DE102024000041B4

DE102024000041B4 - Anordnung für die elektrophoretische Tauchlackierung von Bahnware

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Publication number: DE102024000041B4
Application number: DE102024000041.0A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-04-30
Filing date: 2024-01-08
Publication date: 2025-10-16
Anticipated expiration: 2044-01-09
Also published as: DE102024000041A1

Abstract

Anordnung für die elektrophoretische Tauchlackierung von Bahnware, enthaltend ein Tauchlackbad, das von der Bahnware mit kontinuierlicher Vorschubgeschwindigkeit durchlaufen wird, wobei zwischen der Bahnware und wenigstens einer Gegenelektrode ein elektrisches Feld ausgebildet ist, das während des Durchlaufs zur Abscheidung eines Lackfilms auf der Oberfläche der Bahnware führt, dadurch gekennzeichnet, dass
das Tauchlackbad zumindest zu einem 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 Tauchlackbades einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet,
der in deren Vorschubrichtung auf dem Weg von der Eintauchposition zu einer davon entfernten Position der Gegenelektroden von der Bahnware als Einlaufstrecke durchlaufen wird,
und dabei einen so großen Quotienten aus Weglänge und Querschnittfläche des Tauchlackbades im Bereich der Einlaufstrecke aufweist, dass die elektrische Feldspannung, die sich über diesen Volumenwiderstand in Wechselwirkung mit der zeitlich und räumlich fortschreitenden Filmbildung um die Bahnware herum aufbaut, bei geeigneter Wahl der Betriebsparameter eine Nullstelle an der Eintauchposition bildet
und/oder dass
das Tauchlackbad 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 und isolierte Teil des Tauchlackbades einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet,
der über einen Teil seiner Länge von der Bahnware in deren Vorschubrichtung auf dem Weg von der Position der Gegenelektrode bis zu einer davon entfernten Auftauchposition als Auslaufstrecke durchlaufen wird
und über einen weiteren Teil seiner Länge so mit der Einlaufstrecke verbunden ist, dass dieser einen elektrischen Rückschluss zwischen Ein- und Auslaufstrecke bildet.

Description

Einsatzgebiet und technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft die elektrophoretische Lackbeschichtung von Bahnware, vorzugsweise von Drähten, Folien oder Blechen, wobei insbesondere das Auftragen 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 beispielsweise 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.
Stand der Technik
In DE 10 2021 001 741 A1 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 wirkender 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.

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 Kathodenspannung 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 statt dessen 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 einer 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.
Desweiteren 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.
Die Druckschrift US 3 813 327 A beschreibt ein Reaktionsgefäß für die elektrophoretische Beschichtung von Bahnware, das ein inneres Gefäß enthält, welches von einem angrenzenden äußeren Badvolumen weitgehend elektrisch und hydraulisch isoliert ist und nur an einer unten liegenden Eintrittsöffnung für den Durchlauf der Bahnware eine elektrische und hydraulische Verbindung zu diesem äußeren Gefäßvolumen besitzt. Diese Verbindung ist als Passage in der Form eines Tunnels ausgebildet, so dass es in deren Verlauf zum Abbau des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden und dem Substrat entgegen dessen Laufrichtung kommen soll, damit außerhalb des inneren Gefäßes keine nennenswerte Feldstärke auftritt. Dieser Lösungsansatz könnte das unter 1) genannte Teilproblem lösen, wenn die partielle Stromdichte an der Substratoberfläche beim Durchlaufen des Substrats von unten nach oben durch die Passage in das innere Gefäß kontinuierlich ansteigen würde, ein am Substrat spontan einsetzender Stromfluss also vermieden würde. Statt dessen soll diese Passage aber so bemessen sein, dass sie eine Abdichtung für das elektrische Feld bildet, so dass es im äußeren Badvolumen nicht wirken kann. Dafür ist es beabsichtigt, den Abstand zwischen der Passage und dem Substrat möglichst klein zu halten. Daraus ist zu schlussfolgern, dass der erzielte Übergang in den Bereich höherer partieller Stromdichten von der Eintauchstelle weiter entfernt wird und der Lack in einem feldfreien Bereich zunächst Kontakt mit dem Substrat erhält. Das Problem 1) wird damit aber nicht gelöst, weil dann hinter der Passage mit einem unkontrolliert hohen Feldanstieg und plötzlich sehr hohen partiellen Stromdichten zu rechnen ist. Auch für das unter 2) genannte Teilproblem bietet diese Anordnung prinzipiell keine Lösung an. Nachteilig ist weiterhin, dass ein zusätzliches Lackvolumen und eine zusätzliche Durchlauflänge durch das Lackbad gebraucht wird, ohne dass dort weitere technisch notwendige Funktionen ausgeführt werden. In diesem Bereich des von oben nach unten in das Reaktionsgefäß einlaufenden Substrats findet auch keine Badumwälzung statt, so dass die Badparameter schwer zu kontrollieren sind. Die Bildung von Blasen auf der Substratoberfläche wird nicht aktiv verhindert, so dass davon hervorgerufene Lackdefekte weiterhin auftreten werden.
