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Die Erfindung betrifft ein System zum reproduzierbaren Aufbringen von temporär wirkenden Oberflächenreinigungs- oder Funktionsbeschichtungen mittels Sprühen durch eine oder mehrere pneumatische Zweistoffdüsen mit Düsenkörper, welche mit mindestens einem Vorratsgefäß in Verbindung stehen, wobei das Vorratsgefäß mit sprühfähiger Oberflächenreinigungs- oder Funktionsbeschichtungsflüssigkeit gefüllt oder füllbar ist sowie weiterhin mit einem Druckgas, insbesondere einer Druckluftquelle, welche an der jeweiligen Zweistoffdüse anschließbar ist, um nach dem Prinzip einer Strahlpumpe oder Injektordüse, auch mit Lavaleffekt, die Oberflächenreinigungs- oder Funktionsbeschichtungsflüssigkeit zu fördern und durch Sprühen auf eine zu behandelnde Oberfläche, insbesondere der Oberfläche einer Kante eines Möbelstückes aufzutragen, wobei die jeweilige Zweistoffdüse als Minimalmengen-Düsenventil mit einer Stelleinrichtung am Düsenkörper ausgeführt ist, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus der
DE 10 2020 128 833 A1 ist ein Bereitstellungssystem zum Aufbringen von unterschiedlichen, anwendungsfallbezogenen, temporär wirkenden Oberflächenfunktionsbeschichtungen vorbekannt. Die Oberflächenfunktionsbeschichtung wird bei der Bearbeitung mittels Sprühen durch mehrere an einer Bearbeitungsmaschine anbringbare pneumatische Zweistoffdüsen mit Düsenkörper aufgebracht, wobei die Düsenkörper mit einem Vorratsgefäß in Verbindung stehen.
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Gemäß dortiger Lehre ist das Vorratsgefäß als Mischgefäß ausgebildet, welches mit einer Vielzahl von Komponentengefäßen gesteuert in Verbindung steht, derart, dass nach einer vorgegebenen Programmwahl Inhaltsstoffe aus den Komponentengefäßen in das Mischgefäß überführbar sind, wobei die Zweistoffdüsen aus dem Mischgefäß versorgt werden.
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Die
DE 20 2016 106 913 U1 offenbart pneumatische Zweistoffdüsen mit einem Düsenkörper, der an ein Vorratsgefäß anschließbar ist.
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Die Verbindung zwischen der jeweiligen Zweistoffdüse, das heißt deren Düsenkörper, und dem Vorratsgefäß ist abgedichtet ausgebildet. Hierdurch wird verhindert, dass Verschmutzungen aus der industriellen Umgebung in das Vorratsgefäß gelangen und womöglich über die Oberflächenfunktionsbeschichtungsflüssigkeit durch die Düse hin zur behandelnden Oberfläche transportiert werden mit nachteiligen Folgen hinsichtlich des Düsenverschleißes einerseits und einer womöglich unzureichenden Wirkung der Funktionsbeschichtung auf der zu behandelnden Oberfläche.
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Die Zweistoffdüsen sind als Minimalmengen-Düsenventil mit einer Stelleinrichtung im Düsenkörper ausgeführt.
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Die Stelleinrichtung weist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine auswechselbare Nadel mit Kegelsitzspitze auf. Die Kegelsitzspitze taucht in eine formseitig komplementäre Bohrung im Düsenkörper unter Erhalt eines Ringspaltes ein. Mit Verstellung der Nadel kann der Ringspalt vergrößert oder aber auch verkleinert und hierdurch die dem Sprühstrahl zugeführte Menge der Funktionsbeschichtungsflüssigkeit vorgegeben werden.
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Die Nadel besitzt im Bereich der Kegelspitze eine zentrische, in Nadellängsrichtung über einen vorgegebenen Weg orientierte erste Bohrung, welche sich mit einer zweiten, in Nadelquerrichtung orientierten Bohrung kreuzt, derart, dass auch bei einem geschlossenen Ringspalt eine über die Bohrungsabmessungen definierte Flüssigkeitsmenge absaugbar ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung gemäß
DE 20 2016 106 913 U1 weist der Düsenkörper zur Aufnahme der in einem Nadelhalter befindlichen Nadel eine Sacklochbohrung auf, wobei der Nadelhalter in die Sacklochbohrung einschraubbar ist.
