EP1970128A2 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung einer Beschichtung - Google Patents

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EP1970128A2
EP1970128A2 EP08004312A EP08004312A EP1970128A2 EP 1970128 A2 EP1970128 A2 EP 1970128A2 EP 08004312 A EP08004312 A EP 08004312A EP 08004312 A EP08004312 A EP 08004312A EP 1970128 A2 EP1970128 A2 EP 1970128A2
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EP
European Patent Office
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substrate
vacuum
paint
vacuum chamber
chamber
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Withdrawn
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EP08004312A
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EP1970128A3 (de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
    • B05D7/02—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials to macromolecular substances, e.g. rubber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/02—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying
    • B05D1/04—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying involving the use of an electrostatic field
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/04—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to gases
    • B05D3/0493—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to gases using vacuum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/06—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation
    • B05D3/061—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation using U.V.
    • B05D3/065—After-treatment
    • B05D3/067—Curing or cross-linking the coating

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing coatings on a substrate, such as in particular on plastic parts, regardless of their geometry or shape according to the preamble of claim 1 or 12.
  • the GB 2 280 864 A shows a method for coating the aluminum profiles, which are passed through a vacuum chamber.
  • the profile protrudes left and right out of the chamber, wherein the access to the chamber are adapted to the profile shape, so that no constant negative pressure can be applied.
  • the coating is carried out with an acrylic varnish or a paint, the method comprising continuously passing elongated through the vacuum coating chamber and through comprises a downstream UV-printing furnace, which is arranged immediately after the vacuum coating chamber.
  • the US 2004/0625092 A1 discloses a partial coating of a fastener such as a zipper under vacuum and applying a polymer material.
  • the coating method is preferably directed to the coating of a metal surface using a solvent.
  • the DE 30 10 821 C2 describes a paint coating, wherein the paint is applied under normal pressure, then subjected under vacuum to an inert gas atmosphere and the curing is carried out under an inert gas atmosphere.
  • the DE 26 25 448 A1 discloses a vacuum coating process for metallic coating of optical reflectors by exposing the reflectors to a monomeric gas and precipitating the protective layer by gas phase polymerization.
  • An in-line coating system is made of "in-line coating system for the deposition of optically high-quality coating systems made of plastic and aluminum reflectors for the lighting industry", I. Kaden, P. Vetter, Otec Jordan GmbH & Co. KG, Olbemhau; P. Botzler, A. Langer, H. Waydbrink, by Ardenne Anlagentechnik GmbH, Dresden, H.-U. Poll, Prof. Dr., FZM GmbH, Flöha, published on 8. New Dresden Vacuum Technology Colloquium, Dresden, 19/20. October 2000 known. Under vacuum, smaller containers of reflectors can be coated with aluminum in continuous operation by sputtering.
  • In-line operation is ensured by virtue of the fact that a plurality of prechambers and downstream chambers are assigned to one vacuum chamber, so that continuous operation is possible.
  • the parts to be coated are opened arranged for this purpose carriers and passed through the coating system. For a painting of parts, this device is not provided.
  • SINGULUS TECHNOLOGIES AG is well-known for its "SINGU-LUS 3DS" metallizing system for the decorative coating of plastic parts, in which three-dimensional plastic parts are provided with protective and decorative surfaces in a vacuum by sputtering.
  • SINGU-LUS 3DS metallizing system for the decorative coating of plastic parts, in which three-dimensional plastic parts are provided with protective and decorative surfaces in a vacuum by sputtering.
  • CDs In the field of production of CDs, it is known to produce and pack CDs in the specified course of forced operation.
  • the CDs are automatically removed from the injection mold, transferred to further processing stations, in which a cooling, vacuum evaporation, printing and quality assurance takes place, and filed for further packaging.
  • This is exclusively the product CD, i. a flat disc, so that this type of processing on other applications and in particular on painted parts is not transferable.
  • the present invention has the object to provide a method and apparatus for the production of coatings, which allows processing of painted, especially three-dimensional parts, even in smaller batches.
  • the substrate to be coated is provided with a lacquer, wherein the lacquer and / or the substrate is charged for this purpose.
  • the paint reaches the part to be coated, ensuring that the process, i. the coating is completed under vacuum so far that the paint remains on the substrate after removal of the vacuum.
  • the vacuum chamber which can be closed to build up the vacuum, can be equipped intermittently with individual substrates so that even the smallest batches can be painted. This is possible regardless of the shape, geometry or size of the substrate. That is, any three-dimensional parts can be painted, if necessary, only the size of the device must be adapted to the substrate.
  • parts can be removed directly from a manufacturing machine and transferred to the device for coating. As the process takes place under vacuum, soiling is already reduced.
  • the parts can be processed according to the first-in, first-out (FiFo) principle, possible contamination is significantly reduced, especially since an immediate transfer from the machine into the device can take place. This is also an important prerequisite for further processing, i. the entire process can be as required as far as possible, but does not necessarily have to take place under clean-room or pure room conditions.
  • the requirements for visible parts which are visually assessed, can be met.
  • the coating and / or substrate By charging the coating and / or substrate, a uniform coating of corners and radii is possible, so that all three-dimensional parts can be uniformly coated.
  • a uniform coating of corners and radii is possible, so that all three-dimensional parts can be uniformly coated.
  • the metering is evacuated as needed, preferably the vacuum in the dosing is less than in the vacuum chamber. If the connection between the dosing tank and the vacuum container is opened, the paint can be atomized uniformly via an atomizing device, which may be provided without pressure, such as, for example, an atomizing nozzle, as required by the inlet to the vacuum chamber, so that a uniform coating is facilitated.
  • the figures show devices in which a method for producing coatings on a substrate 10, such as any plastic part or even a part made of other materials can be performed.
  • the coating is a paint coating.
  • Varnish is a preferably liquid or even powdery coating material, which is applied thinly to objects and built up by chemical or physical processes (for example, evaporation of a solvent) to form a continuous film. As a rule, this creates a high-gloss surface. Paints can be subdivided according to the type of binder (example: nitro paints), the type of solvent (example: spirit paints) or after the drying method (example: stoving enamels). For example, paints are used to protect objects (protective paint, protective lacquers) or to achieve a pleasant color effect.
  • Paint is usually composed of binders, solvents, fillers, pigments and additives. Since most solvents for coatings are organic solvents that are partially toxic or flammable, one tends more and more to solvent-free systems, so powder coatings or suspensions of paint particles in water. Another way to work solvent-free (emission-free) is to use radiation-curing coating systems. In this technology, a monomer serves as a "solvent", which polymerized during curing in the paint film.
  • the radiation source is usually a UV high-power lamp.
  • FIG. 1 shows a closable vacuum chamber for the construction of vacuum 11, which can be evacuated via a if necessary by means of valve 30 switchable vacuum pump 16.
  • the vacuum should preferably be less than 300 mbar (30 kPa), but is preferably used with a vacuum between 5 mbar (500 Pa) and 200 mbar (20 kPa) and more preferably with a vacuum between 40 and 50 mbar (4 to 5 kPa). worked.
  • This vacuum range has been found to be suitable, because on the one hand due to the reduced relative to atmospheric pressure of the atmosphere in the vacuum chamber, the moisture content is significantly reduced, on the other hand, the slight pressure still ensures that a flashover is avoided.
  • the paint is held ready in a paint container 24 and passes through the conduit 22 into the vacuum chamber 11.
  • an atomizing device 23 such as e.g. a spray nozzle is provided which atomizes the drawn by the vacuum after opening the valve in the vacuum chamber 11 paint on entry. Care must be taken to ensure that there is no sudden pressure increase during the introduction of the paint, which results in overspray within the entire vacuum chamber 11. For this reason, the paint is introduced without pressure in the vacuum chamber in the sense of an "airless" spray process.
  • the paint container are evacuated.
  • the atomizing device 23 may also be e.g. be constructed such that an element having edges, points or radii such as a coil, a ball or even plates wetted with the varnish is subjected to a high voltage, thereby causing electrostatic sputtering.
  • the paint must have a suitable electrical resistance coefficient. This leads to a sudden atomization with simultaneous charging of the paint.
  • Such an atomizing device can then also be arranged in the vacuum chamber. By suitable arrangement of the edges and radii, the atomization can also be targeted. Experiments with coils have shown good results.
