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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils einer Strömungsmaschine.
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Stand der Technik
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Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Das vom Heißgas durchströmte Volumen, also der Pfad von einschließlich der Brennkammer über die Turbine bis zur Düse wird als „Heißgaskanal“ bezeichnet.
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Der vorliegende Gegenstand kann sich insbesondere auf ein zum Anordnen im Heißgaskanal vorgesehenes Bauteil beziehen, das zum Schutz vor dem Heißgas bzw. den hohen Temperaturen schutzbeschichtet wird. Dies soll, ebenso wie die Bezugnahme auf ein Strahltriebwerk, den vorliegenden Gegenstand zunächst illustrieren, ihn nicht aber in seiner Allgemeinheit beschränken. Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. auch um eine stationäre Gasturbine handeln.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Beschichten eines Bauteils einer Strömungsmaschine anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Prinzipiell wird der Beschichtungswerkstoff in an sich bekannter Weise mit einem Spritzgerät auf die Bauteiloberfläche aufgespritzt, und zwar auf einen Teilbereich davon, der entsprechend maskiert wird. Dieser Teilbereich wird sukzessive ausgespritzt, indem das Spritzgerät und das Bauteil relativ zueinander versetzt werden. Es kann also bspw. das Spritzwerkzeug entlang der Bauteiloberfläche bewegt und somit ein Spritzstrahl mit dem Beschichtungswerkstoff nach und nach über den Teilbereich geführt werden. Eine Besonderheit liegt nun in der Art und Weise der Maskierung, die durch Anhalten einer Blende erreicht wird. Die Blende bzw. ein Abschnitt davon bildet eine Kontur, welche den Spritzstrahl mit dem Beschichtungswerkstoff begrenzt, also eine Kante des beschichteten Teilbereichs festlegt.
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Vorteilhafterweise werden nun während des Beschichtens auch die Blende und das Bauteil zumindest zeitweilig relativ zueinander versetzt. In anderen Worten definiert die Blende in einem jeweiligen Zeitpunkt nicht den gesamten beschichteten Teilbereich, sondern wird dies im Zeitverlauf, mit unterschiedlichen Relativpositionen zwischen Blende und Bauteil, erreicht. Die Blende definiert die Kante des beschichteten Teilbereichs also sukzessive und in einem jeweiligen Zeitpunkt immer nur einen Abschnitt davon. Die Blende wird dort vor- bzw. angehalten, wo aktuell der Beschichtungswerkstoff aufgespritzt wird.
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Etwa im Vergleich zu einem Abkleben des beschichteten Bereichs mit einem Maskierband kann sich ein Vorteil insbesondere auf industriellem Maßstab ergeben, weil sich das lokale Vorhalten und Bewegen der Blende einfacher automatisieren lassen kann. Ein händisches Aufbringen von Maskierband ist zeit- und damit auch kostenintensiv. Etwa im Vergleich zu einem Vorhalten einer Maske, die bereits in statischer Anordnung zum Bauteil für sich den gesamten beschichteten Teilbereich definiert, kann der vorliegende Ansatz bspw. aufgrund einer erhöhten Flexibilität von Vorteil sein. Es muss nicht aufwendig eine Maske gefertigt werden, die dann geometriebedingt nur zu genau einem Bauteil passt. Im Falle einer gekrümmten Bauteiloberfläche kann es auch einfacher sein, eine im Verhältnis kleinere Blende entlang der gekrümmten Oberfläche zu bewegen, die Krümmung also mit der Bewegung abzubilden, als eine an die Gesamtkontur des Bauteils angepasste Maske zu fertigen.
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Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Beschreibung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Verfahrens- und Vorrichtungsaspekten unterschieden wird. Die Offenbarung bezieht sich stets sowohl auf das Beschichtungsverfahren als auch eine entsprechend ausgelegte bzw. eingerichtete Beschichtungsvorrichtung. Generell sind „ein“ und „eine“ im Rahmen dieser Offenbarung ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe als unbestimmte Artikel und damit immer auch als „mindestens ein“ bzw. „mindestens eine“ zu lesen. Es können also bspw. auch mehrere Teilbereiche der Bauteiloberfläche in erfindungsgemäßer Weise beschichtet werden. Ferner können zur Beschichtung des Teilbereichs bspw. mehrere Spritzgeräte Einsatz finden, insbesondere bei großen Flächen, bevorzugt ist gleichwohl genau ein Spritzgerät.
