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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auftragsvorrichtung zum Auftragen eines Metalls auf ein Bauteil. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Auftragen eines Metalls auf ein Bauteil.
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Als Korrosionsschutz auf Stahlbauteilen ist die Verwendung von Zink bekannt. Zum Verzinken von Stahlbauteilen in ihrer Gesamtheit kann bspw. ein Zinkbad vorgesehen sein. Treten aber bspw. in Reparaturfällen Schäden einer solchen Zinkschicht auf, bspw. durch Trennen, Fügen oder Umformen des Stahlbauteils, muss die Zinkschicht als Schutz gegen Korrosion dort wieder hergestellt, also repariert oder lokal erneuert werden. Auch in diesem Fall soll die Zinkschicht an der betreffenden lokalen Stelle auf das blanke Metall, also auf den blanken Stahl im Fall Stahlbauteils aufgetragen werden.
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Die Anwendung eines Zinkbads ist hier meist unangemessen und oftmals auch praktisch unmöglich, jedenfalls dann, wenn das betreffende Stahlbauteil inzwischen verbaut ist. Eine Möglichkeit könnte nun darin bestehen, die zu reparierende Stelle zu erhitzen und dort ebenfalls erhitztes Zink aufzutragen. Hierbei besteht aber das Problem, dass durch das Erhitzen die noch intakte Zinkschicht bzw. Verzinkung in der Nähe dieser zu reparierenden Stelle Schaden nimmt. Dies könnte zu einer unzureichenden Verzinkung insbesondere in einem Rand um diese zu reparierende bzw. dann reparierte Stelle führen.
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Ein weiteres Problem besteht darin, dass in dieser Art aufgetragenes Zink nicht oder zumindest schlecht haftet. Außerdem wird in das Grundbauteil, nämlich das zu beschichtende Bauteil unnötig viel Wärme eingebracht, was zwangsläufig zu Verzug führt.
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Es ist insbesondere für Spezialanwendungen bekannt, Zink auf ein zu verzinkendes Objekt aufzuspritzen. Hierzu wurde eine Auftragsvorrichtung mit einer Düse mit Ejektor-Wirkung vorgeschlagen. Hierbei wurde Zink verflüssigt und dann oder gleichzeitig an einem Düsenaustritt bereitgestellt. Um diesen Düsenaustritt herum war ein Ringspalt vorgesehen, durch den ein entsprechendes Gas mit hoher Geschwindigkeit austritt, um dabei das verflüssigte Zink mitzureißen. Solche Verfahren sind bspw. in dem DDR-Patent
DD 224876 oder der Offenlegungsschrift
DE 2821880 beschrieben. Eine spezielle Anordnung zum Aufbringen von Amalgamschichten in Niederdruckgasentladungslampen ist bspw. in dem DDR-Patent
DD 133445 beschrieben.
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Je nach Art und Weise des Spritzverfahrens kann eine Anhaftung des Zinks auf dem zu beschichtenden Bauteil, insbesondere Stahlbauteil, unzulänglich sein, was bspw. eine Vorbehandlung des Stahlbauteils an der Stelle erforderlich machen kann. Entsprechend entsteht hierdurch ein zusätzlicher unerwünschter Arbeitsschritt. Ebenfalls ist ein Lichtbogenspritzen bekannt, das aufgrund höherer Temperaturen eine bessere Anhaftung gewährleisten kann, mitunter aber zu einer porösen Zinkschicht führt. Außerdem ist ein solches Verfahren aber aufwändig, zumal vielfach eine Kühlung des zu behandelnden Bauteils erforderlich wird.
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In der Norm ISO 12944-5 wird ein nicht-thermisches Zinkbeschichtungsverfahren beschrieben, das im Wesentlichen Zinkstaub verwendet, der mit einem organischen Bindemittel durch Adhäsion an dem Bauteil anhaftet. Dieses Verfahren macht jedoch eine intensive Vorbehandlung der zu beschichtenden Stelle erforderlich, insbesondere muss die Oberfläche sehr gut und penibel vorher gereinigt werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass aufgrund diverser Nachteile viele dieser bekannten Verfahren heut zu Tage kaum Anwendung finden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, wenigstens eines der o.g. Nachteile zu adressieren. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die das Vorsehen einer metallischen Beschichtung, insbesondere das Verzinken von Bauteilen wie Stahlbauteilen, auf möglichst einfache Art und Weise ermöglicht. Zumindest soll eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.
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Erfindungsgemäß wird eine Auftragsvorrichtung nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Diese Auftragsvorrichtung ist dazu vorgesehen, Zink auf ein Bauteil aufzutragen. Jedenfalls der Hauptanwendungsfall ist eine Nachverzinkung eines Bauteils, wie eines Stahlbauteils, als Korrosionsschutz. Grundsätzlich kann die Auftragsvorrichtung aber auch zum Auftragen eines anderen Metalls vorgesehen sein.
