EP4045602A1 - Verfahren zur oberflächenbeschichtung von werkstücken - Google Patents

Verfahren zur oberflächenbeschichtung von werkstücken

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Publication number
EP4045602A1
EP4045602A1 EP20797016.1A EP20797016A EP4045602A1 EP 4045602 A1 EP4045602 A1 EP 4045602A1 EP 20797016 A EP20797016 A EP 20797016A EP 4045602 A1 EP4045602 A1 EP 4045602A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
frequency spectrum
coating agent
coating
capsule
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20797016.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alireza ESLAMIAN
Martin SCHIFKO
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.)
ESS Holding GmbH
Original Assignee
ESS Holding GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ESS Holding GmbH filed Critical ESS Holding GmbH
Publication of EP4045602A1 publication Critical patent/EP4045602A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B05D3/0254—After-treatment
    • B05D3/0281—After-treatment with induction heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C09D7/40—Additives
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    • 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
    • B05D7/14—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 metal, e.g. car bodies

Definitions

  • the invention relates to a method for the surface coating of workpieces, wherein a coating agent is applied to the workpiece and then cured in an electromagnetic alternating field.
  • Electrophoretic immersion processes are known from the prior art for the surface coating of workpieces, such as car bodies.
  • the car bodies are immersed in an electrically conductive dip paint.
  • a DC voltage is applied between the car body, which acts as a cathode, and an anode, the dip paint falls out on the car body and remains there temporarily.
  • a method for surface coating a workpiece with powder paint is known.
  • the powder coating is applied to the workpiece and cured by means of an alternating electromagnetic field that excites the powder coating particles.
  • the alternating field is selected in such a way that the particles of the powder coating but not the workpiece are excited, which enables the powder coating to cure in an energy-saving manner.
  • Methods for inductive hardening of workpieces are also known from the prior art.
  • the workpiece is exposed to an alternating magnetic field and thus brought to temperatures of over 800 ° C.
  • the exposure time is a few seconds in order to prevent complete heating of the workpiece due to conduction and thus energy losses.
  • the invention is therefore based on the object of proposing a method for surface coating of the type described above, which despite short process duration, even with standard coating agents, in particular with liquid paints, enables a high-quality surface coating.
  • the invention solves the problem in that the volatile components of the coating agent are first expelled in an electromagnetic alternating field with a first frequency spectrum, after which the surface of the workpiece is heated in an electromagnetic alternating field with a second frequency spectrum for crosslinking and / or hardening of the remaining coating agent components whose frequency range is below the first frequency spectrum.
  • the volatile constituents of the coating agent necessary for uniform application of the coating agent to the workpiece are removed before the actual crosslinking or curing of the coating agent takes place, which prevents undesirable inclusions of the volatile constituents in the cured surface coating and thus increases the quality of the surface coating can be.
  • the volatile constituents are polar fluids such as water or other solvents
  • frequency spectra in the microwave range in particular in the decimeter wave range, have proven to be particularly suitable for driving out these volatile constituents.
  • the workpiece is exposed to an alternating field with a second frequency spectrum, the frequency range of which is below the first frequency spectrum.
  • a frequency spectrum in the radio wave in particular long wave and medium wave range, is suitable for this. This alternating field with a small penetration depth into the workpiece stimulates the surface of the workpiece and thus heats it to a desired temperature.
  • the crosslinking or hardening of the remaining components of the coating agent takes place primarily via heat conduction and heat transfer from the heated surface of the workpiece, which is why the coating agent does not have to have inductively or dielectrically heatable particles and therefore standard coating agents can be used. Because only the If the surface of the workpiece has to be heated, the energy input required is relatively low. Typical temperatures to which the surface of the workpiece should be brought in order to achieve uniform crosslinking and / or hardening of the remaining coating agent components without changing the structure or the nature of the surface of the workpiece are 100-200 ° C, preferably 160 - 190 ° C.
  • the first frequency spectrum be in a range of 1-3 GHz. It has been found that this area is suitable for driving out common volatile constituents of a coating agent, even in the case of complex workpiece geometries with any hard-to-reach areas.
  • the frequency spectrum can also include only one or a few frequencies in the specified range.
  • a suitable second frequency spectrum for heating the surface of the workpiece and thus for crosslinking and / or curing the remaining coating agent components without changing the structure of the workpiece itself, such as during curing, is in a range of 35-400 kHz.
  • This frequency range has the advantage that the alternating electromagnetic field only has a small depth of penetration into the workpiece and therefore predominantly excites the surface of the workpiece. In this way, the temperature of the workpiece can be increased primarily in an area close to the coating agent, so that energy-efficient heat conduction and energy-efficient heat transfer from the workpiece to the remaining coating agent components to be crosslinked and / or cured can take place, since the alternating field is not used to heat the entire workpiece .
  • emitters with a power of 60-120 kW have proven to be particularly suitable. So that an inclusion-free surface coating is made possible even with volatile components with low vapor pressure without changing the structure of the workpiece, it is proposed that the workpiece be exposed to the electromagnetic alternating field with the first frequency spectrum for longer than the electromagnetic alternating field with the second frequency spectrum. In this way it can be ensured that no undesired volatile constituents, such as solvents, are included in the surface coating before crosslinking and / or hardening of the remaining coating agent components, whereby the quality of the surface coating is further increased.
