EP0620045A1 - Elektrostatische Sprühvorrichtung - Google Patents

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EP0620045A1
EP0620045A1 EP94102449A EP94102449A EP0620045A1 EP 0620045 A1 EP0620045 A1 EP 0620045A1 EP 94102449 A EP94102449 A EP 94102449A EP 94102449 A EP94102449 A EP 94102449A EP 0620045 A1 EP0620045 A1 EP 0620045A1
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EP
European Patent Office
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electrode
spray device
spray
counter electrode
powder
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EP94102449A
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English (en)
French (fr)
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EP0620045B1 (de
Inventor
Eugen Thomas Bühlmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gema Switzerland GmbH
Original Assignee
Gema Switzerland GmbH
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Publication date
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Publication of EP0620045A1 publication Critical patent/EP0620045A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B5/00—Electrostatic spraying apparatus; Spraying apparatus with means for charging the spray electrically; Apparatus for spraying liquids or other fluent materials by other electric means
    • B05B5/025—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns
    • B05B5/053—Arrangements for supplying power, e.g. charging power
    • B05B5/0533—Electrodes specially adapted therefor; Arrangements of electrodes
    • B05B5/0535—Electrodes specially adapted therefor; Arrangements of electrodes at least two electrodes having different potentials being held on the discharge apparatus, one of them being a charging electrode of the corona type located in the spray or close to it, and another being of the non-corona type located outside of the path for the material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B5/00—Electrostatic spraying apparatus; Spraying apparatus with means for charging the spray electrically; Apparatus for spraying liquids or other fluent materials by other electric means
    • B05B5/025—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns
    • B05B5/03—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns characterised by the use of gas, e.g. electrostatically assisted pneumatic spraying
    • B05B5/032—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns characterised by the use of gas, e.g. electrostatically assisted pneumatic spraying for spraying particulate materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B5/00—Electrostatic spraying apparatus; Spraying apparatus with means for charging the spray electrically; Apparatus for spraying liquids or other fluent materials by other electric means
    • B05B5/025—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns
    • B05B5/053—Arrangements for supplying power, e.g. charging power
    • B05B5/0533—Electrodes specially adapted therefor; Arrangements of electrodes

Definitions

  • the invention relates to an electrostatic spray device according to the preamble of claim 1.
  • the invention is suitable for powdered coating material such as plastic powder or enamel powder.
  • the powder is at an outlet opening sprayed the spray device and electrostatically charged either immediately before this outlet opening or after this outlet opening.
  • Electrodes hereinafter called charging electrodes, are used for this purpose, which are connected to an electrical high voltage in the range between 40 KV and 140 KV.
  • the objects to be coated have a different electrical potential, preferably earth potential.
  • the atomized powder particles move along electric field lines, which are generated by the high voltage between the charging electrode and the object to be coated. After a thin layer of powder has formed on the object to be coated, this layer repels powder particles due to their electrical charge because they are electrostatically charged in the same way. As a result, only a limited layer thickness can be produced on the object to be coated in one operation.
  • the electrostatic attraction of the object to be coated is different at corners and edges and at openings of this object than on flat larger surfaces. Corners and edges are usually coated poorly or less strongly than larger areas lying next to them.
  • the powder particles fly under the influence of the electrostatic field around the outer peripheral edges and around the edges of openings of the object to be coated and are then pulled due to the electrostatic attraction of the object on the back, so that the back of the object to be coated is also coated here . This can be referred to as "electrical wrap".
  • the surface quality and the penetration ability of the powder into depressions of the objects to be coated can be improved. Furthermore, a thicker layer of powder can be applied to the objects to be coated in a spraying process without excessive powder particles bouncing off the object or being electrostatically repelled. In particular, an "orange peel" -like layer surface can be avoided.
  • the object of the invention is to provide means by which one or more counter electrodes can be provided inexpensively and with little space requirement for spray devices, and in particular commercially available spray devices can also be retro-fitted with at least one counter electrode. This means and the counter electrode should not interfere with the easy handling of the spray device.
  • the charging electrode 12 is located in the outlet 10 or in the immediate vicinity upstream or downstream of the outlet 10 and is connected to one High voltage generator 16 connected, which generates an electrical output voltage in the range between 40 KV and 140 KV.
  • the high voltage generator 16 can be arranged according to the drawings inside the housing 18 of the spray gun 2 or externally thereof. Both embodiments are known.
  • a DC low-voltage source not shown, which is arranged externally from the spray gun 2 and is also connected to ground potential 20.
  • a DC low-voltage source not shown, which is arranged externally from the spray gun 2 and is also connected to ground potential 20.
  • a plurality of charging electrodes could be arranged in the core of the coating material stream or around it, inside the housing 18 or in a nozzle forming the outlet 10, at the downstream end of the housing 18.
  • Various charging electrodes and arrangements of charging electrodes are known in practice.
  • one or more charging electrodes could also be arranged outside the spray gun 2 in or next to the stream of atomized powder. Such embodiments are also known.
  • the spray gun 2 shown is attached to a machine part or a robot 22 of a spray coating system. Instead, it could also have a handle and be used as a hand spray gun.
  • the object 4 or 6 to be coated is usually provided by a transport device is not shown, carried and transported through a spray coating booth.
  • the transport device is grounded so that the object 4 or 6 carried by it is also grounded by the transport device.
  • the electrical high voltage generates electrical field lines 24 which run from the tip 26 of the charging electrode 12 to the object 4 or 6 to be coated.
  • the powder particles sprayed at the outlet 10 move along these field lines 24 onto the object 4 or 6 to be coated. They also penetrate into depressions 28 of the object to be coated and through openings 30 of this object.
  • the particles also reach its rear side 32, as is shown in FIG. 1 by field lines 36 “encompassing the opening edge 34”.
