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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung aus einem leitfähigen Beschichtungsmaterial auf eine Oberfläche nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Aufbringen einer solchen Beschichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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Das Aufbringen von leitfähigen, insbesondere metallischen Beschichtungsmaterialen auf zu beschichtende Oberflächen durch Aufschmelzen und Aufsprühen des Materials ist aus dem Stand der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen. Ein gängiges Verfahren ist beispielsweise das Lichtbogendrahtspritzen. Ein spezielleres Verfahren ist das Eindrahtlichtbogenspritzen bei welchem zwischen einer sich nicht verbrauchenden Elektrode und einem Draht aus dem Beschichtungsmaterial ein Lichtbogen gezündet wird. Der Draht aus dem Beschichtungsmaterial schmilzt im Lichtbogen auf und wird durch einen Gasstrom in Form feiner Tröpfchen auf die zu beschichtende Oberfläche transportiert. Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren ist aus der
US 2002/0185473 A1 bekannt.
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Solche Verfahren sind mit dem Nachteil behaftet, dass der Lichtbogen Störungen des Gasstroms, wie beispielsweise Verwirbelungen durch Schatteneffekte, bewirkt. Hieraus resultiert eine ungleichmäßige Mitnahme der aufgeschmolzenen Partikel im Gasstrom. Solche Störungen limitieren den minimalen Winkel des sich ausbreitenden Spritzkegels von aufgeschmolzenen Materialtröpfchen. Beim Lichtbogendrahtspritzen liegt der minimale Winkel bei 20° bis 30°. Ein weiteres Problem der bekannten Methoden ist die Limitierung der möglichen Auftragsgeschwindigkeiten. Bei sehr hoher Gasströmung kann es nämlich zu einem „Ausblasen” des Lichtbogens kommen. Auch Störlichtbögen, die zu ungewünschten Stellen überspringen, können auftreten und den Auftragsprozess stören. Um dies zu vermeiden ist eine sehr genaue Einstellung von Abstand und Winkel zwischen dem Draht und der festsitzenden, sich nicht verbrauchenden Elektrode notwendig, was das Verfahren schwer und aufwändig zu kontrollieren macht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8 bereitzustellen, die eine möglichst einfache und genaue Beschichtung von Oberflächen mit leitfähigen Materialien ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Bei einem solchen Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung aus einem leitfähigen Beschichtungsmaterial auf eine Oberfläche eines zu beschichtenden Bauteils wird wenigstens ein Draht aus dem Beschichtungsmaterial aufgeschmolzen und die Schmelze mittels eines Gasstromes auf die Oberfläche befördert. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass das Aufschmelzen mittels einer Induktionsspule durchgeführt wird.
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Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird somit kein Lichtbogen zum Aufschmelzen des Drahtes benötigt. Die beschriebenen nachteiligen Verwirbelungs- und Schatteneffekte treten daher nicht auf. Im Schmelzbereich können die aufgeschmolzenen Partikel des Beschichtungsmaterials daher ungestört von einem gleichmäßigen Gasstrom mitgetragen werden. Aufgrund des Fehlens von Störkonturen, wie sie durch den Lichtbogen entstehen, kann ein besonders enger Spritzkegel aus vom Gasstrom mitgeführten Materialpartikeln erzielt werden. Insbesondere ist es möglich, einen Spritzkegel mit einem Öffnungswinkel von < 5° zu realisieren. Hierdurch können die Beschichtungen besonders präzise aufgebracht werden.
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Da zum Aufschmelzen des Drahtes kein Ladungsübergang von einer Gegenelektrode notwendig ist, ist beim beschriebenen Verfahren auch das Auftreten von Störlichtbögen sowie das Ausblasen des Lichtbogens nicht möglich. Die Notwendigkeit zur hochgenauen Einstellung von verschiedenen Parametern der Beschichtungsvorrichtung, die beim Lichtbogendrahtspritzen besteht, entfällt daher. Das Verfahren ist somit besonders einfach durchzuführen und liefert gleichmäßige Beschichtungsergebnisse von besonders hoher Qualität.
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Der wenigstens eine Draht wird vorzugsweise mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit durch einen Innenraum der Induktionsspule geschoben. Da im Spuleninnenraum ein besonders homogenes Feld vorherrscht, wird so eine besonders gleichmäßig ausgebildete Schmelzzone des Drahtes realisiert, was zu einem besonders gleichmäßigen Materialauftrag führt.
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Vorzugsweise beträgt diese Vorschubgeschwindigkeit 2 bis 10 m/s, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform 5 m/s. Hiermit lässt sich eine besonders hohe Materialmenge besonders gleichmäßig auf die zu beschichtende Oberfläche fördern.
