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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung beschädigter Werkstück- bzw. Beschichtungsoberflächen durch eine Schichtherstellung über die aerosolbasierte Kaltabscheidung.
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Technischer Hintergrund
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Gewöhnlich ist für die Herstellung von keramischen Schichten eine Sintertemperatur oberhalb von 1000 °C notwendig. In Folge dessen ist eine Integration bzw. Kombination von Keramiken mit niedrigschmelzenden Kunststoffen, Gläsern oder Metallen kaum oder gar nicht möglich [1]. Eine weitere Schwierigkeit stellen zudem Keramiken mit einem hohen kovalenten Bindungsanteil dar. Hierbei tritt eine Zersetzung der Keramik vor einer Verdichtung auf, wodurch eine Herstellung dichter Bauteile bzw. Schichten nicht oder nur unter erheblichem Aufwand möglich ist [2]. Ebenfalls wird hierdurch eine Reparatur der Beschichtung, welche den Anwendungsanforderungen nicht mehr genügt, deutlich erschwert oder sogar verhindert.
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Eine neuartige Herangehensweise bildet ein bereits bekanntes Verfahren einer aerosol- und vakuumbasierten Schichtdeposition [3]. Das Verfahren wird in jüngster Zeit im Deutschen auch als „aerosolbasierte Kaltabscheidung“ bezeichnet. Hierbei können bei Raumtemperatur dichte Schichten direkt aus den Ausgangspulvern auf verschiedenste Substratmaterialien abgeschieden werden. Diese Beschichtungen zeichnen sich sowohl durch eine feste Anhaftung auf dem Substrat, eine hohe Dichtigkeit als auch durch zu den eingesetzten Ausgangspulvern ähnliche Materialeigenschaften aus.
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Die Grundlage des Verfahrens besteht darin, dass mit Hilfe entsprechender Vorrichtungen (Bezeichnungen weiter unten) Partikel in ein Aerosol 5 überführt, anschließend beschleunigt und schließlich auf ein zu beschichtendes Werkstück 9 gelenkt werden, welches über einen Substratträger 8 bewegt wird (Bezugszeichen weiter unten). Die hohe kinetische Energie der Partikel im Aerosol 5 führt beim Aufprall auf das Werkstück 9 mutmaßlich [1] sowohl zu einem lokalen Druck- und Temperaturanstieg als auch zu einer plastischen Deformation und zum Aufbrechen der Partikel. Dies sorgt wiederum für eine entsprechende Haftung sowohl zwischen den Partikeln als auch zwischen Partikel und Werkstück 9 und damit zur Ausformung einer Schicht 6.
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Der Vorgang der Schichtabscheidung beginnt nach derzeitigem Wissensstand [1,4] mit der Ausbildung einer Verankerungsschicht auf dem Werkstück 9 und setzt sich mit einem kontinuierlichen Aufbau und der Verdichtung der Schicht 6 fort. In der Literatur wird der Vorgang dieser Schichtbildung auch häufig mit dem Begriff „Room Temperature Impact Consolidation“ (RTIC) bezeichnet [1,4].
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Stand der Technik bzgl. einer Vorrichtung für die aerosolbasierte Kaltabscheidung
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Im Folgenden werden der Stand der Technik und die Erfindung anhand von Figuren beschrieben.
- 1 zeigt eine Vorrichtung zur Abscheidung von Schichten nach dem Verfahren der aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern mit einer unbeweglichen Beschichtungskammer 1, auch Vakuumkammer genannt (Stand der Technik).
- 2 bestehend aus den Teilfiguren 2a, 2b und 2c verdeutlicht den Grundgedanken der Erfindung zur Aufbereitung von Werkstückoberflächen durch Abscheidung von Schichten nach dem Verfahren der aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern mit einer einseitig offenen, beweglichen Kammer und stellt auch eine erste Ausführungsform dar.
- 3 bestehend aus den Teilfiguren 3a, 3b und 3c skizzieren weitere Ausführungsformen mit einer verschließbaren beweglichen Kammer mit angebrachter Schließvorrichtung.
- 4 bestehend aus den Teilfiguren 4a, 4b und 4c skizzieren weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen.
