AT521392B1 - Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche (1) eines Gegenstandes mit einem Zusatzwerkstoff, wobei ein den Zusatzwerkstoff enthaltendes Werkzeug (2) auf die Oberfläche (1) gepresst und auf der Oberfläche (1) bewegt, insbesondere regelmäßig bewegt, vorzugsweise rotierend bewegt, wird, sodass ein Teil des Werkzeuges (2) unter Temperatureinwirkung im Bereich der Oberfläche (1) plastifiziert und sich mit der Oberfläche (1) verbindet, wobei zumindest in einem Bereich der Oberfläche (1) ein den Zusatzwerkstoff im Wesentlichen umschließendes und die Oberfläche (1) berührendes Führungsteil vorgesehen ist, welches eine Bewegung des Zusatzwerkstoffes in einer Ebene parallel zur Oberfläche (1) begrenzt. Um einen Verlust von Zusatzwerkstoff zu vermeiden und eine qualitativ hochwertige Beschichtung (7) zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein aus einem verschleißfesteren Material als der Zusatzwerkstoff bestehendes Führungsteil eingesetzt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUM BESCHICHTEN EINER OBERFLÄCHE

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Gegenstandes mit einem Zusatzwerkstoff, wobei ein den Zusatzwerkstoff enthaltendes Werkzeug auf die Oberfläche gepresst und auf der Oberfläche bewegt, insbesondere regelmäßig bewegt, vorzugsweise rotierend bewegt, wird, sodass ein Teil des Werkzeuges unter Temperatureinwirkung im Bereich der Oberfläche plastifiziert und sich mit der Oberfläche verbindet, wobei zumindest in einem Bereich der Oberfläche ein den Zusatzwerkstoff im Wesentlichen umschließendes und die Oberfläche berührendes Führungsteil eingesetzt wird, welches eine Bewegung des Zusatzwerkstoffes in einer Ebene parallel zur Oberfläche begrenzt.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 19.

[0003] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren der eingangs genannten Art bekannt geworden.

[0004] Aus dem Dokument GB 2 270 864 A ist ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mit einem Zusatzwerkstoff bekannt geworden, wobei ein den Zusatzwerkstoff enthaltendes Werkzeug auf die Oberfläche gepresst und auf der Oberfläche rotierend bewegt wird.

[0005] Beim konventionellen Reibauftragsschweißen wird ein sich drehender Zusatzwerkstoff mit großer Normalkraft auf die zu beschichtende Oberfläche eines Substrates gepresst, sodass an einer Kontaktfläche, in welcher der Zusatzwerkstoff die Oberfläche kontaktiert, hohe Temperaturen hervorgerufen werden, wobei ein Teil des Zusatzwerkstoffes sowie ein Teil des Substrates bzw. ein Teil der Oberfläche plastifizieren und sich der Zusatzwerkstoff mit der Oberfläche verbindet. Nachteilig dabei ist, dass durch hydrostatische Kräfte ein Teil des Zusatzwerkstoffes seitlich aus einer Plastifizierungszone, in welcher der Zusatzwerkstoff plastifiziert wird, gepresst wird und außenseitig am drehenden Zusatzwerkstoff verbleibt bzw. an diesem nach oben wandert. Dabei bildet sich ein Wulst rund um ein Ende des Zusatzwerkstoffes, in welchem ein großer Anteil des häufig teuren Zusatzwerkstoffes verbleibt, sodass das Verfahren nur eine unzureichende Effizienz erreicht. Gleichzeitig wird insbesondere in einem Randbereich nur eine geringe Qualität der Beschichtung erreicht.

[0006] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine erhöhte Effizienz erreicht wird.

[0007] Weiter soll eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens angegeben werden.

[0008] Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei welchem ein aus einem verschleißfesteren Material als der Zusatzwerkstoff bestehendes Führungsteil eingesetzt wird.

[0009] Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass ein Verlust von Zusatzwerkstoff auf einfache Weise vermieden werden kann, wenn ein entsprechendes Führungsteil vorgesehen ist, welches üblicherweise besonders verschleißfest ausgebildet ist. Das in aller Regel rund um den Zusatzwerkstoff angeordnete Führungsteil verhindert, dass sich ein Wulst endseitig am Zusatzwerkstoff im Bereich der Plastifizierungszone bildet und ein Teil des Zusatzwerkstoffes seitlich bzw. parallel zur Oberfläche aus der Plastifizierungszone transportiert wird. Das Führungsteil wirkt somit den hydrostatischen Kräften und Zentrifugalkräften entgegen, welche den Zusatzwerkstoff andernfalls seitlich aus der Plastifizierungszone bzw. einem Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Substrat bewegen würden. Zusatzwerkstoff kann somit aufgrund des vorgesehenen Führungsteiles nicht oder nur in äußerst geringen Mengen außerhalb eines Bereiches bewegt werden, welcher beschichtet werden soll. Dadurch wird die Bildung eines endseitigen Wulstes, welcher Zusatzwerkstoff enthält oder aus Zusatzwerkstoff besteht, sowie ein unerwünschtes Hochklettern des Zusatzwerkstoffes am Werkzeug auf einfache Weise verhindert.

