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J. Wagner AG: Material- und ressourcenschonende Fluidförderung

Redakteur: Hermann Jörg

>> Als spezialisierter Anbieter von Anlagen und Komponenten für die industrielle Oberflächentechnik bietet die J. Wagner AG im Bereich Nasslackbeschichtung als Highlight die «Cobra»-Hochdruck-Membranpumpe. Sie vereint Vorteile einer Kolbenpumpe, wie hohe Drücke und grosse Förderleistung, mit denen einer Membran- pumpe: Reibungsfreiheit, kleiner Hubraum und hermetische Dichtigkeit. Mit ihrer einfachen und schnellen Spülbarkeit trägt sie zudem entscheidend zur Einsparung von Lacken und Lösemitteln bei.

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Bild 6: Direkte Vergleichsmessungen belegen den sparsamen Umgang mit Spülmittel beim Reinigen: Die Cobra von Wagner (in der Darstellung links) ist mit nur 0,8 Liter Spülmittel praktisch rückstandsfrei ausgespült. (Bild: J. Wagner)
Bild 6: Direkte Vergleichsmessungen belegen den sparsamen Umgang mit Spülmittel beim Reinigen: Die Cobra von Wagner (in der Darstellung links) ist mit nur 0,8 Liter Spülmittel praktisch rückstandsfrei ausgespült. (Bild: J. Wagner)

joe. Moderne Lacksysteme der industriellen Nass-Lackierung zeichnen sich durch immer speziellere Eigenschaften aus. Die Abstimmung der eingesetzten Materialien an die Anforderungen der Beschichtungsaufgaben bleibt nicht ohne Auswirkung: veränderte chemische Zusammensetzungen führen zu Eigenheiten, die bei der Verarbeitung zu beachten sind. Der Trend, Lösemittel zu reduzieren, ist nicht neu, doch der damit verbundene Viskositätsanstieg macht klassischen Fördersystemen durchaus zu schaffen. Steigende Preise der Lacke und Rohstoffe sowie Zeit- und Kostendruck in der Produktion machen Fördersysteme nötig, die diesen Anforderungen zuverlässig gerecht werden.

Eigenschaften moderner Lacksysteme sind unter anderem: ein breites Spektrum an Viskositäten, abrasiv, scherempfindlich, temperatur- und feuchtigkeitsempfindlich, Mehrkomponenten-Aufbau, kurze Topfzeiten.

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Je nach Beschichtungsaufgabe werden Lackmengen von wenigen 100 cm³ bis zu mehreren Litern verarbeitet. In allen Fällen entscheidet der gleichmässige, pulsationsfreie Materialfluss bei kontrolliertem dynamischem Druck über die Qualität des Beschichtungsergebnisses. Darüber hinaus ist es für moderne Fördersysteme unabdingbar, dass das Material von der Pumpe möglichst schonend behandelt wird und der Einsatz von Lösemitteln beim Spülen und Farbwechsel möglichst gering ist.

Daraus ergeben sich spezifische Anforderungen an die Fördertechnik:

  • kontrollierte Durchflussmenge und Prozessdrücke
  • leistungsfähige Materialförderung
  • hohe Ansaugleistung
  • geringe Innenvolumina
  • reibungs- und scherungsarm
  • hermetisch abgeschlossen
  • zuverlässig und wartungsarm
  • standfest und robust

Pumpentechnik heute

Klassische Kolbenpumpe

In Bild 2 ist eine einfach wirkende Pumpe dargestellt. Wird der Kolben nach rechts gezogen, entsteht ein Vakuum im Zylinder, welches das Einlassventil öffnet und Material aus dem Gebinde ansaugt. Wird der Kolben wieder in den Zylinder hineingeschoben, schliesst das Ventil am Einlass und der Auslass wird geöffnet. Das Material wird in die angeschlossene Schlauchleitung gefördert.