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Der Nadelhalter wiederum besitzt eine Durchgangsöffnung zur Führung der Nadel, wobei die Durchgangsöffnung und die Nadel wiederum komplementäre Gewinde zur Nadelverstellung aufweisen.
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Die Sacklochbohrung steht mit einem durch den Düsenkörper geführten ersten Kanal in Verbindung, wobei der erste Kanal in einer Öffnung zur Zuführung der Flüssigkeit endet.
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Diese Öffnung kann ein Schraubgewinde bzw. einen Schraubanschluss aufweisen oder in einen solchen Schraubanschluss übergehen, um beispielsweise eine Schlauchverbindung herstellen zu können.
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Der Ringspalt wiederum geht in einen zweiten Kanal über, welcher zu einem dritten Kanal führt, an welchem die Druckgasquelle anschließbar. Auch insofern weist das Ende des dritten Kanals einen Schraubanschluss oder dergleichen Mittel auf. Im Schnittpunkt des zweiten und des dritten Kanals schließt sich ein Zweistoffgemischkanal an, welcher in eine Düsenöffnung des Düsenkörpers mündet.
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Die vorgeschlagene Zweistoffdüse kann bevorzugt zum Kantenbeschichten von Möbelplatten eingesetzt werden, wobei das Beschichten auch eine Oberflächenreinigung der Kante oder das Aufbringen von Trennmitteln umfasst.
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Aus der
DE 196 51 702 C1 ist ein Verfahren zum Überwachen der Funktion eines Sprühstrahls, insbesondere in Lackieranlagen vorbekannt.
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Diesbezüglich wird die Verwendung eines akustischen Systems vorgeschlagen, bei dem aus dem Geräusch des Sprühstrahls ein Nutzsignal ermittelt und das Nutzsignal zur Beurteilung der Funktion des Sprühstrahles einer Analyse unterzogen wird.
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Bei der Vorrichtungseinheit zur Bestimmung einer Durchflussmenge wenigstens einer ersten Düse gemäß
DE 10 2020 204 686 A1 wird davon ausgegangen, dass eine bestimmte Durchflussmenge, welche die Düse verlässt, akustisch betrachtet eine Eigenfrequenz aufweist.
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Die dortige Vorrichtung besitzt eine Verarbeitungseinheit und ein Mikrofon, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, ein Frequenzspektrum mittels des Mikrofons zu einem vorgegebenen Zeitpunkt zu erfassen und die Durchflussmenge der wenigstens ersten Düse in Abhängigkeit von dem erfassten Frequenzspektrum zu bestimmen.
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Bei dem Einspritzpumpenprüfstand gemäß
DE 34 02 804 A1 wird die Einspritzmenge mittels eines Mikrofons erfasst.
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Durch das Mikrofon werden Druckstöße beim Einspritzen in einem abgeschlossenen Luftraum aufgefangen, wobei das Integral des Mikrofonsignals ein Maß für die Einspritzmenge darstellt. Die gesamte Einspritzmenge kann dann mittels eines Kalibriersystems ermittelt werden.
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Bei dem System zur Erkennung von Düsenströmungen gemäß
US 2017080445 A wird ein Mikrofon an jeder der zu überprüfenden Düsen angebracht, um eine Geräuschsignatur der entsprechenden Düse zu erfassen und abzuspeichern. Durch Bestimmung von Schalländerungen an jeder Düse soll es möglich sein, Durchflussänderungen zu ermitteln, bevor sich eine Druckänderung als Problem im System manifestiert.
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Bei verstopften Düsen oder bei Düsen mit übermäßigem Verschleiß und zu hohem Durchfluss soll eine signifikante Schalländerung ermittelbar sein.
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Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes System zum reproduzierbaren Aufbringen von temporär wirkenden Oberflächenreinigungs- oder Funktionsbeschichtungen mittels Sprühen durch eine oder mehrere pneumatische Zweistoffdüsen mit Düsenkörper anzugeben, wobei hinsichtlich der Düsenkörper auf die Lehre gemäß
DE 20 2016 106 913 U1 beispielhaft zurückgegriffen wird.
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Das neuartige System soll auf ein an sich bekanntes Erfassen des Frequenzspektrums der betreffenden Zweistoffdüsen zurückgreifen, wobei jedoch im Vergleich zu vorbekannten Sprühsystemen auf einen Minimalmengenverbrauch orientiert wird.