  • the workpiece can preferably be exposed to the electromagnetic alternating field with the first frequency spectrum for 10-20 minutes and the electromagnetic alternating field with the second frequency spectrum for 5 to 10 minutes.
  • the duration of exposure to the alternating field according to the invention with the second frequency spectrum is sufficient for typical car bodies as workpieces to keep the workpiece at a required temperature for a sufficiently long time so that efficient crosslinking and / or curing of the coating agent is made possible. Simulations have shown that the energy input required for workpieces, for example car bodies, to drive out the volatile constituents is 20-30 kWh and for heating the surface of the workpiece to typical desired temperatures is 10-20 kWh.
  • the alternating electromagnetic fields can be applied with large-area emitters that can be displaced in at most one spatial direction and with emitters that can be displaced in at least two spatial directions for areas of the workpiece that are difficult to access.
  • the large-area emitters can be arranged, for example, in a stationary manner or on curved supports which can be displaced in one spatial direction relative to the workpiece.
  • Displaceable emitters for areas of the workpiece that are difficult to access can be arranged, for example, on multi-axis robot arms.
  • the coating agent or a hardening agent applied before curing has inductively or dielectrically heatable particles, which are subjected to an alternating magnetic field for curing the coating agent.
  • the energy required for curing the coating agent is also used to excite the inductively or dielectrically heatable particles. Since the inductively or dielectrically heatable particles are applied either directly with a coating agent, for example liquid or powder paint, or as a hardening agent on the surface of the workpiece, a direct and loss-free heat transfer of the excited particles to the coating agent applied to the surface of the workpiece and thus enables an energy-saving crosslinking or curing of the coating agent.
  • a particularly homogeneous curing of the coating agent on the workpiece surface results when the dielectrically or inductively excitable particles are nanoparticles.
  • the coating agent can be heated homogeneously even in the case of fine surface structures, such as corners or edges, so that the surface coating cures evenly in these areas and no harmful stresses arise within the cured layer.
  • the nanoparticles are therefore to be regarded as heat sources arranged on the entire surface of the workpiece, which also reach areas of the workpiece that are difficult to access and transfer the energy introduced by the alternating electromagnetic field to the coating agent as thermal energy.
  • the workpiece be in a fluid-impermeable, electromagnetically permeable capsule is arranged, which is acted upon by the coating agent and the excess coating agent is withdrawn from the capsule, after which the capsule is applied to the curing of the coating agent with an alternating electromagnetic field.
  • all process steps required for surface coating be it the transport of the workpiece through a production line, the pretreatment of the workpiece, the application of various coating agents and hardening agents, which have inductively or dielectrically heatable particles, onto the workpiece in one of the surroundings completed capsule.
  • the capsule Since the capsule is designed to be electromagnetically permeable, it does not interfere in a negative way with the electromagnetic alternating field, whereby the crosslinking or curing of the coating agents in the capsule can also take place.
  • the penetration depth of the electromagnetic waves used is sufficient to excite the surface of the workpiece or the inductively or dielectrically heatable particles applied to the workpiece.
  • the capsule is dimensioned in such a way that it offers enough space to accommodate the workpiece, but nevertheless allows the atmosphere enclosed by the capsule (pressure, temperature, humidity, etc.) to be manipulated in the most energy-saving way possible and thus allows the process conditions to be controlled precisely.
  • the manipulation of the closed atmosphere and the application of the coating or hardening agent can be done by connecting lines that allow an exchange between the capsule and supply units arranged along the production line.
  • the capsule is designed as a reaction space for coating the surface of the workpiece and for manipulating the atmosphere in the capsule.
  • the capsule can be treated with substances for pretreating the workpiece, such as cleaning agents, with substances for surface coating, such as liquid or powder coatings, with hardening agents, but also with substances for influencing the atmosphere, such as hot air, steam and the like.
  • coating agents which have no inductively or dielectrically heatable particles are also to be hardened, the capsule can be acted upon with a hardening agent having inductively or dielectrically heatable particles prior to hardening.
  • the curing agent can be added at the same time as, before or after the coating agent. For the most uniform possible distribution, the hardening agent can also be premixed with the coating agent before the capsule is filled.
  • the capsule be rotated about a horizontal axis of rotation after the coating agent and / or the hardening agent have been applied.
  • the rotation can take place during and / or after the application.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a production line for carrying out the method according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic side view of a production line equipped with electromagnetically permeable capsules for carrying out the method according to the invention in accordance with a second embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a production line for carrying out the method according to the invention in accordance with a third embodiment
  • the method according to the invention can be used in an electrophoretic deposition method known from the prior art, for example cathodic dip painting.
  • the workpiece 1 is arranged on a positioning frame 2 and is dipped through a paint bath 3 by a positioning drive (not shown).
  • the paint bath 3 is filled with an electrically conductive paint as a coating agent and various additives known from the prior art. If a direct voltage is now applied between the workpiece 1, which acts as a cathode, and the anode 4 arranged in the lacquer bath 3, the lacquer falls on the workpiece 1 and remains there.
  • the workpiece 1 is passed through an emitter 5 generating an electromagnetic alternating field.
  • the volatile constituents for example water or other volatile solvents
  • the volatile constituents are first expelled from the solvent applied to the workpiece 1.