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Die Auftragsvorrichtung umfasst dabei eine Zuführeinrichtung zum Zuführen des aufzutragenden Metalls in festem Zustand. Dieser feste Zustand bezieht sich dabei auf den physikalischen Aggregatzustand.
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Weiterhin ist eine Aufschmelzeinrichtung zum Aufschmelzen des aufzutragenden Metalls vorgesehen. Das Metall wird also zunächst in festem Zustand zugeführt und kann in der Aufschmelzeinrichtung aufgeschmolzen werden. Weiterhin ist eine Austrittsöffnung zum Ausstoßen des aufgeschmolzenen Metalls aus der Auftragsvorrichtung heraus vorgesehen. Das Metall wird somit im aufgeschmolzenen, also flüssigen Zustand, durch diese Austrittsöffnung ausgestoßen und kann damit auf das Bauteil aufgesprüht werden. Das aufgeschmolzene Metall soll nicht lediglich aus der Austrittsöffnung herauslaufen oder heraustropfen, sondern z.B. im Sinne eines Aufsprühens aus der Austrittsöffnung herausgestoßen werden.
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Weiterhin ist eine Druckkammer zum Aufbauen eines Drucks zum Herausschleudern des aufgeschmolzenen Metalls aus der Austrittsöffnung vorgesehen. In dieser Druckkammer wird somit ein Druck aufgebaut, der dann das aufgeschmolzene aufzutragende Metall aus der Austrittsöffnung herausdrückt, wobei dieses Herausdrücken mit einer solchen Heftigkeit erfolgt, dass das Metall herausgeschleudert und somit in diesem Sinne ausgestoßen wird.
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Das Wirkprinzip dieser Auftragsvorrichtung, mit das Metall insbesondere auf ein Bauteil aufgesprüht werden kann, besteht somit darin, einen entsprechenden Druck in der Druckkammer aufzubauen und auf das aufgeschmolzene Metall auszuüben, damit dieses herausgeschleudert wird. Hierdurch grenzt sich die vorgeschlagene Auftragsvorrichtung von anderen Auftragsvorrichtungen ab, bei denen ein Düseneffekt eingesetzt wird, bei dem flüssiges Metall durch einen Gasstrom mitgerissen wird.
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Der Druckaufbau in der Kammer kann bspw. im Bereich von 8 bar liegen. Die Druckkammer braucht kein besonders großes Volumen aufzuweisen und kann mit einem Zuführbereich oder dem Abschnitt eines Zuführbereichs, indem das aufzutragende Metall zugeführt wird, ganz oder teilweise übereinstimmen. Somit kann die Druckkammer bspw. als Kanal, insbesondere Zuführkanal oder als Abschnitt eines Zuführkanals, ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist die Auftragsvorrichtung dazu vorbereitet, das Metall so aufzuschmelzen und das aufgeschmolzene Metall so aus der Austrittsöffnung herauszuschleudern, dass es über einen Spritzabstand von der Austrittsöffnung auf das Bauteil aufgespritzt wird. Das Herausschleudern bzw. Ausstoßen des aufgeschmolzenen Metalls muss somit so heftig sein, dass das herausgeschleuderte Metall über diesen Spritzabstand hinweg eine gewisse Flugbahn ausführt. Der waagerechte Spritzabstand, der dadurch überbrückt werden kann, kann bspw. wenigstens 10cm, vorzugsweise wenigstens 50cm, betragen. Entsprechend kann in etwa einem solchen Abstand zum zu beschichtenden Bauteil das Metall aufgespritzt werden.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren kann auch erreicht werden, dass das ausgespritzte flüssige Metall möglichst feintropfig ist. Die Haftung auf dem Bauteilberuht nämlich auch darauf, dass die auftreffenden Tropfen erstarren und sich an den Metallkörnern, nämlich an dem Bauteil, an der aufgerauten Oberfläche festklammern. Das geschieht umso besser, je besser das flüssige Metall zerstäubt ist. Außerdem ergibt sich eine optisch umso besser aussehende Oberfläche, je besser das flüssige Metall zerstäubt wurde.