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Hierzu ist auf die besondere technologische Problematik bei sogenannten Kantenanleimmaschinen im Bereich der Möbelindustrie und artverwandten Industrien abzustellen. Dabei müssen auf definierte Seiten oder Kanten von üblicherweise plattenförmigen Möbelstücken, die mit einer recht hohen Bandgeschwindigkeit an den jeweiligen Düsen vorbeilaufen, minimalste, fein zerstäubte Flüssigkeiten, zum Beispiel als Trennmittel, zur Kühlung oder als Reinigungsmittel aufgebracht werden. Die minimal aufgebrachten Mengen sollen dabei grundsätzlich nicht, insbesondere nicht über einen längeren Zeitraum auf der jeweiligen Kante oder Möbelstelle verbleiben, sondern nur den betreffenden folgenden technologischen Schritt stützen oder einen solchen Schritt möglich machen.
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Aufgrund der automatisierten Fertigung in der Möbelindustrie ist es ein maßgebliches Ziel der vorliegenden Erfindung, dass Minimalmengen-Sprühsystem so auszubilden, dass die entsprechenden Flüssigkeiten oder Lösungen gleichförmig und reproduzierbar über einen längeren Zeitraum ohne manuelle Eingriffe aufgetragen werden können.
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Dabei gilt es ergänzend, den aktuellen Zustand der Zweistoffdüsen, die ausgebrachte Menge, die Qualität des Sprühstrahles und die Zuverlässigkeit der betreffenden Zweistoffdüsen zu überwachen, um gegebenenfalls vorbeugende Austausch- oder Wartungsarbeiten durchzuführen und Produktionsunterbrechungen zu vermeiden.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung geschieht mit der Lehre gemäß dem geltenden Hauptanspruch, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Es wird demnach von einem System zum reproduzierbaren Aufbringen von temporär wirkenden Oberflächenreinigungs- oder Funktionsbeschichtungen mittels Sprühen durch eine oder mehrere pneumatische Zweistoffdüsen mit Düsenkörper ausgegangen, wobei die Düsenkörper mindestens mit einem Vorratsgefäß in Verbindung stehen.
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Das oder die Vorratsgefäße sind mit sprühfähiger Oberflächenreinigungs- oder Funktionsbeschichtungsflüssigkeit gefüllt oder füllbar. Weiterhin ist ein Druckgasanschluss, insbesondere eine Druckluftquelle vorgesehen, welche an der jeweiligen Zweistoffdüsen anschließbar ist, um nach dem Prinzip einer Strahlpumpe oder Injektordüse, auch mit Lavaleffekt, die Oberflächenreinigungs- oder Funktionsbeschichtungsflüssigkeit zu fördern und durch Sprühen auf eine zu behandelnde Oberfläche, insbesondere die Oberfläche einer Kante eines Möbelstückes aufzutragen, wobei die jeweilige Zweistoffdüse als Minimalmengendüsenventil mit einer Stelleinrichtung im Düsenkörper ausgeführt ist.
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Erfindungsgemäß ist unmittelbar am oder im Düsenkörper eine Einrichtung zur Bestimmung des beim Sprühprozesses entstehenden akustischen Schallpegelspektrums ausgebildet.
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Das akustische Schallpegelpektrum wird hinsichtlich des Frequenzverlaufes des Schallpegels aufgezeichnet und einer angeschlossenen Recheneinheit zugeführt.
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In der Recheneinheit wird ein Vergleich mit einem Kalibrier- oder Sollspektrum vorgenommen und eine Überprüfung auf signifikante Abweichungen realisiert, so dass zur Wiederherstellung des Kalibrier- oder Sollspektrums eine gezielte Betätigung der Stelleinrichtung der Zweistoffdüse, ein Düsenaustausch und/oder eine Wartung vorgenommen werden kann.
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Ziel ist es hier, dass über den jeweiligen Betriebszeitraum ein gleichmäßiger und reproduzierbarer Ausstoß und Auftrag der Oberflächenreinigungs- oder Funktionsbeschichtungsflüssigkeit gegeben ist.
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Insbesondere wenn ein piezoelektrisches Scheibenmikrofon oder dergleich Schallwandler am oder in den Düsenkörpern integriert wird, ist in einfacher Weise eine kontinuierliche Messung des Schallpegelspektrums des Düsenstrahls möglich.