[0010] Das Werkzeug kann grundsätzlich aus Zusatzwerkstoff bestehen oder den Zusatzwerkstoff beinhalten. Der Zusatzwerkstoff ist relativ zum Führungsteil in aller Regel bewegbar angeordnet, wenngleich der Zusatzwerkstoff relativ zum Führungsteil keine Bewegung ausführen muss. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Führungsteil mit derselben Geschwindigkeit bewegt bzw. rotiert wird, mit welcher der Zusatzwerkstoff bewegt bzw. rotiert wird.

[0011] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Führungsteil aus einem Material ausgebildet ist, welches verschleißfester und gegebenenfalls korrosionsbeständiger als der Zusatzwerkstoff ist. Dadurch ist ein verlustfreies Aufbringen von Zusatzwerkstoff möglich.

[0012] Das Führungsteil wird üblicherweise aus einem Material hergestellt oder mit einem Material beschichtet, an welchem der Zusatzwerkstoff und/oder das plastifizierte Material des Werkzeuges nicht haften, sodass ein gezieltes Führen des plastifizierten Materials durch das Führungsteil in der Plastifizierungszone gewährleistet werden kann. Hierzu kann das Führungsteil beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff, kubischem Bornitrid, Titan-Nickel-Legierungen oder aus einem Material, welches für Rührreibschweißwerkzeuge eingesetzt wird, gebildet oder mit einem solchen Material beschichtet sein.

[0013] Üblicherweise ist das Führungsteil als Hohlzylinder ausgebildet und der Zusatzwerkstoff im Führungsteil angeordnet, sodass der Zusatzwerkstoff rundum im Führungsteil eingeschlossen ist. Eine Stirnseite des Führungsteiles, welche die Oberfläche des Substrates beim Beschichten berührt, ist vorzugsweise etwa eben ausgebildet.

[0014] Um einen unerwünschten Transport von plastifiziertem Zusatzwerkstoff aus der Plastifizierungszone auf einfache Weise zu verhindern, kann vorgesehen sein, dass das Führungsteil an einer Stirnseite, welche die Oberfläche berührt, ein Profil, insbesondere eine Spirale, aufweist, sodass plastifiziertes Material im Bereich der Stirnseite in ein Inneres des Führungsteiles gefördert wird. Wird ein Zusatzwerkstoff eingesetzt, welcher aus mehreren Komponenten besteht, insbesondere ein verschleißfestes Pulver in einer Metallmatrix, wird dadurch auch eine bessere Vermischung der Komponenten erreicht.

[0015] Es hat sich bewährt, dass das Führungsteil an einer Innenseite zumindest teilweise profiliert, insbesondere mit einer Helix profiliert, ausgebildet ist, um plastifiziertes Material zur Oberfläche oder von der Oberfläche weg zu fördern. So kann durch ein gezieltes Bewegen von plastifiziertem Material mittels des Führungsteiles eine Effizienz des Verfahrens weiter erhöht werden.

[0016] Üblicherweise ist vorgesehen, dass der Zusatzwerkstoff und/oder das Führungsteil um Achsen rotieren. Dadurch werden für ein Plastifizieren des Zusatzwerkstoffes in der Plastifizierungszone erforderliche Bedingungen auf einfache Weise erreicht. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der Zusatzwerkstoff und das Führungsteil mit derselben Geschwindigkeit rotieren. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass das Führungsteil und der Zusatzwerkstoff mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren, dass das Führungsteil nicht rotiert und nur der Zusatzwerkstoff um eine Achse rotiert oder dass der Zusatzwerkstoff nicht rotiert und nur das Führungsteil rotiert, um für ein Beschichten der Oberfläche günstige Bedingungen im Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Oberfläche bzw. in der Plastifizierungszone zu erreichen.

[0017] Mit Vorteil kann vorgesehen sein, dass das Führungsteil im Verfahren nicht rotiert und eine Stirnseite des Führungsteiles, welche die Oberfläche des Substrates beim Beschichten berührt, glatt und eben ausgebildet ist, während ein anderer Teil des Führungsteiles leicht schräg stehend ausgebildet ist, um die aufgebrachte Beschichtung zu glätten und zusammenzupressen, sodass eine Beschichtung hoher Qualität erreicht wird.

[0018] Das Führungsteil und der Zusatzwerkstoff können grundsätzlich verschiedenste Formen und Konturen aufweisen. Wenn das Führungsteil als Hohlzylinder ausgebildet ist und der Zusatzwerkstoff als zylindrische Stab ausgebildet ist, welcher im Hohlzylinder positioniert ist, kann es vorteilhaft sein, wenn eine Achse, um welche der Zusatzwerkstoff rotiert, einer Achse entspricht, um welche das Führungsteil rotiert d. h., wenn Achsen von Führungsteil und Zusatzwerkstoff zusammenfallen bzw. fluchten.

[0019] Es kann allerdings auch vorteilhaft sein, wenn die Achse, um welche der Zusatzwerkstoff rotiert, und die Achse, um welche das Führungsteil rotiert, nicht fluchten. Die Achsen können parallel zueinander sein oder unter einem Winkel zueinander stehen. Wenn beispielsweise ein Innendurchmesser eines als Hohlzylinder ausgebildeten Führungsteiles wesentlich größer als ein Außendurchmesser eines Zusatzwerkstoffes ist, wobei der Zusatzwerkstoff im Hohlzylinder positioniert ist, kann auch vorgesehen sein, dass eine Achse des Zusatzwerkstoffes um eine Achse des Führungsteiles rotiert wird.

