EP4705551A1 - Anordnung und verfahren für die elektrophoretische tauchlackierung von bahnware - Google Patents

Anordnung und verfahren für die elektrophoretische tauchlackierung von bahnware

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Publication number
EP4705551A1
EP4705551A1 EP24725043.4A EP24725043A EP4705551A1 EP 4705551 A1 EP4705551 A1 EP 4705551A1 EP 24725043 A EP24725043 A EP 24725043A EP 4705551 A1 EP4705551 A1 EP 4705551A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
bath
paint bath
paint
electrical
Prior art date
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Pending
Application number
EP24725043.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Clauss
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP4705551A1 publication Critical patent/EP4705551A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D13/00—Electrophoretic coating characterised by the process
    • C25D13/22—Servicing or operating apparatus or multistep processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D13/00—Electrophoretic coating characterised by the process
    • C25D13/12—Electrophoretic coating characterised by the process characterised by the article coated
    • C25D13/16—Wires; Strips; Foils

Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for the electrophoretic dip coating of web material according to the preamble of the first patent claim.
  • a preferred area of application is the production of lacquer-insulated winding wires, such as those used for the manufacture of electrical coils. Such coils are used as electronic components, in transformers or in electrical power machines.
  • Other examples of application can be sheet metal coils for transformer, stator or rotor sheets in electrical machines and for the manufacture of housing parts or the coating of capacitor foils.
  • the particular suitability for electrical surface insulation of all types should be emphasized because the invention also enables selective correction of any defects.
  • Paint defects occur, e.g. in the form of bubbles, the cause of which can be explained by the immersion process of the substrate surface, which is continuously fed into the paint bath, with the anode field permanently in place. This results in high partial current densities with a spontaneous reaction of the paint colloids at the immersion position, even before these areas can be evenly wetted. Due to the spontaneity of the locally violent coagulation, the supply of fresh paint molecules by flow movement at this point is also problematic.
  • the anode or cathode voltage can also be continuously changed synchronously with the process sequence of immersion, dwell and emergence of workpieces or workpiece carriers, provided that only one batch, e.g. a workpiece carrier, is treated in the dip bath at a time or can be subjected to voltages independently of others.
  • Neither method can be used when processing web material because it necessarily has a consistently uniform electrical potential that cannot be interrupted and can be supplied with voltage individually.
  • DE 10 2021 001 741 A1 proposes providing anode sections with different potentials.
  • EP 1 201 791 A2 proposes an anode cell in which the effective area is reduced by means of a metallic shield.
  • the metallic shield should preferably be provided with a an insulating layer in order not to have a cathodic effect. This makes it questionable whether such a shield can be effective at all in the manner described.
  • the dip paint in which the processes take place has a conductivity that is orders of magnitude higher than such an insulating layer, at best a polarization can be expected on this, but no effective influence on the field pattern in the bath due to the electrical potential of the shield, as stated.
  • anodic dip painting process (ATL) instead of the cathodic dip painting process. This could be necessary, for example, due to special paint formulations that can only be produced for ATL, as proposed in US 3,953,310 A for multi-layer painting of insulated winding wires with an ATL primer made of polyacrylic.
  • the object of the invention is to develop an arrangement and a method for the electrophoretic dip coating of web material, with which the disadvantages mentioned under 1) to 3) are eliminated and which is equally applicable to both KTL and ATL processes.
  • the immersion process is intended to achieve uniform surface wetting in the absence of an electrical current flow in this process area and a subsequent increasing current density curve along the path of the substrate through the paint bath.
  • process reliability and efficiency are to be improved by automatically adjusting the process parameters, for which special solutions for obtaining and processing suitable, continuously acquired measurement data are to be proposed.
  • Web material is the term used to describe metallic or metallized raw material which is to be painted on its surface and which is of such length that it cannot be painted over its entire length at the same time, and which is preferably flexible enough to be supplied to the painting process on unwinding reels or coils and removed again on take-up reels or coils.
  • the uncoated web material is referred to as the substrate, which is provided with an electrical reference potential, preferably zero or zero. ground potential.
  • One or more counter electrodes build up an electric field relative to the reference potential and are either charged with a more positive electrical potential as an anode or a more negative electrical potential as a cathode than the substrate.
  • the term counter electrode or anode or cathode can also mean that it is not just a mere electrode but a dialysis cell of a known design with a semi-permeable membrane that surrounds the counter electrode but builds up an electric field in the same way relative to the substrate as a whole.
  • the dip-coating bath also abbreviated to paint bath, or simply referred to as bath, contains the electro-dip paint and is passed through by the web material, where it is exposed to the actual film formation process, as is basically known from electrophoretic dip-coating.
  • the entire paint bath volume is located in a bath vessel with a specific shape, the so-called bath geometry, which determines the spatial shape of the paint bath not only through external but possibly also through additional internal vessel shapes.
  • the electrode chamber is located between the counter electrode and the substrate, starting in the feed direction with the front edge of the (first) counter electrode and ending with the rear edge of the (last) counter electrode.
  • the inlet and outlet sections are connected to the electrode chamber before and after it in the feed direction.
  • one of the objects of the invention is to reduce the electrical currents acting on the substrate both when it is immersed in the paint bath and when it leaves it.
  • a suitable field distribution was created along the path of the substrate through the paint bath.
  • the importance of current-free immersion has already been explained.
  • the electric field at the exit point is weakened to such an extent that no significant polarization occurs.
  • the electrical conductivity properties of the paint bath are used to form precisely definable resistance sections, at which a voltage drop is generated by current flow at the required level. This then leads to a specific potential profile within the paint bath along the direction of travel of the substrate. Furthermore, no additional electrodes are used to form the electrical field and for a defined current density distribution along the substrate, but rather ohmic volume resistances are specifically formed in the paint bath itself and the current flow between the counter electrode and the substrate, which is necessary anyway, is used technically to form voltage differences at such volume resistances.
  • the paint bath Because of its freely moving charge carriers, the paint bath has a specific ohmic conductance, which can also be assumed to be approximately constant within constant bath parameters. Conductometric measurements on common paint formulations produce measured values in the order of 1000 /jS/cm. Therefore, the paint bath is basically a volume conductor with a defined electrical resistance, which can be geometrically shaped as required and thus its electrical properties can be determined. For example, it is sufficient to increase the length of the paint bath or to reduce the cross-sectional area of the paint bath in order to increase its resistance value.
  • the paint film deposited on the substrate has a specific resistance that is about 10 5 times as high as that of the paint bath, so that even with film thicknesses of just a few micrometers, a transition resistance relevant to the formation of the electric field is created. This leads, for example, to the fact that in the area under the anode almost the entire anode voltage drops across the film layer and an almost constant field potential prevails in the surrounding paint bath. As measurement results show, it can also be assumed that the average specific resistance of the coagulated paint film depends little or not at all on its thickness.
  • the cutting plane through the paint bath which runs along the anode boundary, as well as any other cutting plane outside the anode that runs at right angles to the direction of travel of the substrate, can be treated as an equipotential surface. While a field voltage that can be assumed to be constant acts under the anode, it drops outside this area, as will be shown later.
  • the paint bath liquid is used according to the invention as an electrical volume resistance with its almost constant specific conductance by forming electrical resistances with a suitably designed bath geometry, by inserting insulation walls, tubes or chambers.
  • the relevant bath sections should be placed in long vessels with a small cross-section, whereby they behave almost like linear conductors with a defined specific resistance.
  • shorter distances and larger cross-sections are preferred, as far as this is technically feasible.
  • Simple resistance paths that represent a two-pole with two external "connections” can be formed, for example, in the form of a channel in an insulating piece of pipe.
  • the resistance can be easily calculated using equation (1a), see below, and integrated in a known manner like an electrical component in series or parallel circuits into a resistance network of other such elements. Hydraulic connections of parts of the paint bath therefore always lead to electrical "contacts" at these points. In this way, bypasses, returns or other channels can be connected to the paint bath at suitable points, which then do not necessarily fulfill a hydraulic but an electrical task. The fact that a hydraulic connection is also created in this way is generally not a problem.
  • volume resistances formed in this way are not only used as electrical two-poles, but are also passed through directly by the substrate, with the passage in the direction of their length along a voltage gradient that is formed being of particular interest. Because the substrate absorbs an electrical cross-current that depends on the partially distributed film formation, this results in a current density function distributed along the feed direction with a simultaneous increase in the deposited film thickness. This embodiment is particularly interesting along the inlet section and will be explained in more detail later.
  • volume resistances can also be coupled as two-poles away from the movement paths of the substrate, e.g. to form conclusions between different areas of the paint bath and thus to equalize potentials.
  • Elongated vessels, tubes or chambers that are part of the paint bath form a higher-resistance inlet section for the substrate before it passes through the actual anode chamber and/or an outlet section before it leaves the paint bath again.
  • the aim is to reduce the field voltage outside the anode chamber with increasing distance in the opposite direction to or in the direction of advance.
  • the resistors formed with the paint bath liquid do not cause any charge reversal or ionization effects at interfaces because no interfaces are formed.
  • the current between the anode and the substrate which is diverted and modified in a suitable manner, is sufficient.
  • a return line is primarily suitable for reducing voltages on the substrate before it leaves the paint bath, because the substrate that is running out is not very suitable as a potential sink because the paint film that has already formed there only has a low conductivity.
  • an increased substrate current density cannot be used for voltage division because the substrate in the outlet section no longer allows any significant cathode current. Without further measures, almost the full anode potential would therefore still be present at the emergence position.
  • the only option is to use the inlet section additionally, namely where the conductivity is still high. In order to be able to electrically connect both areas to one another, such a return line between the inlet and outlet sections is suitable and necessary.
  • the anode current would converge towards zero over time because the film layer grows, so that the electrical resistance also continues to rise and saturation occurs, which stops further film deposition. In this case, it would also be difficult to generate voltage drops in the resistance networks formed using the method described. However, this is not the intended mode of operation, because the task requires a continuous run. If the substrate is continuously fed forward, fresh and bare substrate surfaces are constantly fed into the paint bath. With a constant feed and film formation process, an anode current of approximately constant strength can also flow continuously, leading to the desired voltage drops in the volume resistances.
  • the substrate passes through an inlet section which is shaped to a volume resistance before it enters the immediate anode chamber, a dosed increase of the voltage field in the feed direction is achieved.
  • the electrophoretic dip coating of web material according to the invention takes place in a system described above containing a paint bath through which the web material in the form of the substrate to be coated passes at a continuous feed rate, wherein an electric field is formed between the substrate and at least one counter electrode, which leads to the deposition of a paint film on the surface of the substrate during the pass, wherein at least part of the paint bath forms an electrical ohmic volume resistance through which the substrate passes as an inlet section in its feed direction on the way from an immersion position to a position of the counter electrode remote therefrom,
  • the substrate coated with the system and the process has a very uniform layer that adheres well to the substrate.
  • flat wires or round wires can be coated, but also other metallic endless materials such as strip material.
  • Very thin and uniform layers were achieved, particularly when coating flat wires and micro-flat wires in various dimensions, e.g. 0.1 mm x 3.5 mm to 1 mm x 5 mm, as well as round wires with diameters of e.g. 0.28 mm to 3 mm.
  • Figure 1 Representation a) the section through the model with a round wire as substrate, Representation b) the model according to representation a) with an electrical equivalent circuit,
  • Figure 2 is a diagram according to the deposition equation for the continuously passing substrate according to its annular partial surface A Cu along a length of A x in the development
  • Figure 3 shows the course of stress and film thickness using an example with real parameters
  • Figure 4 shows a reaction vessel as an embodiment
  • Figure 5 the hydraulic system of a circulation circuit with the associated fittings
  • Figure 7 shows the exemplary structure of an anode tube as a dialysis cell
  • Figure 8 shows a reaction vessel in an alternative design
  • Figure 9 shows an example of the wiring of a measuring electrode and the anode current control.
  • the substrate S to be coated continuously passes through a paint bath LB, an electric field being formed between the substrate S and at least one counter electrode, which leads to the deposition of a paint film on the surface of the substrate S during the passage.
  • the paint bath LB is shaped or electrically insulated from other bath areas by electrically insulating vessels, partitions, tubes or chambers, at least for part of its total volume, such that the shaped or insulated part of the paint bath LB forms an electrical ohmic volume resistance, which is passed through by the substrate S in its feed direction on the way from an immersion position EP to a position of the counter electrode remote therefrom as an inlet section ES.
  • This part of the paint bath LB has such a large quotient of path length and cross-sectional area that the electric field voltage, which builds up across this volume resistance in interaction with the temporally and spatially progressive film formation around the substrate S, forms at least one zero point along the inlet section ES.
  • the paint bath LB is shaped or electrically insulated from other bath areas by electrically insulating vessels, partitions, tubes or chambers over a further part of its total volume in such a way that this shaped or insulated part of the paint bath LB forms an electrical ohmic volume resistance, which is traversed over part of its length by the substrate S in its feed direction on the way from the position of the counter electrode to an emergence position remote therefrom as an outlet section AS and is connected over a further part of its length to the inlet section ES in such a way that this forms an electrical return between the inlet and outlet sections ES, AS.
  • Figure 1 shows the section through the model of the inlet section (ES) with a round wire as substrate S, which passes through a cylindrically shaped paint bath LB with the cross-sectional area A from left to right at a constant feed rate v.
  • / is the front edge of the anode An at the end of the inlet section ES.
  • the bath vessel is not shown here.
  • the horizontal position of the paint bath LB could also be rotated 90° clockwise so that the immersion position is then on the surface of the paint bath LB, which can be held by a cylindrical, electrically non-conductive vessel. Further options and details of the technical implementation can be found in the other examples.
  • the paint bath LB acts electrically like a technical wire resistor. If the diameter of the paint bath LB is 14 mm, for example, practical experience shows that resistances of the order of 60 kOhm per meter of length are achieved. As with a wire resistor, partial taps in the bath volume are also possible along its entire length.
  • transverse conductances G are used in accordance with the conduction theory, because these, like the series resistances, are proportional to the length units considered. They are calculated according to
  • the equation (2b) calculates a length-specific transverse conductance gi.
  • the volume of a deposited film on the substrate S is therefore proportional to the total amount of charge that flowed over this section of the substrate S, which generally applies to any substrate surface that is statically in the paint solution.
  • the electrochemical equivalent of electrodeposition paints is not easy for the user to calculate from a molecular formula, but can be determined experimentally as a guideline value for the paint used in each case by solving equation (8a) for E and determining a deposited mass according to a defined amount of charge. For a specific paint formulation, this value can be considered sufficiently constant with fixed bath parameters.
  • step position now belongs to a line element according to Figure 1b, so that an arbitrarily assumed current profile is passed through step by step according to the sketch in Figure 2.
  • step i the total amount of charge that acted on the substrate section in question is calculated from the sum of the partial charges.
  • equations (8b) and (7) the film thickness is calculated according to
  • the integration constant is calculated according to (18) as
  • the cross-section along the length x could be designed differently. If the paint bath LB is designed along the inlet section in the form of a truncated cone, for example, its cross-sectional area increases quadratically, whereby equation (1b) changes to and therefore the equations derived from it must also be adjusted.
  • the lacquer bath LB and the film layer deposited on the substrate S form, in mutual interaction, an electrical line system distributed over the length of the passage, which can be divided into finite length elements as a discretized model according to representation b) of Figure 1.
  • the voltage dividers cascaded in this way can be viewed as a line network.
  • the film thickness increases quadratically with a constant cross-sectional area according to equation (20).
  • the shape of the paint bath LB can be designed in such a way that a conical cross-sectional constriction occurs along the inlet section.
  • Figure 3 shows the course of voltage and film thickness using an example with real characteristics.
  • the path is divided into three parts: an area x ⁇ C before the start of film formation, the area C ⁇ x ⁇ l with the beginning of film formation with a steadily increasing field voltage, and the anode area x>l with a constant anode voltage.
  • the voltage shows a very pronounced and even discontinuous course in the transition to the anode area, the increase in film thickness in the area under consideration appears almost uniform, but has its maximum at the anode edge, before becoming smaller again afterwards.
  • the aim is to make the outlet section AS as high-resistance as possible and the return section as low-resistance as possible so that the voltage divider formed from both has a minimum output voltage.
  • the inlet and outlet areas of the substrate S in the paint bath LB are brought as close to each other as possible in order to keep the return as short as possible.
  • a suitable measure for this is that the flow path is folded into a U-shaped structure and the substrate S is guided over deflection rollers in the middle of the flow direction. This results in a minimal distance between the inlet and outlet sections.
