DE69911959T2

DE69911959T2 - Verfahren und vorrichtung zur elektrischen steuerung eines materialflusses

Info

Publication number: DE69911959T2
Application number: DE69911959T
Authority: DE
Inventors: Leo Hatjasalo; Jarkko Valtanen
Original assignee: OMS Optomedical Systems Ltd Oy
Current assignee: Oms Optomedical Systems Ltd Helsinki Fi Oy
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2019-04-29
Also published as: JP2002515355A; JP4511036B2; RU2220046C2; FI981082A0; FI103769B1; FI981082A; FI103769B; CA2331746A1; ATE251501T1; AU753491B2; AU3608499A; CN1149130C; BR9910320B1; EP1082178B1; US6524659B1; CN1301198A; DE69911959D1; BR9910320A; WO1999059735A1; CA2331746C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Steuerung eines Materialflusses, wobei ein aus einem oder mehreren Komponenten bestehendes im Wesentlichen auf Polymer basierendes Material, wie beispielsweise Kunststoff, Elastomer oder ähnliches, elektrisch aufgeladen und in einem elektrischen Feld auf eine dreidimensionale Form/ein dreidimensionales Ziel gesprüht wird.
Es ist derzeit üblich, so genanntes elektrostatisches Beschichten, z. B. beim Lackieren von Kraftfahrzeugen anzuwenden. Diese Anwendung wird allgemein unter Verwendung von Beschichtungsmaterialien auf Metallbasis ausgeführt, deren elektrische Ladung und Sprühen in einem elektrischen Feld in der besagten Anwendung in ausreichend homogener Weise erreicht werden können, sodass das Auto vollständig mit einer ausreichend dicken Lackschicht überdeckt wird. Die oben erwähnte Art der Beschichtung ist jedoch besonders bei Anwendung im Zusammenhang mit Materialien auf Kunststoffbasis in der Praxis ungünstig und aufgrund der schlechten Anwendbarkeit dieser Art von Materialien für die erwähnte Bearbeitung nicht ausreichend zuverlässig. Andererseits ist es bekannt, den zu sprühenden Kunststoff mit einer e lektrischen Ladung zu versehen, indem geeignete Materialien, wie beispielsweise Materialien auf Chlor-/Glykolbasis, verwendet werden, deren Polarität/spezifischer Widerstand reguliert werden kann. Diese Art elektrischer Handlung von Kunststoffmaterial konnte jedoch bisher nicht mit ausreichender Zuverlässigkeit ausgeführt werden. Aus diesem Grund müssen z. B. konventionelle dünnwandige Artikel, wie beispielsweise Handschuhe, Kondome oder ähnliches, in großem Umfang immer noch unter Verwendung eines herkömmlichen Eintauchprozesses hergestellt werden.
Andererseits zeigt die internationale Patentveröffentlichung WO 94/22594 ein Verfahren zur Beschichtung von Objekten mit insbesondere verschiedenen Formen, das auf der Tatsache basiert, dass ein aus mehreren Komponenten bestehendes Material, das aus einem kaltvulkanisierten und trägen, beispielsweise lösungsmittelfreien, Harz besteht, elektrostatisch auf eine Oberfläche eines Objekts aufgetragen wird, wonach mindestens ein flüssiges Material auf das Harz gesprüht wird, bevor es ausgehärtet ist.
Die zitierte Veröffentlichung offenbart keine konkrete Lösung für die Ausführung der oben erwähnten Aufgabe, da diese im Wesentlichen verschiedene alternative Arbeitsprinzipien zur Herstellung einer Beschichtung darlegt. Auf Grundlage der in der zitierten Publikation beschriebenen Technologie ist es in der Praxis nicht möglich sicherzustellen, dass insbesondere ein Fluss von elektrisch bearbeitbarem Material auf Harzbasis insbesondere auf einen mehrdimensional geformten Artikel so aufgetragen wird, dass jeder Bereich/jede Stelle des Artikels mit einer gewünschten Materialstärke versehen wird. Es bleibt also ein wesentliches Problem ungelöst, insbesondere was die elektrische Behandlung von Materialien auf Harz- oder Kunststoffbasis betrifft.