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Vorzugsweise ist die Auftragsvorrichtung, und entsprechend auch die Zuführeinrichtung, dazu vorbereitet, das aufzutragende Metall als Draht zugeführt zu bekommen. Das aufzutragende Metall wird somit als Draht insbesondere eingeschoben oder eingezogen und die Auftragsvorrichtung kann dazu einen Drahtzuführkanal aufweisen. Ein solcher Drahtzuführkanal ist vorzugsweise mit einer Abdichtung versehen, um eine Abdichtung zur Druckkammer hin, also im Grunde eine Abdichtung von der Druckkammer nach außen, zu erreichen. Durch diese Dichtung hindurch wird der Draht zugeführt. Die Abdichtung kann also bspw. wie oder ähnlich wie ein Dichtungsrichtung, insbesondere X-Ring, ausgestaltet sein. Der Draht wird somit durch diese Abdichtung zugeführt, nämlich auch in die Druckkammer eingeführt, ohne dass Druck in der Druckkammer an dieser Stelle des Einführens nach außen entweicht. Zumindest wird einem solchen Entweichen des Drucks nach außen entgegengewirkt. Vorzugsweise ist die Auftragsvorrichtung, und entsprechend insbesondere die Zuführeinrichtung, der Drahtzuführkanal und die Abdichtung, für einen möglichst dünnen Draht vorgesehen. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Drahts kleiner als 2mm, insbesondere kleiner als 1,5mm, und beträgt insbesondere etwa 1,2mm.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Schmelzeinrichtung eine Heizdüse, um das aufzutragende Metall in der Heizdüse aufzuschmelzen und über die Austrittsöffnung an einem Ende der Heizdüse auszustoßen. Die Erwärmung zum Aufschmelzen des Metalls wird vorzugsweise über eine induktive Erwärmung vorgenommen. Hierzu werden zwei Ausführungsformen vorgeschlagen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine indirekte induktive Erwärmung vorgeschlagen, demnach die Heizdüse induktiv erwärmt wird. Das in dieser Heizdüse vorhandene aufzutragende Metall, das insbesondere auch die Heizdüse berührt, wird dann über diese Heizdüse erwärmt. Die induktive Erwärmung wirkt dann also direkt auf die Heizdüse darüber indirekt auf das aufzutragende Metall.
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Gemäß einer anderen Variante wird das aufzutragende Metall direkt über eine induktive Erwärmung erwärmt. Mit anderen Worten wird ein Induktionsstrom unmittelbar in dem zu erwärmenden Metall initiiert, der zur Erwärmung führt.
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Beide Ausführungsformen könne auch kombiniert werden, die Ausführung der indirekten induktiven Erwärmung ist dabei eine bevorzugte Ausgestaltung, die insbesondere den Vorteil hat, dass die Heizdüse effektiver, insbesondere mit geringem Strom beheizt werden kann.
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Es wird dabei vorgeschlagen, dass die Aufschmelzeinrichtung dazu wenigstens eine, vorzugsweise mehrere, insbesondere zwei bis sechs Induktionswindungen aufweist, die um die Heizdüse gewunden sind. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von vier um die Heizdüse gewundenen Induktionswindungen. Mit vier Induktionswindungen kann eine Ausgestaltung geschaffen werden, die an den entsprechenden Platz und den entsprechenden Heizbedarf angepasst ist. So können vier nebeneinanderliegende Windungen in Längsrichtung der Heizdüse, nämlich in Abgaberichtung des Metalls bzw. in Zuführrichtung des aufzutragenden Metalls vorhandenen Platz ausfüllen und dabei ausreichend Induktionsenergie zum Aufschmelzen einbringen. Eine Verringerung der Windungszahl hätte zur Folge, dass zum Einbringen derselben Induktionsenergie ein höherer Strom eingeprägt werden müsste. Insbesondere bei Verwendung nur einer Windung gegenüber der Verwendung von vier Windungen würde im Grunde vielfacher Strom benötigt. Andererseits würden deutlich mehr als vier Windungen eine entsprechend längere Heizdüse erforderlich machen. Durch die Reduzierung des nötigen Stroms durch die Verwendung von mehreren, insbesondere vier Windungen, kann somit auch der Transformator, der schließlich diesen Strom bereitstellen muss, in seiner Dimensionierung kleiner ausfallen.
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Dadurch kann ein baulich kleinerer und damit auch leichterer Transformator verwendet werden.
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Eine Heizdüse kann als Zuführkanal mit Heizeinrichtungen und Austrittsöffnung ausgebildet sein. Ihr Werkstoff muss hochschmelzend sein und vorzugsweise wird hierbei Wolfram vorgesehen, das einen Schmelzpunkt von etwa 3400 Grad Celsius hat, oder es kann bspw. auch Molybdän vorgesehen sein, das einen Schmelzpunkt 2600 Grad Celsius hat.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Auftragsvorrichtung gekennzeichnet durch eine Schmelzzone, in der das aufzutragende Metall geschmolzen wird, wobei das aufzutragende Metall insbesondere als Draht aus einem Einlass kommend der Schmelzzone etwa in axialer Richtung, die auch als Zuführrichtung bezeichnet werden kann, zugeführt wird, wobei die Schmelzzone, die insbesondere in der Heizdüse ausgebildet ist, in dieser axialen Richtung zum Einlass hin eine thermische Begrenzung aufweist, zum Begrenzen der Schmelzzone in axialer Richtung zu dem genannten Einlass hin. Es wird somit insbesondere als thermische Begrenzung eine Wärmebarriere vorgeschlagen. Die Schmelzzone bezeichnet hierbei einen funktionalen Bereich, nämlich den Bereich in dem im Betrieb das Metall tatsächlich aufgeschmolzen wird. Dabei kommt es weniger darauf an, ob hier ein Aufschmelzen gezielt an jede Stelle vorgenommen wird, oder ob sich das Aufschmelzen ungewollt weiter ausbreitet, wie bspw. durch Wärmeleitung. Jedenfalls soll durch die vorgeschlagene thermische Begrenzung, insbesondere Wärmebarriere, dieser Bereich in dem ein Aufschmelzen auftritt, gezielt räumlich begrenzt werden. Durch diese Wärmebarriere wird dabei die Ausbreitung der Wärme verhindert, so dass sich insbesondere im Bereich dieser Wärmebarriere eine sehr starke Temperaturverringerung einstellt.