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Aus umfangreichen Versuchen, zurückgehend auf die Anmelderin, hat es sich gezeigt, dass das gemessene Schallpegelspektrum zwei wesentliche Komponenten aufweist.
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Zum einen existiert im höherfrequenten Bereich ein typischer Schallpegelverlauf einer Austrittsdüse mit verwirbelter Ausströmung mit charakteristischem Strouhal-Maximum und im niederfrequenten Bereich ein rapider Abfall des Pegels auf ein lokales Minimum. Die Frequenz des Strouhal-Maximums steht in direkter Beziehung zur Strahlgeschwindigkeit in der Düse bzw. den ersten Millimetern nach dem Strahlaustritt.
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Eine Reduzierung der Strahlgeschwindigkeit macht sich im Spektrum durch eine Verschiebung des Strouhal-Maximums zu niedrigen Frequenzen hin und durch eine Reduzierung des Schallpegels in der Intensitätsglocke bemerkbar.
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Es wurde erkannt, dass der Ursprung der Schallkomponenten unter anderem die Wirbelablösung von turbulenten Düsenstrahlen in den ersten Millimetern nach Strahlaustritt ist. Die Breite einer ermittelten Schallglocke steht insofern in Beziehung zur Homogenität der Verwirbelung der Flüssigkeit im Sprühstrahl. Eine unerwünschte Verbreiterung der Intensitätsglocke steht für eine ungleichmäßigere Verwirbelung der Flüssigkeit im Strahl, was die Homogenität der Materialauftragung negativ beeinträchtigt.
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Eine gleichmäßige Materialaufnahme in die strömende Luft äußert sich in einer engen und relativ hohen Schallglocke.
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In Ausgestaltung der Erfindung umfasst das System eine Einrichtung zur Bestimmung des akustischen Spektrums, insbesondere in Form eines piezoelektrischen Schallwandlers oder eines Kondensatormikrofons.
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Die Stelleinrichtung der Zweistoffdüse kann gemäß Ausführungsbeispiel mit einem elektromechanischen Aktor in Wirkverbindung stehen.
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Dieser Aktor kann ein elektronisch ansteuerbarer Schrittmotor sein, um eine automatische Korrektur des Sprühstrahles bzw. der Austragsmenge zu bewerkstelligen.
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Als für den Sprühstrahl signifikante Werte werden also das Strouhal-Maximum und dessen Verteilung im höherfrequenten Bereich des Spektrums und der Abfall oder die Abfallrate des jeweiligen Niederfrequenzberges des Spektrums herangezogen.
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Das notwendige Kalibrier- oder Sollspektrum wird auf eine möglichst hohe Frequenz des Strouhal-Maximums für eine homogene Verwirbelung im Sprühstrahl und einem möglichst geringen Abfall des Niederfrequenzberges vorgegeben und bedarfsweise nachgeregelt oder nachjustiert.
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Die Frequenzanalyse umfasst das Aufzeichnen des Frequenzverlaufes bzw. des Schallpegelspektrums im Bereich von mindestens bis zu 15 kHz und darüber.
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Zur Ermittlung eines auf den jeweiligen Einzelfall bezogenen Sollfrequenzspektrums kann ergänzend eine Analyse Sprühstrahles mit Verteilung der Funktionsbeschichtungspartikel im Sprühstrahl durch optische oder optoelektronische Mittel erfolgen. Dabei wird gleichzeitig die zu erwartende Auftragsmenge pro Zeiteinheit ermittelt.
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Gemäß umfangreichen Untersuchungen wird der Arbeitsdruck der Druckluftquelle auf einem Bereich von im Wesentlichen 2,0 bis 3,5 bar, besonders bevorzugt auf im Wesentlichen 3 bar eingestellt, derart, dass sich der Überschallschockbereich, entstehend durch einen sich öffnenden Düsenkanal und Expansion des Druckgases innerhalb des Düsenkörpers ausbildet.