  • the liquid paint and / or the substrate 10 is charged via a charge source 17 prior to introduction or during introduction of the paint or the substrate into the vacuum chamber.
  • the substrate can also be charged in the vacuum chamber.
  • the paint container 24 or the metering 14 can be charged, which also leads to the paint particles are charged prior to introduction.
  • the charge source 17 thus serves to ionize, so for example to the positive electrostatic charging of the paint coating, alternatively or in addition, however, the substrate 10 can be negatively charged, for example, and the charges may be reversed. In principle, it is likewise possible to ground the substrate 10, if necessary, or to merely charge the substrate. It must be ensured that the varnish is deposited on the substrate by a charge difference. The measures required for this purpose are known to the person skilled in the art.
  • a curing agent 18 which is intended to cure the paint in the vacuum chamber as long as the substrate 10 is under vacuum. This is necessary to ensure that the paint adheres to the substrate even after the vacuum has been removed and is not atomized when the vacuum is removed.
  • a curing agent 18 are, for example, UV radiation sources or heat sources into consideration.
  • the vacuum chamber can be warmed up, for example, from below.
  • the curing agent 18 does not necessarily have to be disposed within the vacuum chamber 11. An arrangement outside the vacuum chamber 11 is even preferred, so that the heat radiation or UV radiation can act in the vacuum chamber 11, but the vacuum chamber still does not heat up, especially when processing plastic parts as a substrate 10, which can lead to the destruction of the substrate.
  • the vacuum chamber 11 is at least one metering container, preferably associated with a plurality of metering 14, whose or whose volume is approximately adjustable to the amount required for the coating of the substrate 10 amount of paint.
  • a piston-cylinder unit is shown schematically, but the actuating mechanism is omitted.
  • any control or regulating means can be provided. Alternative dosing mechanisms are possible.
  • different dosing containers 14 with different amounts or even different varnishes of the vacuum chamber 11 can be assigned. Due to the fact that the required amount of paint can be calculated and only the corresponding oppositely charged or grounded substrate 10 is selectively coated by the charging of the paint, it is possible to work with different paints for each new coating process, since there is no overspray or other contamination comes in the vacuum chamber.
  • the varnish only coats the substrate and, after appropriate curing by the curing agent 18, also remains on the substrate 10. This makes it possible to easily produce smallest batches for coating the substrates, even with changing varnishes.
  • the metering 14 is connected to a vacuum pump 19 - instead of the vacuum pump 16 can be used, with which the vacuum chamber 11 is evacuated - connected via a valve 20.
  • the metering container 14 can also be pre-set under vacuum, so that the entry speed of the paint into the vacuum chamber can be influenced.
  • the vacuum in the dosing tank 14 is not as high as in the vacuum chamber eleventh
  • the substrate 10 is placed on the carrier 26 in the vacuum chamber 11 closable to build up the vacuum or negative pressure.
  • the vacuum chamber is then placed under vacuum via the vacuum pump 16. Paint is transferred from the paint container 24 with the valve 25 open in the metering 14, wherein, if necessary, with the valve 20 open, the metering 14 can be evacuated via the vacuum pump 19. This takes place with the valve 21 closed. Now the valves 20 and 25 are closed and the valve 21 is opened. After opening the valve, the paint passes via the line 22 and the inlet opening 22a into the vacuum chamber 11.
  • a preferably non-pressurized atomizing device 23 can be provided for atomizing the paint, if required. If several dosing 14 are present, as in Fig.
  • the lacquer there is ionized or charged electrostatically via the charge source 17.
  • the paint can also be electrostatically atomized with another atomizer device, such as a wetted coil. After entry, the paint thus reaches the preferably likewise charged or, if necessary, only grounded substrate 10.
  • the valve 21 is closed again and now harden the curing agent 18 such as radiant heater or UV lamp, the paint on the substrate 10 from.
  • the vacuum can be reduced and the painted part of the vacuum chamber 11 are removed.
  • additional filters not shown in the drawing can be provided to filter the supply air when venting.
  • FIG. 2 shows an embodiment that can be used for an in-line paint shop, it being noted that also an embodiment according to Fig. 1 can of course be operated in inline mode.
  • the device is first associated with a substrate-making machine 15, which may be, for example, a plastic injection molding machine, an extruder or other plastic processing machine.
  • the substrate-making machine may also be formed by other manufacturing machines, that is, other materials than plastics can be processed.
  • the substrate is at least partially, preferably entirely of plastic, and preferably also no metallization must be applied, but can be applied if desired. This is preferably the fundamental task to paint plastic without the interposition of other primers or metallization layers.
  • the substrate 10 enters the substrate manufacturing machine 15 FIG. 2 left on the support 26 and can then be passed through several chambers via known transport until the finished painted part in FIG. 2 comes right out of the institution.
  • the vacuum chamber 11 additionally comprises an inlet chamber 12 and an outlet chamber 13, so that a continuous process under vacuum is possible.
  • the inlet and outlet chambers are connected in a sluice-like manner to the vacuum chamber 11 which can be closed to build up the vacuum, so that even in the inlet chamber and also in the outlet chamber a vacuum can still be maintained. If necessary, further chambers can be provided on both sides if the process or further process steps make this necessary.
  • the curing agent 18 is associated with the output chamber 13 in this embodiment. It is only essential that it is assigned to one of the chambers and is able to cure the applied coating, as long as the substrate 10 is still under vacuum.
  • each chamber is closed by appropriate doors.
  • the first chamber is intended for the introduction of the substrate, there, if necessary, after closing and Evacuate the chamber, the electrostatic charging of the substrate 10, for example by means of electric charging electrons or by mechanical charging such as friction or contact.
  • the coating is carried out with preferably positive electrostatically charged UV varnish or other paint as a coating under vacuum, the paint head can be mounted inside or outside the chamber.
  • the curing and drying of the paint is still done under vacuum.
  • This chamber is especially designed with a UV-curing lacquer so that the UV radiation is diffusely distributed in the chamber. This can be done for example by a hammer blower. If the curing agent 18 is located outside the chamber, the radiation can radiate through a suitable quartz glass in the chamber without the heat must get into the chamber.
  • a fourth chamber is provided as output chamber for discharging the substrate from the vacuum or for any finishing work.
  • the further structure of the device is largely consistent with the embodiment of FIG. 1 , Only a plurality of metering containers 14 are provided, so that additional valves 27 or closing means are required in order to be able to individually address the metering containers as required. Furthermore, separate lines 22 are provided with valves 21 and possibly atomizing devices for each metering to avoid contamination, especially with different paints in the dosing. If only one lacquer and several dosing containers are used, a line 22 is also sufficient. If desired and, for example, not only one substrate but several substrates should be coated simultaneously, several dosing containers 14 can be switched together so that their contents after opening the valve 21 in the vacuum chamber passes. Alternatively, the content of a dosing can be adjusted to the amount of paint required for several parts.
  • the individual steps and the elements required therefor can also be spatially arranged in the same container, eg on a clocked turntable 37 in which, starting from a transfer region 36 between the substrate manufacturing machine 15 and the turntable 37, the substrates are transferred via a transfer station 38 into the vacuum chamber 11 are introduced.
  • the vacuum chamber 11 may, but need not be connected upstream of at least one input chamber 12 and at least one output chamber 13 downstream.
  • the finished coated part can are subsequently removed in a removal station 39.
  • the conditioning chamber 34 may also be provided to condition the substrates prior to introduction into the vacuum chamber, ie, for example, heat radiators and / or fans may be provided to bring the surface temperature of the substrates within a certain temperature range or to hold.
  • the temperature can be detected, for example, by contactless temperature sensors or determined indirectly by the temperature in the conditioning chamber 34.
  • the steps, if necessary, conditioning, introduction, possibly stepwise evacuation, coating, curing and removal are carried out successively in different stations of the turntable,
  • the substrates 10 arrive on the FiFo principle (first-in, first out) from the substrate-making machine 15 and remain largely under clean-room conditions.
  • the substrates can then pass through the vacuum chamber inline one at a time or in groups one after the other.
  • the coating is carried out with paint, in the output chamber 13, the curing by the curing agent 18th
  • the curing agent may be at least one IR emitter or UV emitter.
  • the spotlights are aligned with a certain distance from each other and work with a very high overheating, the time-controlled again leads to an under temperature. It has been shown that a throughput is currently possible with a few minutes per part or per batch. From below, a continuous radiation carpet of constant temperature can additionally be used.