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Eine solche Wärmebarriere kann als Materialaussparung, insbesondere als umlaufende Nut, ausgebildet sein, die auch als Wärmestaunut bezeichnet werden kann. Hier ist wenig massives Material vorhanden und somit ist die Wärmeleitfähigkeit entsprechend eingeschränkt. Insbesondere ist in einem der Schmelzzone abgewandten Bereich eine Wärmesenke, insbesondere durch eine Kühlung vorgesehen. Daraus ergibt sich ein Temperaturgefälle vom Schmelzbereich zu dieser Wärmesenke, das bei der Wärmebarriere besonders steil ist. Die Kühlung unmittelbar hinter der Wärmestaunut reduziert aber auch deren Wirkung, da durch das hohe Temperaturgefälle mehr Wärme abgeleitet wird. Das wird vorzugsweise aber in Kauf genommen, um hinter der Wärmestaunut eine möglichst niedrige Temperatur zu erreichen und so eine scharf abgetrennte Schmelzzone zu haben.
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Durch das Vorsehen einer solchen Wärmebarriere und damit einer gezielten Einschränkung der Schmelzzone kann zudem das Volumen an geschmolzenem Metall entsprechend gut, nämlich möglichst exakt vorgegeben werden. Hieraus kann als weiterer Vorteil entstehen, dass ein Verstopfen der Austrittsöffnung oder der Heizdüse schlechter auftreten kann. Dies lässt sich u.a. dadurch erklären, dass bei Vorgabe eines exakten Volumens des aufgeschmolzenen Metalls dieses auch entsprechend vollständig ausgeschleudert werden kann und damit möglichst wenig Material zum Zusetzen der Austrittsöffnung dort verbleiben könnte.
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Gemäß einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Auftragsvorrichtung dazu vorbereitet, den Druck zum Herausschleudern des aufgeschmolzenen Metalls durch Zuführen eines mit Druck beaufschlagten Fördergases zu erzeugen, oder ihn, alternativ oder zusätzlich, durch partielles Verdampfen des aufzutragenden Metalls zu erzeugen.
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Beim Erzeugen des Drucks durch Zuführen eines entsprechenden Fördergases, wird gezielt ein gesteuerter Druck in der Druckkammer aufgebaut, in dem bspw. die Steuerung des Zuführens des mit Druck beaufschlagten Fördergases mit Hilfe eines Magnetventils gesteuert wird. Vorzugsweise wird das Fördergas hierbei pulsartig der Druckkammer oder einem damit druckwirksam verbundenen Raum der Auftragsvorrichtung zugeführt. Bspw. können solche Zuführpulse mit einer Frequenz von 1 bis 10 Hz auftreten. Das Fördergas kann hierbei bspw. mit einem Druck von 8 bar zugeführt werden. Das Fördergas kann im einfachsten Fall Luft sein, nämlich Pressluft. Bei Zink sollte aber möglichst nicht Luft verwendet werden, weil diese zu Oxydation führt und in extrem kurzer Zeit zum Verstopfen der Austrittsöffnung führen kann. Insbesondere für andere aufzutragende Metalle, die nicht oder nicht so schnell oxidieren, könnte Luft verwendet werden.
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Beim Erzeugen des Drucks durch Verdampfen wenigstens eines Teils des aufzutragenden Metalls, wird somit das aufzutragende Metall noch weiter erwärmt, bis ein Teil davon verdampft. Hierbei entsteht eine physikalisch bedingte Druckzunahme, weil das verdampfte Metall mehr Volumen benötigt, als das aufgeschmolzene und auch das feste Metall. Bei dieser Variante würde die Notwendigkeit für das Zuführen eines Fördergases entfallen, oder könnte anders gestaltet werden, wobei auch eine Kombination beider genannten Varianten zum Erzeugen des Drucks in Betracht kommt.
