-
Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsanlage zur Beschichtung eines flächigen Gegenstands sowie ein Verfahren zum Beschichten eines flächigen Gegenstands.
-
Für die Beschichtung von flächigen Gegenständen, beispielsweise Bändern, insbesondere metallischen Bändern wie beispielsweise Stahlband, sind Verfahren basierend auf dem Prinzip der sogenannten Gasphasenabscheidung bekannt. Die Gasphasenabscheidung beruht auf dem Prinzip, eine Oberfläche des flächigen Gegenstands, bei welchem es sich beispielsweise um ein Stahlband oder eine Glasscheibe handeln kann, mittels Abscheidung aus in Gasphase vorliegendem Material zu beschichten. Hierzu wird zunächst das Material als Ausgangsmaterial bereitgestellt. Das Ausgangsmaterial wird sodann in eine Gasphase gebracht. Die in Gasphase vorliegenden Bestandteile des Materials, insbesondere Atome und/oder Ionen, setzen sich auf der zu beschichtenden Fläche ab und bilden dadurch eine Beschichtung.
-
Bekannte Verfahren der Gasphasenabscheidung sind die sogenannte chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD), die physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, PVD) und das sogenannte Lichtbogenverdampfen (arc evaporation). Die genannten Verfahren unterscheiden sich insbesondere in den Mechanismen, mit welchen die Gasphase herbeigeführt wird.
-
Vorteil der Gasphasenabscheidung ist, dass mit guter Wirtschaftlichkeit Beschichtungen hergestellt werden können, deren Eigenschaften in hohem Maße und in weiten Eigenschaftsfenstern gezielt beeinflusst werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Gasphasenabscheidung zur Herstellung von Beschichtungen unterschiedlicher Materialien eignet. Die Gasphasenabscheidung eignet sich beispielsweise auch für die Herstellung von Beschichtungen, welche ein hochschmelzendes Material aufweist. Die Gasphasenabscheidung ermöglicht darüber hinaus auch Beschichtungen, in denen das Material in metastabiler Phase vorliegt und dadurch bestimmte Eigenschaften, beispielsweise mechanische oder optische Eigenschaften, aufweist, die in einem stabilen Phasenzustand nicht vorliegen.
-
Eine in jüngerer Vergangenheit entwickelte Variante der physikalischen Gasphasenabscheidung ist dem Fachmann unter dem Namen jet vapour deposition, abgekürzt: JVD, bekannt. Die jet vapour deposition beruht auf dem Prinzip, das Ausgangsmaterial in einem Verdampfungsabschnitt einer Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung des Materials, beispielsweise in einem als Tiegel ausgebildeten Verdampfer, zu verdampfen und das sodann in Gasphase vorliegende Material mit vergleichsweise hohem Druck durch einen Düsenabschnitt hindurch gezielt in Richtung der zu bedampfenden Fläche zu führen. Die zu bedampfende Fläche wird dazu oft in eine Atmosphäre gebracht, die gegenüber der im Verdampfungsabschnitt vorherrschenden Atmosphäre einen Unterdruck aufweist. Der Unterdruck ist in vielen Fällen ein Vakuum mit beispielsweise zwischen 0,1 mbar und 20 mbar, bevorzugt weniger als 1 mbar Restgasdruck. Das Verfahren der JVD entfaltet seine Vorteile insbesondere bei der großflächigen Beschichtung von flächigen Gegenständen, insbesondere auch von metallischem Band wie vor allem Stahlband. Ein Vorteil der JVD ist, dass aufgrund des vergleichsweise hohen Drucks, mit welchem das in Gasphase vorliegende Material zu der zu bedampfenden Fläche gerichtet wird, eine Beschichtung bei hohen Bandgeschwindigkeiten und folglich mit guter Wirtschaftlichkeit möglich ist.