  • this first frequency spectrum it is mainly the coating agent that is excited by the alternating field, which means that the volatile constituents are driven out with little energy loss.
  • the workpiece 1 is then subjected to an alternating field with a second frequency spectrum. Since the frequency range of the second frequency spectrum is below the first frequency spectrum, only the surface of the workpiece 1 itself is heated and kept at a desired temperature. As a consequence of this, the thermal energy is also transferred to the remaining coating agent components through thermal conduction and heat transfer, as a result of which these are crosslinked and / or hardened.
  • the first frequency spectrum a range of 1-3 GHz has proven to be particularly suitable for driving the volatile constituents out of the applied coating agent.
  • the second frequency spectrum can be in a range of 35-400 kHz, since it has been found that the energy of this electromagnetic alternating field is high enough to heat the surface of the workpiece 1, but not to change its structure.
  • the workpiece 1 which is not shown for reasons of clarity, is arranged in an electromagnetically permeable capsule 6.
  • the capsule 6 accordingly forms a closed reaction space which can be filled or emptied via supply units 7a, 7b, 7c.
  • a first supply unit 7a can apply a cleaning agent 8 to the interior of the capsule to remove grease or paint residues adhering to the workpiece 1.
  • the capsule 6 is uncoupled and, with the aid of a positioning drive 9 of a positioning frame 2, transported to a further supply unit 7b, which fills the interior of the capsule, for example, with an electrolyte 10 to generate a conversion layer on the workpiece 1 and then empties it again .
  • a third Supply unit 7c can supply electrically conductive liquid paint 11 to the interior of the capsule for coating the workpiece.
  • a DC voltage field is now applied between the workpiece 1, connected as a cathode, for example, and an anode fitted in the capsule 6, as a result of which the paint particles precipitate on the workpiece 1.
  • the workpiece 1 can also be connected as an anode. In this case, a cathode must be arranged in the capsule 6.
  • the applied lacquer is crosslinked in that the capsule 6 with the workpiece 1 arranged therein is passed through the electromagnetic alternating field of an emitter 5.
  • the capsule 6 on the supply unit 7b can be rotated about a horizontal axis of rotation for sufficient distribution of the applied coating agent.
  • the production line can be designed in such a way that the capsule 6 can also be rotated at other positions.
  • the different fill levels of the cleaning agent 8, the electrolyte 10 and the liquid varnish 11 drawn in by dashed lines show the different procedural steps over time when filling and emptying the capsule contents.
  • the capsules 6 can be hermetically sealed and are designed in two parts, which facilitates simple loading of the capsules 6 with a workpiece 1.
  • the alternating electromagnetic fields can be applied with large-area emitters 12 that can be displaced in at most one spatial direction. Due to the shift in only one spatial direction, no complex control devices are necessary, which means that production lines with the method according to the invention are created inexpensive way can be upgraded.
  • the alternating field with a first frequency spectrum for driving out the volatile components can be applied via a first large-area emitter 12a and the alternating field with a second frequency spectrum for crosslinking and / or hardening the remaining coating agent components can be applied via a second large-area emitter 12b.
  • the large area emitter 12 can comprise a plurality of emitters 5, for example.
  • a large-area emitter 12c that cannot be moved in any spatial direction is also provided.
  • areas of the workpiece 1 that are difficult to access can be exposed to an electromagnetic alternating field generated by emitters 5 which can be displaced in at least two spatial directions. These emitters 5 can be displaced by robot arms 13, for example.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung von Werkstücken (1), wobei ein Beschichtungsmittel auf das Werkstück (1) aufgetragen und danach in einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgehärtet wird beschrieben. Um trotz geringer Verfahrensdauer auch bei Standardbeschichtungsmittel, insbesondere bei Flüssiglacken, eine qualitativ hochwertige Oberflächenbeschichtung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass zunächst die flüchtigen Bestandteile des Beschichtungsmittels in einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einem ersten Frequenzspektrum ausgetrieben werden, wonach die Oberfläche des Werkstücks zum Vernetzen und/oder Härten der verbleibenden Beschichtungsmittelanteile in einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einem zweiten Frequenzspektrum erwärmt wird, dessen Frequenzbereich unterhalb des ersten Frequenzspektrums liegt.

Description

Verfahren zur Oberflächenbeschichtung von Werkstücken
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung von Werkstücken, wobei ein Beschichtungsmittel auf das Werkstück aufgetragen und danach in einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgehärtet wird.
Stand der Technik
Zur Oberflächenbeschichtung von Werkstücken, wie beispielsweise Autokarosserien, sind aus dem Stand der Technik elektrophoretische Tauchverfahren bekannt. Hierzu werden die Autokarosserien in einen elektrisch leitfähigen Tauchlack eingetaucht. Durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen der als Kathode wirkenden Autokarosserie und einer Anode fällt der Tauchlack an der Autokarosserie aus und bleibt dort temporär haften.