  • electrostatic interactions result in a thicker layer thickness than on raised surfaces 40 or larger flat surfaces 42 of the object 4 to be coated.
  • the sprayed powder has the shape of a particle cloud, as represented by the field lines 24 in FIGS. 1 and 2.
  • an annular counter electrode 44 is arranged coaxially to the charging electrode 12, which a has different electrical potential than the charging electrode 12 and serves to suck free ions which are generated during the electrostatic charging of the powder.
  • the counter electrode 44 also attracts some electrons. This ion current and its path from the charging electrode 12 to the counter electrode 44 is designated by the reference number 46.
  • the counter electrode 44 can be at a higher or lower electrical potential than the charging electrode 12.
  • the counter electrode 44 is preferably connected to ground potential 20.
  • the counter electrode 44 is preferably arranged according to FIG. 1 against the flow direction 48 of the powder upstream from the tip 26 of the charging electrode 12, and thus outside and upstream of the powder cloud corresponding to the electric field lines 24.
  • outer surface 50 of the powder cloud which corresponds in size and shape to the electrical field lines 24, is not a sharp cloud boundary, but a diffuse transition between an area of uniform particle distribution and the surrounding atmosphere.
  • “outer surface 50” of the powder cloud is understood to mean the area where the particles no longer fly in a targeted manner along field lines 24 onto the object 4 or 6 to be coated, but instead vagabond out of the field line area.
  • the distance “d” between the counter electrode 44 and the charging electrode 12, between the counter electrode 44 and the tip 26 of the charging electrode 12, and between the counter electrode 44 and the outer surface 50 of the powder cloud should be smaller than the distance "D” between the tip 26 of the charging electrode 12 and the object 4 or 6 to be coated
  • the distance “d” between the tip 26 of the charging electrode 12 and the counter electrode 44 is only one third to half of the distance “D” between the tip 26 of the charging electrode 12 and the object 4 or 6 to be coated.
  • a compressed air nozzle arrangement 52 blows air over the counter electrode 44 or into the space between the counter electrode 44 and the charging electrode 12 in order to prevent the counter electrode 44 from being coated with powder. Compressed air is only required if coating of the counter electrode 44 cannot be prevented in any other way.
  • the counter electrode 44 is preferably carried by the housing 18 of the spray gun 2.
  • a charging electrode 12 or a counter electrode 44 instead of a charging electrode 12 or a counter electrode 44, a plurality of electrodes can also be present in each case.
  • FIG. 2 The embodiment of a spray gun 2 shown in FIG. 2 is identical to that of FIG. 1, with the exception of at least one counter electrode 64, which is one in the embodiment shown in FIG. 2 is needle-shaped wire electrode. Compressed air 66 flows around it coaxially, thereby keeping it free of coating material.
  • a plurality of counter electrodes 64 are preferably arranged coaxially with the charging electrode 12. These counter electrodes 64 are preferably arranged at the same circumferential distance from one another around the charging electrode 12. In Fig. 2, parts corresponding to parts of Fig. 1 are given the same reference numerals.
  • means 68 can be provided for axially and / or radially positioning the counter electrode 44 or 64 relative to the charging electrode 12.
  • Electrons are released under high electrical voltage on the at least one charging electrode 12, which can be an axial needle electrode according to FIGS. 1 and 2, or can be in the form of a plurality of such or other electrodes.
  • the coating material in the present case powder.
  • the rest fly to the closest grounded location, for example about 80% on the object 4 or 6 to be coated, about 10% on the Walls of the cabin in which the objects are coated and approximately 5% to 20% on the downstream end of the spray gun, depending on the distance between the charging electrode 12 and the object 4 or 6 to be coated.
  • the electrostatically charged powder finds its way onto the object 4 or 6 to be coated and remains there for the most part.
  • the powder forms an electrically insulating layer on the object.
  • the excess electrons, together with the powder, form an increased electrical charge on the surface of the object 4 or 6 and repel powder particles arriving later.
  • An electrostatically unstable force relationship arises on the surface of the object 4 or 6. This mechanism leaves a "hilly landscape" on the surface, which is called “orange peel” after the layer has been burned in.
  • the free ions in the air between the charging electrode 12 and the object 4 or 6 to be coated move at a very high speed of over 100 m / s. They follow the stronger electrostatic field in question, that is, the electrostatic forces.
  • the electrostatically charged powder particles are subject to the kinematic flow forces because they are transported in a gas stream or air stream.
  • the speed of movement of the powder particles is much lower than that of the ions and is only about 10 to 15 m / s. This means that the ions move independently of the powder particles.
  • Each individual ion has its own electrostatic field. In the vicinity of an object, this field is very strong due to the short distance to the grounded object. Therefore the Faraday effect is correspondingly strong. All of the free ions form a high electrostatic space charge. As a whole, this space charge therefore acts as a strong Faraday cage on all corners and edges of the object to be coated, so that it prevents the powder particles from penetrating well into the recesses and grooves.
  • the free ions are attracted by the counter electrode 44 or 64 and derived from the powder stream.
  • the counter electrode must be close to the charging electrode.
  • the distance “d” between the charging electrode 12 and the counter electrode 44 or 64 is preferably approximately one third to half the distance “D" between the counter electrode and the object 4 or 6 to be coated. If the distance “d” is greater, it loses the counter electrode its effect; the free electrons and ions are attracted more by the object 4 or 6 to be coated than by the counter electrode 44 or 64.
  • an excessive electric current flows between the charging electrode and the counter electrode, causing the electrical high voltage at the tip 26 of the charging electrode and thus the electrostatic field 24 necessary for charging the powder is reduced.