Der Antrieb des Kolbens erfolgt üblicherweise mit einem Luftmotor. Mit solchen Pumpen lassen sich sehr hohe Drücke erzeugen und grosse Materialmengen fördern. Kritischer Punkt an Kolbenpumpen ist die Packung, welche die Abdichtung des Systems intern und gegen die Atmosphäre sicherstellt: Sie erzeugt Reibung und damit erhebliche Scherkräfte und punktuelle Erhitzung. Darüber hinaus kommuniziert die Packung mit der Atmosphäre. Selbst kleinste Mengen von Wassermolekülen lassen empfindliche Härter wie beispielsweise Isocyanate prompt kristallisieren. Durch die Packung wird die Hubgeschwindigkeit der Pumpe begrenzt, weshalb für hohe Fördermengen grosse Hubräume verwendet werden müssen.

Membranpumpe

In Bild 3 ist eine einfach wirkende Membranpumpe dargestellt. Die Wirkweise unterscheidet sich von der Kolbenpumpe dadurch, dass anstatt des Kolbens eine am Zylinder eingespannte Membran mit Druckluft elastisch vor- und zurückbewegt wird und so das Material ansaugt beziehungsweise verdrängt. Der grosse Vorteil besteht darin, dass keine Packung benötigt wird, um das System abzudichten. Der Pumpenkörper ist komplett hermetisch gegen die Atmosphäre abgedichtet. Dadurch entsteht keine Reibung, keine Erwärmung und keine Scherung. Reaktive und abrasive Materialien sind problemlos zu verarbeiten.

Nachteil der Membranpumpe ist der niedrige Materialdruck.

Neue Pumpentechnologie

Kolben-Membranpumpe

Zwischen Kolben und zu förderndem Material wird eine Trennmembrane gelegt (Bild 4). Diese schliesst das Fluidsystem hermetisch gegen eine Hydraulikflüssigkeit ab, welche ihrerseits vom Kolben verschoben wird. Über das Flächenverhältnis vom Arbeitskolben zu dem des Luftmotors lässt sich der max. Systemdruck je nach Übersetzungsverhältnis bestimmen.

Die Verschiebevolumen sind klein und die Arbeitsgeschwindigkeit des Antriebs hoch. So lassen sich trotz kleinem Hubvolumen stattliche Förderleistungen realisieren.

Die Kolbenmembranpumpe vereint somit die Vorteile der Kolbenpumpe – hohe Drücke und grosse Förderleistung – mit denen der Membranpumpe: Reibungsfreiheit, Scherungsarmut, kleiner Hubraum und hermetische Dichtigkeit.

Darüber hinaus ist die Membrane eine reine, nicht angetriebene Trennmembrane und somit keiner mechanischen Belastung ausgesetzt. Dies sorgt zusätzlich für besonders lange Standfestigkeit und wenig Wartungsaufwand.

Die Kolben-Membranpumpe «Cobra» von Wagner

Waagerecht angeordnet ist ein doppelt wirkender Antriebskolben, welcher die Hydraulikflüssigkeit alternierend gegen die beiden waagerecht eingebauten Trennmembranen verschiebt. Das darüber liegende System arbeitet wie eine normale doppelt wirkende Membranpumpe mit ihren Ein- und Auslass-Ventilen. Das Doppelhubvolumen der kleinen Pumpe beträgt lediglich 10 cm³. Durch die hohe Arbeitsgeschwindigkeit und Übersetzung von 40:1 wird jedoch die Leistungsklasse einer 70 cm³ grossen Kolbenpumpe erreicht. Die Abluft des Luftmotors wird zur Kühlung des Hydraulikaggregates verwendet. Dieses patentierte Kühlsystem regelt sich selbständig in Abhängigkeit von der Pumpengeschwindigkeit.

Leistungsfähigkeit

Bei etwa 6- bis 7-mal kleinerem Hubraum erzeugen Kolben-Membranpumpen dieselbe Leistung wie eine 70 cm³ oder 150 cm³ grosse Kolbenpumpe. Die hohe Arbeitsgeschwindigkeit gewährleistet die nötige Ausbringmenge der Pumpe.

