DE19756194B4

DE19756194B4 - Lackverarbeitungsvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE19756194B4
Application number: DE19756194A
Authority: DE
Inventors: Keld Gabelgaard; Heinz Jonas; Artur Kunder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: DE19756194A1; EP1040308A1; DE59809597D1; WO1999031449A1; EP1040308B1; ATE249609T1

Abstract

Verfahren zur Verarbeitung von Lacken in einem Arbeitsbereich (10), das die Schritte umfasst:
a) Bereitstellen eines mit Luft gefüllten, abgeschlossenen Arbeitsbereiches (10);
b) Trocknen der Luft in dem Arbeitsbereich (10) auf eine relative Luftfeuchtigkeit von weniger als 25%; und
c) anschließendes Aufbringen des Lackes auf eine zu lackierende Oberfläche.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Lacken in einem Arbeitsbereich. Insbesondere betrifft die vorliegende Vorrichtung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung von mittels Spritzpistolen aufgetragenen wasserlöslichen Lacken in einem Arbeitsbereich.

Im Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Verarbeitung und insbesondere zur Trocknung von Lacken bekannt. Herkömmlicherweise werden Lacke insbesondere in der Großserienfertigung in der Automobilindustrie in voneinander getrennten Bereichen zunächst aufgetragen und dann getrocknet. Das Auftragen erfolgt hierbei klassischerweise entweder mittels eines Tauchbades, oder mit Spritzpistolen (Spritzrobotern). In einem nachfolgenden Schritt werden dann die lackierten Teile in separat vorgesehenen Trocknungskammern unter Verwendung von Heißluft bei Temperaturen von ca. 80 °C getrocknet. Dieser Trocknungschritt hat erhebliche Energiekosten zur Folge, die einen großen Anteil an den Gesamtkosten der Lackierung haben.

Traditionell werden in der lackverarbeitenden Industrie lösungsmittelhaltige Lacke verwendet, da diese einfach und kostengünstig zu verarbeiten sind. Allerdings führen diese lösungsmittelhaltigen Lacke zu nicht unerheblichen Belastungen der Umwelt, da das Lösungsmittel beim Trocknungsvorgang in die Atmosphäre austritt. Zwar wäre es technisch möglich, die Lösungsmittel mit geeigneten Filtern herauszufiltern, jedoch führt dies zu einer ungewollten Erhöhung der Lackierkosten, da derartige Filter technisch aufwendig sind.

Aus ökologischen Gründen wurde daher bereits die Verwendung von wasserlöslichen Lacken vorgeschlagen, die unter ökologischen Gesichtspunkten den lösungsmittelhaltigen Lacken vorzuziehen sind. Allerdings sind wasserlösliche Lacke im Vergleich zu lösungsmittelhaltigen Lacken aus wirtschaftlichen Gründen derzeit nicht besonders attraktiv, da die Trocknungszeiten in den traditionellen Heißluftkabinen zu lang sind, was erneut die Kosten in die Höhe treibt. Aus diesen Gründen wurden die ökologisch an sich zu bevorzugenden wasserhaltigen Lacke von der Industrie bislang nur unzureichend übernommen.

Im der deutschen Gebrauchsmusterschrift G 91 09 134 ist eine Lackier- und Trocknungskabine für insbesondere mit Wasserlack behandelte Fahrzeuge, Fahrzeugteile und dergleichen bekannt, die eine Trockenluftgeneratoreinrichtung zum Trocknen und Erwärmen von Strömungsluft aufweist. Damit soll der Trocknungsvorgang des Wasserlackes optimiert werden.

Der vorliegenden Erfindung stellt sich somit das Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der die bei der Lackverarbeitung anfallenden Energiekosten im Vergleich zu vorbekannten Methoden erheblich gesenkt werden können, wobei gleichzeitig die Qualität der Lackierung verbessert wird.

Die Lösung dieses Problems folgt durch ein Verfahren zur Verarbeitung von Lacken in einem Arbeitsbereich gemäß Patentanspruch 1, und durch eine entsprechende Vorrichtung gemäß Patentanspruch 13.

Genauer gesagt wird das obige Problem durch ein Verfahren, sowie eine dazu geeignete Vorrichtung gelöst, gemäß denen ein mit Luft gefüllter, abgeschlossener Arbeitsbereich (eine Lackierkabine) bereitgestellt wird, die Luft in dem Arbeitsbereich auf eine relative Luftfeuchtigkeit von weniger als 25% getrocknet wird und anschließend Lack auf eine zu lackierende Oberfläche aufgebracht wird.