-
Aus der
WO 2016/042079 A1 geht eine Vorrichtung hervor, mit welcher ein Ausgangsmaterial in die Gasphase gebracht werden kann, damit es sich sodann auf einer zu bedampfenden Oberfläche ablegen kann. Das zur Ausbildung der jeweiligen Beschichtung eingesetzte Material liegt beispielsweise draht- oder bandförmig vor. Das Ausgangsmaterial wird in einem Vorverdampfungsabschnitt, der einem Verdampfungsabschnitt vorgelagert ist, in den Einflussbereich eines elektrischen Lichtbogens gebracht, wobei bevorzugt zwei Drähte oder zwei Bänder des Ausgangsmaterials vorliegen, von denen eines als Kathode und eines als Anode mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle geschaltet wird und mit der Gleichspannungsquelle eine zur Bildung eines Lichtbogens ausreichende Spannung eingestellt wird. Das mittels der Energie des Lichtbogens geschmolzene und/oder verdampfte Material strömt mittels eines Gasstroms eines Gases oder Gasgemischs in den Verdampfungsabschnitt hinein, der als Kammer ausgebildet ist, deren Wandungen eine Temperatur aufweisen, die oberhalb der Verdampfungstemperatur der elementaren Bestandteile des für die Beschichtung eingesetzten Materials liegt. In der Kammer verdampfen die Bestandteile des Materials vollständig und treten sodann durch eine an der Kammer vorhandene Öffnung in einen Düsenabschnitt und werden durch diesen in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche geleitet. Die Bestandteile des Materials treffen auf die zu beschichtende Oberfläche und bilden dort eine Beschichtung aus.
-
Sowohl die eingangs beschriebene JVD, als auch die in der
WO 2016/042 079 A1 beschriebene beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material sind zwei Vertreter für eine Gasphasenabscheidung, bei welcher das Ausgangsmaterial in einem Verdampfungsabschnitt, im Falle der
WO 2016/042 079 A1 zusätzlich mit einem vorgelagerten Vorverdampfungsabschnitt zum Lichtbogenverdampfen, mittels Verdampfens in seine Gasphase gebracht wird und sodann durch einen Düsenabschnitt zu der zu beschichtenden Fläche hingeleitet wird. Die Bewegung der in Gasphase vorliegenden Teilchen, insbesondere Atome und/oder Ionen, wird zumindest im Wesentlichen, bevorzugt vollständig, herbeigeführt durch den Druckunterschied zwischen Verdampfungsabschnitt und dem Raum, beispielsweise einer Vakuumkammer, in welchem der zu beschichtende flächige Gegenstand sich befindet oder durch welche dieser hindurchgeführt wird.
-
Bei der Beschichtung von flächigen Gegenständen mit einer Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material unter Nutzung einer Verdampfung liegt eine Herausforderung darin, eine in Querrichtung des flächigen Gegenstands, beispielsweise entlang einer gesamten Bandbreite, gute Homogenität der Schichtdicke der Beschichtungen zu erhalten. Zusätzlich ist wünschenswert, die gute Homogenität der Schichtdickenverteilung entlang einer gesamten Erstreckung in Querrichtung bereitstellen zu können.
-
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Beschichtungsanlage zur Beschichtung eines flächigen Gegenstands mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zum Beschichten eines flächigen Gegenstands mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
-
Eine erfindungsgemäße Beschichtungsanlage dient dem Zweck, einen flächigen Gegenstand beschichten zu können. Als flächiger Gegenstand kann insbesondere ein Band vorgesehen sein, bevorzugt ein metallisches Band wie beispielsweise ein Stahlband. Die Beschichtung erfolgt mit einem in Gasphase vorliegenden Material, insbesondere basierend auf einem der eingangs beschriebenen Mechanismen.
-
Die Beschichtungsanlage weist eine Vakuumkammer auf, durch welche der zu beschichtende flächige Gegenstand hindurch führbar ist.
-
Die Beschichtungsanlage weist außerdem eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung des Materials auf. Die Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung umfasst insbesondere einen Verdampfungsabschnitt und einen Düsenabschnitt.
-
Der Verdampfungsabschnitt ist beispielsweise als Verdampfungstiegel ausgeführt, bevorzugt mit einem zylindrisch geformten, insbesondere kreiszylindrisch geformten, Abschnitt. Der Verdampfungsabschnitt besteht bevorzugt teilweise oder vollständig aus Grafit oder CFC (Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff). Ein Bodenabschnitt und/oder eine Wandung, bevorzugt alle Wandungen, des Verdampfungsabschnittes sind erhitzbar ausgeführt, beispielsweise mittels Heizspulen, um den Verdampfungsabschnitt auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Ausgangsmaterials zu erhitzen.
