具有超声头的涂布系统的制作方法

本发明涉及一种用于对工件涂布液体涂料制品的涂布系统。

背景技术：

当前，使用超声液体雾化来将液体涂料制品喷涂到待涂布的工件上。在“超声液体雾化理论与应用(ultrasonicliquidatomizationtheoryandapplication)”(partridgehill出版社-1998和2006)中，harveyl.berger考虑了将静电学应用于超声液体雾化并且说明了将静电学实施到超声雾化方面在理论上将对甚至是使用远低于在传统静电喷涂中使用的电压的电压的喷涂应用控制带来非常高的效率。

从那时开始，考虑对使用静电学的超声雾化进行某些应用。例如，在论文“cuins2薄膜以静电场辅助的超声喷涂热解方式进行的沉积(depositionofcuins2filmsbyelectrostaticfieldassistedultrasonicspraypyrolysis)”(太阳能材料与太阳能电池(solarenergymaterialsandsolarcells)95(2011)245-249)中，dong-yeupli和junhokim披露了下述情况：待喷涂的液体被超声探头激发，以被转化成悬浮微粒，该悬浮微粒被运载气体朝向管的出口输送，以被用于喷涂热解沉积。这种系统不允许精确地控制悬浮微粒的流率或密度，并且在该悬浮微粒的介于形成该悬浮微粒所在的容器到管的出口之间的路径中，悬浮微粒可能会聚结，使得由于通常所观测到的液滴之间的凝聚而不能够准确地控制被用于涂布物体的液滴的尺寸。涂层可能是粗糙的或者不均匀的并且在被涂布的表面上可能产生一些瑕疵。

在“使用静电辅助的超声喷涂热解方法进行的ni-cgo复合阳极沉积(depositionofni-cgocompositeanodesbyelectrostaticassistedultrasonicspraypyrolysismethod)”(材料研究公报(materialsresearchbulletin)42(2007)1674-1682)中，jing-chiangchen等人考虑生成悬浮微粒并且在玻璃管中将该悬浮微粒朝向喷嘴输送，该喷嘴面对支承待涂布的基质的铜板。这里再次地，具有悬浮微粒的液滴聚结的风险。

这些学术作品将不易于在工业环境中使用，因为涂层沉积高度依赖于许多因素，诸如输送悬浮微粒的管的几何形状和长度。

另一方面，在已知的系统中，通常在电极与待涂布的物体之间生成静电场，该静电场具有对于待涂布的工件不是最优的场线分布。在这种情况下，大部分的雾化产物可能终止(endup)于待涂布的表面之外，这在污染的方面以及从经济的角度而言是不利的。

技术实现要素：

本发明目的在于使用一种新型的涂布系统来解决这些问题，该涂布系统利用超声头的通用性并且该涂布系统使得静电场线的分布能够最优化，因此使得涂布效率最优化。

为此，本发明涉及一种用于以液体涂料制品涂布工件的涂布系统，该涂布系统包括：

-超声喷涂头，该超声喷涂头用于产生涂料制品的液滴，

-电极，该电极用于在电极与超声喷涂头之间产生静电场，以及

-高电压发生器，该高电压发生器被连接到电极，用以对电极供应高电压。

由于本发明，使得电极能够精确地控制朝向工件的静电场线分布，因此精确地控制涂料制品液滴朝向工件的路径。更准确地，电极用作将液滴朝向待涂布的工件引导的电场的构造器(conformator)。

根据本发明的有利的但非强制性的另外的方面，涂布系统可包含以任何技术上允许的组合采用的以下特征中的一个或数个：

-基于工件的几何形状来构造电极的形状。由于本发明的这个方面，可根据待涂布的工件的实际几何形状来定制电极的形状，这样使得能够在工件周围紧密地建立静电场线，因此避免了或者很大程度地限制了过度喷涂现象。

