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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum elektrochemischen
Beschichten eines Werkstücks.
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Es
ist eine Vielzahl von Verfahren zum elektrochemischen Beschichten
von Werkstücken
bekannt. Hier sind vor allem die Verfahren zum galvanischen Beschichten
einerseits und die Verfahren zur elektrochemischen Tauchlackierung
andererseits zu unterscheiden. Gemeinsam ist diesen Verfahren, dass
das Werkstück
wenigstens teilweise in ein Bad aus einer Beschichtungsflüssigkeit
eingebracht wird.
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Beim
elektrochemischen Tauchlackieren bildet ein elektrisch leitfähiger Tauchlack
die Beschichtungsflüssigkeit.
Der Tauchlack enthält
häufig
Metallpartikel. Zum Beschichten wird zwischen dem Werkstück und einer
Gegenelektrode eine Spannung angelegt. Hierdurch werden im Bad gelöste Bindemittel und/oder
Metallpartikel an der Oberfläche
des Werkstücks
ausgefällt,
wodurch ein geschlossener, haftender Lackfilm bzw. eine metallhaltige
Beschichtung entsteht. Je nachdem, ob das Werkstück als Anode oder Kathode geschaltet
ist, unterscheidet man zwischen Anodischer Tauchlackierung (ATL)
und Kathodischer Tauchlackierung (KTL).
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Beim
galvanischen Beschichten enthält
die Beschichtungsbad Ionen eines oder mehrerer Elemente, mit denen
das Werkstück
beschichtet werden soll. Typischerweise sind die Ionen in der Beschichtungsflüssigkeit
in einem Lösemittel
enthalten, daneben ist es aber auch möglich, eine Schmelze eines Salzes
zu verwenden, das die betreffenden Ionen enthält. Zum Beschichten wird eine
Spannung an das Werkstück
gelegt, wodurch die in der Beschichtungsflüssigkeit befindlichen Ionen
an der Oberfläche
des Werkstücks
elektrolytisch entladen werden. Hierdurch kommt es zur Abscheidung
einer Schicht auf der Oberfläche.
Häufig
sind die Ionen Kationen und das Werkstück bildet eine Anode, an der
die Kationen reduziert werden.
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Das
Lösemittel,
in dem die Ionen gelöst
sind, ist in vielen Fällen
Wasser. Es gibt allerdings Anwendungen, für die Wasser schlecht geeignet
oder völlig ungeeignet
ist. Ein Grund hierfür
kann darin liegen, dass Wasser grundsätzlich selbst einer Elektrolyse unterliegen
kann. So lassen sich z. B. bestimmte Metalle nicht aus einer wässrigen
Lösung
abscheiden, da stattdessen eine Elektrolyse des Wassers erfolgt.
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Der
Einsatz alternativer Lösemittel
ist jedoch zum einen kostspieliger als der von Wasser, zum anderen
sind diese Lösemittel
vielfach auch empfindlich gegenüber
Verunreinigungen. Hier kann insbesondere die Verunreinigung durch
Luftfeuchtigkeit bereits zu einer erheblichen Beeinträchtigung
des Beschichtungsvorgangs führen.
Einige derartige Lösemittel
reagieren mit Wasser und sind nach einer entsprechenden Kontamination
unbrauchbar. Dies betrifft insbesondere die sogenannten ionischen
Flüssigkeiten,
d. h. Salze, die einen Schmelzpunkt von unter 100°C besitzen.
Gerade der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten stellt aber bei
der Abscheidung von bestimmten Metallen wie z. B. Aluminium die
deutlich bevorzugte Wahl dar. Im Zuge eines industriellen Beschichtungsverfahrens
muss daher der besonderen Empfindlichkeit solcher Lösemittel
Rechnung getragen werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, Maßnahmen
vorzuschlagen, um die Kontamination einer Beschichtungsflüssigkeit
im Rahmen eines elektrochemischen Abscheideprozess es zu verhindern.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach
Anspruch 16.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum elektrochemischen Beschichten eines Werkstücks umfasst einen Beschichtungsbehälter zur
Aufnahme des Werkstücks
sowie einen Vorratsbehälter
für eine Beschichtungsflüssigkeit.
Die genannten Behälter müssen eine
hinreichende Stabilität
aufweisen, um Werkstück
bzw. Beschichtungsflüssigkeit
aufnehmen zu können.
Als Konstruktionsmaterial bieten sich hier Metalle, insbesondere
Edelstahl an. Daneben sind aber auch nichtmetallische Werkstoffe,
wie z. B. Keramik oder Glas, geeignet. Bei der Auswahl der Werkstoffe
ist zu beachten, dass insbesondere solche Teile eines der Behälter, die
mit der Beschichtungsflüssigkeit
in Kontakt kommen können,
dieser gegenüber
unempfindlich sein sollten. Würde
beispielsweise die Beschichtungsflüssigkeit das Material des Behälters – wenn auch
nur geringfügig – auflösen, käme es hierdurch
zum einen zu einem verstärkten
Verschleiß des
Behälters,
zum anderen würde
die Beschichtungsflüssigkeit
kontaminiert. Dies ist insbesondere zu beachten, wenn ionische Flüssigkeiten verwendet
werden, da diese teilweise hervorragende Lösemittel sind. Um einen Angriff
des Behälters durch
die Beschichtungsflüssigkeit
zu verhindern, kann jeder der Behälter ganz oder teilweise mit
einer Schutzbeschichtung versehen sein.
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Erfindungsgemäß ist der
Vorratsbehälter durch
wenigstens eine Durchtrittsöffnung
für die
Beschichtungsflüssigkeit
mit dem Beschichtungsbehälter
verbunden. Durch die Durchtrittsöffnung
kann Beschichtungsflüssigkeit
vom Vorratsbehälter
in den Beschichtungsbehälter
hindurchtreten bzw. umgekehrt. Die Durchtrittsöffnung soll hierbei in Relation zu
den Abmessungen des Beschichtungs- und des Vorratsbehälters relativ
klein sein, da hierdurch ein Eindringen von Gasen und in diesen
gelöster
Feuchtigkeit vom Beschichtungsbehälter in den Vorratsbehälter minimiert
wird. Der Querschnitt der Durchtrittsöffnung sollte allerdings hinreichend
groß gewählt werden,
dass ein ungehindertes Hindurchtreten der Beschichtungsflüssigkeit
gewährleistet
ist. Auf diese Weise bildet der Vorratsbehälter, insbesondere in der Ruhestellung
(siehe unten), auch ohne Verschließmechanismus für die Durchtrittöffnung ein
größtenteils
abgeschlossenes System.
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Es
ist denkbar, dass die Durchtrittsöffnung als Rohr- oder Schlauchleitung,
die den Beschichtungsbehälter
mit dem Vorratsbehälter
verbindet, ausgebildet ist. Alternativ hierzu können die beiden Behälter auch
unmittelbar aneinander angrenzen, wobei im Grenzbereich eine Verbindung
durch die Durchtrittsöffnung
gegeben ist. Letzteres führt
zu einer geringeren inneren Oberfläche des Systems und wird daher
bevorzugt, weil auf diese Weise Kontaminationsquellen für die Beschichtungsflüssigkeit
minimiert werden. Die Bedeutung der Oberfläche wird im Folgenden noch
erläutert.