  • the Counterelectrode 44 or 64 causes an increased electrical current flow at the tip 26 of the charging electrode 12. As a result, much more free ions or electrons are generated by the charging electrode 12 for electrostatically charging the powder at the outlet 10 of the device 2 and are then available for electrostatic charging. This significantly improves the electrostatic charging of the powder. It also significantly improves the application efficiency of the powder to the object 4 or 6 to be coated.
  • the counter electrode 44 or 64 dissipates the substantial part of the ions, approximately 60 to 80%. Only the charged powder particles fly onto the object 4 or 6 to be coated, namely only 2% to 8% of the total electric current. The unwanted free ions are thus separated from the powder stream.
  • the ion space charge still exists here, but the flow of free ions concentrates on the counter electrode 44 or 64.
  • the Faraday effect is very strong on the counter electrode, but only very small on the object 4 or 6 to be coated.
  • the electrostatic charged powder particles penetrate better into recesses and grooves of the object 4 or 6.
  • the "electrostatic wrap" is also better. There is no accumulation of free ions on the surface of the object 4 or 6.
  • the electrostatic forces on the surface of the object 4 or 6 are much smaller. There is no unstable condition on the surface. The formation of an orange peel is inhibited. A much thicker powder layer can be applied to the object 4 or 6 in a single spraying process.
  • the counterelectrode 44 or 64 Since there is a risk that the counterelectrode 44 or 64 will also be coated by the electrostatically charged powder, it is expedient to flush the counterelectrode 44 or 64 with compressed air. In order to avoid coating the counterelectrode 44 or 64, it is expedient if it is arranged outside the powder stream, it preferably being set upstream with respect to the downstream tip 26 of the charging electrode 12, and not between the charging electrode 12 and the object 4 or to be coated 6 is arranged.
  • the electrical current at the charging electrode is higher when using a counter electrode 44 or 64.
  • the current increased from approximately 70 ⁇ A to approximately 100 ⁇ A during trials. .
  • the powder cloud forms an electrical resistance and promotes the flow of ions to the counterelectrode 44 or 64.
  • the electrostatic spray device 2 shown in FIGS. 3 and 4 essentially consists of a tubular spray body 3, at the downstream end of which a slot nozzle 70 is attached for atomizing the pneumatically conveyed powder.
  • At least one charging electrode 12 for electrostatically charging the powder is located within the spray nozzle 70 or the spray body 3.
  • an annular body 74 is fitted, which forms a counter electrode and / or a plurality of needle-like ones Counter electrodes 76 which protrude from it.
  • the counter electrodes 74 and 76 are connected to an electrical potential, preferably to earth potential, which is different from the electrical potential of the charging electrode 12.
  • the annular body 74 is fastened to the downstream end of a connecting web 78 which extends axially parallel to the spray body 3 and with it upstream end 80 inserted into a holder 22 and is axially positioned there by a screw with a knurled screw head 84.
  • FIG. 4 shows the spray device 2 from FIG. 3 with the counterelectrode device 86 removed, arrows 88 representing the direction of movement for attaching the annular body 74 to the downstream section 72. Furthermore, the direction of insertion for the screw 84 into a threaded bore 91 in the holder 22 is shown by an arrow 90.
  • FIG. 4 shows a ground potential connection 20.
  • the ground potential connection 20 can be connected directly to the connecting web 78 if it and the annular body 74 consist of electrically conductive material. If at least the connecting web 78 consists of electrically insulating material, an electrical line 73 is provided which connects the earth potential connection 20 to the counterelectrodes 76 and extends through the connecting web 78 and the annular body 74.
  • the annular body 74 is made of electrically conductive material when it acts as a counter electrode. If it is not intended to act as a counter electrode, it can be made of an electrically insulating material.
  • the ground potential connection 20 can be formed by the carrier 22 if it consists of an electrically conductive material.
  • FIG. 5 shows a pistol-shaped electrostatic spraying device 2.
  • the spray body is provided with a handle 95 near the upstream end 94 of its spray body 3.
  • the upstream end 80 of the connecting web 78 and the screw 84 are located directly above the handle 95 on the spray body 3.
  • the electrical grounding line 73 can be guided on the handle 95 or through it to the ground potential connection 20.
  • the charging electrode 12 is shown as an axial electrode, while in FIGS. 3 and 4 it was assumed that a plurality of needle-like charging electrodes 12 are arranged distributed around the powder path.
  • the annular body 74 is preferably adjustable to different axial positions relative to the spray body 3. In all cases, when the annular body 74 acts as a counter electrode or carries counter electrodes 76, it is located upstream of the tip 26 of the charging electrode 12.

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  • Electrostatic Spraying Apparatus (AREA)

Abstract

Elektrostatische Sprühvorrichtung. Sie enthält einen rohrartigen Sprühkörper (3); mindestens eine Aufladungselektrode (12) zum Übertragen von elektrostatischen Ladungen auf das Pulver;mindestens eine in der Nähe der Aufladungselektrode (12) angeordnete Gegenelektrode (44), welche an ein anderes elektrisches Potential (20) als die Aufladungselektrode (12 angeschlossen ist, so daß sie mindestens einen Teil der beim elektrischen Aufladen des Pulvers erzeugten freien Ionen aufnimmt; mindestens einen ringförmigen Körper (44; 68; 74), welcher die Gegenelektrode (44; 64; 74, 76) bildet oder trägt und sich um den stromabwärtigen Abschnitt (72) des Sprühkörpers (3) erstreckt, auf welchem er radial abgestützt ist; mindestens einen Verbindungssteg (78) außerhalb des Sprühkörpers (3), welcher an seinem stromabwärtigen Ende (79) den ringförmigen Körper (74) trägt und mit seinem stromaufwärtigen Ende am Sprühkörper (3) befestigt ist; eine elektrische Verbindung durch den Verbindungssteg (78) zwischen einem elektrischen Potentialanschluß (20) und der Gegenelektrode (44). <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Sprühvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Die Erfindung eignet sich für pulverförmiges Beschichtungsmaterial wie beispielsweise Kunststoffpulver oder Emailpulver.