  • a mobile phone shell can be coated as a substrate in a first chamber with a base color, which is then dried under vacuum.
  • a base color which is then dried under vacuum.
  • an inlay or a cover can be applied and then the next color can be applied, etc.
  • a batch to be processed together in the sequence associated Parts are coated together, such as the top and bottom of a cell phone shell.
  • the substrate 10 is injection molded from plastic material or similar materials under clean room conditions, wherein the clean room conditions should be present at least on the tool-closing side. This prevents dust particles from entering the surface via the tool or causing contamination after removal from the mold. Subsequently, a forced removal by robotic systems and a further transport preferably under clean room conditions, eg. to a temporary storage with the aim of cooling, tempering and conditioning of the parts.
  • This intermediate memory determines a chronological compulsory sequence and thus constancy for the process conditions of the further processing.
  • the substrate 10 still has a certain minimum temperature when entering the vacuum chamber, i. the energy is used, which has been given to the substrate from the substrate-making machine.
  • the further transport of the parts is done by robotic systems to the next station, e.g. the device for the production of the paint.
  • next station e.g. the device for the production of the paint.
  • inline surface treatments, laser treatments or inline spraying are possible. Due to the position-appropriate onward transport an exact positioning is given, which in turn is a prerequisite for an exact further processing in the 3-D range.
  • other stations may e.g. for printing with symbols or lasers of treated surfaces. The goal may be to achieve markings on the surface by dissolving the additional job.
  • palletizing or stacking may also take place under clean-room conditions. Due to the inevitability, short lead times and production times are achieved, which in turn means high and fast availability. This means that the system can also economically produce smaller batch sizes economically.
  • the transfer of the substrate to the individual stations can take place via a conveyor system, such as via a magnetic conveyor system with a corresponding number of trolleys.
  • a corresponding receptacle can be placed on the trolley for the substrate to be processed, which increases the flexibility.
  • the trolleys are centered during insertion for a precise transfer.
  • the conveyor system operates in cyclic operation, whereby the clock speed is determined by the longest working step. Preferably, it is always indexed from chamber to chamber. After the transfer of the component from the substrate-making machine, this can optionally be subjected to a corona treatment, for example. Thereafter, the infiltration into the first chamber begins Before the introduction / infiltration all doors are closed at all chambers.
  • the entrance door to the first chamber 1 is opened, the substrate is introduced and the entrance door closes again.
  • the pressure is pumped to vacuum and the substrate electrostatically charged as needed.
  • the connecting door from the first chamber to the second chamber opens and the conveyor system cycles and places the substrate in the second chamber.
  • the connecting door closes again and the substrate is painted or possibly, depending on the setting, some vacuum is pumped out again.
  • Now the connecting door opens from the second chamber to the third chamber.
  • the conveyor system cycles and brings the Substart in the third chamber.
  • the connecting door from the second chamber to the third chamber closes and the substrate is dried or, depending on the setting, another vacuum is pumped out. After drying, the connecting door opens from the third chamber to the fourth chamber.
  • the conveyor system cycles and brings the substrate into the fourth chamber.
  • the connecting door from the third chamber to the fourth chamber closes.
  • the fourth chamber is vented and flooded and brought to atmospheric pressure. Now the exit door at the fourth chamber opens and the conveyor system cycles out the substrate. The exit door at the fourth chamber closes and then it is pumped out again.
  • the clocking between the chambers happens in a vacuum. Only the first and fourth chambers are temporarily at atmospheric pressure.
  • the second and third chambers can basically remain under vacuum during operation. All chambers are provided with Druckicachtem and can independently be pumped or vented independently of each other depending on the set specifications of the pressures of the respective chamber on the valves used.
  • the pumps are preferably permanently in operation. Also preferably permanently in operation is the UV lamp. This has a shutter built-in, so that if no substrate is ready to dry no UV light enters the chamber. After removal from the chamber system, the substrate can optionally be further processed at various downstream stations for finishing work (eg mark laser processing).

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Abstract

Eine Einrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Lack-Beschichtungen auf einem Substrat (10) umfassen wenigstens eine Vakuumkammer (11) sowie wenigstens eine Ladungsquelle (17) zum Ionisieren der Beschichtung und/oder des Substrats (10). Wenigstens ein Aushärtemittel (18) ist der Vakuumkammer (11) zugeordnet, Dadurch, dass die Vakuumkammer (11) zum Aufbau des Vakuums und zum Aufbringen der Lackbeschichtung verschüeßbar ist und dass wenigstens ein Aushärtemittel (18) der Vakuumkammer (11) zugeordnet ist, das dafür bestimmt ist, den Lack auszuhärten, solange das Substrat im Vakuum ist, wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Beschichtungen geschaffen, die eine Verarbeitung von lackierten, insbesondere dreidimensionalen Teilen auch in kleineren Chargen ermöglicht.

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von Beschichtungen auf einem Substrat, wie insbesondere auf Kunststoffteilen unabhängig von deren Geometrie oder Form nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 12.
    • Stand der Technik
  • Viele Kunststoffteile aber auch Teile aus anderen Materialien, die uns täglich begegnen, sind mit Beschichtungen versehen, um bestimmten Qualitätsstandards zu genügen. Die Veredelung, kratzfeste Versiegelung oder Beschichtung von Oberflächen an Spritzguß- und anderen Bauteilen erfolgt meist unter Reinraumbedingungen. Diese Anforderungen erfüllen meist nur speziell dafür eingerichtete Beschichtungsfirmen, zumal die Beschichtungskosten hoch im Vergleich zu den Herstellungskosten der einzelnen Bauteile sind. Dies liegt daran, dass die Beschichtungsanlagen in der Anschaffung sehr teuer sind. Daher müssen sehr viele Teile diese Anlagen durchsetzen, um eine Rentabilität zu erzielen. Dies ist für kleine und mittlere Unternehmen nicht möglich, da sie nicht den Durchsatz haben und es außerdem sehr aufwendig ist, eine Anpassung an verschiedene Bauteile durchzuführen. Dadurch besteht auch eine gewissen Abhängigkeit der Bauteilhersteller zu den Beschichtungsfirmen.
  • In vielen Bereichen liegen jedoch kleinere Stückzahlen als zum Beispiel im Mobil-phone-Bereich vor. Ferner besteht der Wunsch einer Inline-Bearbeitung mit entsprechenden Herstellungsmaschinen, wie z.B. Kunststoff-Spritzgießmaschinen zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderen plastifizierbaren Materialien.
  • Die GB 2 280 864 A zeigt ein Verfahren zum Beschichten vom Aluminiumprofilen, die durch eine Unterdruckkammer hindurchgeführt werden. Das Profil ragt dabei links und rechts aus der Kammer heraus, wobei die Zugänge zur Kammer an die Profilform angepasst sind, so dass kein beständiger Unterdruck aufgebracht werden kann. Die Beschichtung erfolgt mit einem Acryllack oder einer Farbe, wobei das Verfahren das kontinuierliche Führen von länglichen durch die Vakuumbeschichtungskammer und durch einen nachgeschalteten UV-Druckofen umfasst, der unmittelbar nach der Vakuumbeschichtungskammer angeordnet ist.
  • Bei der DE 26 20 878 A1 erfolgt eine Mehrfachbeschichtung zunächst mit Metall und dann mit einem Kunstharzmaterial. Erforderlich ist dazu ein ionisierbares Gas, das in die Kammer eingeführt wird. Eine bloße Lackbeschichtung erfolgt nicht.
  • Die US 2004/0625092 A1 offenbart eine abschnittsweise Beschichtung eines Befestigungsmittels wie eines Reißverschlusses unter Vakuum und unter Aufbringung eines Polymermaterials. Das Beschichtungsverfahren ist vorzugsweise auf die Beschichtung einer Metallfläche unter Verwendung eines Lösemittels gerichtet.
  • Die DE 30 10 821 C2 beschreibt eine Lackbeschichtung, wobei der Lack unter Normaldruck aufgebracht wird, dann unter Vakuum einer Inertgasatmosphäre unterworfen wird und die Aushärtung unter Inertgasatmosphäre vorgenommen wird.