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Die
Durchtrittsöffnung
kann ein Gitter, ein Sieb oder einen Filter aufweisen. Hierdurch
kann einerseits verhindert werden, dass ein kleines Werkstück in den
Vorratsbehälter gelangt,
zum anderen können
bestimmte Verunreinigungen, die mit dem Werkstück eingetragen werden, vom
Vorratsbehälter ferngehalten
werden.
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Es
versteht sich, dass die Vorrichtung wenigstens eine Beschicköffnung umfassen
muss, durch die das Werkstück – direkt
oder indirekt – in den
Beschichtungsbehälter
eingebracht werden kann. Die Beschicköffnung ist bevorzugt am Beschichtungsbehälter selbst
ausgebildet, so dass ein unmittelbares Einbringen möglich ist.
Der Begriff der Beschicköffnung
ist in diesem Zusammenhang weit gefasst. Hierbei sind auch Bauformen
eingeschlossen, bei denen z. B. zum Einbringen des Werkstücks etwa
die Hälfte
des Beschichtungsbehälters
entfernt und nach dem Einbringen wieder aufgesetzt wird. Generell
ist die Öffnung
hierbei so ausgebildet, dass sie das Einbringen des Werkstücks und
ggf. bei Massekleinteilen eines Korbs oder dergleichen, der die Werkstücke enthält, erlaubt.
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Daneben
ist es, wie aus dem Stand der Technik für elektrochemische Beschichtungsverfahren
bekannt, notwendig, dass die Vorrichtung wenigstens zwei Elektroden
umfasst. Wenigstens eine Elektrode zur Kontaktierung des Werkstücks dient
dazu, ein elektrisches Potential an dieses anzulegen, während wenigstens
eine Gegenelektrode während
des Beschichtungsvorgangs in Kontakt mit der Beschichtungsflüssigkeit
steht. Es können
auch mehrere Elektroden zur Kontaktierung und/oder mehrere Gegenelektroden
vorhanden sein. Ersteres kann insbesondere bei mehreren Werkstücken von
Vorteil sein, da sich hierdurch mitunter eine gleichzeitige Kontaktierung
mehrerer Werkstücke
besser realisieren lässt.
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Erfindungsgemäß ist die
Vorrichtung durch Drehung des Beschichtungsbehälters und des Vorratsbehälters um
wenigstens eine gemeinsame Achse zwischen einer Beschichtungsstellung
und einer Ruhestellung derart verstellbar, dass sich der Volumenschwerpunkt
des Beschichtungsbehälters
in der Beschichtungsstellung relativ zum Volumenschwerpunkt des
Vorratsbehälters
niedriger befindet als in der Ruhestellung.
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Grundsätzlich lässt sich
die das erfindungsgemäße Verstellen
zwischen der Beschichtungsstellung und der Ruhestellung durch eine
Drehung von Beschichtungsbehälter
und Vorratsbehälter
um genau eine Achse realisieren. Es ist jedoch auch denkbar, dass
eine Drehung um mehr als eine Achse erfolgt. Im Sinne einer physikalischen
Sprechweise, wonach sich alle möglichen
Lageveränderungen
eines Körpers
als Rotationen, Translationen oder ein Kombination hieraus klassifizieren
lassen, ist es auch denkbar, die Drehung, also Rotation, mit einer
Translation zu kombinieren. D. h., der Beschichtungsbehälter und
der Vorratsbehälter
können
auch z. B. entlang einer Bahn mit zunehmender Steigung verfahren
werden, was einer zusammengesetzten Bewegung aus Rotation und Translation
entspricht.
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Bevorzugt
sind der Beschichtungsbehälter und
der Vorratsbehälter
starr verbunden. Durch eine starre Verbindung werden bewegliche
Teile, Dichtungen und Ähnliches
weiter reduziert. Zudem lässt
sich die Vorrichtung hierdurch im Allgemeinen kompakter gestalten,
was zu einer kleineren Oberfläche
führt.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Oberflächen und
bewegliche Teile eine Hauptquelle von Kontamination der Beschichtungsflüssigkeit
sind, insbesondere durch Feuchtigkeit. Feuchtigkeit kann Oberflächen anhaften
und kann nur schwer vollständig
von ihnen entfernt werden. Genauso kann die Beschichtungsflüssigkeit
Oberflächen
anhaften und bietet somit der Umgebungsatmosphäre eine große Angriffsfläche. Bewegliche
Teile erhöhen zwangsläufig die
Gesamtoberfläche
einer Vorrichtung. Außerdem
kann Feuchtigkeit zwischen beweglichen Teilen hindurchtreten. Daher
ist es bei Einsatz von Pumpen oder ähnlichen Vorrichtungen nahezu unmöglich, den
Innenbereich einer Beschichtungsvorrichtung feuchtigkeitsfrei zu
halten. Aus dieser Einsicht heraus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
so ausgebildet, dass auf Pumpen, Schläuche oder dergleichen verzichtet
werden kann. Vielmehr bilden der Beschichtungsbehälter und
der Vorratsbehälter
zusammen mit der Durchtrittsöffnung
ein vergleichsweise kompaktes System, das eine möglichst kleine innere Oberfläche aufweist.
Auf diese Weise gibt es insgesamt nur wenig Oberfläche, an
der Feuchtigkeit anhaften könnte.
Auch ist der Innenraum des Systems aus Vorratsbehälter und
Beschichtungsbehälter
nach außen
dicht abgeschlossen, abgesehen von wenigstens einer Beschicköffnung,
die zum Ein- und Austragen von Werkstücken notwendig ist.
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Hinzu
kommt, dass bestimmte ionische Flüssigkeiten, z. B. alkylierte
Imidazoliumchloride, im Kontakt mit Luftfeuchtigkeit Chlorwasserstoff
bilden, der hochaggressiv ist und empfindliche Bauteile wie Dichtungen
unmittelbar angreifen würde.
Eine vollständige
Abschirmung gegen Feuchtigkeit ist im industriellen Prozess kaum
möglich.
Daher ist es ein weiterer Vorteil des weitgehenden Verzichts auf
bewegliche Teile bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass sich
bildender Chlorwasserstoff wenig oder keinen Schaden anrichten kann.
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Vorteilhaft
ist auch, dass die Flüssigkeit,
die in der Ruhestellung im Vorratsbehälter aufgenommen ist, dort
nur über
die – vergleichsweise
kleine – Durchtrittsöffnung mit
dem Beschichtungsbehälter verbunden
ist, der seinerseits – wenigstens
während des
Ein- und Ausbringens von Werkstücken – mit der Umgebung
in Kontakt steht. Hierdurch ist die Beschichtungsflüssigkeit
gegenüber
Kontamination weitgehend geschützt.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung kann
daher die Kontamination einer Beschichtungsflüssigkeit, insbesondere durch
Luftfeuchtigkeit, minimiert werden. Hierdurch lassen sich unerwünschte Reaktionen
der Beschichtungsflüssigkeit
vermeiden und deren uneingeschränkte
Verwendbarkeit für
lange Zeit garantieren. Dies bedeutet, dass qualitativ hochwertige
Beschichtungen gewährleistet
sind und die Kosten für
Ersatz oder Wiederaufbereitung der Beschichtungsflüssigkeit
reduziert werden.
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Daneben
ergeben sich weitere Vorteile. Der Verzicht auf bewegliche Teile
bringt eine Reduzierung des Verschleißes mit sich. Dies gilt, wie
bereits dargelegt wurde, in besonderem Maße, wenn aggressive Substanzen
freigesetzt werden könnten,
die Dichtungen und ähnliche
Bauteile angreifen. Die Vorrichtung muss weniger oft gewartet werden
und kann längere
Zeit ohne Unterbrechungen im Betrieb sein. Es entfallen auch Kosten
für Ersatzteile,
Schmiermittel und dergleichen.