Zum Aushärten des applizierten Lackes ist es aus der DE19941184A1 bekannt, einen Lacktrockner mit einem Kabineninnenraum einzusetzen, durch den die Autokarosserie geführt wird. Durch Wärmetauscher erhitzte Frischluft wird in den Kabineninnenraum gesaugt, was zu einer Aushärtung bzw. Vernetzung des Lacks führt. Die so entstehende Abluft nimmt dabei toxische Lösungsmittel des Lacks auf, weshalb die Abluft einer thermischen Reinigung unterzogen wird, bevor sie in die Atmosphäre entlassen wird. Ein solches auf Konvektion basierendes Verfahren ist allerdings äußerst energieintensiv, da im Wesentlichen die gesamte im Kabineninnenraum befindliche Luft auf die benötigte Aushärtungstemperatur gebracht werden muss. Zudem kommt das Problem, dass es vor allem bei komplexeren Werkstücken zu einer inhomogenen, zeitlich differenzierten Aushärtung der Werkstücke kommt, da die heißen Luftströmungen nicht ungehindert in Hohlräume des Werkstücks eindringen können. Um die Betriebskosten zu senken, ist es aus der DE112010000464T5 bekannt, neben der Aushärtung durch Konvektion, UV- und Nahinfrarotstrahlung einzusetzen. Nachteilig daran ist allerdings, dass die Eindringtiefe von UV- und Nahinfrarotstrahlung nur sehr gering ist, weswegen die UV- bzw. Nahinfrarotquellen nah am Werkstück geführt werden müssen, was wiederum bei Werkstücken unterschiedlicher Dimensionen und Ausgestaltung zu einem prozesstechnischen Aufwand führt. Vor allem bei Verfahren, die eine rasche Härtung des Beschichtungsmittels auf Basis elektromagnetischer Wechselfelder ermöglichen, tritt das Problem auf, dass bei zu rascher Härtung Blasenbildungen und ungewünschte Einschlüsse der Oberflächenbeschichtung nicht vermieden werden können.
Aus der EP1541641A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung eines Werkstückes mit Pulverlack bekannt. Hierbei wird der Pulverlack auf das Werkstück aufgetragen und mittels elektromagnetischen Wechselfeldes, die die Partikel des Pulverlacks anregen, ausgehärtet. Das Wechselfeld wird dabei so gewählt, dass die Partikel des Pulverlacks nicht aber das Werkstück angeregt wird, was ein energieschonendes Aushärten des Pulverlacks ermöglicht.
Nachteilig daran ist allerdings, dass die auszuhärtenden bzw. zu vernetzenden Pulverlacke induktiv oder dielektrisch erwärmbare Partikel aufweisen müssen, weswegen das Verfahren nur auf bestimmte Beschichtungsmittel beschränkt ist.
Aus dem Stand der Technik sind weiter Verfahren zum induktiven Härten von Werkstücken bekannt. Hierzu wird das Werkstück mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt und dadurch auf Temperaturen von über 800°C gebracht. Die Beaufschlagungsdauer beträgt wenige Sekunden, um ein wärmeleitungsbedingtes vollständiges Erhitzen des Werkstücks und dadurch Energieverluste zu verhindern.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung der eingangs geschilderten Art vorzuschlagen, das trotz geringer Verfahrensdauer auch bei Standardbeschichtungsmittel, insbesondere bei Flüssiglacken, eine qualitativ hochwertige Oberflächenbeschichtung ermöglicht.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass zunächst die flüchtigen Bestandteile des Beschichtungsmittels in einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einem ersten Frequenzspektrum ausgetrieben werden, wonach die Oberfläche des Werkstücks zum Vernetzen und/oder Flärten der verbleibenden Beschichtungsmittelanteile in einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einem zweiten Frequenzspektrum erwärmt wird, dessen Frequenzbereich unterhalb des ersten Frequenzspektrums liegt. Zufolge dieser Maßnahmen werden die für ein gleichmäßiges Aufträgen des Beschichtungsmittels auf das Werkstück notwendigen flüchtigen Bestandteile des Beschichtungsmittels entfernt, bevor die eigentliche Vernetzung bzw. Härtung des Beschichtungsmittels geschieht, wodurch unerwünschte Einschlüsse der flüchtigen Bestandteile in der ausgehärteten Oberflächenbeschichtung verhindert und somit die Qualität der Oberflächenbeschichtung erhöht werden kann. Da die flüchtigen Bestandteile polare Fluide, wie beispielsweise Wasser oder andere Lösungsmittel sind, haben sich zum Austreiben dieser flüchtigen Bestandteile Frequenzspektren im Mikrowellen-, insbesondere im Dezimeterwellenbereich, als besonders geeignet dargestellt. Nachdem der Großteil der flüchtigen Bestandteile aus der Oberflächenbeschichtung ausgetrieben worden ist, wird das Werkstück mit einem Wechselfeld mit einem zweiten Frequenzspektrum beaufschlagt, dessen Frequenzbereich unterhalb des ersten Frequenzspektrums liegt. Hierzu ist ein Frequenzspektrum im Radiowellen-, insbesondere Langwellen- und Mittelwellenbereich, geeignet. Durch dieses Wechselfeld mit geringer Eindringtiefe in das Werkstück wird die Oberfläche des Werkstücks angeregt und somit auf eine gewünschte Temperatur erwärmt. Die Vernetzung bzw. Härtung der verbleibenden Beschichtungsmittelanteile geschieht somit vorwiegend über Wärmeleitung und den Wärmeübergang ausgehend von der erwärmten Oberfläche des Werkstücks, weswegen das Beschichtungsmittel keine induktiv oder dielektrisch erwärmbaren Partikel aufweisen muss und daher Standardbeschichtungsmittel eingesetzt werden können. Dadurch, dass nur die Oberfläche des Werkstücks erwärmt werden muss, ist der erforderliche Energieeintrag verhältnismäßig gering. Typische Temperaturen, auf die die Oberfläche des Werkstücks gebracht werden sollen, um ein gleichmäßiges Vernetzen und/oder Härten der verbleibenden Beschichtungsmittelanteile zu erzielen, ohne dabei das Gefüge oder die Beschaffenheit der Oberfläche des Werkstücks zu verändern, betragen 100 - 200 °C, bevorzugt 160 - 190°C.