-当从超声头处观察时，电极的边缘是工件的轮廓的映像，优选地是该轮廓的精确映像。

-涂布系统包括计量设备，尤其呈具有可移动的活塞的泵的形式的该计量设备用于对超声头供给受控的量的液体涂料制品。替代地，可使用其它类型的泵作为计量设备。

-电极支承工件并且与工件接触。

-电极被按照工件的几何形状成形并且被包括高电压发生器的基座部分支承。

-基座部分使工件与地电位绝缘，防止来自于电极的任何漏电。

-基座部分限定了被构造成用于容纳不同形状的电极的区域。

-电接触构件位于该区域中，用以将高电压发生器连接到被容纳在该区域中的电极。

-电接触构件能以不与被容纳在该区域中的电极平行并且被朝向该电极偏压的方式沿一轴线移动。

-高电压发生器被整合在子模块中，该子模块还包括放电电阻和连接装置，所述子模块限定了两个壳体以及连接壳体，高电压发生器和放电电阻分别被接纳在这两个壳体中，连接器被接纳在该连接壳体中以连接高电压发生器和放电电阻。

-电接触构件由被容纳在连接壳体中的连接器支承并且被电连接到该连接器。

-电极被成形为至少部分地被工件包围。

-电极能够围绕其纵向轴线旋转。

-电极被固定到超声头并且被构造成通过电离使液滴带电。

-电极设有围绕超声头的排出喷嘴散布的尖突部(spike)，该尖突部基于工件的几何形状分布。

-能够基于工件的几何形状和/或电极与工件之间的距离调整尖突部相对于超声喷涂头的中心轴线的定向角。

-电极由工件形成。

-超声头设有喷气单元，该喷气单元被构造成喷出围绕离开超声头的液滴的成形空气喷射流。

附图说明

基于下文对应于附图并且作为不限制本发明的对象的说明性示例给出的描述，本发明将被更好地理解。在附图中：

-图1为根据本发明的涂布系统的透视图；

-图2为图1的处于第一使用构造下的系统的一些部件的较大比例的透视图；

-图3为与图2相似的当系统处于第二使用构造下时的透视图；

-图4为用于控制图1至图3的系统的电极模块的接线的示意性表示；

-图5为处于对应于图2中的系统构造的第一使用构造下的电极模块的透视图；

-图6为处于图5的构造下的电极模块的剖视图；

-图7为沿着图6中的线vii-vii的放大的局部剖视图；

-图8为电极模块的分解图；

-图9为与图6相似的当电极模块处于第二使用构造下时的剖视图；

-图10为与图6相似的当电极模块处于对应于图3中的系统构造的第三使用构造下时的剖视图；

-图11为根据本发明的第二实施例的涂布系统的示意性表示；

-图12为根据本发明的第三实施例的涂布系统的前视图；

-图13为沿图12中的箭头a13的方向的视图；

-图14为与图13相似的当该第三实施例的涂布系统处于另一工作构造下时的视图；以及

-图15为根据本发明的第四实施例的涂布系统的局部透视图。

具体实施方式

在图1至图7中示出的涂布系统2包括外壳4，该外壳限定了由门6关闭的内部容积v4，该门设有由无机玻璃或有机玻璃制成的透明的窗8，该窗使得能够透过门6检视容积v4。

替代地，门6是不透明的。

外壳4形成了用于使用涂布系统2来实施的涂布过程的舱。

涂布系统2还包括控制箱10，该控制箱除其它部件之外包括可编程逻辑控制器或plc12。在图1中，控制箱10的前面板被移除以示出plc12。

涂布系统2包括超声喷涂头14，该超声喷涂头由3轴直角坐标型机器人支承并且具有其竖直定向的纵向轴线x14。超声头被引导向下、朝向待涂布的工件w1，该工件处于超声头14的下方。

在另一实施例中，喷涂头可由六轴机器人操控，为了使喷涂头在待涂布的工件表面前方具有最佳的位置，尤其是对于立体(volumic)/3d工件，该六轴机器人使得轴线x14能够与竖直方向成一角度。

可在从20khz到10mhz的整个超声频率范围内选择超声头频率，并且该超声头频率例如为下述频率：25khz、35khz、48khz、60khz、120khz、180khz、250khz。典型地，由超声喷涂头产生的液滴的以数量中值直径(nmd或dn0.5)表示的尺寸给出如下：69μm(25khz)、50μm(35khz)、38μm(48khz)、32μm(60khz)、18μm(120khz)、12μm(180khz)、8μm(250khz)。

超声喷涂头14可以是任何市售的类型。

管18对超声头14供给待雾化的液体，并且被整合在头14内的未示出的振动构件被致动，以当工件w1实际位于头14下方时使该涂料制品雾化。在图2中，箭头f2表示从超声头14出来并且被朝向工件w1引导的被雾化的涂料制品的液滴的流。