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Für die erfindungsgemäße Vorrichtung
sind verschiedene Anordnungen der Behälter denkbar, wobei hier vereinfachend
von den Positionen der Behälter
gesprochen wird statt von denen ihrer Volumenschwerpunkte. Befinden
sich die beiden Behälter,
bezogen auf eine senkrechte Ebene (senkrecht im Sinne der durch
die Schwerkraft vorgegebenen Richtung) durch die Drehachse, auf
der gleichen Seite der Drehachse, wobei sich ein Behälter weiter
außen
befindet, so verlagert sich bei einer Drehung, die ein Anheben auf
dieser Seite der Drehachse bewirkt, dieser Behälter gegenüber dem anderen nach oben.
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Befinden
sich beide Behälter
auf der gleichen Seite der Drehachse gleich weit außen, aber übereinander,
so wird bei einer Drehung, die auf dieser Seite ein Anheben bewirkt,
der anfangs untere Behälter
relativ zum anfangs oberen Behälter
angehoben, bis er auf dem Scheitelpunkt der Drehung neben diesen
gelangt. Wird die Drehung bis auf die andere Seite der Drehachse
fortgesetzt, gelangt der anfangs untere Behälter über den anfangs oberen Behälter. Es
kommt also zu einer Art „Umstürzen” der beiden
Behälter, ähnlich wie
bei einer Sanduhr.
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Befinden
sich Beschichtungsbehälter
und Vorratsbehälter
auf verschiedenen Seiten einer senkrechten Ebene durch die Drehachse,
verlagert sich selbstverständlich
der Behälter,
auf dessen Seite die Drehung ein Anheben bewirkt, gegenüber dem
anderen nach oben. Eine solche Anordnung, bei der sich die Drehachse
also zwischen den Behältern
befindet, hat den Vorteil, dass die Drehmomente durch das Gewicht
der beiden Behälter
einander wenigstens teilweise aufheben, so dass sie gewissermaßen „ausbalanciert” sind.
Bei einer Positionierung der Behälter
auf unterschiedlichen Seiten der Achse ist daher nur ein geringes
Haltemoment bzw. Gegengewicht notwendig, um ein unkontrolliertes
Kippen zu verhindern. Ist ein Behälter wesentlich schwerer als der
andere, ist es in diesem Sinne bevorzugt, dass der schwerere Behälter näher an der
Drehachse angeordnet ist bzw. dass die Drehachse unmittelbar an ihm
ansetzt.
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Der
Beschichtungsbehälter
und der Vorratsbehälter
sind in jedem Fall so angeordnet, dass eine Drehung dazu führt, dass
ersterer gegenüber
letzterem angehoben bzw. abgesenkt wird, und umgekehrt. Bei geeigneter
Anordnung der Durchtrittsöffnung,
die der Fachmann ohne Weiteres bestimmen kann, fließt somit
Beschichtungsflüssigkeit
jeweils von dem Behälter,
der angehoben wird, zu demjenigen, der abgesenkt wird. Bei den meisten
Ausführungen
der Vorrichtung wird es sich empfehlen, die Durchtrittsöffnung möglichst
tief anzuordnen.
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Im
Zusammenhang mit dieser Erfindung bedeutet „fließen”, dass die Beschichtungsflüssigkeit sich
nach dem Verstellen der Vorrichtung nur unter dem Einfluss der Schwer kraft
bewegt, d. h. es ist hierfür
kein Einsatz von Pumpen oder anderen Vorrichtungen zum Fördern erforderlich.
Es wird gewissermaßen
die Beschichtungsflüssigkeit
aus dem einen Behälter
in den anderen „ausgegossen”. Ein solches
Fließen
kann gut dadurch realisiert werden, dass der in der Beschichtungsstellung
unten befindliche Teil der Wandung des Vorratsbehälters (also
gewissermaßen
der „Boden”) ein in
Richtung der Durchtrittsöffnung
abfallendes Profil aufweist, während
der in der Ruhestellung unten befindliche Teil der Wandung des Beschichtungsbehälters ein
in Richtung der Durchtrittsöffnung
abfallendes Profil aufweist.
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Das
möglichst
vollständige
Hin- und Herfließen
der Beschichtungsflüssigkeit
kann auch dadurch unterstützt
werden, dass wenigstens die Innenflächen des Beschichtungsbehälters und
des Vorratsbehälters
aus einem Material bestehen, das durch die Beschichtungsflüssigkeit
kaum oder nicht benetzt wird. Hierdurch wird insbesondere vermieden,
dass geringe Restvolumina in Form von Tröpfchen oder Flüssigkeitsfilmen
an der Oberfläche
des Behälters anhaften.
Diese Restvolumina, die der Umgebungsatmosphäre eine besonders große relative
Oberfläche
bieten, sind gegenüber
Kontamination besonders anfällig.
Durch den Einsatz eines geeigneten Oberflächenmaterials, evtl. in Form
einer Beschichtung, kann dies wirksam unterbunden werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung eine Öffnung
zum Gasaustausch zwischen dem Beschichtungsbehälter und dem Vorratsbehälter. Eine
solche Öffnung
ist vorteilhaft, da durch diese ein Druckausgleich zwischen den
beiden Behältern
erfolgen kann, auch wenn die Durchtrittsöffnung vollständig durch
Beschichtungsflüssigkeit
ausgefüllt
ist. Auf diese Weise kann das Fließen der Beschichtungsflüssigkeit
wesentlich erleichtert werden, insbesondere, wenn die Durchtrittsöffnung einen
sehr kleinen Querschnitt aufweist bzw. wenn ein sehr schneller Flüssigkeitsaustausch
zwischen den Behältern
erfolgen soll. Da sich Gase innerhalb der Behälter stets oberhalb der Beschichtungsflüssigkeit
befinden, ist die Öffnung
zum Gasaustausch oberhalb der Durchtrittsöffnung für die Beschichtungsflüssigkeit
angeordnet. Die Öffnung
zum Gasaustausch kann als Rohr- oder Schlauchleitung ausgebildet
sein, oder aber sie befindet sich in einem Bereich, wo Beschichtungsbehälter und
Vorratsbehälter
quasi unmittelbar aneinander grenzen und durch die Öffnung praktisch
direkt miteinander verbunden sind.
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Wenngleich
es prinzipiell möglich
ist, ein Werkstück
während
des Beschichtungsvorgangs gewissermaßen „lose” im Beschichtungsbehälter aufzunehmen,
ist eine im Beschichtungsbehälter
angeordnete Aufnahmevorrichtung für das Werkstück vorteilhaft.
Eine derartige Aufnahmevorrichtung dient dazu, das Werkstück während des
Beschichtungsvorgangs zu lagern und – zumindest innerhalb gewisser
Grenzen – gegen
Positionsverschiebungen zu sichern. Die Aufnahmevorrichtung kann
z. B. als Gestell, als Korb o. Ä.
ausgebildet sein. Es ist auch möglich,
dass die Aufnahmevorrichtung nicht unmittelbar das bzw. die Werkstücke aufnimmt,
sondern z. B. einen Korb, der wiederum mit Massekleinteilen gefüllt ist,
die beschichtet werden. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann
in diesem Fall der gesamte Korb in den Beschichtungsbehälter ein-
und wieder herausgebracht werden.