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Die Induktionsspule wird bevorzugt mit einer Frequenz von mehr als 700 Hz betrieben, die Betriebsspannung beträgt hierbei wenigstens 200 V, bevorzugt mehr als 260 V und der Betriebsstrom der Induktionsspule übersteigt 30 A und ist bevorzugt > 44 A. Mit höheren Drahtvorschubgeschwindigkeiten muss die Leistung der Induktionsspule entsprechend erhöht werden, wobei gegebenenfalls auch eine Frequenzerhöhung notwendig ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Gasstrom parallel zu der Vorschubrichtung des Drahtes geführt. Diese Führungsrichtung des Drahtes ist insbesondere zum Aufbringen von Außenbeschichtungen günstig. Sollen dagegen Innenbeschichtungen aufgebracht werden, ist es zweckmäßig, den Gasstrom senkrecht zu der Vorschubrichtung des Drahtes zu führen. Der Gasstrom trifft in dieser Verfahrensvariante also senkrecht beziehungsweise radial auf den Draht beziehungsweise die Schmelzzone des Drahtes auf. Durch die zeitliche Abführung der geschmolzenen Partikel kann die Schmelzzone besonders nahe an den zu beschichtenden Gegenstand geführt werden, so dass die Innenbeschichtung erleichtert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Drähte aus unterschiedlichen Werkstoffen in der Induktionsspule aufgeschmolzen. Je nach Verfahrensführung ist es möglich, dass sich die entstehende Legierung auf dem Substrat, während des Fluges der Partikel oder bereits in der Schmelzzone selbst bildet. Dies kann zum Erzeugen von so genannten Pseudolegierungen verwendet werden, wobei es besonders zweckmäßig ist, die mehreren Drähte mit unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten durch die Spule zu fördern.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung aus einem leitfähigen Beschichtungsmaterial auf eine Oberfläche eines zu beschichtenden Bauteils. Die Vorrichtung umfasst eine Drahtvorschubeinheit zum Fördern wenigstens eines Drahtes aus dem Beschichtungsmaterial zu einer Aufschmelzeinrichtung sowie wenigstens eine Begasungseinrichtung zum Bereitstellen eines Gasstromes zum Fördern von in der Aufschmelzeinrichtung aufgeschmolzenem Beschichtungsmaterial zu der Oberfläche. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass die Aufschmelzeinrichtung als Induktionsspule ausgebildet ist. Wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens geschildert, kann durch die Verwendung der Induktionsspule auf die Verwendung eines Lichtbogens zum Aufschmelzen des wenigstens einen Drahtes verzichtet werden, so dass keine Schatten und Verwirbelungseffekte aufgrund von Störkonturen des Lichtbogens auftreten. Der Materialauftrag während des Beschichtens ist durch eine derartige Vorrichtung daher besonders präzise und kann mit besonders engen Spritzkegelwinkeln von < 5° realisiert werden.
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Vorzugsweise ist in einem Innenraum der Induktionsspule ein rohrförmiges Zuleitungselement vorgesehen, durch welches der wenigstens eine Draht förderbar ist. Ein solches Element schützt die Induktionsspule selbst vor Partikeln des aufgeschmolzenen Beschichtungsmaterials, so dass deren Lebensdauer erhöht wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mittels der Begasungseinrichtung der Gasstrom durch das Zuleitungselement leitbar. Auf eine zusätzliche Gasleitung innerhalb der Spule kann daher verzichtet werden. Durch eine derartige Gestaltung der Vorrichtung lässt sich ein axiales Absprühen der aufgeschmolzenen Drahtpartikel realisieren, welches insbesondere für Außenbeschichtungen günstig ist. Das Zuleitungselement verengt sich hierzu vorzugsweise im Bereich der Schmelzzone, um so eine Düse auszubilden.
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Alternativ hierzu kann der Gasstrom auch radial bezüglich des Drahtes geführt werden, was für Innenbeschichtungen besonders günstig ist.
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Die Induktionsspule selbst ist vorzugsweise als Solenoid ausgebildet, was einen besonders einfachen mechanischen Aufbau darstellt. Alternativ kann die Induktionsspule auch als gekrümmtes Solenoid ausgebildet sein. Eine derart ausgebildete Vorrichtung eignet sich besonders für Innenbeschichtungen, da so auch bei einer Innenbeschichtung mit dem Gasstrom axial auf die Schmelze beziehungsweise den Schmelzpunkt gezielt werden kann. Durch die Krümmung wird der Platzbedarf im Bereich der Schmelzzone reduziert, so dass die Innenbeschichtung besonders leicht auch in beengten Bauräumen aufbringbar ist.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Solenoidspule und axialer Gasführung;
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2 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 in Schnittdarstellung;
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3 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Solenoidspule und radialer Gasführung;
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4 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 in Schnittdarstellung;
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5 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit gekrümmter Solenoidspule und axialer Gasführung;
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6 das Ausführungsbeispiel gemäß 4 in Schnittdarstellung;
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7 eine Schnittdarstellung durch ein Drahtbündel aus drei Drähten zum Herstellen von Pseudolegierungen im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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8 eine Schnittdarstellung durch ein Drahtbündel mit vier Drähten zum Herstellen von Pseudolegierungen im Rahmen eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gemäß einer in den 1 und 2 schematisch gezeigten ersten Ausführungsform wird zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Oberfläche in einer insgesamt mit 10 bezeichneten Beschichtungsanlage ein Draht 12 mittels einer Drahtvorschubeinheit 14 aus zwei Drahtvorschubsrollen 16 durch eine Solenoidspule 18 gefördert. Die Drahtvorschubsrollen 16 weisen jeweilige mittige Nuten 20 auf, in denen der Draht 12 läuft, so dass dieser seitlich geführt wird. Der Draht wird dabei mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit durch ein Rohr für Zerstäubergas 22, das sich durch einen Innenraum 24 der Solenoidspule 18 erstreckt, vorgeschoben. Die Solenoidspule 18 wird mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz von 700 Hz, einer Spannung von 260 V und einer Stromstärke von 44 A – also einer Leistung von 4,4 kW – mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 5 m/min vorgeschoben. Das von der Solenoidspule 18 erzeugte Magnetfeld erzeugt Wirbelströme im Draht 12, welche diesen erhitzen. Durch das Rohr für Zerstäubergas 22 wird gleichzeitig in Richtung des Pfeiles 26 ein Trägergas, vorzugsweise ein Inertgas wie beispielsweise Helium oder Argon oder Stickstoff gefördert, welches das im Innenraum 24 der Solenoidspule 18 aufgeschmolzene Material des Drahtes 12 mitreißt und in Form feiner Partikel entlang eines Spritzkegels 28 in Richtung der in den 1 und 2 nicht gezeigten zu beschichtenden Oberfläche führt. Dort scheiden sich die Partikel ab und bilden die gewünschte Beschichtung.
