JP2022552577A - ワークを表面被覆する方法 - Google Patents

Abstract

被覆剤をワーク（１）に塗布し、その後で、交流電磁場で硬化させる、ワーク（１）を表面被覆する方法が記載される。僅かな方法時間にかかわらず、標準的な被覆剤、特に液体塗料でも高品質の表面被覆を可能にするために、まず被覆剤の揮発性の成分が、第１の周波数スペクトルを有する交流電磁場で導出され、その後で、ワークの表面を、残存する被覆剤成分を架橋及び／又は硬化するために、第２の周波数を有する交流電磁場で加温し、第２の周波数スペクトルの周波数帯域は、第１の周波数スペクトルの周波数帯域を下回ることが提案される。

Description

本発明は、被覆剤をワークに塗布し、その後で、交流電磁場で硬化させる、ワークを表面被覆する方法に関する。

例えば自動車ボディ等のワークを表面被覆するために、従来技術において、電気泳動によるディップ法が知られている。そのために、自動車ボディが、導電性のディッピング塗料に浸漬される。陰極として作用する自動車ボディと陽極の間に直流電圧を印加することによって、ディッピング塗料が自動車ボディに沈殿し、そこで一時的に付着保持される。

供給された塗料を硬化させるために、独国特許出願公開第１９９４１１８４号明細書において、キャビン内室を有する塗料乾燥機を使用することが知られていて、塗料乾燥機を通って自動車ボディがガイドされる。熱交換器によって加熱された新鮮な空気が、キャビン内室に吸い込まれ、これにより、塗装の硬化又は架橋が進む。この場合、そうして生じる排気には、塗料の有毒な溶媒が吸着され、したがって、排気は、熱洗浄にさらされ、その後で雰囲気に放出される。ただし、そのような対流に基づく方法は、エネルギ消費が激しい。というのも、キャビン内室に存在するほとんど全ての空気を必要な硬化温度にしなければならないからである。その上、特にワークが割合複雑であるとき、ワークの硬化が不均一で時間的な差が生じるという問題が発生する。というのも、高温の空気流が支障なくワークの中空スペースに進入できないからである。

運転コストを下げるために、ＤＥ１１２０１００００４６４Ｔ５において、対流による硬化の他に、紫外放射及び近赤外放射を用いることが知られている。ただしその欠点によれば、紫外放射及び近赤外放射の侵入深さが極めて僅かであり、それゆえ、紫外放射又は近赤外放射をワークの近くに導かなければならず、またこれにより、ワークの寸法及び構成が様々であるとき、プロセス技術的な手間が生じてしまう。とりわけ、交流電磁場に基づいて被覆剤の迅速な硬化を可能にする方法の場合、硬化が速すぎると気泡形成及び表面被覆の所望されない混入が回避できないという問題が生じる。

欧州特許出願公開第１５４１６４１号明細書において、粉末塗料でワークを表面被覆する方法が知られている。ここでは、粉末塗料がワークに塗布され、粉末塗料の粒子を励起する交流電磁場によって硬化させられる。この場合、交流場は、粉末塗料の粒子が励起されるが、ワークが励起されないように選択され、これにより、粉末塗料の省エネルギな硬化が可能となる。ただしその欠点によれば、硬化されるべき又は架橋されるべき粉末塗料が、誘導加熱可能な又は誘電加熱可能な粒子を有する必要があり、したがって、方法が特定の被覆剤のみに限定されている。

従来技術において、ワークを誘導硬化する他の方法が知られている。そのために、ワークに交流磁場が印加され、これにより、８００℃を超える高温にされる。ワークの熱伝導に起因する完全な加熱と、これによるエネルギ損失とを阻止するために、印加時間は、数秒である。

独国特許出願公開第１９９４１１８４号明細書 ＤＥ１１２０１００００４６４Ｔ５ 欧州特許出願公開第１５４１６４１号明細書

したがって、本発明の基礎をなす課題は、短い方法時間にもかかわらず、標準的な被覆剤、特に液体塗料でも、高品質の表面被覆を可能にする、冒頭で述べたタイプの表面被覆する方法を提案することである。