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Es
ist eine Positionierung der Aufnahmevorrichtung innerhalb des Beschichtungsbehälters bevorzugt,
die in Kombination mit einem geeigneten Befüllungsgrad der Vorrichtung
gewährleistet,
dass in der Ruhestellung ein in der Aufnahmevorrichtung befindliches
Werkstück
sich oberhalb des Pegels der Beschichtungsflüssigkeit befindet. Falls Bauweise und
Befüllung
so gewählt
sind, dass beim Verstellen von der Beschichtungsstellung in die
Ruhestellung sämtliche
Beschichtungsflüssigkeit
in den Vorratsbehälter
fließt,
kann die Aufnahmevorrichtung grundsätzlich eine beliebige Position
innerhalb des Beschichtungsbehälters
haben. Allerdings ist weiterhin zu beachten, dass in der Beschichtungsstellung
ein in der Aufnahmevorrichtung befindliches Werkstück sich – wenigstens
teilweise – unterhalb
des Pegels der Beschichtungsflüssigkeit
befinden muss, damit eine Beschichtung möglich ist. Die Wahl einer geeigneten
Bauweise und der hierzu passenden Befüllung stellt allerdings für den Fachmann
eine Standard-Aufgabe dar.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die innerhalb
des Beschichtungsbehälters angeordnete
Aufnahmevorrichtung drehbar gelagert. Gemäß einer typischen Konstruktionsweise
ist eine solche Aufnahmevorrichtung auf einer Welle befestigt, die
ihrerseits an einen Motor bzw. eine Motor-Getriebe-Einheit gekoppelt
ist. Um unnötige
Belastungen der Lager bei einer Drehung der Aufnahmevorrichtung
zu vermeiden, ist eine Bauweise der Aufnahmevorrichtung vorteilhaft,
die eine Achssymmetrie bezüglich
der Rotationsachse aufweist.
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Durch
die Drehbarkeit lassen sich in Kombination mit einer geeigneten
Motor-Getriebe-Einheit zwei
Funktionen gewährleisten.
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Zum
einen kann durch langsame Drehung ein Umwälzen des Werkstücks während des
Beschichtungsvorgangs erreicht werden. Dies ist insbesondere bei
der Beschichtung von Massenkleinteilen von Bedeutung. Zwischen diesen
gibt es zahlreiche Kontaktstellen, die im Falle von ruhenden Werkstücken nicht
oder nur unvollständig
beschichtet werden. Werden die Werkstücke bewegt, wechseln die Kontaktstellen
ständig
und es kann eine gleichmäßige Beschichtung
der Oberfläche
erreicht werden. Um ein effektives Umwälzen der Werkstücke zu gewährleisten,
ist es sinnvoll, eine Drehzahl zu wählen, bei der keine stärkeren Zentrifugalkräfte auftreten.
Daher ist es bevorzugt, dass die Aufnahmevorrichtung in der Beschichtungsstellung
mit einer Drehzahl von höchstens
100 U/min drehbar ist. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist es hierbei
vorteilhaft, wenn die Drehachse der Aufnahmevorrichtung um wenigstens 5°, bevorzugt
wenigstens 20°,
von der Senkrechten abweicht, da auf diese Weise das Umwälzen durch die
Schwerkraft besser unterstützt
werden kann.
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Zum
anderen kann durch schnelle Drehung die Aufnahmevorrichtung als
Zentrifuge für
ein darin befindliches Werkstück
dienen, so dass nach dem Beschichten noch anhaftende Beschichtungsflüssigkeit
abgeschleudert wird. Hierzu ist es bevorzugt, dass die Aufnahmevorrichtung
mit einer Drehzahl von wenigstens 250 U/min drehbar ist, wenn sich
die Vorrichtung in der Ruhestellung befindet. In dieser Stellung
ist die Beschichtungsflüssigkeit
wenigstens teilweise vom Beschichtungsbehälter in den Vorratsbehälter abgeflossen
und das Werkstück
befindet sich – wie
oben geschildert – bevorzugterweise
oberhalb des Pegels der Beschichtungsflüssigkeit. Somit kann die Aufnahmevorrichtung
wie Zentrifugen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, zum
Abschleudern genutzt werden. Innerhalb des oben geschilderten Verfahrens
erfolgt das Abschleudern zwischen Schritt b) und Schritt d), d.
h. das Abschleudern kann ggf. schon während des Verstellens in die Ruhestellung,
also während
Schritt c), beginnen. Dies kann eventuell zur Zeitersparnis sinnvoll
sein, allerdings liegt es auf der Hand, dass ein Abschleudern erst
einsetzen sollte, wenn sich die Beschichtungsflüssigkeit so weit abgeflossen
ist, dass sich das Werkstück
oberhalb des Flüssigkeitspegels
befindet.
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Es
ist möglich,
die Umwälzfunktion
ohne die Zentrifugenfunktion zu realisieren und umgekehrt. Für eine effiziente
Verfahrensführung,
bei der möglichst
viele Verfahrensschritte innerhalb einer Vorrichtung realisiert
werden, ist jedoch eine Kombination der beiden Funktionen als vorteilhaft
anzusehen.
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Im
Sinne einer effizienten Nutzung der vorhandenen Beschichtungsflüssigkeit
sollte sich während
des Beschichtungsvorgangs ein möglichst
großer
Anteil der Flüssigkeit
im Beschichtungsbehälter befinden,
d. h. es sollte möglichst
wenig Flüssigkeit im
Vorratsbehälter
zurückbleiben.
Insbesondere wird sich in der Regel in der Beschichtungsstellung
der Bereich der Aufnahmevorrichtung – falls eine solche vorhanden
ist – wenigstens
teilweise unterhalb des Pegels der Beschichtungsflüssigkeit
befinden. Daher ist es bevorzugt, dass sich in der Beschichtungsstellung
höchstens
50% des Volumens des Vorratsbehälters
unterhalb der Durchtrittsöffnung
befinden. Besonders bevorzugt befindet sich das gesamte Volumen
des Vorratsbehälters
in der Beschichtungsstellung oberhalb der Durchtrittsöffnung.
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In
gleichem Maße
sollte in der Ruhestellung der Beschichtungsbehälter möglichst frei von Beschichtungsflüssigkeit
sein. Daher ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Weiterentwicklung
so ausgebildet, dass sich in der Ruhestellung ein Teilvolumen des
Beschichtungsbehälters,
das höchstens 50%,
des Volumens des Vorratsbehälters
entspricht, unterhalb der Durchtrittsöffnung befindet. Besonders bevorzugt
befindet sich in der Ruhestellung das gesamte Volumen des Beschichtungsbehälters oberhalb
der Durchtrittsöffnung.
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Grundsätzlich kann
der Beschichtungsraum einem Kontaminationsrisiko durch Umgebungsluft und
hiermit verbundene Feuchtigkeit ausgesetzt sein. Daher ist es sinnvoll,
dass in der Ruhestellung möglichst
wenig Beschichtungsflüssigkeit
im Beschichtungsbehälter
verbleibt, z. B. während
ein Ein- und Austragen des Werkstücks erfolgt. Denn zumindest
in dieser Phase ist ein Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem
Inneren des Beschichtungsbehälters über die
Beschicköffnung
möglich.