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Die Hauptkomponenten einer Vorrichtung zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern sind, wie in
1 dargestellt, eine Vakuumkammer 1, eine Evakuierungsvorrichtung 2, eine aerosolerzeugende Vorrichtung 3 und eine Düsenapparatur 4, bestehend aus einer Verbindungsleitung 4.1 und einer Düse 4.2. Veröffentlichungen bzgl. des Vorrichtungsaufbaus, die den Stand der Technik hierzu darstellen, finden sich z.B. in der
US 7,553,376 B2 :
- Das Prinzip einer Vorrichtung zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern basiert darauf, dass über eine Evakuierungsvorrichtung 2 innerhalb der Vakuumkammer 1 ein Vakuum erzeugt wird [5]. Ein Gasstrom 12, welcher aus einer einzelnen Gasart wie Sauerstoff, Stickstoff, Helium oder dergleichen sowie aus Mischungen mehrerer Gase bestehen kann, wird mit dem Beschichtungspulver 11 in der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 vermischt und so ein Pulveraerosol, im Folgenden nur noch Aerosol 5 genannt, d.h. ein Gemisch aus den Partikeln des Beschichtungspulvers 11 und des Trägergasvolumenstroms 12, erzeugt [6]. Als Folge des auftretenden Druckabfalls zwischen der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 und der Vakuumkammer 1 wird das Aerosol 5 von der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 über eine Verbindungsleitung 4.1 in die Vakuumkammer 1 transportiert. Die Verbindungsleitung 4.1 mündet in einer Düse 4.2, in der durch Querschnittsänderung das verwendete Trägergas und damit die Partikel im Aerosol 5 weiter beschleunigt werden. In der Vakuumkammer 1 treffen die Partikel auf ein mittels Linearbewegungsvorrichtung 7 bewegtes Werkstück 9 und bilden dort eine dichte, oft sogar kratzfeste Beschichtung 6 [1]. Das zu beschichtende Werkstück 9 kann ein planares Substrat sein, das mit einem Substratträger 8 in Verbindung steht. Ganz allgemein kann aber ein Werkstück 9 beschichtet werden, dass eine nicht ebene zu beschichtende Fläche aufweist.
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Bei einer Vorrichtung zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern nach dem Stand der Technik werden verschieden beschaffene Vakuumkammern 1 als Beschichtungskammer angewandt. Die gängigste Art ist der in
1 dargestellte geschlossene Behälter, bei welchem das zu beschichtende Werkstück 9 über eine verschließbare Durchführung in Form einer Türe oder eines Flansches vollständig eingebracht wird. Ebenfalls sind halboffene Vakuumkammern nutzbar (hier nicht gezeigt), bei welchen erst das zu beschichtende Werkstück 9 durch Aufsetzen auf eine vorhandene Öffnung die Vakuumkammern 1 verschließt, wie dies z.B. in
DE 10 2015 012 425 beschrieben ist.
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Nachteile des Standes der Technik
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Alle bekannten und eingesetzten Verfahren zur Reparatur von beschädigten Werkstückoberflächen, welche auf einer keramischer Schichtabscheidung basieren, benötigen sehr hohe Temperaturen; weiterhin häufig ein Ultrahochvakuum bzw. die Nutzung von Plasmabehandlungen. Nur das Verfahren der aerosolbasierten Kaltabscheidung ermöglicht es, dichte keramische Beschichtungen ohne eine Erwärmung des Werkstücks oder des Beschichtungsmaterials zu erzeugen. Jedoch existieren hier keine Vorrichtungen zur Aufbereitung von vorhandenen, aber beschädigten Werkstückoberflächen. Dies umfasst einerseits eine Vorbehandlung der betroffenen Werkstückoberfläche, welche für eine erfolgreiche Aufbereitung zuerst von defekten Bereichen befreit und für die erneute Schichterzeugung vorbereitet werden muss. Weiterhin besitzen die eingesetzten geschlossenen Systeme aus 1 die nachfolgenden Nachteile. Die Beschichtungssysteme sind stationär, das aufzuarbeitende Werkstück 9 muss daher ausgebaut und zur unbeweglichen Beschichtungskammer 1, welche als Vakuumkammer ausgeführt ist, transportiert werden. Weiterhin ist die Größe dieses Werkstücks 9 durch die Abmessungen der Vakuumkammer 1 beschränkt, da es vollständig in diese eingebracht werden muss, bevor die Vakuumkammer für die Schichtherstellung verschlossen wird. Infolgedessen können große Werkstücke nicht oder nur unter großem Aufwand wieder aufbereitet werden, auch wenn nur eine einzelne Fehlstelle mit kleinen Abmessungen im Bereich weniger Millimeter existiert. Durch die Notwendigkeit des Ausbaus und Transports ergeben sich zudem lange Reparaturdauern.