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Wenn ein Teil des geschmolzenen Metalls verdampft und so den geschmolzenen Teil des Metalls aus der Austrittsöffnung herausschleudert, ist dies eine Variante, die einen vergleichsweise hohen Aufwand, insbesondere bei der Regelung erforderlich machen kann, dafür aber den Vorteil bietet, unabhängig von einem Fördergas zu sein. Hierdurch kann eine Kostenreduzierung und auch eine Erhöhung der Mobilität erreicht werden, weil bspw. keine Gas-Stahlflaschen mehr bereitgestellt werden müssen.
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Vorzugsweise ist die Auftragsvorrichtung als Handspritzpistole vorgesehen bzw. weist eine Handspritzpistole auf. Damit kann die Auftragsvorrichtung manuell oder zumindest halbautomatisch gehandhabt werden. Wenigstens ist dadurch eine Führung dieser Handspritzpistole mit einer Hand möglich, um dadurch die Auftragsvorrichtung, insbesondere die Austrittsöffnung, jeweils so in die Nähe eines zu beschichtenden Bauteils zu führen, dass dort die Beschichtung an dem gewünschten Bereich vorgenommen werden kann. Die vorgeschlagene Auftragsvorrichtung ist grundsätzlich als ein bevorzugter Anwendungsfall für ein Reparaturverzinken vorgesehen. Gerade das Reparaturverzinken ist häufig ein individueller Vorgang, der sich somit auch häufig am besten manuell erledigen lässt, weil man sich dadurch am besten auf die jeweils vorliegenden individuellen Bedingungen einstellen kann. Wenigstens das Führen dieser Handspritzpistole solle somit manuell ausführbar sein. Vorzugsweise kann auch manuell jeweils ein Spritzvorgang oder eine Serie von Spritzvorgängen ausgelöst werden. Vorzugsweise wird ein solcher Spritzvorgang durch ein entsprechendes Betätigungsmittel, wie bspw. einen Hebel an der Spritzpistole, ausgelöst. Die Austrittsöffnung ist dabei Teil der Handspritzpistole und optional kann auch die Druckkammer, die Zuführeinrichtung und/oder ein Transformator in der Spritzpistole angeordnet sein. Entsprechend ist auch hier die Verwendung eines möglichst kleinen Transformators wünschenswert, weil gerade Transformateren ein hohes Gewicht aufweisen können.
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Soweit auch die Zuführeinrichtung einen Teil der Handspritzpistole bildet, kann bspw. das aufzuschmelzende Metall durch eine entsprechende Drahtrolle bereitgestellt und dort zugeführt werden.
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Neben der Verwendung einer Handpistole wird gemäß einer Ausführungsform eine Automatisierungslösungen vorgeschlagen, bei der die Auftragsvorrichtung entweder allein oder gemeinsam mit einem Schweißwerkzeug, wie einem Brenner oder einer Schweißzange auf einem Roboterarm montiert und dem Schweißwerkzeug nachgeführt wird. Hierdurch kann erreicht werden, unmittelbar im Anschluss an den Schweißvorgang die durch die Wärmeeinwirkung nicht mehr geschützten Bereiche, insbesondere Schweißnaht bzw. -punkt und angrenzende Wärmeeinflusszone, wieder zu verzinken. Eingesetzt werden kann das beim Widerstandsschweißen und auch beim Lichtbogenschweißen, soweit die Schweißnaht nicht verdeckt ist, wie beim UP-Schweißen.
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Vorzugsweise ist im Zufuhrbereich zum Zuführen des aufzutragenden Metalls eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Zufuhrbereichs vorgesehen. Dadurch wird erreicht, dass die hohen Temperaturen im Bereich des Aufschmelzbereichs keine negativen Auswirkungen an anderen Stellen verursachen, insbesondere im Bereich der Zuführung des aufzutragenden Metalls, keine Schäden verursachen. Zudem kann, wie bereits erläutert wurde, ein vorteilhaftes Temperaturgefälle vom Schmelzbereich zum Zufuhrbereich jedenfalls bei Verwendung einer Wärmebarriere erreicht werden und der Schmelzbereich kann gezielt eingegrenzt werden.
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Außerdem wird ein Verfahren zum Auftragen eines Metalls, insbesondere Zink auf ein Bauteil, wie ein Stahlbauteil, unter Verwendung einer Auftragsvorrichtung vorgeschlagen.
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Ein solches Verfahren umfasst die Schritte:
- – Zuführen des aufzutragenden Metalls in festem Zustand durch eine Zuführeinrichtung der Auftragsvorrichtung,
- – Aufschmelzen des aufzutragenden Metalls in einer Aufschmelzvorrichtung der Auftragsvorrichtung,
- – Ausstoßen des aufgeschmolzenen Metalls aus einer Austrittsöffnung der Auftragsvorrichtung, wobei
- – in einer Druckkammer der Auftragsvorrichtung ein Druck aufgebaut wird zum Herausschleudern des aufgeschmolzenen Metalls aus der Austrittsöffnung.