Dies hat zur Folge, daß die Luftfeuchtigkeit in dem Arbeitsbereich unter der der Umgebungsluft liegt, wodurch dem aufzubringenden Lack bereits während des Aufsprühvorgangs das Wasser entzogen wird. Dies führt zu einer signifikan ten Verkürzung der Trocknungszeit, die es möglich macht, auf eine Trocknung mit Heißluft gänzlich zu verzichten.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung liegt darin, daß besonders homogene Lackschichten erzeugt werden können, da die kontinuierliche Trocknung der Luft im Arbeitsbereich nicht nur zu einem Wasserentzug in dem Lack führt, sondern insbesondere auch die zu lackierende Oberfläche trocknet, d. h. wasserfrei macht. Dies führt zu einer Erhöhung der Homogenität der Lackschicht beim Aufspritzvorgang, da sich die Farbpikmente um so homogener auf der zu lackierenden Oberfläche anordnen, je trockener diese ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Trocknung der Luft in dem Arbeitsbereich mittels eines Adsorptions-Rotationsluftentfeuchters, der eine mit dem Arbeitsbereich verbundene Adsorptionsleitung und einen separaten Regenerationskreislauf aufweist. Der besondere Vorteil dieses Trocknungssystems besteht darin, daß er kontinuierlich arbeitet und sehr wartungsarm ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich zu dem Trocknungssystem eine Umwälz- und/oder Vorkühlanordnung auf, die die Luft in dem Arbeitsbereich umwälzt und kühlt. Die Kühlung der Luft führt zwar zunächst zu einer Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit, jedoch zu einer Absenkung des Taupunktes der Luft. Dies erlaubt eine besonders effektive, nachfolgende Trocknung der Luft auf die gewünschte relative Feuchtigkeit.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen und der Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsform. Die derzeit bevorzugte Ausführungsform wird in folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in der zeigt:
1 Schematisch eine Lackverarbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 den derzeit bevorzugten Adsorptions-Rotationstrockner, der bevorzugt in dem Trocknungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung Verwendung findet; und
3 eine Vernon-Kurve, in der die wasserbedingte Korosionsgeschwindigkeit für Stahl dargestellt ist.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verarbeitung und insbesondere zur Trocknung von Lacken schematisch dargestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen Arbeitsbereich 10, der bevorzugterweise die Form einer an sich bekannten Lackierkabine haben kann. Innerhalb des Arbeitsbereiches 10 befinden sich neben den zu lackierenden Gegenständen (beispielsweise Kraftfahrzeugkarosserieteilen) auch die üblichen in der Lackierindustrie oder in Lackierkleinbetrieben verwendeten Spritzvorrichtungen (Spritzpistolen), mit denen der Lack auf die zu lackierenden Teile aufgebracht wird. Da diese Teile dem Fachmann hinreichend bekannt sind, wird auf eine separate Darstellung verzichtet.
Für die vorliegende Erfindung ist von besonderer Bedeutung, daß der Arbeitsbereich 10 im Hinblick auf die Umgebung isoliert ist, um einen Luftaustausch zwischen der Luft 5 in dem Arbeitsbereich 10 und der Umgebungsluft weitestgehend zu verhindern.
Weiterhin ist der 1 das schematisch dargestellte erfindungsgemäße Trocknungssystem 20, 30 zu entnehmen. Es umfaßt in der in 1 dargestellten Ausführungsform einen Adsorptionstrockner 20, und eine Umwälz- und Vorkühlanordnung 30, die im folgenden beschrieben werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trocknungssystemes ein Adsorptionstrockner 20 verwendet, der über eine Adsorptionsleitung 21 mit dem Arbeitsbereich 10 verbunden ist. Der Adsorptionstrockner 20 verwendet einen kontinuierlich arbeitenden Adsorptionsrotor 20' (vergl. 2), der Frischluft ansaugt, diese trocknet und über die Adsorptionsleitung 21 in den Arbeitsbereich 10 einführt. Weiterhin verfügt der Adsorptionstrockner 20 über einen separaten Regenerationskreislauf 29, der – wie im folgenden genauer beschrieben – den Adsorptionsrotor 20' regeneriert.
Der erfindungsgemäße Adsorptionstrockner 20 wird im folgenden unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben. Im wesentlichen besteht der Adsorptionstrockner 20 aus einem Adsorptionsrotor 20', der mit axial gerichteten Luftkanälen (nicht dargestellt) versehen ist. Diese sorgen für eine laminare Strömung der Luft durch den Trockner bei einem geringen Druckabfall. Die zu entfeuchtende Luft wird von einem Adsorptionsventilator 24 durch den Adsorptionsrotor 20' über einen Vorfilter 22 angesaugt. Zur Regeneration des Adsorptionsrotors 20' (d.h. zu seiner Entfeuchtung) ist ein getrennt vorgesehener Regenerationsbereich vorgesehen, der die im Rotor angelagerte Feuchtigkeit entfernt und ins Freie abgibt. Die über den Regenerationskreislauf 29 geführte Luft wird von einem Regenerationsventilator 30 durch den Regenerationsabschnitt hindurch angesaugt, wobei sie zuvor von einem Filter 26 gereinigt, und nachfolgend von einer Heizung 28 auf die notwendige Prozesstemperatur erhöht wurde.
Der Adsorptionsrotor 20' besteht im wesentlichen aus einem sich langsam drehenden Rotor aus einem Keramik-Verbundwerkstoff, der dauerhaft mit entweder Silicagel oder Lithiumchlorid imprägniert ist. Derzeit ist Silicagel als Adsorptionsmittel bevorzugt, da es physiologisch unschädlich und nicht wasserlöslich ist, und dadurch weder ausgewaschen noch mit dem Luftstrom ausgetragen werden kann. Durch die beschriebene Anordnung von Adsorptions- und Regenerationsbereich ergibt sich eine kontinuierliche Arbeitsweise des Adsorptionstrockners, da der Adsorptionsprozeß parallel zum Regenerationsprozeß verläuft.
