DE102014005946A1

DE102014005946A1 - Method for providing a motion profile

Info

Publication number: DE102014005946A1
Application number: DE102014005946.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes König; Oliver Methner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2014-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Bewegungsprofils eines Werkzeugs zum Lichtbogendrahtspritzen relativ zu einem thermisch zu beschichtenden Bauteil, wozu eine Beschichtung des Bauteils mit der gewünschten Schichtdicke oder Schichtdickenverteilung in einer rechnergestützten Simulation auf Basis von Eingangsparametern, welche zumindest die Bauteilgeometrie und Informationen über den Spritzkegel des Lichtbodendrahtspritzens umfassen, simuliert wird, wonach aus der Simulation ein Bewegungsprofil für die Relativbewegung zwischen Bauteil und Werkzeug erstellt wird.The invention relates to a method for providing a movement profile of a tool for arc wire spraying relative to a component to be thermally coated, including coating the component with the desired layer thickness or layer thickness distribution in a computer-aided simulation on the basis of input parameters that include at least the component geometry and information about the spray cone of light bottom wire spraying, is simulated, after which a movement profile for the relative movement between component and tool is created from the simulation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Bewegungsprofils im Rahmen einer thermischen Bauteilbeschichtung mittels Lichtbogendrahtspritzen.The invention relates to a method for providing a movement profile in the context of a thermal component coating by means of arc wire spraying.

Bei der thermischen Beschichtung von Bauteilen mit Hilfe des sogenannten LDS-Verfahrens (Lichtbogendrahtspritzen) werden immer wieder Unzulänglichkeiten in der abgelagerten Schichtdickenverteilung festgestellt. Zum einen kann dies durch eine fehlerhafte Positionierung des Bauteils gegenüber dem Werkzeug hervorgerufen werden. Um dieser Problematik entgegenzuwirken wird in der DE 10 2012 002 373 A1 ein Mess- und Zentriersystem beschrieben, welches iterativ die zuverlässige Positionierung ermöglicht. Hierdurch lassen sich durch eine fehlerhafte Positionierung des Bauteils hervorgerufene Unzulänglichkeiten in der Schichtdicke weitgehend verhindern.In the thermal coating of components by means of the so-called LDS process (arc wire spraying) defects are repeatedly found in the deposited layer thickness distribution. On the one hand, this can be caused by a faulty positioning of the component relative to the tool. To counteract this problem is in the DE 10 2012 002 373 A1 a measuring and centering system described, which iteratively enables reliable positioning. As a result, imperfections in the layer thickness caused by incorrect positioning of the component can be largely prevented.

Eine weitere Problematik ist jedoch auch die Einstellung einer geforderten Mindestschichtdicke in allen Bereichen der Oberfläche. Dies gilt insbesondere für Zylinderflächen, beispielsweise direkt in Zylindergehäusen von Verbrennungsmotoren oder in Form von Innenflächen auf Zylinderbuchsen, welche als Laufbuchsen in das Zylindergehäuse integriert sind. Bei derartigen Zylinderlaufflächen ist es üblich, dass diese durch anschließende spanende Verfahren, typischerweise durch Honen, auf ihr endgültiges Maß bearbeitet werden. Um eine gleichmäßige Bearbeitung der Oberfläche zu garantieren erfordert dies eine gleichmäßig aufgetragene Mindestschichtdicke. Aus Kosten-, Standzeit- und Taktzeitgründen darf diese Mindestschichtdicke jedoch nicht zu groß werden, da dann entsprechend viel Material wieder abgetragen werden muss, mit den entsprechenden Nachteilen sowohl während des Auftrags als auch bei der späteren Nachbearbeitung. Ein weiteres Problem, welches insbesondere beim Honen von Zylinderinnenflächen auftritt, ist die Tatsache, dass das Honwerkzeug nur in eine gewisse lichte Weite eindringen kann. Liegt also zuviel Schichtdicke in einigen Bereichen der Zylinderfläche vor, dann kann das Honwerkzeug erst gar nicht in den Zylinder einfahren, sodass eine Bearbeitung nicht möglich ist.However, another problem is the setting of a required minimum layer thickness in all areas of the surface. This is especially true for cylindrical surfaces, for example, directly in cylinder housings of internal combustion engines or in the form of inner surfaces on cylinder liners, which are integrated as liners in the cylinder housing. In such cylinder treads, it is common that they are machined to their final dimensions by subsequent machining processes, typically by honing. In order to guarantee a uniform treatment of the surface, this requires a uniformly applied minimum layer thickness. For cost, durability and tact time reasons, however, this minimum layer thickness must not be too large, since then a corresponding amount of material must be removed again, with the corresponding disadvantages both during the order and in the subsequent post-processing. Another problem that occurs especially when honing cylinder inner surfaces, is the fact that the honing tool can penetrate only in a certain clearance. So if there is too much layer thickness in some areas of the cylinder surface, then the honing tool can not even enter the cylinder, so that a processing is not possible.

