dem
Umwälzkanal 20 ausgeleitet wird. Wenn die
Temperatursteuereinheit 28 ermittelt, daß die aktuelle Temperatur der aus
der unteren Öffnung 17 geblasenen Luft auf den vorbestimmten
Temperaturpegel zurückkehrt, werden die Dämpfer 25 und 26 in
ihren Öffnungswinkeln festgesetzt, um die Temperatur des
Luftvorhangs 16 auf dem vorbestiminten Pegel zu halten.
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In dem tunnelförmigen Ofen 15 wird die Infrarotstrahlung von
den Infrarotstrahlern 3, die auf den Bänken 4 angebracht
sind, auf das Werkstück 10 angelegt, die durch die
Überzugsschicht hindurchgelassene IR-Energie wird durch das Substrat
absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt, um die Rückseite
der aufgebrachten Schicht zu erwärmen. Die Lösungsmittel des
Überzugsmaterials können verdampft werden, und die
Schichtoberfläche wird durch den Luftvorhang 16 nicht ausgehärtet,
dessen Lufttemperatur auf im wesentlichen denselben Pegel
eingestellt wird. Dadurch kann verhindert werden, daß die
Werkstückoberfläche feine Löcher ausbildet.
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In dem in Fig. 18 gezeigten Ofen, der einen zusätzlichen IR-
Strahler 3 oder ein Bankelement 4 umfaßt, der oder das am
Luftvorhang 16 angeordnet ist, wird das Werkstück 100
unmittelbar vor dem Luftvorhang 16 mit der Infrarotstrahlung
beaufschlagt. Diese Anordnung kann die Trocknungsdauer
verkürzen.
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Die Tabelle 9 zeigt das Ergebnis des experimentellen
Versuchs zur Ausbildung von feinen Löchern in der
Werkstückoberfläche unter Verwendung der in den Fig. 17 und 18
gezeigten tunnelförmigen Öfen, wobei die Luftgeschwindigkeit
und die Lufttemperatur des Luftvorhangs variiert werden.
Gemäß diesem Ergebnis wird die Lufttemperatur des
Luftvorhangs vorzugsweise auf 80ºC oder weniger gehalten, um zu
verhindern, daß die Werkstückoberfläche feine Löcher
ausgebildet.
-
Dieser experimentelle Versuch wurde unter den folgenden
Bedingungen ausgeführt.
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Überzugsmaterial: Melaminharz
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Substrat: Gebonderte Stahlplatte 1,2 t
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Schichtdicke: 30 µm
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Raumtemperatur: 30ºC
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Ofentemperatur: 160ºC
-
Höhe des Luftvorhangs (Abstand zwischen der
Luftblasöffnung und der Entlüftungsöffnung): 2m
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Luftgeschwindigkeit des Luftvorhangs (Beziehung der
Geschwindigkeit an der oberen Luftöffnung zu der
Geschwindigkeit an der unteren Luftöffnung):
4 m/s bis 10 m/s, 2,8 m/s bis 7 m/s, 1,2 m/s bis 4 m/s.
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Fig. 20 und Fig. 21 zeigen Trocknungsvorrichtungen, die
jeweils in den Ausführungsformen C1 und C2 verwendet werden,
in denen die Vorheizbehandlung und die Hauptheizbehandlung
in demselben Ofen ausgeführt werden. Das Werkstück 100 wird
der Vorheizbehandlung nahe der Einlaßöffnung des Ofens
ausgesetzt.
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Die Ausführungsform C1 verwendet einen Kamelrückenofen, der
eine Kombination von IR-Strahlern, die Ferninfrarotstrahlung
erzeugen, mit einem Heißluftblasstrom als die
Hauptheizeinrichtung verwendet. Wie in Fig. 20 gezeigt, umfaßt der
Kamelrückenofen 35 einen Höhenabschnitt 35B benachbart zu der
Einlaßöffnung 35A, auf dem eine Mehrzahl von Bänken 4 die
mit IR-Strahlern verbunden sind, angeordnet sind, um die
Vorheizbehandlung zu bewirken und einen zentralen Abschnitt
35C, der mit einem IR-Strahler verbunden ist, der
Nahinfrarotstrahlung erzeugt und/oder mit einer
Heißluftblasvorrichtung, um die Hauptheizung zu bewirken.
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Die Ausführungsform C2 verwendet einen tunnelförmigen Ofen
36, der eine Bank 4 umfaßt, die am Abschnitt 36B angeordnet
ist, auf der IR-Strahler angebracht sind, um die
Vorheizbehandlung zu bewirken, benachbart zu der Einlaßöffnung 36A
und einen zentralen Abschnitt 36C, der mit einem IR-Strahler
verbunden ist, der Nahinfrarotstrahlung erzeugt und/oder mit
einer Heißluftblasvorrichtung zur Bewirkung der
Hauptheizung.