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Generell kann das nur bereichsweise Beschichten der Bauteiloberfläche unterschiedlich motiviert sein. Etwa im Falle einer dem Heißgaskanal zugewandten Oberfläche, z. B. einer Schaufel oder auch einer Verkleidung, kann z. B. nur ein besonders exponierter bzw. beanspruchter Teilbereich mit einer thermischen Schutzschicht beschichtet werden. Es kann bspw. ein Vorderkantenbereich der Schaufel schutzbeschichtet werden, können dabei aber die Seitenflächen (saug- und druckseitig) soweit möglich beschichtungsfrei bleiben, was bspw. aerodynamisch motiviert sein kann (die Beschichtung kann eine raue Oberfläche haben, ein Glätten könnte Risse induzieren). Dies ist allerdings nur ein Beispiel, die Motivation hängt im Einzelnen auch von der Art der Beschichtung ab (siehe unten im Detail).
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Die Blende wird vor das Bauteil gehalten, und zwar aus Sicht des Spritzgeräts. Dabei muss sie das Bauteil nicht berühren, dies ist aber möglich. Auch unabhängig davon kann die von der Blende gebildete Kontur, welche die Kante des Teilbereichs begrenzt, bedarfsweise einen gekrümmten bzw. auch gewinkelten Verlauf haben, ebenso ist aber auch eine geradlinige Kontur möglich.
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Das Spritzgerät und das Bauteil, sowie auch die Blende und das Bauteil, werden während des Beschichtens „zumindest zeitweilig“ relativversetzt, sie können also andererseits während des Beschichtens zeitweilig auch in einer statischen Anordnung relativ zueinander sein. Es kann bspw. mehrere unterschiedliche Relativpositionen zum Bauteil geben (des Spritzwerkzeugs und/oder der Blende), wobei dann zwischen den einzelnen Relativpositionen versetzt wird, die Anordnung in einer jeweiligen Relativposition jedoch statisch ist. Während des Versetzens von der einen in die andere Relativposition muss dabei auch nicht notwendigerweise Beschichtungsmaterial aufgespritzt werden, dies kann bspw. auch nur in einer jeweiligen Relativposition (in statischer Anordnung) erfolgen. In anderen Worten kann also das Aufspritzen auch zeitweilig unterbrochen sein, muss der Beschichtungswerkstoff also im Allgemeinen nicht kontinuierlich aufgespritzt werden. Der Begriff „beschichten“ bezieht sich auf den gesamten Beschichtungsvorgang, im Zuge dessen der Teilbereich sukzessive vollständig ausgespritzt wird, wobei der eigentliche Materialauftrag währenddessen auch zeitweilig unterbrochen sein kann.
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In bevorzugter Ausgestaltung werden das Spritzgerät und das Bauteil zumindest zeitweilig relativ zueinander versetzt, während das Beschichtungsmaterial aufgespritzt wird (also tatsächlich während des Materialauftrags). Bevorzugt kann während des Aufspritzens dauerhaft ein Relativversatz erfolgen, kann der Teilbereich also mit einer kontinuierlichen Bewegung, des Bauteils oder vorzugsweise des Spritzgeräts (jeweils in einem ortsfesten Koordinatensystem betrachtet), ausgespritzt werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung werden auch die Blende und das Bauteil zumindest zeitweilig relativ zueinander versetzt, während der Beschichtungswerkstoff aufgespritzt wird. Bevorzugt ist diese Bewegung mit jener des Spritzgeräts synchronisiert, die Blende und das Spritzgerät können also bspw. in einem ortsfesten Koordinatensystem gemeinsam entlang der Bauteiloberfläche bewegt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Bewegung der Blende, die aus dem Relativversetzen von Blende und Bauteil resultiert und entlang einer Kante des Teilbereichs verläuft, kontinuierlich. In einem ortsfesten Koordinatensystem betrachtet kann die entlang des Teilbereichs bewegte Blende dabei auch ruhen, es kann bspw. das Bauteil hinter der Blende vorbeigeführt bzw. gedreht etc. werden. Ebenso kann aber auch die Blende selbst im ortsfesten Koordinatensystem bewegt werden, bevorzugt gemeinsam mit dem Spritzgerät.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist das Spritzen ein thermisches Spritzen. Dabei wird der Beschichtungswerkstoff thermisch induziert, in Form eines Strahls auf die Bauteiloberfläche beschleunigt. Die thermische Aktivierung kann bspw. in einer Flamme, etwa einer Gasflamme, erfolgen, dies ist aber nicht zwingend.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Blende mehrteilig vorgesehen, also aus mindestens zwei Blendenteilen. Es können bspw. auch drei oder vier Blendenteile vorgesehen sein, wobei mit Blick auf die Handhabbarkeit Obergrenzen bspw. bei höchstens 10, 8 bzw. 6 Blendenteilen liegen können. Unabhängig davon im Einzelnen werden die Blendenteile während des Beschichtens bevorzugt in unterschiedliche Relativpositionen zueinander gebracht, was die Flexibilität erhöht. Mit einer mehrteiligen Blende lässt sich z. B. vergleichsweise einfach ein streifenförmiger, also langgestreckter und dabei insbesondere schmaler Teilbereich definieren, in dem die Blendenteile an einander entgegengesetzten Seiten entlang des Streifens bewegt werden. Mit unterschiedlichen Relativpositionen der Blendenteile untereinander kann dann bspw. auch eine sich entlang der Längsrichtung des Streifens ändernde Weite definiert werden (durch unterschiedliche Relativabstände der Blendenteile).