[0020] Um für ein Plastifizieren des Zusatzwerkstoffes vorteilhafte Bedingungen zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Zusatzwerkstoff und/oder das Führungsteil zyklisch auf der Oberfläche bewegt werden, wobei ein Bewegungszyklus insbesondere Rotations- und/oder Translationsbewegungen umfasst. Für ein Plastifizieren des Zusatzwerkstoffes und/oder des Werkzeuges erforderliche Bedingungen können durch zyklische Linearbewegungen wie beim Linearreibschweißen, durch Vibrationsbewegungen wie beim Vibrationsschweißen, durch Ultraschallbewegungen wie beim Ultraschallschweißen, durch Orbitalbewegungen wie beim Orbitalschweißen oder Multiorbitalschweißen oder durch das Überlagern verschiedener Bewegungen und/oder Frequenzen erreicht werden.

[0021] Zur Erreichung einer Beschichtung mit besonders hoher Qualität, kann vorgesehen sein, dass der Zusatzwerkstoff und/oder das Führungsteil und/oder das Werkzeug nur translatorisch bewegt werden, beispielsweise in zyklischen Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen bzw. in anderen Vibrationsbewegungen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Zusatzwerkstoff und/oder das Führungsteil zyklisch rotatorisch bewegt werden, beispielsweise zyklisch hin- und hergedreht werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Zusatzwerkstoff zehn Umdrehungen in eine Richtung durchführt, wonach der Zusatzwerkstoff zehn Umdrehungen in die entgegengesetzte Richtung durchführt, wonach der Bewegungszyklus wiederholt wird.

[0022] Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Zusatzwerkstoff und das Führungsteil entlang einer Vorschubrichtung auf der Oberfläche verfahren werden, wobei eine Vorschubgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes einer Vorschubgeschwindigkeit des Führungsteiles entspricht. Eine Vorschubbewegung zum Aufbringen der Beschichtung auf die Oberfläche entlang einer Vorschubrichtung ist somit einer Rotations- oder Vibrationsbewegung oder dergleichen überlagert, welche zum Plastifizieren eines endseitigen Teiles des Werkzeuges und eines Teiles der Oberfläche dient. Wenn das Führungsteil mit gleicher Vorschubgeschwindigkeit wie der Zusatzwerkstoff entlang der Oberfläche verfahren wird bzw. wenn das Führungsteil parallel mit dem Zusatzwerkstoff verfahren wird, ist auch bei einem Vorschub des Zusatzwerkstoffes gewährleistet, dass sich kein endseitiger Wulst bildet und ein Verlust von Zusatzwerkstoff vermieden wird.

[0023] Um günstige Bedingungen zum Beschichten der Oberfläche mit dem Zusatzwerkstoff zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass das Führungsteil relativ zum Zusatzwerkstoff keine Bewegung ausführt oder dass der Zusatzwerkstoff relativ zum Führungsteil bewegt wird. Beispielsweise kann das Führungsteil gegenläufig zum Zusatzwerkstoff rotiert werden oder dieselbe Rotationsgeschwindigkeit wie der Zusatzwerkstoff aufweisen.

[0024] Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich mit verschiedensten Materialien und Materialkombinationen durchgeführt werden. Besonders günstig ist es, wenn ein Zusatzwerkstoff und/oder ein Werkzeug und/oder ein Führungsteil eingesetzt werden, welche gesintertes, gegossenes oder geschmiedetes Material, insbesondere verschleißfeste Partikel in einer metallischen Matrix, Kunststoff, Metall, insbesondere Eisen, Stahl, korrosionsfesten oder rostfreien Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Magnesium, Platin, Edelmetalle, insbesondere Gold oder Silber, Metalllegierungen, insbesondere Aluminium-, Kupfer- oder Magnesiumlegierungen, Bor, Korund, Aluminiumoxid, faserverstärktes Material, insbesondere glasfaserverstärkten Kunststoff oder kohlefaserverstärkten Kunststoff, Gleitlagermaterial mit niedrigschmelzenden Phasen, insbesondere Graphit, Blei oder Blei in metallischer Matrix, Graphit in einer metallischen Matrix, Wachs, Schmierseife, Polytetrafluorethylen oder PTFE, insbesondere Teflon, photolumineszente Partikel, insbesondere Strontiumaluminat, photokatalytische Beschichtungen, Farbpigmente, halbleitende Partikel, Flussmittel, Heißkleber und/oder eine Polierpaste enthalten oder aus einem oder

mehreren der genannten Materialien bestehen. Der Zusatzwerkstoff und das Führungsteil können aus demselben oder unterschiedlichen Materialien gebildet sein, um bestimmte Eigenschaften der Beschichtung zu erreichen. Beispielsweise kann durch Einsatz von Bor eine neutroneneinfangende Schicht und bei Verwendung von Aluminiumoxid oder Korund eine verschleißfeste Schicht bzw. bei Verwendung von Edelstählen eine korrosionsbeständige Schicht auf der Oberfläche gebildet werden.