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In diesen Öfen wird das Werkstück 100 durch einen Förderer 8
durch die Vorheizung nahe der Einlaßöffnung des Ofens und
die Hauptheizung transportiert. Wenn der Ofen die IR- und
Heißluftkombination verwendet, kann die Vorheiz- und
Hauptheizdauer verkürzt werden.
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Als nächstes werden experimentelle Vergleichsversuche zum
Trocknungswirkungsgrad der aufgetragenen Schicht durch das
erfindungsgemäße Trocknungsverfahren beschrieben, das den
Vorheizschritt verwendet, bei dem der IR-Strahler verwendet
wird, der die Nahinfrarotstrahlung erzeugt, und den
Hauptheizschritt, der den Infrarotstrahler verwendet, der die
Ferninfrarotstrahlung erzeugt und/oder den Heißluftblasofen
im Vergleich zu einem herkömmlichen Trocknungsverfahren, das
lediglich einen Heißluftofen nach dem Beschichtungsschritt
verwendet.
Ausführungsform 3
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Als Substrat wurde eine gebonderte Stahlplatte (Dicke 1mm,
Abmessung 100mm x 100mm) mit einer Schicht (Dicke 30µm) aus
Acrylharzüberzugsmaterial (Acrylight 100; hergestellt durch
die Chiyoda Paint Co., Ltd.) in einer Beschichtungskammer
versehen. Das beschichtete Substrat, das Werkstück 100,
wurde in einem tunnelförmigen Ofen transportiert, der mit
IR-Strahlern ausgerüstet war, die Nahinfrarotstrahlung mit
einem Ausgangsspitzenwert bei 1,4µm erzeugen. Die
Lufttemperatur in dem Ofen betrug 150ºC, die Durchlaßdauer durch den
Ofen 3 Minuten 30 Sekunden und die Oberflächentemperatur des
Werkstücks 100 50ºC. Daraufhin wurde das Werkstück 100 in
einem Heißluftofen für 25 Minuten bei 140ºC angeordnet.
-
Das resultierende Werkstück 100 hatte eine Bleistift-Härte
2H, eine Dichte von 100/100 und keine Blasen und keine
Aufweitung.
Vergleichsbeispiel 3
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Als Substrat wurde eine gebonderte Stahlplatte (Dicke 1mm,
Abmessung 100mm x 100mm) mit einer Schicht (Dicke 30µm) aus
Acrylharzüberzugsmaterial (Acrylight 100; hergestellt durch
die Chiyoda Paint Co., Ltd.) in einer Beschichtungskammer
versehen. Das beschichtete Substrat, das Werkstück 100,
wurde für 25 Minuten in einem Heißluftofen bei 140ºC
angeordnet.
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Das resultierende Werkstück hatte die Bleitstifthärte H, die
Dichte 100/100 und es waren Blasen und eine Ausdehnung von
20 Blasen/100 cm vorhanden.
-
Ferner wurden experimentelle Vergleichsversuche zur
Trocknungsausbeute der Schicht durchgeführt, die durch das
erfindungsgemäße Trocknungsverfahren aufgetragen wurde, das den
Vorheizschritt nach dem ersten Beschichtungsschritt
verwendet, den zweiten Beschichtungsschritt nach dem
Vorheizschritt
und den Hauptheizschritt unter Verwendung eines
Heißluftblasofens im Vergleich zu einem herkömmlichen
Trocknungsverfahren, das lediglich einen Heißluftofen nach den
ersten und zweiten Beschichtungsschritten verwendet.
Ausführungsform 4
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Als Substrat wurde eine gebonderte Stahlplatte (Dicke 1mm,
Abmessung 100mm x 100mm) mit einer Schicht (Dicke 30µm) aus
Acrylharzüberzugsmaterial (Acrylight 100; hergestellt durch
die Chiyoda Paint Co., Ltd.) in einer Beschichtungskammer
versehen. Das beschichtete Substrat, das Werkstück 100,
wurde in einem tunnelförmigen Ofen transportiert, der mit
IR-Strahlern ausgerüstet war, die Nahinfrarotstrahlung mit
einem Ausgangsspitzenwert bei 1,4µm erzeugen. Die
Lufttemperatur in dem Ofen betrug ISOOC, die Durchlaßdauer durch den
Ofen 2 Minuten 30 Sekunden und die Oberflächentemperatur des
Werkstücks 100 60ºC. Als nächstes wurde das Substrat 100
mit einer zusätzlichen Schicht (Dicke 30µm) aus
Acrylharzüberzugsmaterial (Acrylight 100; hergestellt durch die
Chiyoda Paint Co., Ltd.) versehen. Daraufhin wurde das
Werkstück 100 in einem Heißluftofen für 40 Minuten bei 210ºC
angeordnet.
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Das resultierende Werkstück 100 hatte keine Blasen und keine
Einbrüche. Die zu korrigierende Fehlproduktionsrate betrug
etwa 1% oder weniger.