Spülmittelverbrauch und Farbverluste

Direkte Vergleichsmessungen belegen den extrem sparsamen Umgang mit Spülmittel beim Reinigen der Pumpe: Während die Faltenbalgpumpe nach 4,5 Litern Spülmittel nach dem Zerlegen immer noch erhebliche Farbrückstände aufweist, ist die Cobra nach nur 0,8 Liter Spülmittel praktisch rückstandsfrei ausgespült (Bild 6).

Materialschonend – packungsfreie Konstruktion

Packungen in Kolben- und Faltenbalgpumpen sorgen für Reibung, Scherung und punktuelle Erwärmung. Der Einsatz von Korrosionsschutzfarben ist in Kolbenpumpen nicht unkritisch, weil z.B. Zinkstaub äusserst abrasiv wirkt und Packungen wie Laufflächen gleichermassen angreift. Sehr viele Anwender verarbeiten manuell vorgemischtes 2K-Material: Die packungsfreie Bauweise erleichtert das rückstandsfreie Spülen erheblich.

Vollkommen abgedichtet gegen die Atmosphäre

Üblicherweise ist die Verarbeitung von isocyanatischen Härtern für PU-Lacksystem sehr sensibel, weil sie zusammen mit Luftfeuchtigkeit sofort reagieren. Mit regulären Kolbenpumpen lässt es sich nicht vermeiden, dass Feuchtigkeitsspuren über die Kolbenstange in die Pumpe eingetragen werden.

Die unvermeidliche Kristallisation des Härters verursacht starken Verschleiss an Packungen und bewegten Teilen der Pumpe. Deshalb werden für dieses Material heute hauptsächlich Faltenbalgpumpen eingesetzt. Diese haben aber auch Nachteile: Grosses Innenvolumen und dadurch hoher Spülmittelverbrauch, begrenzte Standzeit und teure Ersatzteile. Die Kolben-Membranpumpe dagegen ist hermetisch abgedichtet.

Geringe Scherung

UV-Lacke sind aus extrem langkettigen Molekülen aufgebaut. Wenn die Molekülketten zerrissen werden, verschlechtern sich die Lackeigenschaften. Scherung wird unter anderem an Kanten erzeugt, beispielsweise an den Packungen, aber auch überall dort, wo das Material durch enge Kanäle gefördert werden muss. Dazu gehören unter anderem die Überströmer im Kolben der Kolbenpumpe.

Die einzige Scherung in einer Kolben-Membranpumpe ist die an den Ventilen. Deren Querschnitte sind so gross wie möglich gestaltet, um unnötige Materialbelastung zu vermeiden.

Pulsation und Spritzqualität

Entscheidend für ein hervorragendes Spritzbild ist ein kontinuierlicher und pulsationsfreier Materialfluss. Jede kolbenbasierte Pumpe kämpft gegen die Pulsation. Man versteht darunter den Druck- und Förderausfall jeweils am Umkehrpunkt des Kolbens. So weit auch bei der Kolben-Membranpumpe, mit dem Unterschied, dass die Pumpengeschwindigkeit wesentlich grösser, die Umsteuerzeiten kleiner, die Umsteuermassen niedriger und in der Folge Druckabfall und Dauer signifikant kleiner sind als bei der vergleichbaren Kolbenpumpe.

Ansaugcharakteristik

Der zur Ansaugung verfügbare Unterdruck der Kolben-Membranpumpe ist kleiner als bei der grossvolumigen Kolbenpumpe. Das kleine Doppelhubvolumen gegenüber einer grossvolumigen Kolbenpumpe ist dafür verantwortlich. Dem kann jedoch mit einer Materialzuführung aus dem Oberbehälter entgegengewirkt werden.

2K-Variante

Eine Sondervariante der Cobra-Förderpumpe wird mit getrennten Kammern hergestellt. So lassen sich zwei unterschiedliche Flüssigkeiten alternierend fördern. Zur Verarbeitung von 2K-Material im Mischungsverhältnis 1:1 wird am Pumpenausgang ein Statikmischer montiert. Auf diese Weise lassen sich einfach und komfortabel Polyester-Lacke auch in kleineren Mengen wirtschaftlich applizieren. <<

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