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Der Abstand zwischen dem Austritt der jeweiligen Zweistoffdüse und der zu behandelnden Oberfläche wird auf einen Bereich zwischen 2,5 bis 5,0 cm, insbesondere im Wesentlichen 3,0 cm eingestellt.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
- Fig. 1
- die Darstellung eines beispielhaften Schallpegelspektrums einer Zweistoffdüse mit dem Verlauf des Schallpegels über Frequenz im Bereich von größer 0 Hz bis ca. 20 kHz;
- Fig. 2
- eine weitere Darstellung des Schallpegelspektrums nebst zugehörigem Schallpegel, linearisiert mit erkennbaren Änderungen des Strouhal-Maximums bzw. dessen Verschiebung bei einem relativ geringen Massenfluss (durchgezogene Linie) und einem Großraummassenfluss (gestrichelte Linie);
- Fig. 3
- eine Darstellung eines Querschnittes durch eine typische Düse für den Lösungsmittelauftrag in Kantenanleimmaschinen und Druckverlauf sowie Verlauf der Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der Düse, räumlich zugeordnet in jeweiligen Düsenabschnitten und mit Bezeichnung der Abschnitte von Drucklufteinlass DE zum Drosselkanal DK hin zum erweiterten Kanal EK mit Flüssigkeitseinlass FE.
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Im Ausführungsbeispiel wird auf Untersuchungen von Zweistoffdüsen für Kantenanleimmaschinen und den von den Düsen erzeugten Schalldruck im Hörschallbereich von im Wesentlichen 16 Hz bis 20 kHz abgestellt.
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Alle untersuchten Düsen, welche über den Venturi-Effekt flüssiges Lösungsmittel im Druckluftträger beimischen, zeigen im Frequenzbereich zwischen 2 und 20 kHz ein breitbandiges Schallpegelspektrum, welches mit der Ähnlichkeitsfunktion für verwirbelten Ausstrom reproduzierbar ist. Aus dieser Ähnlichkeitsfunktion kann eine charakteristische mittlere Geschwindigkeit des Freistrahles ermittelt werden, die sich als Parameter des Filmauftrages anbietet.
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Im niedrigeren Frequenzbereich zwischen 16 Hz und 2 kHz fällt der gemessene Schallpegel bei allen untersuchten Düsen hyperbolisch mit zunehmender Frequenz ab. Dieser Niederfrequenzschall wird der Strömung und der Lösungsmittelbeimischung im eigentlichen Düsenkanal zugeordnet.
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Es wurde erkannt, dass aus hyperbolischen Anpassungen an den gemessenen Pegelverlauf ein Formparameter bestimmbar ist, der den Grad der Breitbandigkeit des Niederfrequenzschalls charakterisiert. Dieser Formparameter kann als diagnostischer Parameter der Strahlerzeugung und der Phasenvermischung im Düsenkanal erfindungsgemäß genutzt werden.
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Die gemessenen Schallspektren und die diagnostischen Parameter variieren mit externem Arbeitsdruck, dem Druckluftvolumenfluss, der Geometrie des Düsenkanals und dem Massenfluss des Lösungsmittels. Zur Qualitätskontrolle im Einsatz der entsprechenden Zweistoffdüse ist für selbige ein Masterschallpegelspektrum als Referenzspektrum aufzeichenbar. Mittels automatisierter Auswertung werden dann charakteristische Werte für die diagnostischen Parameter der optimal arbeitenden Düse bestimmt.
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Eine regelmäßige Aufzeichnung von weiteren Schallspektren während des Einsatzprozesses der Düse und der Vergleich mit dem Masterspektrum und den optimalen Parameterwerten dient der Beurteilung der korrekten Funktion der Düse und der Gleichmäßigkeit des Auftrages der entsprechenden Flüssigkeit. Abweichungen können über eine manuelle oder automatisierte Nachsteuerung der Düsenfunktion korrigiert werden.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass in an sich bekannter Weise Hochdruckdüsen in der automatisierten Möbelherstellung genutzt werden, um Lösungsmittel, Trennmittel oder Reinigungsmittel temporär auf Kanten in Kantenanleimmaschinen aufzutragen. Produktionseffizient und Kosten erfordern diesbezüglich einen verlässlichen und reproduzierbaren Prozess. Der Austritt des Düsenstrahls in den atmosphärischen Umgebungsbereich bzw. den Umgebungsdruck erzeugt Strömungsschall im Hörschallbereich, der analytisch für die erfindungsgemäße Aufgabenstellung und zu deren Lösung herangezogen wird.