Um die flüchtigen Bestandteile vollständig und dennoch energieschonend aus dem Beschichtungsmittel austreiben zu können, wird vorgeschlagen, dass das erste Frequenzspektrum in einem Bereich von 1 - 3 GHz liegt. Es hat sich herausgestellt, dass dieser Bereich geeignet ist, um gängige flüchtige Bestandteile eines Beschichtungsmittels auch bei komplexen Werkstückgeometrien mit etwaigen schwer zugänglichen Stellen austreiben zu können. Das Frequenzspektrum kann in Abhängigkeit der verwendeten Emitter auch nur eine oder einige wenige Frequenzen im angegebenen Bereich umfassen.
Ein geeignetes zweites Frequenzspektrum zum Erwärmen der Oberfläche des Werkstücks und damit zum Vernetzen und/oder Härten der verbleibenden Beschichtungsmittelanteile, ohne dabei das Gefüge des Werkstückes selbst, wie beispielsweise beim Härten, zu ändern, liegt in einem Bereich von 35 - 400 kHz. Bei diesem Frequenzbereich ergibt sich der Vorteil, dass das elektromagnetische Wechselfeld nur eine geringe Eindringtiefe in das Werkstück aufweist und daher vorwiegend die Oberfläche des Werkstücks anregt. Auf diese Weiske kann die Temperaturerhöhung des Werkstücks vorwiegend in einem beschichtungsmittelnahen Bereich erfolgen, sodass eine energieeffiziente Wärmeleitung und ein energieeffizienter Wärmeübergang vom Werkstück zu den zu vernetzenden und/oder zu härtenden verbleibenden Beschichtungsmittelanteilen erfolgen kann, da das Wechselfeld nicht zum Erwärmen des gesamten Werkstücks verwendet wird. Zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfelder haben sich Emitter mit einer Leistung von 60 - 120 kW als besonders geeignet herausgestellt. Damit eine einschlussfreie Oberflächenbeschichtung auch bei flüchtigen Bestandteilen mit geringem Dampfdruck ermöglicht wird, ohne das Gefüge des Werkstücks zu ändern, wird vorgeschlagen, dass das Werkstück dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem ersten Frequenzspektrum länger als dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem zweiten Frequenzspektrum ausgesetzt wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass vor Vernetzen und/oder Flärten der verbleibenden Beschichtungsmittelanteile keine unerwünschten flüchtigen Bestandteile, wie Lösungsmittel, in der Oberflächenbeschichtung miteingeschlossen werden, wodurch die Qualität der Oberflächenbeschichtung weiter erhöht wird.
Bevorzugt kann das Werkstück dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem ersten Frequenzspektrum 10 - 20 Minuten und dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem zweiten Frequenzspektrum 5 - 10 Minuten ausgesetzt werden. Die erfindungsgemäße Beaufschlagungsdauer des Wechselfeldes mit dem zweiten Frequenzspektrum reicht für typische Autokarosserien als Werkstücke aus, um das Werkstück ausreichend lange auf einer geforderten Temperatur zu halten, sodass ein effizientes Vernetzen und/oder Härten des Beschichtungsmittels ermöglicht wird. Simulationen haben ergeben, dass der benötigte Energieeintrag für Werkstücke, beispielsweise Autokarosserien, zum Austreiben der flüchtigen Bestandteile 20 - 30 kWh und zum Erwärmen der Oberfläche des Werkstücks auf typische gewünschte Temperaturen 10 - 20 kWh beträgt.
Damit bereits bestehende Vorrichtungen zur Oberflächenbeschichtung von verhältnismäßig großen und komplexe Geometrien aufweisenden Werkstücken auf einfache Weise nachgerüstet werden können, können die elektromagnetischen Wechselfelder mit in höchstens einer Raumrichtung verlagerbaren Großflächenemittern und mit in wenigstens zwei Raumrichtungen verlagerbaren Emittern für schwer zugängliche Bereiche des Werkstücks appliziert werden. Die Großflächenemitter können beispielsweise stationär oder auf bogenförmigen, in einer Raumrichtung gegenüber dem Werkstück verlagerbaren Trägern angeordnet sein. Die in wenigstens zwei Raumrichtungen verlagerbaren Emitter für schwer zugängliche Bereiche des Werkstücks können beispielsweise auf mehrachsigen Roboterarmen angeordnet sein.