Des Weiteren ist ein höherer
Restpegel von Beschichtungsflüssigkeit
im Beschichtungsbehälter
in der Ruhestellung in sofern nachteilig, als in dieser Stellung üblicherweise
ein Abtropfen o. Ä.
der noch am Werkstück
haftenden Flüssigkeit
erfolgt. Hierzu muss dafür
gesorgt werden, dass kein Teil des Werkstücks in eventuell noch im Beschichtungsbehälter stehende Flüssigkeit
eintaucht. D. h., falls eine Aufnahmevorrichtung vorhanden ist,
sollte sich diese in der Ruhestellung oberhalb des Flüssigkeitspegels
befinden. Dies kann umso leichter erreicht werden, je niedriger der
verbleibende Pegel an Restflüssigkeit
ist.
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Eine
möglichst
effiziente Nutzung des Vorratsbehälters, insbesondere ein vollständiges Abfließen der
Beschichtungsflüssigkeit
in diesen, wird auch dadurch unterstützt, dass sich in der Ruhestellung
das gesamte Volumen des Vorratsbehälters unterhalb der Durchtrittsöffnung befindet.
Hierdurch lässt
sich auch bei entsprechender Befüllung,
auf die unten noch eingegangen wird, gewährleisten, dass der gesamte
Vorratsbehälter
in der Ruhestellung mit Beschichtungsflüssigkeit gefüllt ist.
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In
einer Weiterentwicklung der Erfindung weist der Beschichtungsbehälter eine
verschließbare Beschicköffnung zum
Einbringen des Werkstücks auf.
Um eine Kontamination der Beschichtungsflüssigkeit zu verhindern, ist
die Beschicköffnung
bevorzugt luftdicht verschließbar.
Es ist auch denkbar, dass an der Beschicköffnung eine Schleusenkammer ausgebildet
ist, die beidseitig luftdicht verschließbar ist und somit einen Gasaustausch
zwischen der Umgebung und dem Beschichtungsbehälter völlig unterbindet.
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Um
einen Kontakt zwischen der Beschichtungsflüssigkeit und der Beschicköffnung zu
vermeiden, ist die Vorrichtung bevorzugt so ausgebildet, dass sich
in der Beschichtungsstellung ein Teilvolumen des Beschichtungsbehälters, das
wenigstens gleich dem Volumen des Vorratsbehälters ist, unterhalb der Beschicköffnung befindet.
Hierdurch ist gewährleistet,
dass selbst dann, wenn alle Beschichtungsflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter in
den Beschichtungsbehälter
geflossen ist, die Beschicköffnung
sich oberhalb des Pegels der Beschichtungsflüssigkeit befindet. So wird
zum einen die Beschicköffnung
vor möglichen
schädlichen
Einflüssen
geschützt,
d. h. es müssen
bei der Konstruktion von Dichtungen o. Ä. nicht notwendigerweise Materialien verwendet
werden, die gegen die Beschichtungsflüssigkeit unempfindlich sind.
Schließlich
kann ausgeschlossen werden, dass z. B. beim Öffnen eines Verschlusses der
Beschicköffnung
Beschichtungsflüssigkeit
ungewollt ausgetragen wird.
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Oft
wird der elektrochemische Beschichtungsprozess durch die Temperatur,
bei der er durchgeführt
wird, maßgeblich
beeinflusst. Insbesondere einige ionische Flüssigkeiten zeigen hier eine
Empfindlichkeit gegenüber
Temperaturschwankungen, die schlimmstenfalls dazu führen kann,
dass die Flüssigkeit
völlig
unbrauchbar wird. Generell sind Eigenschaften wie Viskosität und Leitfähigkeit,
die für
den elektrochemischen Beschichtungsprozess entscheidend sind, temperaturabhängig. Um
eine Temperierung der Beschichtungsflüssigkeit zu gewährleisten, umfasst
die Vorrichtung in einer Weiterbildung der Erfindung Mittel zum
Heizen und/oder Mittel zum Kühlen
der Beschichtungsflüssigkeit.
Welche Mittel hierbei nötig
sind, hängt
mitunter von der verwendeten Beschichtungsflüssigkeit ab. Liegt deren optimale
Arbeitstemperatur zwischen 70°C
und 80°C
und die Vorrichtung steht in einer Umgebung mit Raumtemperatur,
so wird man auf Mittel zum Kühlen
verzichten können.
Liegt die optimale Arbeitstemperatur hingegen zwischen 15°C und 20°C, so sind
in der Regel Mittel zum Heizen entbehrlich. Hierbei ist zu berücksichtigen,
dass während
des Beschichtens der Flüssigkeit
ständig
Wärme zugeführt wird,
da der Beschichtungsstrom Widerstandsverluste in der Flüssigkeit
erfährt.
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In
jedem Fall können
sowohl die Mittel zum Kühlen
als auch die Mittel zum Heizen unterschiedlichster Art sein. In
Frage kommen elektrische Heizschlangen, die in die Behälterwand
integriert sind oder in den Behälterinnenraum
ragen. Auch schlangen- oder lamellenartige Wärmetauschersysteme, die einer
warmen bzw. kühlen
Flüssigkeit
durchflossen werden, sind geeignet. Schließlich ist es möglich, warmes
oder kühles
Inertgas direkt durch die Beschichtungsflüssigkeit zu leiten. Zum Heizen
kann natürlich
auch Infrarotstrahlung eingesetzt werden. Falls die Durchtrittsöffnung als
Leitung, also gestreckt ausgebildet ist, können Mittel zum Heizen bzw.
Kühlen
an deren Wandung angeordnet sein, so dass die Durchtrittsöffnung als
Durchlauferhitzer bzw. Durchlaufkühler wirkt.
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Praktisch
alle Beschichtungsflüssigkeiten, insbesondere
Tauchlacke, aber auch Flüssigkeiten zum
galvanischen Beschichten, zeigen ein Absetzverhalten. Zwar erfolgt
ein gewisses Durchmischen der Beschichtungsflüssigkeit beim Fließen von
einem Behälter
in den anderen. Dennoch ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung
Mittel zum Durchmischen der Beschichtungsflüssigkeit umfasst. Diese können so ausgebildet
sein, dass sie auf die Flüssigkeit
im Beschichtungsbehälter
und/oder im Vorratsbehälter
einwirken.
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Solche
Mittel können
einen mechanischen Rührer,
der über
einen Motor und eine Welle angetrieben wird, umfassen. Daneben sind
aber auch Magnetrührer
vorteilhaft, da diese keine zusätzliche Öffnung in
einer Behälterwand
für eine
mechanische Ankopplung benötigen.
Besonders vorteilhaft ist ein Durchmischen mittels Ultraschall,
da es hierbei überhaupt
keiner zusätzlichen
Teile innerhalb des jeweiligen Behälters bedarf. Die jeweiligen
Mittel zum Durchmischen können
periodisch oder kontinuierlich betrieben werden.
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Es
ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar, dass ein Teil
der Wandung des Beschichtungsbehälters,
die Aufnahmevorrichtung oder Teile derselben als Elektrode zur Kontaktierung
des Werkstücks
ausgebildet sind. Hierbei ist zu gewährleisten, dass während des
gesamten Beschichtungsvorgangs (abgesehen eventuell von kurzen Unterbrechungen)
jedes Werkstück
direkt oder indirekt (über
andere Werkstücke)
in elektrischem Kontakt zu dieser Elektrode steht. In einer Weiterentwicklung
der Erfindung ist allerdings wenigstens eine Elektrode zur Kontaktierung
des Werkstücks
in den Beschichtungsbehälter
verfahrbar. Ein solches Verfahren kann über ein Getriebe, pneumatisch
oder hydraulisch erfolgen, wobei letzteres bevorzugt ist.