[0025] Es hat sich bewährt, dass der Zusatzwerkstoff in einer in eine Stirnseite des Werkzeuges ragenden Ausnehmung, insbesondere einer in die Stirnseite ragenden Durchgangsbohrung oder einem in die Stirnseite ragenden Sackloch, angeordnet ist und das Führungsteil durch einen endseitigen Bereich des Werkzeuges gebildet ist. Dadurch wird auf konstruktiv besonders einfache Weise erreicht, dass der Zusatzwerkstoff vom Führungsteil umschlossen ist. Das Werkzeug kann somit beispielsweise als zylindrischer Stab ausgebildet sein, welcher eine oder mehrere Durchgangsbohrungen aufweist, in welcher oder in welchen der Zusatzwerkstoff angeordnet ist. Der endseitige Bereich des Werkzeuges um die Durchgangsbohrung bildet dann das Führungsteil, welches ein seitliches Austreten von Zusatzwerkstoff aus der Plastifizierungszone verhindert. Vor Beginn der Durchführung des Verfahrens kann die Durchgangsbohrung, in welcher sich der Zusatzwerkstoff befindet, beispielsweise durch einen Stopfen verschlossen sein, welcher unmittelbar vor Beginn des Verfahrens geöffnet und/oder auf das Substrat aufgetragen wird. Dadurch wird ein unbeabsichtigtes Lösen des Zusatzwerkstoffes aus der Ausnehmung verhindert.

[0026] Beim Beschichten der Oberfläche wird auch hierbei ein endseitiger Teil des Werkzeuges plastifiziert und verbindet sich mit der Oberfläche. Gleichzeitig wird in den plastifizierten Teil des Werkzeuges Zusatzwerkstoff eingerührt, welcher aus der in die Stirnseite ragenden Ausnehmung austritt, beispielsweise unter Druck oder nur unter Einwirkung der Schwerkraft.

[0027] Wenn der Zusatzwerkstoff in einer Ausnehmung im Werkzeug positioniert ist, kann zur Erreichung bestimmter Oberflächeneffekte vorgesehen sein, dass der Zusatzwerkstoff ein Material enthält, vorzugsweise aus einem Material besteht, welches einen von einem Material des Werkzeuges verschiedenen Aggregatzustand aufweist, insbesondere aus einer Paste, einer Suspension oder einer Flüssigkeit.

[0028] Um eine optisch besonders ansprechende Beschichtung und/oder eine besonders hohe Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche zu erreichen, kann es günstig sein, wenn der Zusatzwerkstoff ein Material enthält, welches eine von einem Material des Werkzeuges verschiedene Rieselfähigkeit aufweist, insbesondere ein Pulver. Der Zusatzwerkstoff kann auch ausschließlich aus einem solchen Material bestehen. Das Pulver wird dann in der Plastifizierungszone durch plastifiziertes Material des Werkzeuges, welches dann ein Matrixmaterial bildet, mit der Oberfläche verbunden. Dadurch ist ein Herstellen einer Beschichtung mit Partikeln auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise möglich. Somit können beispielsweise Beschichtungen mit optisch ansprechenden Pulvern wie Pulver mit farbigen Partikeln und/oder photolumineszenten Partikeln auf qualitativ hochwertige Weise hergestellt werden.

[0029] Bevorzugt werden eine Kraft, mit welcher das Werkzeug auf die Oberfläche gepresst wird, und eine Geschwindigkeit einer Bewegung des Werkzeuges auf der Oberfläche derart gewählt, dass das Material des Werkzeuges plastifiziert wird, jedoch nicht schmilzt.

[0030] In der Regel werden Parameter des Verfahrens, insbesondere Kraft, mit welcher das Werkzeug auf die Oberfläche gepresst wird, Geschwindigkeit der Bewegung des Werkzeuges relativ zur Oberfläche sowie Zusatzwerkstoff und Materialen von Werkzeug und/oder Führungsteil, derart gewählt, dass eine maximale Temperatur im Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Oberfläche unterhalb eines Schmelzpunktes des Substrates bzw. eines Schmelzpunktes der zu beschichtenden Oberfläche, unterhalb des Schmelzpunktes des Werkzeuges und unterhalb des Schmelzpunktes des Zusatzwerkstoffes bleibt. Dadurch wird eine gute Haftung der Beschichtung bei gleichzeitig geringem Vermischen von Beschichtung und Substrat erreicht. Weiter wird dadurch ein Abbrand vermieden, sodass sich eine chemische Zusammensetzung der Partikel des Pulvers, des Materials des Werkzeuges sowie des Substrates nicht ändern. Darüber hinaus ist das Verfahren auch einfach umsetzbar, da kein Schutzgas eingesetzt werden muss.

[0031] Bevorzugt werden Parameter des Verfahrens derart gewählt, dass Partikel des Pulvers nicht plastifiziert werden, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen. Dadurch werden eine Form und eine Größe der Partikel des Pulvers beim Verfahren nicht verändert, sodass die Form und Größe der Partikel in der Beschichtung durch Wahl eines entsprechenden Pulvers einfach vorgegeben werden können. Die Parameter werden in der Regel derart gewählt, dass nur ein Matrixwerkstoff, durch welchen die Partikel in der Beschichtung mit der Oberfläche verbunden sind, üblicherweise ein Material des Werkzeuges, und ein Teil des Substrates plastifiziert werden, jedoch nicht die Partikel des Pulvers, um eine gleichmäßige, gut haftende Beschichtung zu erreichen.