  • Die DE 26 25 448 A1 offenbart ein Vakuumbeschichtungsverfahren zur metallischen Beschichtung optischer Reflektoren, indem die Reflektoren einem monomeren Gas ausgesetzt werden und die Schutzschicht durch Polymerisation aus der Gasphase ausgeschieden wird.
  • Aus der DE 37 31 686 A1 ist eine mehrfache Dampfbeschichtung unter Vakuum bekannt, wobei jedoch eine der Schichten eine metallische Schicht ist.
  • Eine In-Line-Beschichtungsanlage ist aus "In-Line-Beschichtungsanlage zur Abscheidung optisch hochwertiger Schichtsysteme aus Kunststoff- und Aluminium-Reflektoren für die Leuchtenindustrie", I. Kaden, P. Vetters, Otec Jordan GmbH & Co. KG, Olbemhau; P. Botzler, A. Langer, H. Waydbrink, von Ardenne Anlagentechnik GmbH, Dresden, H.-U. Poll, Prof. Dr., FZM GmbH, Flöha, erschienen zu 8. Neues Dresdner Vakuumtechnisches Kolloquium, Dresden, 19/20. Oktober 2000 bekannt. Unter Vakuum können kleinere Gebinde von Reflektoren mit Aluminium im kontinuierlichen Betrieb durch Sputtering beschichtet werden. Der Inline-Betrieb wird dadurch gewährleistet, dass einer Vakuumkammer mehrere Vorkammern und nachgeschaltete Kammern zugeordnet sind, so dass ein kontinuierlicher Betrieb möglich ist. Die zu beschichtenden Teile werden auf hierfür vorgesehenen Trägem angeordnet und durch die Beschichtungsanlage geführt. Für eine Lackierung von Teilen ist diese Vorrichtung nicht vorgesehen.
  • Von der SINGULUS TECHNOLOGIES AG ist eine Metallisierungsanlage "SINGU-LUS 3DS" zur dekorativen Beschichtung von Kunststoffteilen bekannt, in der durch Sputtering dreidimensionale Kunststoffteile im Vakuum mit schützenden und dekorativen Oberflächen versehen werden. (Pressemitteilung der SINGLUS TECHNOLO-GIES AG vom 23.01.2007; http://www.singulus.de/deutsch/3 presse/index presse.htm; "Singulus 3DS", http://www.singulus.de/deutsch/4 produkte/index_decorative.htm)
  • Aus der DE 603 03 011 T2 ist ferner die Herstellung gut haftender Beschichtungen auf einem Substrat bekannt, das nach entsprechender Vorbehandlung mit einem Photoinitiator vorbeschichtet, mit einem ethylenisch ungesättigten Monomer oder Oligomer beschichtet und die Beschichtung mittels Strahlung gehärtet wird. Dabei handelt es sich um die plasmaunterstützte Abscheidung dünner Schichten, wie dies im Stand der Technik seit längerem bekannt ist.
  • Im Bereich der Herstellung von CDs ist es bekannt, im festgelegten Zwangsablauf CDs herzustellen und zu verpacken. Die CDs werden dabei aus dem Spritzgießwerkzeug automatisch entnommen, an Weiterbearbeitungsstationen übergeben, in denen ein Abkühlen, Vakuumbedampfen, Bedrucken und eine Qualitätssicherung erfolgt, sowie zur weiteren Verpackung abgelegt. Hierbei handelt es sich ausschließlich um das Produkt CD, d.h. eine ebene Scheibe, so dass diese Art der Bearbeitung auf andere Anwendungen und insbesondere auf lackierte Teile nicht übertragbar ist.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Beschichtungen zu schaffen, die eine Verarbeitung von lackierten, insbesondere dreidimensionalen Teilen auch in kleineren Chargen ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 12 gelöst.
  • Das zu beschichtende Substrat wird mit einem Lack versehen, wobei der Lack und/oder das Substrat zu diesem Zweck aufgeladen wird. Unter Vakuum gelangt der Lack auf das zu beschichtende Teil, wobei sichergestellt wird, dass der Prozess, d.h. die Lackierung unter Vakuum soweit fertiggestellt wird, dass der Lack auf dem Substrat nach Abbau des Vakuums verbleibt. Die zum Aufbau des Vakuums verschließbare Vakuumkammer kann dazu mit einzelnen Substraten diskontinuierlich bestückt werden, so dass auch kleinste Chargen lackiert werden können. Dies ist unabhängig von der Form, Geometrie oder Größe des Substrats möglich. Das heißt, beliebige auch dreidimensionale Teile können lackiert werden, ggf. muss lediglich die Größe der Einrichtung an das Substrat angepasst werden.
  • Bedarfsweise ist insbesondere, aber nicht nur bei einer Ausgestaltung mit entsprechenden vorgeschalteten und nachgeschalteten Kammern eine kontinuierliche Herstellung im Inline-Betrieb möglich. Durch die vor allem beim Inline-Betrieb mögliche Zwangsläufigkeit z.B. im Zyklus einer Substrat-Herstellungsmaschine werden kurze Durchlauf- und Fertigungszeiten erreicht, was wiederum hohe und schnelle Verfügbarkeit bedeutet. Damit kann die Anlage auch flexibel kleinere Losgrößen wirtschaftlich herstellen.
  • Bei einer Inline-Herstellung können Teile unmittelbar aus einer Herstellungsmaschine entnommen und in die Einrichtung zur Beschichtung übergeben werden. Da der Prozess unter Vakuum abläuft, sind Verschmutzungen bereits reduziert. Da zudem die Teile nach dem First-in First-out (FiFo)-Prinzip abgearbeitet werden können, ist eine mögliche Verschmutzung deutlich verringert, zumal eine unmittelbare Übergabe aus der Maschine in die Einrichtung erfolgen kann. Dies ist auch eine wichtige Voraussetzung für die Weiterverarbeitung, d.h. der gesamte Prozess kann bedarfsweise weitestgehend, muss jedoch nicht zwingend unter Reinraum- bzw. reinen Raumbedingungen ablaufen. Wenn erwünscht, ist auch ein Betrieb der Einrichtung ggf. einschließlich der zugeordneten Substrat-Herstellungsmaschine in einer Umhausung mit Überdruck möglich, um einem Eindringen von Fremdkörpern vorzubeugen. Damit können auch die Anforderungen an Sichtteile, die optisch bewertet werden, eingehalten werden.
  • Durch Aufladung von Beschichtung und/oder Substrat ist eine gleichmäßige Beschichtung auch von Ecken und Radien möglich, so dass auch dreidimensional alle Teile gleichmäßig beschichtet werden können. Vorzugsweise kann in einem Dosierbehälter ungefähr - bedarfsweise sogar genau - die Lackmenge für das oder die jeweiligen Teile vorgehalten werden, die in einem Arbeitsvorgang beschichtet werden müssen. Der Dosierbehälter ist bedarfsweise evakuierbar, wobei vorzugsweise das Vakuum im Dosierbehälter geringer ist als in der Vakuumkammer. Wird die Verbindung zwischen Dosierbehälter und Vakuumbehälter geöffnet, kann über eine bedarfsweise am Eintritt in die Vakuumkammer vorgesehene, vorzugsweise drucklos arbeitenden Zerstäubereinrichtung wie z.B. eine Zerstäuberdüse der Lack gleichmäßig zerstäubt werden, so dass eine gleichmäßige Beschichtung erleichtert wird.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Herstellung von Beschichtungen im diskontinuierlichen oder Inline-Betrieb,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung einer In-Line-Beschichtungsanlage,
    Fig. 3
    eine Draufsicht auf eine weitere Einrichtung zur Herstellung von Beschichtungen, die einer Spritzgießmaschine zugeordnet ist.
    Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
  • Die Figuren zeigen Einrichtungen, in denen ein Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen auf einem Substrat 10, wie einem beliebigen Kunststoffteil oder auch einem Teil aus anderen Materialien durchgeführt werden kann. Die Beschichtung ist dabei eine Lackbeschichtung. Lack ist ein vorzugsweise flüssiger oder auch pulverförmiger Beschichtungsstoff, der dünn auf Gegenstände aufgetragen wird und durch chemische oder physikalische Vorgänge (zum Beispiel Verdampfen eines Lösemittels) zu einem durchgehenden Film aufgebaut wird. In der Regel bildet sich dadurch eine hochglänzende Oberfläche. Lacke lassen sich unterteilen nach der Art des Bindemittels (Beispiel: Nitro-Lacke), der Art des Lösemittels (Beispiel: Spiritus-Lacke) oder nach der Trocknungsweise (Beispiel: Einbrennlacke). Man verwendet Lacke z.B., um Gegenstände zu schützen (Schutzanstrich, Schutzlacke) oder um einen angenehmen Farbeffekt zu erzielen.