Um die Energieeffizienz des Verfahrens weiter zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass das Beschichtungsmittel oder ein vor dem Aushärten aufgetragenes Härtungsmittel induktiv oder dielektrisch erwärmbare Partikel aufweist, die zum Aushärten des Beschichtungsmittels mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt werden. Zufolge dieser Maßnahmen wird die zur Aushärtung des Beschichtungsmittels benötigte Energie auch zur Anregung der induktiv oder dielektrisch erwärmbaren Partikel eingesetzt. Da die induktiv oder dielektrisch erwärmbaren Partikel entweder direkt mit einem Beschichtungsmittel, beispielsweise Flüssig- oder Pulverlack, oder aber als Härtungsmittel auf der Oberfläche des Werkstücks appliziert werden, wird ein unmittelbarer und verlustfreier Wärmeübergang der angeregten Partikel auf das auf der Oberfläche des Werkstücks applizierte Beschichtungsmittel und damit eine energieschonende Vernetzung bzw. Aushärtung des Beschichtungsmittels ermöglicht.
Eine besonders homogene Aushärtung des Beschichtungsmittels auf der Werkstückoberfläche ergibt sich, wenn die dielektrisch oder induktiv anregbaren Partikel Nanopartikel sind. Zufolge der kleinen Dimensionen der Partikel kann das Beschichtungsmittel auch bei feinen Oberflächenstrukturen, wie Ecken oder Kanten, homogen erwärmt werden, sodass die Oberflächenbeschichtung auch in diesen Bereichen gleichmäßig aushärtet und keine schädlichen Spannungen innerhalb der ausgehärteten Schicht entstehen. Die Nanopartikel sind demnach also als auf der gesamten Oberfläche des Werkstücks angeordnete Wärmequellen anzusehen, die auch schwer zugängliche Stellen des Werkstücks erreichen und die vom elektromagnetischen Wechselfeld eingetragene Energie dem Beschichtungsmittel als Wärmeenergie übergeben.
Um auch den der Aushärtung vorangehenden Beschichtungsprozess energetisch und qualitativ zu optimieren und das Bearbeitungsvolumen möglichst kleinzuhalten, wird vorgeschlagen, dass das Werkstück in einer fluidundurchlässigen, elektromagnetisch permeablen Kapsel angeordnet wird, die mit dem Beschichtungsmittel beaufschlagt und das überschüssige Beschichtungsmittel aus der Kapsel abgezogen wird, wonach die Kapsel zum Aushärten des Beschichtungsmittels mit einem elektromagnetischen Wechselfeld beaufschlagt wird. Zufolge dieser Maßnahmen können alle für die Oberflächenbeschichtung erforderlichen Verfahrensschritte, sei es der Transport des Werkstückes durch eine Fertigungsstraße, die Vorbehandlung des Werkstückes, die Applikation diverser Beschichtungsmittel und Härtungsmittel, die induktiv oder dielektrisch erwärmbare Partikel aufweisen, auf das Werkstück, in einer von der Umgebung abgeschlossenen Kapsel durchgeführt werden. Da die Kapsel elektromagnetisch permeabel ausgestaltet ist, interferiert diese nicht in negativerWeise mit dem elektromagnetischen Wechselfeld, wodurch auch die Vernetzung bzw. Aushärtung der Beschichtungsmittel in der Kapsel vollzogen werden kann. Die Eindringtiefe der eingesetzten elektromagnetischen Wellen reicht dabei aus, um die Oberfläche des Werkstücks oder die auf dem Werkstück applizierten induktiv oder dielektrisch erwärmbaren Partikel anzuregen. Die Kapsel ist je nach Werkstück so dimensioniert, dass sie genügend Raum zur Aufnahme des Werkstückes bietet, jedoch trotzdem eine möglichst energieschonende Manipulation der von der Kapsel eingeschlossenen Atmosphäre (Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit etc.) und damit eine exakte Kontrolle der Prozessbedingungen erlaubt. Die Manipulation der abgeschlossenen Atmosphäre und die Beaufschlagung der Beschichtungs- bzw. Härtungsmittel kann durch Anschlussleitungen, die einen Austausch zwischen der Kapsel und entlang der Fertigungsstraße angeordneten Versorgungseinheiten ermöglichen, geschehen. Die Kapsel ist als Reaktionsraum zur Oberflächenbeschichtung des Werkstückes und zur Manipulation der Atmosphäre in der Kapsel ausgestaltet. Grundsätzlich kann die Kapsel mit Stoffen zur Vorbehandlung des Werkstückes, wie Reinigungsmittel, mit Stoffen zur Oberflächenbeschichtung, wie Flüssig- oder Pulverlacke, mit Härtungsmitteln, aber auch mit Stoffen zur Beeinflussung der Atmosphäre, wie Heißluft, Wasserdampf und dergleichen beaufschlagt werden. Sollen auch Beschichtungsmittel ausgehärtet werden können, die keine induktiv oder dielektrisch erwärmbare Partikel aufweisen, kann die Kapsel vor dem Aushärten mit einem induktiv oder dielektrisch erwärmbare Partikel aufweisenden Härtungsmittel beaufschlagt werden. Das Härtungsmittel kann zeitgleich mit, vor oder nach dem Beschichtungsmittel zugeführt werden. Das Härtungsmittel kann für eine möglichst gleichmäßige Verteilung auch vor Befüllung der Kapsel mit dem Beschichtungsmittel vorgemischt werden.
