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Verfahren zum elektrostatischen überziehen von Gegenständen mit Farbe
und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum elektrostatischen überziehen von Gegenständen mit Farbe und eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Verfahren und Vorrichtungen zum Farbspritzen sind in großer Zahl bekannt.
So gibt es Spritzpistolen in verschiedensten Ausführungen, bei denen das Farbgut
mittels Druckluft zersprüht und zum zu überziehenden Gegenstand geführt wird. Der
Nachteil dieser Druckluftpistolen besteht jedoch darin, daß die Farbe nicht im gewünschten
Maß fein verteilt wird, ein großer Teil der Farbe, insbesondere bei durchbrochenen
Gegenständen, verlorengeht und außerdem kein Farbumgriff am zu besprühenden Gegenstand
erzielt werden kann.
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Ferner sind Verfahren bekannt, bei denen ohne Verwendung von Druckluft
durch Anlegen eines Hochspannungsfeldes zwischen der Spritzpistole und dem Werkstück
rein elektrostatisch ein Versprühen der Farbe und eine Beaufschlagung des Werkstücks
erfolgt. Bei einer verbreiteten elektrostatischen Spritzpistole wird beispielsweise
auf einem ruhenden oder sich relativ langsam drehenden Spritzkopf in Form einer
Glocke das Farbgut als dünner Film verteilt und von einer messerartig ausgebildeten
Glockenkante elektrostatisch abgezogen. Das Farbspritzen auf rein elektrostatischer
Grundlage erbringt gegenüber dem Druckluftspritzen eine wesentlich verbesserte und
wirtschaftlichere Ausnutzung des Farbgutes, beispielsweise bei rahmenartigen Gebilden,
ermöglicht einen Farbumgriff und gewährleistet eine befriedigende Feinzerteilung
der Farbe. Das elektrostatische Farbspritzen weist jedoch den Nachteil auf, daß
seine Anwendung auf einen relativ geringen Farbdurchsatz (Menge der pro Zeiteinheit
versprühbaren Farbe) beschränkt ist, daß beträchtliche und damit gefährliche Feldstärken
erforderlich sind und daß es auf schlecht leitendes Farbgut nicht anwendbar ist.
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Schließlich ist es bekannt, die beiden obigen Verfahren gleichzeitig
anzuwenden. Bei dementsprechenden »Kombinations-Spritzpistolen« erfolgt das Versprühen
der Farbe und das Transportieren des Farbnebels zum Werkstück sowohl durch die Einwirkung
eines elektrostatischen Feldes als auch durch Druckluft. Die Farbe wird als Film
zu einer Kante geführt, die als Entladungskante ausgebildet ist und an der die Druckluft
vorbeistreicht, so daß die Farbe an dieser Kante gleichzeitig elektrostatisch (elektrisches
Feld) und mechanisch (Druckluft) abgezogen und zersprüht und dann zum Werkstück
transportiert wird. Um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen, müssen bei- diesen
Kombinationspistolen jedoch das elektrostatische Feld und die Druckluft genau aufeinander
abgestimmt sein. Bereits kleine, während des Betriebs kaum vermeidbare Änderungen
einer dieser beiden zusammenwirkenden Komponenten führen zu beträchtlichen Schwankungen
der Farbpartikelgröße und der Gestalt bzw. Ausdehnung des zum Gegenstand transportierten
ringförmigen Farbnebels. Außerdem kann der Farbdurchsatz gegenüber den rein elektrostatischen
Pistolen nur in engen Grenzen gesteigert werden, und bei schlecht leitendem Farbmaterial
ist keine wesentliche Verbesserung der Farbfeinzerteilung gegenüber reinen Druckluftpistolen
festzustellen.
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Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zum Farbspritzen, das eine beträchtliche
Erhöhung des Farbdurchsatzes erlaubt, für im wesentlichen alle auf dem Markt befindlichen
überzugsmaterialien geeignet ist und eine gleichmäßige Feinzerteilung der Farbe
gewährleistet. Dabei sollen die bisher beim elektrostatischen Farbspritzen üblichen
Feldstärken keinesfalls gesteigert, sondern vielmehr sogar gesenkt werden.
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Weiterhin ist Ziel der Erfindung eine einfache, handliche und betriebssichere
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Der Erfindung liegt die Tatsache zugrunde, daß eine Farbfeinzerteilung,
und zwar auf mechanischem Wege, auch erreicht wird, wenn das Farbgut mit hoher Geschwindigkeit
auf ein gasförmiges Medium aufprallt und von diesem stark abgebremst wird. Wesentlichste
Voraussetzung für diese mechanische Farbfeinzerteilung ist jedoch, daß der Farbe
während des Aufpralls nicht durch beispielsweise elektrische Kräfte eine zusätzliche
kinetische Energie mitgeteilt und damit eine starke Abbremsung der Farbe verhindert
wird.
Auch soll das gasförmige Medium, im Normalfall Luft, an der Aufprallstelle der Farbe
möglichst in Ruhe sein und nicht etwa der Farbe, anstatt diese abzubremsen, eine
zusätzliche Bewegungskomponente aufprägen bzw. die Farbe mitnehmen. Die Erkenntnis
dieser Voraussetzungen stellt die Grundlage der Erfindung dar und erklärt auch,
warum bisherige Versuche und Vorschläge mit schnell rotierenden Spritzköpfen, an
deren Sprühkanten eine elektrische Entladung stattfindet und/oder Druckluft vorbeistreicht,
nicht zum Erfolg führen konnten.
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Das Erfindungsverfahren zum elektrostatischen Überziehen von Gegenständen
mit Farbe mittels eines rotierenden, als Hochspannungselektrode dienenden Spritzkopfes
unter zusätzlicher Anwendung von Druckluft zeichnet sich demgemäß dadurch aus, daß
die dem mit einer Geschwindigkeit von 4000 bis vorzugsweise 20000U/min umlaufenden
Spritzkopf zugeführte Farbe von einer Abschleuderkante, die innerhalb eines Faradayschen
Käfigs liegt, rein mechanisch ab geschleudert und zersprüht wird und daß der auf
mechanischem Weg erzeugte Farbnebel erst nach Erreichen eines gewissen Abstandes
von der Abschleuderkante durch das von Entladungskanten oder -spitzen ausgehende
Hochspannungsfeld aufgeladen und in an sich bekannter Weise durch die Kraft des
elektrischen Feldes sowie der Druckluft in Richtung zum Gegenstand umgelenkt und
zu diesem befördert wird.
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Das' Verfahren nach der Erfindung weist den wesentlichen Vorteil auf,
daß durch den zeitlich und räumlich verzögerten Angriff des elektrischen Feldes
und der Druckluft am Farbgut dieses durch den Aufprall auf die Luft zu einem derart
feinen Farbnebel zerplatzt, daß elektrisches Feld und Druckluft lediglich die Aufgabe
eines Transportes des Farbnebels zum Werkstück zu übernehmen haben. Damit ist es
möglich, mit wesentlich verminderten elektrischen Feldstärken sowie Druckluftströmungsgeschwindigkeiten
auszukommen und auch sehr schlecht leitendes Farbgut mit hohem Wirkungsgrad und
hoher Feinheit zu versprühen. Der Farbdurchsatz kann gegenüber dem bekannten Verfahren
wesentlich gesteigert und durch Drehzahländerungen variiert werden. Im Gegensatz
zu den bekannten Kombinationspistolen beeinflußten Schwankungen des Feldes oder
der Druckluft das erfindungsgemäße Farbspritzen nur in unbedeutendem Maß; es ist
sogar möglich, selbst bei völligem Ausfall eines dieser beiden Transportmittel noch
eine Güte des Farbüberzugs auf dem Werkstück zu erzielen, die in den meisten Fällen
den gestellten Forderungen in genügender Weise entspricht.
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Eine besonders zweckmäßige Vorrichtung zum Durchführen des Erfindungsverfahrens
besteht in einer auf einer Welle sitzenden Scheibe, auf deren rückwärtige Seite
die zu versprühende Farbe aufgebracht wird, wobei erfindungsgemäß die Scheibe an
ihrer Rückseite eine Stufe aufweist, an der eine Abschleuderkante ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise ist in geringem Abstand hinter der rotierenden Spritzscheibe
und konzentrisch dazu eine feste Scheibe angeordnet, die etwa den gleichen Durchmesser
wie die Spritzscheibe aufweist.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise
dargestellt, und zwar zeigt die einzige Figur in schematischer Darstellung den Spritzkopf
im Querschnitt. In der Zeichnung ist mit 10 das vordere Ende eines Pistolenlaufes
bezeichnet, auf den der erfindungsgemäße Spritzkopf aufgesetzt ist. Der Spritzkopf
besteht im wesentlichen aus einer Spritzscheibe 11, die starr auf einer Welle 12
eines im Lauf 10 befestigten Druckluftmotors 13 sitzt. Die Scheibe 11 weist
eine vordere Randkante 14 auf und ist an ihrer Rückseite mit einer Stufe versehen,
an der eine Abschleuderkante 15 ausgebildet ist. Die Abschleuderkante 15 ist in
radialer Richtung gegenüber der vorderen Kante 14 zurückgesetzt.
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Ein an der leicht konkaven Rückseite der Scheibe 11 befestigter Distanzbolzen
16 trägt eine parallele Prallplatte 17, deren Durchmesser geringfügig kleiner
ist als derjenige der Abschleuderkante 15.
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Hinter der Scheibe 11 und konzentrisch dazu ist in geringem Abstand
eine Scheibe 18 vorgesehen, welche am Vorderende des Pistolenlaufes 10 starr befestigt
ist und die Welle 12 mit Spiel umgibt. Die Scheibe 18 weist eine Randkante 19 auf,
und ihr Durchmesser entspricht im wesentlichen demjenigen der Spritzscheibe
11, so daß die Kanten 14 und 19
einen engen Ringspalt begrenzen,
in dessen Tiefe sich die Kante 15 befindet.