-
Im Rahmen der gesamten Beschreibung werden die Begriffe der Gasphase und des Verdampfens verwendet, da sie im Bereich der beschriebenen Technologie üblich sind. Der Begriff der Gasphase umfasst dabei, dass ein geringer Gewichtsanteil, beispielsweise bis zu 30 Gew.-%, bevorzugt nicht mehr als 10 Gew.-%, des in Gasphase vorliegenden Materials nicht in Gasphase im physikalischen Sinne, sondern stattdessen als Aerosol und/oder als Cluster vorliegen kann. Der Begriff des Verdampfens umfasst, dass je nach verwendetem Material und nach verwendeter Technologie der Übergang der Teilchen in die Gasphase zumindest teilweise auch mittels anderer Mechanismen erfolgt, beispielsweise durch Sublimation. Der Begriff des Verdampfens umfasst somit zusätzlich zu einem Verdampfen im streng physikalischen Sinne, also einem Übergang „flüssig -> Gasphase“, auch weiter Mechanismen, wie insbesondere die Sublimation.
-
Der Düsenabschnitt ist mittelbar oder unmittelbar mit dem Verdampfungsabschnitt gekoppelt. Der Düsenabschnitt weist eine Düse auf, welche innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist und eine Öffnung umfasst, aus welchem die Bestandteile des in Gasphase vorliegenden Materials aus der Düse austreten können. Der Düsenausgang ist in der Beschichtungsanlage derart orientiert, dass aus dem Düsenausgang austretende Gasphasenteilchen zu dem Ort gerichtet werden, an welchem sich die zu beschichtende Oberfläche, also der flächige Gegenstand, befindet. Der flächige Gegenstand wird durch die Vakuumkammer durchgeführt, so dass die zu beschichtende Oberfläche des flächigen Gegenstands mit kontinuierlich auf der Oberfläche auftreffendem und dort sich absetzenden, kondensierenden, Material beschichtet wird.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Düse drehbar gelagert ist. Die drehbare Lagerung dient der Veränderung der Orientierung des Düsenausgangs relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche. Dadurch, dass die Düse drehbar gelagert ist und die Orientierung des Düsenausgangs relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche veränderlich ist, ist die Art und Weise, wie das in Gasphase vorliegende Material auf die Oberfläche des flächigen Gegenstands gerichtet ist, gezielt beeinflussbar beziehungsweise einstellbar. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, in welcher der Düsenabschnitt drehbar an dem Verdampfungsabschnitt anliegend gelagert ist, dass also der Verdampfungsabschnitt als Gleitlager für den Düsenabschnitt fungiert. Bei einer solchen Ausführung entfaltet insbesondere ein teilweise oder vollständig aus Grafit und/oder CFD hergestellter Verdampfungsabschnitt den Vorteil, dass Kohlenstoff als natürlicher Schmierstoff fungiert. Alternativ oder zusätzlich kann, unabhängig von dem Material, aus dem der Verdampfungsabschnitt besteht, Grafit in Pulver- und/oder Pastenform als Gleitmittel verwendet werden und hierfür zwischen die aneinanderliegenden und aufeinander gleitenden Flächen von Verdampfungsabschnitt und Düsenabschnitt eingebracht sein.