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Die
wenigstens eine Gegenelektrode kann hierbei fest installiert oder
ebenfalls verfahrbar angeordnet sein. Es muss in jedem Fall gewährleistet sein,
dass die Gegenelektrode während
des Beschichtungsvorgangs in die Beschichtungsflüssigkeit taucht.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn wenigstens eine Elektrode zur Kontaktierung
des Werkstücks
flexibel aufgehängt
ist. Durch eine solche Aufhängung
ist es möglich,
dass die Elektrode auch bei sich bewegenden Werkstücken den
Bewegungen derselben folgt und somit ständig Kontakt hält. Die Flexibilität kann durch
ein Kabel oder eine Art Schlauch realisiert werden. Typischerweise
kann in diesem Fall die Elektrode von oben herabhängen, womit
sie im Wesentlichen aufgrund der Schwerkraft Kontakt mit den Werkstücken hält.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
ein Beschichtungsverfahren durchgeführt werden. Hierzu werden der
Beschichtungsbehälter und/oder
der Vorratsbehälter
vorab wenigstens teilweise mit einer Beschichtungsflüssigkeit
gefüllt.
Bei dem erfindungsge mäßen Beschichtungsverfahren werden
in zeitlicher Abfolge die folgenden Schritte durchgeführt:
- a) Einbringen des Werkstücks in den Beschichtungsbehälter,
- b) elektrochemisches Abscheiden einer Beschichtung auf dem Werkstück, während sich
die Vorrichtung in der Beschichtungsstellung befindet,
- c) Verstellen der Vorrichtung in die Ruhestellung und
- d) Entfernen des Werkstücks
aus dem Beschichtungsbehälter
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Hierbei
ist es möglich,
dass die Vorrichtung vor oder aber nach dem Einbringen des Werkstücks in den
Beschichtungsbehälter
in die Beschichtungsstellung verstellt wird.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet,
die einer Aufnahmevorrichtung sowie motorische Mittel zum Drehen
der Aufnahmevorrichtung umfasst, wobei die Aufnahmevorrichtung durch
die motorischen Mittel während des
Abscheidens der Metallschicht mit höchstens 100 U/min gedreht wird.
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Um
Beschichtungsflüssigkeit
bereits innerhalb des Beschichtungsbehälters vom Werkstück abzuschleudern,
ist es vorteilhaft, wenn bei dem Verfahren eine Vorrichtung verwendet
wird, die eine Aufnahmevorrichtung sowie motorische Mittel zum Drehen
der Aufnahmevorrichtung umfasst, und zwischen Schritt b) und Schritt
d) die Aufnahmevorrichtung durch die motorischen Mittel mit wenigstens
250 U/min gedreht wird.
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In
einer bevorzugten Variante des geschilderten Beschichtungsverfahrens
wird eine Vorrichtung verwendet, die mindestens eine Elektrode umfasst,
die zur Kontaktierung des Werkstücks
in den Beschichtungsbehälter
verfahrbar ist, und die Elektrode wird vor dem Abscheidevorgang,
also vor Schritt b), in den Beschichtungsbehälter verfahren, so dass sie
während
Schritt b) wenigstens zeitweise das Werkstück kontaktiert. Nach dem Ende
des Abscheidevorgangs wird die Elektrode wieder aus dem Beschichtungsbehälter verfahren.
Bevorzugt wird die Elektrode nach dem Einbringen des Werkstücks in den
Beschichtungsbehälter
in diesen verfahren und wieder aus diesem heraus verfahren, bevor
das Werkstück
entfernt wird. Die Elektrode kann vor, während oder nach dem Verstellen
der Vorrichtung in die Ruhestellung aus dem Beschichtungsbehälter herausgefahren
werden.
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Um
bei dem Verfahren einen optimalen Schutz der Beschichtungsflüssigkeit
vor Kontamination zu gewährleisten,
ist es vorteilhaft, wenn ein Volumen an Beschichtungsflüssigkeit
zwischen 80% und 110%, bevorzugt zwischen 95% und 105%, besonders
bevorzugt zwischen 99% und 101% des Volumens des Vorratsbehälters eingesetzt
wird. Somit bleibt in der Ruhestellung zum einen wenig bzw. keine
Flüssigkeit
im Beschichtungsbehälter,
zum anderen ist der Vorratsbehälter
möglichst
vollständig
mit Beschichtungsflüssigkeit
gefüllt.
In diesem Fall ist der einzige Teil der Oberfläche der Flüssigkeit, der mit Gas aus dem
Beschichtungsbehälter
in Kontakt steht, derjenige, der sich an der Durchtrittsöffnung und,
falls vorhanden, an der Öffnung
zum Gasaustausch befindet. Dies bedeutet, dass eine potenzielle Kontamination
auch nur über
diese relativ kleinen Oberflächen
erfolgen kann und somit weitgehend unterbunden wird.
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Vorzugsweise
wird bei diesem Verfahren als Beschichtungsflüssigkeit eine ionische Flüssigkeit verwendet
wird, die Ionen wenigstens eines Elementes umfasst. Diese Ionen
können
entweder Teil der ionischen Flüssigkeit
sein, oder aber in dieser gelöst vorliegen.
Als Elemente kommen hierbei insbesondere Metalle und Halbleiter
in Frage, aber auch Nichtmetalle sind explizit eingeschlossen.
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Insbesondere
kann mit der Vorrichtung die Abscheidung von Aluminium aus einer
ionischen Flüssigkeit,
z. B. 1-Ethyl-3-Methylimidazoliumchlorid, in der ein Aluminiumsalz,
z. B. Aluminiumchlorid, gelöst
ist, durchgeführt
werden. Ebenso können
Aluminium-Legierungen
abgeschieden werden. Hierbei sind Legierungen von Aluminium mit
wenigstens einem der Elemente Silizium, Eisen, Kupfer, Mangan, Magnesium,
Chrom, Nickel, Zink, Blei sowie Titan bevorzugt.
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Details
der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die Figuren erläutert. Hierbei
zeigt
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1a eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der Ruhestellung vor dem Beschicken;
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1b eine
schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1a in
der Ruhestellung nach dem Beschicken;
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1c eine
schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1a in
der Beschichtungsstellung;
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2a eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der Ruhestellung;
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2b eine
schematische Darstellung der Vorrichtung aus 2a in
der Beschichtungsstellung;
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3a eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der Ruhestellung und
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3b eine
schematische Darstellung der Vorrichtung aus 3a in
der Beschichtungsstellung.
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Die 1a bis 1c zeigen
eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung 1 in
Ruhestellung vor (1a) und nach dem Beschicken (1b)
sowie während
des Beschichtens (1c). Die Beschichtungsvorrichtung 1 umfasst
einen Beschichtungsbehälter 2 sowie
einen Vorratsbehälter 3, in
dem sich eine Beschichtungsflüssigkeit 20 befindet.
Die Beschichtungsflüssigkeit 20 besteht
aus einer Schmelze von 1-Ethyl-3-Methylimidazoliumchlorid,
in der Aluminiumchlorid gelöst
ist. Die Beschichtungsflüssigkeit 20 neigt
bei Kontakt mit Feuchtigkeit zur Chlorwasserstoffbildung, was durch
die geringe Luftfeuchtigkeit in der Trockenkammer begrenzt wird. Die
Bildung von CH-Gas wird dadurch unterdrückt, dass der Beschichtungsbehälter 2 ständig mit
getrockneter Luft gespült
wird (relative Feuchte der getrockneten Luft unter 0,1%).