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Die in der Fig. 1 aufgenommenen Spektren sind mit den jeweils gestrichelten Linien als Ähnlichkeitsfunktion für den verwirbelten Ausstrom dargestellt.
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Für Zweistoffdüsen der hier relevanten Art beschreibt eine solche Ähnlichkeitsfunktion für verwirbelte Ausströmung den Intensitätsverlauf des bestimmten Spektrums deutlicher. Im höherfrequenten Bereich entspricht der ermittelte Schall bzw. das Schallspektrum zum einen der turbulenten Kanalströmung entlang einer zentralen Achse des Düsenkanals, der turbulenten Grenzschicht zwischen hin zur Düsenkanalwand, der turbulenten Vermischungszone, die sich über mehrere Millimeter außerhalb der Düse erstreckt, wo der schnelle Strahlfluss mit der ruhenden Außenluft und der Atmosphärendruck wechselwirkt und lokal und kleinräumig zur Ablösung von Wirbelpaaren führt und geht zurück auf den vollentwickelten turbulenten Freistrahl, wo eine großräumigere Verwirbelung stattfindet.
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Das Spektrum im Niederfrequenzbereich mit der in der Figur 1 dargestellten Intensität geht zurück auf die Quellen der zeitlichen Schwankungen des gesamten Massenflusses im Austrittsquerschnitts der Düse und auf zeitliche Schwankungen des lokalen Massenflusses im Austrittsquerschnitt, welche durch die ungleichmäßige Aufnahme und Tröpfchenbildung des Lösungsmittels im schnellen turbulenten Niederdruckstrom des Düsenkanals entsteht. Außerdem ist das Spektrum zurückzuführen auf ein Wechseldruckfeld zwischen Fluid und Kanalwand der Düse.
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Die Aufnahme der Flüssigphase in der Druckluft am Lösungsmittelzugang durch das Venturi-Prinzip kann ungleichmäßig erfolgen und zu Massendichteschwankungen entlang des Düsenkanals führen, die sich in zeitlichen Schwankungen des gesamten Massenflusses im Austrittsquerschnitt der Düse äußern. Eine solche Monopolquelle ist generell stark und selbige kann aus der Geometrie der Düse abgeschätzt werden. Die Peak-Frequenz einer derartigen Quelle wird in der Größenordnung von 100 Hz liegen.
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Durch Tropfenbildung im Düsenkanal nach Beimischung des Lösungsmittels kann es lokal zu zeitlichen Schwankungen des Massenflusses im Austrittsquerschnitt der Düse kommen. Hier wurden Schallfrequenzen im Dipolcharakter in der Größenordnung 100 Hz bis 1 kHz ermittelt.
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Bei Untersuchungen gemäß Ausführungsbeispiel wurde sichergestellt, dass Vibrationen des Düsenkörpers nicht über die Fixierung der Düse an andere Bauteile weitergegeben werden. Das heißt, es wurden ungewollte Resonanzpeaks vermieden.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der im höherfrequenten Bereich gemessene Schallpegelverlauf seinen Ursprung im turbulenten Strom des Düsenaustrittes, der Vermischungszone und des Freistrahls hat und die dort vorherrschende mittlere Geschwindigkeit und die Stärke der Verwirbelung der Flüssigkeitspartikel im Strahl reflektiert.
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Hingegen ist der Pegelverlauf im Niederfrequenzbereich aussagekräftig für die Strömung im Düsenkanal und die dort einsetzende Vermischung von Druckluft und Lösungsmittel.
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Für die Auswertung und die Relevanz des ermittelten Schallspektrums ist maßgeblich, dass es sich vorliegend um ein Zweiphasenfluid handelt, welches durch Beimischung eines Lösungsmittels als spezielle Funktionsbeschichtungsflüssigkeit zur Durchführung durch Venturi-Unterdruck handelt, und zwar im Düsenkanal. Die Geschwindigkeit und die Turbulenz der Druckluft im Düsenkanal sorgen dafür, dass sich die gasförmige Druckluftphase und die flüssige Lösungsmittelphase schnell vermischen und die Flüssigkeit in sehr feine Tröpfchen zerfällt, die von der Strömung mitgerissen werden.