[0032] Alternativ zu einer Ausführung, bei welcher das Führungsteil durch einen endseitigen Bereich des Werkzeuges gebildet wird bzw. stoffschlüssig mit dem Werkzeug verbunden ist, kann auch vorgesehen sein, dass das Führungsteil ein vom Werkzeug gesondertes Teil ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass ein Führungsteil eingesetzt wird, welches bewegbar mit dem Werkzeug verbunden ist, wobei das Werkzeug vom Führungsteil üblicherweise zumindest vor Durchführung des Verfahrens beabstandet ist. Üblicherweise ist dabei ein umlaufender Spalt zwischen dem Werkzeug und dem Führungsteil vorgesehen, sodass das Werkzeug während der Verfahrens relativ zum Führungsteil rotieren kann.

[0033] Somit wird auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung auf einfache Weise verhindert, dass in der Plastifizierungszone plastifiziertes Material des Werkzeuges, welches den Zusatzwerkstoff enthält, einen endseitigen Wulst am Werkzeug bildet. Das Werkzeug kann bei dieser Ausführung auch homogen ausgebildet sein und vollständig aus dem Zusatzwerkstoff bestehen oder den Zusatzwerkstoff enthalten. Auch bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug eine oder mehrere Ausnehmungen aufweist, in welchen ein oder mehrere Zusatzwerkstoffe angeordnet sind, welche fest oder flüssig sowie als Pulver vorliegen können. Beispielsweise können mehrere Zusatzwerkstoffe in unterschiedlichen Ausnehmungen des Werkzeuges angeordnet sein. Dadurch können Beschichtungen mit pulverförmigen Zusatzwerkstoffen bzw. mit Partikeln auf effiziente Weise mit guten Hafteigenschaften hergestellt werden.

[0034] Wenn das Führungsteil nicht Teil des Werkzeuges bzw. nicht stoffschlüssig mit dem Werkzeug verbunden ist, ist es günstig, wenn das Führungsteil aus einem Material besteht, welches korrosionsbeständiger bzw. verschleißfester als ein Material des Werkzeuges und/oder korrosionsbeständiger als der Zusatzwerkstoff ist, um ein seitliches Austreten von Zusatzwerkstoff aus der Plastifizierungszone auf effektive Weise zu verhindern. Erfindungsgemäß besteht das Führungsteil aus einem verschleißfesteren Material als der Zusatzwerkstoff. Das Führungsteil kann hier beispielsweise durch eine das Werkzeug umschließende Hülse ausgebildet sein, welche mit dem Werkzeug bewegt wird oder relativ zu welcher das Werkzeug eine Bewegung ausführt.

[0035] Das Führungsteil kann eine elliptische, eine quaderförmige, eine prismatische oder polygonale Außenkontur mit einer zylindrischen Bohrung oder einer Innenkontur eines Gleichdicks, ähnlich einem Wankelmotor, aufweisen.

[0036] Zur Erreichung der für das Plastifizieren in der Plastifizierungszone erforderlichen Bedingungen kann der Zusatzwerkstoff und/oder das Werkzeug und/oder das Führungsteil angetrieben sein, beispielsweise über eine Spindel.

[0037] Wird das Führungsteil zusätzlich zu einer Vorschubbewegung rotiert, kann vorgesehen sein, dass das Führungsteil um eine Achse rotiert wird, welche mit einer Achse, um welche das Werkzeug rotiert, zusammenfällt, von der Achse, um welche das Werkzeug rotiert, beabstandet ist oder unter einem Winkel zu dieser Achse steht. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Achsen relativ zueinander bewegt werden, um in der Plastifizierungszone günstige Bedingungen zum Beschichten der Oberfläche mit dem Zusatzwerkstoff zu erreichen.

[0038] Mit Vorteil ist vorgesehen, dass vor Beginn eines Plastifizierens eines endseitigen Bereiches des Werkzeuges das Führungsteil vom Werkzeug durch einen Spalt von weniger als 30 % eines Durchmessers des Werkzeuges beabstandet ist, insbesondere durch einen umlaufenden

Spalt mit einem Spaltmaß von weniger als 10 % des Durchmessers des Werkzeuges. Es hat sich gezeigt, dass dadurch eine Wulstbildung auf effiziente Weise vermieden werden kann.

[0039] Bevorzugt ist vorgesehen, dass vor Beginn eines Plastifizierens eines endseitigen Bereiches des Werkzeuges ein Spalt zwischen dem Führungsteil und dem Werkzeug derart ausgebildet ist, dass beim Beschichten der Oberfläche ein Teil des Zusatzwerkstoffes durch den Spalt in einen Wulst oder eine Raupe auf der Oberfläche gepresst wird. Eine derartige Wulst oder Raupe beidseits einer Beschichtung kann optisch ansprechend sein und/oder für eine Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche vorteilhafte Wirkungen aufweisen.

[0040] Üblicherweise wird der vor Beginn des Beschichtens vorliegende Spalt beim Beschichten der Oberfläche durch plastifiziertes Material geschlossen. Um dennoch eine Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Führungsteil bei geringer Energieaufnahme zu ermöglichen, kann das Führungsteil innenseitig mit einem Gleitlagermaterial wie Bronze oder PTFE- beschichtet sein oder das Führungsteil aus einem solchen Material bestehen.