  • This variant is particularly suitable for small systems and has the advantage that small sizes and filling quantities can be sufficient for the paint bath LB.
  • another embodiment according to the invention with an elongated throughput path and with minimal necessary deflection of the web material (the substrate S) may be preferred.
  • this arrangement results in an extension of the return path to approximately the entire throughput path of the substrate S. This must then be compensated with an enlarged return path cross-section.
  • a parallel arrangement of the return path is suitable for this, which extends on one or more sides along the outside of the insulated throughput path and finds sufficient space there for cross-sectional areas that reach a multiple of the cross-sections of the inlet and outlet paths.
  • the dip paint bath vessel has at least one inflow opening (40, 41) and at least one outflow opening 15, both of which are connected to an external circulation circuit driven by a circulation pump (30), so that no material inflow from the outside is required.
  • Slender vessels which are preferably used according to the invention due to the higher electrical resistance, allow a constant fluid movement in terms of flow, which covers almost the entire cross-section of the flow path and also the substrate surface.
  • such a flow in the paint bath LB offers the possibility, if required, of reducing the difference in speed between the substrate S and the paint bath LB to such an extent that a diffusion-controlled boundary layer can form on the substrate surface even at high feed speeds and film formation is still possible.
  • Substrate surfaces that are to be immersed must be wetted quickly and thoroughly with the electrocoating paint in order to prevent paint defects.
  • the flow of the bath contents is also used to generate an intensive surface pressure on the substrate S at the immersion position, so that possible air pockets are displaced and good mechanical contact between the dip paint and the substrate is ensured right from the start of the dip coating process.
  • strat S is produced.
  • at least one inlet nozzle (40) is arranged near the immersion position, preferably just below the bath surface, the flow direction of which is directed towards the substrate S and preferably slightly inclined against the feed direction.
  • disruptive surfaces can be inserted into the flow channel which have a similar effect. In this way, a constant liquid surge or turbulence can build up at the immersion position EP, whereby air bubbles are simultaneously transported out of the paint bath LB.
  • the substrate S is set into mechanical vibration immediately before or during immersion in order to shake off possible air bubbles from its surface - in the figurative sense.
  • Electromechanical vibrators, rotating eccentric shafts or similar devices are suitable for this purpose, which are preferably mechanically coupled into the substrate S via mounted deflection rollers or in direct sliding contact.
  • the use of a sound or ultrasound generator that causes the substrate S or the entire paint bath LB to vibrate can also be provided for this purpose.
  • a paint flow is used in one embodiment, which washes the free paint components away from the film layer when the substrate S emerges from the paint bath LB.
  • a paint flow is formed near the exit point of the substrate S with at least one diffuser (41) directed towards it, so that all loose paint components are entrained by the flow movement against the conveying direction and by the simultaneous effect of gravity in the direction of the paint bath LB and flow back into the paint bath LB.
  • This paint flow like the one used for the immersion position EP, is also preferably branched off as a partial flow from the above-mentioned circulation flow of the paint bath LB. Because a constant flow is maintained and the substrate S is constantly moved on, deposition of solid paint components by drying is largely avoided.
  • additional filters are provided which are inserted into the circulation flow and remove disturbing particles from the paint bath LB in order to keep it in a clean condition and to supply the film formation with a constantly fresh paint solution, free of contamination or conglomerates.
  • one embodiment provides for the use of known dialysis cells instead of simple anodes An.
  • dialysis cells consist of an anode An surrounded by an anolyte chamber.
  • a semi-permeable membrane at the interface to the paint bath LB prevents direct hydraulic contact, but allows an electrolytic current flow.
  • the anolyte chamber is fed with fresh deionized water continuously or at controlled intervals via an inlet, while the reaction products that diffuse through the membrane, for example acetic acid, are removed via an outlet.
  • conductometric control is very well suited for continuous process monitoring.
  • the potential distribution in the electric field of the dip paint bath reflects a large number of operating data. It is therefore provided according to the invention that at least one electrical measuring electrode (M) for deriving the electric field potential is located in the paint bath (LB), which is connected to the current-compensated input of a signal amplifier and is used as a reference variable for adjusting operating parameters or for obtaining data for maintaining the appropriate bath parameters.
  • LB paint bath
  • Target potentials for tracking auxiliary voltages such as the anode voltage, potentials of a pump housing of the circulation pump (30) or other metallic fittings in the paint bath (LB) or its circulation circuit
  • the MEQ value is determined by chemical titration, as is common practice with other paints and is specified by standards. Such an analysis relies on the taking, preparation and subsequent discarding of samples and is therefore not easy to integrate into a continuous production process.
  • the bath parameters should be able to be constantly monitored by means of central process control, just like all other process parameters. It was shown that, because the processes always run in the same way and under the same conditions, substitute parameters can be determined that correlate with the MEQ value with sufficient accuracy. These include the pH value and the electrical conductivity, which can be determined conductometrically.
  • Conductometry offers a particularly easy-to-implement measuring method that can be carried out regularly without effort, wear or waste. It can be carried out during the ongoing process.
  • the use of measuring electrodes directly in the reaction vessel or outside in the circulation system is recommended for this purpose.
  • a working current is flowing in the paint bath at the same time during electrocoating, such measurements cannot be carried out easily, at least in this area.
  • the bath resistance can, however, be determined in other ways.
  • the specific bath resistance can be determined from the voltage curve along the inlet section ES, because all other components of the equation are known or can be determined experimentally.
  • the voltage value of a single measuring electrode outside the anode chamber is therefore sufficient to be able to draw conclusions about the voltage curve together with the anode voltage known from the specification and, using previously determined empirical values, about the condition of the dip paint bath/paint bath LB.
  • At least one measuring electrode is provided in one embodiment, the electrical potential of which serves as a criterion for the field profile and thus for regulating the anode voltage.
  • suitable amplifier arrangements are provided whose inputs are current-compensated via negative feedback circuits.
  • a further embodiment stabilizes the anode current by adjusting the anode voltage.
  • the anode current is measured in a known, simple manner. Because the anode current, together with the feed rate, is a direct indicator of the strength of the ion and thus material transport to the substrate S, it can be set proportionally to the substrate speed in order to achieve a stabilized degree of film formation.
  • At least one additional measuring electrode is provided in the paint bath LB, preferably near the connection points of the circulation system.
  • the electrical potential at these measuring electrodes is used to generate an automatically adjusted potential equalization voltage as a control voltage via a suitable amplifier arrangement, so that no current flows through the paint bath LB to these metallic parts - neither in one direction nor the other.
  • the arrangement and method according to the invention are suitable not only for large-scale processes, but also for small-scale plants. This also enables application in special productions with lower production volumes.
  • the environmental impact of the material can also be described as low because the process enables very thin layers of paint and in principle does not generate any waste. Apart from acetic acid, which is naturally degradable or could even be added to the new paint preparation, only hydrogen and oxygen are formed. On a large scale, the hydrogen can be used for energy.
  • the LB paint bath also does not produce any waste, apart from a small amount of filter sediment, because it needs to be regularly refreshed by adding transparent paste, but does not need to be replaced.
  • the dip-paint bath vessel has a U-shape with two openings at the top, with a first opening for the substrate (S) to enter the paint bath (LB) when the direction of travel is vertically downwards, a second opening for its exit from the paint bath (LB) when the direction of travel is vertically upwards, and a deflection device for the substrate (S) is arranged between the downward and the upward direction of travel.
  • One or more counter electrodes are preferably located in the middle region of the path of travel of the substrate (S) through the dip-paint bath vessel.
  • Figure 4 shows such a reaction vessel 100 in an embodiment according to the invention in an external view.
  • a housing 10 is connected to a double tube 12a, 12b made of electrically insulating material in such a way that a bath vessel with a continuous, elongated U-shaped cavity is formed.
  • the housing contains deflection rollers 14 that are accessible via a removable lid 11.
  • the reaction vessel 100 can be completely emptied via the pipe socket so that the deflection rollers 14 become accessible after the lid 11 is opened.
  • a pulling wire possibly also with the aid of a magnet, the beginning of the substrate S can be inserted into the track without having to open the lid 11.
  • the U-shape has the advantage that the web of substrate S is not subject to a preferred direction due to gravity when passing through the two vertical main paths and that the desired local proximity between the inlet and outlet of the substrate S is easy to achieve in order to be able to keep the pipe section 13 short as a return path.
  • the substrate S in the example a flat wire, enters the left tube 12a at the feed speed v and thus into the paint bath located therein in the direction of the arrow downwards, is reversed in its running direction at the deflection rollers 14 in the housing 10 and leaves the reaction vessel 100 after passing through the right tube 12b upwards. Additional deflection rollers 21, 22 serve to feed and remove the substrate S from the outside.
  • the approximate positions of the inlet section ES and the outlet section AS have been noted for orientation. However, the outlet section AS already begins after passing through the anode chamber, thus including the running section over the deflection rollers 14 in the housing 10.
  • the entire vessel system is filled with the paint bath (not visible here) up to above the cross connection 13.
  • the bath liquid is sucked off by means of a circulation circuit in order to feed it back to the reaction vessel in the same total amount via the hoses 16 and 17.
  • These hoses 16, 17 are connected to inlet nozzles 40 and 41 according to Figure 6. This creates a constant flow of the bath liquid from top to bottom in a branch over both legs with an unchanged fill level. This is an open system, so that the flow of the substrate S is possible without the need to seal the reaction vessel 100. Nevertheless, the cross sections of the upper openings can be reduced by means of additional covers in order to limit the evaporation of the liquid.
  • impeller On the shaft of a motor 18 there is an impeller which is oval in cross-section or eccentrically shaped to the shaft and which touches the substrate S. Due to the rotation of this impeller, the substrate S is set into mechanical vibrations as it enters the reaction vessel 100 due to its radius which varies over the circumference.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the hydraulic system of the circulation circuit with the associated fittings.
  • the pipe socket 15 is connected in the flow direction to a filter 31, a circulation pump 30 and a thermostat 33 via a hose system, in order to then branch into the two hoses 16 and 17 and flow back into the paint bath (not shown here).
  • a hydraulic compensation (not shown) for distributing the flows is provided.
  • the thermostat 33 is formed by a Peltier element, which acts as a heat pump in relation to a radiator 34, for heating or cooling in one or the other energetic direction as required.
  • the circulation pump 30 ensures a constant flow of the paint liquid in the direction of the arrows.
  • the fill level of the open system can be adjusted using a piston 32.1 and, in addition, the entire contents of the paint bath can be drained for maintenance purposes in a short time with almost no loss, stored in an airtight manner and later refilled.
  • a control circuit (not shown) can measure the fill level in the bath vessel and adjust it to a target level using the expansion vessel 32.
  • the position of a measuring electrode M is also marked, which is located at some distance from the substrate and scans the field voltage according to Figure 3 as a function of the distance to the anode chamber.
  • the substrate S before it enters the reaction vessel 100, passes through suitable preparation, cleaning and rinsing baths (not shown), in particular for degreasing and etching the surface and for pickling. It is further intended that after passing through the reaction vessel 100, it passes through a kiln for hardening the lacquer layer, preferably with high-frequency inductors for generating eddy currents or with infrared radiators.
  • Figure 6 shows an example of the geometric design of the inlet nozzles - in a) for the tube 12a of the double tube for immersing the substrate S in the paint bath and in b) for the exit from the paint bath in the tube 12b.
  • S again designates the substrate and 16, 17 the inlet hoses.
  • the fill level of the paint bath is marked with the dashed line 42.
  • the outlet opening of the circulating paint liquid is below the fill level and the inlet nozzle 40 is directed slightly upwards towards the substrate S. This creates a pressure on the substrate surface that flows firmly onto the paint directly at the immersion position and displaces possible air inclusions upwards.
  • the outlet opening is above the fill level in order to achieve a flushing effect on the film surface with the increased pressure of the diffuser 41 and thus overcome the cohesion of the liquid that has been dragged out and flush it back into the paint bath.
  • Figure 7 shows the exemplary structure of a dialysis cell 50 in the function of the anode An, as it is inserted into the left tube 12a in Figure 4, in a cutaway view from two perspectives. Due to its smaller diameter, it reduces the cross-section of the paint bath and thus fulfils the function of an artificial aperture to increase resistance. For this purpose, it has sealing rings 51 to separate the space between the two tube walls from the paint bath. to separate and thus exclude the flow of current to the substrate. The inner wall of the tube 12a is therefore directly connected to the outer diameter of the sealing rings 51 and is not shown here for reasons of clarity. In the lower part of the tube 12a there are a large number of holes 52 which are covered with a semi-permeable membrane 53.
  • the anode 54 which is shaped like a tube and which almost ends at the inner diameter of the tube 12a on the outside. There is thus a gap between the tube 12a and the anode tube 50 which is closed at the top and bottom with the sealing rings 51 and forms the anolyte space of a dialysis cell.
  • Fresh deionized water is supplied from above via the hose 56, while the anolyte solution, which is enriched with acetic acid and sinks due to its slightly higher density, is discharged from below via another hose 57.
  • Both hoses, as well as the electrical anode supply line 58, are led through the anode tube 50, sealed there, and then continue upwards along the inner wall of the anode tube 50.
  • a dialysis cell is created which, according to the known principle, only has electrical contact with the paint bath via a semi-permeable membrane 53 and extracts the acetic acid that forms from it.
  • the substrate S is enclosed in a tube. It is also clear from this illustration that the anode can only have an electrical effect on the paint bath in the lower area of the tube through the holes 52, whereby the remaining length of the tube produces exactly the effect of the elongated volume conductor already described.
  • tubular anode 54 shown could also be extended upwards without changing the volume conductor of the inlet section - provided that this does not involve an extension of the area in which holes 52 are located.
  • the paint bath (Lß) is located in a vessel in the form of a trough (71), from which parts of the passage path of the substrate (S) are separated by means of electrically insulating chambers (72, 73).
  • the start and end areas of these chambers are electrically and hydraulically connected to the rest of the bath volume, with the counter electrode located in the middle area of the passage path through these chambers (72, 73).
  • FIG 8 presents a further exemplary embodiment of a reaction vessel 100 in this second preferred design.
  • a breakout is shown to make details inside visible.
  • the paint bath LB is in an elongated trough 71 through which the substrate S is drawn horizontally and fed in and out again via deflection rollers 21 and 22.
  • three strips are coated independently of one another in the same paint bath LB.
  • inlet nozzles 16 and outlet diffusers 17 are present in the already known manner.
  • chambers 72 made of electrically insulating material with a U-shaped cross-section are introduced, which form an elongated electrical resistance channel from the enclosed paint bath LB in the manner described. resistance.
  • These chambers 72 are surrounded by further chambers 73, which are connected at their ends to the chambers 72 in such a way that a closed cavity 74, open only at the top, is formed between the two.
  • Anode sheets 75 are inserted into this cavity 74 approximately halfway along the length of the chambers, and have an electrical connection to the anode chamber with the substrate S via holes 76 covered with semi-permeable membranes.
  • This cavity between the chambers 73 is filled with anolyte liquid and forms a dialysis cell with the anode sheets. Further details correspond to those already described for Figures 4 to 6.
  • a pipe socket (not shown here) for discharging the paint liquid for the circulation circuit.
  • the space 77 under the chambers 73 is filled with the paint bath liquid, like the entire trough 71, and with its large cross-section forms the low-resistance return between the beginning of the inlet and the end of the outlet section.
  • this embodiment requires a large paint volume, it is advantageous for large throughput quantities in mass production.
  • the trough 71 can be covered from above to prevent evaporation of the paint bath LB.
  • FIG. 9 an example of the wiring of a measuring electrode is shown schematically, which is arranged close to the immersion position.
  • a voltage follower circuit 61 with a very high-impedance, i.e. practically current-free, input is connected to the measuring electrode M and tracks this potential in the correct voltage in order to then feed it to a low-impedance driver circuit 62, the output P of which is electrically connected to all metal parts of the circulation circuit, in particular to the pump 30 and the thermostat 33.
  • the output and input of the circuit are electrically connected via the paint bath and positive feedback occurs. However, since no voltage amplification takes place and the loop amplification is less than one, the control loop that is formed remains stable.
  • a clocked power supply 63 constructed in a known manner and shown schematically here, provides an anode voltage at connection A.
  • a shunt resistor 64 At the ground base of the anode circuit, which is also electrically connected to the substrate, there is a shunt resistor 64, at which a current-proportional measuring voltage is obtained, amplified by means of a voltage amplifier 65, then compared with a target value in an evaluation circuit 66 and fed as a pulse width to the anode voltage generator. In this way, the anode voltage is adjusted so that a constant anode current is obtained even when the feed speed of the substrate S changes.