Die Druckschrift JP 2003 - 213 493 A schlägt eine ähnliche Passage vor, die jedoch nicht nur zu einer elektrischen, sondern auch zu einer hydraulischen Abdichtung führen soll. Abgesehen von berechtigten Zweifeln an der technischen Ausführbarkeit einer solchen Anordnung hätte diese die gleichen Nachteile, wie bereits beschrieben.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegen die unter 1) und 2) angegebenen Probleme zugrunde. Die technische Aufgabenstellung besteht im Entwurf einer Vorrichtung für die elektrophoretische Tauchlackierung, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweist. Die Lehren der Erfindung sollen sowohl für KTL- wie auch für ATL-Verfahren gleichermaßen anwendbar sein.
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.
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.
Problemlösung, Beschreibung der Erfindung
Das Problem wird mit der im Hauptanspruch gekennzeichneten Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Folgende Begriffe werden vereinbart:
Als Bahnware wird metallisches oder metallisiertes Ausgangsmaterial bezeichnet, das auf seiner Oberfläche lackiert werden soll, 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 Elektrodenraum 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 ein wesentliches Ziel 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 soll eine geeignete Feldverteilung entlang der Durchlaufstrecke des Substrats durch das Lackbad erreicht werden. 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 soll das elektrische Feld am Austrittsort so weit geschwächt sein, dass es zu keiner nennenswerten Polarisation mehr kommt.
Das elektrochemische Prinzip der Filmbildung durch Elektrophorese im Lackbad, das bei der Elektrotauchlackierung zur Anwendung kommt, ist in der Fachliteratur beschrieben und wird als bekannt vorausgesetzt. Die Ausbildung des elektrischen Feldes im Lackbad wird dort allgemein als Spannungs- und Feldstärke-orientierter Prozess beschrieben. Die dabei vermittelte räumliche Vorstellung, wie man sie bspw. von Elektroden im freien Vakuum kennt, trifft in einem Elektrotauchlackbad hingegen so nicht zu und führt zu allgemeinen Missverständnissen. Überhaupt handelt es sich bei den beteiligten Materialien zwischen den Elektroden nicht um Dielektrika, wie oft falsch interpretiert, sondern um geschichtete Volumenleiter. So sind auch die Wechselwirkungen von Kolloiden, Molekülen und Elektronen weniger mit elektrischer Feldstärke als vielmehr mit partiellen Stromdichten zu erklären. Der auf dem Substrat abgeschiedene Lackfilm weist dabei einen viel geringeren elektrischen Leitwert auf, als das Lackbad, das ihn umgibt, kann aber dennoch nicht als Dielektrikum betrachtet werden.
Um die Intensität der Filmabscheidung in verschiedenen Regionen des Lackbades vorgeben zu können, ist eine Differenzierung der Stromdichte entlang des hindurch laufenden Substrats erforderlich. Als elektrische Pole mit definierten Potenzialen sind nur das Substrat und die Anode(n) nutzbar. Die Verwendung weiterer Hilfselektroden muss ausgeschlossen werden, weil diese entweder mit einem Zwischenpotenzial eine relative Kathodenfunktion zur Anode hätten, oder bei einem Potenzial, das die Anodenspannung übersteigt, die eigentliche Anode in die relative Funktion einer Kathode verdrängen würden.
Um dieses Dilemma zu umgehen, werden 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. Ein maßgeblicher methodischer Ansatz für die Problemlösung besteht deshalb darin, zur Formung des elektrischen Feldes und für eine definierte Stromdichteverteilung entlang des Substrats keine zusätzlichen Elektroden zu verwenden, sondern im Lackbad selbst gezielt ohmsche Volumenwiderstände zu formen und den ohnehin notwendigen Stromfluss zwischen Gegenelektrode und Substrat zur Ausbildung von Spannungsdifferenzen an solchen Volumenwiderständen technisch zu nutzen.
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 µS/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 zu vergrößern oder die Querschnittsfläche zu verkleinern, um den 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 vorgesehen, zur Ausbildung von hohen Widerstandswerten die betreffenden Badabschnitte in lang gestreckten Gefäßen mit kleinem Querschnitt zu führen, wodurch sie sich annähernd wie linienhafte 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 Ionenaustausch 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 lonisationseffekte 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, wie nachfolgend an einem Modell gezeigt wird.
1a zeigt den Schnitt durch das Modell 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 des Substrats befinde sich bei x=0, während die Anode An in Form eines Hohlzylinders von der gleichen Substratposition erst später in der Entfernung x=l erreicht und passiert wird. Dazwischen befindet sich also die so genannte Einlaufstrecke.