[0041] Um auch große Oberflächen auf effiziente Weise zu beschichten, kann vorgesehen sein, dass das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird, wo bei Zusatzwerkstoff während des Beschichtens der Oberfläche in einen Bereich, in welchem der Zusatzwerkstoff plastifiziert wird, nachgefördert wird, insbesondere über eine formschlüssige Verbindung von Zusatzwerkstoffstäben, ein Abwickeln des Zusatzwerkstoffes von einer Spule und/oder Fördern von fluiden Zusatzwerkstoffen. Das Verfahren muss dann nicht zum Einlegen eines neuen Zusatzwerkstoffstabes oder dergleichen unterbrochen werden.

[0042] Um eine gute Haftung des Zusatzwerkstoffes auf der Oberfläche zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche vor Aufbringen des Zusatzwerkstoffes in einem Bereich, welcher beschichtet wird, u-nahtförmig oder doppel-u-nahtförmig ausgebildet wird.

[0043] Abhängig von einem Material der Oberfläche und einem Material des Zusatzwerkstoffes und des Führungsteiles kann es zur Erreichung einer günstigen Verbindung des Zusatzwerkstoffes mit der Oberfläche vorteilhaft sein, dass auf die Oberfläche vor einem Beschichten ein Schmiermittel oder ein Haftverbesserer aufgebracht wird.

[0044] Um Oxide zu absorbieren und eine besonders hohe Qualität der Beschichtung zu erreichen, können während der Durchführung des Verfahrens Flussmittel eingesetzt werden.

[0045] Zur Vorbereitung des zu beschichtenden Substrates, können in die Oberfläche vor einem Beschichten Kanäle eingebracht werden. Wird ein Pulver in einer Matrix enthaltender Zusatzwerkstoff eingesetzt, kann dabei mit Vorteil vorgesehen sein, dass ein Verhältnis von Flächen der Kanäle zu einer Fläche der Oberfläche zwischen den Kanälen einem Volumenverhältnis von Pulver zur Matrix entspricht.

[0046] Es hat sich gezeigt, dass eine qualitativ hochwertige Beschichtung erreicht werden kann, wenn das Verfahren in einer Flüssigkeit, insbesondere in Wasser, durchgeführt wird.

[0047] Die weitere Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 19 gelöst.

[0048] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

[0049] Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens; [0050] Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens; [0051] Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0052] Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Zusatzwerkstoff in einem Durchgangsloch eines Werkzeuges 2 angeordnet, welches auf eine Oberfläche 1 eines Substrates 5 gedrückt und um eine senkrecht zur Oberfläche 1 angeordnete Achse 6 rotiert wird, um in einem endseitigen Bereich des stabförmigen Werkzeuges 2 ein Plastifizieren von Material des Werkzeuges 2 zu erreichen.

[0053] Der Zusatzwerkstoff, welcher das Durchgangsloch ausfüllt, ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Pulver ausgebildet. Bei einem Plastifizieren von Material des Werkzeuges 2 im Bereich der Oberfläche 1 tritt somit auch Pulver aus der stirnseitig offenen Durchgangsbohrung 4 aus und verbindet sich mit dem plastifizierten Material des Werkzeuges 2 und einem plastifizierten Material der Oberfläche 1 zu einer gleichmäßigen Beschichtung 7 der Oberfläche 1. Die Oberfläche 1 wird somit mit Partikeln des Zusatzwerkstoffes beschichtet.

[0054] Wie dargestellt wird das Werkzeug 2 zusätzlich zur Rotationsbewegung um die Achse 6 entlang einer Vorschubrichtung 10 bewegt, sodass sich auf der Oberfläche 1 entlang der Vorschubrichtung 10 eine linienförmige Beschichtung 7 bildet. Die Oberfläche 1 bzw. das Substrat 5 kann beispielsweise aus einem Metall wie einem Stahl oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Das Werkzeug 2 kann aus einem Metall bestehen, welches zum Plastifizieren und Beschichten der Oberfläche 1 geeignet ist. Als Zusatzwerkstoff können beispielsweise Farbpigmente, photolumineszente Partikel wie Strontiumaluminat eingesetzt werden. Dadurch ist es möglich, eine Beschichtung 7 mit derartigen Partikeln auf eine entsprechende Oberfläche 1 mit guter Haftung aufzubringen. In einem Kontaktbereich des Zusatzwerkstoffes mit der Oberfläche 1 wird der Zusatzwerkstoff umfänglich vom Werkzeug 2 umschlossen, sodass ein seitliches Austreten von Zusatzwerkstoff durch den endseitigen Bereich des Werkzeuges 2 verhindert ist. Der endseitige Bereich des Werkzeuges 2, welcher das Durchgangsloch umschließt, bildet somit bei diesem Ausführungsbeispiel ein Führungsteil zur Begrenzung einer Bewegung des Zusatzwerkstoffes in einer Ebene parallel zur Oberfläche 1 bzw. zur Vermeidung der Bildung eines Wulstes, welcher aus dem Zusatzwerkstoff besteht. Parameter des Verfahrens sind hierbei derart gewählt, dass das Werkzeug 2 endseitig und das Substrat 5 im Kontaktbereich plastifizieren, jedoch die Partikel nicht plastifiziert werden, um eine Oberfläche 1 mit gleichmäßiger und qualitativ hochwertiger Beschichtung 7 zu erhalten.