-
Der Düsenausgang kann beispielsweise als Schlitz ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist, dass der Düsenausgang in einer Ebene liegt, welche parallel zu der zu beschichtenden Oberfläche liegt zumindest in dem Abschnitt, in welchem die Beschichtung stattfindet, wobei besonders bevorzugt die Düse eine Stellung annehmen kann, in welcher der Schlitz senkrecht zu einer Bewegungsrichtung, auch als Transportrichtung, der zu beschichtenden Oberfläche liegt und um diese herum mit einer Drehachse drehbar ist, welche senkrecht zu der zu beschichtenden Oberfläche liegt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Länge der schlitzartig ausgebildeten Düse derart gewählt ist, dass bei einem Winkel α von 90 Grad zwischen Transportrichtung und schlitzartig ausgebildeter Düse eine Breite des flächigen Gegenstands, beispielsweise eine Brandbreite, vollständig abgedeckt wird für diejenigen Bänder, welche die Maximalbreite aufweisen, zu deren Durchführung die Vakuumkammer ausgebildet ist. Mit Einstellen des Winkels α kann sodann die effektive Beschichtungsbreite senkrecht zu der Bandlaufrichtung mit dem Faktor sin (α) verändert werden. Eine derart vorgesehene Vorrichtung ist insbesondere dafür geeignet, bei einer vorgesehenen Beschichtung von flächigen Gegenständen, insbesondere Bändern, mit einer Bandbreite, welche kleiner als die Längserstreckung eines schlitzartigen Düsenausgangs ist, mit hoher Effizienz zu ermöglichen, sodass kein oder kein ein toleriertes Maß überschreitender Anteil des in Gasphase vorliegenden Materials an den beiden Bandkanten vorbei sich innerhalb der Vakuumkammer ablegt, ohne für die Beschichtung der Oberfläche zur Verfügung zu stehen.
-
Durch das Vorsehen der drehbaren Düse werden somit insbesondere zwei Vorteile erreicht: zum einen wird das vorhandene Ausgangsmaterial möglichst effizient genutzt und eingesetzt; zum anderen wird eine Verschmutzung der Vakuumkammer bei Beschichtung von schmaleren Bändern vermieden. Allgemeiner ausgedrückt wird mit der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage und ihren Weiterbildungen erreicht, dass eine hohe Flexibilität vorliegt hinsichtlich der möglichen Breite einer zu beschichtenden Oberfläche senkrecht zu ihrer Transportrichtung, ohne dass die Wirtschaftlichkeit und die Effizienz beeinträchtigt würden.
-
In einer bevorzugten Ausführung ist der zu beschichtende Gegenstand ein Band, insbesondere metallisches Band beispielsweise aus Stahl, und die Beschichtungsanlage weist für den Transport des Bands eine Bandtransportvorrichtung auf, bevorzugt umfassend eine erste Transportrollenvorrichtung am ersten Ende der Vakuumkammer und eine zweite Transportrollenvorrichtung am zweiten Ende der Vakuumkammer, wobei das Band zwischen dem ersten und dem zweiten Ende durch die Vakuumkammer hindurch an der Düse vorbei transportiert wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Band im Bereich des Düsenaustritts in einem beheizten Kanal geführt, um das Gas zwischen Düsenaustritt und Abscheidung am Band an einer zu hohen Abkühlung und daraus resultierender frühzeitigen Kondensation zu hindern.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Düse derart gelagert, dass bei einem Drehen der Düse der Düsenausgang in einer zu der Oberfläche parallelen Ebene eine Drehbewegung vollzieht. Durch eine parallel zu der Oberfläche vollzogene Drehung - das bedeutet: der Düsenausgang beschreibt beim Drehen eine Fläche, welche in einer zu der beschichtenden Oberfläche parallelen Ebene liegt - wird gewährleistet, dass unabhängig von dem Drehwinkel, mit welchem die Düse gegenüber der Transportrichtung gedreht ist, eine homogene Beschichtung der zu beschichtenden Oberfläche in Querrichtung - das heißt: in zur Transportrichtung senkrechten Richtung - gewährleistet ist.
-
Besonders bevorzugt ist, dass eine Drehachse zum Drehen der Düse senkrecht zu der Oberfläche orientiert ist, was durch entsprechende Positionierung der Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung innerhalb der Vakuumkammer unter Berücksichtigung der Beförderung des flächigen Gegenstands stets von dem zur Ausführung der vorliegenden Entwicklung beauftragten Fachmann mit üblichen konstruktiven Maßnahmen umsetzbar ist.
-
Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, in der ein innerhalb der Düse befindlicher Düsenausgang derart geformt ist, dass das aus dem Düsenausgang austretende in Gasphase befindliche Material in Richtung der Drehachse aus der Düse austritt, das heißt, dass beispielsweise dann, wenn die Drehachse senkrecht zu der zu beschichtenden Oberfläche orientiert ist, das in Gasphase befindliche Material in zur zu beschichtenden Oberfläche senkrechter Richtung auf der Oberfläche auftrifft. Ganz besonders bevorzugt ist außerdem, wenn zusätzlich der Düsenausgang derart geformt ist, dass die Hauptaustrittsrichtung des in Gasphase befindlichen Materials senkrecht durch die vom Düsenausgang beschriebene Fläche durchtritt.