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche des Bauteils zumindest bereichsweise gekrümmt, wobei zumindest jener Abschnitt der Blende, mit dem der beschichtete Teilbereich begrenzt bzw. definiert wird, mit einer Krümmung an die gekrümmte Bauteiloberfläche angepasst ist. Der beschichtete Teilbereich kann je nach Anwendung konvex gekrümmt sein, etwa im Falle der Vorderkante einer Schaufel, aber auch konkav gekrümmt sein. Letzteres kann bspw. bei einem Gehäuseteil der Fall sein, welches den Heißgaskanal nach radial außen begrenzt, entsprechend also eine konkav gekrümmte, nach radial innen gewandte Innenwandfläche hat (in einem zur Längs- bzw. Drehachse der Strömungsmaschine senkrechten Schnitt betrachtet).
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In bevorzugter Ausgestaltung wird die Krümmung der Blende während des Beschichtens verändert und damit an den Verlauf der Bauteiloberfläche angepasst. Die Blende kann bspw. als Blech aus Metall in einer solchen Dicke realisiert sein, dass senkrecht zur Flächenebene ein Verwölben bzw. -biegen möglich ist. Über mehrere, relativ zueinander verstellbare Aufhängungspunkte ist dann eine Anpassung der Krümmung möglich.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ruht das Bauteil in einem ortsfesten Koordinatensystem, also bspw. bezogen auf eine Fertigungs- bzw. Wartungshalle. Entsprechend werden das Spritzgerät und die Blende in dem ortsfesten Koordinatensystem versetzt, bevorzugt mittels eines Roboterarms. Bevorzugt ist ein Gelenkarmroboter vorgesehen, was eine Beweglichkeit in mehreren Achsen und entsprechende Freiheitsgrade bei dem Führen von Spritzgerät und Blende entlang des Bauteils eröffnet.
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In bevorzugter Ausgestaltung sind das Spritzgerät und die Blende jeweils an einem eigenen Roboterarm angeordnet, womit die Parameter des Aufspritzens, z. B. Entfernung und/oder Anstellwinkel etc., zumindest in gewissem Umfang von der Maskierung entkoppelt sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das beschichtete Bauteil zum Anordnen im Heißgaskanal der Strömungsmaschine vorgesehen und wird auf den Teilbereich der Bauteiloberfläche eine thermische Schutzschicht aufgebracht. Alternativ lassen sich mit dem vorliegenden Verfahren aber bspw. auch Aufbauschichten aufspritzen, die als Haftgrund für andere Schichten bzw. zur Maßanpassung dienen, ebenso kann bspw. auch ein Einlaufbelag aufgespritzt werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in bevorzugter Ausgestaltung auch eine Verschleißschutzschicht aufgebracht werden, bevorzugt kann dies ein Verdichterbauteil bzw. -modul betreffen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Moduls einer Strömungsmaschine, bevorzugt eines Flugtriebwerks. Bei dem Modul kann es sich im Allgemeinen auch um ein Verdichter- oder Brennkammermodul handeln, bevorzugt ist ein Turbinenmodul.
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Die Erfindung betrifft auch eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines Bauteils, die ein Spritzgerät, eine Blende und eine Versetzeinheit aufweist. Mittels der Versetzeinheit sind die vorstehend beschriebenen Relativbewegungen möglich, bevorzugt handelt es sich dabei um einen oder mehrere Roboterarme, mit dem/denen die Blende und das Spritzgerät in einem ortsfesten Koordinatensystem bewegt werden, siehe die vorstehenden Anmerkungen. Die Beschichtungsvorrichtung weist ferner eine Steuereinheit zum Steuern der Versetzeinheit auf, die zur Durchführung eines vorliegend offenbarten Verfahrens eingerichtet ist. In der Steuereinheit sind also Programmabläufe hinterlegt, mittels welchen das Spritzgerät, die Blende und das Bauteil in einer vorstehend beschriebenen Weise relativversetzt werden, also ein Teilbereich der Bauteiloberfläche durch den Relativversatz definiert wird.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 in einem schematischen Schnitt eine Strömungsmaschine, zur Illustration des Anwendungsgebiets des Beschichtungsverfahrens;
- 2 eine Beschichtungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Strömungsmaschine 1, konkret ein Mantelstromtriebwerk, in einem Axialschnitt. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c sind jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut, jede der Stufen setzt sich aus einem Leit- und einem darauffolgenden Laufschaufelkranz zusammen. Im Verdichter 1a wird die angesaugte Luft komprimiert, sie wird dann in der nachgelagerten Brennkammer 1b mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das Heißgas durchströmt den Heißgaskanal 2 und treibt die Laufschaufelkränze an, die um die Längsachse 3 rotieren. Die Bauteile im Heißgaskanal 2, bspw. die Leitschaufeln, sind hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, weswegen bspw. die Vorderkanten der Leitschaufeln thermisch schutzbeschichtet werden können (bezüglich alternativer Anwendungsmöglichkeiten wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen).