Weiterhin ist in der derzeit bevorzugten Ausführungsform eine Umwälz- und Vorkühlanordnung 30 vorgesehen, die über einen Umwälz- und Vorkühlkreislauf 32 mit dem Arbeitsbereich 10 verbunden ist. Die Umwälz- und Vorkühlanordnung 30 sorgt zum einen für einen Luftaustausch in dem Arbeitsbereich 10, und wahlweise für eine Vorkühlung. Zusätzlich kann die Umwälz- und Vorkühlanordnung 30 auch über Filterelemente (nicht dargestellt) verfügen, die die Luft in dem Arbeitsbereich 10 filtern.
Da die Betriebsweise von Luftumwälz- und Kühlsystemen dem Fachmann hinreichend bekannt ist, wird auf eine detaillierte Beschreibung von ihnen an dieser Stelle verzichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verarbeitung und insbesondere zur Trocknung von Lacken sowie die entsprechende Vorrichtung haben gegenüber den bislang verwendeten bekannten Methoden signifikante Vorteile, da sie zum einen die nachfolgende Trocknung von wasserlöslichen Lacken mit Heißluft unnötig machen, und zum anderen zu einer homogeneren Lackschicht auf der zu lackierenden Oberfläche führen. Wie bereits zuvor erwähnt, ordnen sich nämlich die Lackpigmente auf der zu lackierenden Oberfläche umso homogener an, je trockener die zu lackierende Oberfläche ist.
Bei Lackiertemperaturen von ca. 20 °C muß nämlich der Taupunkt der auftreffenden Umgebungsluft wenigstens 15 °C betragen, um eine effektive Verankerung der Pikmente am Untergrund zu erreichen. Ist beabsichtigt, beispielsweise Stahl zu lackieren, ist zu berücksichtigen, daß die Trockenkugeltemperatur der Stahloberfläche immer kleiner ist als die der an sie angrenzenden Umgebungsluft. Dadurch entsteht zwangsläufig ein Kühleffekt, der zu einer Aerosolabscheidung auf der Stahloberfläche führt, auch wenn der sich ergebende Wasserfilm mit bloßem Auge nicht sichtbar ist.
Dies wird durch in 3 dargestellte Vernon-Kurve erläutert, die die Korrosionskurve von Stahl in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit darstellt (als Maß für die Korrosionsanfälligkeit ist auf der Ordinate die Gewichtszunahme dargestellt). Wie man dem Diagramm entnehmen kann, steigt bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von mehr als 60% die Korrosionskurve steil an, während bei einer Luftfeuchtigkeit von unter 30% keine Rostbildung mehr auftritt. Dies bedeutet, daß sich kein Aerosolfilm auf dem Stahl niedergeschlagen hat.
Führt man demnach die Lackierung bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 60%, oder besser bei weniger als 30% durch, ermöglicht dies eine sehr homogene Anordnung der Farbpigmente auf dem Stahl.
Im folgenden soll ein Beispiel der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Benutzt wird eine Lackierkabine 10, die erfindungsgemäß mit 20.000 m³/h oder 25.000 m³/h Luft umgewälzt wird. Der über den Adsorptionstrockner 20 zugeführte getrocknete Frischluftanteil soll dabei ca. 10% betragen.
Demgemäß werden also 2.000 m³/h bzw. 2.500 m³/h Frischluft über einen Adsorptionsluftentfeuchter (beispielsweise erhältlich über ARKU-Verfahrenstechnik Gmbh, Olching, Deutschland) geführt und auf einem niedrigen Taupunkt gebracht. Gleichzeitig sorgt die Umwälz- und Vorkühlanordnung 30 für eine Vorkühlung der Luft in dem Arbeitsbereich 10. Betrachtet man beispielsweise im Sommer vorherschende Bedingungen, ergibt sich folgendes:
Wobei T die Temperatur, r.F. die relative Luftfeuchtigkeit, W die Wasserbeladung, und TP der Taupunkt ist.
Vergleicht man die für die Trocknung sich ergebende Energiebilanz der klassischen Verfahren (mit Heißlufttrocknung) im Vergleich zu dem obigen erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich, daß mit obigen Parametern ca. 50% der Energiekosten eingespart werden können. Hierbei ist zu beachten, daß der Trocknungsprozeß um so effektiver gestalten werden kann, je weniger Gesamtluftmenge umgewälzt wird (Verhältnis der wasserhaltigen Umluft zum hochtrockenen Frischluftanteil). Daher sollte die Erhöhung des hochtrockenen Frischluftanteils zu einer weiteren Reduzierung der notwendigen Energiekosten führen.
Schließlich wird darauf hingewiesen, daß die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform lediglich beispielshaft zu verstehen ist; andere Gestaltungen sind möglich, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Beispielsweise sind in der Ausführungsform gemäß 1 die erfindungsgemäßen Adsorptions trockner-, Umwälz- und Vorkühlanordnungen außerhalb des Arbeitsbereichs 10 angebracht. Dem Fachmann ist klar, daß diese selbstverständlich auch innerhalb des Arbeitsbereiches angeordnet werden können.
Weiterhin ist in der bevorzugten Ausführungsform der Adsorptionstrockner als separates Element (getrennt von der Umwälz- und Vorkühlanordnung) vorgesehen. Selbstverständlich kann man auch eine integrierte Vorrichtung vorsehen.
Schließlich wird darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung nicht nur für wasserhaltige Lacke anwendbar ist, sondern auch für lösungsmittelhaltige Lacke. Wird das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung für lösungsmittelhaltige Lacke verwendet, führt dies dazu, daß die nach wie vor notwendige Trocknung durch Heißluft erheblich reduziert werden kann; in diesem Fall wird das erfindungsgemäße Verfahren gleichsam als Vortrocknungsverfahren verwendet.