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Auf das Ende des Pistolenlaufes 10 ist außerdem ein Luftführungstrichter
20 aufgesetzt, dessen vorderer Rand 21 im wesentlichen den gleichen Durchmesser
aufweist, wie die Scheibe 11 bzw. die Scheibe 18. Die Scheibe 18 stellt
dabei gewissermaßen den Deckel des Trichters 20 dar, wobei zwischen der Kante
19 und dem Rand 21 des Trichters 20 ein schmaler Ringspalt
frei gelassen ist. Im Endabschnitt des Pistolenlaufes 10 ist zumindest eine
Öffnung 22 vorgesehen, die in den Innenraum des Trichters 20 mündet.
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Die Farbzufuhr zur Scheibe 11 erfolgt über eine Farbleitung
23 mit Farbdüse 24, welche in geringem Abstand vor der Rückseite der
Scheibe 11 mündet; Hochspannung kann an die Scheiben 11 und 18 über ein Hochspannungskabel
25 angelegt werden, und der Motor 13 wird über ein Rohr 26 mit Druckluft versorgt.
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Der Spritzkopf arbeitet auf folgende Weise: Der Druckluftmotor
13 treibt über die Welle 12 die Spritzscheibe 11 mit einer Umdrehungszahl
zwischen 4000 und 20 000 U/min an, vorzugsweise zwischen 10 000 und 15 000 U/min.
Die Rückseite der Scheibe 11 wird von der Düse 24 mit Farbgut versorgt,
das auf Grund der auftretenden Zentrifugalkräfte gegen die Kante 15 bewegt und von
dieser Kante mit hoher Geschwindigkeit radial nach außen abgeschleudert wird. Bei
starker Farbzufuhr eventuell von der Scheibe 11 in Richtung zur Düse 24 zurückprallende
Farbe wird von der mit gleicher Umdrehungszahl wie die Spritzscheibe umlaufenden
Prallplatte 17 aufgefangen und auf die Rückseite der Spritzscheibe zurückgeleitet.
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Das von der Kante 15 abgeschleuderte Farbgut zerplatzt infolge
des Aufpralls auf die Luft und der sich daraus ergebenden starken Abbremsung sofort
in feinste Teilchen, so daß innerhalb der durch die Kanten 14 und 19 begrenzten
Ringspalte ein Farbnebel entsteht, der mit geringer Geschwindigkeit radial aus dem
Spalt austritt, ohne dabei die Kanten 14
und 19 zu berühren.
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Die Abluft des Druckluftmotors 13 wird durch die Öffnung 22 in den
Trichter 20 geleitet und strömt durch den von den Kanten 19 und 21 gebildeten Ringspalt
in Richtung der in der Zeichnung angegebenen
Pfeile nach außen.
Die ausströmende Druckluft erfaßt dabei den auf obige Weise entstandenen Farbnebel,
lenkt diesen in Richtung zum zu beaufschlagenden Werkstück um und bildet einen Ringmantel,
welcher den zum Werkstück wandernden Farbnebel umhüllt und verhindert, daß einzelne
Farbpartikeln nach außen entweichen.
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Über das Kabel 25 wird an die Scheiben 11 und 18 eine Hochspannung
angelegt. Damit werden die Kanten 14 und 19 zu Entladungskanten, zwischen denen
und dem Werkstück sich ein elektrostatisches Feld ausbildet. Die zurückgesetzte
Kante 15 dagegen bleibt ladungsfrei, da die beiden Kanten 14 und 19 als Faradayscher
Käfig wirken.
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Das Hochspannungsfeld ionisiert den Farbnebel bei Erreichen bzw. überschreiten
einer durch die Kanten 14 und 19 gelegten gedachten Fläche und fördert die Farbpartikeln
entlang der Feldlinien zum Werkstück. Da das Feld lediglich die bereits feinzerteilten
Farbpartikeln zu transportieren hat und außerdem noch von der Druckluft unterstützt
wird, sind nur relativ geringe Feldstärken erforderlich.
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Der erfindungsgemäße Spritzkopf, der einfach im Aufbau ist und relativ
billig hergestellt werden kann, gewährleistet eine Feinzersprühung der Farbe sowie
deren gleichmäßige Förderung zum Werkstück bei großem Farbdurchsatz und geringen
Feldstärken. Ein nachteiliges, bei vielen bekannten Vorrichtungen auftretendes Zurückprallen
der Farbe vom Werkstück wird vermieden, da der Farbnebel keine ursprüngliche Bewegungskomponente
in Werkstücksrichtung aufweist und nur geringe Feldstärken und Druckluftgeschwindigkeiten
erforderlich sind. Es kann im wesentlichen jegliches Farbgut - einschließlich elektrisch
sehr schlecht leitendes Material - versprüht werden. Der Sprühvorgang ist sehr stabil,
Schwankungen der angelegten Hochspannung und der ausströmenden Druckluft führen
zu keinen wesentlich veränderten Ergebnissen. Selbst ohne Druckluft oder ohne elektrisches
Feld sind zumeist noch befriedigende Ergebnisse zu erzielen. In einigen Sonderfällen,
beispielsweise wenn kein FarbumgrifE auftreten darf, kann sogar ein Wegfall der
Hochspannung oder der Druckluft von Vorteil sein.