Das Badgefäß ist hier nicht dargestellt. Die liegende Position des Lackbades könnte auch um 90 ° im Uhrzeigersinn gedreht werden, so dass sich die Eintauchposition dann an der Oberfläche des Lackbades befindet, das durch ein zylindrisches, elektrisch nichtleitendes Gefäß aufgenommen sein kann. Weitere Möglichkeiten und Details der technischen Umsetzung sind den 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 eine zunehmende Filmdicke d_F(x), die in der Modellskizze zwecks besserer Sichtbarkeit maßstäblich überhöht dargestellt ist. In der Praxis wird die Filmdicke im Bereich von ca. 5...30 µm 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 nimmt, weshalb im Bild irgendein Dickenzuwachs entlang der gesamten Strecke dargestellt sei.
Sowohl die Querschnittsform des Substrats wie auch die des Lackbads können beliebig von der 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 an die des Substrats ringsherum anpassen.
In der dargestellten Ausbildung als langes schlankes Gebilde wirkt das Lackbad elektrisch wie ein technischer Drahtwiderstand. Beträgt sein Durchmesser 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 aus dem bisher bekannten Schrifttum auch nicht bekannt, weshalb sie nachfolgend ausführlich dargestellt und erläutert werden.
Im Ergebnis aller Vorbetrachtungen liegt es nahe, das Modell mit einem elektrischen Ersatzschaltbild nach 1b zu beschreiben, das der aus der Nachrichtentechnik bekannten langen Fernmeldeleitung ähnelt. Die Einlaufstrecke von der Eintauchposition x=0 bis zum Rand der Anode x=l kann als eine Kettenschaltung einzelner Spannungsteiler G_i und R modelliert werden, von denen jeder ein Längenelement LE mit der konstanten Teillänge Δx besetzt. Die Reihenwiderstände R verkörpern den Längswiderstand des Lackbades, sind bei konstant angenommener Querschnittfläche A überall gleich groß und berechnen sich nach $\begin{matrix} R = \frac{ρ_{B}}{A} \cdot Δ x & u n d & R = \frac{R}{Δ x} = \frac{ρ_{B}}{A} = c o n s t & , \end{matrix}$ mit dem spezifischen Badwiderstand ρ_B. Die Gleichung (1b) errechnet hierbei einen längenspezifischen Längswiderstand r für weitere Modellberechnungen.
Anstelle der Querwiderstände, die sich im Lackfilm ausbilden, werden konform zur Lei-tungstheorie Querleitwerte G_i verwendet, weil sich diese, ebenso wie die Reihenwiderstände, proportional zu den betrachteten Längeneinheiten verhalten. Sie berechnen sich nach $\begin{matrix} G_{i} = \frac{κ \cdot u_{C u}}{d_{F i}} \cdot Δ x & und & g_{i} = \frac{G_{i}}{Δ x} = \frac{_{κ \cdot u_{C u}}}{d_{F i}} \neq c o n s t & , \end{matrix}$ mit dem spezifischen Leitwert κ der abgeschiedenen koagulierten Filmschicht, der Umfangslänge u_Cu des Substrats und der Dicke d_Fi 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 g_i.
Der elektrische Widerstand eines metallischen Substrats 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 aus in Richtung Eintauchposition wird wegen der schlanken Gestalt des Lackbades angenommen, dass sich in jeder Ebene x_i ein konstantes Potenzial U_i ausbildet.
Für die im Ersatzschaltbild angegebenen Spannungen und Potenziale kann für jedes Leitungselement nach den Kirchhoffschen Sätzen $\begin{matrix} I_{i + 1} = I_{i} + Δ I_{i} = I_{i} + U_{i} \cdot g_{i} \cdot Δ x \end{matrix}$ und $U_{i + 1} = U_{i} + Δ U_{i} = U_{i} + I_{i} \cdot r \cdot Δ x$ geschrieben werden. Hieraus leitet sich das der Telegrafengleichung ähnliche Gleichungssystem $\begin{matrix} \frac{Δ I_{i}}{Δ x} = U_{i} \cdot g_{i}, & \frac{Δ U_{i}}{Δ x} = I_{i} \cdot r \end{matrix}$ her, das mit Δx → 0 in die Differentialform $\begin{matrix} \frac{d I (x)}{d x} = U (x) \cdot g (x), & \frac{d U (x)}{d x} = I (x) \cdot r \end{matrix}$ übergeht. Weiterhin gilt für einen beliebigen Knotenpunkt i $I_{i} = \sum_{j = 0}^{i - 1} Δ I_{j} .$
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 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 beliebiger Größe das Faradaysche Abscheidungsgesetz $\begin{matrix} m = E \int_{0}^{T} I (d) d t & bzw . & V = \frac{E}{ρ} \end{matrix} \int_{0}^{T} I (t) d t$ mit der abgeschiedenen Masse m oder dem Volumen V mit der Stoffdichte ρ 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 $E = \frac{M}{z \cdot F}$ mit der molaren Masse M, der Wertigkeit z, und der Faraday-Konstante F = 96485 As/mol. Das Volumen eines abgeschiedenen Films auf dem Substrat ist also proportional zur gesamten Ladungsmenge, die über diesen Abschnitt des Substrats 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 (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 wird gemäß 2 dessen ringförmige Teiloberfläche A_Cu entlang einer Länge von Δx in der Abwicklung betrachtet, die sich schrittweise mit einer mittleren Geschwindigkeit $ν = \frac{Δ t}{Δ x} = c o n s t$ fortbewege. Die Schrittweite betrage also stets Δx und die Verweilzeit in jedem Schritt Δt. Das Filmvolumen über der Teilfläche berechnet sich dabei nach V=u_Cu · d_Fi · Δx. Jede Schrittposition gehöre nun zu einem Leitungselement nach 1b, so dass ein beliebig angenommenes Stromprofil gemäß Skizze 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 $d_{F i} = \frac{E}{u_{C u} \cdot ρ \cdot ν} \cdot \sum_{j = 0}^{i - 1} Δ I_{j} = \frac{E \cdot I_{i}}{u_{C u} \cdot ρ \cdot ν} .$
Mit Gleichung (2) bestimmt sich hieraus der längenspezifische Querleitwert nach Durchlaufen der Positionen 1 ... i zu $g_{i} = \frac{κ \cdot u_{C u}^{2} \cdot ρ \cdot ν}{E \cdot I_{i}} .$
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, so dass die Gleichung (11) gleichzeitig für beliebige weitere Positionen nebeneinander gilt.