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Die
Behälter 2, 3 sind
durch eine Durchtrittsöffnung 4 für die Beschichtungsflüssigkeit 20 miteinander
verbunden. Daneben ist eine zweite Verbindung durch eine oberhalb
der Durchtrittsöffnung 4 befindliche Öffnung 15 zum
Gasaustausch gegeben. Die Vorrichtung 1 ist durch Drehung
der Behälter 2, 3 um
eine gemeinsame Drehachse A zwischen der in 1a dargestellten
Ruhestellung und einer Beschichtungsstellung gemäß 1c verstellbar.
Die Drehachse A verläuft
senkrecht zur Ebene der Darstellung. Hierbei ist die erste Achse
A durch eine Welle (nicht dargestellt) vorgegeben, mittels der die
Behälter 2, 3 mit
einer an einem Sockel 16 montierten Motor-Getriebe-Einheit (ebenfalls
nicht dargestellt) verbunden sind. Über die Motor-Getriebe-Einheit wird
das Verstellen der Vorrichtung 1 realisiert. Bei der dargestellten
Vorrichtung 1 sind beide Behälter 2, 3 aus
einem Stück
aus einem Keramikmaterial oder aus Glas gefertigt, das gegenüber Chlorwasserstoff unempfindlich
ist.
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In
der Ruhestellung (1a, b) befindet sich das gesamte
Volumen des Vorratsbehälters 3 unterhalb
der Durchtrittsöffnung 4,
das gesamte Volumen des Beschichtungsbehälters 2 befindet sich
oberhalb der Durchtrittsöffnung 4.
Das Volumen der Beschichtungsflüssigkeit 20 ist
identisch mit dem des Vorratsbehälters 3,
so dass dieser in der Ruhestellung vollständig gefüllt ist. Daher hat nur ein
kleiner Teil der Beschichtungsflüssigkeit 20 angrenzend
an die Durchtrittsöffnung 4 sowie
die Öffnung 15 zum
Gasaustausch Kontakt mit der Luft im Beschichtungsbehälter 2.
Die – ohnehin
geringe – Luftfeuchtigkeit
der Luft im Beschichtungsbehälter 2 hat
somit nur eine geringe Berührungsfläche mit
der Beschichtungsflüssigkeit 20,
was die Chlorwasserstoffentwicklung weiter minimiert.
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Der
Beschichtungsbehälter 2 in 1a weist eine
Beschicköffnung 5 auf,
die durch einen Deckel 6 verschließbar ist. Dieser Deckel 6 ist
zum Einbringen eines Korbes 21 geöffnet. An der Außenseite
des Beschichtungsbehälters 2 ist
an einer schwenk- und verfahrbaren Aufhängung 12 eine Kontaktelektrode 11 angebracht,
die durch eine Elektrodenöffnung 17 im
Deckel 6 in den Beschichtungsbehälter 2 verfahren werden
kann. Die Aufhängung 12 weist
auch einen flexiblen Abschnitt 13 auf. Im Beschichtungsbehälter 2 befindet
sich eine Aluminiumelektrode 14, die als Gegenelektrode
zu der Kontaktelektrode 11 dient.
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Innerhalb
des Beschichtungsbehälters 2 ist eine
Aufnahmevorrichtung 7 für
einen Korb 21 mit Werkstücken 22 angeordnet.
Die Aufnahmevorrichtung 7 kann über eine durch die Wand des
Beschichtungsbehälters 2 geführte Welle 8 in
Drehung versetzt werden. Die Aufnahmevorrichtung 7 ist
in diesem Fall als Bottich mit durchbrochener Wandung ausgebildet,
so dass der Korb 21 in sie eingesetzt werden kann und gegen
größere Positionsänderungen
gesichert ist, gleichzeitig aber Flüssigkeit 20 durch
die Wandung der Aufnahmevorrichtung 7 zum Korb 21 gelangen
kann.
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Die
Welle 8 ist über
ein am Beschichtungsbehälter 2 angeordnetes
Getriebe 9 ansteuerbar. Dieses wird wiederum von einem
Motor 10 angetrieben. Somit kann die Aufnah mevorrichtung 7 um
eine Rotationsachse B gedreht werden, die in etwa mit der Symmetrieachse
der Aufnahmevorrichtung 7 identisch ist und die in der
Ruhestellung – bezogen
auf die durch die Schwerkraft vorgegebene Richtung – senkrecht
verläuft.
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In
der Ruhestellung befinden sich die Volumenschwerpunkte beiden Behälter 2, 3 auf
unterschiedlichen Seiten einer senkrechten Ebene durch die erste
Achse A, wobei die erste Achse A allerdings durch den Beschichtungsbehälter 2 verläuft. Dies liegt
daran, dass sowohl die Aufhängung 12 mit
der Kontaktelektrode 11 als auch Aufnahmevorrichtung 7,
Getriebe 9 und Motor 10 mit dem Beschichtungsbehälter 2 verbunden
sind, weshalb der effektive Massenschwerpunkt des Systems auf Seiten
des Beschichtungsbehälters 2 liegt.
Durch die vorliegende Anordnung der ersten Achse A wird erreicht,
dass die Drehmomente durch das Gewicht der Bauteile auf beiden Seiten
einander wenigstens teilweise aufheben, so dass sie gewissermaßen „ausbalanciert” sind.
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Nachstehend
wird die Arbeitsweise der in den 1a bis 1c dargestellten
Beschichtungsvorrichtung 1 beispielhaft erläutert. 20
kg Stahlschrauben 22 sind zur Beschichtung mit Aluminium vorgesehen.
Die Beschichtung soll bei Raumtemperatur durchgeführt werden.
Die Schrauben 22 werden zur Beschichtung vorbereitet, indem
sie zunächst
gesandstrahlt und anschließend
zur Entfettung in einem Korb 21 in eine Reinigungslösung bestehend
aus Wasser, in dem in je 1 Liter Wasser 9 g Kaliumphosphat und 27
g Kaliumhydroxid gelöst
wurden, bei 85°C
entfettet. Nach einer Einwirkzeit von 5 min wird der Korb 21 aus
dem Bad (hier nicht dargestellt) herausgehoben. Der Korb 21 mit
den Schrauben 22 mit Leitungswasser abgespült und anschließend trocken geschleudert.
Danach werden die Schrauben 22 mittels eines Heißluftstroms
weiter getrocknet.
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Die
getrockneten Schrauben 22 werden im Korb 21 zur
Beschichtungsvorrichtung 1 überführt. Der Korb 21 wird
in den Bottich der Aufnahmevorrichtung 7 eingesetzt, wodurch
er gegen größere Verschiebungen
gesichert ist. Nach dem Verschließen des Deckels 6 wird
die Kontaktelektrode 11 mittels der Aufhängung 12 in
den Beschichtungsbehälter 2 verfahren.
Dieser Zustand ist in 1b dargestellt.