  • Bei der elektrostatischen Sprühbeschichtung von Gegenständen wird das Pulver an einer Auslaßöffnung der Sprühvorrichtung versprüht und entweder unmittelbar vor dieser Auslaßöffnung oder nach dieser Auslaßöffnung positiv oder negativ elektrostatisch aufgeladen. Hierzu dienen Elektroden, im folgenden Aufladungselektroden genannt, welche an eine elektrische Hochspannung im Bereich zwischen 40 KV und 140 KV angeschlossen sind. Die zu beschichtenden Gegenstände haben ein anderes elektrisches Potential, vorzugsweise Erdpotential. Die zerstäubten Pulver-Partikel bewegen sich entlang von elektrischen Feldlinien, welche durch die Hochspannung zwischen der Aufladungselektrode und dem zu beschichtenden Gegenstand erzeugt werden. Nachdem sich auf dem zu beschichtenden Gegenstand eine dünne Schicht aus Pulver gebildet hat, stößt diese Schicht durch ihre elektrische Ladung nachkommende Pulver-Partikel ab, weil diese in gleicher Weise elektrostatisch aufgeladen sind. Dadurch kann in einem Arbeitsgang nur eine begrenzte Schichtdicke auf dem zu beschichtenden Gegenstand erzeugt werden. Ferner entsteht infolge der gegenseitigen Abstoßung der Pulver-Partikel auf der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstands ein instabiles Kräfteverhältnis. Dieses instabile Kräfteverhältnis führt dazu, daß sich keine glatte, ebene Beschichtungsoberfläche bildet, sondern eine Art "Hügellandschaft", welche beim anschließenden Einbrennen der Schicht eine sogenannte "Orangenhaut" bildet und deshalb nach Möglichkeit verhindert werden soll.
  • Die elektrostatische Anziehung des zu beschichtenden Gegenstandes ist an Ecken und Kanten sowie an Öffnungen dieses Gegenstandes anders als auf ebenen größeren Flächen. Üblicherweise werden Ecken und Kanten schlechter oder weniger stark beschichtet als danebenliegende größere Flächenbereiche. Die Pulver-Partikel fliegen unter Einwirkung des elektrostatischen Feldes um die Außenumfangsränder und um die Ränder von Öffnungen des zu beschichtenden Gegenstandes herum und werden dann infolge der elektrostatischen Anziehungskraft des Gegenstandes auf dessen Rückseite gezogen, so daß hier auch die Rückseite des zu beschichtenden Gegenstandes beschichtet wird. Dies kann als "elektrischer Umgriff" bezeichnet werden.
  • Durch die Verwendung einer Gegenelektrode, welche aus dem versprühten Pulverstrom freie Ionen absaugt, kann die Oberflächengüte und das Eindringvermögen des Pulvers in Vertiefungen der zu beschichtenden Gegenstände verbessert werden. Ferner kann in einem Sprühvorgang eine dickere Pulverschicht auf die zu beschichtenden Gegenstände aufgetragen werden, ohne daß übermäßig viel Pulver-Partikel vom Gegenstand abprallen oder elektrostatisch abgestoßen werden. Insbesondere kann eine "Orangenhaut"-artige Schichtoberfläche vermieden werden.
  • Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, Mittel zu schaffen, durch welche eine oder mehrere Gegenelektroden preiswert und mit wenig Platzbedarf bei Sprühvorrichtungen vorgesehen werden können und insbesondere auch handelsübliche Sprühvorrichtungen nachträglich (retro-fit) noch mit mindestens einer Gegenelektrode versehen werden können. Diese Mittel und die Gegenelektrode sollen die leichte Handhabung der Sprühvorrichtung nicht beeinträchtigen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
  • Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteranspruchen enthalten.
  • Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen als Beispiele beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
    • Fig. 1
    eine Sprühvorrichtung zum elektrostatischen Sprühbeschichten von Gegenständen, bei welcher eine Gegenelektrode in Form eines Ringes koaxial zu einer Aufladungselektrode angeordnet ist,
    Fig. 2
    eine weitere Ausführungsform einer Sprühvorrichtung zum elektrostatischen Sprühbeschichten von Gegenständen, bei welcher als Gegenelektrode mehrere stabförmige Drähte vorgesehen sind,
    Fig. 3
    eine Seitenansicht einer weiteren elektrostatischen Sprühvorrichtung nach der Erfindung,
    Fig. 4
    eine Seitenansicht der Sprühvorrichtung von Fig. 3 mit abgenommener Gegenelektrodenvorrichtung,
    Fig. 5
    eine Seitenansicht einer pistolenartigen elektrostatischen Sprühvorrichtung nach der Erfindung.
  • Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Sprühvorrichtung oder Sprühpistole 2 zur elektrostatischen Sprühbeschichtung von Gegenständen 4 oder 6 und weist einen Sprühkörper 3 mit einem Einlaß 8 für pneumatisch gefördertes Beschichtungs-Pulver, einen Auslaß 10 zum Zerstäuben oder Versprühen des Pulvers auf einen Gegenstand 4 oder 6, und mindestens eine axial im Pulverstrom liegende Aufladungselektrode 12 auf. Die Aufladungselektrode 12 befindet sich im Auslaß 10 oder in unmittelbarer Nähe stromaufwärts oder stromabwärts des Auslasses 10 und ist an einen Hochspannungserzeuger 16 angeschlossen, welcher eine elektrische Ausgangsspannung im Bereich zwischen 40 KV und 140 KV erzeugt. Der Hochspannungserzeuger 16 kann entsprechend den Zeichnungen innerhalb des Gehäuses 18 der Sprühpistole 2 oder extern davon angeordnet sein. Beide Ausführungsformen sind bekannt. Der Hochspannungserzeuger 16 der Fig. 1 und 2 ist an eine extern von der Sprühpistole 2 angeordnete, nicht dargestellte Gleichstrom-Niederspannungsquelle und außerdem an Erdpotential 20 angeschlossen. Statt einer axialen nadelförmigen Aufladungselektrode 12 im Auslaß 10 könnten mehrere Aufladungselektroden im Kern des Beschichtungsmaterial-Stromes oder um ihn herum, innerhalb des Gehäuses 18 oder in einer den Auslaß 10 bildenden Düse, am stromabwärtigen Ende des Gehäuses 18 angeordnet sein. In der Praxis sind verschiedene Aufladungselektroden und Anordnungen von Aufladungselektroden bekannt. Ferner könnte eine oder mehrere Aufladungselektroden auch außerhalb der Sprühpistole 2 in oder neben dem Strom von zerstäubtem Pulver angeordnet sein. Auch solche Ausführungsformen sind bekannt.
  • Die dargestellte Sprühpistole 2 ist an einem Maschinenteil oder einem Roboter 22 einer Sprühbeschichtungsanlage befestigt. Stattdessen könnte sie auch einen Handgriff aufweisen und als Hand-Sprühpistole verwendet werden.
  • Der zu beschichtende Gegenstand 4 oder 6 wird üblicherweise von einer Transportvorrichtung, welche nicht dargestellt ist, getragen und durch eine Sprühbeschichtungskabine hindurchtransportiert. Die Transportvorrichtung ist geerdet, so daß auch der von ihr getragene Gegenstand 4 oder 6 durch die Transportvorrichtung geerdet ist.
  • Die elektrische Hochspannung erzeugt elektrische Feldlinien 24, welche von der Spitze 26 der Aufladungselektrode 12 zu dem zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6 verlaufen. Die am Auslaß 10 versprühten Pulverpartikel bewegen sich entlang diesen Feldlinien 24 auf den zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6. Dabei dringen sie auch in Vertiefungen 28 des zu beschichtenden Gegenstandes ein und durch Öffnungen 30 dieses Gegenstandes hindurch. Dadurch gelangen die Partikel durch den "elektrischen Umgriffeffekt" in Randbereichen des Gegenstandes auch auf seine Rückseite 32, wie dies in Fig. 1 durch den Öffnungsrand 34 "umgreifende" Feldlinien 36 dargestellt ist. An vorstehenden Kanten 38 oder Ecken ergibt sich durch elektrostatische Wechselwirkungen eine stärkere Schichtdicke als auf erhobenen Flächen 40 oder größeren ebenen Flächen 42 des zu beschichtenden Gegenstandes 4.
  • Das versprühte Pulver hat im Längsschnitt gesehen die Form einer Partikel-Wolke, wie sie in den Figuren 1 und 2 durch die Feldlinien 24 dargestellt ist.
  • In Fig. 1 ist koaxial zur Aufladungselektrode 12 eine ringförmige Gegenelektrode 44 angeordnet, welche ein anderes elektrisches Potential als die Aufladungselektrode 12 hat und dazu dient, freie Ionen abzusaugen, welche bei der elektrostatischen Aufladung des Pulvers erzeugt werden. Dabei zieht die Gegenelektrode 44 auch einige Elektronen an. Dieser Ionenstrom und sein Weg von der Aufladungselektrode 12 zur Gegenelektrode 44 ist mit der Bezugszahl 46 bezeichnet. Die Gegenelektrode 44 kann auf einem höheren oder niedrigeren elektrischen Potential liegen als die Aufladungselektrode 12. Vorzugsweise ist die Gegenelektrode 44 an Erdpotential 20 angeschlossen. Die Gegenelektrode 44 ist vorzugsweise entsprechend Fig. 1 entgegen der Strömungsrichtung 48 des Pulvers stromaufwärts von der Spitze 26 der Aufladungselektrode 12 koaxial zu ihr angeordnet, und damit außerhalb und stromaufwärts der den elektrischen Feldlinien 24 entsprechenden Pulver-Wolke.
  • Die äußere Oberfläche 50 der Pulver-Wolke, welche größenmäßig und formmäßig den elektrischen Feldlinien 24 entspricht, ist keine scharfe Wolkenbegrenzung, sondern ein diffuser Übergang zwischen einem Bereich gleichmäßiger Partikel-Verteilung und der umgebenden Atmosphäre. In der hier gegebenen Beschreibung wird unter "äußerer Oberfläche 50" der Pulver-Wolke der Bereich verstanden, wo die Partikel nicht mehr gezielt entlang Feldlinien 24 auf den zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6 fliegen, sondern aus dem Feldlinienbereich herausvagabundieren. Der Abstand "d" zwischen der Gegenelektrode 44 und der Aufladungselektrode 12, zwischen der Gegenelektrode 44 und der Spitze 26 der Aufladungselektrode 12, und zwischen der Gegenelektrode 44 und der äußeren Oberfläche 50 der Pulver-Wolke sollte kleiner sein als der Abstand "D" zwischen der Spitze 26 der Aufladungselektrode 12 und dem zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6. Vorzugsweise beträgt der Abstand "d" zwischen der Spitze 26 der Aufladungselektrode 12 und der Gegenelektrode 44 nur ein Drittel bis die Hälfte von dem Abstand "D" zwischen der Spitze 26 der Aufladungselektrode 12 und dem zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6.
  • Eine Druckluft-Düsenanordnung 52 bläst Luft über die Gegenelektrode 44 oder in den Zwischenraum zwischen Gegenelektrode 44 und Aufladungselektrode 12, um ein Beschichten der Gegenelektrode 44 mit Pulver zu verhindern. Druckluft wird nur dann benötigt, wenn nicht auf andere Art ein Beschichten der Gegenelektrode 44 verhindert werden kann.