Alle Herleitungen bis zur Gleichung (11) gelten für beliebig kleine Schrittweiten Δx, so dass nach dem Übergang Δx → 0 für eine beliebige Position x auf dem Substrat die stetige Funktion $g (x) = \frac{κ \cdot u_{C u}^{2} \cdot ρ \cdot ν}{E \cdot I (x)} = \frac{k_{1}}{I (x)}, mit k_{1} = \frac{κ \cdot u_{C u}^{2} \cdot ρ \cdot ν}{E}$ geschrieben werden kann. Die Prozesskonstante k₁ 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 $\frac{d U (x)}{d I (x)} = \frac{r \cdot {(I (x))}^{2}}{k_{1} \cdot U (x)}$ herleiten lässt. Aus der allgemeinen Lösung und der aus dem Ersatzschaltbild zu erkennenden Randbedingung U(I=0) = 0 wird als partielle Lösung $U = \sqrt{\frac{2}{3} \frac{r}{k_{1}} {(I (x))}^{3}}$ ermittelt. Hieraus leitet sich mit (13a) die weitere Differentialgleichung $\frac{d I (x)}{d x} = \sqrt{\frac{2}{3} r \cdot k_{1} \cdot I (x)}$ her, wofür die allgemeine Lösung für die Stromfunktion $I (x) = \frac{1}{6} \cdot r \cdot k_{1} {(x - C)}^{2}$ lautet. Hier wird daran erinnert, dass diese Funktion den Strom in Längsrichtung entlang der Einlaufstrecke beschreibt, also nicht mit der Stromdichte am Substrat verwechselt werden darf.
Eingesetzt in (15), (12) und (2) berechnen sich Spannungs-, Leitwert- und Filmdickenverlauf nach $U (x) = \frac{1}{18} \cdot r^{2} \cdot k_{1} {(x - C)}^{3}$ $g (x) = \frac{6}{r \cdot {(x - C)}^{2}}$ $d_{F} (x) = \frac{κ \cdot u_{C u} \cdot r}{6} \cdot {(x - C)}^{2}$
Mit der Randbedingung, dass die Knotenspannung am Übergang zur Anode gleich der Anodenspannung U(x=l)=U_A sein muss, errechnet sich nach (18) als Integrationskonstante $C = l - \sqrt[3]{\frac{18 \cdot U_{A}}{r^{2} \cdot k_{1}}} .$
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 für x < 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 beginnt somit erst dann, wenn der betrachtete Substratpunkt die Koordinate x= C passiert hat, egal wie lange das Lackbad vorher bereits durchlaufen wurde. Hieraus leitet sich im Umkehrschluss die wichtige Bedingung $l \geq \sqrt[3]{\frac{18 \cdot U_{A}}{r^{2} \cdot k_{1}}}$ für den Mindestabstand zwischen der Eintauchposition und dem Rand der Anode her, um das Substrat spannungsfrei in das Lackbad 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, was nicht zugelassen werden soll.
Die Filmdicke beim Übergang von der Einlaufstrecke in den Anodenraum errechnet sich aus (20), (21) und (12b) mit x=l zu $d_{F l} = \sqrt[3]{\frac{3 \cdot κ \cdot E^{2} \cdot U^{2}_{A}}{2 \cdot u_{C u} \cdot r \cdot ρ^{2} \cdot ν^{2}}} .$
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 entlang der Einlaufstrecke beispielsweise in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet, so steigt dessen Querschnittfläche quadratisch an, womit die Gleichung (1b) übergeht in $r (x) = \frac{R (x)}{Δ x} = \frac{ρ_{B}}{A (x^{2})} \neq c o n s t$ und demnach auch die davon hergeleiteten Gleichungen angepasst werden müssen.