  • circulation pump 75 anode plates

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren für die elektrophoretische Tauchlackierung von Bahnware, wobei das Lackbad (LB) zumindest zu einem Teil seines Gesamtvolumens so geformt oder von anderen Badbereichen elektrisch isoliert ist, dass der geformte oder der isolierte Teil des Lackbades (LB) einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, der vom Substrat (S) durchlaufen wird, und dabei einen so großen Quotienten aus Weglänge und Querschnittfläche des Lackbades (LB) im Bereich einer Einlaufstrecke (ES) aufweist, dass die elektrische Feldspannung wenigstens eine Nullstelle entlang der Einlaufstrecke (ES) bildet und/oder ein weiterer geformter oder isolierter Teil einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, der über einen Teil seiner Länge von dem Substrat (S) in dessen Vorschubrichtung auf dem Weg von der Position der Gegenelektrode bis zu einer davon entfernten Auftauchposition als Auslaufstrecke (AS) durchlaufen wird und über einen weiteren Teil seiner Länge so mit der Einlaufstrecke (ES) verbunden ist, dass dieser einen elektrischen Rückschluss zwischen Ein- und Auslaufstrecke (ES, AS) bildet.

Description

Anordnung und Verfahren für die elektrophoretische Tauchlackierung von Bahnware
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren für die elektrophoretische Tauchlackierung von Bahnware nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Dabei erfolgt die elektrophoretische Lackbeschichtung von Bahnware, vorzugsweise von Drähten, Folien oder Blechen, wobei insbesondere das Aufträgen einer dauerhaften elektrischen Flächenisolation oder einer Antikorrosionsbeschichtung beabsichtigt sein kann. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Herstellung lackisolierter Wickeldrähte, wie sie für die Fertigung elektrischer Spulen verwendet werden. Solche Spulen finden als elektronische Bauelemente, in Transformatoren oder in elektrischen Kraftmaschinen Verwendung. Weitere Anwendungsbeispiele können Blech-Coils für Transformatoren-, Stator- oder Rotorbleche in Elektromaschinen und für die Herstellung von Gehäuseteilen oder die Beschichtung von Kondensatorfolien sein. Hervorzuheben ist die besondere Eignung für elektrische Flächenisolationen aller Art, weil die Erfindung auch eine selektive Korrektur von eventuellen Defektstellen ermöglicht.
Der bisher fortschrittlichste technische Stand für die Anwendung von elektrophoretischer Tauchlackierung im beschriebenen Einsatzgebiet ist aus der Druckschrift DE 10 2021 001 741 A1 bekannt. Hier wird gezeigt, wie eine Beschichtung von Bahnware vorteilhaft mit Methoden der kathodischen Tauchlackierung (KTL) gelöst werden kann und eine dafür geeignete Anordnung beschrieben. Das dort vorgeschlagene Verfahren unterscheidet sich von der vordem bekannten KTL von Stückware vor allem durch einen kontinuierlichen Prozess, bei dem die Bahnware mit konstanter Geschwindigkeit durch das Lackbad hindurch gefördert wird, während unter Anwesenheit eines elektrischen Feldes auf dem Substrat eine Filmschicht abgeschieden und in einer nachfolgend in gleicher Fertigungslinie durchlaufenen Wärmebehandlung ausgehärtet wird. In der praktischen Anwendung zeigen sich jedoch folgende Probleme, die mit den bisher bekannten Mitteln und Methoden nicht ausreichend gelöst werden können:
1) Es kommt zu Lackstörungen, z. B. in Form von Blasen, deren Ursache im Eintauchvorgang der kontinuierlich dem Lackbad zugeführten Substratfläche bei dauerhaft anliegendem Anodenfeld zu erklären ist. Hierdurch treten hohe partielle Stromdichten mit spontaner Reaktion der Lackkolloide an der Eintauchposition auf, noch bevor eine gleichmäßige Benetzung dieser Bereiche erfolgen kann. Wegen der Spontanität der lokal heftigen Koagulation ist auch das Nachführen frischer Lackmoleküle durch Strömungsbewegung an dieser Stelle problematisch.
2) Beim Austreten der Bahnware aus dem Lackbad werden zusätzlich zum Lackfilm, der durch die Elektrophorese auf der Substratoberfläche koaguliert ist, auch Lackbestandteile aus dem Bad ausgeschleppt, die eigentlich noch in Lösung sind. Weil Bahnware unvermeidlich über Umlenkrollen geführt werden muss, kommt es dort anschließend zu einer zusätzlichen Verdichtung, einem Antrocknen und einem Anbacken dieser unerwünschten Ausschleppungen, die sich dann im anschließenden Spülbad nicht mehr vollständig entfernen lassen und später mit ausgehärtet werden. Auch sammeln sich Rückstände an den Rollen an, die sich später zum Teil wieder lösen und am Substrat haften bleiben. Dies alles führt zu einer partiell größeren und ungleichmäßigen Lackdicke am Produkt, was dessen Qualität spürbar senkt. Die Verwendung mechanisch wir- kender Abstreifer, so wie in der genannten Schrift vorgeschlagen, ist zwar prinzipiell möglich, führt aber zum stetigen Aufbau fester Lackbestandteile und deren Antrocknen an der Kontaktstelle. Diese Ablagerungen müssen dann ständig abgeführt werden, was einem kontinuierlichen Prozess mit hohem Ausnutzungsgrad des Lacks und Vermeidung von Abfallprodukten nicht dienlich ist.
3) Bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten des Substrats durch das Lackbad, wie man sie für eine gute Produktivität anstrebt, kann es zu einer Beeinträchtigung der Filmbildung kommen, weil sich unter solchen Bedingungen keine diffusionskontrollierte Grenzschicht ausreichender Dicke mehr ausbilden kann. Dieser Zusammenhang zwischen der Bewegung des Substrats und der Abscheidbarkeit von Elektrotauchlacken ist u. a. aus [Beck F.: Elektrotauchlackierung an der rotierenden Scheibenelektrode. - Chemie- Ing.-Techn. 40 (1968) 12 S. 575-581] bekannt. Dies hat im Umkehrschluss zur Folge, dass die mögliche Vorschubgeschwindigkeit der Bahnware ohne weitere Maßnahmen physikalisch begrenzt ist.
Die genannten Probleme sind spezifisch für die kontinuierlich ablaufende elektrophoretische Tauchlackierung von Bahnware, während sie bei der Verarbeitung von Stückgut nur geringe oder keine Bedeutung haben. Bei Stückgut ist es möglich und in der Praxis üblich, die Spannung des Substrats beim Ein- und Auftauchen der Werkstücke zu reduzieren oder abzuschalten. So kann ein Werkstück, z. B. eine Fahrzeugkarosserie, auf Stromschienen durch das Bad gezogen werden und dabei Schienenabschnitte passieren, die mit verschiedenen Spannungen beaufschlagt sind, so dass ein stufenweises Umschalten der Spannung zwischen Anode und Kathode entlang der Durchlaufstrecke erfolgt, so wie z. B. in DE 196 06 000 C1 angegeben. Alternativ kann die Anoden- oder Kathodenspanung auch einfach synchron zur Prozessfolge Eintauchen, Verweilen und Auftauchen von Werkstücken oder Werkstückträgern stufenlos verändert werden, sofern jeweils immer nur eine Charge, z. B. ein Werkstückträger, im Tauchbad behandelt wird oder unabhängig von anderen mit Spannungen beaufschlagt werden kann. Bei der Verarbeitung von Bahnware sind beide Methoden nicht anwendbar, weil diese notwendigerweise ein durchgängig einheitliches elektrisches Potenzial aufweist, was nicht unterbrochen und einzeln mit Spannung versorgt werden kann. In DE 10 2021 001 741 A1 wird stattdessen vorgeschlagen, Anodenabschnitte mit unterschiedlichem Potenzial vorzusehen. Dies ist insofern problematisch, dass Abschnitte mit kleinerem Potenzial gegenüber jenen mit höherem Potenzial partiell zu Kathoden werden und somit kathodische Reaktionen bis hin zur Filmbildung auf ihrer Oberfläche verursachen, die aber nicht dort, sondern nur am zu beschichtenden Substrat stattfinden dürfen. Auch ein Abtropfen an Tropfkanten und ein anschließendes mehrfaches Spülen nach dem Beschichtungsvorgang, wie von Stückgütern her bekannt, ist bei Bahnware nicht in gleicher Weise durchführbar.
Es sind spezielle Ausbildungen von Anoden oder Anodenzellen bekannt, um das elektrische Feld im Tauchbad so zu verzerren, dass eine bevorzugte Beschichtung bestimmter Regionen des Substrats erreicht werden soll, oder um andere Regionen, die aufgrund ihrer Geometrie stärker beschichtet würden, zu benachteiligen. So wird in EP 1 201 791 A2 eine Anodenzelle vorgeschlagen, bei der die effektive Fläche mittels einer metallischen Abschirmung reduziert wird. Allerdings soll die metallische Abschirmung vorzugsweise mit ei- ner Isolationsschicht bedeckt werden, um nicht kathodisch zu wirken. Damit ist es aber fragwürdig, ob eine solche Abschirmung dann in der beschriebenen Weise überhaupt wirksam sein kann. Weil der Tauchlack, in dem die Prozesse ablaufen, eine um Größenordnungen höhere Leitfähigkeit als eine solche Isolationsschicht besitzt, ist an dieser bestenfalls eine Polarisation zu erwarten, jedoch keine wirksame Beeinflussung des Feldverlaufs im Bad aufgrund des elektrischen Potenzials der Abschirmung, so wie angegeben.
Des Weiteren kann es trotz vieler Vorteile der KTL sinnvoll sein, anstelle des kathodischen das anodische Tauchlackierverfahren (ATL) anzuwenden. Dies könnte beispielsweise aufgrund spezieller Lackformulierungen notwendig sein, die nur für ATL hergestellt werden können, so wie es in der US 3,953,310 A zum mehrschichtigen Lackieren isolierter Wickeldrähte mit einer ATL-Grundierung aus Polyacryl vorgeschlagen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren für die elektrophoretische Tauchlakierung von Bahnware zu entwickeln, mit der die vorgenannt unter 1) bis 3) angegebenen Nachteile beseitigt werden und welche sowohl für KTL- wie auch für ATL-Verfahren gleichermaßen anwendbar ist.
Insbesondere soll beim Eintauchvorgang eine gleichmäßige Oberflächenbenetzung bei Abwesenheit eines elektrischen Stromflusses in diesem Prozessbereich und ein anschließend steigender Stromdichteverlauf entlang der Durchlaufstrecke des Substrats durch das Lackbad erreicht werden.
Desweiteren soll beim Austreten der Bahnware aus dem Lackbad ein Abstreifprozess ohne mechanischen Kontakt zu festen Bauteilen ermöglicht werden, um Lackablagerungen an solchen Bauteilen zu vermeiden. Hierzu sollen vor allem die physikalischen Bedingungen für die Abtrennung der Lacklösung von der Filmschicht verbessert werden.
Für hohe Vorschubgeschwindigkeiten ist eine Lösung zu finden, um eine mögliche Beeinträchtigung des Filmbildungsprozesses zu verhindern.
Außerdem soll die Prozesssicherheit und Effizienz durch automatisches Nachregeln der Prozessparameter verbessert werden, wofür spezielle Lösungen zur Gewinnung und Verarbeitung geeigneter, kontinuierlich zu gewinnender Messdaten vorzuschlagen sind.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten und zehnten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Folgende Begriffe werden vereinbart:
Als Bahnware wird metallisches oder metallisiertes Ausgangsmaterial bezeichnet, das auf seiner Oberfläche lackiert werden soll und das eine solche Länge aufweist, dass es nicht in seiner gesamten Ausdehnung gleichzeitig lackiert werden kann, und das vorzugsweise so biegsam ist, dass es dem Lackierprozess auf Abwickelspulen oder Coils bereitgestellt und auf Aufwickelspulen oder Coils wieder entnommen werden kann.
Bei der Beschreibung der Beschichtungsprozesse selbst wird die unbeschichtete Bahnware als Substrat bezeichnet, das mit einem elektrischen Bezugspotenzial, vorzugsweise Null bzw. Massepotenzial, verbunden ist. Eine oder mehrere Gegenelektroden bauen gegenüber dem Bezugspotenzial ein elektrisches Feld auf und sind entweder als Anode mit einem positiveren oder als Kathode mit einem negativeren elektrischen Potenzial beaufschlagt als das Substrat. Dabei kann der Begriff Gegenelektrode bzw. Anode oder Kathode auch bedeuten, dass es sich nicht nur um eine bloße Elektrode sondern um eine Dialysezelle bekannter Ausführung mit semipermeabler Membran handeln kann, die die Gegenelektrode umgibt, gegenüber dem Substrat aber als Ganzes in gleicher Weise ein elektrisches Feld aufbaut.
Das Tauchlackbad, verkürzt auch als Lackbad, oder in Wortkombination einfach als Bad bezeichnet, umfasst den Elektrotauchlack und wird von der Bahnware durchlaufen, wobei sie dort dem eigentlichen Filmbildungsprozess ausgesetzt wird, wie er von der elektrophoretischen Tauchlackierung her prinzipiell bekannt ist.
Dabei befindet sich das gesamte Lackbadvolumen in einem Badgefäß mit bestimmter Form, der so bezeichneten Badgeometrie, die nicht nur durch äußere, sondern möglicherweise auch durch zusätzlich eingebrachte innere Gefäßformen die räumliche Gestalt des Lackbades bestimmt.
Die gesamte Durchlaufstrecke von der Eintauchposition in das Lackbad bis zur Auftauchposition aus dem Lackbad, die dazwischen auch mehrere Richtungswechsel der Bahnware durch Umlenkrollen aufweisen kann, wird in Vorschubrichtung der Bahnware unterteilt in drei Teilabschnitte, die in der durchlaufenen Reihenfolge erstens als Einlaufstrecke, zweitens als Elektrodenraum bzw. speziell für KTL als Anodenraum, und drittens als Auslaufstrecke bezeichnet werden. Der Elektrodenraum befindet sich dabei zwischen der Gegenelektrode und dem Substrat, beginnend in Vorschubrichtung mit dem vorderen Rand der (ersten) Gegenelektrode und endend mit dem hinteren Rand der (letzten) Gegenelektrode. Ein- bzw. Auslaufstrecke schließen sich in Vorschubrichtung davor bzw. danach an den Elektroden raum an.
Um die Lesbarkeit der Beschreibung zu verbessern, erfolgen alle Erklärungen am Beispiel der KTL. Für ATL sind die Potenziale und Ladungen einfach umzukehren: Aus positiven Spannungen werden negative; das Substrat wird nicht mehr als Kathode sondern als Anode geschaltet, aus negativen Ladungsträgern werden positive und die Funktion der Gegenelektrode wechselt von Anode zu Kathode.
Wie bereits dargestellt, besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Absenkung der auf das Substrat einwirkenden elektrischen Ströme sowohl beim Eintauchen in das Lackbad wie auch beim Verlassen des selben. Hierzu wurde eine geeignete Feldverteilung entlang der Durchlaufstrecke des Substrats durch das Lackbad geschaffen. Wie wichtig das stromfreie Eintauchen ist, wurde bereits erklärt. Jedoch ist auch ein Abbau des elektrischen Feldes vor dem Austreten des Substrats aus dem Lackbad sehr wichtig. So wurde als Ursache für das Ausschleppen nicht vernetzter Lackbestandteile erkannt, dass es zu einer unvermeidlichen Kohäsion in der Übergangsschicht zwischen dem Lackfilm und den noch in Lösung befindlichen Lackkolloiden kommt, die unter dem Einfluss eines positiven elektrischen Feldes verstärkt wird, weil die positiv geladenen Kolloide der Lacklösung eine zusätzliche Anziehungskraft zur Kathode erhalten. Nach Erreichen einer Sättigung bei der Filmbildung und dem Abklingen der Stromdichte entlang der Substratoberfläche in Vorschubrichtung kommt es im umgebenden elektrischen Feld zu einer Polarisierung, bei der die positiv geladenen Partikel in Richtung Kathode gezogen werden. Dies erschwert das Abstreifen der Lacklösung beim Verlassen des Lackbades. Deshalb wird mit der erfindungsgemäßen Lösung das elektrische Feld am Austrittsort so weit geschwächt, dass es zu keiner nennenswerten Polarisation mehr kommt.