Ziel dieser Erfindung ist die Schaffung einer entscheidenden Abhilfe für die oben beschriebenen Probleme und somit die wesentliche Verbesserung des verfügbaren Stands der Technik. Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine Form/ein Ziel in einem elektrischen Potential angeordnet, die/das mit zwei oder mehreren auf voneinander verschiedene Spannungsniveaus eingestellten Verarbeitungsblöcken versehen ist, insbesondere um die Bewegungsbahnen der zu sprühenden Materialpartikel und das dieselben beeinflussende elektrische Feld zu koordinieren, in der Art und Weise, dass während der Sprühphase II eine Materialschicht in der gewünschten Stärke auf jedem Abschnitt/Bereich der Form-/Zielfläche gebildet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet einige erhebliche Vorteile, wie z. B. seine technische Funktionalität und Einsetzbarkeit, aufgrund welcher es praktisch zum ersten Mal möglich ist, in den verschiedensten Anwendungen ein ausreichend zuverlässiges Ergebnis zu erzielen, auch wenn im Zusammenhang mit der oben erwähnen Art der elektrischen Bearbeitung ein Herstellungsmaterial auf Kunststoffbasis verwendet wird. Die Nützlichkeit des Verfahrens beruht auf der Tatsache, dass eine erfindungsgemäße Form aufgrund von mathematisch bestimmten ungleichen Spannungsniveaus in den in ihr enthaltenen Verarbeitungsblöcken eine genaue Bestimmung der Materialstärke derart ermöglicht, dass das Endergebnis der eigentlichen Bearbeitung so genau wie gewünscht ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es außerdem, dass ein zu bearbeitender Gegenstand, wie beispielsweise ein zu beschichtendes Objekt oder ein daraus herzustellender Artikel, in gewünschten Bereichen planmäßig mit wesentlich ungleichen Wandstärken versehen werden kann. Außerdem ist es im Grunde möglich, das Verfahren in herkömmlicher Weise, z. B. elektrostatisch, anzuwenden, indem die im Voraus bestimmten Spannungsniveaus in den verschiedenen Verarbeitungsblöcken einer Form während der gesamten Sprühphase im Wesentlichen konstant gehalten werden. Andererseits ist es in diesem Zusammenhang auch möglich, sich einen dynamisch gesteuerten Sprühprozess derart zu Nutze zu machen, dass ein oder mehrere Prozessparameter während der Sprühphase kontinuierlich oder periodisch verändert werden.
Bevorzugte Anwendungen für das erfindungsgemäße Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft auch eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung gemäß der im Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs angegebenen Art in Zusammenfassung mit den kennzeichnenden Merkmalen.
Zu den wichtigsten Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zählen die technische Zuverlässigkeit während des Betriebs und ihre zuverlässige Funktion sowie die Nutzbarkeit für die verschiedensten Anwendungen. Vor allen Dingen liegt das grundlegende Konzept der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Tatsache, dass eine in ihr enthaltene Steuereinheit die Einstellung separater in einer Form integrierten Verarbeitungsblöcke z. B. auf im Voraus mathematisch bestimmte Spannungsniveaus ermöglicht, sodass der eigentliche Sprühprozess in der Lage ist, einen vollständig gesteuerten an jede Oberfläche/Wand einer Form/eines Ziels gerichteten Materialfluss zu erzeugen, um zu einer bestimmten Zeit bearbeitet/hergestellt zu werden. In Abhängigkeit von der Art des Prozesses ist es möglich, die Steuereinheit z. B. in einem im Wesentlichen herkömmlichen Verfahren anzuordnen, um sozusagen elektrostatisch zu arbeiten, sodass die im Voraus bestimmten Spannungsniveaus in den separaten Verarbeitungsblöcken einer Form während der gesamten Sprühphase wesentlich konstant sind. Andererseits ist es ebenfalls möglich, die Steuereinheit dynamisch auszubilden, sodass bestimmte Prozessparameter während des Sprühens kontinuierlich oder über ein Ein/Aus-Prinzip verändert werden. Ein anderer durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erreichter Vorteil besteht darin, dass, auch wenn ein aus mehreren Komponenten bestehendes Material bearbeitet wird, es möglich ist, nur eine Sprühphase zu nutzen, um ein völlig fertiges Endergebnis zu erhalten, welches somit nicht unbedingt irgendeine Art von Nachbearbeitungsmaßnahmen erfordert, wenn richtig gemischte Prozessmaterialien, z. B. in Bezug auf Färbung oder andere mechanische/physische Eigenschaften, wie beispielsweise Oberflächenspannung, Oberflächenfestigkeit oder ähnliches, verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es zeigen:
1 ein Betriebsprinzip eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
2 an einem Beispiel eine Form, die im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nutzvoll ist.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Steuerung eines Materialflusses, wobei ein im Wesentlichen auf Polymer basierendes Material 1, wie beispielsweise Kunststoff, Elastomer oder ähnliches, elektrisch aufgeladen I und in ein elektrisches Feld E auf eine dreidimensionale Form 2/ein dreidimensionales Ziel 3 gesprüht II wird. Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Form 2/das Ziel 3 zu Nutze, die/das in einem elektrischen Potential angeordnet ist, und die/das mit zwei oder mehreren auf voneinander verschiedene Spannungsniveaus eingestellten Verarbeitungsblöcken Li versehen ist, insbesondere um die Bewegungsbahnen der zu sprühenden Materialpartikel und das dieselben beeinflussende elektrische Feld zu koordinieren, in der Art und Weise, dass während der Sprühphase II eine Materialschicht in der gewünschten Stärke auf jedem Abschnitt/Bereich der Form-/Zielfläche gebildet wird.