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2 zeigt eine Beschichtungsvorrichtung 20 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens. Die Beschichtungsvorrichtung 20 ruht in einem ortsfesten Koordinatensystem 21, sie kann bspw. in einer Industriehalle aufgestellt sein. Auch das Bauteil 22, das beschichtet wird, ruht in dem ortsfesten Koordinatensystem 21, es kann bspw. in einer (nicht dargestellten) Aufnahme angeordnet sein. Zum Aufspritzen einer Schicht 23 auf das Bauteil 22 weist die Beschichtungsvorrichtung 20 ein Spritzgerät 24 auf. Hierbei handelt es sich um einen an sich bekannten Spritzbrenner, dem über nicht dargestellte Einlässe ein Brennergas und auch der Beschichtungswerkstoff zugeführt werden (ferner gibt es Anschlüsse für eine Kühlung etc.). Der in dem Spritzbrenner thermisch aktivierte Spritzwerkstoff 25 wird dann in Form eines Spritzstrahls 26 in Richtung der Oberfläche 22a des Bauteils 22 beschleunigt bzw. geschleudert.
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Von der Oberfläche 22a soll nur ein Teilbereich 22aa beschichtet werden, andere Oberflächenbereiche 22ab, ac sollen unbeschichtet bleiben. Dazu wird die Oberfläche 22a maskiert, und zwar mit einer Blende 27. Diese ist vorliegend mehrteilig aus zwei Blendenteilen 27a, b aufgebaut, jedes der Blendenteile 27a, b ist an einem jeweiligen Roboterarm 28a, b angeordnet und damit in dem ortsfesten Koordinatensystem 21 beweglich (der Roboterarm 28b ist der Übersichtlichkeit halber nur angedeutet). Auch das Spritzgerät 24 ist an einem eigenen Roboterarm 28c angeordnet und mit diesem entlang der Oberfläche 22a des Bauteils 22 bewegbar. Damit kann der Spritzstrahl 26 über die Bauteiloberfläche 22a hinweg bewegt und der Teilbereich 22aa sukzessive ausgespritzt werden. In dem vorliegenden, schematischen Beispiel könnte der Spritzstrahl 26 bspw. wiederholt von oben nach unten und von unten nach oben und dabei zugleich aus der Zeichenebene hinaus bzw. in diese hinein bewegt werden, könnte also bspw. ein senkrecht zur Zeichenebene langgestreckter Teilbereich 22aa beschichtet werden. Der Teilbereich 22aa kann sich aber bspw. auch gekrümmt erstrecken, die vorliegende Darstellung ist schematisch.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun nicht nur das Spritzgerät 24 relativ zum Bauteil 22 bewegt, sondern wird auch die Blende 27 mit bewegt. Die Blendenteile 27a, b werden also immer dort vor die Oberfläche 22a gehalten, wo der Spritzstrahl 26 auftrifft, der Teilbereich 22a wird in einem jeweiligen Zeitpunkt nur lokal maskiert, insgesamt dann aber im Zeitverlauf durch die unterschiedlichen Relativpositionen. Die Bewegungen werden über eine Steuereinheit 30 vorgegeben. Dieses Verfahren zeichnet sich durch gute Automatisierungsmöglichkeiten in der Umsetzung und zugleich eine große Flexibilität aus, vgl. die Beschreibungseinleitung im Einzelnen.
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Bezugszeichenliste
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| Strömungsmaschine |
1 |
| |
Verdichter |
1a |
| |
Brennkammer |
1b |
| |
Turbine |
1c |
| Heißgaskanal |
2 |
| Längsachse |
3 |
| Beschichtungsvorrichtung |
20 |
| Koordinatensystem (ortsfest) |
21 |
| Bauteil |
22 |
| |
Oberfläche |
22a |
| |
|
Teilbereich (beschichtet) |
22aa |
| |
|
Oberflächenbereiche (unbeschichtet) |
22ab,ac |
| Schutzschicht |
23 |
| Spritzgerät |
24 |
| Spritzwerkstoff |
25 |
| Spritzstrahl |
26 |
| Blende |
27 |
| |
Blendenteile |
27a,b |
| Versetzeinheit |
28 |
| |
Roboterarme |
28a,b,c |
| Steuereinheit |
30 |
