DE19608754C2 - Verfahren zum Aufbringen von Farben oder Lacken und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum homogenen Aufbringen von pneumatisch oder airless zerstäubten Farben und Lacken auf Werkstücke aller Art sowie Vorrichtungen zur Durch­ führung des Verfahrens.

Derartige pneumatische und Airless-Verfahren sowie Hochrotationsverfahren sind aus der automatischen Lackierung großer Flächen (z. B. Fahrzeugkarosserien) bekannt. Für die Beschichtung der gesamten Werkstück­ breite werden dabei oft mehrere Zerstäuber nebenein­ ander angeordnet. Die Zerstäubung des Lackmaterials beruht auf der Wirkung von Scherkräften, die aufgrund einer hohen Relativgeschwindigkeit zwischen Lackmate­ rial und der Umgebung entstehen.

Aus dem Stand der Technik ist sowohl die pneumatische Zerstäubung als auch die Airlesszerstäubung sowie die Hochrotationszerstäubung (z. B. DE 36 34 443 A1) be­ kannt. Bei der pneumatischen Zerstäubung wird das aus der Lackdüse austretende Lackmaterial von einem ko­ axialen Luftstrahl mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zerstäubt. Bei der Airlesszerstäubung tritt ein Lack­ strahl mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in die ru­ hende Umgebungsluft aus und wird durch die dabei auf­ tretenden Verzögerungskräfte zerstäubt. Bei der Hoch­ rotationszerstäubung wird das Lackmaterial von einer sich mit hoher Winkelgeschwindigkeit drehenden Glocke tangential in eine ruhende Umgebung abgeschleudert. Um die in der Regel geforderte hohe Flächenleistung zu gewährleisten, wird der vom Zerstäuber erzeugte Spritzstrahl derart eingestellt, daß eine größere Fläche überstrichen werden kann. Bei einem pneumati­ schen Zerstäuber entsteht so ein Flachstrahl mit ei­ ner annähernd elliptischen Grundfläche. Fig. 1a zeigt das statische Spritzbild eines derartigen Zerstäu­ bers. Beim Airless-Zerstäuber entsteht ein nahezu rechteckiges Spritzbild. Der Spritzstrahl eines Hoch­ rotationszerstäubers weist dagegen ein kreisringför­ miges Spritzbild auf.

Pneumatische Zerstäuber sind universell einsetzbar. Als Nachteile der pneumatischen Zerstäuber sind vor allem der relativ niedrige Lackauftragswirkungsgrad und die damit verbundenen hohen Lackverluste sowie die ungleichmäßige Schichtdickenverteilung auf dem Werkstück aufgrund des inhomogenen Flachstrahls zu nennen. In Fig. 1b ist die Schichtdickenverteilung eines pneumatischen Zerstäubers des Stands der Tech­ nik dargestellt. Gemessen wurde entlang dreier zur langen Halbachse des statischen Spritzbildes paralle­ ler Meßbahnen. Um diese Inhomogenitäten in der Schichtdickenverteilung auszugleichen, müssen die Lackierbahnen mehrfach überlagert werden. Bei Metal­ lic-Effekt-Lacken jedoch sind selbst bei enger Über­ lappung der Lackierbahnen die Inhomogenitäten des Spritzstrahls in der Lackschicht in Form von Hellig­ keitsunterschieden, den sogenannten Wolken, zu erken­ nen. Dies stellt insbesondere bei der Fahrzeugbe­ schichtung ein noch nicht gelöstes Qualitätsproblem dar. Durch den Einsatz von elektrostatischen Lack­ aufladungsverfahren ist eine gewisse Verbesserung des Lackauftragungswirkungsgrad pneumatischer Zerstäuber möglich.

Aus "Zerstäuben von Flüssigkeiten", P. Walzel, Chem.- Ing.-Tech. 62 (1990) Nr. 12, S. 983-994, sind Drall­ düsen für pneumatische und Airless-Zerstäuber be­ kannt. Durch den Drall wird das Aufreißen des aus der Düse austretenden Strahls erleichtert.