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Grundgedanke der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die aerosolbasierte Kaltabscheidung, bei der die Oberfläche von Werkstücken ohne ein vollständiges Einbringen in eine Vakuumkammer aufbereitet werden kann. Dies betrifft dabei insbesondere große und stationäre Körper, auf welche die bewegliche Kammer für die Schichtherstellung aufgesetzt wird. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass nach dem Aufsetzen der mobilen Beschichtungskammer auf das Werkstück das System dicht verschlossen wird und anschließend eine für die aerosolbasierte Kaltabscheidung geeignete, trockene (Unterdruck)-Atmosphäre erzeugt wird. Weiterhin wird die Oberfläche des Werkstücks zusätzlich für die Beschichtung vorbereitet. Das Beschichtungspulver kann vor dem umgebenden Medium geschützt werden, weshalb auch Materialien verarbeitet werden können, welche in Pulverform, nicht aber in ihrer prozessierten Endform, reaktiv sind.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die beschädigte Oberfläche von Werkstücken unabhängig von den Werkstückabmessungen und ohne die Notwendigkeit, diese Werkstücke ausbauen und in die Beschichtungskammer einbringen zu müssen, mittels der aerosolbasierten Kaltabscheidung aufgearbeitet werden kann und im Anschluss wieder den Anforderungen entspricht. Durch die Verwendung einer halboffenen bzw. mittels Schließvorrichtung zeitweise verschließbaren Kammer, durch den zusätzlichen Schutz des Beschichtungspulvers vor dem umgebenden Medium sowie durch die Prozessführung können dadurch beschädigte Oberflächen an annähernd beliebigen Werkstücken wieder gangbar gemacht werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Werkstück instationär ist oder nicht aus der übergeordneten Einheit entnommen werden kann. Hiermit wird die Reparatur von vorhandenen, aber beschädigten Schutzschichten auf großen Strukturen, wie Stützträgern, Außenwänden oder allgemein äußeren Oberflächen, ermöglicht. Dabei kann die Beschichtung auf alle Werkstoffklassen erfolgen, also z.B. Metall, Keramik, Glas oder Kunststoff. Die Lehre der Erfindung erlaubt somit sowohl Reparaturen von beschädigten Beschichtungen als auch Verstärkungen von intakten Beschichtungen zur Lebensdauererhöhung zu realisieren.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der Grundgedanke der hier beschriebenen Erfindung für die Vorrichtung zur Aufarbeitung von beschädigten Werkstückoberflächen mittels der aerosolbasierten Kaltabscheidung ist in 2 für ein einseitig offenes System gezeigt. Dies stellt auch bereits eine erste Ausführungsform dar. Die Teilfiguren 2a, 2b und 2c skizzieren hierbei den zeitlichen Ablauf, angefangen mit dem Anbringen der Beschichtungskammer bis zur Herstellung der Beschichtung. Das nur als Ausschnitt dargestellte Werkstück 9 in 2a besitzt eine teilweise intakte Werkstückoberfläche 16, welche jedoch an einer oder mehreren Stellen 16.1 nicht mehr den gestellten Anforderungen entspricht, somit also eine partiell defekte Werkstückoberfläche darstellt. Hierbei ist die Werkstückoberfläche beispielsweise eine aufgebrachte keramische Beschichtung. Dabei vielen Anwendungsfällen, wie z.B. bei korrosiven oder abrasiven Vorgängen, bereits einzelne Fehlstellen zum zügigen Versagen des Bauteils führen, müssen diese defekten Fehlstellen 16.1 zur Erhaltung der Einsatzfähigkeit umgehend aufgearbeitet werden. Erfindungsgemäß ist ebenfalls ein präventives Aufarbeiten der Werkstückoberfläche vor deren Versagen möglich. Hierbei kann beispielsweise im Rahmen von regelmäßigen Wartungsintervallen eine noch vorhandene, aber bereits deutlich verdünnte Oberflächenbeschichtung aufgedickt werden. Die Auswahl der notwendigen Beschichtungsstellen erfolgt dabei z.B. über eine Sichtprüfung und/oder zerstörungsfreie, quantitative Verfahren zur Schichtdickenermittlung. Durch diese frühzeitige Verstärkung der Oberfläche kann somit auch bei dünnen, intakten Beschichtungen die Lebensdauer gesteigert werden. Infolgedessen wird die Funktion des jeweiligen Werkstücks 9 bis zur nächsten Wartung sichergestellt, wobei hierdurch gegebenenfalls auch verlängerte Wartungsintervalle ermöglicht werden.