  • Lack ist meist aus Bindemittel, Lösemitteln, Füllstoffen, Pigmenten und Additiven aufgebaut. Da die meisten Lösemittel für Lacke organische Lösemittel sind, die teilweise giftig oder feuergefährlich sind, tendiert man immer mehr zu lösemittelfreien Systemen, also zu Pulverlacken oder Suspensionen von Lackpartikelteilchen in Wasser. Eine weitere Möglichkeit lösemittelfrei (emissionsfrei) zu arbeiten, besteht darin, strahlenhärtende Lacksysteme einzusetzen. Bei dieser Technologie dient ein Monomer als "Lösemittel", das während der Härtung in den Lackfilm mit einpolymerisiert. Als Strahlenquelle dient meist eine UV-Hochleistungslampe.
  • Das Ausführungsbeispiel der Figur 1 zeigt eine zum Aufbau des Vakuums verschließbare Vakuumkammer 11, die über eine bedarfsweise mittels Ventil 30 zuschaltbare Vakuumpumpe 16 evakuiert werden kann. Zumindest sollte ein Eindringen von Luft während der Lackbeschichtung unterbleiben, um Luftströmungen in der Kammer zu vermeiden. Das Vakuum sollte vorzugsweise kleiner 300 mbar (30 kPa) sein, vorzugsweise wird jedoch mit einem Vakuum zwischen 5 mbar (500 Pa) und 200 mbar (20 kPa) und besonders bevorzugt mit einem Vakuum zwischen 40 und 50 mbar (4 bis 5 kPa) gearbeitet. Dieser Vakuumbereich hat sich als geeignet herausgestellt, da einerseits infolge des gegenüber dem Atmosphärendruck verringerten Druck der Atmosphäre in der Vakuumkammer der Feuchtigkeitsgehalt deutlich reduziert ist, andererseits sorgt der leichte Druck noch dafür, dass ein Spannungsüberschlag vermieden wird.
  • Vorzugsweise wird der Lack in einem Lackbehälter 24 bereit gehalten und gelangt über die Leitung 22 in die Vakuumkammer 11. Beim Eintritt in die Vakuumkammer 11 ist vorzugsweise am Eintrittspunkt 22a eine Zerstäubereinrichtung 23 wie z.B. eine Zerstäuberdüse vorgesehen, die den durch das Vakuum nach Öffnen des Ventils in die Vakuumkammer 11 eingezogenen Lack beim Eintritt zerstäubt. Dabei ist dafür Sorge zu tragen, dass es beim Einbringen des Lacks nicht zu einer schlagartigen Druckerhöhung kommt, die einen Overspray innerhalb der ganzen Vakuumkammer 11 zur Folge hat. Aus diesem Grund wird der Lack im Sinne eines ,airless'-Sprühverfahrens drucklos in die Vakuumkammer eingebracht. Vorzugsweise sind auch die Lackbehälter evakuierbar.
  • Die Zerstäubereinrichtung 23 kann aber auch z.B. so aufgebaut sein, dass ein Kanten, Spitzen oder Radien aufweisendes Element wie eine Spule, eine Kugel oder aber auch Platten, das mit dem Lack benetzt ist, einer hohen Spannung ausgesetzt wird, um dadurch ein elektrostatisches Zerstäuben zu bewirken. Der Lack muss dazu einen geeigneten elektrischen Widerstandsbeiwert aufweisen. Dies führt zu einem schlagartigen zerstäuben unter gleichzeitiger Aufladung des Lacks. Eine derartige Zerstäubereinrichtung kann dann auch in der Vakuumkammer angeordnet sein. Durch geeignete Anordnung der Kanten und Radien, kann die Zerstäubung auch zielgerichtet erfolgen. Versuche mit Spulen haben gute Erfolge ergeben.
  • Gleichzeitig wir der vorzugsweise flüssige Lack und/oder das Substrat 10 über eine Ladungsquelle 17 vor dem Einbringen oder beim Einbringen des Lacks oder des Substrats in die Vakuumkammer aufgeladen. Das Substrat kann auch in der Vakuumkammer aufgeladen werden. Alternativ oder ergänzend können auch die Lackbehälter 24 oder die Dosierbehälter 14 aufgeladen werden, was ebenfalls dazu führt, dass die Lackteilchen vor dem Einbringen aufgeladen werden. Die Ladungsquelle 17 dient damit zum lonisieren, also z.B. zum positiven elektrostatischen Aufladen der Lack-Beschichtung, alternativ oder ergänzend kann jedoch auch das Substrat 10 z.B. negativ aufgeladen werden, wobei die Ladungen auch umgekehrt vorhanden sein können. Grundsätzlich ist es ebenso möglich, das Substrat 10 gegebenenfalls auch lediglich zu erden oder auch nur das Substrat aufzuladen. Es ist sicherzustellen, dass sich der Lack durch eine Ladungsdifferenz auf dem Substrat niederschlägt. Die hierfür erforderlichen Maßnahmen sind dem Fachmann bekannt.
  • Durch das Aufbringen der Ladung ergibt sich eine gleichmäßige Beschichtung des Substrats 10. Ferner sind Mittel zum Einbringen des Substrats in und zum Entnehmen des Substrats aus der Vakuumkammer 11 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel der Figur 1 nicht dargestellt sind, jedoch in Form eines bekannten Handlings vorgesehen sein können.
  • Der Vakuumkammer zugeordnet und in Figur 1 in der Vakuumkammer angeordnet ist ein Aushärtemittel 18, das dafür bestimmt ist, den Lack in der Vakuumkammer auszuhärten, so lange das Substrat 10 unter Vakuum ist. Dies ist erforderlich, um sicherzustellen, dass der Lack auch nach Abbau des Vakuums auf dem Substrat haften bleibt und nicht beim Abbau des Vakuums zerstäubt wird. Als Aushärtemittel 18 kommen z.B. UV-Strahlungsquellen oder Wärmequellen in Betracht. Zudem kann die Vakuumkammer z.B. von unten aufgewärmt werden. Das Aushärtemittel 18 muss nicht unbedingt innerhalb der Vakuumkammer 11 angeordnet werden. Eine Anordnung außerhalb der Vakuumkammer 11 ist sogar bevorzugt, so dass die Wärmestrahlung oder UV-Strahlung in die Vakuumkammer 11 wirken kann, sich die Vakuumkammer aber dennoch insbesondere bei Verarbeitung von Kunststoffteilen als Substrat 10 nicht aufheizt, was bis zur Zerstörung des Substrats führen kann.
  • Der Vakuumkammer 11 ist wenigstens ein Dosierbehälter, vorzugsweise mehrere Dosierbehälter 14 zugeordnet, dessen bzw. deren Volumen ungefähr auf die für die Beschichtung des Substrats 10 erforderliche Lackmenge einstellbar ist. In den Figuren ist dazu schematisch eine Kolben-Zylindereinheit gezeigt, wobei jedoch der Stellmechanismus weggelassen ist. Hierfür können beliebige Stell- oder Regelmittel vorgesehen werden. Alternative Dosiermechanismen sind möglich.
  • Bedarfsweise können auch im ersten Ausführungsbeispiel, wie im zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, verschiedene Dosierbehälter 14 mit unterschiedlichen Mengen oder auch unterschiedlichen Lacken der Vakuumkammer 11 zugeordnet werden. Dadurch, dass die erforderliche Lackmenge berechenbar ist und durch die Aufladung des Lackes nur das entsprechend gegenpolig aufgeladene oder geerdete Substrat 10 gezielt beschichtet wird, kann bei jedem neuen Beschichtungsvorgang bedarfsweise mit unterschiedlichen Lacken gearbeitet werden, da es zu keinem Overspray oder sonstigen Verschmutzungen in der Vakuumkammer kommt. Der Lack beschichtet nur das Substrat und bleibt nach entsprechender Aushärtung durch die Aushärtemittel 18 auch auf dem Substrat 10. Damit können kleinste Chargen zum Beschichten der Substrate auch mit wechselnden Lacken problemlos hergestellt werden.