Weiterhin wird erfindungsgemäß die elektrischen Leiteigenschaften des Lackbades dazu genutzt, genau definierbare Widerstandsstrecken zu bilden, an denen ein Spannungsabfall durch Stromfluss in erforderlicher Höhe erzeugt wird. Dieser führt dann zu einem bestimmten Potenzialverlauf innerhalb des Lackbades entlang der Laufrichtung des Substrats. Weiterhin werden zur Formung des elektrischen Feldes und für eine definierte Stromdichteverteilung entlang des Substrats keine zusätzlichen Elektroden verwendet, sondern im Lackbad selbst gezielt ohmsche Volumenwiderstände geformt und der ohnehin notwendige Stromfluss zwischen Gegenelektrode und Substrat zur Ausbildung von Spannungsdifferenzen an solchen Volumenwiderständen technisch genutzt.
Das Lackbad besitzt wegen seiner frei beweglichen Ladungsträger einen spezifischen ohmschen Leitwert, der innerhalb konstant gehaltener Badparameter ebenfalls als etwa konstant angenommen werden kann. Konduktometrische Messungen an gebräuchlichen Lackformulierungen ergeben Messwerte in der Größenordnung von 1000 /jS/cm. Deshalb stellt das Lackbad grundsätzlich einen Volumenleiter mit definiertem elektrischen Widerstand dar, den man in der notwendigen Weise geometrisch formen und somit in seinen elektrischen Eigenschaften festlegen kann. So genügt es beispielsweise, die Länge des Lackbades zu vergrößern oder die Querschnittsfläche des Lackbades zu verkleinern, um dessen Widerstandswert zu erhöhen.
Weiterhin wurde beobachtet, dass der sich auf dem Substrat abscheidende Lackfilm einen spezifischen Widerstand besitzt, der etwa 105 mal so groß ist wie der des Lackbades, so dass bereits bei sich bildenden Filmdicken von wenigen Mikrometern ein für die Ausbildung des elektrischen Feldes relevanter Übergangswiderstand entsteht. Dies führt beispielsweise dazu, dass im Bereich unter der Anode nahezu die gesamte Anodenspannung über der Filmschicht abfällt und im umgebenden Lackbad beinahe ein konstantes Feldpotenzial herrscht. Wie Messergebnisse zeigen, lässt sich weiterhin annehmen, dass der mittlere spezifische Widerstand des koagulierten Lackfilms nicht oder nur sehr wenig von dessen Dicke abhängt. So kann auch die Schnittebene durch das Lackbad, die an der Anodengrenze verläuft, ebenso wie jede weitere Schnittebene außerhalb der Anode, die rechtwinklig zur Laufrichtung des Substrats verläuft, als Äquipotenzialfläche behandelt werden. Während unter der Anode eine als konstant anzunehmende Feldspannung wirkt, sinkt sie außerhalb dieses Bereichs ab, wie später gezeigt wird.
Ausgehend von der dargelegten Modellvorstellung wird die Lackbad-Flüssigkeit erfindungsgemäß als elektrischer Volumenwiderstand mit seinem nahezu konstanten spezifischen Leitwert benutzt, indem mit einer geeignet ausgebildeten Badgeometrie, durch eingebrachte Isolationswände, Röhren oder Kammern elektrische Widerstände geformt werden. Dafür ist es vorgese- hen, zur Ausbildung von hohen Widerstandswerten die betreffenden Badabschnitte in lang gestreckten Gefäßen mit kleinem Querschnitt zu führen, wodurch sie sich annähernd wie linien- hafte Leiter mit definiertem spezifischen Widerstand verhalten. Für kleine Widerstandswerte, insbesondere zur Formung elektrischer Brücken oder Beipässe, werden hingegen kürzere Strecken und größere Querschnitte bevorzugt, soweit das technisch umsetzbar ist.
Einfache Widerstandsstrecken, die einen Zweipol mit zwei äußeren „Anschlüssen“ verkörpern, können z. B. in Form eines Kanals in einem isolierenden Rohrstück gebildet werden. Für solche Fälle kann der Widerstand einfach nach der Gleichung (1a), s. u., berechnet und in bekannter Weise wie ein elektrisches Bauelement in Reihen- oder Parallelschaltungen in ein Widerstandsnetzwerk aus weiteren solchen Elementen eingebunden werden. Hydraulische Verbindungen von Teilen der Lackbades führen demnach immer gleichermaßen auch zu elektrischen „Kontakten“ an diesen Stellen. So kann man Umleitungen, Rückschlüsse oder sonstige Kanäle an geeigneten Stellen mit dem Lackbad verbinden, die dann zwar nicht zwingend eine hydraulische, jedoch eine elektrische Aufgabe erfüllen. Dass dabei auch eine hydraulische Verbindung entsteht, wirkt im Allgemeinen nicht störend.
Vorzugsweise ist es erfindungsgemäß vorgesehen, so gebildete Volumenwiderstände nicht nur als elektrische Zweipole zu benutzen, sondern vom Substrat direkt durchqueren zu lassen, wobei das Durchqueren in Richtung ihrer Längenausdehnung entlang eines sich ausbildenden Spannungsgradienten von besonderem Interesse ist. Weil das Substrat dabei einen elektrischen Querstrom aufnimmt, der von der partiell verteilten Filmbildung abhängt, ergibt sich daraus eine entlang der Vorschubrichtung verteilte Stromdichtefunktion bei gleichzeitiger Zunahme der abgeschiedenen Filmdicke. Diese Ausführungsform ist vor allem entlang der Einlaufstrecke interessant und wird später noch im Detail erklärt.
Aber auch abseits der Bewegungsbahnen des Substrats können derartige Volumenwiderstände als Zweipole angekoppelt werden, z. B. um Rückschlüsse zwischen verschiedenen Bereichen des Lackbades zu bilden und damit Potenziale einander anzugleichen.
Erfindungsgemäß kommen somit bevorzugt zwei Grundformen elektrischer Lackbad-Widerstände zum Einsatz:
1) Langgestreckte Gefäße, Röhren oder Kammern, die Teil des Lackbades sind, bilden eine höherohmige Einlaufstrecke für das Substrat, bevor es den eigentlichen Anodenraum durchläuft, und/oder eine Auslaufstrecke, bevor es das Lackbad wieder verlässt. Ziel ist es in beiden Fällen, die Feldspannung außerhalb des Anodenraumes mit zunehmender Entfernung entgegengesetzt zur oder in Vorschubrichtung abzubauen.
2) Anordnung zweipoliger, vorzugsweise niederohmiger, elektrischer Widerstände in Form von Gefäßen, Röhren oder Kammern, die mit Lackbad-Flüssigkeit gefüllt sind, aufgrund ihrer Geometrie die notwendigen Widerstandswerte erfüllen und als elektrische Brücke oder Beipass zusätzlich in das hydraulische System des Lackbades eingefügt sind, ohne dabei eine zwingende hydraulische Funktion erfüllen zu müssen. Solche Bereiche sollen im weiteren Text allgemein als Rückschluss bezeichnet werden. Dabei kann es auch sinnvoll sein, in Teilen eines solchen Systems anstelle der Lackbad-Flüssigkeit ein anderes Elektrolyt oder eine Dialyseflüssigkeit zu benutzen und diese gegen das Lackbad mittels halbdurchlässiger Membran in der Weise abzugrenzen, dass zwar ein lonen- austausch aber kein direkter Stofftransport über diese Grenzen stattfindet.
Im wesentlichen Unterschied zu jeder Art von Elektroden oder anderen elektrisch aktiven Elementen, die zur Beeinflussung des Feldes im Lackbad angeordnet werden könnten, verursachen die mit der Lackbad-Flüssigkeit selbst gebildeten Widerstände keine Umladungs- oder lo- nisationseffekte an Grenzflächen, weil keine Grenzflächen gebildet werden. Um Spannungsabfälle über diesen Widerständen zu erzeugen, genügt der Strom zwischen Anode und Substrat, der in geeigneter Weise über diese umgeleitet und verändert wird.
Während die Ein- und Auslaufstrecken zur allmählichen Veränderung der Feldspannung für das durch das Lackbad geführte Substrat genutzt werden, ist ein Rückschluss vor allem dafür geeignet, Spannungen am Substrat abzubauen, bevor es das Lackbad verlässt, denn das auslaufende Substrat ist als Potenzialsenke wenig geeignet, weil der dort bereits ausgebildete Lackfilm einen nur noch geringen Leitwert aufweist. Hierbei kann - im Unterschied zur Einlaufstrecke - keine erhöhte Substratstromdichte für die Spannungsteilung genutzt werden, denn das Substrat in der Auslaufstrecke lässt keinen nennenswerten Kathodenstrom mehr zu. Somit würde ohne weitere Maßnahmen beinahe das volle Anodenpotenzial auch noch an der Auftauchposition anliegen. Damit dennoch ein Strom fließen und die Spannung ohne zusätzliche Hilfselektroden abgebaut werden kann, kommt nur die zusätzliche Nutzung der Einlaufstrecke in Frage, nämlich dort, wo der Leitwert noch hoch ist. Um beide Bereiche miteinander elektrisch verbinden zu können, ist dann ein solcher Rückschluss zwischen Aus- und Einlaufstrecke geeignet und notwendig.
Bei stillstehendem Substrat und fest vorgegebener Anodenspannung würde der Anodenstrom mit fortschreitender Zeit gegen Null konvergieren, weil die Filmschicht anwächst, damit auch der elektrische Widerstand immer weiter steigt und sich eine Sättigung ausbildet, mit der die weitere Filmabscheidung zum Stillstand kommt. Hierbei wäre dann auch die Erzeugung von Spannungsabfällen in gebildeten Widerstandsnetzwerken nach der dargestellten Methode schwierig. Dies ist aber nicht die vorgesehene Betriebsweise, denn aufgabengemäß erfolgt ein kontinuierlicher Durchlauf. Wird das Substrat kontinuierlich vorgeschoben, so werden ständig frische und blanke Substratflächen dem Lackbad zugeführt. Mit konstant fortlaufendem Vorschub und Filmbildungsprozess kann auch stetig ein Anodenstrom in etwa gleich bleibender Stärke fließen, der zu den gewünschten Spannungsabfällen in den Volumenwiderständen führt.
Wie gezeigt wurde ist es also möglich, mittels einer geometrisch langgezogenen, damit hochohmigen, Gestaltung des Lackbads, z. B. in Form einer schlanken Röhre, und bei örtlicher Begrenzung der Anodenfläche im Lackbad schon in der Einlaufstrecke eine geeignete Stromdichteverteilung entlang des Substrats zu erzeugen. Hierdurch wird erreicht, dass vor allem beim Eintauchen kein spontaner Stromfluss auftritt. Soll ein Widerstandswert im Lackbad unter räumlich eingeschränkten Bedingungen weiter erhöht werden, so bietet sich weiterhin das Einfügen eines Labyrinths aus isolierenden Scheiben und Rippen an, so dass die Querschnittfläche zugunsten der Länge reduziert wird.
Durchläuft das Substrat eine Einlaufstrecke, die zu einem Volumenwiderstand geformt ist, bevor es in den unmittelbaren Anodenraum gelangt, so wird also eine dosierte Zunahme des Spannungsfeldes in Vorschubrichtung erreicht.
Verfahrensgemäß erfolgt die erfindungsgemäße elektrophoretischen Tauchlackierung von Bahnware, in einer vorgenannt beschriebenen Anlage enthaltend ein Lackbad, das von der Bahnware in Form des zu beschichtenden Substrats mit kontinuierlicher Vorschubgeschwindigkeit durchlaufen wird, wobei zwischen dem Substrat und wenigstens einer Gegenelektrode ein elektrisches Feld ausgebildet ist, das während des Durchlaufs zur Abscheidung eines Lackfilms auf der Oberfläche des Substrats führt, wobei zumindest ein Teil des Lackbades einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, der von dem Substrat in dessen Vorschubrichtung auf dem Weg von einer Eintauchposition bis zu einer davon entfernten Position der Gegenelektrode als Einlaufstrecke durchlaufen wird,
- wobei sich eine elektrische Feldspannung über diesen Volumenwiderstand in Wechselwirkung mit einer zeitlich und räumlich fortschreitenden Filmbildung um das Substrat herum aufbaut, die wenigstens eine Nullstelle entlang der Einlaufstrecke bildet und/oder
- wobei der Teil des Lackbades der einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, über einen Teil seiner Länge von dem Substrat in dessen Vorschubrichtung auf dem Weg von der Position der Gegenelektrode bis zu einer davon entfernten Auftauchposition als Auslaufstrecke durchlaufen wird , wobei das Lackbad über einen weiteren Teil seiner Länge so mit der Einlaufstrecke verbunden ist, dass über diesen weiteren Teil des Lackbades (LB) ein elektrischer Rückschluss zwischen Ein- und Auslaufstrecke erfolgt.
Das mit der Anlage und dem Verfahren beschichtete Substrat weist eine sehr gleichmäßige und auf dem Substrat gut haftende Schicht auf. Es können beispielsweise Flachdrähte oder Runddrähte aber auch anderes metallisches Endlosmaterial, wie beispielsweise Bandmaterial beschichtet werden. Insbesondere beim Lackbeschichten von Flachdrähten und Mikroflachdrähten in verschiedenen Abmessungen z.B. 0,1 mm x 3,5 mm bis 1 mm x 5 mm wie auch Runddrähten mit Durchmessern von beispielsweise 0,28 mm bis 3 mm wurden sehr dünne und gleichmäßige Schichten realisiert. Die Erfindung wird nachfolgend an zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Darstellung a) den Schnitt durch das Modell mit einem Runddraht als Substrat, Darstellung b) das Modell gemäß Darstellung a) mit einem elektrischen Ersatzschaltbild,
Figur 2 ein Diagramm gemäß der Abscheidungsgleichung für das kontinuierlich hindurch laufende Substrat gemäß dessen ringförmiger Teiloberfläche ACu entlang einer Länge von A x in der Abwicklung,
Figur 3 den Verlauf von Spannung und Filmdicke an einem Beispiel mit realen Kennwerten,
Figur 4 ein Reaktionsgefäß als Ausführungsbeispiel,
Figur 5 das hydraulische System eines Zirkulationskreislaufs mit den zugehörigen Armaturen,
Figur 6 zwei Einlassdüsen,
Figur 7 den beispielhaften Aufbau eines Anodenrohrs als Dialysezelle,
Figur 8 ein Reaktionsgefäß in alternativer Bauweise,
Figur 9 ein Beispiel der Beschaltung einer Messelektrode und der Anodenstromregelung.
In der erfindungsgemäßen Anordnung wird ein Lackbad LB vom zu beschichtenden Substrat S kontinuierlich durchlaufen, wobei zwischen dem Substrat S und wenigstens einer Gegenelektrode ein elektrisches Feld ausgebildet ist, das während des Durchlaufs zur Abscheidung eines Lackfilms auf der Oberfläche des Substrats S führt. Dabei ist das Lackbad LB zumindest zu einem Teil seines Gesamtvolumens durch elektrisch isolierende Gefäße, Trennwände, Röhren oder Kammern, so geformt oder von anderen Badbereichen elektrisch isoliert, dass der geformte oder isolierte Teil des Lackbades LB einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, der vom Substrat S in dessen Vorschubrichtung auf dem Weg von einer Eintauchposition EP bis zu einer davon entfernten Position der Gegenelektrode als Einlaufstrecke ES durchlaufen wird. Dieser Teil des Lackbads LB weist dabei einen so großen Quotienten aus Weglänge und Querschnittfläche auf, dass die elektrische Feldspannung, die sich über diesen Volumenwiderstand in Wechselwirkung mit der zeitlich und räumlich fortschreitenden Filmbildung um das Substrat S herum aufbaut, wenigstens eine Nullstelle entlang der Einlaufstrecke ES bildet.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Lackbad LB zu einem weiteren Teil seines Gesamtvolumens durch elektrisch isolierende Gefäße, Trennwände, Röhren oder Kammern, so geformt bzw. von anderen Badbereichen elektrisch isoliert ist, dass dieser geformte oder isolierte Teil des Lackbades LB einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, der über einen Teil seiner Länge vom Substrat S in dessen Vorschubrichtung auf dem Weg von der Position der Gegenelektrode bis zu einer davon entfernten Auftauchposition als Auslaufstrecke AS durchlaufen wird und über einen weiteren Teil seiner Länge so mit der Einlaufstrecke ES verbunden ist, dass dieser einen elektrischen Rückschluss zwischen Ein- und Auslaufstrecke ES, AS bildet. Figur 1, Darstellung a) zeigt den Schnitt durch das Modell der Einlaufstrecke (ES) mit einem Runddraht als Substrat S, der ein zylindrisch geformtes Lackbad LB mit der Querschnittsfläche A von links nach rechts mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit v durchläuft. Die Eintauchposition EP des Substrats S befindet sich bei x=0, während die Anode An, welche hier die Gegenelektrode bildet, in Form eines Hohlzylinders von der gleichen Substratposition erst später in der Entfernung x=l erreicht und passiert wird. / ist dabei die vordere Kante der Anode An am Ende der Einlaufstrecke ES.