Claims

Verfahren zur Verarbeitung von Lacken in einem Arbeitsbereich (10), das die Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines mit Luft gefüllten, abgeschlossenen Arbeitsbereiches (10); b) Trocknen der Luft in dem Arbeitsbereich (10) auf eine relative Luftfeuchtigkeit von weniger als 25%; und c) anschließendes Aufbringen des Lackes auf eine zu lackierende Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die relative Luftfeuchtigkeit in dem Trocknungsschritt auf unter 10% gesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die relative Luftfeuchtigkeit in dem Trocknungsschritt auf ca. 6% gesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das vor dem Schritt des Trocknens der Luft in dem Arbeitsbereich (10) zusätzlich den Schritt des Vorkühlens der Luft aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, in dem die Luft in dem Vorkühlschritt auf unter 20 Grad Celsius gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, in dem die Luft in dem Vorkühlschritt auf unter 15 Grad Celsius gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, in dem die Luft in dem Vorkühlschritt auf ca. 10 Grad Celsius gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 7, das zusätzlich den Schritt des kontinuierlichen Umwälzens der Luft in dem Arbeitsbereich (10) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, in dem die Umwälzung und die Trocknung der Luft mittels eines außerhalb des Arbeitsbereiches (10) angeordneten Luftkreislaufsystems erfolgt, und das zusätzlich den Schritt des Einmischens eines Frischluftanteils umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, in dem das Verhältnis von umgewälzter Luft zu Frischluft 90 : 10 ist.
Verfahren nach Anspruch 9, in dem das Verhältnis von umgewälzter Luft zu Frischluft 60 : 40 ist.
Verfahren nach Anspruch 9, in dem das Verhältnis von umgewälzter Luft zu Frischluft geringer als 50 : 50 ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, die umfasst: a) einen mit Luft gefüllten abgeschlossenen Arbeitsbereich (10); b) ein Lackapplikationssystem zum Aufbringen des Lackes auf eine zu lackierende Oberfläche, sobald die relative Luftfeuchtigkeit weniger als 25% beträgt; und c) ein Trocknungssystem (20, 30), das die Luft in dem genannten Arbeitsbereich (10) trocknet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, in der das Trocknungssystem (20, 30) einen kontinuierlich arbeitenden Adsorptionstrockner (20) umfasst
Vorrichtung nach Anspruch 14, in der der Adsorptionstrockner (20) als Adsorptionsmittel Silicagel oder Lithiumchlorid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, in der der Adsorptionstrockner (20) einen Adsorptionsrotor (20') umfasst, der aus einem Keramikverbundwerkstoff besteht und mit dem Adsorptionsmittel imprägniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 16, in der der Adsorptionstrockner (20) über eine Adsorptionsleitung (21) und einen separaten Regenerationskreislauf (29) verfügt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, in der das Trocknungssystem (20, 30) zusätzlich über eine Umwalz- und Vorkühlanordnung (30) verfügt.