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Aus den Spektren lässt sich also erkennen, ob ein exzessiver Lösungsmittelfluss, kein Lösungsmittelfluss oder eine optimale Aufnahme des Lösungsmittels stattgefunden hat. Die Schaltintensität im höherfrequenten Bereich, der seinen Ursprung in der verwirbelten Ausströmung hat, steigt sowohl mit Druckluftvolumenfluss als auch mit zunehmendem Lösungsmittelfluss. Das Spektrum zeigt also Veränderungen des Mischungsverhältnisses deutlich.
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Vergleichsweise wurde der Fall untersucht, bei dem keine Lösungsmittelbeimischung erfolgte. Die Schallerzeugung und das daraus resultierende Spektrum geht dann lediglich zurück auf verwirbelte Druckluft. In diesen Fällen ist die gemessene Schaltintensität im Niederfrequenzbereich deutlich niedriger als im Normalbetrieb. Dies bestätigt, dass die Phasenvermischung im Düsenkanal einen erheblichen Beitrag zum typischen Niederfrequenzspektrum des Schalls leistet und Veränderungen in diesem Bereich die Dynamik und die Effektivität der Beimischung des Lösungsmittels widerspiegeln.
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Die Schallintensität im höherfrequenten Bereich steigt sowohl mit dem Druckluftvolumenfluss als auch mit dem Lösungsmittelfluss an. Die Spektren widerspiegeln also sehr deutlich Veränderungen des Mischungsverhältnisses.
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Die gemessenen Schaltpegelspektren gemäß Figur 1 bzw. Figur 2 für einen im Wesentlichen optimalen Düsenbetrieb wurden mit einer Ähnlichkeitsfunktion für verwirbelte Ausströmung (gestrichelte Linien nach Figur 1) hinterlegt.
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Die Ähnlichkeitsfunktionen für kleinen Massenfluss (durchgezogene Linie) und großen Massenfluss (gestrichelte Linie) nach Figur 2 zeigen, dass verlässliche Peak-Frequenzen für das Strouhal-Maximum Fp' bestimmt werden können.
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Im Sinne der Lösung der Aufgabe der Erfindung wurde gemäß Ausführungsbeispiel das breitbandige Frequenzspektrum von Zweistoffdüsen im Hörschallbereich von etwa 16 Hz bis 20 kHz als charakteristischer Fingerabdruck einer optimal arbeitenden Düse und damit als Referenz in einem Masterspektrum ermittelt. Aus den Daten für den Niederfrequenzbereich von 16 Hz bis 2 kHz wurde ein Formparameter F ermittelt und aus den Daten für den Hochfrequenzbereich (2 kHz bis 20 kHz) eine charakteristische Geschwindigkeit u des austretenden Freistrahles bestimmt.
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Zur Kontrolle und zum manuellen oder automatisierten Betrieb sowie zur Nachjustierung der Funktionsqualität der Zweistoffdüse im laufenden Betrieb erfolgt in regelmäßigen Abständen das Ermitteln von Kontrollspektren. Diese werden dann mit dem jeweiligen Masterspektrum verglichen.
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Abweichungen im Niederfrequenzbereich oder aber auch im Hochfrequenzbereich bzw. bezüglich der Werte von F und u führen dann zu gezielten Veränderungen der Betriebsparameter der Düse, bis die Form des Masterspektrums wieder erreicht wird.
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Ein breitbandiges Schallspektrum kann erfindungsgemäß innerhalb weniger Sekunden bei laufendem Maschinenbetrieb aufgenommen werden und zur automatisierten Steuerung bzw. Regelung der entsprechenden Düsen Verwendung finden.
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Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine typische Düse für den Lösungsmittelauftrag in Kantenanleimmaschinen.
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Unter Annahme einer isentropischen Strömung lassen sich für die Düse der Verlauf des Druckes und die Strömungsgeschwindigkeit für einen typischen absoluten Arbeitsdruck von 3 bar abschätzen.
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Änderungen ergeben sich insbesondere am Beginn des Düsenkanals, an der Aufweitung des Kanals oder Lösungsmittelbeimischung und im Überschallschockbereich, der zwischen dem Lösungsmitteleingang und dem Düsenausgang vorliegt.
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Es hat sich gezeigt, dass die Strömung von Druckluft durch eine typische Düse für Kantenanleimmaschinen in guter Näherung isentropisch ist, wobei des Weiteren die Luft als ideales, komprimierbares Gas betrachtet werden kann. Das Verhältnis von anliegendem Arbeitsdruck und dem Atmosphärendruck am Düsenausgang ist so groß, dass die Strömungsgeschwindigkeit an der engsten Stelle des Düsenkanals, das heißt der Drossel, gleich der Schallgeschwindigkeit ist.