本発明は、この設定された課題を、まず被覆剤の揮発性の成分を、第１の周波数スペクトルを有する交流電磁場で導出し、その後で、ワークの表面を、残存する被覆剤成分を架橋する及び／又は硬化するために、第２の周波数を有する交流電磁場で加温し、第２の周波数スペクトルの周波数帯域は、第１の周波数スペクトルを下回ることによって解決する。この手段によると、ワークに被覆剤を均等に塗布するのに必要な、被覆剤の揮発性の成分が除去され、その後で、被覆剤の実際の架橋又は硬化が行われ、これにより、硬化した表面被覆における揮発性の成分の所望されない混入が防止され、したがって、表面被覆の品質を向上できる。揮発性の成分が例えば水又は他の溶媒等の極性液体であるので、マイクロ波帯域、特にデシメートル波帯域の周波数スペクトルが揮発性の成分の導出に特に適することが、判明している。表面被覆から揮発性の成分の大部分が導出された後で、ワークに、第１の周波数スペクトルの周波数帯域を下回る周波数帯域の第２の周波数スペクトルを有する交流場が印加される。そのために、電波帯域、特に長波帯域及び中波帯域の周波数スペクトルが適している。ワークへの侵入深さが僅かな交流場によって、ワークの表面が励起され、したがって、所望の温度へと加温される。したがって、残存する被覆剤成分の架橋又は硬化は、主にワークの加温された表面を起点とする熱伝導及び熱伝達を介して行われ、ゆえに、被覆剤は、誘導加熱可能な又は誘電加熱可能な粒子を有しなくてよく、したがって、標準的な被覆剤を使用可能である。ワークの表面だけを加温すればよいので、必要なエネルギ供給量が比較的少ない。残存する被覆剤成分の均等な架橋及び／又は硬化を、その際にワークの組織又は表面の特性を変化させることなく得るために、ワークの表面がもたらされるべき典型的な温度は、１００℃から２００℃、好適には１６０℃から１９０℃である。

揮発性の成分を完全に、それにもかかわらず省エネルギに被覆剤から導出できるように、第１の周波数スペクトルが１ＧＨｚから３ＧＨｚの帯域にあることが提案される。この帯域は、場合によってはアクセスしにくい箇所を有する複雑なワークジオメトリでも、被覆剤の一般的な揮発性の成分を導出できるのに適していることが判明している。この周波数スペクトルは、使用されるエミッタに依存して、記載の帯域の１つの又はいくつかの少数の周波数を含んでもよい。

例えば硬化時のようにワーク自体の組織をそのときに変化させることなく、ワークの表面を加温するのに、ひいては残存する被覆剤成分を架橋する及び／又は硬化するのに適した第２の周波数スペクトルは、３５ｋＨｚから４００ｋＨｚの帯域にある。この周波数帯域では、交流電磁場がワークへの僅かな侵入深さしか有さず、したがって、ワークの主に表面を励起するという利点が得られる。このようにすると、ワークの温度上昇は、主に被覆剤に近い領域で行えるので、ワークから架橋すべき及び／又は硬化すべき残存する被覆剤成分へとエネルギ効率的な熱伝導及びエネルギ効率的な熱伝達を行える。というのも、交流場がワーク全体を加温するために用いられないからである。交流電磁場を生成するために、６０ｋＷから１２０ｋＷの出力を有するエミッタが、特に適していると判明している。

ワークの組織を変化させることなく、蒸気圧の低い揮発性の成分でも、混入のない表面被覆を可能にするために、ワークは、第２の周波数スペクトルを有する交流電磁場よりも長く第１の周波数スペクトルを有する交流電磁場にさらされることが提案される。このようにすると、残存する被覆剤成分の架橋及び／又は硬化の前に、溶媒等の所望されない揮発性の成分が表面被覆に混入されず、これにより、表面被覆の品質が一層向上することを保証できる。

好適には、ワークは、第１の周波数スペクトルを有する交流電磁場に１０分から２０分さらされてよく、第２の周波数スペクトルを有する電磁交流磁場に５分から１０分さらされてよい。本発明による、第２の周波数スペクトルを有する交流場の印加時間は、ワークとしての典型的な自動車ボディにとって、ワークを十分に長く要求される温度で保持するのに十分であるので、被覆剤の効率的な架橋及び／又は硬化が可能となる。シミュレーションによって、ワーク、例えば自動車ボディにとって、揮発性の成分を導出するに必要なエネルギ入力量は、２０ｋＷｈから３０ｋＷｈであり、ワークの表面を典型的な所望の温度へと加温するために必要なエネルギ量は、１０ｋＷｈから２０ｋＷｈであることが判明している。

