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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten
von Bauteiloberflächen.
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Zur
Erzeugung von Oberflächen hoher Güte an Bauteilen
werden diese vielfach beschichtet. Hierbei wird ein Werkstoff in
einer regelmäßig nur wenige μm betragenden
Schicht auf ein Trägerbauteil aufgetragen, um beispielsweise
die Verschleißfestigkeit zu erhöhen oder der Bauteiloberfläche
bestimmte Eigenschaften (z. B. elektrische Leitfähigkeit)
zu verleihen.
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Verschiedene
Beschichtungsverfahren sind bekannt, wobei insbesondere thermische
Beschichtungsverfahren, bei denen der Beschichtungswerkstoff aufgeschmolzen
und anschließend – regelmäßig
mittels eines Druckluft- oder sonstigen Gasstroms – zerstäubt
und auf die zu beschichtende Oberfläche transportiert wird,
zum Einsatz kommen. Bekannte thermische Beschichtungsverfahren sind das
Plasmabeschichten, das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen und das
Lichbogendrahtspritzen.
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Aus
DE 198 41 617 A1 ist
eine Lichtbogendrahtspritzanlage zur Beschichtung von Innenflächen bekannt.
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Die
darin offenbarte Lichtbogenspritzanlage weist einen rotierend angetriebenen
Brennerschaft in Form einer Hohlwelle auf, die in den zu beschichtenden
Hohlraum eingeführt wird. Am unteren Ende des Brennerschafts
ist ein radial ausgerichtete Düse vorgesehen, durch die
die Tropfen des aufgeschmolzenen Beschichtungswerkstoffs mittels
Drucklufts, die durch das hohle Innere des Brennerschafts zugeführt wird,
ausgetragen wird.
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Oberhalb
des Brennerschafts ist eine Nachschubeinrichtung mit zwei Drahtrollen
an diesem befestigt. Ausgehend von den Drahtrollen werden die zwei
Drähte parallel zur Längsachse des Brennerschafts
bis zu dessen Spitze geführt. Dort wird mittels einer elektrischen
Hochspannung ein Lichtbogen zwischen den zwei Drahtenden erzeugt,
der das Drahtmaterial aufschmilzt. Die Tropfen des aufgeschmolzenen
Drahts werden dann von der Druckluftströmung erfasst und
durch die Düse ausgetragen. Die Nachschubeinrichtung sorgt
für eine kontinuierliche Versorgung des Brenners mit Beschichtungsmaterial.
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Nachteilig
an der Vorrichtung der
DE
198 41 617 A1 ist die Tatsache, dass die Nachschubeinrichtung
für einen kontinuierlichen Nachschub der Drähte fest
mit dem Brennerschaft verbunden sein muss, d. h. mit diesem mitrotieren
muss. Zudem zeichnet sie sich durch einen komplexen Aufbau aus.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum
Beschichten von Bauteilen anzugeben, die zumindest einen aus dem
Stand der Technik bekannten Nachteil verringert. Insbesondere soll
eine Vorrichtung angegeben werden, die sich durch einen konstruktiv
einfacheren Aufbau auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den
unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der nebengeordneten
Ansprüche.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, bei einer Vorrichtung zum
Beschichten von Bauteilen, die eine Verteilvorrichtung zum Aufbringen
des Beschichtungswerkstoffs umfasst, der Verteilvorrichtung eine
auf einen konkreten Beschichtungsprozess abgestimmte Menge des Beschichtungswerkstoffs zuzuführen
bzw. darin zu bevorraten. Dies ermöglicht, die Verteilvorrichtung
von einer gegebenenfalls vorhandenen Zufuhrvorrichtung, in der größere
Mengen des Beschichtungswerkstoffs gelagert sind, zumindest temporär
abzukoppeln und durch die Reduzierung der rotierenden Masse einfacher,
leichter und/oder günstiger zu konstruieren.
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Vorzugsweise
wird der Verteilvorrichtung somit vor dem Beschichtungsprozess eine
erforderliche Menge an Beschichtungswerkstoff aus einer von der Verteilvorrichtung
vorzugsweise getrennt ausgebildeten Zufuhrvorrichtung zugeführt.