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Die
Beschichtungsvorrichtung 1 wird nun in die Beschichtungsstellung
verstellt. Hierbei befindet sich der Volumenschwerpunkt des Beschichtungsbehälters 2 – bezogen
auf die senkrechte Ebene durch die erste Achse A – auf der
Seite der Achse A, auf der die Drehung ein Absenken bewirkt, während sich
der Schwerpunkt des Vorratsbehälters 3 auf
der Seite befindet, wo die Drehung ein Anheben bewirkt. Hierdurch
verlagert sich der Volumenschwerpunkt des Vorratsbehälters 3 gegenüber dem
des Beschichtungsbehälters 2 nach
oben. Beschichtungsflüssigkeit 20 fließt durch
die Durchtrittsöffnung 4 in
den Beschichtungsbehälter 2,
während
durch die Öffnung 15 zum
Gasaustausch sichergestellt ist, dass auch dann, wenn die Durchtrittsöffnung 4 vollständig mit Beschichtungsflüssigkeit 20 gefüllt ist,
ein Druckausgleich erfolgen kann.
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Wie
in 1c erkennbar ist, die die Beschichtungsvorrichtung 1 in
der Beschichtungsstellung zeigt, ist das Profil des Vorratsbehälters 3 so ausgebildet,
dass es in dieser Stellung in Richtung auf die Durchtrittsöffnung 4 abschüssig ist,
wodurch das Abfließen
unterstützt
wird. In der Beschichtungsstellung befindet sich das gesamte Volumen
des Vorratsbehälters 3 oberhalb
der Durchtrittsöffnung 4.
Die Schrauben 22 sind von der Beschichtungsflüssigkeit 20 umspült, die
Aluminiumelektrode 14 taucht in die Beschichtungsflüssigkeit 20 ein.
Die flexible Kontaktelektrode 11 liegt hierbei lose auf
den Schrauben 22 auf, so dass jede der Schrauben 22 direkt
oder indirekt mit elektrisch mit dieser verbunden ist.
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Zur
Beschichtung wird die Aufnahmevorrichtung 7 mit dem Korb 21 in
langsame Drehung von 20 U/min versetzt, während zwischen der Aluminiumelektrode 14 und
der Kontaktelektrode 11 eine Spannung angelegt wird, so
dass die Aluminiumelektrode 14 als Anode fungiert. Die
Spannung wird so eingestellt, dass ein Abscheidungsstrom mit einer
mittleren Stromdichte von 10 A/dm2 resultiert.
Die Schrauben 22, die durch die lose aufliegende Kontaktelektrode 11 das
gleiche elektrische Potential aufweisen wie diese, werden durch
Abscheidung von Aluminium aus der Beschichtungsflüssigkeit 20 beschichtet, während sich
kontinuierlich Aluminiumionen durch Oxidation von der Anode 14 ablösen, so
dass die Aluminiumkonzentration in der Beschichtungsflüssigkeit 20 konstant
bleibt.
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Nach
einer Beschichtungsdauer von 5 min ist auf den Schrauben 22 eine
Al-Schicht von ca. 10 μm Dicke
abgeschieden, die Spannung wird abgeschaltet, die Aufnahmevorrich tung 7 wird
angehalten und die Vorrichtung 1 wird zurück in die
Ruhestellung verfahren, wonach sich das gesamte Volumen des Vorratsbehälters 3 wieder
unter der Durchtrittsöffnung 4 befindet
(siehe 1b). Hierbei läuft der
Großteil
der Flüssigkeit 20 aus
dem Beschichtungsbehälter 2 in den
Vorratsbehälter 3 ab.
Es haften allerdings noch Flüssigkeitsreste
an den Schrauben 22 an. Um diese abzuschleudern wird die
Aufnahmevorrichtung 7 in schnelle Rotation von 300 U/min
versetzt. Nach drei Schleudervorgängen von jeweils 20 Sekunden
mit jeweils 10 Sekunden Pause sind die Schrauben 22 nahezu
frei von Beschichtungsflüssigkeit 20.
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Nach
dem Abschleudern wird die Kontaktelektrode 11 aus dem Beschichtungsbehälter 2 verfahren.
Der Deckel 6 der Beschicköffnung 5 wird geöffnet und
der Korb 21 wird aus dem Beschichtungsbehälter 2 gehoben.
Damit ist das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren
abgeschlossen.
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Die
fertig beschichteten Schrauben 22 werden einem Eloxierungsprozess
unterzogen, wodurch die Oberfläche
der Aluminiumbeschichtung passiviert wird.
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2a und 2b zeigen
stark schematisiert eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 101 zum
elektrochemischen Beschichten. Hierbei befinden sich ein Beschichtungsbehälter 102 mit
einer Beschicköffnung 105 und
ein Vorratsbehälter 103 auf
derselben Seite einer gemeinsamen Drehachse A', wobei sich allerdings der Vorratsbehälter 103 weiter
außen
befindet. In der in 2a dargestellten Ruhestellung
befindet sich der Vorratsbehälter 103 unterhalb
einer Durchtrittsöffnung 104 und
Beschichtungsflüssigkeit 120 ist
in ihm aufgenommen. Beim Verstellen in die Beschichtungsstellung 101 verlagert sich
der Volumenschwerpunkt des Vorratsbehälters 103 gegenüber dem
des Beschichtungsbehälters 102 nach
oben, wodurch die Beschichtungsflüssigkeit 120 in den
Beschichtungsbehälter 102 fließt. Um das
durch die Behälter 102, 103 hervorgerufene Drehmoment
auszugleichen, sind diese mit einem Gegengewicht 108 verbunden,
das sich auf der anderen Seite der Drehachse A' befindet.
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3a und 3b zeigen
eine dritte Ausführungsform
einer Vorrichtung 201 zum elektrochemischen Beschichten,
bei der sich ein Beschichtungsbehälter 202 mit einer
Beschicköffnung 205 und ein
Vorratsbehälter 203 auf
einer Seite einer gemeinsamen Drehachse A'' befinden,
wobei wiederum ein Gegengewicht 218 mit den Behältern 202, 203 verbunden
ist. Hierbei haben beide Behälter 202, 203 den
gleichen Abstand von der Drehachse A'',
jedoch befindet sich der Vorratsbehälter 203 in der in 3a dargestellten
Ruhestellung unterhalb des Beschichtungsbehälters 202, während er
sich in der in 3b dargestellten Beschichtungsstellung
oberhalb des Beschichtungsbehälters 202 befindet.
Eine Durchtrittsöffnung 204 befindet
sich hierbei jeweils zwischen den Behältern 202, 203.
Die Drehung erfolgt hierbei jeweils so, dass die beiden Behälter 202, 203 oberhalb
der gemeinsamen Drehachse A'' entlang geführt werden.
Die dargestellte Vorrichtung 201 arbeitet nach dem Prinzip
einer Sanduhr. Um ein möglichst
schnelles Abfließen
der Beschichtungsflüssigkeit 220 zu
gewährleisten,
ist auch hier eine Öffnung zum
Gasaustausch 215 vorgesehen, die so angeordnet ist, dass
sie stets frei von Beschichtungsflüssigkeit 220 bleibt.
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In
den 2 und 3 wird
auf die Darstellung der Elektroden verzichtet, um das Funktionsschema der
Beschichtungsvorrichtung besser herausstellen zu können.
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Insbesondere
dann, wenn Werkstücke
aufwändig
gereinigt und für
die Beschichtung vorbereitet werden müssen, oder wenn nach dem Beschichten noch
Spülvorgänge zu Rückgewinnung
der ionischen Flüssigkeit
vorgesehen sind, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Gehäuse oder
in einem Raum aufgestellt sein, in dem ein kontrolliertes Raumklima
herrscht, z. B. mit besonders niedriger Luftfeuchte von unter 1%,
bevorzugt unter 0,1%.