比較的大きくて複雑なジオメトリを有するワークを表面被覆する既存の装置に簡単に後付けできるように、交流電磁場は、最大で１つの空間方向に変位可能な大面積エミッタを用いて印加でき、ワークの、アプローチしにくい領域については少なくとも２つの空間方向に変位可能なエミッタを用いて印加できる。大面積エミッタは、例えば定位置に又はワークに対して１つの空間方向に変位可能なアーチ状の支持体上に配置可能である。少なくとも２つの空間方向に変位可能な、ワークのアプローチしにくい領域に対するエミッタは、例えば多軸のロボットアームに配置されてよい。

方法のエネルギ効率をさらに高めるために、被覆剤又は硬化前に塗布された硬化剤は、誘導加熱可能な又は誘電加熱可能な粒子を有し、被覆剤を硬化させるために、粒子に、交流磁場が印加される。この手段によると、被覆剤を硬化するのに必要なエネルギは、誘導加熱可能な又は誘電加熱可能な粒子を励起するのにも使用される。誘導加熱可能な又は誘電加熱可能な粒子が、直接に被覆剤、例えば液体塗料又は粉末塗料と共に又は硬化剤としてワークの表面に塗布されるので、ワークの表面に塗布された被覆剤への励起された粒子の間接的で損失のない熱伝達、ひいては被覆剤の省エネルギの架橋又は硬化が実現される。

誘電励起可能な又は誘導励起可能な粒子がナノ粒子であるとき、ワーク表面上の被覆剤の特に均一の硬化が得られる。粒子の寸法が小さいことに基づいて、被覆剤は、角又は縁等の微細な表面構造でも均一に加温できるので、表面被覆は、これらの領域でも均等に硬化し、硬化した層内に不都合な負荷が生じない。したがって、ナノ粒子は、ワークの表面全体に配置された熱源とみなすことができ、ワークのアプローチしにくい箇所にも到達し、交流電磁場から導入されたエネルギを熱エネルギとして被覆剤に伝達する。

硬化に先行する被覆プロセスをエネルギ及び品質の面で最適化するとともに加工体積をできるだけ小さく維持するためにも、ワークは、流体不透過性で電磁透過性のカプセル内に配置され、カプセルに被覆剤が供給され、余剰の被覆剤が、カプセルから抜き出され、その後で、カプセルに、被覆剤を硬化させるために交流電磁場が印加されることが提案される。この手段によると、製造ラインを通るワークの搬送、ワークの前処理及びワークへの誘導加熱可能な又は誘電加熱可能な粒子を有する各種被覆剤及び硬化剤の塗布である、表面被覆に必要な全ての方法ステップは、周囲環境から閉塞されたカプセル内で実行可能である。カプセルは、電磁透過性に構成されているので、カプセルは、不都合に交流電磁場と干渉せず、これにより、カプセル内で被覆剤の架橋又は硬化を行える。この場合、使用される電磁波の侵入深さは、ワークの表面又はワークに塗布された誘導加熱可能な又は誘電加熱可能な粒子を励起するのに十分である。カプセルは、ワークに応じて、ワークを収容するのに十分な空間を提供するが、それにもかかわらずカプセルによって包囲されたた雰囲気（圧力、温度、湿度等）の可能な限り省エネルギな操作ひいてはプロセス条件の正確なコントロールを可能にするように寸法付けられている。密閉された雰囲気の操作及び被覆剤又は硬化剤の供給は、接続管路を通して行える。接続管路は、カプセルと製造ラインに沿って配置された供給ユニットとの間の交換を可能にする。カプセルは、ワークを表面被覆するため及びカプセル内の雰囲気を操作するための反応室として構成されている。原則として、カプセルには、洗浄剤等のワークの前処理用の物質、液体塗料又は粉末塗料等の表面被覆用の物質、硬化剤を供給してよく、また熱風、水蒸気等の雰囲気に影響を及ぼす物質を供給してもよい。

誘導加熱可能な又は誘電加熱可能な粒子を含まない被覆剤も硬化できるのが望ましいとき、カプセルに、硬化前に、誘導加熱可能な又は誘電加熱可能な粒子を含む硬化剤を供給できる。硬化剤は、被覆剤と同時に、被覆剤より前に又は被覆剤より後に供給してよい。硬化剤は、可能な限り均等な分配のために、カプセルに被覆剤を充填する前に予め混合してもよい。