Erfindungsgemäß wird unter „getrennt"
verstanden, dass die Zufuhrvorrichtung eine Beschickung der Verteilvorrichtung
ermöglicht, diese jedoch zumindest temporär von
der Verteilvorrichtung abgekoppelt werden kann, sodass eine ggf.
vorgesehene Rotation und/oder ein lineares Verfahren der Verteilvorrichtung
während des Beschichtungsprozesses nicht auf die Zufuhrvorrichtung übertragen
werden muss.
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Das
erfindungsgemäße Konzept wirkt sich insbesondere
bei einer Vorrichtung zum Innenbeschichten positiv aus, da diese
regelmäßig eine rotierend angetriebene Verteilvorrichtung,
insbesondere in Form einer Beschichtungslanze mit einer darin angeordneten,
regelmäßig radial ausgerichteten Düse, aufweist.
Durch die – zumindest temporäre – Abkopplung
der Zufuhrvorrichtung (Beschichtungswerkstoffnachschub) von der
Verteilvorrichtung (Beschichtungslanze) wird diese während
des Beschichtungsprozesses nicht mitrotiert. Dadurch kann die gesamte Beschichtungsvorrichtung
einen konstruktiv einfacheren Aufbau erhalten; insbesondere kann
der Drehantrieb der Verteilvorrichtung geringer dimensioniert werden,
was einen positiven Einfluss auf die Herstellungs- und Betriebskosten
hat.
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Die
Erfindung kommt vorzugsweise bei einer thermischen Beschichtungsvorrichtung
zum Einsatz, in der der Beschichtungswerkstoff drahtförmig
zugeführt wird. Dies ermöglicht, der Verteilvorrichtung
den Beschichtungswerkstoff in Form von auf den Beschichtungsprozess
abgestimmten Drahtsegmenten zuzuführen. Die Abstimmung
der Drahtsegmente kann sowohl eine Abstimmung auf die Anzahl der
zugeführten Drahtsegmente als auch auf deren Masse und/oder
die Werkstoffe, etc. umfassen. Beispielsweise können für
verschiedene Beschichtungsvorhaben Drahtsegmente verschiedener Längen
verwendet werden. Alternativ können bei einem Prozess nur zwei
Drahtsegmente einer bestimmten Länge zum Einsatz kommen,
während bei einem darauf folgenden Prozess vier Drahtsegmente
derselben Länge und gegebenenfalls aus einem anderen Werkstoff
erforderlich sind.
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Die
Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz eines drahtförmigen
Beschichtungswerkstoffs beschränkt. Vielmehr kann ein beliebiger
Beschichtungswerkstoff zum Einsatz kommen. Beispielsweise ist die
Verwendung eines pulverförmigen Beschichtungswerkstoffs
bekannt. Erfindungsgemäß kann der pulverförmige
Beschichtungswerkstoff vor dem Beschichtungsprozess der Verteilvorrichtung
in der erforderlichen Menge zugeführt werden.
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Vorzugsweise
ist die Menge des der Verteilvorrichtung vor dem Beschichtungsprozess
zugeführten Beschichtungswerkstoffs so abgestimmt, dass
damit relativ genau ein oder mehrere vollständige Beschichtungsprozesse
durchgeführt werden. Erfindungsgemäß soll
jedoch auch erfasst sein, dass – beispielsweise bei besonders
großflächigen Beschichtungen – nur ein
Teil, beispielsweise die Hälfte des Beschichtungsprozesses
ausgeführt werden kann und der Verteilvorrichtung zur Vollendung
des Prozesses erneut Beschichtungswerkstoff zugeführt wird.
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Die
Erfindung kommt vorzugsweise bei einer Beschichtungsvorrichtung
zum Einsatz, bei der der Beschichtungswerkstoff mittels einer Schmelzvorrichtung
und besonders bevorzugt mittels eines Lichtbogens aufgeschmolzen
wird. Derartige Lichtbogendrahtspritzvorrichtungen lassen sich besonders
vorteilhaft mit drahtförmigem Beschichtungswerkstoff kombinieren,
da dieser – zumindest bei einem elektrisch leitenden Werkstoff – gleichzeitig
zur Erzeugung des Lichtbogens eingesetzt werden kann. Hierzu können
mindestens zwei Drähte aus Beschichtungswerkstoff so innerhalb
der Verteilvorrichtung geführt werden, dass ihre Enden
in einem definierten Abstand zueinander positioniert sind, so dass die
Bildung eines Lichtbogens unter Berücksichtigung der angelegten
Spannung ermöglicht wird.