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Alle Komponenten der Beschichtungsanlage, inklusive der einseitig offenen Beschichtungskammer 1.1, der Evakuierungsvorrichtung 2 und der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 befinden sich vor Beginn des Beschichtungsvorgangs in der umgebenden Atmosphäre, was im Regelfall Umgebungsdruck mit Luftfeuchtigkeit ist. Im Inneren aller pulver- bzw. aerosolführenden Teile der Vorrichtung wie der Düse 4.2, der aerosolerzeugende Vorrichtung 2 sowie den Verbindungs- bzw. Zufuhrleitungen 4.1 und 10 befindet sich hingegen ein vorzugsweise trockenes Gas, um das Beschichtungsmaterial 11 vor Bestandteilen der Umgebungsatmosphäre, z.B. vor Feuchte, zu schützen. Die Abtrennung der trockenen Bereiche erfolgt über eine an der Düse angebrachte Schließvorrichtung 13.1, welche anfangs vollständig geschlossen ist.
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Die dargestellte einseitig offene Vakuumbeschichtungskammer 1.1 wird anschließend auf die auszubessernde Oberfläche aufgesetzt, wobei eine flexible Dichtungsanordnung 14 die Kammer luftdicht gegenüber der Umgebung abschließt (2b). Das zu beschichtende Werkstück fungiert folglich als letzte Seite der Vakuumbeschichtungskammer 1.1 und muss daher auch eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen, um den wirkenden Kräften beim späteren Evakuieren standzuhalten. Das Werkstück 9 muss nicht zwingend plan sein. Die einseitig offene Beschichtungskammer 1.1 und die Dichtungsanordnung 14, die zum Beispiel als Dichtring oder als Dichtlippe ausgeführt sein kann, müssen aber eine notwendige Dichtigkeit gewährleisten. Um gegebenenfalls noch vorhandene Restfeuchtigkeit an der Oberfläche abzuführen, kann das nun geschlossene Innenvolumen der Beschichtungskammer 1.1 optional durch Einströmen eines trockenen Gases über den Gasanschluss 18 sukzessive gespült werden. Dabei wird das einströmende Gas entweder über das Auslassventil 15 in die Umgebung befördert und/oder über die Evakuierungsvorrichtung 2 abgeführt. Diese Schritte können auch mehrmalig in Intervallen vollzogen werden, wobei die Beschichtungskammer 1.1 abwechselnd evakuiert und anschließend durch das vorzugsweise trockene Gas wieder befüllt wird.