Für eine qualitativ hochwertige thermische Beschichtung sind beim Lichtbogendrahtspritzen insbesondere die Schichteigenschaften von wesentlicher Bedeutung. Die Schichteigenschaften beim Lichtbogendrahtspritzen ergeben sich dabei unmittelbar aus der Spannung, der Drahtförderrate, der Rotationsgeschwindigkeit des Brenners sowie dem Volumenstrom des durch den Aufbau strömenden Gases, welches die aufgeschmolzenen Partikel zur zu beschichtenden Oberfläche fördert. Wird an diesen Parametern etwas verändert, um die Schichtdicke bei der thermischen Beschichtung zu beeinflussen, dann beeinflusst dies typischerweise auch die Eigenschaften der aufgetragenen Schicht stark. Dies ist unerwünscht, da typischerweise homogene Eigenschaften der thermischen Beschichtung über die gesamte beschichtete Oberfläche gewünscht sind. Als einzige Möglichkeit zur Beeinflussung der Schichtdicke verbleibt damit die Relativbewegung des Werkzeugs, also des Lichtbogendrahtbrenners, und des zu beschichtenden Bauteils gegeneinander. In der Realität wird typischerweise das Bauteil gegenüber dem Werkzeug bewegt, dies könnte jedoch genauso gut anders herum erfolgen.For a high-quality thermal coating, in particular the layer properties are of essential importance in the arc wire spraying. The layer properties in the arc wire spraying result directly from the voltage, the wire feed rate, the rotational speed of the burner and the volume flow of the gas flowing through the structure, which promotes the molten particles to be coated surface. If something is changed in these parameters to influence the layer thickness in the thermal coating, then this also typically strongly influences the properties of the applied layer. This is undesirable since typically homogeneous thermal coating properties over the entire coated surface are desired. The only way to influence the layer thickness thus remains the relative movement of the tool, ie the arc wire burner, and the component to be coated against each other. In reality, the component is typically moved relative to the tool, but this could be done the other way around.

Nun ist es zwar in der endgültigen Fertigung möglich, ein Bewegungsprofil von Werkzeug und Bauteil gegeneinander einzusetzen, welches zuvor in einer entsprechenden Entwicklung entstanden ist. Hierdurch lässt sich der potenzielle Ausschuss bereits deutlich reduzieren. Eine auf die jeweiligen gegebenenfalls aufgrund von Weiterentwicklungen geänderten Parameter angepasste Bewegung ist jedoch in ihrer Entwicklung sehr aufwändig, da der iterative Prozess wie er beispielsweise in dem oben genannten Stand der Technik beschrieben worden ist, sehr zeit- und kostenintensiv ist.Now it is indeed possible in the final production to use a movement profile of tool and component against each other, which has previously been developed in a corresponding development. This can already significantly reduce the potential waste. However, a movement adapted to the respective parameters possibly changed as a result of further developments is very complicated in its development, since the iterative process, as has been described, for example, in the abovementioned prior art, is very time-consuming and cost-intensive.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Bereitstellung eines Bewegungsprofils für ein LDS-Verfahren anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet und eine kostengünstige, schnelle und zuverlässige Entwicklung des Bewegungsprofils ermöglicht.The object of the present invention is therefore to provide a method for providing a movement profile for an LDS method, which avoids the disadvantages mentioned and allows a cost-effective, fast and reliable development of the movement profile.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a method having the features in claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the method emerge from the dependent subclaims.