  • Die Gegenelektrode 44 wird vorzugsweise vom Gehäuse 18 der Sprühpistole 2 getragen.
  • Anstelle einer Aufladungselektrode 12 oder einer Gegenelektrode 44 können jeweils auch mehrere Elektroden vorhanden sein.
  • Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform einer Sprühpistole 2 ist identisch mit der von Fig. 1, mit Ausnahme von mindestens einer Gegenelektrode 64, welche bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform eine nadelförmige Drahtelektrode ist. Sie wird koaxial von Druckluft 66 umspült und dadurch von Beschichtungsmaterial freigehalten. Vorzugsweise sind koaxial zur Aufladungselektrode 12 mehrere Gegenelektroden 64 angeordnet. Diese Gegenelektroden 64 sind vorzugsweise mit gleichem Umfangsabstand voneinander um die Aufladungselektrode 12 herum angeordnet. In Fig. 2 sind Teile, welche Teilen von Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszahlen versehen.
  • Falls gewünscht, können Mittel 68 zur axialen oder/und radialen Positionierung der Gegenelektrode 44 oder 64 relativ zur Aufladungselektrode 12 vorgesehen sein.
  • Funktionsweisen der Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2:
    • a) Ohne Gegenelektrode 44 oder 64:
  • An der mindestens einen Aufladungselektrode 12, welche entsprechend den Figuren 1 und 2 eine axiale Nadelelektrode sein kann, oder aber in Form einer Vielzahl von solchen oder anderen Elektroden vorhanden sein kann, werden unter hoher elektrischer Spannung Elektronen freigesetzt. In der Nähe des hohen elektrischen Feldes 24 der Aufladungselektrode 12 wird ein kleiner Teil (ca. 1% bis 5%) der Elektronen auf das Beschichtungsmaterial, im vorliegenden Falle Pulver, geladen. Der Rest fliegt an die am nächsten liegende geerdete Stelle, beispielsweise ungefähr 80% auf den zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6, ungefähr 10% auf die Wände der Kabine, in welcher die Gegenstände beschichtet werden, und ungefähr 5% bis 20% auf das stromabwärtige Ende der Sprühpistole, je nach Distanz zwischen der Aufladungselektrode 12 und dem zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6. Das elektrostatisch geladene Pulver findet seinen Weg auf den zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6 und bleibt dort zum größten Teil haften. Dabei bildet das Pulver auf dem Gegenstand eine elektrisch isolierende Schicht. Die überschüssigen Elektronen bilden zusammen mit dem Pulver auf der Oberfläche des Gegenstandes 4 oder 6 eine erhöhte elektrische Ladung und stoßen später ankommende Pulver-Partikel ab. Auf der Oberfläche des Gegenstandes 4 oder 6 entsteht ein elektrostatisch instabiles Kräfteverhältnis. Dieser Mechanismus hinterläßt auf der Oberfläche eine "Hügellandschaft", welche nach dem Einbrennen der Schicht als "Orangenhaut" bezeichnet wird. Die freien Ionen in der Luft zwischen Aufladungselektrode 12 und zu beschichtendem Gegenstand 4 oder 6 bewegen sich mit einer sehr hohen Geschwindigkeit von über 100 m/s. Sie folgen dem betreffenden stärkeren elektrostatischen Feld, das heißt den elektrostatischen Kräften. Die elektrostatisch geladenen Pulver-Partikel unterliegen den kinematischen Strömungskräften, da sie in einem Gasstrom oder Luftstrom transportiert werden. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Pulver-Partikel ist wesentlich kleiner als jene der Ionen und beträgt nur ungefähr 10 bis 15 m/s. Dies bedeutet, daß sich die Ionen unabhängig von den Pulver-Partikeln bewegen.
  • Jedes einzelne Ion hat sein eigenes elektrostatisches Feld. In der Nähe eines Objektes ist dieses Feld aufgrund der kurzen Distanz zum geerdeten Objekt sehr stark. Deshalb ist auch der Faraday-Effekt entsprechend stark. Die freien Ionen bilden in ihrer Gesamtheit eine hohe elektrostatische Raumladung. Als Gesamtheit wirkt diese Raumladung deshalb als starker Faraday-Käfig an allen Ecken und Kanten des zu beschichtenden Gegenstandes, so daß sie ein gutes Eindringen der Pulver-Partikel in Vertiefungen und Nuten behindert.