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Während dieses Vorganges muss die Vakuumkammer 1.1 dicht oder weitgehend dicht mit dem Werkstück 9 verschlossen sein, zum Beispiel kann sie aktiv auf das Werkstück 9 gepresst werden, um ein Austreten des Gases an der Dichtung 14 zu verhindern. Die mit den vorgenannten Maßnahmen geschaffenen Bedingungen ermöglichen nun die Schichtherstellung über die aerosolbasierte Kaltabscheidung. Dazu wird mit Hilfe der Evakuierungsvorrichtung, welche z.B. als ein-, zwei- oder dreistufige Vakuumpumpe ausgeführt sein kann, zunächst das Spülgas wieder entfernt, bis der absolute Druck in der Vakuumkammer 1.1 den Prozessdruck erreicht hat. Dieser liegt üblicherweise im Bereich von 1 bis 50 mbar, aber für manche Anwendungen kann auch ein höherer Prozessdruck (zum Beispiel der Druck einer halben Atmosphäre) notwendig sein. Dieses Vakuum erzeugt eine Druckdifferenz zur umgebenden Atmosphäre, welche die Vakuumkammer 1.1 an das Werkstück 9 drückt. In einer bevorzugten Ausführung wird deshalb ab diesem Zeitpunkt keine weitere, externe Haltekraft mehr benötigt. Anschließend wird die Schließvorrichtung 13.1 an der Düse geöffnet, wodurch die Verbindung zwischen der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 und der Beschichtungskammer freigegeben wird (Teilfigur 2c). Durch das Einströmen eines Trägergases aus der Gasversorgung 17 wird das Beschichtungspulver 11 in der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 in ein Aerosol überführt, über die Verbindungsleitung 4.1 in die Beschichtungskammer 1.1 transportiert und in der Düse 4.2 auf die notwendige Geschwindigkeit für die Abscheidung beschleunigt. Dieses Aerosol 5 bildet beim Aufprall auf das Werkstück 9 schließlich die gewünschte Beschichtung 6 aus, wodurch die vorher defekte Stelle der Werkstückoberfläche 16.1 wieder aufgearbeitet und/oder aufgedickt wird. Die Beschichtungsfläche erstreckt sich mindestens über die Fläche der defekten Werkstückoberfläche, sollte aber geringfügig mit der intakten Werkstückoberfläche überlappen. Die Beschichtungsdauer beträgt im Regelfall abhängig von der gewünschten Beschichtungsdicke wenige Sekunden bis einige Minuten. Es ist ebenfalls erfindungsgemäß, wenn die Düse 4.2 während des Beschichtungsvorgangs verfahren wird, z.B. um eine größere Fläche zu beschichten. Vorrichtungen zum Verfahren der Düse 4.2 sind bekannt und nicht Gegenstand dieser Erfindung. Der Fortschritt des Beschichtungsvorganges kann dabei über einen optischen Zugang an der Kammer, beispielsweise in Form eines vakuumstabilen Beschichtungsfensters, verfolgt werden. Nach Beendigung der Beschichtung werden die pulver- bzw. aerosoltragenden Bereiche wieder durch Verschließen der Schließvorrichtung 13.1 abgetrennt, bevor zum Druckausgleich das Ventil 15 geöffnet wird und Gas aus der umgebenden Atmosphäre in die Beschichtungskammer 1.1 fließt. Die Vorrichtung zur aerosolbasierten Kaltabscheidung kann nun abgenommen und gegebenenfalls auf eine weitere Stelle bzw. ein weiteres Werkstück aufgesetzt werden. Der vorangegangen beschriebene Beschichtungsablauf wiederholt sich dann jeweils. Für den Fall von sehr großen defekten Stellen, deren Gesamtfläche die Fläche eines einzelnen Sprühpunktes übersteigt, müssen nacheinander mehrere Beschichtungspunkte nebeneinander gesetzt werden, welche sich geringfügig überlappen, um über eine zusammenhängende Schicht nun die gesamte defekte Stelle abzudecken. Durch die beschriebenen Vorgänge entspricht die Oberfläche nach dem Beschichten aller vorher definierter Stellen wieder dem Anforderungsprofil und das Werkstück 9 kann in der ursprünglichen Anwendung eingesetzt werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist eine Vakuumkammer mit einer Schließvorrichtung, wie sie in 3 dargestellt ist. Hierbei ist der zeitliche Ablauf