Erstens beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf der Tatsache, dass ein vorgegebenes zu bearbeitendes Ziel, z. B. ein Handschuh wie in 2 dargestellt, im Voraus modelliert wird, und dies als Grundlage zur Bestimmung berechneter oder so genannter tabellarischer optimaler Spannungsniveaus für jede/n entscheidende/n Stelle/Bereich eines Ziels verwendet wird, sodass die ungleichen in diesen Bereichen errichteten Spannungsniveaus dazu dienen, das elektrische Feld während des eigentlichen Sprühens II entweder zu verstärken oder zu unterdrücken, um eine gesteuerte Verwaltung der Materialflüsse zu erreichen. Die oben genannten Eigenschaften können mittels sinnvoll angeordneter Kabel oder ähnlichen elektrisch leitenden Oberflächen ziemlich einfach in jedem Verarbeitungsblock ausgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt die Bearbeitung in einem statischen elektrischen Feld, sodass die im Voraus bestimmten ungleichen Spannungsniveaus verschiedener Verarbeitungsblöcke Li₁–Li₇ in der Form 2/dem Ziel 3 während der gesamten Sprühphase im Wesentlichen konstant gehalten werden.
Weiterhin erfolgt in einer alternativen bevorzugten Ausführung die Bearbeitung in einem dynamischen elektrischen Feld, indem im Verlauf der Sprühphase II ein oder mehrere Prozessparameter eines zu sprühenden Flussmaterials, wie beispielsweise der Volumenfluss, die Viskosität und/oder ähnliches, verändert werden. In der Praxis ist die einfachste Methode jedoch wahrscheinlich die Änderung des elektrischen Feldes E, wie beispielsweise der Ladung des zu sprühenden Materials und/oder der Spannungsniveaus der Form 2/des Ziels 3. Es ist außerdem möglich, die Spannungsniveaus der Verarbeitungsblöcke Li im Verlauf des Sprühens II innerhalb der Grenzen von im Voraus bestimmten minimalen und maximalen Spannungsniveaus dynamisch zu verändern.
Folglich ist es in diesem Zusammenhang möglich, z. B. das Spannungsniveau eines bestimmten Verarbeitungsblocks Li in der Form im Verlauf des Sprühens kontinuierlich oder ansonsten nur durch ein Ein/Aus-Prinzip zu verändern. In einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist es möglich, die Steuerung der zu sprühenden Materialpartikel durch eine mechanische Steuerung, wie beispielsweise schmale Luftstrahlen, Luftströme oder ähnliches, zu erreichen, um den gewünschten Vorgang bei Bedarf zu verstärken.
Weiterhin, insbesondere in Bezug auf das in 1 dargestellte Betriebsprinzip, werden z. B. mit Zylindern S unter Druck gesetzte aus mehreren Komponenten bestehende Bestandteile 1a, 1b zunächst mit einer Heizeinheit 01 erhitzt, wonach diese Materialien mittels einer Sprüheinheit 4, wie beispielsweise einer Sprühglocke oder ähnlichem, untereinander vermischt 02, elektrisch aufgeladen I und als Materialspray II freigesetzt werden.