Die Idee des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere darin, die Beschichtung des Bauteils über eine rechnergestützte Simulation durchzuführen, wobei als Eingangsparameter die Bauteilgeometrie und Informationen über den Spritzkegel des Laserdrahtspritzens verwendet werden. Anschließend wird eine vorgegebene Bewegung und eine daraus resultierende Auftragsdicke der Beschichtung entsprechend simuliert, und zwar so lange, bis diese die erforderliche Mindestdicke erreicht hat. Durch den Übertrag des Ausprobierens unterschiedlicher Bewegungsprofile des Bauteils relativ zum Werkzeug im Rahmen einer rechnergestützten Simulation wird der Aufwand minimiert, da keine Prototypen mehr erstellt werden müssen, um ein geeignetes Bewegungsprofil zu erfassen und hinsichtlich der Schichtstärken der thermischen Beschichtung zu optimieren.The idea of the method according to the invention is, in particular, to carry out the coating of the component via a computer-aided simulation, wherein the component geometry and information about the spray cone of the laser wire spraying are used as input parameters. Subsequently, a predetermined movement and a resulting application thickness of the coating is simulated accordingly, and indeed until it has reached the required minimum thickness. By transferring the testing of different movement profiles of the component relative to the tool in the context of a computer-aided simulation of the effort is minimized because no more prototypes must be created to detect a suitable motion profile and to optimize the layer thicknesses of the thermal coating.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun ferner vorgesehen sein, dass als weiterer Eingangsparameter zumindest ein Abweichungsfaktor in der Simulation berücksichtigt wird, welcher eine bauteilbedingte Abweichung der Schichtdicke in bestimmten Bereichen der Geometrie des Bauteils wiedergibt. So kann beispielsweise bei einer Beschichtung einer Zylinderbohrung in einem Zylindergehäuse bzw. Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors ein Einfluss auf die Beschichtung dadurch entstehen, dass Partikel an den jeweiligen offenen Enden des Zylinders austreten und gegebenenfalls durch die Formgebung beispielsweise des Kurbelraums unterhalb der Zylinder entsprechend beeinflusst werden. Auch der Einsatz von Maskierungen zur Minimierung von einem unerwünschten Overspray können derartige Einflüsse darstellen. Diese Einflüsse haben dann eine unmittelbare Auswirkung auf die Schichtdicke, zumindest in der räumlichen Nähe zu diesen Einflüssen, und können über entsprechende Abweichungsfaktoren in der Simulation berücksichtigt werden. According to an advantageous development of the method according to the invention, it can now further be provided that at least one deviation factor is taken into account in the simulation as a further input parameter, which reproduces a component-dependent deviation of the layer thickness in certain regions of the geometry of the component. Thus, for example, in the case of a coating of a cylinder bore in a cylinder housing or crankcase of an internal combustion engine, an influence on the coating may arise due to the fact that particles emerge at the respective open ends of the cylinder and are accordingly influenced accordingly by the shape of, for example, the crank space below the cylinders. The use of masking to minimize unwanted overspray can also represent such influences. These influences then have an immediate effect on the layer thickness, at least in the spatial proximity to these influences, and can be taken into account via corresponding deviation factors in the simulation.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun ferner vorgesehen sein, dass das Bewegungsprofil in einem realen Aufbau angewandt und die entstandenen Schichtdicken vermessen werden, wonach auf Basis der Messergebnisse die Simulation und/oder die Eingangsparameter bzw. Abweichungsfaktoren adaptiv angepasst und optimiert werden. Ein solcher realer Aufbau, bei welchem ein Prototyp hergestellt oder ein Serienbauteil nach der Beschichtung vermessen wird, kann die Qualität des Verfahrens steigern, da hierdurch eine Optimierung der Simulation möglich wird. Im Gegensatz zu einer reinen Entwicklung eines Bewegungsprofils über eine fortwährende Ausbildung von Prototypen und ihre Vermessung bleibt der Aufwand dennoch vergleichsweise gering, da weitaus weniger Prototypen zum Optimieren der Simulation hergestellt werden müssen, wie zur Entwicklung des Bewegungsprofils gemäß dem Stand der Technik.In a further very favorable embodiment of the method according to the invention, it can now further be provided that the motion profile is applied in a real construction and the resulting layer thicknesses are measured, whereupon the simulation and / or the input parameters or deviation factors are adaptively adapted and optimized on the basis of the measurement results become. Such a real construction, in which a prototype is produced or a series component is measured after the coating, can increase the quality of the method, as this makes it possible to optimize the simulation. In contrast to a mere development of a motion profile via a continuous formation of prototypes and their measurement, the effort nevertheless remains comparatively low, since far fewer prototypes have to be produced to optimize the simulation, as for the development of the motion profile according to the prior art.