Damit eine möglichst homogene Applikation der Beschichtungsmittel auch an schwer zugänglichen Stellen des Werkstückes ermöglicht wird, wird vorgeschlagen, dass die Kapsel nach dem Beaufschlagen mit dem Beschichtungsmittel und/oder dem Härtungsmittel um eine horizontale Rotationsachse rotiert wird. Die Rotation kann während und/oder nach der Beaufschlagung erfolgen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Fertigungsstraße zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer mit elektromagnetisch permeablen Kapseln ausgestatteten Fertigungsstraße zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend einer zweiten Ausführungsform und
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Fertigungsstraße zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend einer dritten Ausführungsform
Wege zur Ausführung der Erfindung Wie in Fig. 1 zu sehen ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren in einem aus dem Stand der Technik bekannten elektrophoretischen Abscheidungsverfahren, beispielsweise eine kathodische Tauchlackierung, angewandt werden. Hierzu ist das Werkstück 1 auf einem Positionierrahmen 2 angeordnet und wird durch einen nicht dargestellten Positionierantrieb durch ein Lackbad 3 getaucht. Es versteht sich dabei von selbst, dass das Lackbad 3 mit einem elektrisch leitenden Lack als Beschichtungsmittel und diversen aus dem Stand der Technik bekannten Additiven befüllt ist. Wird nun eine Gleichspannung zwischen dem als Kathode wirkenden Werkstück 1 und der im Lackbad 3 angeordneten Anode 4 angelegt, so fällt der Lack am Werkstück 1 aus und bleibt dort haften. Zum Aushärten bzw. Vernetzen wird das Werkstück 1 durch einen ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugenden Emitter 5 geführt.
Mit Hilfe des vom Emitter 5 erzeugten elektromagnetischen Wechselfelds mit einem ersten Frequenzspektrum werden zunächst die flüchtigen Bestandteile, beispielsweise Wasser oder andere flüchtige Lösungsmittel, aus dem auf dem Werkstück 1 applizierten Lösungsmittel ausgetrieben. Bei diesem ersten Frequenzspektrum wird demnach vorwiegend das Beschichtungsmittel vom Wechselfeld angeregt, was ein energieverlustarmes Austreiben der flüchtigen Bestandteile mit sich bringt. Danach wird das Werkstück 1 mit einem Wechselfeld mit einem zweiten Frequenzspektrum beaufschlagt. Da der Frequenzbereich des zweiten Frequenzspektrums unterhalb des ersten Frequenzspektrums liegt, wird nur die Oberfläche des Werkstücks 1 selbst erwärmt und auf einer gewünschten Temperatur gehalten. Als Folge davon wird die Wärmeenergie durch Wärmeleitung und Wärmeübergang auch auf die verbleibenden Beschichtungsmittelanteile übertragen, wodurch diese vernetzt und/oder gehärtet werden.
Als erstes Frequenzspektrum hat sich dabei ein Bereich von 1 - 3 GHz als besonders geeignet herausgestellt, um die flüchtigen Bestandteile aus dem aufgetragenen Beschichtungsmittel auszutreiben. Das zweite Frequenzspektrum kann in einem Bereich von 35 - 400 kHz liegen, da es sich herausgestellt hat, dass die Energie dieses elektromagnetischen Wechselfeldes zwar hoch genug ist, um die Oberfläche des Werkstücks 1 zu erwärmen, nicht aber dessen Gefüge zu ändern.
Bei gängigen Autokarosserien als Werkstücke haben sich die besten Ergebnisse hinsichtlich einer qualitativ hochwertigen und dennoch energieschonenden Oberflächenbeschichtung, wenn das Werkstück 1 dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem ersten Frequenzspektrum 10 -20 Minuten und dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem zweiten Frequenzspektrum 5 - 10 Minuten ausgesetzt wird. Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass Versuche, in dem das Werkstück 1 dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem ersten Frequenzspektrum länger als dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem zweiten Frequenzspektrum ausgesetzt worden ist, zu tendenziell besseren Oberflächenbeschichtungen geführt haben.
Fig. 2 stellt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenbeschichtung dar. Hierzu ist das aus Übersichtlichkeitsgünden nicht dargestellte Werkstück 1 in einer elektromagnetisch permeablen Kapsel 6 angeordnet. Die Kapsel 6 bildet demnach einen abgeschlossenen Reaktionsraum aus, der über Versorgungseinheiten 7a, 7b, 7c befüllt bzw. entleert werden kann. Handelt es sich bei der Oberflächenbeschichtung beispielsweise um ein elektrophoretisches Abscheidungsverfahren, so kann eine erste Versorgungseinheit 7a den Kapselinnenraum mit einem Reinigungsmittel 8 zur Entfernung von auf dem Werkstück 1 anhaftenden Fett- oder Lackrückständen beaufschlagen. Nach der Entfernung des Reinigungsmittels 8 durch die Versorgungseinheit 7a wird die Kapsel 6 abgekoppelt und mithilfe eines Positionierantriebs 9 eines Positionierrahmens 2 zu einerweiteren Versorgungseinheit 7b befördert, die den Kapselinnenraum beispielsweise mit einem Elektrolyten 10 zur Erzeugung einer Konversionsschicht auf dem Werkstück 1 befüllt und anschließend wieder entleert. Eine dritte Versorgungseinheit 7c kann dem Kapselinnenraum elektrisch leitfähigen Flüssiglack 11 zum Beschichten des Werkstückes zuführen. Zwischen dem als beispielsweise Kathode geschalteten Werkstück 1 und einer in der Kapsel 6 angebrachten Anode wird nun ein Gleichspannungsfeld angelegt, wodurch die Lackpartikel am Werkstück 1 ausfällen. Es muss wohl nicht weiter erwähnt werden, dass das Werkstück 1 auch als Anode geschaltet werden kann. In diesem Fall muss in der Kapsel 6 eine Kathode angeordnet sein. In einem letzten Verfahrensschritt wird der applizierte Lack vernetzt, in dem die Kapsel 6 mit dem darin angeordneten Werkstück 1 durch das elektromagnetische Wechselfeld eines Emitters 5 geführt wird.