Vergleichsbeispiel 4
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Als Substrat wurde eine gebonderte Stahlplatte (Dicke 1mm,
Abmessung 100mm x 100mm) mit einer Schicht (Dicke 30µm) aus
Acrylharzüberzugsmaterial (Acrylight 100; hergestellt durch
die Chiyoda Paint Co., Ltd.) in einer Beschichtungskammer
versehen. Das beschichtete Substrat, das Werkstück 100,
wurde für 40 Minuten in einem Heißluftofen bei 210ºC
angeordnet.
-
Das resultierende Werkstück 100 hatte einige Blasen und
Einbrüche. Die zu korrigierende Fehlproduktionsrate betrug
etwa 10%.
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Aus den vorstehend beschriebenen experimentellen Versuchen
ergibt sich, daß die Lösungsmittel schnell verdampft werden
können, und daß die Verbrückungsreaktion am Vorheizschritt
im Trocknungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
startet, wodurch die Haftfähigkeit der aufgetragenen Schicht
verbessert ist. Das Fließverhalten zwischen der
Substratoberfläche und der aufgetragenen Schicht ist ebenfalls
erhöht, so daß das sekundäre Nivellieren bei der
Verbrückungsreaktion verbessert werden kann.
[Tabelle 1]
Wellenlänge µm
Reflexionsvermögen von Metallen
[Tabelle 2]
Wellenlänge µm
Reflexionsvermögen von Metallen
[Tabelle 3]
Wellenlänge µm
Reflexionsvermögen von Metallen
[Tabelle 4]
Wellenlänge µm
Reflexionsvermögen von Metallen
[Tabelle 5]
Gezählte Anzahl feiner Löcher
Trocknungsbedingung
Schichtdicke
[Tabelle 6]
Gezählte Anzahl feiner Löcher
Trocknungsbedingung
Schichtdicke
Annähernd die gesamte Oberfläche
Gesamte Oberfläche
[Tabelle 7]
Gezählte Anzahl feiner Löcher
Trocknungsbedingung
Schichtdicke
[Tabelle 8]
Gezählte Anzahl feiner Löcher
Trocknungsbedingung
Schichtdicke
Annähernd die gesamte Oberfläche
Gesamte Oberfläche
[Tabelle 9]
Verdünner für Melaminharz- und Acrylharz-Überzugsmaterialen
Volumenverhältnis
Siedepunkt (ºC)
Xylol
Isobutyl-Alkohol
Methyl-Methox-Buthanol
[Tabelle 10]
Verdünner für Melaminharz- und Acrylharz-Überzugsmaterialen
(Verdünner für elektrostatischen Überzug; No. 620, Hersteller:
Daishin Chemical Co. Ltd.)
Volumenverhältnis
Siedepunkt (ºC)
Xylol
Isobutyl-Alkohol
Methyl-Methox-Buthanol
S150 Trimethyl-Benzol
[Tabelle 11]
Verdünner für Melaminharz- und Acrylharz-Überzugsmaterialen
(Verdünner für elektrostatischen Überzug; No. 1220, Hersteller:
Daishin Chemical Co. Ltd.)
Volumenverhältnis
Siedepunkt (ºC)
Xylol
Isobutyl-Alkohol
Methyl-Methox-Buthanol
S150 Trimethyl-Benzol
Butyl-Carbidol
[Tabelle 12]
Verdünner für Urethanharz-Überzugsmaterialen
Gew.-Teil
Siedepunkt (ºC)
Toluol
Xylol
Methyl-Isolbutyl-Keton
Ethyl 3-Ethoxpropinat
[Tabelle 13]
Verdünner für Fluorharz-Überzugsmaterialen
Gew.-Teil
Siedepunkt (ºC)
Toluol
Xylol
Ethyl-Acetat
Butyl-Acetat
Methyl-Isolbutyl-Keton
Ethyl 3-Ethoxpropinat
[Tabelle 14]
Verdünner zum Waschen
Gew.-%
Siedepunkt (ºC)
Toluol
Aceton
Methanol
[Tabelle 15]
Verdünner für Melamin-Alkyd-Überzugsmaterialen
Gew.-%
Siedepunkt (ºC)
Xylol
h-Buthanol
Methyl-Ethyl-Keton
Butyl-Zellenlöser
[Tabelle 16]
Verdünner für Acrylharz-Überzugsmaterialen
Gew.-%
Siedepunkt (ºC)
Toluol
Xylol
n-Buthanol
Ethyl-Acetat
Butyl-Acetat
Methyl-Ethyl-Keton
Butyl-Zellenlöser
[Tabelle 17]
Trocknungszustand von Überzugsschichten verschiedener Dicken
Temparatur (ºC)
Zeit (Min.)
Schichtdicke (µm)
Blasen
Härte (Bleistift)
Epoxidharz-Überzugsmaterial
(Epico 1000, Hersteller: Nihon Yushi Co. Ltd.)
Substrat: Gebonderte Stahlplatte, Dicke: 1,6mm
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