Mit Hilfe dieser Kombination aus einer Simulation des Schichtauftrags und direkter anschließender Vermessung der Schichtdicke beispielsweise durch das im eingangs genannten Stand der Technik beschriebene System, kann die Entwicklung von Beschichtungsstrategien zur Herstellung qualitätsgerechter thermischer Beschichtungen, beispielsweise im Bereich von Zylinderlaufbahnen, drastisch verringert werden. Dies hat einen erheblichen Kosten- und Zeitvorteil. Darüber hinaus ergeben sich weitere Vorteile durch die erhöhte Produktivität der Beschichtungs- und Nachbearbeitungsanlagen beispielsweise bei der Herstellung von LDS-beschichteten Verbrennungsmotoren, da eine geringere Ausschussrate erzielt werden kann. Insbesondere können so Schwankungen im Abtrag der thermischen Beschichtung, welche durch den Aktivierungsprozess, beispielsweise ein Hochdruckwasserstrahlschneiden, verursacht werden, durch eine angepasste Beschichtungsstrategie ausgeglichen werden. Damit ist in jedem Fall eine Fertigbearbeitung beispielsweise durch den bevorzugt anzuwendenden Honprozess möglich.With the aid of this combination of a simulation of the layer application and direct subsequent measurement of the layer thickness, for example by the system described in the aforementioned prior art, the development of coating strategies for producing quality-appropriate thermal coatings, for example in the range of cylinder liners, can be drastically reduced. This has a considerable cost and time advantage. In addition, further advantages result from the increased productivity of the coating and post-processing plants, for example in the production of LDS-coated internal combustion engines, since a lower rejection rate can be achieved. In particular, fluctuations in the removal of the thermal coating, which are caused by the activation process, for example high-pressure water jet cutting, can be compensated by an adapted coating strategy. This is in any case a finishing, for example, by the preferably applicable honing process possible.

Wie bereits erwähnt kann sowohl das Bauteil als auch das Werkzeug entsprechend bewegt werden, oder selbstverständlich auch beide. Das Bewegungsprofil umfasst deshalb insbesondere die Koordinaten und die Geschwindigkeiten des Bauteils relativ zum Werkzeug, sodass dies weitgehend unabhängig davon ist, welches Teil gegenüber welchem bewegt wird.As already mentioned, both the component and the tool can be moved accordingly, or of course both. The motion profile therefore particularly includes the coordinates and velocities of the component relative to the tool, so that this is largely independent of which part is moved in relation to which.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012002373 A1 [0002]

Claims

Method for providing a movement profile of a tool for arc wire spraying relative to a component to be thermally coated, for which a coating of the component with the desired layer thickness or layer thickness distribution in a computer-aided simulation based on input parameters, which comprise at least the component geometry and information about the spray cone of the Lichtbodendrahtspritzens, is simulated, after which a motion profile for the relative movement between the component and the tool is created from the simulation.

A method according to claim 1, characterized in that as a further input parameter at least one deviation factor is taken into account in the simulation, which reflects a component-related deviation of the layer thickness in certain areas of the geometry of the component.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the motion profile is applied in a real design, and the resulting layer thickness is measured, after which the simulation and / or the input parameters and / or deviation factors are adaptively adjusted and optimized based on the measurement results.

A method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the movement profile coordinates and speeds of the component relative to the tool.