管18被供给来自于计量泵19的涂料制品，该计量泵仅在图1中可见并且被示出为注射器。优选地，计量泵19具有可移动的活塞。替代地，可使用诸如齿轮泵的其它类型的计量设备来经由管18供给超声头14。使用计量设备来供给超声头14使得能够精确地控制涂料制品的量，因此精确地控制液滴的流f2。

为了更好地控制离开头14的液滴的喷射形状，成形气体单元20被安装成围绕超声头14的下端部。该单元20被经由管22供给空气并且喷出围绕液滴的流f2的空气流，该空气流由图2中的箭头f4表示。这样避免了该流相对于轴线x14径向地偏离。替代地，在成形单元20中可使用不同于空气的气体。

头14能够随着由导轨16表示的3轴直角坐标型机器人沿空间的三个方向移动。

为了增强对工件w1的涂布效果，在喷涂头14与电极之间生成静电场e。

为此，电极模块30与超声头14和3轴直角坐标型机器人一起位于容积v4内。电极模块30支承工件w1。换言之，工件w1处于电极模块30上。工件w1由于与电极32a接触而以静电的方式带电。

该电极模块30具有平的上表面，该上表面由电极32a构成，该电极由特别是金属(诸如黑色金属(铁、不锈钢……)或有色金属(铝、铜……)以及其合金)的导电材料的薄板制成。

该电极32a处于电极模块30的基座部分34上，该基座部分由诸如合成材料(例如聚丙烯(pp)、聚甲醛(pom)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚氯乙烯(pvc))的电绝缘材料制成。基座部分34使工件w1和电极32a与地电位绝缘，防止任何来自于电极的漏电。

如图4所示，电极模块30由位于控制箱10中的高电压控制器36控制。更准确地，高电压控制器36经由第一电缆38被连接到电力网以及经由第二电缆40被连接到电极模块30。第三电缆42将电极模块30连接到外壳4，该外壳被接地。

另一方面，控制电缆44使得plc12能够按照预先建立的控制序列并且以符合适用的安全规则的方式来控制高电压控制器36。

超声喷涂头14经由未示出的接地电缆和未示出的超声连接器被接地，这可被认为是“双接地”。实际上，这是很重要的，因为超声头14的振动构件是一种电气设备，如果该振动构件承受高电压，则该振动构件的运行可能会被干扰。因此，涂布系统2的在电极模块30处而不在超声头14处施加高电压的总体布局是有利的。

当电极模块30经由电缆40被供应电流时，在超声头14与电极32之间产生静电场e。静电场线l在一方面的超声头14与另一方面的电极32和工件w1之间延伸。

电极32a带电，其具有处于0.1kv到100kv之间的范围内的高电压，并且优选地具有处于5kv到30kv之间的范围内的高电压。假设高电压为负，则离开超声喷涂头14的被雾化的涂料制品的液滴通过感应而带有正电，使得该液滴遵循着场线l朝向电极32，因此朝向处于电极32a的顶部上的工件w1。

在图2的示例中，工件w1是平的部件，例如是太阳能电池玻璃盖板。在图5中，以虚线的方式示出工件w1，以完全示出电极32a。

在这种情况下，如图5所示，电极32a的形状是平的以及是矩形的，该电极具有边缘，该边缘具有与工件w1的边缘大致相同的形状。

例如，电极32a可以是具有与由工件w1限定的矩形相同的比例的矩形，并且该电极具有介于工件w1的表面区域sw的80％到5000％之间优选地介于100％到125％之间的表面区域s32。

更准确地，表面区域s32可小于或等于表面区域sw，其中s32/sw的比处于0.8到1之间的范围内。替代地，表面区域s32和sw可以相等或大致相等，其中s32/sw的比处于0.95到1.05之间的范围内。根据另一种方式，表面区域s32可大于或等于表面区域sw，其中s32/sw的比处于1到50之间的范围内。

在这些情况下，可像在图2的构造中一样减小电极32a的从喷涂头14处“可见”的围绕工件w1的部分，使得所有的场线l在工件w1周围终止和闭合。因此，从超声头14出来的液滴被静电场e有效地朝向工件w1引导。