    • b) Mit Gegenelektrode oder Gegenelektroden 44 oder 64:
  • Bei Verwendung einer Gegenelektrode werden die freien Ionen von der Gegenelektrode 44 oder 64 angezogen und aus dem Pulver-Strom abgeleitet. Die Gegenelektrode muß in der Nähe der Aufladungselektrode sein. Der Abstand "d" zwischen der Aufladungselektrode 12 und der Gegenelektrode 44 oder 64 beträgt vorzugsweise etwa ein Drittel bis die Hälfte des Abstandes "D" zwischen der Gegenelektrode und dem zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6. Wenn der Abstand "d" größer ist, verliert die Gegenelektrode ihre Wirkung; die freien Elektronen und Ionen werden stärker vom zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6 angezogen als von der Gegenelektrode 44 oder 64. Bei einem kleineren Abstand "d" fließt ein zu großer elektrischer Strom zwischen der Aufladungselektrode und der Gegenelektrode, wodurch die elektrische Hochspannung an der Spitze 26 der Aufladungselektrode und somit das zur Aufladung des Pulvers notwendige elektrostatische Feld 24 reduziert wird. Die Gegenelektrode 44 oder 64 bewirkt einen erhöhten elektrischen Stromfluß an der Spitze 26 der Aufladungselektrode 12. Dadurch werden von der Aufladungselektrode 12 wesentlich mehr freie Ionen oder Elektronen zur elektrostatischen Aufladung des Pulvers am Auslaß 10 der Vorrichtung 2 erzeugt und stehen dann zur elektrostatischen Aufladung zur Verfügung. Die elektrostatische Aufladung des Pulvers wird dadurch wesentlich verbessert. Außerdem wird dadurch auch der Auftragungswirkungsgrad des Pulvers auf den zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6 wesentlich verbessert. Die Gegenelektrode 44 oder 64 leitet den wesentlichen Teil der Ionen, ungefähr 60 bis 80% ab. Auf den zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6 fliegen nur noch die geladenen Pulver-Partikel, nämlich nur noch 2% bis 8% des gesamten elektrischen Stromes. Es gelingt also eine Trennung der unerwünschten freien Ionen vom Pulverstrom. Die Ionen-Raumladung besteht auch hier noch, jedoch konzentriert sich der Fluß von freien Ionen auf die Gegenelektrode 44 oder 64. Der Faraday-Effekt ist sehr stark an der Gegenelektrode, jedoch nur sehr klein an dem zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6. Die elektrostatisch geladenen Pulver-Partikel dringen dadurch besser in Vertiefungen und Nuten des Gegenstandes 4 oder 6 ein. Auch der "elektrostatische Umgriff" ist besser. An der Oberfläche des Gegenstandes 4 oder 6 entsteht keine Anhäufung von freien Ionen. Die elektrostatischen Kräfte an der Oberfläche des Gegenstandes 4 oder 6 sind wesentlich kleiner. Es herrscht kein instabiler Zustand an der Oberfläche. Die Bildung einer Orangenhaut ist gehemmt. Es kann eine wesentlich dickere Pulver-Schicht auf den Gegenstand 4 oder 6 in einem einzigen Sprühvorgang aufgebracht werden. Da die Gefahr besteht, daß die Gegenelektrode 44 oder 64 von dem elektrostatisch geladenen Pulver ebenfalls beschichtet wird, ist es zweckmäßig die Gegenelektrode 44 oder 64 mit Druckluft zu spülen. Zur Vermeidung einer Beschichtung der Gegenelektrode 44 oder 64 ist es zweckmäßig, wenn sie außerhalb des Pulverstromes angeordnet ist, wobei sie vorzugsweise mit Bezug auf die stromabwärtige Spitze 26 der Aufladungselektrode 12 stromaufwärts zurückgesetzt ist, und nicht zwischen Aufladungselektrode 12 und dem zu beschichtenden Gegenstand 4 oder 6 angeordnet ist.
  • Der elektrische Strom an der Aufladungselektrode ist bei Verwendung einer Gegenelektrode 44 oder 64 höher. Der Strom stieg bei Versuchen von ungefähr 70 µA auf ungefähr 100 µA. . Die Pulver-Wolke bildet einen elektrischen Widerstand und begünstigt den Ionenfluß zur Gegenelektrode 44 oder 64.
  • Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte elektrostatische Sprühvorrichtung 2 besteht im wesentlichen aus einem rohrartigen Sprühkörper 3, an dessen stromabwärtigem Ende eine Schlitzdüse 70 zum Zerstäuben des pneumatisch geförderten Pulvers befestigt ist. Innerhalb der Sprühdüse 70 oder des Sprühkörpers 3 befindet sich mindestens eine Aufladungselektrode 12 zum elektrostatischen Aufladen des Pulvers. Auf den stromabwärtigen Abschnitt 72 des Sprühkörpers 3, an welchem die Sprühdüse 70 befestigt ist, ist ein ringförmiger Körper 74 aufgesteckt, welcher eine Gegenelektrode bildet und/oder mehrere nadelartige Gegenelektroden 76 trägt, welche aus ihm herausragen. Die Gegenelektroden 74 und 76 sind an ein elektrisches Potential, vorzugsweise an Erdpotential, angeschlossen, welches verschieden ist vom elektrischen Potential der Aufladungselektrode 12. Der ringförmige Körper 74 ist am stromabwärtigen Ende eines Verbindungssteges 78 befestigt, welcher sich achsparallel zum Sprühkörper 3 erstreckt und mit seinem stromaufwärtigen Ende 80 in einen Halter 22 eingesteckt und dort durch eine Schraube mit einem gerändelten Schraubenkopf 84 axial positioniert ist.
  • Fig. 4 zeigt die Sprühvorrichtung 2 von Fig. 3 mit abgenommener Gegenelektroden-Vorrichtung 86, wobei mit Pfeilen 88 die Bewegungsrichtung zum Aufstecken des ringförmigen Körpers 74 auf dem stromabwärtigen Abschnitt 72 dargestellt ist. Ferner ist durch einen Pfeil 90 die Einsetzrichtung für die Schraube 84 in eine Gewindebohrung 91 im Halter 22 dargestellt. Fig. 4 zeigt einen Erdpotentialanschluß 20. Der Erdpotentialanschluß 20 kann direkt an den Verbindungssteg 78 angeschlossen sein, wenn er und der ringförmige Körper 74 aus elektrisch leitendem Material bestehen. Wenn mindestens der Verbindungssteg 78 aus elektrisch isolierendem Material besteht, ist eine den Erdpotentialanschluß 20 mit den Gegenelektroden 76 verbindende elektrische Leitung 73 vorgesehen, welche sich durch den Verbindungssteg 78 und den ringförmigen Körper 74 erstreckt. Der ringförmige Körper 74 besteht aus elektrisch leitendem Material, wenn er als Gegenelektrode wirkt. Wenn er nicht als Gegenelektrode wirken soll, kann er aus elektrisch isolierendem Material bestehen. Der Erdpotentialanschluß 20 kann durch den Träger 22 gebildet sein, wenn er aus elektrisch leitendem Material besteht.