[0055] Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das stabförmige Werkzeug 2 vom Führungsteil getrennt und Werkzeug 2 somit relativ zum Führungsteil bewegbar. Das Führungsteil wird hier durch eine das Werkzeug 2 umschließende Hülse 3 aus einem Material gebildet, welches verschleißfester als ein Material des Werkzeuges 2 ist. Die Hülse 3 wird wie das Werkzeug 2 auf der Oberfläche 1 bewegt und verhindert somit die Bildung eines Wulstes aus plastifiziertem Material des Werkzeuges 2 an einem unteren Ende des Werkzeuges 2 sowie den Verlust von Zusatzwerkstoff durch Bewegungen des Zusatzwerkstoffes parallel zur Oberfläche 1. Wie ersichtlich ist das Werkzeug 2 von der das Führungsteil bildenden Hülse 3 durch einen umlaufenden Spalt 9 beabstandet, sodass eine Rotation des Werkzeuges 2 relativ zur Hülse 3 möglich ist.

[0056] Das Werkzeug 2, welches den pulverförmigen Zusatzwerkstoff auch hier analog zum in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Durchgangsbohrung 4 enthält, wird wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren einerseits translatorisch in Vorschubrichtung 10 und andererseits rotatorisch bewegt wird, um ein Plastifizieren eines endseitigen Teiles des Werkzeuges 2 zu erreichen, sodass der aus dem Durchgangsloch austretende Zusatzwerkstoff über das plastifizierte Material des Werkzeuges 2 mit der Oberfläche 1 verbunden wird. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist durch die das Werkzeug 2 umschließende Hülse 3, welche das Führungsteil bildet, hier auch die Bildung eines Wulstes an einer Außenseite des Werkzeuges 2 vermieden.

[0057] Die Hülse 3 wird hier translatorisch entlang der Vorschubrichtung 10 parallel zum Werkzeug 2 und gleichzeitig rotatorisch mit einer geringeren Rotationsgeschwindigkeit als das Werkzeug 2 bewegt.

[0058] Eine Rotationsgeschwindigkeit der Hülse 3 kann auch der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges 2 entsprechen. Ferner können Achsen 6, um welche die Hülse 3 und das Werkzeug 2 rotieren wie hier ident sein bzw. fluchten oder beabstandet und/oder unter einem Winkel zueinander angeordnet sein, um für ein Beschichten vorteilhafte Bedingungen zu erreichen.

[0059] Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das hier dargestellte Verfahren entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 2 dargestellten Verfahren, al-

lerdings wird hier das Führungsteil durch einen nicht rotierenden Schuh 8 aus einem verschleißfesten Material gebildet, welcher relativ zur Oberfläche 1 nur entlang der Vorschubrichtung 10 parallel zum Werkzeug 2 translatorisch bewegt wird. Auch hier wird die Bildung eines Wulstes außenseitig am Werkzeug 2 durch das Führungsteil vermieden, um eine hohe Effizienz und einen geringen Verlust von Beschichtungsmaterial zu erreichen. Ferner ist auch hier im Werkzeug 2 eine Durchgangsbohrung 4 angeordnet, in welcher pulverförmiges Material als Zusatzwerkstoff positioniert ist, um diesen Zusatzwerkstoff mit plastifiziertem Material des Werkzeuges 2 mit der Oberfläche 1 zu verbinden.

[0060] Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine effiziente Beschichtung 7 einer Oberfläche 1 ohne Verlust von Zusatzwerkstoff auf einfache Weise möglich. Darüber hinaus können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Partikel zum Beschichten von Oberflächen 1 eingesetzt werden, um besonders ansprechende Oberflächeneffekte oder bestimmte mechanische Eigenschaften zu erreichen. Dabei wird einerseits eine besonders gute Haftung der Partikel auf der Oberfläche 1 erreicht. Andererseits kann eine Größe der Partikel in der Beschichtung 7 genau definiert werden, sodass eine besonders gleichmäßige Beschichtung 7 erreicht wird, da sich eine Größe der Partikel während des Verfahrens üblicherweise nicht ändert und nur ein Matrixwerkstoff, durch welchen die Partikel mit der Oberfläche 1 verbunden werden, plastifiziert wird.