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Das
Austragen des Beschichtungswerkstoffs erfolgt vorzugsweise mittels
eines (Druck-)Gasstroms, mit dem die Partikel des Beschichtungswerkstoffs,
beispielsweise die Partikel eines pulverförmigen Beschichtungswerkstoffs
oder die Tropfen eines flüssigen oder aufgeschmolzenen
Werkstoffs, auf die zu beschichtende Oberfläche aufgespritzt
werden. Hierzu kann die Verteilvorrichtung eine Düse aufweisen,
deren konstruktive Ausbildung insbesondere von der Art des verwendeten
Beschichtungswerkstoffs abhängt. Die Art des verwendeten
(Druck-)Gases ist in der Regel ebenfalls prozessabhängig.
Häufig kommt Luft oder ein Schutzgas zum Einsatz.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigt
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1:
eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung
in einer schematischen Darstellung,
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2:
ein Drahtsegmentrevolvermagazin,
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3:
eine alternative Darstellung des Drahtsegmentrevolvermagazins der 2 und
die
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4a–d:
eine Darstellung eines in vier Prozessschritte unterteilten, erfindungsgemäßen
Beschichtungsverfahrens.
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1 zeigt
eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Beschichtungsvorrichtung. Die Darstellung ist lediglich schematisch
ausgeführt, so dass bestimmte konstruktive Details und
Elemente, die für einen vollständige Funktion
der Vorrichtung gegebenenfalls erforderlich sein können,
zur näheren Erläuterung der Erfindung jedoch nicht
wesentlich beitragen, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht
dargestellt sind.
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Die
dargestellte Beschichtungsvorrichtung ist als Lichtbogendrahtspritzvorrichtung
ausgebildet und weist eine Verteilvorrichtung in Form einer Sprühlanze 2 auf.
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Die
Sprühlanze 2 besteht im wesentlichen aus einem
Grundkörper 3, in welchem zwei Drahtsegmente 4,
die aus einem Beschichtungswerkstoff bestehen und eine definierte,
auf den Beschichtungsprozess abgestimmte Länge aufweisen,
innerhalb von Führungen 1 geführt sind.
Insbesondere sind die beiden Drahtsegmente 4 so innerhalb
des Grundkörpers 3 angeordnet, dass deren zwei,
dem vorderen Ende des Grundkörpers 3 zugewandten
Enden, in einem geringen Abstand voneinander positioniert sind.
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Während
des Beschichtungsprozesses wird zwischen den zwei Drahtsegmenten 4 eine
elektrische Hochspannung erzeugt, die zur Bildung eines Lichtbogens
zwischen den zwei, dem vorderen Ende des Grundkörpers 3 zugewandten
Enden der Drahtsegmente 4, dient. Der erzeugte Lichtbogen
sorgt für ein Aufschmelzen des Drahtsegmentwerkstoffs.
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Der
aufgeschmolzene Drahtwerkstoff wird von einer Druckluftströmung
erfasst, die der Sprühlanze 2 über eine
Druckluftzufuhr 5 zugeführt wird. Die Druckluftströmung
wird über nicht dargestellte Kanäle zu dem Lichtbogen geführt,
wo sie den aufgeschmolzenen Beschichtungswerkstoff erfasst und diesen über
eine radial ausgerichtete und am vorderen Ende der Sprühlanze
angeordnete Düse 6 austrägt, wodurch
ein der Düse 6 gegenüberliegende Abschnitt
der Innenwandung eines (nicht dargestellten) Hohlkörpers
beschichtet wird.
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Durch
das Aufschmelzen des Drahtsegmentwerkstoffs verkürzen sich
die Drahtsegmente 4 während des Beschichtungsprozesses
kontinuierlich. Um ein Erfassen des aufgeschmolzenen Werkstoffs durch
die Druckluftströmung stets an ein und derselben Stelle
zu gewährleisten, ist es von Vorteil, die Verkürzung
der Drahtsegmente 4 durch ein Nachführen dieser
auszugleichen. Dies kann bei einer entsprechenden Ausgestaltung
der Vorrichtung allein durch die Schwerkraft der Drahtsegmente 4 selbst
erzielt werden. Gegebenenfalls kann eine Nachführvorrichtung
(nicht dargestellt) vorgesehen werden, die die Drahtsegmente 4 innerhalb
der Sprühlanze 2 verfährt, d. h. mit
derselben Geschwindigkeit nachfährt, so dass der für
die Bildung eines Lichtbogens wichtige Abstand zwischen den Enden
der Drahtsegmente 4 erhalten bleibt. Als Nachführvorrichtung
können beispielsweise Rollen (paare) vorgesehen werden, die
die Drahtsegmente innerhalb des Sprühlanze führen
und diese reibschlüssig mit der erforderlichen Geschwindigkeit
antreiben, um eine kontinuierliche Versorgung mit Beschichtungswerkstoff
sicher zu stellen und gegebenenfalls nicht verbrauchte Drahtsegmentreste
nach dem Beschichtungsprozess auszuwerfen.
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Um
eine vollständige Beschichtung der Innenwandung des Hohlzylinders 1 zu
erreichen, wird die Sprühlanze 2 mittels eines
nicht dargestellten Rotationsantriebs rotierend angetrieben und
mittels eines ebenfalls nicht dargestellten Linearantriebs entlang
eines zu beschichtenden Hohlkörpers, beispielsweise entlang
der Längsachse eines Hohlzylinders bzw. der Sprühlanze 2 verfahren.
Durch die Überlagerung der zwei Bewegungen ergibt sich
ein spiralförmiger Beschichtungsverlauf.
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Am
Ende des Beschichtungsprozesses werden die gegebenenfalls in der
Lanze verbliebenen Reststücke der Drahtsegmente 4 ausgeworfen.
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Bei
der in 1 dargestellten Vorrichtung ist vorgesehen, die
Verteilvorrichtung automatisch mit den zwei Drahtsegmenten 4 zu
beschicken. Hierfür ist eine Zufuhrvorrichtung vorgesehen,
die die Verteilvorrichtung automatisch mit den erforderlichen Drahtsegmenten
versorgt. Eine solche Zufuhrvorrichtung ist vorzugsweise getrennt
von der Verteilvorrichtung ausgebildet, derart, dass diese die Verteilvorrichtung
zwar beschicken kann, jedoch während des Beschichtungsprozesses
nicht mit dieser mitrotieren muss. Dadurch kann die rotierenden
Masse der gesamten Vorrichtung gering gehalten werden, was zum einen
Energiekosten spart und zum anderen ermöglicht, den Rotationsantrieb
und gegebenenfalls auch den Linearantrieb geringer zu dimensionieren, wodurch
sich die Herstellungskosten verringern.
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Eine
solche Zufuhrvorrichtung kann insbesondere ein Drahtsegment-Revolvermagazin 7 umfassen,
wie es in den 2 und 3 dargestellt
ist. Dieses beinhaltet eine Vielzahl von Drahtsegmenten 4,
die gegebenenfalls nach verschiedenen Längen, Werkstoffen,
etc. sortiert sind, und aus welchem die Zufuhrvorrichtung die entsprechenden,
für den nachfolgenden Beschichtungsprozess benötigten
Drahtsegmente auswählt, um diese der Verteilvorrichtung zuzuführen.
Das Revolvermagazin kann eine spiralförmige Führung
umfassen, mittels der die Drahtsegmente 4 sortiert werden,
so dass sie genau in den entsprechenden Aufnahmen in der Beschichtungsvorrichtung
positioniert werden können, wie dies in den 4a–d
dargestellt ist.
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Die 4a–d
zeigen in einer schematischen Darstellung das automatisierte Beschicken
einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung
mit zwei für einen Beschichtungsprozess benötigten Drahtsegmenten 4.
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4a zeigt
eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung
in Form einer Sprühlanze 2, wie sie bereits anhand
der 1 beschrieben wurde, vor dem Beschichtungsprozess
und ohne Drahtsegmente 4 aus Beschichtungswerkstoff.
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Zum
Beschicken der Sprühlanze 2 wird ein Drahtsegment-Revolvermagazin,
wie es bereits anhand der 2 und 3 beschrieben
wurde, mittels einer nicht dargestellten Schwenkvorrichtung über
die Sprühlanze geschwenkt (4a) und
zwei Drahtsegmente in die dafür vorgesehenen Führungen 1 eingebracht
(4b).
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Nach
dem Beschicken der Sprühlanze 2 wird das Revolvermagazin
wieder in seine Ausgangslage zurück geschwenkt (4c),
so dass der bereits beschriebene Beschichtungsvorgang erfolgen kann (4d).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19841617
A1 [0004, 0007]