Hochrotationszerstäuber erzielen zwar einen hohen Lackauftragungswirkungsgrad und eine homogene Schichtdickenverteilung, ihr Einsatz ist aber mit anderweitigen Problemen verbunden. Die Drehzahlen bei Hochrotationsglocken bewegen sich gemäß dem "Taschen­ buch für Lackierbetriebe 1995", 52. Jahrgang, 1994, Curt R. Vincentz Verlag, Hannover, S. 117, im Bereich zwischen 15000 und 60000 Umdrehungen pro Minute. Die Lacktropfen müssen durch ein elektrisches Feld sowie durch eine Lenkluftströmung von tangentialen Bahnen senkrecht auf das Werkstück umgelenkt werden und haben somit einen relativ geringen Impuls in der axialen Richtung. Bei Verwendung von Wasserlacken treten in Verbindung mit der Außenaufladung zum Teil starke Verschmutzungen der Zerstäuber und der Elek­ troden auf. Da die Hochrotationszerstäubung allein nicht den gewünschte Metallic-Effekt (zu niedrige Flop-Werte) liefert, muß noch eine zweite Lackschicht pneumatische aufgetragen werden. Der Zweischichtauftrag ist mit einem hohen anlagentech­ nischen Aufwand, hohem Lackverbrauch und somit er­ heblichen Kosten verbunden. Ökologische Aspekte spre­ chen ebenfalls gegen einen Zweischichtauftrag. Hochrotationszerstäuber zeichnen sich darüber hinaus durch eine komplizierte und damit teuere Technik aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und entsprechende Vorrichtun­ gen zum Aufbringen von Farben, Lacken und anderen zerstäubbaren Medien der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sich die Vorzüge der pneumatischen Zerstäubung hinsichtlich der optischen Beschichtungsqualität, des einfachen Aufbaus und der niedrigen Anlagenkosten mit der Schichtdickengleich­ mäßigkeit und dem hohen Auftragswirkungsgrad der Hochrotationszerstäubung kombinieren lassen, um sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Produk­ tivität des Lackiervorganges zu steigern.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrich­ tungen zur Durchführung des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 7 und 9. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der jeweiligen Lösung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Übertragung einer Rotationsbe­ wegung von bis zu 500 Umdrehungen pro Minute um die Zerstäuberachse durch eine rotierende Zerstäuberein­ heit, eine rotierende Luftkappe oder eine rotierende Lackdüse auf den pneumatisch oder airless zerstäubten Spritzstrahl erlaubt es, die bekannten Probleme her­ kömmlicher Lackapplikationstechniken zu vermeiden. Die positiven Wirkungen des rotierenden Spritzstrahls beruhen darauf, daß sich während der Beschichtung der geometrische Auftreffpunkt eines Lacktröpfchens auf einer Kreisbahn ändert.

Im Gegensatz zur Hochrotationszerstäubung erfolgt die Zerstäubung des aufzutragenden Mediums nicht bei hoher Drehzahlen einer Zerstäuberkante, sondern durch pneumatische oder Airless-Zerstäubung des aus einer Lackdüse austretenden Lackmaterials.

Die Inhomogenitätsprobleme des pneumatisch oder air­ less erzeugten Flachstrahls werden dadurch gelöst, daß auf den zerstäubten Spritzstrahl, der bereits einen axialen Impuls in Richtung auf das Werkstück aufweist, zusätzlich eine Rotatation bevorzugt derart übertragen wird, daß der Strahl um die Zerstäuber­ achse und gegebenenfalls um die Drehachse der Zer­ stäubereinheit oder eine beliebige andere Achse (exzentrisch) rotiert. Auf diese Weise läßt sich ein symmetrisches Spritzbild (Fig. 2a) mit einer gleich­ mäßigen Schichtdickenverteilung (Fig. 2b) und somit eine hohe Lackschichtqualität bei gleichzeitig hoher Flächenleistung realisieren.

Typische Drehzahlen des rotierenden Spritzstrahls betragen unter 500 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt ungefähr 20 bis 200 Umdrehungen pro Minute.

Aufgrund des mit der Rotation des Spritzstrahls ver­ bundenen Drehimpulses der Lacktröpfchen wirken auf die zerstäubten Lackteilchen Zentrifugalkräfte, die eine Bewegung von der Drehachse weg bewirken. Aus diesen Kräften resultiert eine zusätzliche Strahlauf­ weitung. Dadurch ist es möglich, den für die Strahl­ aufweitung erforderlichen Hornluftvolumenstrom zu reduzieren und damit den Auftragswirkungsgrad zu er­ höhen. Mittels elektrostatischer Lackauftragung läßt sich der Lackauftragswirkungsgrad weiter verbessern.

Zusätzlich kann der rotierende Spritzstrahl trans­ latorische Bewegungen, beispielsweise senkrecht zur Förderrichtung des Werkstückes, ausführen. Auf diese Weise können Beschichtungsleistung und Beschichtungs­ homogenität verbessert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erreicht sowohl hin­ sichtlich des Lackauftragswirkungsgrades als auch hinsichtlich der Lackschichtdickenhomogenität die hohe Qualität der Hochrotationszerstäubung bei allen anlagentechnischen Vorteilen der pneumatischen oder Airless-Zerstäubung.

Durch den Einsatz des sich drehenden Spritzstrahls kann auf den Zweischichtauftrag bei Metallic-Lacken verzichtet werden, was sowohl unter wirtschaftlichen als auch ökologischen Aspekten einen großen Vorteil darstellt.

Geeignete Vorrichtungen, um den zerstäubten Spritz­ strahl in Rotation zu versetzen, beinhalten drehbare Lackdüsen oder drehbare Luftkappen oder drehbare Zer­ stäuberkörper.

Bei Anordnungen, welche mindestens zwei nebeneinander angeordnete Zerstäubereinheiten umfassen, läßt sich ein homogeneres Spritzbild erzielen, wenn sich be­ nachbarte Spritzstrahlen gegensinnig drehen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung der Ausführungsbeispiele und anhand der Zeich­ nungen, welche bevorzugte, jedoch beispielsweise Aus­ gestaltungen wiedergeben.

Es zeigen:

Fig. 1a das statische Spritzbild eines herkömmli­ chen, sich nicht drehenden pneumatischen Zerstäubers,

Fig. 1b die Schichtdickenverteilung eines herkömm­ lichen, sich nicht drehenden Zerstäubers,

Fig. 2a das statische Spritzbild eines pneumati­ schen Zerstäubers mit sich drehendem Spritzstrahl,

Fig. 2b die Schichtdickenverteilung eines pneumati­ schen Zerstäubers mit sich drehendem Spritzstrahl,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit sich drehendem Zerstäuberkopf zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit sich drehender Luftkappe zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Lackierauto­ maten mit sich drehenden Zerstäubern.

Eine Vorrichtung gemäß Fig. 3 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufbringen von pneu­ matisch zerstäubten Farben, Lacken und anderen zer­ stäubbaren Medien in Form eines sich um die Zerstäu­ berachse 3 drehenden Spritzstrahls 4 auf ein nicht dargestelltes Werkstück umfaßt eine ortsfeste Halte­ rung 1, ein daran angebrachtes drehbares Adapterteil 2 und eine drehbare pneumatische Zerstäubereinheit 6. Die Zerstäubereinheit 6 umfaßt einen Zerstäuberkörper 7, eine Luftkappe 8 und eine Lackdüse 9. Über das Adapterteil 2 werden mittels Drehdurchführungen die Systemleitungen 5 (Lack-, Zerstäubungsluft- und Horn­ luftleitung sowie Steuerleitung für die Düsennadel) auf das rotierende Zerstäubersystem übertragen. Op­ tional kann eine Vorrichtung für elektrostatische Lackaufladung zur Steigerung des Lackauftragswir­ kungsgrades mit der ortsfesten Halterung 1 verbunden sein. Der Antrieb der Zerstäubereinheit 6 erfolgt beispielsweise durch einen SPS-gesteuerten, explo­ sionsgeschützten Motor.

Der Drehmechanismus ist so ausgestaltet, daß der Zer­ stäuber sich sowohl im als auch gegen den Uhrzeiger­ sinn drehen kann. Die Drehzahl bewegt sich bevorzugt in einem Bereich bis 200 Umdrehungen pro Minute.

Eine andere Vorrichtung gemäß Fig. 4 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines pneumatisch zerstäubten, sich um die Zerstäuberachse 10 drehenden Spritzstrahls 11 umfaßt eine Zerstäuber­ einheit 12, bestehend aus Zerstäuberkörper 13, Lack­ düse 14 und Luftkappe 15. Die Luftkappe 15 ist erfin­ dungsgemäß derart ausgestaltet, daß sie um die Zer­ stäuberachse 10 rotieren kann. Die einzelnen Strö­ mungskanäle werden separat abgedichtet in die dreh­ bare Luftkappe 15 übergeführt. Optional kann wiederum eine Vorrichtung zur elektrostatischen Lackaufladung mit der Zerstäubereinheit 12 verbunden sein. Der An­ trieb erfolgt beispielsweise durch einen SPS-gesteu­ erten, explosionsgeschützten Motor.

Im Falle einer Airless-Zerstäubung kann ein sich dre­ hender Spritzstrahl durch Rotieren der Lackdüse rea­ lisiert werden.

Eine Rotation kann auch dadurch auf den Spritzstrahl übertragen werden, daß die Zerstäubereinheit um eine Achse rotiert, die nicht mit der Zerstäuberachse identisch ist (exzentrische Rotation). Eine derartige Rotation kann auch zusätzlich zu einer Rotation um die Zerstäuberachse auf den Spritzstrahl übertragen werden.

Durch Integration mehrerer erfindungsgemäßer Zerstäu­ bereinheiten lassen sich komplexe Lackierautomaten realisieren. Ein solcher Automat 26 in Portalbauweise für die Beschichtung von horizontalen Flächen 19, beispielsweise Fahrzeugkarosserien, ist in Fig. 5 dargestellt. Das komplette Zerstäubersystem ist mit­ tels geeigneter Aufhängungen 28 derart am Dachbalken 29 des Lackierautomaten 26 befestigt, daß zur Erzie­ lung einer gleichmäßigeren Schichtdickenverteilung und einer günstigen Überlappung der einzelnen Spritz­ bahnen das Zerstäubersystem eine Oszillationsbewegung 20 senkrecht zur Förderrichtung 21 des Werkstückes durchführen kann. Diese Oszillationsbewegung wird von einer Pendelvorrichtung 27 gesteuert. Die Zerstäube­ reinheiten 30 sind über Anschlüsse 31 mit dem An­ triebs-/Aufhängungssystem verbunden.

Bei derartigen Automaten ist es vorteilhaft, wenn die Rotationen 22 der einzelnen Spritzstrahlen 23 syn­ chronisiert werden und sich benachbarte Spritzstrah­ len, wie in Fig. 5 angedeutet, gegensinnig drehen. Auf diese Weise werden ungünstige gegenseitige Beein­ flussungen der einzelnen Spritzstrahlen reduziert und unerwünschte Strömungs- bzw. Lackiereffekte vermie­ den. Die erforderliche Regelung der Dreh- und Pendel­ bewegungen erfolgt basierend auf Abstand, Geometrie und Fördergeschwindigkeit des Werkstückes mittels ei­ ner SPS-Steuerung 32 über einen geeigneten Antrieb 17, welcher beispielsweise ein explosionsgeschützter Motor sein kann. Die Durchführungen 24 der Anschluß­ leitungen für Lackmaterial, Zerstäubungs-, Horn- und Steuerluft sind drehbar ausgestaltet. Lackmaterial und Luft entstammen einer Lack- und Luftversorgungs­ vorrichtung 25.

Bei derartigen Lackierautomaten können beispielsweise Zerstäubereinheiten gemäß Fig. 3 oder anstatt oder in Kombination mit Zerstäubereinheiten gemäß Fig. 3 auch Zerstäubereinheiten gemäß Fig. 4 eingesetzt werden.

Zur Erhöhung des Lackauftragswirkungsgrades kann das Lackmaterial mittels geeigneter Vorrichtungen 18 elektrostatisch aufgeladen werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Aufbringen von Farben oder Lacken auf Werkstücke aller Art, bei dem ein von einer Lackdüse emittierter Spritzstrahl pneumatisch oder airless zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zerstäubereinheit (6), eine Luftkappe (15) oder die Lackdüse gedreht und dadurch der Spritzstrahl (4, 11) in eine Rotation von bis zu 500 Umdrehungen pro Minute um die Zerstäuber­ achse (3, 10) versetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzstrahl in eine exzentrische Rotation versetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Spritzstrahl translatorisch bezüglich des Werkstückes bewegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzstrahl mit einer Drehzahl zwischen 20 und 200 Umdrehungen pro Minute bewegt wird.

5. Verfahren nach einem der Anspräche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Strahl zusätzlich elektrostatisch aufgeladen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwin­ digkeit der Spritzstrahlrotation gesteuert und mit einer translatorischen Bewegung eines den Spritzstrahl emittierenden Zerstäubers oder des Werkstückes synchronisiert wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus mindestens einer Zerstäubereinheit (6), welche Systemleitungen (5), einen Zerstäuberkörper (7), eine Lackdüse (9) und im Falle einer pneumati­ schen Zerstäubung zusätzlich eine Luftkappe (8) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zerstäubereinheit (6) vor­ gesehen ist, welche um die Zerstäuberachse (3) drehbar mit einer ortsfesten Halterung (1) ver­ bunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemleitungen (5) mittels Drehdurchführungen über ein Adapter­ teil (2) auf die drehbare Zerstäubereinheit (6) durchgeführt sind.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus min­ destens einer Zerstäubereinheit (12), welche Systemleitungen (16), einen Zerstäuberkörper (13), eine Lackdüse (14) und im Falle einer pneumatischen Zerstäubung zusätzlich eine Luftkappe (15) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zerstäubereinheit (12) vorgesehen ist, bei wel­ cher im Falle einer pneumatischen Zerstäubung die Luftkappe (15) und im Falle einer Airless- Zerstäubung die Lackdüse (14) um die Zerstäu­ berachse (10) drehbar mit dem Zerstäuberkörper (13) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Strömungskanäle der Luftleitung separat ab­ gedichtet in die drehbare Luftkappe 15 über­ geführt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit der/den Zerstäu­ bereinheit(en) (6, 12) eine Vorrichtung zur elektrostatischen Lackaufladung verbunden ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anordnung mehrerer Zerstäubereinheiten nebeneinander jeweils zwei benachbarte Spritzstrahlen (4, 11) gegensinnig drehbar ausgestaltet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwin­ digkeit der Rotation der einzelnen Spritzstrah­ len unabhängig voneinander steuerbar und mit der translatorischen Bewegung der Zerstäuber oder des Werkstückes synchronisierbar ist.