Im Bereich unter der Anode gibt es keine Spannungsabfälle in Laufrichtung, weshalb hier in 1b auch keine Reihenwiderstände R eingetragen sind und aus (6) folgt $\frac{d U (x)}{x} = 0$
Hieraus entwickelt sich in gleicher Weise wie oben gezeigt mit U=U_A die Differentialgleichung $\frac{d I (x_{I})}{d x_{i}} = \frac{U_{A} \cdot k_{1}}{I (x_{1})}$ mit der allgemeinen Lösung $I (x_{1}) = \sqrt{2 \cdot U_{A} \cdot k_{1} \cdot x_{1}} .$ (27) Eingesetzt in (10) gilt damit für den Verlauf der Filmdicke unter der Anode $d_{F} (x_{1}) = \frac{E \cdot \sqrt{2 \cdot U_{A} \cdot k_{1}}}{u_{C u} \cdot ρ \cdot ν} \cdot \sqrt{x_{1}}$
Während also die Filmdicke entlang der Einlaufstrecke vor dem Anodenraum gemäß (20) quadratisch anwächst, nimmt sie unter der Anode nur noch mit $\sqrt{x}$ zu.
Bei der Entwicklung von (26) bis (28) wurde zunächst davon ausgegangen, dass x₁=0 am linken Rand der Anode liegt und das Substrat dort gerade erst eingetaucht wird und die Filmbildung beginnt - deshalb auch die Verwendung von x₁ anstelle x. Tatsächlich muss also x₁ entlang von x so verschoben werden, dass dieser Strom ebenso groß wie jener aus (17) und (21) mit x=l ist. Nach Gleichstellung der Ströme errechnet sich für x₁ ein Offset am linken Anodenrand, also für x=l, von $x_{11} = \sqrt[3]{\frac{9 \cdot U_{A}}{32 \cdot r^{2} \cdot k_{1}}} .$
Eingesetzt in (27) beträgt der Strom am Anodenrand $I (x_{11}) = \sqrt[3]{\frac{3 \cdot k_{1}}{2 \cdot r} \cdot U^{2}_{A}}$ und ist damit ebenso groß wie die Gleichung (17) für diese Position ergibt.
Zusammengefasst lassen sich für Anordnungen nach 1, bei denen das Substrat als Bahnware in der gezeigten Weise mit konstanter Geschwindigkeit durch das Lackbad gezogen wird, auf der Basis der entwickelten Gleichungen folgende Schlussfolgerungen ziehen:

1) Das Lackbad und die sich auf dem Substrat abscheidende Filmschicht bilden in gemeinsamer Wechselwirkung ein auf die Durchlauflänge verteiltes elektrisches Leitungssystem, das als diskretisiertes Modell gemäß 1b 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 und dessen spezifischer Widerstand, der spezifische Leitwert und die spezifische Masse der Filmschicht, die Umfangslänge des Substrats und dessen Vorschubgeschwindigkeit sowie die Anodenspannung hergeleitet.
3) Die Ausbildung des elektrischen Feldes entlang der Einlaufstrecke erfolgt vor dem Erreichen des Anodenraums auf einer Länge, die von den in 2) genannten Bedingungen abhängt. Sie beginnt in Laufrichtung nach der Eintauchposition 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, also der Abstand l zwischen der Eintauchposition und dem Anodenrand, so bildet sich eine Unstetigkeit, die dazu führt, dass bereits beim Eintauchen ein Kathodenstrom 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, so gibt es einen Bereich in Laufrichtung hinter der Eintauchposition, 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 in das Lackbad gemäß Gleichung (21) nach vorn in Richtung Eintauchposition verschieben, während sie sich bei wachsender Vorschubgeschwindigkeit des Substrats zunehmend zur Anode 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 steigt bei konstanter Querschnittsfläche gemäß Gleichung (20) die Filmdicke quadratisch an. Um diesen Anstieg bei Bedarf zu linearisieren, kann die Form des Lackbades so gestaltet werden, dass sich eine konische Querschnittsverengung entlang der Einlaufstrecke ergibt.

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 gleich bleibender 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, die der 1a mit den genannten Bedingungen genügt, ist also bereits eine wichtige Teilaufgabe erfüllt.
Der weitere Durchlauf der Bahnware könnte sich bedenkenlos in gleicher Weise fortsetzen. Es wurde aber bereits begründet, warum das elektrische Feld beim Austreten des Substrats aus dem Lackbad möglichst klein sein soll. Gestaltet man die Auslaufstrecke ähnlich wie die Einlaufstrecke, 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 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 genügend hochohmig ausgelegt und der unvermeidbare Zusatzstrom mit eingerechnet werden kann, ohne die spannungsfreie Eintauchbedingung zu verletzen.
Wegen des verbleibenden Leitungsweges bis zum Substrat wird für die Auslaufstrecke - anders als bei der Einlaufstrecke - keine Nullstelle erreicht, was in der Praxis wiederum nicht nötig ist, um die ungewollte Kohäsion ausreichend abzubauen. Es ist aber anzustreben, die Auslaufstrecke 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 Substrat-Ein- und -Ausgang 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 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 ausreichen können.