Im Gegensatz zu Lösungen auf dem gegenwärtigen Stand der Technik umfasst die nach dem oben beschriebenen Verfahren arbeitende Vorrichtung eine Form 2/ein Ziel 3, die/das insbesondere auf ein elektrisches Potential gebracht und mit, z. B. nach dem in 2 dargestellten Prinzip, mehreren Verarbeitungsblöcken Li, die auf voneinander unterschiedliche Spannungsniveaus eingestellt werden, ausgestattet wird. Weiterhin enthält die Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführung nach Grundschema 1 eine Steuereinheit C zur Steuerung der Spannungsniveaus eines oder mehrerer Prozessparameter, wie beispielsweise des Volumenflusses, des zu sprühenden Materials, dessen Viskosität und/oder ähnlichem, und/oder zur Steuerung eines elektrischen Feldes E, wie beispielsweise der Ladung eines zu sprühenden Materials und/oder der Spannungsniveaus einer Form 2/eines Ziels 3.
Es besteht die Möglichkeit, die Steuereinheit C so einzusetzen, dass sie, wie oben beschrieben, statisch arbeitet oder andererseits auch dynamisch arbeitet, z. B. so, dass sich das Spannungsniveau eines bestimmten Verarbeitungsblocks/bestimmter Verarbeitungsblöcke Li in der Form 2/dem Ziel 3 innerhalb im Voraus bestimmter minimaler und maximaler Spannungsniveaus im Verlauf des Sprühens II kontinuierlich verändert.
Besonders in Bezug auf das in 1 dargestellte Grundschema des Betriebs enthält die Vorrichtung eine Heizeinheit 01 zur Erhitzung grundlegender Bestandteile 1a, 1b, die mittels Zylinder S unter Druck gesetzt werden, sowie eine Verarbeitungseinheit 4, wie beispielsweise eine Sprühglocke oder ähnliches, um die genannten Materialien untereinander zu mischen 02, dieselben elektrisch zu laden I und um aus dem vorbereiteten Herstellungsmaterial 1 ein Materialspray II zu bilden.
Es ist offensichtlich, dass sich die Erfindung nicht auf die oben genannten oder erklärten Anwendungen beschränkt, sondern dass sie größeren Modifikationen in dem Bereich, der in den beigelegten Patentansprüchen definiert ist, unterzogen werden kann. Es ist daher natürlich klar, dass das erfindungsgemäße Verfahren z. B. in der Oberflächenbehandlung oder für die Herstellung einer bestimmten Art von Teilen derart angewendet wer den kann, dass das Teil direkt nach der Sprühphase ein fertiges Endprodukt ausmacht, nachdem dasselbe aus der Form entnommen/getrennt wurde. Insbesondere in Hinsicht auf diese Art der Anwendung kann die vorliegende Erfindung insbesondere in einer Art von Verfahren angewendet werden, wie sie in der gleichzeitig schwebenden Patentanmeldung von dem Anmelder "Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dünnwandigen Artikels" gezeigt wird. Es ist außerdem natürlich deutlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung starrer dreidimensionaler Produkte/Beschichtungen verwendet werden kann, ebenso wie auch natürlich zur Herstellung ähnlicher elastischer Produkte. In der praktischen Anwendung kann das Spannungsniveau der Vorrichtung so gewählt werden, dass sie jeden beliebigen Zweck in bester Weise erfüllt, im Prinzip ist die Art der Ausstattung, die vom Anmelder mit einer maximalen Spannung von etwa 100 kV getestet wurde, in der Lage, ein ausreichend gutes Endresultat in vielen verschiedenen Prozessen zu erzielen. Es ist natürlich auch möglich, den Prozess mit zwei oder mehreren Sprüheinheiten auszuführen, die sich z. B. gegenüber stehen, und/oder indem die Form im Verlauf der Sprühphase kontinuierlich oder periodisch bewegt wird.

Claims

Verfahren zur elektrischen Steuerung eines Materialflusses, wobei ein aus einem oder mehreren Komponenten bestehendes im Wesentlichen auf Polymer basierendes Material (1), wie beispielsweise Kunststoff, Elastomer oder ähnliches, elektrisch aufgeladen (I) und in einem elektrischen Feld (E) auf eine dreidimensionale Form (2)/ein dreidimensionales Ziel (3) gesprüht (II) wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verfahren eine Form (2)/ein Ziel (3) zu Nutze macht, die/das in einem elektrischen Potential angeordnet ist, und die/das mit zwei oder mehreren auf voneinander verschiedene Spannungsniveaus eingestellten Verarbeitungsblöcken (Li) versehen ist, insbesondere um die Bewegungsbahnen der zu sprühenden Materialpartikel und das dieselben beeinflussende elektrische Feld (E) zu koordinieren, in der Art und Weise, dass während der Sprühphase (II) eine Materialschicht in der gewünschten Stärke auf jedem Abschnitt/Bereich der Form-/Zielfläche gebildet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess in einem statischen elektrischen Feld so durchgeführt wird, dass die für die verschiedenen Verarbeitungsblöcke (Li) der Form (2)/des Ziels (3) im voraus bestimmten unterschiedlichen Spannungsniveaus im gesamten Verlauf der Spritzphase (II) im Wesentlichen konstant gehalten werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess in einem dynamischen elektrischen Feld durchgeführt wird, indem im Verlauf der Sprühphase (ii) ein oder mehrere Prozessparameter eines zu sprühenden Materials, wie beispielsweise der Volumenfluss, die Viskosität und/oder ähnliches, oder des elektrischen Feldes (E), wie beispielsweise die Ladung des zu sprühenden Materials und/oder die Spannungsniveaus in den Verarbeitungsblöcken (Li) der Form (2)/ des Ziels (3), verändert werden.
Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess dynamisch derart durchgeführt wird, dass das Spannungsniveau in einem oder mehreren Verarbeitungsblöcken (Li) der Form (2)/des Ziels (3) im Verlauf des Sprühens (II) innerhalb der Grenzwerte von im Voraus festgelegten minimalen und maximalen Spannungsniveaus verändert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern der zu sprühenden Materialpartikel durch eine mechanische Steuerung, wie beispielsweise schmale Luftstrahlen, -ströme oder ähnliches, beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellungsmaterial (1) mittels einer Heizeinheit erhitzt wird (01), wonach die Bestandteile (1a, 1b) des aus mehreren Komponenten bestehenden Herstellungsmaterials untereinander vermischt werden (02), das Herstellungsmaterial (1) elektrisch aufgeladen (I) und durch eine Verarbeitungseinheit (4), wie beispielsweise eine Sprühglocke oder ähnliches, in Materialspray umgeformt wird (II).
Vorrichtung zur elektrischen Steuerung eines Materialflusses, die Einrichtungen zum elektrischen Laden (I) eines aus einem oder mehreren Komponenten bestehenden, im Wesentlichen auf Polymer basierenden Materials (1), wie beispielsweise Kunststoff, Elastomer oder ähnliches, und zum Sprühen (II) desselben in einem elektrischen Feld (E) in eine dreidimensionale Form (2)/ein dreidimensionales Ziel (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Form (2)/das Ziel (3) umfasst, die/das in einem elektrischen Potential angeordnet ist, und die/das mit zwei oder mehreren Verarbeitungsblöcken (Li) versehen ist, die auf verschiedene Spannungsniveaus eingestellt werden können, insbesondere um die Bewegungsbahnen der zu sprühenden Materialpartikel und das dieselben beeinflussende elektrische Feld (E) zu koordinieren.
Vorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Vorrichtung eine Steuereinheit (C) umfasst, um einen oder mehrere Prozessparameter eines zu sprühenden Materials, wie beispielsweise der Volumenfluss, die Viskosität und/oder ähnliches, und/oder des elektrischen Feldes (E), wie beispielsweise die Ladung des zu sprühenden Materials und/oder die Spannungsniveaus in den Verarbeitungsblöcken (Li) der Form (2)/ des Ziels (3), zu verändern.
Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (C) so eingerichtet ist, dass sie das Spannungsniveau in einem oder mehreren Verarbeitungsblöcken (Li) der Form (2)/des Ziels (3) im Verlauf des Sprühens (II) innerhalb der Grenzwerte von im Voraus festgelegten minimalen und maximalen Spannungsniveaus verändert.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Vorrichtung eine Heizeinheit (01) umfasst, um das Herstellungsmaterial (1) zu erhitzen, sowie eine Verarbeitungseinheit (4), wie beispielsweise eine Sprühglocke oder ähnliches, um die Materialbestandteile (1a, 1b) des aus mehreren Komponenten bestehenden Herstellungsmaterials untereinander zu vermischen (02), um das Herstellungsmaterial (1) elektrisch aufzuladen (I) und daraus ein Materialspray zu bilden (II).