Verfahren zum Aufbringen von Suspensionen einbrennfähiger Feststoffe auf Keramik- oder Glassubstrate und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensProcess for applying suspensions of stovable solids to ceramic or glass substrates and device for carrying out the process
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bisher werden Schichten aus einbrenn- fähigen Feststoffen, z. B. leitfähige Schichten wie Leiterbahnen, in Handarbeit mit einem Pinsel, durch Tampondruck oder auch durch Siebdruck auf Substrate aus Keramik oder Glas aufgebracht. Derartige Verfahren sind zum Teil umständlich und wenig rationell, zum Teil sind sie schwierig zu automatisieren und wenig flexibel, sie lassen nur wenig Raum für eine individuelle Gestaltung. - Aus der Datenverarbeitung sind Drucker nach dem Tintenstrahlprinzip bekannt, die aus einer homogenen Flüssigkeit Tröpfchen mit Hilfe des Piezoeffektes erzeugen. Bei Verpackungsmaschinen werden Packungen mit nach dem Ink-Jet-Prinzip arbeitenden Systemen beschriftet.The invention is based on a method according to the type of the main claim. So far layers of baked-on solids, e.g. B. conductive layers such as conductor tracks, applied by hand with a brush, by pad printing or by screen printing on substrates made of ceramic or glass. Such methods are sometimes cumbersome and not very efficient, sometimes they are difficult to automate and not flexible, they leave little room for individual design. - Printers based on the inkjet principle are known from data processing, which produce droplets from a homogeneous liquid with the aid of the piezo effect. In the case of packaging machines, packs are labeled with systems that work on the ink-jet principle.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 haben demgegenüber den Vorteil, daß Keramik- oder Glas
teile präzise mit einer definierten Beschichtung versehen werden können. Das Verfahren ist sehr flexibel und leicht zu automatisieren und deshalb sowohl für Laborzwecke als auch für die Massenproduktion geeignet. Es läßt sich bei zahlreichen Anwendungsfällen einsetzen, wie Aufbringen von Leiterbahnen auf Keramikplatten oder auf Glas, Herstellen von Leiterbahnen in Kleinserien, Aufbringen von Leiterbahnen auf Folien, Auftragen von Deckschichten aller Art; schließlich ist durch die Verwendung von einbrennfähigen Farbstoffen die Beschriftung und Verzierung technischer Artikel oder von Gebrauchsgegenständen aus Porzellan oder Glas sowie von Kacheln möglich. Hier ergeben sich gegenüber Handarbeit Rationalisierungsvorteile und gegenüber Druckverfahren der Vorteil einer individuellen Gestaltungsmöglichkeit.The inventive method with the characterizing features of the main claim and the device according to the invention with the characterizing features of claim 11 have the advantage that ceramic or glass parts can be precisely coated with a defined coating. The process is very flexible and easy to automate and is therefore suitable for both laboratory and mass production. It can be used in numerous applications, such as applying conductor tracks on ceramic plates or on glass, producing conductor tracks in small series, applying conductor tracks on foils, applying all types of cover layers; finally, the use of baked-in dyes makes it possible to label and decorate technical articles or everyday items made of porcelain or glass as well as tiles. Here there are rationalization advantages compared to manual work and the advantage of an individual design option compared to printing processes.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens sowie der in den Sachansprüchen angegebenen Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines Handhabungsgerätes oder Kleinroboters, mit welchem entweder das zu beschichtende Teil oder das Spritzgerät auf vorbestimmten Bahnen geführt wird. Als Steuergerät kann in vorteilhafter Weise ein programmierbarer Rechner verwendet werden. Als Spritzgerät dient vorteilhaft eine an einen Vorratsbehälter angeschlossene Düse, die entweder mit Hilfe einer Piezoplatte oder eines Magnetventils die Tröpfchen erzeugt. Da die verwendeten Suspensionen zum Absetzen neigen, ist es vorteilhaft, entweder die Suspension im Vorratsbehälter zu rühren oder mittels einer Pumpe und einer Bypass-Leitung ständig umzupumpen.