Insbesondere für die Produktion sehr großer Mengen und zur Vermeidung unnötiger Verformungen des Substrats kann eine andere erfindungsgemäße Ausgestaltung mit lang gestreckter Durchlaufstrecke und mit minimal notwendiger Umlenkung der Bahnware bevorzugt werden. Aus dieser Anordnung folgt jedoch eine Verlängerung des Rückschlusses auf etwa die gesamte Durchlaufstrecke des Substrats. 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 vorgesehen. Diese Strömung wird mittels einer Pumpe als umlaufender Zirkulationsstrom erzeugt, 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.
Eintauchende Substratflächen müssen schnell und innig mit dem Elektrotauchlack benetzt werden, um Lachdefekten vorzubeugen. In einer Ausgestaltung wird die Strömung des Badinhalts zusätzlich dafür benutzt, um an der Eintauchposition einen intensiven Oberflächendruck am Substrat zu erzeugen, damit mögliche Lufteinschlüsse verdrängt und bereits zu Beginn der Tauchlackierung ein guter mechanischen Kontakt zwischen Tauchlack und Substrat hergestellt wird. Zu diesem Zweck werden Düsen bzw. Diffusoren in der Nähe der Eintauchposition, vorzugsweise knapp unterhalb der Badoberfläche, angeordnet, deren Strömungsrichtung gegen das Substrat ausgerichtet und bevorzugt leicht gegen die Vorschubrichtung geneigt ist. So kann sich an der Eintauchposition ein beständiger Flüssigkeitsschwall aufbauen, der gleichzeitig auch Luftblasen aus dem Lackbad heraus befördert.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, das Substrat 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 eingekoppelt werden. Auch die Verwendung eines Schall- oder Ultraschallerzeugers, der das Substrat oder das gesamte Lackbad 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 aus dem Lackbad die freien Lackbestandteile von der Filmschicht weg spült. Hierzu wird ein Lackstrom in der Nähe des Austrittsortes des Substrats vorzugsweise so auf das Substrat gerichtet, dass durch die Strömungsbewegung gegen die Förderrichtung und die Schwerkraftwirkung in Richtung Lackbad alle losen Lackbestandteile mitgerissen werden und zurück in das Bad fließen. Auch diese Lackströmung wird, ebenso wie die für die Eintauchposition verwendete, vorzugsweise als Teilstrom des oben genannten Zirkulationsstroms des Lackbades abgezweigt. Weil ein beständiger Fluss aufrechterhalten und das Substrat ständig weiterbewegt wird, unterbleibt eine Abscheidung fester Lackbestandteile durch Antrocknen weitgehend.
In einer Weiterbildung sind zusätzlich Filter vorgesehen, die in den Zirkulationsstrom eingefügt sind, und dem Lackbad 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 Bad 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 mit unterschiedlicher Temperatur erreicht. Als Heiz- und Kühlaggregate kommen je nach Systemgröße beispielsweise Peltier-Elemente oder Wärmepumpen in Betracht.
Bevor das aus dem Lackbad austretende beschichtete Subtrat über eine erste Laufrolle 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 zu entziehen, ist in einer Ausgestaltung die Verwendung von an sich bekannten Dialysezellen anstelle von einfachen Anoden vorgesehen. Solche Dialysezellen bestehen aus einer Anode, die von einem Anolytraum umgeben ist. Eine semipermeable Membran an der Grenzfläche zum Lackbad 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, Messelektroden im Tauchlackbad zu positionieren und das elektrische Potenzial an bestimmten Orten auszuwerten. Hiervon können insbesondere drei Kategorien von Informationen gewonnen werden:

1) Verbrauchszustand des Tauchlackbades
2) Überwachung der Filmdicke
3) Sollpotenziale zum Nachführen von Hilfsspannungen

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 regelmäßig 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 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 schlussfolgern zu können.
Es wurde bereits gezeigt, wie der Grad der Filmabscheidung von der Vorschubgeschwindigkeit des Substrats bzw. von dessen Verweilzeit im Bad 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 strom- 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 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. 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 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 einprägen, die dann insbesondere den Bereich um die Eintauchposition des Substrats herum ungewollt vorspannen würden.
Deshalb wird in einer Ausgestaltung wenigstens eine zusätzliche Messelektrode im Lackbad 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 Potenzialausgleichsspannung zu erzeugen, so dass kein Stromfluss über das Lackbad 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 führt, von einem kleinen Aufkommen von Filtersedimenten abgesehen, zu keinen Abfallstoffen, weil es regelmäßig durch Zugabe von Transparentpaste aufgefrischt, aber nicht ausgetauscht werden muss.
Ausführungsbeispiele
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.