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Die Art und Weise der Durchführung dieses Verfahrens ist insbesondere den Erläuterungen der Ausführungsformen der Auftragsvorrichtung zu entnehmen. Vorzugsweise wird somit auch vorgeschlagen, dass eine Auftragsvorrichtung gemäß wenigstens einer der oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das aufzutragende Metall kontinuierlich zugeführt wird. Insbesondere wird es als Draht kontinuierlich zugeführt. Ein solcher Draht kann somit bspw. durch die Zuführeinrichtung eingeschoben werden, so dass für den Vorgang des Aufschmelzens grundsätzlich Metall vorhanden ist, da dieses kontinuierlich nachgeführt wird. Bei einer kontinuierlichen Zuführung als Draht kann zudem optimalerweise der Vorgang des Aufschmelzens und Herausschleuderns des Zinks unabhängig von einer Steuerung der Zuführung gesteuert werden. Es braucht im Grunde nur die Zuführgeschwindigkeit an den Vorgang des Aufschmelzens und Herausschleuderns, also Aufspritzens des Zinks angepasst werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitende Figur exemplarisch erläutert.
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1 zeigt eine Auftragsvorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht schematisch.
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In der 1 ist eine Auftragsvorrichtung 1 gezeigt, die einen Grundkörper 2 aufweist. Es ist eine Zuführeinrichtung 4 zum Einführen eines Drahts als das aufzutragende Metall vorgesehen, sowie eine Heizdüse 6 mit einer Austrittsöffnung. Über ein Magnetventil 10 ist ein Prozessgas als Fördergas zuführbar.
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Ein Verfahren zum Auftragen eines Metalls auf ein Bauteil, das in 1 nicht gezeigt ist, läuft im Grunde so ab, dass zunächst das aufzutragende Metall durch die Zuführeinrichtung 4 zugeführt wird. Dies erfolgt in dem gezeigten Beispiel durch Zuführen eines Zinkdrahtes, um nämlich eine Verzinkung vorzunehmen. Die Zuführeinrichtung 4 weist dabei einen Drahtanschluss 12 auf, der in eine Zuführaufnahme 14 des Grundkörpers 2 eingeschraubt ist. Der Drahtanschluss 12 ist mit einer PVC-Schlauchhülle 16 mit einer Teflondrahtseele 18 verbunden. Diese PVC-Schlauchhülle 16 und Teflondrahtseele 18 sind in 1 abgeschnitten dargestellt und reichen zu einer Vorschubeinheit zum Zuführen des Zinkdrahts. In dem Drahtanschluss 12 ist ein Drahtzuführkanal 48 zum Zuführen des Drahts.
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Der Zinkdraht wird dabei durch eine Abdichtung 20, die hier als X-Ring-Dichtung ausgeführt ist, einem Führungskanal 22 in den Grundkörper 2 zugeführt. Der Führungskanal 22 ist dabei mit einem Druckeinlass 24 versehen.
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Am Druckeinlass 24 vorbei, gelangt der zugeführte Zinkdraht dann in die Heizdüse 6. Die Heizdüse 6 ist in den Grundkörper 2 in eine Düsenaufnahme 26 eingesteckt und mit einer Überwurfmutter 28, die hier aus Messing gefertigt ist, im Sinne eine Klemmverbindung befestigt. Es wird auch eine Zentrierung der Heizdüse 6 hier erreicht.
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Die Heizdüse 6 ist mit einem mehrwindigen Induktor 30 umgeben und bildet damit eine Aufschmelzeinrichtung. Der Induktor 30 weist hier vier Windungen auf, um darin einen elektrischen Strom zum induktiven Erwärmen der Heizdüse 6 zu führen.
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Die vier Windungen 32 des Induktors 30 kennzeichnen etwa auch eine Schmelzzone 34 in der Heizdüse 6. Die Schmelzzone 34 erstreckt sich dabei in axialer Richtung, also in der Richtung, in der auch der Führungskanal 22 verläuft, von der Austrittsöffnung 8 bis zu einer Wärmebarriere 36, die hier als umlaufende Nut, nämlich Wärmestaunut 36 ausgebildet ist. Zum Erwärmen wird somit ein entsprechender Strom durch den Induktor 30, nämlich durch die vier Windungen 32 gesteuert, was zu einer induktiven Erwärmung der Heizdüse 6 in diesem Bereich führt, nämlich etwa zwischen der Austrittsöffnung 8 und der Wärmestaunut 36, also im der Bereich der Schmelzzone 34.