Das Badgefäß ist hier nicht dargestellt. Die liegende Position des Lackbades LB könnte auch um 90 ° im Uhrzeigersinn gedreht werden, so dass sich die Eintauchposition dann an der Oberfläche des Lackbades LB befindet, das durch ein zylindrisches, elektrisch nichtleitendes Gefäß aufgenommen sein kann. Weitere Möglichkeiten und Details der technischen Umsetzung sind den weiteren Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Allein deshalb, weil der Filmbildungsprozess zeitlich fortschreitend sein muss und frühestens nach dem Eintauchen beginnen kann, ergibt sich entlang der Einlaufstrecke des Substrats S eine zunehmende Filmdicke dp(x), die in der Modellskizze zwecks besserer Sichtbarkeit maßstäblich überhöht dargestellt ist. In der Praxis wird die Filmdicke dp(x), im Bereich von ca.
5...30 m oft nur wenige Prozent des Substrat-Durchmessers erreichen, während der Substrat-Querschnitt wiederum innerhalb weniger Prozente des Lackbad-Querschnitts liegen wird. Auch sei vorerst nicht bekannt, wo die Filmbildung genau beginnt und welchen Verlauf die Filmdicke entlang der Wegstrecke x nimmt, weshalb im Bild irgendein Dickenzuwachs entlang der gesamten Strecke dargestellt sei.
Sowohl die Querschnittsform des Substrats S wie auch die des Lackbads LB können beliebig von der dargestellten Kreisform abweichen. Alle nachfolgend dargelegten Erkenntnisse sind ohne Einschränkungen auch auf jede andere Form anwendbar - auch dann, wenn sie z. B. sehr große Verhältnisse zwischen Längen- und Breitenausdehnung hat und eher einem langen schmalen Rechteck ähnelt, wie z. B. bei Blechen oder bei Flachdraht. Natürlich wird man stets nach Möglichkeit auch die Querschnittsform des Lackbades LB an die des Substrats S ringsherum anpassen.
In der dargestellten Ausbildung als langes schlankes Gebilde wirkt das Lackbad LB elektrisch wie ein technischer Drahtwiderstand. Beträgt der Durchmesser des Lackbades LB beispielsweise 14 mm, so werden nach praktischen Erfahrungswerten Widerstände in einer Größenordnung um 60 kOhm pro Längenmeter erreicht. Wie bei einem Drahtwiderstand sind entlang seiner gesamten Länge aber auch Teilabgriffe im Badvolumen möglich.
Die weiteren mathematisch-physikalischen Herleitungen und Erkenntnisse, die für die vorliegende Erfindung speziell entwickelt wurden, sind nicht trivial und gehen aus dem bisher bekannten Schrifttum auch nicht hervor, weshalb sie nachfolgend ausführlich dargestellt und erläutert werden.
Im Ergebnis aller Vorbetrachtungen liegt es nahe, das Modell mit einem elektrischen Ersatzschaltbild nach Figur 1b zu beschreiben, das der aus der Nachrichtentechnik bekannten Ian- gen Fernmeldeleitung ähnelt. Die Einlaufstrecke von der Eintauchposition x=0 bis zum Rand der Anode An in x=l kann als eine Kettenschaltung einzelner Spannungsteiler G, und R modelliert werden, von denen jeder ein Längenelement LE mit der konstanten Teillänge A x besetzt. Die Reihenwiderstände R verkörpern den Längswiderstand des Lackbades LB, sind bei konstant angenommener Querschnittfläche A überall gleich groß und berechnen sich nach
R=^- -Ax und r = -^—=^-= const , (1a, 1 b)
A Ax A mit dem spezifischen Badwiderstand pB. Die Gleichung (1b) errechnet hierbei einen längenspezifischen Längswiderstand r für weitere Modellberechnungen.
Anstelle der Querwiderstände, die sich im Lackfilm ausbilden, werden konform zur Leitungstheorie Querleitwerte G, verwendet, weil sich diese, ebenso wie die Reihenwiderstände, proportional zu den betrachteten Längeneinheiten verhalten. Sie berechnen sich nach
K -ur„ G. K -u „
G,=— - A x und g,=~ ~ =~i — ^const , (2a, 2b) dFi A x dFj mit dem spezifischen Leitwert der abgeschiedenen koagulierten Filmschicht, der Umfangslänge Ucu des Substrats und der Dicke dpi der Filmschicht. Weil die Dicke der Filmschicht an unterschiedlichen Orten entlang der Laufrichtung unterschiedlich groß sein muss, ist auch der Querleitwert von i abhängig und deshalb nicht konstant. Die Gleichung (2b) errechnet dazu einen längenspezifischen Querleitwert gi.
Der elektrische Widerstand eines metallischen Substrats S ist gegenüber den weit höheren Lackbad-Längswiderständen vernachlässigbar, weshalb im Ersatzschaltbild eine durchgängige Linie als Bezugspotenzial gezeichnet ist. Im Anodenraum entfallen die Längswiderstände, weil überall das gleiche Anodenpotenzial aufgeprägt wird und kein Spannungsgefälle auftritt. Vom linken Rand der Anode An aus in Richtung Eintauchposition EP wird wegen der schlanken Gestalt des Lackbades angenommen, dass sich in jeder Ebene x> ein konstantes Potenzial Ui ausbildet.
Für die im Ersatzschaltbild angegebenen Spannungen und Potenziale kann für jedes Leitungselement nach den Kirchhoffschen Sätzen
Ji+i= Ii+^ Ii= Ii+ u i -gl -^ x und (3)
Ul+l=Ul+A Ul=Ul+It -r A x (4) geschrieben werden. Hieraus leitet sich das der Telegrafengleichung ähnliche Gleichungssystem her, das mit Ax -> 0 in die Differentialform übergeht.
Weiterhin gilt für einen beliebigen Knotenpunkt t
P)
Wegen der Ortsabhängigkeit der Leitwerte g(x) ist die allgemeine Lösung der Telegrafengleichung hier nicht anwendbar. Vielmehr gibt es eine Wechselwirkung zwischen dem Zuwachs der Filmdicke und deren hieraus resultierendem Leitwert einerseits und dem Verlauf der Spannungen und Teilströme entlang der Länge x andererseits. Man stelle sich beispielsweise vor, die Schichtdicke nehme wegen eines höheren Teilstromes schneller zu, so würde der Teilstrom bereits im nächsten Längenbereich um so kleiner sein, woraus sich im nächsten Schritt ein geringerer Dickenzuwachs ergibt und so weiter.
Um diese Zusammenhänge analytisch erfassen zu können, soll nun die Funktion des Dickenzuwachses hergeleitet werden.
Entscheidend für die Filmbildung am Substrat S ist der Austritt von Ladungsträgern aus dessen Oberfläche, wobei die Intensität bekanntermaßen von der Stromdichte abhängt - darüber wird sie letztendlich ja definiert. Somit kann zumindest in erster Näherung angenommen werden, dass bei der Abscheidung der Kolloide aus dem Lackbad auf ein Substrat S beliebiger Größe das Faradaysche Abscheidungsgesetz (8a, 8b) mit der abgeschiedenen Masse m oder dem abgeschiedenen Volumen V mit der Stoffdichte p sowie dem Stromverlauf l(t) während der Zeit t im Zeitintervall T ebenso gilt, wie es von der Elektrolyse anorganischer Stoffe her bekannt ist. E bezeichnet dabei das elektrochemische Äquivalent nach mit der molaren Masse M, der Wertigkeit z, und der Faraday-Konstante F = 96485 As/mol. Das Volumen eines abgeschiedenen Films auf dem Substrat S ist also proportional zur gesamten Ladungsmenge, die über diesen Abschnitt des Substrats S floss, was allgemein für eine beliebige Substratfläche gilt, die sich statisch in der Lacklösung befindet. Das elektrochemische Äquivalent von Elektrotauchlacken ist für den Anwender nicht einfach aus einer Molekülformel zu berechnen, kann aber als Richtwert für den jeweils verwendeten Lack experimentell bestimmt werden, indem Gleichung (8a) nach E aufgelöst und eine abgeschiedene Masse nach einer definierten Ladungsmenge bestimmt wird. Für eine bestimmte Lackformulierung kann dieser Wert bei festliegenden Badparametern als ausreichend konstant betrachtet werden.
Zur Herleitung der Abscheidungsgleichung für das kontinuierlich hindurch laufende Substrat S wird gemäß Figur 2 dessen ringförmige Teiloberfläche ACu entlang einer Länge von Ax in der /
Abwicklung betrachtet, die sich schrittweise mit einer mittleren Geschwindigkeit v=-^= const fortbewege. Die Schrittweite betrage also stets A x und die Verweilzeit in jedem Schritt A t. Das Filmvolumen über der Teilfläche berechnet sich dabei nach V= uCu -dFi -Ax >
Jede Schrittposition gehöre nun zu einem Leitungselement nach Figur 1b, so dass ein beliebig angenommenes Stromprofil gemäß Skizze in Figur 2 schrittweise durchlaufen wird. Nach Erreichen eines Schrittes i errechnet sich die gesamte Ladungsmenge, die auf den betrachteten Substratabschnitt einwirkte, aus der Summe der Teilladungen. Mit Gleichungen (8b) und (7) errechnet sich die Filmdicke nach
Mit Gleichung (2) bestimmt sich hieraus der längenspezifische Querleitwert nach Durchlaufen der Positionen 1 ... I zu
Der Ansatz zu dieser Gleichung entstand für einen einzeln und isoliert betrachteten Teilabschnitt, der bis zur Position i vorgeschoben wurde. Gleichzeitig erfolgte aber auch die Filmbildung für jeden vorausgegangenen und nachfolgenden Teilabschnitt des Substrats S, so dass die Gleichung (11) gleichzeitig für beliebige weitere Positionen nebeneinander gilt.
Alle Herleitungen bis zur Gleichung (11) gelten für beliebig kleine Schrittweiten A x , so dass nach dem Übergang zlx — > 0 für eine beliebige Position x auf dem Substrat S die stetige Funktion geschrieben werden kann. Die Prozesskonstante ki fasst zur Verkürzung der Schreibweise alle wirksamen Naturkonstanten und stationären Parameter zusammen. Gemeinsam mit den Gleichungen (6) ist damit das gesamte System mit seinen Wechselwirkungen zwischen dem Zuwachs der Filmdicke und dem Verlauf der Spannungen und Ströme entlang der Länge x vollständig und eindeutig beschrieben.
Nach dem Einsetzen lautet das Gleichungssystem (6) woraus sich die Differentialgleichung herleiten lässt. Aus der allgemeinen Lösung und der aus dem Ersatzschaltbild zu erkennenden Randbedingung f7(I=0) = 0 erhält man als partielle Lösung • (15)
Hieraus leitet sich mit (13a) die weitere Differentialgleichung her, wofür die allgemeine Lösung für die Stromfunktion lautet. Hier wird daran erinnert, dass diese Funktion den Strom in Längsrichtung entlang der Einlaufstrecke ES (siehe Figur 1) beschreibt, also nicht mit der Stromdichte am Substrat S verwechselt werden darf.
Eingesetzt in (15), (12) und (2) berechnen sich Spannungs-, Leitwert- und Filmdickenverlauf nach
Mit der Randbedingung, dass die Knotenspannung am Übergang zur Anode An gleich der Anodenspann sein muss, errechnet sich nach (18) als Integrationskonstante
(21)
Die wichtigste Erkenntnis aus den erhaltenen Gleichungen besteht darin, dass es eine Nullstelle für Stromstärke, Feldspannung und Schichtdicke in x=C gibt und nicht, wie man vielleicht für das Leitungsmodell erwarten könnte, eine asymptotische Annäherung an Null. Weiter außerhalb fürx<C, in Vorschubrichtung gesehen also vor dieser Nullstelle, ist ein erneuter Anstieg der Funktionen physikalisch ausgeschlossen, nachdem die Feldspannung bereits auf Null abgesunken war. Die Filmabscheidung auf dem Substrat S beginnt somit erst dann, wenn der betrachtete Substratpunkt die Koordinate x=C passiert hat, egal wie lange das Lackbad LB vorher bereits durchlaufen wurde. Hieraus leitet sich im Umkehrschluss die wichtige Bedin- gung für den Mindestabstand zwischen der Eintauchposition und dem Rand der Anode An her, um das Substrat S spannungsfrei in das Lackbad LB eintauchen zu können. Nur unter dieser Bedingung sind die hergeleiteten Gleichungen überhaupt gültig. Anderenfalls kommt es bei x=0 zur Unstetigkeit des Feldes und zu einer sprunghaften Koagulation am Substrat S, was nicht zugelassen werden soll.
Die Filmdicke beim Übergang von der Einlaufstrecke ES in den Anodenraum errechnet sich aus (20), (21) und (12b) mit x=/zu
Wollte man die funktionellen Abhängigkeiten von x in den Gleichungen (17) bis (21) verändern, so könnte der Querschnitt entlang der Längenausdehnung x anders gestaltet werden. Wird das Lackbad LB entlang der Einlaufstrecke beispielsweise in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet, so steigt dessen Querschnittfläche quadratisch an, womit die Gleichung (1b) übergeht in und demnach auch die davon hergeleiteten Gleichungen angepasst werden müssen.
Im Bereich unter der Anode An gibt es keine Spannungsabfälle in Laufrichtung, weshalb hier in Darstellung b) der Figur 1 auch keine Reihenwiderstände R eingetragen sind und aus (6) folgt
Hieraus entwickelt sich in gleicher Weise wie oben gezeigt mit U=UA die Differentialgleichung mit der allgemeinen Lösung
Eingesetzt in (10) gilt damit für den Verlauf der Filmdicke unter der Anode An
Während also die Filmdicke entlang der Einlaufstrecke vor dem Anodenraum gemäß (20) quadratisch anwächst, nimmt sie unter der Anode An nur noch mit x zu.
Bei der Entwicklung von (26) bis (28) wurde zunächst davon ausgegangen, dass 7=0 am linken Rand der Anode An liegt und das Substrat S dort gerade erst eingetaucht wird und die Filmbildung beginnt - deshalb auch die Verwendung von x anstelle x. Tatsächlich muss also Xi entlang von x so verschoben werden, dass dieser Strom ebenso groß wie jener aus (17) und (21) mit =Z ist. Nach Gleichstellung der Ströme errechnet sich für 7 ein Offset am linken Anodenrand, also für =Z, von
Eingesetzt in (27) beträgt der Strom am Anodenrand und ist damit ebenso groß wie die Gleichung (17) für diese Position ergibt.
Zusammengefasst lassen sich für Anordnungen nach a) und b) der Figur 1, bei denen das Substrat S als Bahnware in der gezeigten Weise mit konstanter Geschwindigkeit durch das Lackbad LB gezogen wird, auf der Basis der entwickelten Gleichungen folgende Schlussfolgerungen ziehen:
1) Das Lackbad LB und die sich auf dem Substrat S abscheidende Filmschicht bilden in gemeinsamer Wechselwirkung ein auf die Durchlauflänge verteiltes elektrisches Leitungssystem, das als diskretisiertes Modell gemäß Darstellung b) der Figur 1 in endliche Längenelemente aufgeteilt werden kann. Die so kaskadierten Spannungsteiler können wie ein Leitungsnetzwerk betrachtet werden.
2) Nach dem Einschalten des Substrat-Vorschubs bildet sich nach einer anfänglichen Einstellzeit ein Gleichgewicht entsprechend den Gleichungen (17) bis (21) aus, solange die Bedingungen konstant sind. Als Bedingungen, die das Gleichgewicht beeinflussen, wurden die geometrischen Abmessungen des Lackbades LB und dessen spezifischer Widerstand, der spezifische Leitwert und die spezifische Masse der Filmschicht, die Umfangslänge des Substrats S und dessen Vorschubgeschwindigkeit sowie die Anodenspannung hergeleitet.