ワークのアプローチしにくい箇所にも可能な限り均一に被覆剤を塗布できるように、カプセルが、被覆剤及び／又は硬化剤が供給された後で、水平の回動軸回りに回動されることが提案される。回動は、供給中に及び／又は供給後に行える。

発明の概要
図面には、本発明の対象が例示されている。

第１の実施形態に相応する、本発明に係る方法を実施する製造ラインの概略側面図である。 第２の実施形態に相応する、本発明に係る方法を実施する電磁透過性のカプセルが装着された製造ラインの概略側面図である。 第３の実施形態に相応する、本発明に係る方法を実施する製造ラインの概略側面図である。

図１に見られるように、本発明に係る方法は、従来技術において知られた電気泳動堆積法、例えばカソードディップコーティングに適用可能である。そのために、ワーク１が、位置決め枠２に配置されていて、図示されない位置決め駆動装置によって、塗装槽３を通って浸漬される。その際、当然のこととして、塗装槽３には、被覆剤としての導電性の塗料及び従来技術において知られた各種添加剤が充填されている。そこで、陰極として作用するワーク１と塗装槽３内に配置された陽極４との間に直流電圧を印加すると、塗料がワーク１上に沈殿し、そこに付着保持される。硬化又は架橋のために、ワーク１は、交流電磁場を発生させるエミッタ５を通ってガイドされる。

エミッタ５によって発生させられる、第１の周波数スペクトルを有する交流電磁場によって、まず、揮発性の成分、例えば水又は他の揮発性の溶媒が、ワーク１に塗布された溶媒から導出される。したがって、この第１の周波数スペクトルでは、主に被覆剤が交流場によって励起され、これにより、揮発性の成分の損失エネルギの僅かな導出がもたらされる。その後で、ワーク１に、第２の周波数スペクトルを有する交流場が印加される。第２の周波数スペクトルの周波数帯域が第１の周波数スペクトルを下回るので、ワーク１自体の表面だけが加温され、所望の温度で保たれる。その結果として、熱エネルギは、熱伝導及び熱伝達によって、残存する被覆剤成分にも伝達され、これにより、残存する被覆剤成分が架橋される及び／又は硬化される。

この場合、第１の周波数スペクトルとして、１ＧＨｚから３ＧＨｚの帯域が、塗布された被覆剤から揮発性の成分を導出するのに特に適していることが判明している。

第２の周波数スペクトルは、３５ｋＨｚから４００ｋＨｚの帯域であってよい。というのも、この交流電磁場のエネルギが、ワーク１の表面を加温するのに十分高いが、その組織を変えないことが判明しているからである。

一般的な自動車ボディをワークとすると、ワーク１が第１の周波数スペクトルを有する交流電磁場に１０分から２０分さらされ、第２の周波数スペクトルを有する交流電磁場に５分から１０分さらされると、高品質でそれにもかかわらず省エネルギな表面被覆に関して最良の結果が得られる。原則的に、ワーク１が第１の周波数スペクトルを有する交流電磁場に、第２の周波数スペクトルを有する交流電磁場よりも長くさらされた実験が、より良好な表面被覆を招く傾向にあると確認できる。

図２は、本発明に係る表面被覆する方法の別の形態を示している。そのために、分かりやすくすることを目的として図示されていないワーク１が、電磁透過性のカプセル６内に配置されている。したがって、カプセル６は、閉鎖した反応室を形成し、反応室は、供給ユニット７ａ、７ｂ、７ｃを介して充填又は空化可能である。表面被覆が例えば電気泳動堆積法であるとき、第１の供給ユニット７ａは、カプセル内室に、ワーク１に付着する油脂又は塗料の残留物を除去するために洗浄剤８を供給可能である。供給ユニット７ａを通して洗浄剤８が除去された後で、カプセル６は、切り離され、位置決め枠２の位置決め駆動装置９によって別の供給ユニット７ｂへ搬送される。供給ユニット７ｂは、カプセル内室に、例えばワーク１上に変換層を生成するために電解液１０を充填し、続いてカプセル内室を再び空化する。第３の供給ユニット７ｃは、カプセル内室に、ワークを被覆するために導電性の液体塗料１１を供給できる。ここで、例えば陰極として接続されたワーク１とカプセル６内に取り付けられた陽極との間に、直流電圧場が印加され、これにより、ワーク１に塗料粒子が沈殿する。ワーク１を陽極としても接続できることはそれ以上言及しなくてもよい。この場合、カプセル６に陰極を配置しなければならない。最後の方法ステップで、カプセル６が、その中に配置されたワーク１と共に、エミッタ５の交流電磁場を通ってガイドされることによって、塗布された塗料が架橋される。