如可从图5至图10得到的，基座部分34限定了顶部腔46，该顶部腔形成了具有长度l46和宽度w46的区域，该长度和宽度对应于电极32a的和待使用于电极模块30中的任何其它电极的最大尺寸。

在图2、图5、图6和图8的构造中，电极32a具有最大的可能尺寸，使得该电极充满腔46。凹口47使得能够从侧向进入腔46，以当电极32a必须与基座部分34分离时在该电极上例如使用工具(诸如螺丝刀的尖端或甚至是指尖)来施加提升作用力。

基座部分34还限定了凹部48，该凹部容纳子模块50，该子模块适用于将从高电压控制器36经由电缆40接收到的电流转换为待施加到电极32的高电压。

子模块50包括高电压发生器52，根据静电喷涂领域中的、尤其是手喷枪中的已知的技术，该高电压发生器由二极管的级联制成。子模块50包括绝缘主体54，该绝缘主体限定了沿着第一轴线x56延伸的第一细长壳体56。主体54还限定了第二细长壳体58，该第二细长壳体沿着平行于轴线x56的第二轴线x58延伸。实际上，轴线x56和x58可对于任何定向都是不平行的。在优选的构造中，轴线x56和x58大致平行，即以二者之间小于30°的角度会聚或分散，使得这两条轴线在主体54的同一侧敞开。这种构造形成了非常简洁的连接，因为供电电缆40可将高电压电源与接地基准归集在一起。连接壳体60垂直于轴线x56和x58地连接壳体56和58。因此，壳体56、58和60共同限定了u形的容积，该容积用于容纳子模块50的高电压供应装置。

放电电阻62与连接杆64一起位于壳体58内。另一方面，连接器66被容纳在壳体60内。

弹簧68被置于高电压发生器52与连接器66之间。另一弹簧70被置于连接器66与电阻62之间。因此，连接器66在弹簧68和70的帮助下连接高电压发生器52和放电电阻62。

接地板72位于主体54的与壳体60相对的一个端部处，壳体56和58在该端部处敞开。这样使得能够经由接地电缆42将高电压发生器52和连接杆64连接到地，而高电压发生器52还经由单独的导线40a、40b和40c被连接到电缆40。出于清楚的目的，连接器40a、40b和40c仅在图8中示出。

连接器66支撑接触构件74，该接触构件穿过基座部分34的壁78的开口76，该壁将腔46与凹部48分开。因此，当子模块50被安装在凹部48内时，接触构件74与壁78平齐或者突出到腔或区域46中，使得该子模块能够对被安装在腔或区域46内的任何电极施加源自于高电压发生器52的高电压。

如图7所示，接触构件74由被容纳在连接器66的竖直孔67中的导电销柱形成。连接器66被o形环79固定在壁78内。可沿着孔67的中心轴线x67调整销柱74在孔67内的竖直位置。有利地，弹簧69被设置在孔67的闭合端部处，该弹簧偏压销柱，使该销柱抵靠电极32a。

如可从图5、图6、图9和图10得到的，具有不同几何形状的电极可与基座部分34和子模块50一起使用。

例如，如图9所示，在图2的构造中被用于具有矩形形状的大工件w1的矩形电极32a可被替换为具有平的和矩形的形状的适用于具有较小尺寸的工件w2(诸如手机屏幕)的电极32b。假设电极32b被置于腔46的中心部分，使得该电极与构件74接触，该电极还适于与超声头14产生静电场，使得关于图2描述的操作能够得到在电极32b上围绕工件w2的闭合的静电场线。

如图3和图10所示，在使用呈盘或球体的一部分的形式的工件w3的情况下还可以使用电极32c。例如，工件w3可以是待涂布不同的涂层(诸如疏水层，顶部保护涂层，硬涂层或者甚至是抗反射涂层)的光学透镜。如果工件w3为盘，则电极32c是平的。如果工件w3呈球体的一部分的形式，则电极32c优选地是弯曲的或翘曲的，以与工件w3的形状一致。在这第二种情况下，电极32c相对于腔46可向上突出，该腔仍形成用于容纳电极32c的区域。

在图9和图10中，为了更容易理解，工件w2和w3的总体形状以及电极32b和32c的总体形状以虚线的形式部分地示出。

如图3所示，建立在电极32c与被接地的超声头14之间的静电场e产生了场线l，该场线在项14与32c之间延伸，使得离开超声头14的呈流f2的形式的液滴被这些场线朝向工件w3引导。