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Die 3 und 4 zeigen eine alternative Möglichkeit der Führung des Gasstroms in der Vorrichtung 10. Auch hier wird der Draht 12 mittels zweier Drahtvorschubsrollen 16 durch den Innenraum der Solenoidspule 18 gefördert. Die Gasführung durch das Rohr für Zerstäubergas 22 entfällt hier jedoch, vielmehr ist eine Düse 30 vorgesehen, welche einen Gasstrom in Richtung des Pfeiles 32 auf die Schmelzzone des Drahtes 12 leitet. Der Gasstrom wird somit radial bezüglich des Drahtes 12 geführt, so dass auch der Spritzkegel 28 radial, also senkrecht zur Erstreckungsachse des Drahtes verläuft. Dies eignet sich besonders zum Aufbringen von Innenbeschichtungen.
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Alternativ können Innenbeschichtungen auch durch eine Vorrichtung 10 gemäß den 5 und 6 aufgebracht werden. Die Gasströmung entspricht hier derjenigen der Vorrichtung 10 gemäß den 1 und 2. Das Trägergas wird auch hier durch das Rohr für Zerstäubergas 22 in achsparalleler Strömungsrichtung zum Draht 12 geführt, so dass der Spritzkegel 28 in Richtung der Erstreckungsachse des Drahtes 12 austritt. Um das Innenbeschichten zu erleichtern, ist die Spule 18 jedoch als gekrümmte Solenoidspule mit einem Krümmungswinkel von etwa 90° ausgeführt. Eine derartige Vorrichtung kann auch unter beengten Bauraumbedingungen Anwendung finden.
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Die 7 und 8 zeigen zwei alternative Möglichkeiten, Drähte 12 aus unterschiedlichen Materialien zu verwenden. Im Falle der 7 wird ein Drahtbündel 34 aus drei Drähten 12 verwendet, die von einem gemeinsamen Förderrohr 36 umgeben sind. In der Ausführungsform gemäß 8 werden vier Drähte 12 in einem Drahtbündel 34 zusammengefasst, wobei die Drähte 12 ebenfalls von einem Förderrohr 36 umgeben sind. Durch Verwendung von Drähten 12 aus jeweils unterschiedlichen Materialien können während der Beschichtung Legierungen beziehungsweise Pseudolegierungen erzeugt werden. Durch unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeiten der einzelnen Drähte durch die Solenoidspule 18 kann die Legierungs- beziehungsweise Pseudolegierungszusammensetzung auch lokal geändert werden. Je nach Prozessführung ist es dabei möglich, eine Mischung der Materialien der Drähte 12 bereits in der Schmelzzone, während des Fluges der Partikel zur Oberfläche hin oder erst auf der Oberfläche selbst zu realisieren.
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Insgesamt können mit dem geschilderten Verfahren beziehungsweise der geschilderten Vorrichtung 10 Beschichtungen besonders gleichmäßig und kontrolliert aufgebracht werden, wobei eine lokale Variation der Beschichtungseigenschaften problemlos möglich ist. Die beschriebenen Vorrichtungen 10 sowie das Verfahren sind geeignet um Außen- und Innenbeschichtungen aufzubringen, wobei besonders enge Spritzwinkel und damit eine besonders gute lokale Kontrolle der Bedingungen bei der Oberflächenbeschichtung realisierbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Beschichtungsanlage
- 12
- Draht
- 14
- Drahtvorschubeinheit
- 16
- Drahtvorschubrolle
- 18
- Solenoidspule
- 20
- Nut
- 22
- Rohr für Zerstäubergas
- 24
- Innenraum
- 26
- Pfeil
- 28
- Spritzkegel
- 30
- Düse
- 32
- Pfeil
- 34
- Drahtbündel
- 36
- Förderrohr
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2002/0185473 A1 [0002]