wieder in den drei Teilfiguren 3a, 3b und 3c dargestellt. Im Gegensatz zur einseitig offenen Kammer besitzt diese Vorrichtung eine Verschlussvorrichtung 13.2 an der Vakuumkammer 1.2, welche ein Eindringen der umgebenden Atmosphäre bei nicht aufgesetztem Werkstück verhindert. Diese Verschlussvorrichtung kann beispielsweise in Form einer Irisblende oder eines Schiebers ausgeführt sein. Die Verschlussvorrichtung 13.2 wird von einer Dichtungsanordnung 14 umgeben, die zum Beispiel als Dichtring oder als Dichtlippe ausgeführt sein kann, welche für die Abdichtung bei aufgesetztem Werkstück 9 erforderlich ist. Auf eine gesonderte Verschlussvorrichtung an der Düse kann in diesem Fall verzichtet werden. Vor Beginn der Beschichtungsvorbereitung ist die Verschlussvorrichtung 13.2 verschlossen (Teilfigur 3a); das Werkstück 9 befindet sich nicht im direkten Kontakt mit der Vakuumkammer 1.2. Im Inneren der Kammer befindet sich ein Gas, bevorzugt vom gleichen Typ wie das verwendete Trägergas 12 aus der Gasversorgung 17 oder auch ein Vakuum. Nach Inkontaktbringen des Werkstücks 9 mit der Vakuumkammer 1.2, zum Beispiel durch Aufsetzen des Werkstücks 9 auf die Vakuumkammer 1.2 oder Aufdrücken der Vakuumkammer 1.2 auf das zu beschichtende Werkstück 9, wird die Verschlusseinheit der Beschichtungskammer 13.2 geöffnet und erneut durch die Evakuierungsvorrichtung ein Vakuum aufgebaut (Teilfigur 3b). Abhängig von den gewählten Drücken kann ab diesem Zeitpunkt in Folge der Druckdifferenzen die Vakuumkammer 1.2 ohne notwendige äußere Kräfte fest auf das Werkstück 9 gepresst sein. In einer bevorzugten Ausführung wird deshalb ab diesem Zeitpunkt keine weitere, externe Haltekraft mehr benötigt. Ein Gasspülung zum Entfernen der Restfeuchtigkeit in der Beschichtungskammer 1.2 ist bei dieser Ausführungsform explizit nicht notwendig. Natürlich kann aber bei Bedarf vor dem Aufsetzen der Verschlussvorrichtung 13.2 auf das zu beschichtende Werkstück 9 eine Reinigung stattfinden. Nach einer gegebenenfalls durchgeführten Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche des Werkstücks erfolgt die Schichtabscheidung über die Sprühbeschichtung aus dem Aerosol 5 wie in Teilfigur 3c dargestellt, analog zum Ablauf bei der einseitig offenen Vakuumkammer 1.1 (siehe Teilfigur 2c). Nach dem erfolgreichen Aufbringen der Beschichtung 6 wird die Verschlussvorrichtung der Vakuumkammer 13.2 wieder vollständig und dicht verschlossen, wobei entweder ein Vakuum in der Vakuumkammer 1.2 verbleibt oder der Druck durch Einströmen von weiterem Trägergas aus 3, jedoch ohne Aerosolbildung bzw. -transport, gezielt erhöht wird. So kann z.B. der Druck der Umgebung in der Kammer 1.2 eingestellt werden, um die wirkenden Kräfte auf die Verschlusseinheit 13.2 soweit möglich zu minimieren. Die Vakuumkammer kann nun wieder auf eine andere Stelle oder ein anderes Werkstück aufgesetzt werden, um weitere Beschichtungen nach dem beschriebenen Ablauf aufzubringen.
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Für eine gut haftende, qualitativ hochwertige Beschichtung einer Oberfläche kann es notwendig sein, dass diese Oberfläche trocken und frei von Rückständen ist. Zu Rückständen zählen beispielsweise oft vorhandene, meist poröse und leicht abzulösende Oxidationsschichten, aber auch Wasserfilme oder organische Rückstände wie Biofilme. Ebenfalls können die Überreste einer bereits vorhandenen beschädigten Beschichtung 16.2 hinderlich für die Aufbringung einer neuen Beschichtung zur Reparatur sein. Diese Rückstände müssen somit vor der Aufbringung der Beschichtung mittels der aerosolbasierten Kaltabscheidung zunächst entfernt werden. Die Konzepte hierfür werden für die Vorrichtung mit der einseitig offenen Vakuumkammer 1.1 beschrieben, sind aber auch auf die Vakuumkammer 1.2 mit Verschlussvorrichtung übertragbar.