在该示例中，工件w3与电极32c的各自的直径的比可在0.8到2之间选择。

可根据待处理的工件的实际几何形状而对被置于区域46上的电极选择其它的形状。例如，可制造三角形电极或具有多于四条边的多边形电极，以遵循待处理的工件的轮廓，该工件可能是多边形的或圆形的并尤其具有卵形的形状。而且，可选择电极的立体的或弯曲的形状设计。例如，可设计半球形的或抛物面的电极，以支承半球形的或抛物面的光学透镜。扩展开来，可根据待处理的工件的几何形状来选择任何立体的形状规则的或不规则的电极。

实际上，有利地，当从超声头14处观察时，电极32a、32b、32c的边缘或等效部分是工件的轮廓的映像。换言之，电极的边缘可被限定，以使得液滴围绕工件的轮廓均匀地分布，并且提高制品到工件的转移效率。

有利地，电极32a、32b或32c的边缘是工件的轮廓的精确映像，其中“精确映像”意指由电极的边缘形成边界的表面区域与由工件的轮廓形成边界的区域之间的差异小于由轮廓形成边界的区域的10％。

另一方面，可通过增大电极在该区域中的暴露表面来改变电极32a、32b或32c的几何形状，电极的暴露表面是从超声头14处可见的围绕工件的表面，使得精确地控制工件的边缘上的涂布轮廓。

在于图11至图15中示出的本发明的第二、第三和第四实施例中，与第一实施例的部件相似的部件带有相同的标记并且不进行详细说明。在后文中，主要说明与第一实施例的差异。

在图11的第二实施例中，待涂布的工件w4为血管支架。在这种情况下，电极32d被成形为心轴，该心轴沿着纵向轴线x32延伸并且被绝缘部件34保持，并且被一机构驱动围绕该轴线进行旋转，该机构被包括在基座部分35中。电极32d是圆柱形的并且被成形为被支架w4全部地或部分地包围。

包括高电压发生器52的子模块50位于基座部分34外部并且通过电缆80连接到电极32d，该电缆终止于导电刷82，该导电刷与电极32d的外周表面滑动接触。

如在图11的右侧可见的，一些其它的心轴32e、32f可根据待涂布的支架w4的几何形状而与电极模块30的部件34、35和50一起使用。

替代地，电极32d至32e根据待涂布的工件w4的形状可以不是圆柱形的。

在于图12至图14中示出的本发明的第三实施例中，电极32g被安装在超声头14周围并且经由电极模块30的子模块50被供应高电压，该子模块包括高电压发生器52。在这种情况下，从超声头14的排出喷嘴15出来的液滴的流f2由于电晕效应而被加载静电，该电晕效应即由于电极32的尖突部32g1而在喷嘴15周围造成的空气电离，该尖突部朝向处于接地板84上的待涂布的工件w5延伸。

当工件w5为如图12中以实线示出的圆形时，如图13所示，电极32g也是圆形的并且其尖突部32g1围绕超声头14的纵向轴线x14均匀地分布。

当工件w5具有如图12中参照w5'所示的卵形的形状时，则电极也可被成形为卵形，如图14中以电极32h示出的。该电极的尖突部32h1可围绕排出喷嘴15和超声头14的中心轴线x14均匀地或不均匀地分布，以使液滴均匀地或不均匀地分布在待涂布的工件w5'的表面上。

如图15所示，电极32i的尖突部32i1可沿液滴的流f2的方向朝向中心轴线x14和超声头14的喷嘴15会聚。

α32指代超声喷涂头14的中心轴线x14与尖突部32i1的纵向轴线x32之间的角度。该角度根据待涂布的工件的几何形状和/或沿着轴线x14测量的电极32i与工件之间的距离而可调整。角度α32是尖突部32i1的轴线相对于轴线x14的定向。

根据未示出的替代实施例，电极可由工件自身形成。例如，在第一实施例和第二实施例中，工件w1至w4可直接与接触构件74或与刷82电接触。

在上文中所考虑的实施例的特征和变型可被组合，以产生本发明的新的实施例。

特别地，可在第二至第四实施例中使用与单元20相似的喷气单元。