Die 4 zeigt ein Reaktionsgefäß in erfindungsgemäßer Ausführung, wie es besonders für Kleinanlagen geeignet ist, 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 kann das Reaktionsgefäß über den Rohrstutzen vollständig entleert werden, so dass nach dem Öffnen des Deckels die Umlenkrollen zugänglich werden. Mittels Schwerkraft und Ziehdraht, eventuell auch unter Zuhilfenahme eines Magneten, kann der Substratanfang verlegt werden, ohne den Deckel dafür öffnen zu müssen.
Zwischen den beiden Schenkeln der Doppelröhre befindet sich ein Rohrstück 13, das eine hydraulische und elektrische Querverbindung zwischen den beiden Rohren schafft. Die U-Form hat den Vorteil, dass die Bahnware beim Passieren der beiden senkrechten Hauptwege keiner Vorzugsrichtung durch Schwerkraft unterliegt und dass außerdem die gewünschte örtliche Nähe zwischen Ein- und Auslauf des Substrats 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 in Pfeilrichtung nach unten ein, wird an den Umlenkrollen im Gehäuse 10 in seiner Laufrichtung umgekehrt und verlässt das Reaktionsgefäß nach Durchlauf durch die rechte Röhre 12b nach oben. Weitere Umlenkrollen 21, 22 dienen der äußeren Zu- und Abführung des Substrats.
Das gesamte Gefäßsystem ist mit dem Lackbad 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 sind mit Einlassdüsen nach 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 ohne notwendige Abdichtungen des Reaktionsgefäßes 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 ist ein oval geformtes Laufrad befestigt, das das einlaufende Substrat berührt und als Rüttelgenerator zu ständigen mechanischen Schwingungen anregt, während es in das Reaktionsgefäß eintaucht.
Nach dem Durchlauf durch das Reaktionsgefäß passiert das Substrat einen Hochfrequenzinduktor 19 in Verbindung mit einem Gebläse 20, wo es mittels Wirbelstrom erwärmt und im Luftstrom getrocknet wird.
In der 5 ist das hydraulische System des Zirkulationskreislaufs mit den zugehörigen Armaturen schematisch dargestellt. Man erkennt das Reaktionsgefäß aus 4 mit seinem Gehäuse 10, der Doppelröhre 12 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 Lackbad zurück zu fließen. Ein nicht dargestellter hydraulischer Ausgleich zur Verteilung der Strömungen ist 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 sorgt für eine beständige Strömung der Lackflüssigkeit in Richtung der Pfeile. Mit Hilfe eines Ausdehnungsgefäßes 32 kann mittels Kolben 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 und später wieder eingefüllt werden. Ein nicht dargestellter Regelkreis kann den Füllstand im Badgefäß messen und mit Hilfe des Ausdehnungsgefäßes motorisch auf einen Sollpegel nachregeln. Weiterhin ist die Position einer Messelektrode M markiert, die sich in etwas Abstand zum Substrat befindet und ein Feldpotenzial bereitstellen kann, das die Feldspannung nach 3 in Abhängigkeit von der Entfernung zum Anodenraum abtastet.
Es ist vorgesehen, dass das Substrat, bevor es in das Reaktionsgefäß einläuft, geeignete 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 einen Brennofen zum Aushärten der Lackschicht, vorzugsweise mit Hochfrequenzinduktoren zur Erzeugung von Wirbelströmen oder mit Infrarotstrahlern, passiert.
Die Fig_. 6 zeigt beispielhaft die geometrische Ausbildung der Einlassdüsen - in a) für die linke Röhre für das Eintauchen des Substrats in das Lackbad und in b) für den Austritt aus dem Lackbad. 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 Düse 40 leicht nach oben auf das Substrat gerichtet. Hierdurch wird an der Substratoberfläche ein Druck erzeugt, der den Lack unmittelbar an der Eintauchposition fest aufträgt 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 drängen.
Die 7 zeigt den beispielhaften Aufbau eines Anodenrohrs 50, wie es in die linke Röhre 12a in 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 an und ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit dargestellt. Im unteren Teil des Rohres gibt es eine Vielzahl von Bohrungen 52, die mit einer semipermeablen Membran 53 abgedeckt sind. In einem radialen Abstand zur Membran 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 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 hindurch geführt, dort abgedichtet, um dann weiter an der Innenwand des Anodenrohrs entlang nach oben zu gelangen. Auf diese Weise entsteht eine Dialysezelle, die nach dem bekannten Prinzip nur über eine halbdurchlässige Membran 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 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 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.
Die 8 stellt als weiteres Ausführungsbeispiel ein Reaktionsgefäß in alternativer Bauweise vor, wie es eher für Großanlagen zu bevorzugen ist. Vorn ist ein Ausbruch dargestellt, um Details im Inneren sichtbar zu machen. Bei diesem Beispiel befindet sich das Lackbad 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 Bad 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 in beschriebener Art einen langgezogenen elektrischen Widerstand bilden. Diese Kammern 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 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 haben. Dieser Hohlraum zwischen den Kammern ist mit Anolytflüssigkeit gefüllt und bildet mit den Anodenblechen eine Dialysezelle. Weitere Details entsprechen den bereits zu 4 bis 6 beschriebenen. So ist beispielsweise in der Mitte des Trogs ein hier nicht dargestellter Rohrstutzen zum Ausleiten der Lackflüssigkeit für den Zirkulationskreislauf vorhanden.