  • Der Dosierbehälter 14 ist mit einer Vakuumpumpe 19 - statt der auch die Vakuumpumpe 16 verwendet werden kann, mit der die Vakuumkammer 11 evakuiert wird - über ein Ventil 20 verbunden. Dadurch kann der Dosierbehälter 14 ebenfalls bereits vorab unter Vakuum gesetzt werden, so dass die Eintrittsgeschwindigkeit des Lacks in die Vakuumkammer beeinflusst werden kann. Vorzugsweise ist jedoch das Vakuum im Dosierbehälter 14 nicht so hoch wie in der Vakuum kammer 11.
    • Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:
  • Zunächst wird das Substrat 10 auf dem Träger 26 in die zum Aufbau des Vakuums bzw. Unterdrucks verschließbare Vakuumkammer 11 gebracht. Die Vakuumkammer wird dann über die Vakuumpumpe 16 unter Vakuum gesetzt. Lack wird aus dem Lackbehälter 24 bei geöffnetem Ventil 25 in den Dosierbehälter 14 überführt, wobei bedarfsweise bei geöffnetem Ventil 20 der Dosierbehälter 14 über die Vakuumpumpe 19 evakuiert werden kann. Dies erfolgt bei geschlossenem Ventil 21. Nun werden die Ventile 20 und 25 geschlossen und das Ventil 21 geöffnet. Nach Öffnen des Ventils gelangt der Lack über die Leitung 22 und die Eintrittsöffnung 22a in die Vakuumkammer 11. Am Eintrittspunkt 22a kann bedarfsweise eine vorzugsweise drucklos arbeitende Zerstäubereinrichtung 23 zur Zerstäubung des Lacks vorgesehen werden. Sind mehrere Dosierbehälter 14 vorhanden, können wie in Fig. 2 auch mehrere Leitungen 22 und ggf. mehrere Zerstäuberdüsen z.B. entsprechend der Anzahl der Dosierbehälter vorgesehen sein. Gleichzeitig wir der Lack dort über die Ladungsquelle 17 ionisiert bzw. elektrostatisch aufgeladen. Alternativ kann auch mit einer anderen Zerstäubereinrichtung wie einer benetzten Spule der Lack elektrostatisch zerstäubt werden. Nach dem Eintritt gelangt der Lack damit auf das vorzugsweise ebenfalls aufgeladene oder bedarfsweise auch nur geerdete Substrat 10. Das Ventil 21 wird wieder verschlossen und nun härten die Aushärtemittel 18 wie z.B. Wärmestrahler oder UV-Strahler den Lack auf dem Substrat 10 aus. Sobald der Aushärtevorgang abgeschlossen ist, kann das Vakuum abgebaut werden und das lackierte Teil aus der Vakuumkammer 11 entnommen werden. An den z.B. der Vakuumpumpe 16 zugeordneten Ventilen 30, die die Atmosphäre in der Vakuumkammer über die Belüftungsleitung 31 wieder zuschalten, können ergänzend zeichnerisch nicht dargestellte Filter vorgesehen sein, um beim Belüften die Zuluft zu filtern.
  • Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das für eine In-Line-Lackieranlage eingesetzt werden kann, wobei zu bemerken ist, dass auch eine Ausführungsform gemäß Fig. 1 selbstverständlich im Inline-Betrieb betrieben werden kann. Der Einrichtung zugeordnet ist zunächst eine Substrat-Herstellungsmaschine 15, die z.B. eine Kunststoff-Spritzgießmaschine, ein Extruder oder eine andere kunststoffverarbeitende Maschine sein kann. Die Substrat-Herstellungsmaschine kann jedoch auch durch andere Herstellungsmaschinen gebildet sein, d.h. es können auch andere Materialien als Kunststoffe verarbeitet werden. Vorzugsweise besteht das Substrat jedoch wenigstens teilweise, vorzugsweise vollständig aus Kunststoff, wobei vorzugsweise auch keine Metallisierung aufgetragen werden muss, jedoch aufgetragen werden kann, wenn dies erwünscht ist. Damit liegt vorzugsweise die grundsätzliche Aufgabe vor, Kunststoff ohne Zwischenschaltung weiterer Primer oder Metallisierungsschichten zu lackieren. Das Substrat 10 gelangt aus der Substrat-Herstellungsmaschine 15 in Figur 2 links auf den Träger 26 und kann dann durch mehrere Kammern über bekannte Transportmittel hindurchgeführt werden, bis das fertig lackierte Teil in Figur 2 rechts aus der Einrichtung gelangt.
  • Im Ausführungsbeispiel umfasst die Vakuumkammer 11 zusätzlich eine Eingangskammer 12 und eine Ausgangskammer 13, so dass ein kontinuierlicher Prozess unter Vakuum möglich ist. Die Eingangs- und Ausgangskammern sind schleusenartig mit der zum Aufbau des Vakuums verschließbaren Vakuumkammer 11 verbunden, so dass bereits in der Eingangskammer und auch in der Ausgangskammer noch ein Vakuum aufrechterhalten werden kann. Bedarfsweise können auch weitere Kammern auf beiden Seiten vorgesehen werden, wenn der Prozess oder weitere Prozessschritte dies erforderlich machen. Das Aushärtemittel 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel der Ausgangskammer 13 zugeordnet. Wesentlich ist lediglich, dass es einer der Kammern zugeordnet ist und in der Lage ist, die aufgebrachte Beschichtung auszuhärten, solange das Substrat 10 noch unter Vakuum ist.
  • In einer umgesetzten Ausführungsform werden vier Kammern vorgesehen. Jede Kammer ist durch entsprechende Türen für sich zu verschließen. Die erste Kammer ist für das Einbringend es Substrats bestimmt, wobei dort, falls nötig, nach dem Schließen und Evakuieren der Kammer das elektrostatische Aufladen des Substrats 10 z.B. mittels elektrischer Aufladeelektronen oder durch mechanische Aufladung wie Reibung oder Berührung erfolgt. In der zweiten Kammer, vorzugsweise der eigentlichen Vakuumkammer 11 erfolgt das Lackieren mit vorzugsweise positiv elektrostatisch aufgeladenem UV-Lack oder auch einem anderen Lack als Beschichtung unter Vakuum, wobei der Lackierkopf innerhalb oder Außerhalb der Kammer montiert sein kann. In der dritten Kammer erfolgt das Aushärten und Trocken des Lacks immer noch unter Vakuum. Diese Kammer ist vor allem bei einem UV-härtenden Lack so ausgestaltet, dass die UV-Strahlung diffus in der Kammer verteilt wird. Dies kann z.B. durch ein Hammerschlagblech erfolgen. Ist das Aushärtemittel 18 außerhalb der Kammer angeordnet, kann die Strahlung durch ein geeignetes Quarzglas in die Kammer einstrahlen, ohne dass die Wärme in die Kammer gelangen muss. Schließlich ist zum Ausbringen des Substrats aus dem Vakuum oder für eventuelle Finish-Arbeiten eine vierte Kammer als Ausgabekammer vorgesehen.
  • Der weitere Aufbau der Einrichtung ist weitestgehend übereinstimmend mit dem Ausführungsbeispiel der Figur 1. Es sind lediglich mehrere Dosierbehälter 14 vorgesehen, so dass auch zusätzliche Ventile 27 oder Verschlussmittel erforderlich sind, um die Dosierbehälter bedarfsweise einzeln ansprechen zu können. Ferner sind je Dosierbehälter gesonderte Leitungen 22 mit Ventilen 21 und ggf. Zerstäubereinrichtungen vorgesehen, um eine Kontamination vor allem bei verschiedenen Lacken in den Dosierbehältern zu vermeiden. Wird mit nur einem Lack und mehreren Dosierbehältern bearbeitet, genügt auch eine Leitung 22. Wenn erwünscht und z.B. nicht nur ein Substrat sondern mehrere Substrate gleichzeitig beschichtet werden sollen, können mehrere Dosierbehälter 14 gemeinsam so geschaltet werden, dass ihr Inhalt nach Öffnen des Ventils 21 in die Vakuumkammer gelangt. Alternativ kann der Inhalt eines Dosierbehälters auf die für mehrere Teile erforderliche Lackmenge abgestimmt werden.