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Ein typisches Design einer Zweistoffdüse ähnelt der Situation, die man bei Lavaldüsen vorfindet, da ein relativ großer Eingangsdurchmesser für den Druckluftzustrom in einen engen Drossel-Düsenkanal mündet, der sich dann zur Aufnahme des Lösungsmittels weitet und in einigen Fällen bei konischer Düsenöffnung hin einer Vergrößerung unterliegt. Bei einem bevorzugten Arbeitsdruck von 3 bar ist bei den eingesetzten Düsen der Grenzwert für den Überschallschock überschritten. Mit steigendem Arbeitsdruck erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit an der engsten Düsenstelle nicht mehr.
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Öffnet sich der Düsenkanal nach der Engstelle, nimmt die Geschwindigkeit dort nicht ab, sondern erhöht sich weiter durch die Expansion des Druckgaese. Sie erreicht dann den Überschallbereich mit einer lokalen Maßzahl von M > 1. Durch die Expansion sinkt außerdem der lokale Druck bis unter den Umgebungsdruck auf der Ausgangsseite.
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Die Anpassung des Strömungsdruckes an den Außendruck erfolgt in einem Überschallschock. Dieser Schock entsteht an der Stelle, wo der Druck auf der Ausgangsseite, aufgrund der Überschallgeschwindigkeit der Strömung nicht weiter in den Düsenkanal hineinreicht. Im Überschallschockbereich steigt der lokale Druck schlagartig auf den Umgebungsdruck auf der Ausgangsseite an und die Maßzahl sinkt sofort in den Unterschallbereich mit M < 1.
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Eine weitere Erhöhung des Arbeitsdruckes verschiebt die Überschockwelle weiter nach rechts (siehe Figur 3) bis sie den Ausgang der Düse erreicht. Höhere Arbeitsdrücke erzeugen eine instabile Strömung am Ausgang, da die Schockwelle aus der Düse hinausgestoßen und aufgebrochen wird.
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Betrachtungen für Lavaldüsen lassen sich auf klassische Düsen für Kantenanleimmaschinen übertragen, was in Figur 3 dargestellt ist.
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Ein typischer Arbeitsdruck für derartige Düsen von 2 bar und der Atmosphärendruck von 1 bar ergeben am Drucklufteinlass einen Gesamtdruck von p = 3 bar. Die Luft strömt mit Schallgeschwindigkeit durch den engen Düsenkanal, d.h. der sperrenden Drossel des Systems.
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Für einen absoluten Arbeitsdruck von p = 3 bar ergibt sich an der Engstelle ein Druckabfall auf einen Drosseldruck von p*=1,58 bar. Für einen absoluten Arbeitsdruck von 3 bar errechnet sich für eine hier eingesetzte typische Düse mit optimalen Düsenquerschnitt ein Druckluftmassenfluss von 70 g pro Minute.
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Hieraus ist die Auftragsmenge bei der Anwendung in einer Kantenanleimmaschine ermittelbar. Bei bekannter Bandgeschwindigkeit der Maschine kann die jeweils aufgebrachte bzw. aufbringbare Schichtdicke der jeweiligen Flüssigkeit bestimmt werden, so dass die technologischen Prozesse für die der Einsatz der Düse und das Aufbringen von Mikropartikeln erforderlich sind, optimier- und reproduzierbar sind.
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Das Verhältnis des Durchmessers d* des Drosselkanals DK zum Durchmesser d des erweiterten Kanals EK ist bei gegebenem Arbeitsdruck entscheidend für die Strömungsphysik in der Düse nach Figur 3. Ein Wert d/d*= 1,1 ergibt eine hohe Austrittsgeschwindigkeit für die Düsenströmung. Bei einem Wert von im wesentlichen d/d*= 1,6 entsteht ein großer und vorteilhafter Unterdruck. Für ein optimales Düsendesign und dessen Anwendung im vorgeschlagenen System, sollte daher ein Wert von d/d* im Bereich zwischen 1,1 bis 1,6 bevorzugt zwischen 1,2 und 1,5 gewählt werden.