3) Die Ausbildung des elektrischen Feldes entlang der Einlaufstrecke ES erfolgt vor dem Erreichen des Anodenraums auf einer Länge, die von den in 2) genannten Bedingungen abhängt. Sie beginnt in Laufrichtung nach der Eintauchposition EP mit einem Nullpunkt, von dem ab die Feldspannung stetig ansteigt, und endet am Anodenrand, wo dann bereits die volle Anodenspannung wirkt.
4) Ist die sich errechnende Länge für die Filmbildung mit C<0 größer als die Einlaufstrecke ES, also der Abstand / zwischen der Eintauchposition EP und dem Anodenrand, so bildet sich eine Unstetigkeit, die dazu führt, dass bereits beim Eintauchen ein Katho- denstrom fließt und das Gleichungssystem nicht mehr gültig ist. Dieser Fall soll laut Aufgabenstellung durch geeignete Wahl der Prozessparameter und der Einlaufstreckenlänge ausgeschlossen werden.
5) Ist hingegen die errechnete Länge für die Filmbildung mit C>0 kleiner als die Einlaufstrecke ES, so gibt es einen Bereich in Laufrichtung hinter der Eintauchposition EP , in dem noch keine Filmabscheidung stattfindet. In der Praxis soll stets dieser Fall C>0 gelten, um den vorgesehenen Zweck sicher erfüllen zu können. Die Nullstelle der Stromfunktion würde sich bei langsamerer Zuführung des Substrats S in das Lackbad gemäß Gleichung (21) nach vorn in Richtung Eintauchposition EP verschieben, während sie sich bei wachsender Vorschubgeschwindigkeit des Substrats S zunehmend zur Anode An hin verschiebt. Bei Zunahme der Vorschubgeschwindigkeit nimmt gleichzeitig auch die erreichbare Filmdicke ab, die sich unter sonst unveränderten Bedingungen abscheidet, was dafür genutzt werden kann, dünnere Schichten aufzutragen. Hierfür ist also ein Abgleich zwischen Vorschubgeschwindigkeit und Anodenspannung in Verbindung mit allen weiteren Prozessparametern vorzunehmen.
6) Entlang der Einlaufstrecke ES steigt bei konstanter Querschnittsfläche gemäß Gleichung (20) die Filmdicke quadratisch an. Um diesen Anstieg bei Bedarf zu linearisieren, kann die Form des Lackbades LB so gestaltet werden, dass sich eine konische Querschnittsverengung entlang der Einlaufstrecke ergibt.
Figur 3 zeigt den Verlauf von Spannung und Filmdicke an einem Beispiel mit realen Kennwerten. Man erkennt eine Dreiteilung der Durchlaufstrecke in einen Bereich x<C vor Beginn der Filmbildung, den Bereich C<x<l mit beginnender Filmbildung bei stetig steigender Feldspannung und den Anodenraum x>l mit gleichbleibender Anodenspannung. Man könnte den ersten Teil beliebig nach links verlängern, ohne dass sich Lage oder Verlauf der beiden Kurven in Bezug zu x=l ändern würden oder die Funktionswerte in x<C von Null verschieden wären. Während die Spannung einen sehr markanten und im Übergang zum Anodenraum sogar unstetigen Verlauf zeigt, wirkt der Anstieg der Filmdicke im betrachteten Bereich beinahe gleichmäßig, hat aber sein Maximum am Anodenrand, um anschließend wieder kleiner zu werden. Ein solcher „harmonischer“ Verlauf mit allmählichem Start und langsamem Ausklingen des Dickenzuwachses wird als beste Ausgangsbedingung für einen homogenen Schichtaufbau gewertet. Mit der Realisierung einer Einlaufstrecke ES, die der Figur 1, Darstellung a) mit den genannten Bedingungen genügt, ist also bereits eine wichtige Teilaufgabe erfüllt.
Der weitere Durchlauf der Bahnware (des Substrats S) könnte sich bedenkenlos in gleicher Weise fortsetzen. Es wurde aber bereits begründet, warum das elektrische Feld beim Austreten des Substrats S aus dem Lackbad LB möglichst klein sein soll. Gestaltet man die Auslaufstrecke AS ähnlich wie die Einlaufstrecke ES, so entsteht wieder ein hochohmiger Volumenwiderstand. Damit sich auch über diesen ein wirksamer Spannungsabfall einstellen kann, wird mit Hilfe eines Rückschlusses eine äußere elektrische Verbindung zwischen der Aus- und der Einlaufstrecke hergestellt. Hierdurch wird zwar die Wirksamkeit der oben erläuterten Gestaltung der Einlaufstrecke ES beeinträchtigt, weil sich ein zusätzlicher Strom aus dem Rückschluss ergibt. Jedoch ist ein ausreichender Gestaltungsspielraum gegeben, damit der gesamte Rückschluss-Stromkreis zusammen mit der Auslaufstrecke AS genügend hochohmig ausgelegt und der unvermeidbare Zusatzstrom mit eingerechnet werden kann, ohne die spannungsfreie Eintauchbedingung zu verletzen.
Wegen des verbleibenden Leitungsweges bis zum Substrat S wird für die Auslaufstrecke AS - anders als bei der Einlaufstrecke ES - keine Nullstelle erreicht, was in der Praxis wiederum nicht nötig ist, um die ungewollte Kohäsion ausreichend abzubauen. Es ist aber anzustreben, die Auslaufstrecke AS möglichst hoch- und den Rückschluss möglichst niederohmig auszuführen, damit der aus beiden gebildete Spannungsteiler eine minimale Ausgangsspannung aufweist.
Damit der entstehende Rückschluss-Widerstand möglichst klein ist, gibt es zwei Möglichkeiten: In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden der Eintritts- und der Austrittsbereich des Substrats S im Lackbad LB möglichst nah zueinander gebracht, um den Rückschluss möglichst kurz zu halten. Eine hierzu geeignete Maßnahme ist, dass die Durchlaufstrecke zu einem U-förmigen Gebilde gefaltet und das Substrat S in der Mitte der Durchlaufrichtung über Umlenkrollen geführt wird. Hierdurch ergibt sich ein minimaler Abstand zwischen Ein- und Auslaufstrecke. Diese Variante bietet sich vor allem für Kleinanlagen an und hat den Vorteil, dass geringe Baugrößen und Füllmengen für das Lackbad LB ausreichen können.
Insbesondere für die Produktion sehr großer Mengen und zur Vermeidung unnötiger Verformungen des Substrats S kann eine andere erfindungsgemäße Ausgestaltung mit lang gestreckter Durchlaufstrecke und mit minimal notwendiger Umlenkung der Bahnware (des Substrats S) bevorzugt werden. Aus dieser Anordnung folgt jedoch eine Verlängerung des Rückschlusses auf etwa die gesamte Durchlaufstrecke des Substrats S. Dies muss dann mit einem vergrößerten Rückschluss-Querschnitt kompensiert werden. Dazu ist eine parallele Anordnung des Rückschlusses geeignet, die sich ein- oder mehrseitig außen entlang der isolierten Durchlaufstrecke erstreckt und dort genügend Raum für Querschnittsflächen findet, die ein Vielfaches der Querschnitte der Ein- und Auslaufstrecke erreichen.
Beide Möglichkeiten werden später mit den Ausführungsbeispielen weiter erläutert.
Um die Substratoberfläche ständig mit frischen Reaktionspartnern zu versorgen und einer Ansammlung von Abprodukten und Sedimenten entgegenzuwirken, ist in einer Ausgestaltung eine intensive Strömung des Badinhalts entlang des Substrats S vorgesehen. Hierzu hat das Tauchlack-Badgefäß wenigstens eine Einströmöffnung (40, 41) und wenigstens eine Ausströmöffnung 15, die beide mit einem durch eine Zirkulationspumpe (30) angetriebenen äußeren Zirkulationskreislauf verbunden sind, so dass dafür kein Materialzustrom von außen erforderlich ist. Schlanke Gefäße, wie sie wegen der höheren elektrischen Widerstände erfindungsgemäß bevorzugt zum Einsatz kommen sollen, erlauben strömungstechnisch eine ständige Fluid-Bewegung, die beinahe den gesamten Querschnitt der Durchlaufstrecke und auch die Substratoberfläche erfasst.
Außerdem bietet eine solche Strömung im Lackbad LB bei Bedarf die Möglichkeit, die Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Substrat S und dem Lackbad LB so weit zu reduzieren, dass sich auch bei großen Vorschubgeschwindigkeiten eine diffusionskontrollierte Grenzschicht an der Substratoberfläche ausbilden kann und eine Filmbildung weiterhin möglich ist. Hierzu ist es ausreichend, das bereits beschriebene Zirkulationssystem so auszulegen, dass im Bereich der Filmbildung eine ausreichend schnelle Strömung parallel zum Substrat S und in Richtung dessen Vorschubs erzeugt wird und die Strömungsverhältnisse zwischen verschiedenen Bereichen des Lackbades LB zweckmäßig abgeglichen sind.
Eintauchende Substratflächen müssen schnell und innig mit dem Elektrotauchlack benetzt werden, um Lackdefekten vorzubeugen. In einer Ausgestaltung wird die Strömung des Badinhalts zusätzlich dafür benutzt, um an der Eintauchposition einen intensiven Oberflächendruck am Substrat S zu erzeugen, damit mögliche Lufteinschlüsse verdrängt werden und bereits zu Beginn der Tauchlackierung ein guter mechanischen Kontakt zwischen Tauchlack und Sub- strat S hergestellt wird. Zu diesem Zweck wird wenigstens eine Einlassdüse (40) in der Nähe der Eintauchposition, vorzugsweise knapp unterhalb der Badoberfläche, angeordnet, deren Strömungsrichtung gegen das Substrat S ausgerichtet und bevorzugt leicht gegen die Vorschubrichtung geneigt ist. Alternativ können in den Strömungskanal Störflächen eingefügt sein, die eine ähnliche Wirkung haben. So kann sich an der Eintauchposition EP ein beständiger Flüssigkeitsschwall bzw. eine Turbulenz aufbauen, wodurch gleichzeitig auch Luftblasen aus dem Lackbad LB heraus befördert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, das Substrat S unmittelbar vor dem Eintauchen oder während dessen in mechanische Schwingung zu versetzen, um mögliche Luftblasen von seiner Oberfläche - im bildlichen Sinne - abzuschütteln. Hierzu sind elektromechanische Schwinger, rotierende Exzenterwellen oder ähnliche Vorrichtungen geeignet, die vorzugsweise über gelagerte Umlenkrollen oder im direkten Gleitkontakt mechanisch in das Substrat S eingekoppelt werden. Auch die Verwendung eines Schall- oder Ultraschallerzeugers, der das Substrat S oder das gesamte Lackbad LB in Schwingungen versetzt, kann dazu vorgesehen sein.
Um am Ende der Auslaufstrecke beim Verlassen des Lackbades die Kohäsion zwischen Filmschicht und unvernetzten Lackmolekülen aufzubrechen, wird in einer Ausgestaltung eine Lackströmung angewendet, die beim Auftauchen des Substrats S aus dem Lackbad LB die freien Lackbestandteile von der Filmschicht wegspült. Hierzu wird ein Lackstrom in der Nähe des Austrittsortes des Substrats S mit wenigstens einem auf dieses gerichteten Diffusor (41) ausgebildet, so dass durch die Strömungsbewegung gegen die Förderrichtung und durch die gleichzeitige Schwerkraftwirkung in Richtung Lackbad LB alle losen Lackbestandteile mitgerissen werden und zurück in das Lackbad LB fließen. Auch diese Lackströmung wird, ebenso wie die für die Eintauchposition EP verwendete, vorzugsweise als Teilstrom aus dem oben genannten Zirkulationsstrom des Lackbades LB abgezweigt. Weil ein beständiger Fluss aufrechterhalten und das Substrat S ständig weiterbewegt wird, unterbleibt eine Abscheidung fester Lackbestandteile durch Antrocknen weitgehend.
In einer Weiterbildung sind zusätzlich Filter (siehe Figur 5) vorgesehen, die in den Zirkulationsstrom eingefügt sind, und dem Lackbad LB störende Partikel entziehen, um es in einem sauberen Zustand zu halten und der Filmbildung eine stets frische Lacklösung, frei von Verschmutzungen oder Konglomeraten zuzuführen.
Weil das Lackbad LB auf einer bestimmten Temperatur stabilisiert werden muss, sieht eine Weiterbildung vor, in den Zirkulationsstrom Aggregate zur Heizung bzw. Kühlung einzufügen und diese direkt vom Zirkulat durchströmen zu lassen. Wegen der dadurch verursachten Turbulenzen im Elektrotauchlack wird damit eine schnelle und gute Durchmischung von Bestandteilen des Lackbades LB mit unterschiedlicher Temperatur erreicht. Als Heiz- und Kühlaggregate kommen je nach Systemgröße beispielsweise Peltier-Elemente oder Wärmepumpen in Betracht.
Bevor das aus dem Lackbad LB austretende beschichtete Subtrat S über eine erste Laufrolle
22 geführt wird, sollte es zumindest oberflächlich trocken sein. Dies wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht, dass es erwärmt und gleichzeitig mit Frischluft angeblasen wird.
Um chemische Reaktionsprodukte, die den Filmbildungsprozess behindern, kontinuierlich dem Lackbad LB zu entziehen, ist in einer Ausgestaltung die Verwendung von an sich bekannten Dialysezellen anstelle von einfachen Anoden An vorgesehen. Solche Dialysezellen bestehen aus einer Anode An, die von einem Anolytraum umgeben ist. Eine semipermeable Membran an der Grenzfläche zum Lackbad LB verhindert den direkten hydraulischen Kontakt, erlaubt jedoch einen elektrolytischen Stromfluss. Der Anolytraum wird beständig oder in gesteuerten Intervallen über einen Zulauf mit frischem VE-Wasser gespeist, während die durch die Membran diffundierten Reaktionsprodukte, zum Beispiel Essigsäure, über einen Ablauf abtransportiert werden. Um das Austauschvolumen der Anolytflüssigkeit anhand des Grades der Verunreinigung zu steuern, ist eine konduktometrische Kontrolle sehr gut für die kontinuierliche Prozessüberwachung geeignet.
Wie die Gleichungen der analytischen Herleitungen zeigten, spiegelt die Potenzialverteilung im elektrischen Feld des Tauchlackbades eine große Anzahl von Betriebsdaten wider. Es ist deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich im Lackbad (LB) zumindest eine elektrische Messelektrode (M) zum Ableiten des elektrischen Feldpotenzials befindet, die mit dem stromkompensierten Eingang eines Signalverstärkers verbunden ist und als Führungsgröße zum Nachregeln von Betriebsparametern benutzt wird beziehungsweise Daten für die Aufrechterhaltung der geeigneten Badparameter gewinnt. Hiervon können insbesondere drei Kategorien von Informationen gewonnen werden:
1) Verbrauchszustand des Lackbades LB
2) Überwachung der Filmdicke, z. B. zum Nachregeln der Vorschubgeschwindigkeit
3) Sollpotenziale zum Nachführen von Hilfsspannungen wie der Anodenspannung, von Potenzialen eines Pumpengehäuses der Zirkulationspumpe (30) oder weiteren metallischen Armaturen im Lackbad (LB) oder dessen Zirkulationskreislauf
Dies wird nachfolgend erläutert.
Für die Aufrechterhaltung einer gleichbleibend guten Lackqualität ist eine ständige Kontrolle und Korrektur der Badparameter notwendig. Als eindeutiger Messwert für den Verbrauchszustand von Elektrotauchlack wird, wie auch bei anderen Lacken allgemein üblich und anhand von Normen vorgegeben, der MEQ-Wert durch chemische Titration bestimmt. Eine solche Analyse ist auf das Entnehmen, Präparieren und anschließende Verwerfen von Proben angewiesen und deshalb nicht problemlos in einen durchgängigen Fertigungsprozess einzubinden. In einem kontinuierlichen Produktionsvorgang sollten die Badparameter ständig mittels zentraler Prozessteuerung überwacht werden können, so wie alle anderen Prozessparameter auch. Es zeigte sich, dass aufgrund der immer gleichartig und mit gleichen Bedingungen ablaufenden Prozesse Ersatzparameter bestimmt werden können, die mit dem MEQ-Wert in ausreichender Genauigkeit korrelieren. Hierzu zählen der pH-Wert sowie der konduktometrisch zu bestimmende elektrische Leitwert. Dabei bietet die Konduktometrie eine besonders einfach durchzuführende Messmethode an, die ohne Aufwand, Verschleiß oder Abfallstoffe regelmä- ßig im laufenden Prozess durchgeführt werden kann. Hierfür bietet sich der Einsatz von Messelektroden direkt im Reaktionsgefäß oder außerhalb im Zirkulationssystem an. Fließt jedoch beim Elektrotauchlackieren gleichzeitig ein Arbeitsstrom im Lackbad, so sind solche Messungen zumindest in diesem Bereich nicht ohne weiteres durchführbar. Der Badwiderstand kann aber auf andere Weise bestimmt werden.