Der Raum 77 unter den Kammern ist wie der gesamte Trog 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 von oben abgedeckt sein, um Verdunstungen des Lackbades zu unterbinden.
In 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 ein konstant bleibender Anodenstrom ergibt.

Claims

Anordnung für die elektrophoretische Tauchlackierung von Bahnware, enthaltend ein Tauchlackbad, das von der Bahnware mit kontinuierlicher Vorschubgeschwindigkeit durchlaufen wird, wobei zwischen der Bahnware und wenigstens einer Gegenelektrode ein elektrisches Feld ausgebildet ist, das während des Durchlaufs zur Abscheidung eines Lackfilms auf der Oberfläche der Bahnware führt, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchlackbad zumindest zu einem 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 Tauchlackbades einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, der in deren Vorschubrichtung auf dem Weg von der Eintauchposition zu einer davon entfernten Position der Gegenelektroden von der Bahnware als Einlaufstrecke durchlaufen wird, und dabei einen so großen Quotienten aus Weglänge und Querschnittfläche des Tauchlackbades im Bereich der Einlaufstrecke aufweist, dass die elektrische Feldspannung, die sich über diesen Volumenwiderstand in Wechselwirkung mit der zeitlich und räumlich fortschreitenden Filmbildung um die Bahnware herum aufbaut, bei geeigneter Wahl der Betriebsparameter eine Nullstelle an der Eintauchposition bildet und/oder dass das Tauchlackbad 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 und isolierte Teil des Tauchlackbades einen elektrischen ohmschen Volumenwiderstand bildet, der über einen Teil seiner Länge von der Bahnware in deren Vorschubrichtung auf dem Weg von der Position der Gegenelektrode bis zu einer davon entfernten Auftauchposition als Auslaufstrecke durchlaufen wird und über einen weiteren Teil seiner Länge so mit der Einlaufstrecke verbunden ist, dass dieser einen elektrischen Rückschluss zwischen Ein- und Auslaufstrecke bildet.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchlack-Badgefäß wenigstens eine Ein- und wenigstens eine Ausströmöffnung für den Tauchlack aufweist, die beide mit einem durch eine Zirkulationspumpe angetriebenen äußeren Zirkulationskreislauf in der Weise verbunden sind, dass sich entlang der Durchlaufstrecke der Bahnware wenigstens eine Strömung des Lackbades ausbildet, und dass wenigstens eine der genannten Einströmöffnungen als auf das Substrat gerichtete Düse oder gerichteter Diffusor ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der Eintauchposition der Bahnware ein elektromechanischer Rüttelgenerator angeordnet ist, der vorzugsweise entweder als rotierende oder schwingende Exzenter- oder Nockenwelle, oder als elektroakustischer Wandler ausgeführt ist, der die Bahnware entweder direkt berührt, oder über weitere Führungs- oder Kopplungselemente auf diese wirkt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Tauchlackbad zumindest eine elektrische Messelektrode 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 des Pumpengehäuses oder weiteren metallischen Armaturen im Lackbad oder dessen Zirkulationskreislauf und/oder der Vorschubgeschwindigkeit benutzt wird beziehungsweise Daten für die Aufrechterhaltung der geeigneten Badparameter gewinnt.
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 der Bahnware in das Tauchlackbad bei vertikal nach unten gerichteter Laufrichtung, eine zweite Öffnung für deren Austritt aus dem Tauchlackbad bei vertikal nach oben gerichteter Laufrichtung sowie eine Umlenkvorrichtung für die Bahnware 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 der Bahnware durch das Tauchlackbad-Gefäß befinden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Tauchlackbad in einem Trog-artigen Gefäß befindet, von dem Teile der Durchlaufstrecke der Bahnware mithilfe elektrisch isolierender Kammern abgeteilt sind, wobei sich die Gegenelektrode im mittleren Bereich der Durchlaufstrecke durch diese Kammern befindet und ihr Anfangs- und ihr Endbereich mit dem übrigen Badvolumen elektrisch und hydraulisch verbunden ist.
Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Zirkulationskreislauf ein Thermostat, vorzugsweise auf der Basis eines Peltierelements oder einer Wärmepumpe, angeordnet ist.
Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Zirkulationskreislauf ein Ausdehnungsgefäß mit verstellbarem Volumen angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Durchlaufstrecke des Substrats durch wenigstens einen weiteren rohr- oder kammerförmigen Einsatz in ihrem Querschnitt weiter verengt sind, der vorzugsweise eine Dialysezelle zur Abführung von Reaktionsprodukten mit wenigstens einer Gegenelektrode enthält.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des Austrittsortes des Substrats aus dem Lackbad ein Trockner, vorzugsweise ausgeführt als Wirbelstrominduktor oder Warmlufterzeuger in Kombination mit einem Lüfter, angeordnet ist.