  • Gemäß Fig. 3 können die einzelnen Schritte und die dafür erforderlichen Elemente auch räumlich im selben Behälter z.B. auf einem getaktet betriebenen Drehtisch 37 angeordnet werden, in dem ausgehend von einem Übergabebereich 36 zwischen der Substrat-Herstellungsmaschine 15 und dem Drehtisch 37 die Substrate über eine Übergabestation 38 in die Vakuumkammer 11 eingebracht werden. Der Vakuumkammer 11 können, müssen jedoch nicht wenigstens eine Eingangskammer 12 vorgeschaltet und wenigstens eine Ausgangskammer 13 nachgeschaltet sein. Das fertig beschichtete Teil kann anschließend in einer Entnahmestation 39 entnommen werden. Eine der Kammern, im Ausführungsbeispiel die Konditionierungskammer 34 kann auch dafür vorgesehen sein, die Substrate vor dem Einbringen in die Vakuumkammer zu konditionieren, d.h., es können z.B. Wärmestrahler und/oder Ventilatoren vorgesehen sein, um die Oberflächentemperatur der Substrate in einen bestimmten Temperaturbereich zu bringen oder zu halten. Die Temperatur kann z.B. durch kontaktlose Temperaturfühler erfasst werden oder mittelbar durch die Temperatur in der Konditionierungskammer 34 bestimmt werden. Die Schritte ggf. Konditionieren, Einbringen, ggf. stufenweises Evakuieren, Beschichten, Aushärten und Entnehmen erfolgen so nacheinander in verschiedenen Stationen des Drehtischs,
  • Das Verfahren arbeitet weitestgehend ähnlich wie bezüglich Figur 1 erläutert. Vorzugsweise gelangen die Substrate 10 nach dem FiFo-Prinzip (first-in, first out) aus der Substrat-Herstellungsmaschine 15 und bleiben weitestgehend unter Reinraumbedingungen. Die Substrate können dann inline einzeln oder gruppenweise nacheinander die Vakuumkammer durchsetzen. In der Vakuum kammer 11 erfolgt die Beschichtung mit Lack, in der Ausgangskammer 13 das Aushärten durch die Aushärtemittel 18.
  • Das Aushärtemittel kann wenigstens ein IR-Strahler oder UV-Strahler sein. Die Strahler werden mit einem gewissen Abstand voneinander ausgerichtet und arbeiten mit einer sehr hohen Überhitzung, die zeitgesteuert wieder zu einer Untertemperatur führt. Es hat sich gezeigt, dass ein Durchsatz derzeit mit einigen Minuten je Teil bzw. je Charge möglich ist. Von unten kann zusätzlich ein stetiger Strahlungsteppich gleichbleibender Temperatur eingesetzt werden.
  • Bedarfsweise sind auch Mehrfachlackierungen möglich. Dazu kann entweder in einer Kammer nacheinander aus verschiedenen Dosierbehältern das Substrat beschichtet werden oder es können auch mehrere Vakuumkammern 11, oder Eingangs- und Ausgangskammern aneinandergesetzt werden. So kann z.B. eine Handyschale als Substrat in einer ersten Kammer mit einer Grundfarbe beschichtet werden, die dann unter Vakuum getrocknet wird. In einer weiteren Kammer kann dann z.B. ein Inlay oder ein Abdeckteil aufgebracht werden und dann die nächste Farbe aufgebracht werden, usw. Ebenso können in einer gemeinsam zu bearbeitenden Charge in der Folge zusammengehörige Teile gemeinsam beschichtet werden, wie z.B. das Ober- und Unterteil einer Handyschale.
    • Ein typischer Ablauf kann wie folgt beschrieben werden:
  • Zunächst wird das Substrat 10 aus Kunststoffmaterial oder ähnlichen Materialien unter Reinraumbedingungen spritzgegossen, wobei die Reinraumbedingungen zumindest auf der Werkzeugschließseite vorliegen sollten. Damit wird verhindert, dass Staubpartikel über das Werkzeug in die Oberfläche eindringen können bzw. nach der Entformung eine Kontamination entsteht. Anschließend erfolgt eine Zwangsentnahme durch Robotsysteme und ein weiterer Transport vorzugsweise unter Reinraumbedingungen, zB. zu einer Zwischenspeicherung mit dem Ziel der Abkühlung, des Temperierens und des Konditionierens der Teile. Durch diesen Zwischenspeicher wird eine zeitliche Zwangsfolge und somit Konstanz für die Prozessbedingungen der Weiterverarbeitung festgelegt. Hier kann es auch von Vorteil sein, wenn das Substrat 10 beim Eintritt in die Vakuumkammer noch eine bestimmte Mindesttemperatur aufweist, d.h. die Energie genutzt wird, die dem Substrat aus der Substrat-Herstellungsmaschine mitgegeben worden ist.
  • Der Weitertransport der Teile erfolgt durch Robotsysteme bis zur nächsten Station, z.B. der Einrichtung zur Herstellung der Lackierung. Alternativ sind Inline-Oberflächenbehandlungen, Laser-Behandlungen oder ein Inline-Besprühen möglich. Durch den lagegerechten Weitertransport ist eine genaue Positionierung gegeben, was wiederum eine Voraussetzung für eine exakte Weiterverarbeitung im 3-D-Bereich ist. Nach dem Aushärten und nach oder vor dem Freisetzen des Substrats aus dem Vakuum können noch weitere Stationen z.B. zum Bedrucken mit Symbolen oder Lasern von behandelten Oberflächen vorgesehen werden. Ziel kann sein, Markierungen an der Oberfläche durch Herauslösen des zusätzlichen Auftrags zu erreichen. Am Ende des Herstellungsprozesses kann ein Palettieren bzw. Stapeln gegebenenfalls auch unter Reinraumbedingungen erfolgen. Durch die Zwangsläufigkeit werden kurze Durchlauf- und Fertigungszeiten erreicht, was wiederum hohe und schnelle Verfügbarkeit bedeutet. Damit kann die Anlage auch flexibel kleinere Losgrößen wirtschaftlich herstellen.
  • Das Verbringen des Substrats zu den einzelnen Stationen kann über ein Fördersystem wie z.B. über ein Magnetfördersystem mit einer entsprechenden Anzahl von Förderwagen erfolgen. Auf den Förderwagen kann je nach Bauteil eine entsprechende Aufnahme für das zu verarbeitende Substrat montiert werden, was die Flexibilität erhöht. Die Förderwagen werden beim Einbringen für eine genaue Übergabe zentriert. Das Fördersystem arbeitet im Taktbetrieb, wobei die Taktgeschwindigkeit vom längsten Arbeitsschritt bestimmt wird. Vorzugsweise wird immer von Kammer zu Kammer weitergetaktet. Nach der Übergabe des Bauteils von der Substrat-Herstellungsmaschine kann dieses optional z.B. einer Corona-Behandlung unterworfen werden. Danach beginnt das Einschleusen in die erste Kammer Vor der Einbringung / Einschleusung sind alle Türen an allen Kammern geschlossen. Die Eingangstür an der ersten Kammer 1 wird geöffnet, das Substrat eingeschleust und die Eingangstür schließt wieder. Der Druck wird auf Vakuum abgepumpt und das Substrat je nach Bedarf elektrostatisch aufgeladen. Die Verbindungstür von der ersten Kammer zur zweiten Kammer öffnet sich und das Fördersystem taktet und bringt das Substrat in die zweite Kammer ein. Die Verbindungstür schließt sich wieder und das Substrat wird lackiert bzw. eventuell wird je nach Einstellung nochmals etwas Vakuum abgepumpt. Jetzt öffnet sich die Verbindungstür von der zweiten Kammer zur dritten Kammer. Das Fördersystem taktet und bringt das Substart in die dritte Kammer ein. Die Verbindungstür von der zweiten Kammer zur dritten Kammer schließt sich und das Substrat wird getrocknet bzw. es wird je nach Einstellung nochmals Vakuum abgepumpt. Nach dem Trocknen öffnet sich die Verbindungstür von der dritten Kammer zur vierten Kammer. Das Fördersystem taktet und bringt das Substrat in die vierte Kammer ein. Die Verbindungstür von der dritten Kammer zur vierten Kammer schließt sich. Die vierte Kammer wird entlüftet bzw. geflutet und auf Atmosphärendruck gebracht, Jetzt öffnet sich die Ausgangstür an der vierten Kammer öffnet sich und das Fördersystem taktet das Substrat aus. Die Ausgangstür an der vierten Kammer schließt sich und danach wird darin wieder abgepumpt. Das Durchtakten zwischen den Kammern geschieht im Vakuum. Nur die erste und die vierte Kammer kommen zeitweise auf Atmosphärendruck. Die zweite und dritte Kammer können grundsätzlich im Betrieb unter Vakuum bleiben. Alle Kammern sind mit Druckwächtem versehen und können unabhängig voneinander je nach eingestellten Vorgaben der Drücke der jeweiligen Kammer zu jeder Zeit über die eingesetzten Ventile nachgepumpt oder entlüftet werden. Die Pumpen sind vorzugsweise permanent in Betrieb. Ebenfalls vorzugsweise permanent in Betrieb ist die UV-Lampe. Diese hat einen Shutter eingebaut, so dass wenn kein Substrat zum Trocknen ansteht kein UV-Licht in die Kammer gelangt. Nach dem Ausbringen aus dem Kammersystem kann optional das Substrat auf verschiedenen nachgeschalteten Stationen für Finisharbeiten weiterverarbeitet werden (z.B. Laserbearbeitung kennzeichnen).
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Substrat
    11
    Vakuumkammer
    12
    Eingangskammer
    13
    Ausgangskammer
    14
    Dosierbehälter
    15
    Kunststoff-Spritzgießmaschine
    16
    Vakuumpumpe
    17
    Ladungsquelle
    18
    Aushärtemittel
    19
    Vakuumpumpe
    20,21,25,27
    Ventil
    22
    Leitung
    22a
    Eintrittspunkt
    23
    Zerstäubereinrichtung
    24
    Lackbehälter
    26
    Träger
    30
    Ventil
    34
    Konditionierungskammer
    31
    Belüftungsleitung
    36
    Übergabebereich
    37
    Drehtisch
    38
    Übergabestation
    39
    Entnahmebereich

Claims (19)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Lack-Beschichtung auf wenigstens einem vorzugsweise zumindest teilweise aus Kunststoff bestehendem Substrat (10) mit den Schritten:
    - Platzieren des Substrats (10) in wenigstens einer Vakuumkammer (11),
    - Aufbauen eines Vakuums in der Vakuumkammer (11),
    - lonisieren von Lack-Beschichtung und/oder Substrat (10),
    - Einbringen der Lack-Beschichtung in die Vakuumkammer (11) und damit einhergehendes Aufbringen der Lack-Beschichtung auf das Substrat (10),
    - Abbauen des Vakuums,
    - Aushärten der Lack-Beschichtung,
    - Entnehmen des beschichteten Substrats (10),
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer zum Aufbau des Vakuums verschlossen wird und während der Lack-Beschichtung verschlossen bleibt und dass der Lack nach dem Aufbringen auf das Substrat (10) unter Vakuum auf dem Substrat so weit ausgehärtet wird, dass der Lack auf dem Substrat (10) bei Abbau des Vakuums haften bleibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lack und/oder das Substrat (10) vor dem oder beim Einbringen des Lacks in die Vakuumkammer (11) aufgeladen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lack unter Vakuum durch Wärme und/oder UV-Strahlung ausgehärtet wird, wobei die Wärme und/oder UV-Strahlung vorzugsweise außerhalb der Vakuumkammer erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum in der Vakuumkammer (11) auf ein Vakuum kleiner 300 mbar, vorzugsweise zwischen 5 und 200 mbar und besonders vorzugsweise zwischen 40 und 50 mbar eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ungefähr für die Beschichtung des Substrats erforderliche Lackmenge in wenigstens einem Dosierbehälter (14) bereitgestellt wird, der mit der Vakuum-kammer (11) verbindbar ist und/oder dass der wenigstens eine Dosierbehälter (14) evakuierbar ist, wobei das Vakuum in der Vakuumkammer (11) geringer ist als das Vakuum in dem wenigstens einen Dosierbehälter (14), undloder dass die Lackmenge drucklos in die Vakuumkammer eingebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dosierbehälter (14) mit bedarfsweise verschiedenen Lacken gleichzeitig oder sequenziell mit der Vakuumkammer (11) verbindbar sind und/oder dass mehrere Lacke in aufeinanderfolgenden Arbeitschritten und/oder in verschiedenen aufeinanderfolgenden Vakuumkammern aufgebracht werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lack in einem Lackbehälter (24) oder in wenigstens einem Dosierbehälter (14) durch Aufladen des jeweiligen Behälters aufgeladen wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zerstäubereinrichtung (23) den Lack elektrostatisch verteilt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (10) in line einzeln oder gruppenweise nacheinander die Vakuumkammer (11) durchsetzen.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise für den Inline-Betrieb der Vakuumkammer (11) wenigstens eine Eingangskammer (12) und wenigstens eine Ausgangskammer (13) zugeordnet ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) vorzugsweise nach dem First-in First-out Prinzip der Vakuumkammer (11) von einer Substrat-Herstellungsmaschine zugeführt wird, wobei vorzugsweise die Substrat-Herstellungsmaschine eine Kunststoff-Spritzgießmaschine (15), ein Kunststoff-Extruder oder eine andere Kunststoff verarbeitende Maschine ist.
  12. Einrichtung zur Herstellung von Lack-Beschichtungen auf wenigstens einem zumindest teilweise aus Kunststoff bestehendem Substrat (10) mit
    - wenigstens einer Vakuumkammer (11),
    - wenigstens einer bedarfsweise zuschaltbaren Vakuumpumpe (16) zu Erzeugung eines Vakuums in der Vakuumkammer (11),
    - wenigstens einer Ladungsquelle (17) zum Ionisieren der Lack-Beschichtung und/oder des Substrats (10),
    - Mitteln zum Einbringen des Substrats in und Entnehmen des Substrats aus der Vakuumkammer (11),
    - wenigstens einem Aushärtemittel (18) zum Aushärten der Beschichtung,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (11) zum Aufbau des Vakuums und zum Aufbringen der Lackbeschichtung verschließbar ist und dass wenigstens ein Aushärtemittel (18) der Vakuumkammer (11) zugeordnet ist, das dafür bestimmt ist, den Lack auszuhärten, solange das Substrat im Vakuum ist.
  13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lack und/oder das Substrat (10) vor oder beim Einbringen des Lacks in die Vakuumkammer (11) aufgeladen wird.
  14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärtemittel (18) eine UV-Strahlungsquelle und/oder eine Wärmequelle ist und dass das Aushärtemittel vorzugsweise außerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist.
  15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lackbehälter (24) oder wenigstens ein Dosierbehälter (14) vorgesehen ist, der zur Aufladung des Lacks mit der Ladungsquelle (18) verbindbar ist.
  16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (11) wenigstens eine Eingangskammer (12) und wenigstens eine Ausgangskammer (13) umfasst, die schleusenartig mit der Vakuumkammer verbunden sind, wobei das Aushärtemittel (18) vorzugsweise wenigstens einer der Kammern umfassend die Vakuumkammer (11), die wenigstens eine Eingangskammer (12) und die wenigstens eine Ausgangskammer (13) zugeordnet ist.
  17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumkammer (11) wenigstens ein Dosierbehälter (14) zugeordnet ist, dessen Volumen ungefähr auf die für die Beschichtung des Substrats (10) erforderliche Lackmenge einstellbar ist, und dass vorzugsweise mehrere Dosierbehälter (14) mit bedarfsweise verschiedenen Lacken vorgesehen sind, die gleichzeitig oder sequenziell mit der Vakuumkammer (11) verbindbar sind.
  18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen des Lacks in die Vakuumkammer (11) eine vorzugsweise drucklos arbeitende Zerstäubereinrichtung (23) vorgesehen ist und/oder dass eine Zerstäubereinrichtung (23) ein Kanten, Spitzen oder Radien aufweisendes Element, das mit dem Lack benetzt ist, für ein elektrostatisches Verteilen des Lacks aufweist.
  19. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einer Substrat-Herstellungsmaschine in Line nachgeordnet ist, die vorzugsweise durch eine Kunststoff-Spritzgießmaschine (15), ein Kunststoff-Extruder oder eine sonstige Kunststoff verarbeitende Maschine gebildet ist.
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