  • In Fig. 5 ist eine pistolenförmige elektrostatische Sprühvorrichtung 2 dargestellt. Nahe des stromaufwärtigen Endes 94 ihres Sprühkörpers 3 ist der Sprühkörper mit einem Handgriff 95 versehen. Das stromaufwärtige Ende 80 des Verbindungssteges 78 und die Schraube 84 befinden sich unmittelbar über dem Griff 95 am Sprühkörper 3. Dadurch kann die elektrische Erdungsleitung 73 am Griff 95 oder durch ihn hindurch zum Erdpotentialanschluß 20 geführt werden. Dies hat den Vorteil, daß der Material-Schwerpunkt der Sprühvorrichtung 2 im oder in der Nähe des Griffes 95 liegt, damit ein ermüdungsfreies Halten der Pistole möglich ist. In Fig. 5 ist die Aufladungselektrode 12 als axiale Elektrode dargestellt, während in den Fig. 3 und 4 angenommen wurde, daß mehrere nadelartige Aufladungselektroden 12 um den Pulverweg herum verteilt angeordnet sind.
  • Bei allen Ausführungsformen ist der ringförmige Körper 74 vorzugsweise auf verschiedene axiale Positionen relativ zum Sprühkörper 3 einstellbar. In allen Fällen befindet sich der ringförmige Körper 74, wenn er als Gegenelektrode wirkt oder Gegenelektroden 76 trägt, stromaufwärts der Spitze 26 der Aufladungselektrode 12.

Claims (13)

  1. Elektrostatische Sprühvorrichtung zum elektrostatischen Sprühbeschichten von Gegenständen mit Pulver, welche folgende Merkmale aufweist: einen rohrartigen Sprühkörper (3); mindestens eine Aufladungselektrode (12) zum Übertragen von elektrostatischen Ladungen auf das Pulver; die Aufladungselektrode (12) hat ein elektrisches Potential, welches vom elektrischen Potential des zu beschichtenden Gegenstandes derart verschieden ist, daß das aufgeladene Pulver vom Gegenstand elektrostatisch angezogen wird; mindestens eine in der Nähe der Aufladungselektrode (12) angeordnete Gegenelektrode (44; 64; 74, 76), welche an ein anderes elektrisches Potential (20) als die Aufladungselektrode (12) angeschlossen ist, so daß sie mindestens einen Teil der beim elektrischen Aufladen des Pulvers erzeugten freien Ionen aufnimmt; mindestens einen ringförmigen Körper (44; 68; 74), welcher die Gegenelektrode (44; 64; 74, 76) bildet oder trägt und sich um den stromabwärtigen Abschnitt (72) des Sprühkörpers (3) erstreckt, auf welchem er radial abgestützt ist;
    dadurch gekennzeichnet,
    daß mindestens ein Verbindungssteg (78) vorgesehen ist, welcher sich außerhalb des Sprühkörpers (3) parallel zu ihm erstreckt; daß der Verbindungssteg (78) an seinem stromabwärtigen Ende (79) den ringförmigen Körper (74) trägt und mit seinem stromaufwärtigen Ende am Sprühkörper (3) in der Nähe des stromaufwärtigen Endes dieses Sprühkörpers lösbar befestigt ist; daß durch den Verbindungssteg (78) eine elektrische Verbindung zwischen einem elektrischen Potentialanschluß (20) und der Gegenelektrode (44; 64; 74, 76) gebildet ist.
  2. Sprühvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verbindungssteg (78) aus elektrisch leitendem Material besteht, welches die elektrische Verbindung bildet.
  3. Sprühvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die elektrische Verbindung eine sich durch den Verbindungssteg (78) erstreckende elektrische Leitung (73) ist.
  4. Sprühvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verbindungssteg (78) ein Rohr ist.
  5. Sprühvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß mehrere Gegenelektroden (76) in Form von Nadelelektroden aus dem ringförmigen Körper (74) herausragen.
  6. Sprühvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Abstand (d) zwischen der Aufladungselektrode (12) und der Gegenelektrode (44; 64, 64/2) kleiner ist als der Abstand (D) zwischen der Aufladungselektrode (12) und dem zu beschichtenden Gegenstand (4; 6).
  7. Sprühvorrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Abstand (d) zwischen der Aufladungselektrode (12) und der Gegenelektrode (44; 64) ein Drittel bis die Hälfte des Abstandes (D) zwischen der Aufladungselektrode (12) und dem zu beschichtenden Gegenstand (4; 6) beträgt.
  8. Sprühvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Mittel (52; 66) vorgesehen sind, durch welche die Gegenelektrode (44; 64) von Druckluft (66) umströmt wird, um sie frei von Beschichtungsmaterial zu halten.
  9. Sprühvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gegenelektrode (44; 64; 74, 76) stromaufwärts des stromabwärtigen Endes (26) der Aufladungselektrode (12) angeordnet ist.
  10. Sprühvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gegenelektrode (44; 64) mit Abstand von der zerstäubten Pulverwolke angeordnet ist, und daß der Abstand (d) zwischen der Gegenelektrode (44; 64) und der Pulverwolke kleiner ist als der Abstand (D) zwischen der Aufladungselektrode (12) und dem zu beschichtenden Gegenstand (4; 6).
  11. Sprühvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gegenelektrode (44; 64) an Erdpotential angeschlossen ist.
  12. Sprühvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gegenelektrode (44; 64) relativ zur Aufladungselektrode (12) in axialer und/oder radialer Richtung verschiebbar und durch Positioniermittel (68; 84) in der gewählten Lage arretierbar ist.
  13. Sprühvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verbindungssteg (78) vollständig oder mindestens an seiner Außenfläche aus elektrisch isolierendem Material besteht.
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