Wie der Gleichung (18) mit (12b) und (21) zu entnehmen ist, kann aus dem Spannungsverlauf entlang der Einlaufstrecke ES der spezifische Badwiderstand bestimmt werden, denn alle übrigen Bestandteile der Gleichung sind bekannt oder können experimentell ermittelt werden. Bereits der Spannungswert einer einzelnen Messelektrode außerhalb des Anodenraumes genügt also, um gemeinsam mit der durch Vorgabe bekannten Anodenspannung auf den Spannungsverlauf und über vorher bestimmte Erfahrungswerte auf den Zustand des Tauchlackbades/Lackbades LB schlussfolgern zu können.
Es wurde bereits gezeigt, wie der Grad der Filmabscheidung von der Vorschubgeschwindigkeit des Substrats S bzw. von dessen Verweilzeit im Lackbad LB abhängt und dass sich auch die räumliche Ausbildung des elektrischen Feldes und der Stromdichteverteilung in einer Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit nach Gleichungen (20) und (28) befindet. Um diese Abhängigkeiten auszugleichen, ist in einer Ausgestaltung wenigstens eine Messelektrode vorgesehen, deren elektrisches Potenzial als Kriterium für den Feldverlauf und somit zur Regelung der Anodenspannung dient. Alternativ ist es auch möglich, die Anodenspannung zu fixieren und die Vorschubgeschwindigkeit von der Spannung der Messelektrode zu steuern.
Für die ström- und elektrolysefreie Ableitung von Feldspannungen über Messelektroden sind geeignete Verstärkeranordnung vorgesehen, deren Eingänge über Gegenkopplungsschaltungen stromkompensiert sind.
Eine weitere Ausgestaltung stabilisiert den Anodenstrom durch Nachführen der Anodenspannung. Die Messung des Anodenstroms erfolgt dabei auf bekannte einfache Weise. Weil der Anodenstrom gemeinsam mit der Vorschubgeschwindigkeit ein direkter Indikator der Stärke des Ionen- und damit des Materialtransports auf das Substrat S ist, kann er proportional zur Substratgeschwindigkeit vorgegeben werden, um einen stabilisierten Filmbildungsgrad zu erzielen.
Alle metallischen Teile des Zirkulationssystems, die mit dem Elektrotauchlack in Verbindung kommen, müssen auf einem elektrischen Potenzial gehalten werden, das nicht negativer sein darf, als das sie umgebende Lackbad LB. Anderenfalls würden sie als Kathode wirken und eine Filmschicht abscheiden. Ebenso soll ihr Potenzial aber auch nicht höher sein, um einen zusätzlichen, nicht kontrollierbaren Anodenstrom zu vermeiden.
Sofern solche Teile keine elektrische Verbindung - auch keine hochohmige - zu anderen Teilen der Anordnung haben, könnten sie über das Lackbad LB ein schwebendes Potenzial annehmen und müssten dazu nur nach außen zuverlässig elektrisch isoliert sein. In der Praxis kommt es aber zu Restströmen, die bei beständiger Anwesenheit dennoch zur ungewollten Filmbildung führen können. Größere Aggregate und solche, die elektrische Verbindungen aufweisen, wie z. B. Zirkulationspumpe oder Thermostat, müssen deshalb mit einem passenden Potenzial vorgespannt werden, wozu sich z. B. das Anodenpotenzial anbieten könnte. Dies könnte jedoch über die Rohrverbindungen zusätzliche Ströme in das Lackbad LB einprägen, die dann insbesondere den Bereich um die Eintauchposition des Substrats S herum ungewollt vorspannen würden.
Deshalb wird in einer Ausgestaltung wenigstens eine zusätzliche Messelektrode im Lackbad LB vorgesehen, vorzugsweise in der Nähe der Anschlussstellen des Zirkulationssystems. Das elektrische Potenzial an diesen Messelektroden wird dazu benutzt, um als Führungsspannung über eine geeignete Verstärkeranordnung eine automatisch nachgeführte Potenzialaus- gleichsspannung zu erzeugen, so dass kein Stromfluss über das Lackbad LB zu diesen metallischen Teilen mehr erfolgt - weder in die eine, noch die andere Richtung.
Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren sind nicht nur für großtechnische Prozesse, sondern auch für Kleinanlagen geeignet. Dies ermöglicht die Anwendung auch in Sonderproduktionen mit geringerem Produktionsaufkommen.
Im Vergleich zu anderen gebräuchlichen Lackierverfahren wird eine wesentlich bessere Energiebilanz erreicht, weil der Prozess selbst nur geringe Energiemengen beansprucht und nur wenig Energie freigesetzt wird. Für die verbleibenden Wärmequellen und Wärmesenken ist eine weitgehende energetische Kopplung untereinander möglich - auch dann, wenn zeitlich wechselnde Umgebungstemperaturen zu schwankenden Energiebilanzen führen.
Auch die stoffliche Umweltbelastung kann als gering bezeichnet werden, weil das Verfahren sehr dünne Lackschichten ermöglicht und prinzipiell keine Abfalleinträge erzeugt. Von Essigsäure abgesehen, die auf natürlichem Wege abbaubar ist oder sogar der neuen Lackzubereitung zugemischt werden könnte, werden nur Wasserstoff und Sauerstoff gebildet. Großtechnisch kann der Wasserstoff energetisch weiterverwendet werden. Auch das Lackbad LB führt, von einem kleinen Aufkommen von Filtersedimenten abgesehen, zu keinen Abfallstoffen, weil es regelmäßig durch Zugabe von Transparentpaste aufgefrischt, aber nicht ausgetauscht werden muss.
Es wurden im Zusammenhang mit der Gestaltung des Rückschlusses zwei bevorzugte Ausführungsprinzipien angegeben - eines mit möglichst kurzer Rückschluss-Länge und ein anderes, das einen längeren Rückschluss erfordert, diesen aber mit einem größeren Rückschluss- Querschnitt kompensiert. Zu beiden Prinzipien wird nachfolgend je ein Ausführungsbeispiel angegeben.
Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsprinzip. wie es besonders für Kleinanlagen geeignet ist, weist das Tauchlack-Badgefäß eine U-Form mit zwei oben liegenden Öffnungen auf, wobei eine erste Öffnung für den Eintritt des Substrats (S) in das Lackbad (LB) bei vertikal nach unten gerichteter Laufrichtung, eine zweite Öffnung für deren Austritt aus dem Lackbad (LB) bei vertikal nach oben gerichteter Laufrichtung sowie eine Umlenkvorrichtung für das Substrat (S) zwischen der nach unten und der nach oben gerichteten Laufrichtung angeordnet sind. Eine oder mehrere vorhandene Gegenelektroden befinden sich vorzugsweise im mittleren Bereich der Durchlaufstrecke des Substrats (S) durch das Tauchlackbad-Gefäß. Die Figur 4 zeigt ein solches Reaktionsgefäß 100 in erfindungsgemäßer Ausführung in der Außenansicht. Ein Gehäuse 10 ist mit einer Doppelröhre 12a, 12b aus elektrisch isolierendem Material so verbunden, dass ein Badgefäß mit einem durchgängigen langgezogenen U-förmigen Hohlraum gebildet wird. Im Gehäuse befinden sich Umlenkrollen 14, die mit einem abnehmbaren Deckel 11 zugänglich sind. Für das Einlegen des Substrats S kann das Reaktionsgefäß 100 über den Rohrstutzen vollständig entleert werden, so dass nach dem Öffnen des Deckels 11 die Umlenkrollen 14 zugänglich werden. Mittels Schwerkraft und Ziehdraht (nicht dargestellt), eventuell auch unter Zuhilfenahme eines Magneten, kann der Anfang des Substrats S in die Laufspur eingelegt werden, ohne den Deckel 11 dafür öffnen zu müssen.
Zwischen den beiden Schenkeln der Doppelröhre 12a, 12b befindet sich ein Rohrstück 13, das eine hydraulische und elektrische Querverbindung zwischen beiden schafft. Die U-Form hat den Vorteil, dass die Bahnware des Substrats S beim Passieren der beiden senkrechten Hauptwege keiner Vorzugsrichtung durch Schwerkraft unterliegt und dass außerdem die gewünschte örtliche Nähe zwischen Ein- und Auslauf des Substrats S einfach zu erreichen ist, um das Rohrstück 13 als Rückschluss kurz halten zu können.
Das Substrat S, im Beispiel ein Flachdraht, tritt mit der Vorschubgeschwindigkeit v in die linke Röhre 12a und somit in das darin befindliche Lackbad in Pfeilrichtung nach unten ein, wird an den Umlenkrollen 14 im Gehäuse 10 in seiner Laufrichtung umgekehrt und verlässt das Reaktionsgefäß 100 nach Durchlauf durch die rechte Röhre 12b nach oben. Weitere Umlenkrollen 21, 22 dienen der äußeren Zu- und Abführung des Substrats S. Zur Orientierung wurden die ungefähren Lagen der Einlaufstrecke ES und der Auslaufstrecke AS vermerkt. Allerdings beginnt die Auslaufstrecke AS bereits nach Durchlaufen des Anodenraums, schließt also die Laufstrecke über die Umlenkrollen 14 im Gehäuse 10 mit ein.
Das gesamte Gefäßsystem ist mit dem Lackbad (hier nicht ersichtlich) bis oberhalb der Querverbindung 13 gefüllt. Am Rohrstutzen 15 wird die Badflüssigkeit mittels eines Zirkulationskreislaufs abgesaugt, um es in gleicher Gesamtmenge über die Schläuche 16 und 17 dem Reaktionsgefäß wieder zuzuführen. Diese Schläuche 16, 17 sind mit Einlassdüsen 40 und 41 nach Figur 6 verbunden. Hierdurch entsteht eine stetige Strömung der Badflüssigkeit von oben nach unten in einer Verzweigung über beide Schenkel bei unverändertem Füllstand. Dabei handelt es sich um ein offenes System, so dass der Durchlauf des Substrats S ohne notwendige Abdichtungen des Reaktionsgefäßes 100 ermöglicht wird. Dennoch können die Querschnitte der oberen Öffnungen mittels zusätzlicher Deckel verkleinert werden, um das Verdunsten der Flüssigkeit einzuschränken.
Auf der Welle eines Motors 18 befindet sich ein im Querschnitt oval oder zur Welle exzentrisch geformtes Laufrad, das das Substrat S berührt. Durch die Drehung dieses Laufrads wird aufgrund dessen über den Umfang veränderlichen Radius das Substrat S in mechanische Schwingungen versetzt, während es in das Reaktionsgefäß 100 einläuft.
Nach dem Durchlauf durch das Reaktionsgefäß 100 passiert das Substrat S einen Hochfrequenzinduktor 19 in Verbindung mit einem Gebläse 20, wo es mittels Wirbelstrom erwärmt und im Luftstrom getrocknet wird. In der Figur 5 ist das hydraulische System des Zirkulationskreislaufs mit den zugehörigen Armaturen schematisch dargestellt. Man erkennt das Reaktionsgefäß 100 aus Figur 4 mit seinem Gehäuse 10, der Doppelröhre 12a, 12b und dem Rohrstück 13 wieder. Über ein Schlauchsystem ist der Rohrstutzen 15 nacheinander in Fließrichtung mit einem Filter 31, einer Zirkulationspumpe 30 und einem Thermostat 33 verbunden, um anschließend in die beiden Schläuche 16 und 17 zu verzweigen und in das hier nicht dargestellte Lackbad zurück zu fließen. Ein nicht dargestellter hydraulischer Ausgleich zur Verteilung der Strömungen ist dabei vorgesehen. Der Thermostat 33 wird von einem Peltierelement gebildet, das gegenüber einem Radiator 34 als Wärmepumpe je nach Bedarf zum Heizen oder Kühlen in die eine oder andere energetische Richtung wirkt. Die Zirkulationspumpe 30 sorgt für eine beständige Strömung der Lackflüssigkeit in Richtung der Pfeile. Mit Hilfe eines Ausdehnungsgefäßes 32 kann mittels Kolben 32.1 der Füllstand des offenen Systems eingestellt und außerdem der gesamte Inhalt des Lackbades für Wartungszwecke in kurzer Zeit beinahe verlustfrei abgelassen, unter Luftabschluss gelagert und später wieder eingefüllt werden. Ein nicht dargestellter Regelkreis kann den Füllstand im Badgefäß messen und mit Hilfe des Ausdehnungsgefäßes 32 motorisch auf einen Sollpegel nachregeln. Weiterhin ist die Position einer Messelektrode M markiert, die sich in etwas Abstand zum Substrat befindet und die Feldspannung nach Figur 3 in Abhängigkeit von der Entfernung zum Anodenraum abtastet.
Es ist vorgesehen, dass das Substrat S, bevor es in das Reaktionsgefäß 100 einläuft, geeignete, nicht dargestellte, Vorbereitungs-, Reinigungs- und Spülbäder passiert, insbesondere zum Entfetten und Ätzen der Oberfläche und zum Dekapieren. Weiterhin ist es vorgesehen, dass es nach dem Durchlauf durch das Reaktionsgefäß 100 einen Brennofen zum Aushärten der Lackschicht, vorzugsweise mit Hochfrequenzinduktoren zur Erzeugung von Wirbelströmen oder mit Infrarotstrahlern, passiert.
Die Figur 6 zeigt beispielhaft die geometrische Ausbildung der Einlassdüsen - in a) für die Röhre 12a der Doppelröhre für das Eintauchen des Substrats S in das Lackbad und in b) für den Austritt aus dem Lackbad in der Röhre 12b. Es bezeichnen wieder S das Substrat und 16, 17 die Einlass-Schläuche. Mit der Strichlinie 42 ist der Füllstand des Lackbads markiert. Im Fall a) ist die Austrittsöffnung der zirkulierenden Lackflüssigkeit unterhalb des Füllstands und die Einlassdüse 40 leicht nach oben auf das Substrat S gerichtet. Hierdurch wird an der Substratoberfläche ein Druck erzeugt, der den Lack unmittelbar an der Eintauchposition fest anströmt und mögliche Lufteinschlüsse nach oben verdrängt. Im Unterschied dazu befindet sich in b) die Austrittsöffnung oberhalb des Füllstands, um mit dem erhöhten Druck des Diffusors 41 eine Spülwirkung auf der Filmoberfläche zu erzielen und damit die Kohäsion der ausgeschleppten Flüssigkeit zu überwinden und diese in das Lackbad zurück zu spülen.
Die Figur 7 zeigt den beispielhaften Aufbau einer Dialysezelle 50 in der Funktion der Anode An, wie es in die linke Röhre 12a in Figur 4 eingesetzt ist, in aufgeschnittener Darstellung aus zwei Perspektiven. Wegen seines kleineren Durchmessers reduziert es den Querschnitt des Lackbads und erfüllt damit die Funktion einer künstlichen Apertur zur Widerstandserhöhung. Hierzu besitzt es Dichtringe 51, um den Raum zwischen beiden Rohrwandungen vom Lackbad zu trennen und damit vom Stromfluss zum Substrat auszuschließen. Die innere Wandung der Röhre 12a schließt sich also direkt an den Außendurchmesser der Dichtringe 51 an und ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit dargestellt. Im unteren Teil des Rohres 12a gibt es eine Vielzahl von Bohrungen 52, die mit einer semipermeablen Membran 53 abgedeckt sind. In einem radialen Abstand zur Membran 53 und mittels Abstandshaltern 55 zentriert befindet sich die zu einem Rohr geformte Anode 54 , die außen nahezu mit dem Innendurchmesser der Röhre 12a abschließt. Somit befindet sich zwischen der Röhre 12a und dem Anodenrohr 50 ein Zwischenraum, der oben und unten mit den Dichtringen 51 verschlossen ist und den Anolytraum einer Dialysezelle bildet. Über den Schlauch 56 wird von oben frisches VE- Wasser zugeführt, während unten über einen weiteren Schlauch 57 die mit Essigsäure angereicherte und wegen ihrer etwas höheren Dichte absinkende Anolytlösung abgeführt wird. Beide Schläuche werden, ebenso wie auch die elektrische Anodenzuleitung 58, durch das Anodenrohr 50 hindurch geführt, dort abgedichtet, um dann weiter an der Innenwand des Anodenrohrs 50 entlang nach oben zu gelangen. Auf diese Weise entsteht eine Dialysezelle, die nach dem bekannten Prinzip nur über eine halbdurchlässige Membran 53 elektrischen Kontakt zum Lackbad erhält und diesem die sich bildende Essigsäure entzieht. Im Unterschied zu bekannten Ausführungen, die anodische Flächen ausbilden, wird bei dieser Dialysezelle das Substrat S rohrförmig umschlossen. Weiterhin wird aus dieser Darstellung deutlich, dass die Anode durch die Bohrungen 52 nur im unteren Bereich des Rohres elektrisch auf das Lackbad wirken kann, wodurch die übrige Rohrlänge genau den bereits beschriebenen Effekt des langgestreckten Volumenleiters erzeugt. Um eine größere Anodenfläche und damit eine höhere Anodeneffizienz zu erhalten, könnte die dargestellte rohrförmige Anode 54, auch nach oben verlängert werden, ohne dass sich dadurch am Volumenleiter der Einlaufstrecke etwas ändert - vorausgesetzt, dass dabei keine Verlängerung des Bereichs erfolgt, in dem sich Bohrungen 52 befinden.
Bei einem zweiten bevorzugten Ausführungsprinzip, wie es besonders für Großanlagen geeignet ist, befindet sich das Lackbad (Lß) in einem Gefäß in der Art eines Troges (71), von dem Teile der Durchlaufstrecke des Substrats (S) mithilfe elektrisch isolierender Kammern (72, 73) abgeteilt sind. Die Anfangs- und Endbereiche dieser Kammern sind mit dem übrigen Badvolumen elektrisch und hydraulisch verbunden, wobei sich die Gegenelektrode im mittleren Bereich der Durchlaufstrecke durch diese Kammern (72, 73) befindet.
Die Figur 8 stellt als weiteres Ausführungsbeispiel ein Reaktionsgefäß 100 in dieser zweiten bevorzugten Bauweise vor. In der Zeichnung vorn ist ein Ausbruch dargestellt, um Details im Inneren sichtbar zu machen. Bei diesem Beispiel befindet sich das Lackbad LB in einem langgestreckten Trog 71, durch den das Substrat S waagerecht gezogen wird und über Umlenkrollen 21 ein- und 22 wieder ausgeleitet wird. In diesem Beispiel werden gleich drei Bahnen unabhängig voneinander im gleichen Lackbad LB beschichtet. Auch hier sind in der bereits bekannten Weise Einlaufdüsen 16 und Auslaufdiffusoren 17 vorhanden. Um die Querschnittflächen der Ein- und Auslaufstrecken zwecks Widerstandserhöhung zu reduzieren, sind Kammern 72 aus elektrisch isolierendem Material mit U-förmigem Querschnitt eingebracht, die aus dem umschlossenen Lackbad LB in beschriebener Art einen langgezogenen elektrischen Wi- derstand bilden. Diese Kammern 72 werden von weiteren Kammern 73 umschlossen, die an ihren Enden mit den Kammern 72 so verbunden sind, dass sich jeweils ein geschlossener, nur nach oben offener Hohlraum 74 zwischen beiden bildet. In diesen Hohlraum 74 sind etwa auf halber Länge der Kammern Anodenbleche 75 eingelegt, die über Bohrungen 76, welche mit semipermeablen Membranen abgedeckt sind, elektrische Verbindung zum Anodenraum mit dem Substrat S haben. Dieser Hohlraum zwischen den Kammern 73 ist mit Anolytflüssigkeit gefüllt und bildet mit den Anodenblechen eine Dialysezelle. Weitere Details entsprechen den bereits zu Figur 4 bis Figur 6 beschriebenen. So ist beispielsweise in der Mitte des Trogs 71 ein hier nicht dargestellter Rohrstutzen zum Ausleiten der Lackflüssigkeit für den Zirkulationskreislauf vorhanden.
Der Raum 77 unter den Kammern 73 ist wie der gesamte Trog 71 mit der Lackbad-Flüssigkeit gefüllt und bildet mit seinem großen Querschnitt den niederohmigen Rückschluss zwischen dem Beginn der Einlauf- und dem Ende der Auslaufstrecke. Dieses Ausführungsbeispiel benötigt zwar ein großes Lackvolumen, ist aber für große Durchlaufmengen einer Massenproduktion vorteilhaft. Selbstverständlich kann der Trog 71 von oben abgedeckt sein, um Verdunstungen des Lackbades LB zu unterbinden.
In Figur 9 ist im oberen Bereich das Beispiel der Beschaltung einer Messelektrode schematisch angegeben, die nahe zur Eintauchposition angeordnet ist. Eine Spannungsfolgerschaltung 61 mit sehr hochohmigem, also praktisch stromfreiem, Eingang ist mit der Messelektrode M verbunden und führt dieses Potenzial spannungsrichtig nach, um es anschließend einer niederohmigen Treiberschaltung 62 zuzuführen, deren Ausgang P mit allen metallischen Teilen des Zirkulationskreislaufs, insbesondere mit der Pumpe 30 und dem Thermostat 33 elektrisch verbunden ist. Auf diese Weise wird ein Stromfluss von oder zu diesen Teilen verhindert, wodurch deren unerwünschte Wirkung als Anode oder - noch wichtiger - als Kathode im elektrolytischen Bad unterbunden wird. Zwar sind Ausgang und Eingang der Schaltung über das Lackbad elektrisch verbunden und es kommt zu einer Mitkopplung. Da hierbei aber keine Spannungsverstärkung erfolgt und die Schleifenverstärkung kleiner als Eins ist, bleibt die sich ausbildende Regelschleife stabil.
Eine weitere Teilschaltung im unteren Bereich zeigt die Regelung der Anodenspannung in Abhängigkeit vom Anodenstrom. Eine in bekannter Weise aufgebaute und hier schematisch dargestellte getaktete Stromversorgung 63 stellt am Anschluss A eine Anodenspannung bereit. Am Masse-Fußpunkt des Anodenkreises, der elektrisch auch mit dem Substrat verbunden ist, befindet sich ein Shunt-Widerstand 64, an dem eine stromproportionale Messspannung gewonnen, mittels Spannungsverstärker 65 verstärkt, anschließend in einer Auswerteschaltung 66 mit einem Sollwert verglichen und als Impulsbreite der Anodenspannungserzeugung zugeführt wird. Auf diese Weise wird die Anodenspannung so nachgeregelt, dass sich auch bei wechselnder Vorschubgeschwindigkeit des Substrats S ein konstant bleibender Anodenstrom ergibt.
Anhand einer Versuchsanlage für die Lackbeschichtung von Elektrodrähten aus Kupfer mit einem kathodischen Tauchlack auf Epoxidharz-Basis wurden die Lehren dieser Druckschrift am praktischen Beispiel technologisch erprobt. Dabei wurden sowohl Mikroflachdrähte in verschie- denen Abmessungen, z. B. 0, 1 mm x 3,5 mm, wie auch Runddrähte, z. B. mit dem Durchmesser 0,28 mm, als Substrat beschichtet und ausgehärtet. Im Unterschied zu bisher bekannten und gebräuchlichen Verfahren zur Drahtlackierung zeigte sich eine äußerst gute Homogenität des Lackfilms ohne auftretende Kantenflucht und ohne sonstige Oberflächendefekte wie Bla- sen oder Krater. Dabei gelang es auch, äußerst dünne Beschichtungen mit Filmdicken bis hinunter auf wenige Mikrometer bei ausgezeichneter Gleichmäßigkeit und vollständiger elektrischer Isolation zu erzielen.
Bezugszeichenliste
Gehäuse 55 Abstandshalter
Deckel 56, 57 Schläuche
Doppelröhre 58 Anodenzuleitunga, 12b Einzelröhren der Doppelröhre 61 Spannungsfolgerschaltung
Rohrstück als Querverbindung 62 Treiberschaltung , 21, 22 Umlenkrollen 63 getaktete Stromversorgung
Rohrstutzen (Ausströmöffnung) 64 Shunt-Widerstand , 17 Schläuche 65 Spannungsverstärker
Motor 66 Auswerteschaltung.1 Laufrad 71 Trog
Hochfrequenzinduktor 72, 73 Kammern
Gebläse 74 Hohlraum
Zirkulationspumpe 75 Anodenbleche
Filter 76 Bohrungen
Ausdehnungsgefäß 77 Rückschluss-Raum.1 Kolben 100 Reaktionsgefäß
Thermostat A Anodenanschluss
Radiator An Anode (abstrahiert)
Einlassdüse (Einströmöffnung) AS Auslaufstrecke
Diffusor (Einströmöffnung) EP Eintauchposition
Füllstand des Lackbads ES Einlaufstrecke
Anodenrohr als Baugruppe LB Lackbad
Dichtringe LE Längenelement
Bohrungen M Messelektrode semipermeable Membran P Verstärkerausgang
Anode S Substrat

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung für die elektrophoretische Tauchlackierung von Bahnware, enthaltend ein Lackbad (LB), das von der Bahnware in Form eines zu beschichtenden Substrats (S) mit kontinuierlicher Vorschubgeschwindigkeit durchlaufen wird, wobei zwischen der Bahnwa- re/Substrat (S) und wenigstens einer Gegenelektrode ein elektrisches Feld ausgebildet ist, das während des Durchlaufs zur Abscheidung eines Lackfilms auf der Oberfläche der Bahnware/Substrat (S) führt, dadurch gekennzeichnet, dass das Lackbad (LB) zumindest zu einem Teil seines Gesamtvolumens durch elektrisch isolierende Gefäße, Trennwände, Röhren oder Kammern, so geformt oder von anderen Badbereichen elektrisch isoliert ist, dass der geformte oder der isolierte Teil des Lackbades (LB) einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, der von der Bahnware/dem Substrat (S) in deren Vorschubrichtung auf dem Weg von einer Eintauchposition (EP) bis zu einer davon entfernten Position der Gegenelektrode als Einlaufstrecke (ES) durchlaufen wird, und dabei einen so großen Quotienten aus Weglänge und Querschnittfläche des Lackbades (LB) im Bereich einer Einlaufstrecke (ES) aufweist, dass die elektrische Feldspannung, die sich über diesen Volumenwiderstand in Wechselwirkung mit der zeitlich und räumlich fortschreitenden Filmbildung um das Substrat (S) herum aufbaut, wenigstens eine Nullstelle entlang der Einlaufstrecke (ES) bildet und/oder dass das Lackbad (LB) zu einem weiteren Teil seines Gesamtvolumens durch elektrisch isolierende Gefäße, Trennwände, Röhren oder Kammern, so geformt bzw. von anderen Badbereichen elektrisch isoliert ist, dass dieser geformte oder isolierte Teil des Lackbades (LB) einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, der über einen Teil seiner Länge von dem Substrat (S) in dessen Vorschubrichtung auf dem Weg von der Position der Gegenelektrode bis zu einer davon entfernten Auftauchposition als Auslaufstrecke (AS) durchlaufen wird und über einen weiteren Teil seiner Länge so mit der Einlaufstrecke (ES) verbunden ist, dass dieser einen elektrischen Rückschluss zwischen Ein- und Auslaufstrecke (ES, AS) bildet.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchlack-Badgefäß wenigstens eine Einströmöffnung (40, 41) und wenigstens eine Ausströmöffnung (15) für den Tauchlack aufweist, die beide mit einem durch eine Zirkulationspumpe (30) angetriebenen äußeren Zirkulationskreislauf in der Weise verbunden sind, dass sich entlang der Durchlaufstrecke des Substrats (S) wenigstens eine Strömung des Lackbades(LB) ausbildet und dass wenigstens eine der genannten Einströmöffnungen als auf das Substrat (S) gerichtete Einlassdüse (40) oder gerichteter Diffusor (41) ausgebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der Eintauchposition (EP) des Substrats (S) ein elektromechanischer Rüttelgenerator angeordnet ist, wofür sich auf der Welle eines Motors (18) ein im Querschnitt oval oder zur Welle exzentrisch geformtes Laufrad befindet, das das Substrat (S) berührt, so dass durch die Drehung dieses Laufrads aufgrund dessen über den Umfang veränderlichen Radius das Substrat (S) in mechanische Schwingungen versetzt wird, während es in das Reaktionsgefäß (100) einläuft, oder dass der Rüttelgenerator als elektroakustischer Wandler ausgeführt ist, der das Substrat (S) entweder direkt berührt, oder über weitere Führungs- oder Kopplungselemente auf diese wirkt.
4. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich im Lackbad (LB) zumindest eine elektrische Messelektrode (M) zum Ableiten des elektrischen Feldpotenzials befindet, die mit dem stromkompensierten Eingang eines Signalverstärkers verbunden ist und als Führungsgröße zum Nachregeln von Betriebsparametern wie der Anodenspannung, von Potenzialen eines Pumpengehäuses der Zirkulationspumpe (30) oder weiteren metallischen Armaturen im Lackbad (LB) oder dessen Zirkulationskreislauf und/oder zum Nachregeln der Vorschubgeschwindigkeit benutzt wird beziehungsweise Daten für die Aufrechterhaltung der geeigneten Badparameter gewinnt.
5. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchlack-Badgefäß eine U-Form mit zwei oben liegenden Öffnungen aufweist, wobei eine erste Öffnung für den Eintritt des Substrats (S) in das Lackbad (LB) bei vertikal nach unten gerichteter Laufrichtung, eine zweite Öffnung für deren Austritt aus dem Lackbad (LB) bei vertikal nach oben gerichteter Laufrichtung sowie eine Umlenkvorrichtung für das Substrat (S) zwischen der nach unten und der nach oben gerichteten Laufrichtung angeordnet sind und dass sich eine oder mehrere vorhandene Gegenelektroden vorzugsweise im mittleren Bereich der Durchlaufstrecke des Substrats (S) durch das Tauchlackbad-Gefäß befinden.
6. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich das Lackbad (LB) in einem Gefäß in der Art eines Troges (71) befindet, von dem Teile der Durchlaufstrecke des Substrats (S) mithilfe elektrisch isolierender Kammern (72, 73) abgeteilt sind, deren Anfangs- und Endbereiche mit dem übrigen Badvolumen elektrisch und hydraulisch verbunden sind, wobei sich die Gegenelektrode im mittleren Bereich der Durchlaufstrecke durch diese Kammern (72, 73) befindet.
7. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Zirkulationskreislauf ein Thermostat (33), vorzugsweise auf der Basis eines Peltierelements oder einer Wärmepumpe, angeordnet ist.
8. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Zirkulationskreislauf ein Ausdehnungsgefäß (32) mit verstellbarem Volumen angeordnet ist.
9. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
Teile der Durchlaufstrecke des Substrats (S) durch wenigstens einen weiteren rohr- oder kammerförmigen Einsatz flankiert sind, der vorzugsweise eine Dialysezelle zur Abführung von Reaktionsprodukten mit wenigstens einer Gegenelektrode enthält.
10. Verfahren zur elektrophoretischen Tauchlackierung von Bahnware, in einer Anlage nach Anspruch 1 , enthaltend ein Lackbad (Lß), das von der Bahnware in Form eines zu beschichtenden Substrats (S) mit kontinuierlicher Vorschubgeschwindigkeit durchlaufen wird, wobei zwischen dem Substrat (S) und wenigstens einer Gegenelektrode ein elektrisches Feld ausgebildet ist, das während des Durchlaufs zur Abscheidung eines Lackfilms auf der Oberfläche des Substrats (S) führt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Lackbades (Lß) einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, der von dem Substrat (S) in dessen Vorschubrichtung auf dem Weg von einer Eintauchposition (EP) bis zu einer davon entfernten Position der Gegenelektrode als Einlaufstrecke (ES) durchlaufen wird,
- wobei sich eine elektrische Feldspannung über diesen Volumenwiderstand in Wechselwirkung mit einer zeitlich und räumlich fortschreitenden Filmbildung um das Substrat (S) herum aufbaut, die wenigstens eine Nullstelle entlang der Einlaufstrecke (ES) bildet und/oder
- wobei der Teil des Lackbades (LB) der einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, über einen Teil seiner Länge von dem Substrat (S) in dessen Vorschubrichtung auf dem Weg von der Position der Gegenelektrode bis zu einer davon entfernten Auftauchposition als Auslaufstrecke (AS) durchlaufen wird , wobei das Lackbad (LB) über einen weiteren Teil seiner Länge so mit der Einlaufstrecke (ES) verbunden ist, dass über diesen weiteren Teil des Lackbades (LB) ein elektrischer Rückschluss zwischen Ein- und Auslaufstrecke (ES, AS) erfolgt.
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