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Eine Ausführungsform zur Rückstandsablösung ist der Beschuss mit abrasiven Partikeln, wobei der Rückstand in Form von oberflächlichen Adsorbaten und/oder zu entfernenden, defekten Beschichtungen 16.2 mit zunehmender Dauer immer weiter abgetragen wird, bis dieser schließlich vollständig entfernt ist und nun ausschließlich die defekte, aber gereinigte und mechanisch stabile Oberfläche 16.1 vorliegt (schematisch dargestellt in den Teilfiguren 4a und 4b). Hierdurch wird die Abscheidung einer qualitativ hochwertigen, gut anhaftenden Beschichtung 6 ermöglicht bzw. verbessert. Die beschriebene Reinigung kann über ein abrasives Pulver 19 bewerkstelligt werden, welches sich in einer weiteren aerosolerzeugenden Vorrichtung 3.1 befindet. Das abrasive Pulver 19 ist dabei meist grobkörniger als das Beschichtungsmaterial 11. So können hier die ebenfalls fürs Sandstrahlen verwendeten Pulver wie Sand oder harte Keramiken wie Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid eingesetzt werden. Nach der Aerosolerzeugung in 3.1 wird das abrasive Pulver 19 in einer Düse 4.3 beschleunigt, wobei entweder die bereits für die Beschichtung vorhandene Düse 4.2 oder eine weitere Düse 4.3 mit veränderter Geometrie genutzt werden kann. Die Nutzung einer zweiten Düse 4.3 bietet den Vorteil, die Fläche und Abtragsrate unabhängig von der Geometrie der für die Beschichtung genutzten Düse 4.2 optimieren zu können, indem der Aerosolstrahl geeignet auf die Oberfläche fokussiert wird. So kann beispielsweise der abrasive Aerosolstrahl unter einem spitzen Winkel auf die zu beschichtende Oberfläche geleitet werden. Die verwendete zusätzliche Düse 4.3 sollte dabei ebenfalls über eine Verschlussvorrichtung 13.1 verfügen, um das abrasive Pulvermaterial vor dem Kontakt mit der umgebenden Atmosphäre zu schützen, was aus Gründen der besseren Darstellbarkeit in Teilfigur 4a jedoch nicht dargestellt ist.
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Eine weitere Möglichkeit besteht in der direkten Verwendung des Beschichtungsmaterials zur Entfernung von Rückständen an der Werkstückoberfläche. So wird für keramische Schutzschichten häufig Aluminiumoxid als Beschichtungspulver genutzt, welches wie vorher beschrieben auch abrasive Eigenschaften besitzt. Wird das für die aerosolbasierte Kaltabscheidung nutzbare Prozessfenster der Sprühparameter verlassen, z.B. durch eine deutlich erhöhte Partikelkonzentration bzw. Partikelgeschwindigkeiten über 600 m/s, beides in Folge eines stark erhöhten Trägergasvolumenstroms für die Aerosolerzeugung, tritt anstatt der Schichtabscheidung eine mechanische Abrasion der Werkstückoberfläche auf. Für diese Ausführungsform muss deshalb eine Düse ausgelegt werden, welche sowohl für den Oberflächenabtrag als auch die eigentlichen Sprühbeschichtung geeignete Partikelgeschwindigkeiten und räumliche Partikelverteilungen des Aerosols 5 erzeugt. Vorteilhaft ist die geringere Komplexität durch den Entfall zusätzlicher Düsen bzw. weiterer aerosolerzeugender Vorrichtungen. Da die Beschichtungskammer 1.1 durch abgetragenes Material der Werkstückoberfläche und durch das eingestrahlte abrasive Pulver 19 zunehmend verschmutzt, muss dieses gegebenenfalls vor Durchführung der Beschichtung aus der Kammer ausgetragen werden. Hierzu wird die Kammer nochmals über 18 mit Gas geflutet, um partikelförmige Verunreinigungen über das Ventil 15 in die Umgebung auszutragen, bis die Fremdpartikelkonzentration in der Vakuumkammer 1.1 ausreichend klein ist. Für den Fall, dass die umgebende Atmosphäre nicht verunreinigt werden darf, muss das Auslassventil 15 mit einem zusätzlichen Partikelfilter versehen werden.