図２において更に分かるように、カプセル６は、供給された被覆剤を十分に分配するために、供給ユニット７ｂにおいて、水平の回動軸回りに回動可能である。もちろん、製造ラインは、カプセル６が他の位置でも回動できるように構成されてよい。

洗浄剤８、電解液１０及び液体塗料１１の、破線で記入された様々な充填レベルは、カプセル中身の充填及び空化に際しての時間的な様々な方法ステップを示す。

カプセル６は、密閉可能であり、ツーピースに構成されていて、これにより、ワーク１のカプセル６への簡単な装着が促進される。

図３は、交流電磁場を印加するエミッタ５の考えられる実施形態を示す。本発明に係る方法を、大きなワーク１に適用できる、そしてさらには既存の製造ラインでも適用できるようにするために、最大で１つの空間方向に変位可能な大面積エミッタ１２を用いて交流電磁場を印加できる。１つだけの空間方向の変位によって、複雑な制御装置は不要であり、これにより、製造ラインに、本発明に係る方法を低コストの形態でセットアップできる。揮発性の成分を導出するための第１の周波数スペクトルを有する交流場は、第１の大面積エミッタ１２ａを介して、そして残存する被覆剤成分を架橋及び／又は硬化するための第２の周波数スペクトルを有する交流場は、第２の大面積エミッタ１２ｂを介して印加できる。大面積エミッタ１２は、例えば複数のエミッタ５を有してよい。さらに、付加的に空間方向に不動の大面積エミッタ１２ｃを設けることが考えられる。複雑なジオメトリにも確実なプロセスで表面被覆できるように、ワーク１の、アプローチしにくい領域に、少なくとも２つの空間方向に変位可能なエミッタ５によって発生させられる交流電磁場を印加できる。エミッタ５は、例えば、ロボットアーム１３によって変位できる。

Claims (11)

1. 被覆剤をワーク（１）に塗布し、その後で、交流電磁場で硬化させる、ワーク（１）を表面被覆する方法において、
   まず被覆剤の揮発性の成分を、第１の周波数スペクトルを有する交流電磁場で導出し、その後で、ワークの表面を、残存する被覆剤成分を架橋及び／又は硬化するために、第２の周波数を有する交流電磁場で加温し、第２の周波数スペクトルの周波数帯域は、第１の周波数スペクトルの周波数帯域を下回ることを特徴とする、方法。
2. 第１の周波数スペクトルは、１ＧＨｚから３ＧＨｚの帯域にあることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 第２の周波数スペクトルは、３５ｋＨｚから４００ｋＨｚの帯域にあることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. ワーク（１）は、第２の周波数スペクトルを有する交流電磁場よりも長く第１の周波数スペクトルを有する交流電磁場にさらされることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. ワーク（１）は、第１の周波数スペクトルを有する交流電磁場に１０分から２０分さらされ、第２の周波数スペクトルを有する電磁交流磁場に５分から１０分さらされることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
6. 交流電磁場は、最大で１つの空間方向に変位可能な大面積エミッタ（１２）を用いて印加されるとともに、ワークピース（１）の、アプローチしにくい領域に対しては少なくとも２つの空間方向に変位可能なエミッタ（５）を用いて印加されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 被覆剤又は硬化前に塗布された硬化剤は、誘導加熱可能な又は誘電加熱可能な粒子を有し、被覆剤を硬化させるために、粒子に、交流磁場が印加されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 誘電励起可能な又は誘導励起可能な粒子が、ナノ粒子であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. ワーク（１）は、流体不透過性で電磁透過性のカプセル（６）内に配置され、カプセル（６）に被覆剤が供給され、余剰の被覆剤が、カプセル（６）から抜き出され、その後で、カプセル（６）に、被覆剤を硬化させるために交流電磁場が印加されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. カプセル（６）に、硬化前に、誘導加熱可能な又は誘電加熱可能な粒子を含む硬化剤が供給されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. カプセル（６）は、被覆剤及び／又は硬化剤が供給された後で、水平の回動軸回りに回動されることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の方法。

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