Ze ic hnungThe measures listed in the subclaims permit advantageous developments and improvements of the method specified in the main claim and of the device specified in the claims. The use of a handling device or small robot, with which either the part to be coated or the spraying device is guided on predetermined tracks, is particularly advantageous. A programmable computer can advantageously be used as the control device. A nozzle connected to a storage container, which generates the droplets either with the aid of a piezo plate or a solenoid valve, advantageously serves as the spraying device. Since the suspensions used tend to settle, it is advantageous either to stir the suspension in the storage container or to constantly pump it around by means of a pump and a bypass line. Drawing
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Prinzipskizze der gesamten Vorrichtung und die Figuren 2 bis 4 drei Ausführungsbeispiele des Spritzgerätes im Schnitt.Three embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. 1 shows a schematic diagram of the entire device and FIGS. 2 to 4 show three exemplary embodiments of the spraying device in section.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In Figur 1 ist die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Prinzip dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einem Handhabungsgerät oder Kleinroboter 1, an dessen Schwenkarm 2 das zu beschichtende Werkstück 3 befestigt ist. Ein Spritzgerät 4 ist in geeigneter Position ortsfest aufgestellt und über eine Rohrleitung 5 mit einem Vorratsbehälter 6 für die Suspension verbunden. Ein Steuergerät 7 in Form eines programmierbaren Rechners ist über eine Steuerleitung 8 mit dem Kleinroboter 1 verbunden, der die notwendigen Bewegungen des Werkstücks 3 herbeiführt. Über eine weitere Steuerleitung 9 zum Spritzgerät 4 wird die Intensität des Spritzvorganges gesteuert.In Figure 1, the device for performing the method according to the invention is shown in principle. The device consists of a handling device or small robot 1, on the swivel arm 2 of which the workpiece 3 to be coated is fastened. A sprayer 4 is set up in a suitable position and is connected via a pipeline 5 to a reservoir 6 for the suspension. A control device 7 in the form of a programmable computer is connected via a control line 8 to the small robot 1, which brings about the necessary movements of the workpiece 3. The intensity of the spraying process is controlled via a further control line 9 to the spraying device 4.
In Figur 2 ist eine Ausführungsform des Spritzgerätes 4 mit angeschlossenem Vorratsbehälter 6 dargestellt. Das Spritzgerät 4 besteht aus einer Düse 10 und einem Hohlraum 11, der als eine Wandung eine Piezoplatte 12 aufweist. Der Pizeoplatte 12 werden über nicht dargestellte elektrische Leitungen Spannungsimpulse zugeführt, von deren Frequenz, die durch das Steuergerät 7 gesteuert wird, die Intensität der Beschichtung abhängt. Die Frequenz liegt z. B. bei 100 Hz. Die Tropfengröße hängt im wesentlichen von der Höhe der angelegten Spannung ab, wird im allgemeinen einmal eingestellt, wobei die Spannung im Bereich zwischen 100 und 500 V liegt. An den Hohlraum 11 schließt sich ein
Zuführungsteil 13 an, an welchem die Verbindungsleitung 5 zwischen Spritzgerät 4 und Vorratsbehälter 6 angeschlossen ist. Um in dem Vorratsbehälter 6 ein Absetzen vor allem der schweren Metallpartikel zu verhindern, ist entweder der Vorratsbehälter 6 mit einem Rührer 1 k ausgerüstet oder zwischen dem Zuführungsteil 13 und dem Behälter 6 befindet sich eine Bypass-Leitung 15, um die Suspension ständig umzupumpen. In diesem Falle befindet sich in der Leitung 5 eine Pumpe 16. Um eine optimale Homogenität der Suspension zu gewährleisten, können auch beide Maßnahmen, nämlich Rührer 1 4 und Bypass-Leitung 15 vorhanden sein.FIG. 2 shows an embodiment of the spraying device 4 with the storage container 6 connected. The spraying device 4 consists of a nozzle 10 and a cavity 11 which has a piezo plate 12 as a wall. The pulse plate 12 is supplied with voltage pulses via electrical lines (not shown), the frequency of which, which is controlled by the control unit 7, determines the intensity of the coating. The frequency is e.g. B. at 100 Hz. The drop size depends essentially on the level of the applied voltage, is generally set once, the voltage being in the range between 100 and 500 V. The cavity 11 is closed Feeding part 13 to which the connecting line 5 between the spraying device 4 and the storage container 6 is connected. In order to prevent the heavy metal particles from settling in the storage container 6, either the storage container 6 is equipped with a stirrer 1 k or a bypass line 15 is located between the feed part 13 and the container 6 in order to continuously pump the suspension around. In this case there is a pump 16 in line 5. In order to ensure optimal homogeneity of the suspension, both measures, namely stirrer 14 and bypass line 15, can also be present.