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Dort wird dann das Zink in dem Schmelzkanal 38 bereitgestellt und durch die Erwärmung der Heizdüse 6 in diesem Bereich aufgeschmolzen. Der Schmelzkanal 38 ist hierbei eine Verlängerung des Führungskanals 22. Die Wärme der Heizdüse 6 verbleibt jedoch im Wesentlichen im Bereich der Schmelzzone 34 und führt nun dort zu einem Aufschmelzen. Bei der Wärmestaunut 36 fällt die Temperatur in der Heizdüse 6 mit zunehmender Entfernung von der Austrittsöffnung 8 stark ab. Dadurch wird auch die Schmelzzone 34 begrenzt. Dieser Temperaturabfall ergibt sich auch dadurch, dass ein guter thermischer Übergang von der Heizdüse 6 in den Grundkörper 2 im Bereich der Düsenaufnahme 26 vorliegt. Auch die Überwurfmutter 28 begünstigt eine Wärmeleitung hier.
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Der Grundkörper 2 ist dabei im Bereich der Zuführeinrichtung 4 mit einer Kühlung 40 versehen. Diese Kühlung 40 weist eine Kühlwindung 42 auf, die im vorliegenden Fall auf den Grundkörper 2 aufgelötet ist. Diese Kühlwindung 42 wird über eine Kühlwasserzufuhr 44 gekühlt. Entsprechend wird auch der Grundkörper 2 insgesamt gekühlt und verstärkt dadurch noch den Temperaturabfall im Bereich der Wärmestaunut 36.
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Um nun aufgeschmolzenes Zink aus dem Schmelzkanal 38 durch die Austrittsöffnung 8 hinauszuschleudern, wird im Bereich des Druckeinlasses 24 ein mit Druck beaufschlagtes Fördergas dem Führungskanal 22 zugeführt. Der Führungskanal 22 bildet damit auch eine Druckkammer. Der hierbei entstehende Druck wirkt dabei unmittelbar bis in den Schmelzkanal 38 der Heizdüse 6 hinein. Das ist insbesondere deshalb möglich, weil der Führungskanal einen um ca. 0,2 mm bis 0,4 mm größeren Durchmesser hat, als der Draht, der zwischen dem Druckeinlass 24 und der Wärmestaunut 36 fest ist, sodass das Gas an dem Draht vorbeiströmt, um auf das aufgeschmolzene Spritzgut zu drücken. Hierdurch baut sich ein Druck auf das aufgeschmolzene Zink auf und schleudert dieses durch die Austrittsöffnung 8 aus der Auftragsvorrichtung 1 hinaus. Dazu wird am Fördergaseinlass 46 ein Fördergas bereitgestellt und durch das Magnetventil 10 wird dessen Zufuhr gesteuert. Dies erfolgt insbesondere pulsartig mit einer Frequenz von 1 bis 10 Hz.
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Zur Zuführeinrichtung 4 hin verhindert die Abdichtung 20, dass der im Führungskanal 22 aufgebaute Druck entweicht.
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In der 1 ist somit die Funktion beschrieben, die hier nochmal zusammengefasst werden soll. Es wird über den Induktor 30 die Heizdüse 6 aufgeheizt, nämlich bspw. auf 500 bis 700 Grad Celsius Außentemperatur, also außen an der Heizdüse. Hierzu kann in dem Induktor 30 ein Strom mit einer Frequenz im Bereich von etwa 10 bis 20 kHz mit einer Leistung von etwa 2 kW oder höher eingebracht werden. Über die Zuführeinrichtung 4 wird ein Metalldraht, der bspw. ein Zinkdraht mit einem Durchmesser von 1,2mm sein kann, dem Drahtkanal, der auch als Führungskanal 22 bezeichnet werden kann, zugeführt. Der Durchmesser des Zinkdrahts kann bspw. 1,2mm betragen. Im Bereich der Heizdüse 6 wird dieser Draht dann aufgeschmolzen.
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In zyklischen Abständen, insbesondere mit einer Frequenz von 1 bis 10 Hz wird über das Magnetventil 10 ein Gasstrom mit ca. 8 bar hinter das aufgeschmolzene Metall geleitet, der diesen aufgeschmolzenen Teil des Metalls dann vorne aus der Austrittsöffnung 8 herausschleudert bzw. nach vorne herausschießt, wobei die Austrittsöffnung 8 den vordersten Bereich der Auftragsvorrichtung 1 bildet.
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In der darauffolgenden Pause des Gasstroms, also des Stroms des Fördergases, wird wieder neuer Metalldraht aufgeschmolzen. Vorzugsweise ist der Prozess so abgestimmt, dass die Drahtförderung kontinuierlich erfolgen kann. Ggf. muss die Temperatur der Heizdüse 6 geregelt werden. Der Grundkörper 2 wird über aufgelötete Kühlwindungen 42 gekühlt. Da der Grundkörper 2 aus Kupfer in dem gezeigten Beispiel gefertigt ist, und daher über eine gute Wärmeleitung verfügt, liegt die Temperatur im gesamten Grundkörper 2 unterhalb der Schmelztemperatur des Metalldrahts. Zusätzlich erreicht die Wärmestaunut 36, dass die Temperatur des Grundkörpers 2 nicht übermäßig ansteigt.