Wie aus Fig. 2 weiter hervorgeht, kann die Kapsel 6 an der Versorgungseinheiten 7b für eine ausreichende Verteilung der beaufschlagten Beschichtungsmittel um eine horizontale Rotationsachse rotiert werden. Natürlich kann die Fertigungsstraße so ausgestaltet sein, dass die Kapsel 6 auch an anderen Positionen rotiert werden kann.
Die unterschiedlichen durch gestrichelte Linien eingezeichneten Füllstände des Reinigungsmittels 8, des Elektrolyten 10 und des Flüssiglacks 11 zeigen die verschiedene zeitliche Verfahrensschritte beim Befüllen und Entleeren des Kapselinhalts auf.
Die Kapseln 6 sind hermetisch abschließbar und zweiteilig ausgebildet, wodurch eine einfache Beschickung der Kapseln 6 mit einem Werkstück 1 begünstigt wird.
Fig. 3 zeigt mögliche Ausführungsformen der Emitter 5 zur Applikation der elektromagnetischen Wechselfelder. Damit das erfindungsgemäße Verfahren auch auf große Werkstücke 1 und darüber hinaus bei bereits bestehenden Fertigungsstraßen angewandt werden kann, können die elektromagnetischen Wechselfelder mit in höchstens einer Raumrichtung verlagerbaren Großflächenemittern 12 appliziert werden. Durch die Verlagerung in nur eine Raumrichtung sind keine komplexen Steuerungsvorrichtungen notwendig, wodurch Fertigungsstraßen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf kostengünstige Art und Weise aufgerüstet werden können. Das Wechselfeld mit einem ersten Frequenzspektrum zum Austreiben der flüchtigen Bestandteile kann über einen ersten Großflächenemitter 12a und das Wechselfeld mit einem zweiten Frequenzspektrum zum Vernetzen und/oder Flärten der verbleibenden Beschichtungsmittelanteile kann über einen zweiten Großflächenemitter 12b appliziert werden. Der Großflächenemitter 12 kann beispielsweise mehrere Emitter 5 umfassen. Zudem ist es denkbar, dass zusätzlich ein in keine Raumrichtung bewegbarer Großflächenemitter 12c vorgesehen ist. Damit auch komplexe Geometrien prozesssicher oberflächenbeschichtet werden können, können schwer zugängliche Bereiche des Werkstücks 1 mit einem von in wenigstens zwei Raumrichtungen verlagerbaren Emittern 5 erzeugten elektromagnetischen Wechselfeld beaufschlagt werden. Diese Emitter 5 können beispielsweise durch Roboterarme 13 verlagert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Oberflächenbeschichtung von Werkstücken (1 ), wobei ein Beschichtungsmittel auf das Werkstück (1) aufgetragen und danach in einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die flüchtigen Bestandteile des Beschichtungsmittels in einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einem ersten Frequenzspektrum ausgetrieben werden, wonach die Oberfläche des Werkstücks zum Vernetzen und/oder Härten der verbleibenden Beschichtungsmittelanteile in einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einem zweiten Frequenzspektrum erwärmt wird, dessen Frequenzbereich unterhalb des ersten Frequenzspektrums liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Frequenzspektrum in einem Bereich von 1 - 3 GHz liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Frequenzspektrum in einem Bereich von 35 - 400 kHz liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem ersten Frequenzspektrum länger als dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem zweiten Frequenzspektrum ausgesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem ersten Frequenzspektrum 10 - 20 Minuten und dem elektromagnetischen Wechselfeld mit dem zweiten Frequenzspektrum 5 - 10 Minuten ausgesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Wechselfelder mit in höchstens einer Raumrichtung verlagerbaren Großflächenemittern (12) und mit in wenigstens zwei Raumrichtungen verlagerbaren Emittern (5) für schwer zugängliche Bereiche des Werkstücks (1) appliziert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmittel oder ein vor dem Aushärten aufgetragenes Härtungsmittel induktiv oder dielektrisch erwärmbare Partikel aufweist, die zum Aushärten des Beschichtungsmittels mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrisch oder induktiv anregbaren Partikel Nanopartikel sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) in einer fluidundurchlässigen, elektromagnetisch permeablen Kapsel (6) angeordnet wird, die mit dem Beschichtungsmittel beaufschlagt und das überschüssige Beschichtungsmittel aus der Kapsel (6) abgezogen wird, wonach die Kapsel (6) zum Aushärten des Beschichtungsmittels mit einem elektromagnetischen Wechselfeld beaufschlagt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (6) vor dem Aushärten mit einem induktiv oder dielektrisch erwärmbare Partikel aufweisenden Härtungsmittel beaufschlagt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (6) nach dem Beaufschlagen mit dem Beschichtungsmittel und/oder dem
Härtungsmittel um eine horizontale Rotationsachse rotiert wird.
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