Bei der Ausführungsform nach Figur 3 wird die Suspension mittels der Pumpe 16 ständig umgepumpt, wobei die Suspension durch die Düse 10 gedrückt und in eine gegenüberliegende Rückführöffnung 17 gespritzt wird, von wo sie wieder in den Vorratsbehälter 6 gelangt. Wird ein Teil der Suspension zur Beschichtung gebraucht, so wird diese in der oben beschriebenen Weise durch die Piezoplatte 12 in Tröpfchen zerteilt, gleichzeitig jedoch werden die Tröpfchen im elektrischen Feld der Elektroden 18 aufgeladen und in einem weiteren elektrischen Feld der Ablenkplatten 19 abgelenkt, so daß die Tröpfchen nun nicht mehr in die Rückführöffnung 17, sondern als abgelenkte Tröpfchen 20 auf das Substrat 3 fliegen.In the embodiment according to FIG. 3, the suspension is continuously pumped around by means of the pump 16, the suspension being pressed through the nozzle 10 and injected into an opposite return opening 17, from where it again arrives in the storage container 6. If part of the suspension is used for coating, it is divided into droplets in the manner described above by the piezo plate 12, but at the same time the droplets are charged in the electric field of the electrodes 18 and deflected in a further electric field of the baffle plates 19, so that the droplets no longer fly into the return opening 17, but instead as deflected droplets 20 onto the substrate 3.
In Figur k ist eine dritte Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Zerteilung der Suspension in einzelne Tröpfchen nicht mittels einer Piezoplatte erfolgt, sondern durch ein in kurzen Abständen schließendes und öffnendes Ventil 21, das vorzugsweise magnetisch gesteuert wird. Hierzu ist ein bestimmter Druck der Suspension notwendig, der entweder als Gasdruck im Vorratsbehälter oder durch eine Pumpe erzeugt werden kann. Im übrigen wird auch bei
dieser Ausführungsform für eine ständige Bewegung der Suspension mittels Rührer 1 4 und/oder Pumpe 16 und Bypass-Leitung 15 gesorgt.A third embodiment is shown in FIG. K, in which the suspension is not broken up into individual droplets by means of a piezo plate, but rather by means of a valve 21 which closes and opens at short intervals and which is preferably controlled magnetically. For this purpose, a certain pressure of the suspension is necessary, which can be generated either as a gas pressure in the storage container or by a pump. Incidentally, also at This embodiment ensures a constant movement of the suspension by means of stirrer 14 and / or pump 16 and bypass line 15.
Wie oben bereits angedeutet, kann es sich bei den Suspensionen um solche von Metallen, beispielsweise von Platin, handeln, um Leiterbahnen oder sonstige leitfähige Beschichtungen auf Keramik oder Glas aufzubringen. Hier werden handelsübliche Platinpasten oder Platinpulver mit ebenfalls handelsüblichen Verdünnern soweit verdünnt, daß die Viskosität der Suspensionen im Bereich von 0,001 bis 0,1 Pa. s liegt. Das gleiche gilt im Prinzip auch bei der Verwendung von einbrennfähigen Farbstoffen, z. B. in Form von farbigen Oxiden, wie sie für die Beschriftung und Verzierung von technischen Artikeln und Gebrauchsgegenständen aus Porzellan und Glas sowie von Kacheln eingesetzt werden können. Die günstigste Einstellung der Viskosität hängt auch von der Dimensionierung der Düse ab, die normalerweise einen Innendurchmessser von 50 bis 100 μm aufweist. Die Optimierung des Verhältnisses von Düsendurchmesser zu Viskosität muß daher durch Versuche ermittelt werden.As already indicated above, the suspensions can be those of metals, for example of platinum, in order to apply conductor tracks or other conductive coatings to ceramic or glass. Commercially available platinum pastes or platinum powder are diluted with commercially available thinners to such an extent that the viscosity of the suspensions is in the range from 0.001 to 0.1 Pa. s lies. The same applies in principle to the use of stovable dyes, e.g. B. in the form of colored oxides, as they can be used for the lettering and decoration of technical articles and utensils made of porcelain and glass as well as tiles. The most favorable setting of the viscosity also depends on the dimensioning of the nozzle, which normally has an inside diameter of 50 to 100 μm. The optimization of the ratio of nozzle diameter to viscosity must therefore be determined by experiment.
Nach dem Aufbringen der Beschichtungen werden die Substrate aus Keramik oder Glas bei einer für den jeweiligen Feststoff geeigneten Temperatur eingebrannt.
After the coatings have been applied, the ceramic or glass substrates are baked at a temperature suitable for the particular solid.