Claims (19)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche (1) eines Gegenstandes mit einem Zusatzwerkstoff, wobei ein den Zusatzwerkstoff enthaltendes Werkzeug (2) auf die Oberfläche (1) gepresst und auf der Oberfläche (1) bewegt, insbesondere regelmäßig bewegt, vorzugsweise rotierend bewegt, wird, sodass ein Teil des Werkzeuges (2) unter Temperatureinwirkung im Bereich der Oberfläche (1) plastifiziert und sich mit der Oberfläche (1) verbindet, wobei zumindest in einem Bereich der Oberfläche (1) ein den Zusatzwerkstoff im Wesentlichen umschließendes und die Oberfläche (1) berührendes Führungsteil eingesetzt wird, welches eine Bewegung des Zusatzwerkstoffes in einer Ebene parallel zur Oberfläche (1) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einem verschleißfesteren Material als der Zusatzwerkstoff bestehendes Führungsteil eingesetzt wird.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsteil an einer Stirnseite, welche die Oberfläche (1) berührt, ein Profil, insbesondere eine Spirale, aufweist, sodass plastifiziertes Material im Bereich der Stirnseite in ein Inneres des Führungsteiles gefördert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsteil an einer Innenseite zumindest teilweise profiliert, insbesondere mit einer Helix profiliert, ausgebildet ist, um plastifiziertes Material zur Oberfläche (1) oder von der Oberfläche (1) weg zu fördern.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff und/oder das Führungsteil um Achsen (6) rotieren.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (6), um welche der Zusatzwerkstoff rotiert, und die Achse (6), um welche das Führungsteil rotiert, nicht fluchten.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff und/oder das Führungsteil zyklisch auf der Oberfläche (1) bewegt werden, wobei ein Bewegungszyklus insbesondere Rotations- und/oder Translationsbewegungen umfasst.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff und das Führungsteil entlang einer Vorschubrichtung (10) auf der Oberfläche (1) verfahren werden, wobei eine Vorschubgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes der Vorschubgeschwindigkeit des Führungsteiles entspricht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsteil relativ zum Zusatzwerkstoff keine Bewegung ausführt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff relativ zum Führungsteil bewegt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzwerkstoff und/oder ein Werkzeug (2) eingesetzt werden, welche gesintertes, gegossenes oder geschmiedetes Material, insbesondere verschleißfeste Partikel in einer metallischen Matrix, Metall, insbesondere Eisen, Stahl, korrosionsfesten oder rostfreien Edelstahl, Aluminium, Kupfer oder Magnesium, Platin, Edelmetalle, insbesondere Gold oder Silber, Metalllegierungen, insbesondere Aluminium-, Kupfer- oder Magnesiumlegierungen, Bor, Korund, Aluminiumoxid, faserverstärktes Material, insbesondere glasfaserverstärkten Kunststoff oder kohlefaserverstärkten Kunststoff, Gleitlagermaterial mit niedrigschmelzenden Phasen, insbesondere Graphit, Blei oder Blei in metallischer Matrix, Graphit in einer metallischen Matrix, Wachs, Schmierseife oder PTFE, photolumineszente Partikel, insbesondere Strontiumaluminat, photokatalytische Beschichtungen (7), Farbpigmente, halbleitende Partikel, Heißkleber, Flussmittel oder eine Polierpaste enthalten oder aus einem oder mehreren der genannten Materialien bestehen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff in einer in eine Stirnseite des Werkzeuges (2) ragenden Ausnehmung, insbeson-

dere einer in die Stirnseite ragenden Durchgangsbohrung (4) oder einem in die Stirnseite ragenden Sackloch, angeordnet ist und das Führungsteil durch einen endseitigen Bereich des Werkzeuges (2) gebildet ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff ein Material enthält, vorzugsweise aus einem Material besteht, welches einen von einem Material des Werkzeuges (2) verschiedenen Aggregatzustand aufweist, insbesondere aus einer Paste, einer Suspension oder einer Flüssigkeit.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff ein Material enthält, welches eine von einem Material des Werkzeuges (2) verschiedene Rieselfähigkeit aufweist, insbesondere ein Pulver.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zusatzwerkstoffe in unterschiedlichen Ausnehmungen angeordnet sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Führungsteil eingesetzt wird, welches mit dem Werkzeug (2) bewegbar verbunden ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn eines Plastifizierens eines endseitigen Bereiches des Werkzeuges (2) ein Spalt (9) zwischen dem Führungsbauteil und dem Werkzeug ausgebildet ist, wobei beim Beschichten der Oberfläche (1) ein Teil des Zusatzwerkstoffes durch den Spalt (9) in einen Wulst oder eine Raupe auf der Oberfläche (1) gepresst wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird, wobei Zusatzwerkstoff während des Beschichtens der Oberfläche (1) in einen Bereich, in welchem der Zusatzwerkstoff plastifiziert, nachgefördert wird, insbesondere über eine formschlüssige Verbindung von Zusatzwerkstoffstäben, ein Abwickeln des Zusatzwerkstoffes von einer Spule und/oder Fördern von fluiden Zusatzwerkstoffen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Flüssigkeit, insbesondere in Wasser, durchgeführt wird.

19. Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche (1) eines Gegenstandes mit einem Zusatzwerkstoff in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, aufweisend ein den Zusatzwerkstoff enthaltendes Werkzeug (2), welches auf die Oberfläche (1) pressbar und auf der Oberfläche (1) bewegbar, insbesondere regelmäßig bewegbar, vorzugsweise rotierend bewegbar, ist, sodass ein Teil des Werkzeuges (2) unter Temperatureinwirkung im Bereich der Oberfläche (1) plastifizierbar und mit der Oberfläche (1) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einem verschleißfesteren Material als der Zusatzwerkstoff bestehendes Führungsteil vorgesehen ist, mit welchem der Zusatzwerkstoff im Wesentlichen umschließbar sowie die Oberfläche berührbar ist, wobei mit dem Führungsteil eine Bewegung des Zusatzwerkstoffes in einer Ebene parallel zur Oberfläche (1) begrenzbar ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen