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事例詳細/静電塗装

静電塗装解析 FLUENT UDF使用例

● 概要

塗装は表面処理の一工程です。塗料は一般的にVOC(揮発性有機成分)が含まれており、環境保護の観点から様々なVOC削減技術が開発検討され、少量かつ均一に塗布する技術の確立も望まれています。 静電塗装(静電霧化方式)では塗装厚を均一にするため、最適な塗装条件(スプレーガンの移動条件、被塗物との間隔など)を求めることが必要です。
この事例では、静電塗装プロセスで生じる現象をシミュレーションにより再現しました。

● 原理

塗装液は高速回転するアトマイザー先端のベルカップにおいて遠心力で薄く引延ばされます。その後カップの端部から放出されて霧化粒子(液滴)になります。これらの液滴はアトマイザー周辺のシェーピングエアーにより被塗物方向に向かいます。さらに液滴粒子は帯電しているため、クーロン力の効果により効率的に被塗物に向かうように調整されます。

e-spray01.PNG

スプレー塗装をモデル化するためには、流れ場の方程式(NS方程式)、電位場の方程式、および液滴粒子の運動を記述する方程式を同時に計算する必要があります。ノズルから噴射された帯電液滴粒子が生成する空間電荷は非常に小さいと考えられます。従って電位場はラプラス方程式を解くことで計算することができます。

e-spray-equation1.PNG

ここでは、Φは電位を表しています。静電界は以下の式で計算されます。

e-spray-equation2.PNG

スプレーガンは、強い負電位(これは規定値)で、被塗物は電位ゼロ(接地されている)として空間内の電位分布を計算することが出来ます。

液滴の運動軌跡は以下の方程式を解くことで計算されます。

e-spray-equation3.PNG

液滴に作用する抗力は以下の様に表されます。

e-spray-equation4.PNG

● 解析例

ここでは、表面形状が球面の金属容器の側面に対してスプレー塗装を行った例を示します。スプレーガンは容器表面から一定の間隔離れた位置を移動します。またスプレーガンの軸は被塗物表面に垂直になるように変化しています。計算で得られた結果を以下に示します。

e-spray02.PNG
電位場及び電界ベクトル図
          e-spray05.PNG
VOC濃度コンター


液滴粒子軌跡(側面)
          e-spray07.PNG
液膜厚コンター

● 解析から分かる事

設計検討上、塗装工程で「いかに薄く」「少量の塗料若しくはVOC」で塗布しながら、製品の品質や見栄えを良くするかが求められており、流体解析は製品の品質や環境面で対策を図る上で参考となると考えられます。

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