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Vorzugsweise wird ein Zinkdraht mit einem Durchmesser von 1,2mm zugeführt. Diese Durchmessergröße schafft einige Vorteile, nämlich ein vergleichsweise großes Oberflächen-/Volumen-Verhältnis, wodurch das Aufschmelzen mit einem geringeren Energieeintrag möglich ist, als bei einem dickeren Draht.
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Weiterhin entsteht eine kleinere Menge an flüssigem Zink, die pro Puls bzw. Prozesstakt entsteht und damit besser vernebelt werden kann. Weiterhin ist durch einen geringen Durchmesser eine vergleichsweise hohe Drahtvorschubgeschwindigkeit möglich, die das Durchführen einer Regelung erleichtert. Demnach wird somit vorgeschlagen, möglichst dünne Drähte zu verwenden bzw. die gesamte Auftragsvorrichtung auf die Verwendung von möglichst dünnen Drähten auszurichten. Die Drahtdurchmesser können dabei aber nicht beliebig klein gewählt werden, da der Draht bei der Förderung nicht abknicken darf.
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Die Erwärmung erfolgt hier durch Induktionserwärmung als bevorzugte Ausführungsform. Grundsätzlich kommen aber auch andere Erwärmungsmöglichkeiten in Betracht, wie bspw. die Verwendung einer offenen Flamme. Im gezeigten Beispiel wird der Zinkdraht indirekt über die Heizdüse erschmolzen. Dies hat gegenüber der Alternative, den Draht direkt zu erwärmen, einige Vorteile. Es ist nun möglich, statt einem Induktor mit einer Windung, vier Windungen zu verwenden, wohingegen ein Induktor mit einer einzigen Windung etwa vierfache Energieeinbringungen, nämlich bis zu 10 kW, notwendig gemacht hätte.
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Vorzugsweise wird die Auftragsvorrichtung so ausgebildet, dass ein möglichst kleiner Energiebedarf für die Erwärmung benötigt wird, um auch den notwendigen Transformator so klein wie möglich zu halten, weil der Transformator gemäß einer Ausführung Bestandteil einer Spritzpistole ist und diese Werkzeugspritzpistole möglichst leicht sein sollte.
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Das Magnetventil 10, das die Zufuhr des Fördergases steuert, leitet das Fördergas pulsartig mit kurzen Zeiten, bspw. bei Taktfrequenzen zwischen 1 und 10 Hz, ein. Das Ventil muss daher möglichst dicht an der Schmelzzone 34 liegen, um solche Pulse des zugeführten Fördergases nicht durch ein großes Gasvolumen, nämlich ein großes Volumen im Führungskanal 22, zu dämpfen.
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Das Magnetventil ist vorteilhafterweise so auszubilden, dass Gasdrücke im Bereich von 8 bar geschaltet werden können. Gasdrücke im Bereich von 8 bar, also bspw. auch im Bereich von 7 bis 9 bar, sind für eine gute Zerstäubung des flüssigen Metalls beim Herausschleudern notwendig.
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Als Werkstoff für die Heizdüse 6 werden hochschmelzende Metall eingesetzt, nämlich im dargestellten Fall Wolfram, der ein Schmelzpunkt von 3400 Grad Celsius erreicht. Eine andere Variante ist die Verwendung von Molybdän mit einem Schmelzpunkt von 2600 Grad Celsius, wobei auch dies nur ein weiteres Beispiel ist.
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Niedrigschmelzende Metalle reagieren mit dem flüssigen Zink, was zu einem sehr schnellen Versagen der Heizdüse 6 führt. Insbesondere besteht die Gefahr eines schnellen Zusetzens der Austrittsdüse 8, also ein Zusetzen der Austrittsdüse 8 nach verhältnismäßig wenigen Ausstoßvorgängen des Zinks, und außerdem oder alternativ besteht die Gefahr eines seitlichen Durchschmelzens des Zinks durch die Düsenwandung der Heizdüse 6, was auch als Lotbruch bezeichnet wird.
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Vorzugsweise ist die Schmelzzone 34 in der Heizdüse 6 in axialer Richtung nach hinten begrenzt, um ein Verstopfen des Drahtkanals, insbesondere des Schmelzkanals und/oder des Führungskanals, zu verhindern. Weiterhin kann mit einer solchen Begrenzung ein möglichst exakt vorgegebenes Volumen an geschmolzenem Material erreicht werden. Hierzu wird die gezeigte Wärmestaunut 36 vorgeschlagen, die unmittelbar hinter der Heizdüse in dem Grundkörper 2 eingebracht ist. An dieser Stelle wird eine starke Temperaturreduzierung dadurch erreicht, dass der Grundkörper 2 aus Kuper gefertigt ist und über eine Wasserkühlung 40 verfügt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 224876 [0005]
- DE 2821880 A [0005]
- DD 133445 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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