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Eine weitere Ausführungsform nutzt die Flamme eines brennbaren Gases, um die Oberfläche des Werkstücks zu reinigen (Teilfigur 4c). Hierzu wird ein brennbares Gas, z.B. eine Mischung aus Sauerstoff und Kohlenwasserstoffen wie Methan, Ethan, Ethen, Ethin oder Propan, aus der Gasversorgung 21 in die Vakuumkammer 1.1 geleitet und mit einer Düse 4.3 eingedüst und entflammt, z.B. durch eine integrierte Zündquelle, beispielsweise durch einen Heißflächenzünder aus Siliziumkarbid. Die sich ausbildende Flamme reinigt die Werkstückoberfläche 9 und trocknet diese dabei. Im Fall von metallischen oder glasartigen Werkstücken kann durch eine gezielt gewählte, erhöhte Flammentemperatur die Oberfläche lokal aufgeschmolzen werden, um diese zu glätten und damit die nachgeschaltete Schichtabscheidung zu verbessern.
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Bei Bedarf ist eine Trocknung der Werkstückoberfläche durch eine Anströmung mit einem Trocknungsgas möglich. Dies kann ein über eine separate Einrichtung zugeführtes, bevorzugt heißes und/oder sehr trockenes Gas sein. Es kann aber auch der Zuführungsweg 4.1/4.2 verwendet werden. Als Gas bietet sich ein bevorzugt heißes und/oder sehr trockenes Gas an. Besonders kostensparend ist es, wenn das Trägergas aus der Gasversorgung 17 hierzu verwendet wird. Dazu wird Gas aus der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 genutzt, ohne dass Partikel ausgetragen werden, welches aus der Düse 4.1 auf die Werkstückoberfläche strömt und diese so trocknet. Alternativ wird eine weitere Düse mit direkter Verbindung zur Gasversorgung eingesetzt. Der Trocknungsprozess kann durch eine Beheizung des Gases zusätzlich beschleunigt werden, was z.B. durch eine elektrische Widerstandsbeheizung 22 der Verbindungsleitung 4.1 (siehe Teilfigur 4c) realisiert werden kann.
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Das gesamte Beschichtungssystem benötigt für den Betrieb sowohl eine Trägergasversorgung als auch eine elektrische Versorgung für die Evakuierungsvorrichtung und optional für die Trägergasbeheizung. Dies kann entweder über die vorhandene Infrastruktur am Einsatzort erfolgen, andererseits ist auch eine autarkere Betriebsweise möglich. Letztere ermöglicht eine vollständig mobile Aufarbeitung von Werkstückoberflächen, benötigt aber explizit eine transportable Energiequelle wie beispielsweise einen Akkumulator und eine kompakte Trägergasversorgung, beispielsweise in Form einer Druckflasche oder eines Kompressors mit zusätzlicher Trocknungseinheit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vakuumkammer
- 1.1
- Einseitig offene Vakuumkammer
- 1.2
- Vakuumkammer mit Schließvorrichtung
- 2
- Evakuierungsvorrichtung
- 3
- Aerosolerzeugende Vorrichtung
- 3.1
- Aerosolerzeugende Vorrichtung für abrasive Pulver
- 4
- Düsenapparatur
- 4.1
- Verbindungsleitung
- 4.2
- Düse
- 4.3
- Düse mit Zündquelle
- 5
- Aerosol
- 6
- Abgeschiedene Schicht
- 7
- Linearbewegungsvorrichtung
- 8
- Substratträger
- 9
- Zu beschichtendes Werkstück
- 10
- Zu- bzw. Abfuhrleitung
- 11
- Beschichtungspulver
- 12
- Trägergasvolumenstrom
- 13.1
- Schließvorrichtung an Düse
- 13.2
- Schließvorrichtung an Vakuumkammer
- 14
- Dichtungsanordnung
- 15
- Aus- bzw. Einlassventil
- 16
- Intakte Werkstückoberfläche
- 16.1
- Defekte Stelle der Oberfläche
- 16.2
- Beschädigte Beschichtung
- 17
- Gasversorgung mit Durchflussregelung
- 18
- Gasanschluss zur Kammerspülung
- 19
- Abrasives Pulver
- 20
- Flamme oder trockener Gasstrahl
- 21
- Gasversorgung mit brennbarem Gasgemisch
- 22
- Gasbeheizung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7553376 B2 [0007]
- DE 102015012425 [0008]