-
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Beschichtungsanlage weist die Düse einen zylindrischen, bevorzugt kreiszylindrischen, Außenformabschnitt auf, wobei der Außenformabschnitt in einen Zahnkranz eingepasst ist oder einen Zahnkranz aufweist. Der Zahnkranz ist mit einem in den Zahnkranz eingreifenden antreibbaren Gegenelement in Eingriff derart, dass die Düse mittels Antreibens des Gegenelements gedreht wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem Gegenelement um ein Ritzel, das mit einer Welle gekoppelt ist. Vorzugsweise wird die Welle durch ein geeignetes Dichtungselement bekannter Bauart aus der Vakuumkammer herausgeführt. Die Welle ist mit einem Drehantrieb gekoppelt zum Drehen der Welle und durch dieses herbeigeführte Drehen der Düse. Mit anderen Worten kann vom Äußeren der Vakuumkammer aus durch die in die Vakuumkammer hineingeführte Welle über den mit dem Ritzel in Eingriff stehenden Zahnkranz die Düse und damit insbesondere der Düsenausgang gedreht werden. In besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Welle, welche das Ritzel aufweist, und die Drehachse der Düse parallel zueinander orientiert, was mit dem Vorteil einer potentiell konstruktiven Umsetzung der Beschichtungsanlage einhergeht. Besonders bevorzugt sind sowohl Ritzel als auch Zahnkranz mit einer Geradverzahnung versehen, was eine besonders gut umsetzbare und mechanisch robuste Ausführung zur Folge hat.
-
Die Düse und der Zahnkranz sind in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem zwischen dem Außenformabschnitt der Düse und dem Zahnkranz angeordneten thermischen Isolationsmittel voneinander thermisch getrennt ausgebildet. Dadurch wird gewährleistet, dass der Zahnkranz sowie das in den Zahnkranz eingreifende antreibbare Gegenelement, wie auch gegebenenfalls vorhandene mit diesem gekoppelte weitere Elemente wie beispielsweise die oben erwähnte aus der Vakuumkammer herausführende Welle, davor geschützt werden, ihre strukturelle Integrität aufgrund hoher Temperaturen vorzeitig zu verlieren. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund vorteilhaft, dass der Verdampfungsabschnitt, welcher mit der Düse in mittelbarer oder unmittelbarer Berührung ist, für das Verdampfen des Materials erhitzt ist, wobei die zu verwendenden Temperaturen in Abhängigkeit von dem zu verdampfenden Material entsprechend derer Verdampfungstemperatur sehr hohe Werte annehmen können.
-
Das thermische Isolationsmittel ist bevorzugt als Isolatorring ausgebildet.- Besonders bevorzugt weist der Isolatorring ein keramisches Material auf oder er besteht aus einem keramischen Material. Ein Beispiel für ein mögliches keramisches Material ist Aluminiumoxid (Al203). Die Nutzung eines keramischen Materials hat den Vorteil, dass es eine hohe Beständigkeit gegen chemische Degradation aufweist und zudem die thermische Leitfähigkeit nur gering ist.
-
In einer alternativen Ausführungsform ist das Gegenelement als Schneckenwelle ausgeführt, die mit einer aus der Vakuumkammer herausführenden Welle gekoppelt ist. Die Welle ist mit einem Drehantrieb gekoppelt, mit welchem die Welle drehbar ausgeführt ist, wobei das Drehen der Welle das Drehen der Düse herbeiführt. Die Welle ist bevorzugt senkrecht zu der Drehachse der Düse orientiert, bevorzugt zusätzlich tangential zu dem Zahnkranz, wobei der Zahnkranz in zur Schneckenwelle komplementärer Weise verzahnt ist, also in Schrägverzahnung. Die Welle weist bevorzugt eine Kühlmitteldurchführung auf, durch welche Kühlmittel durchführbar ist zum Kühlen der Welle. In dieser Ausführungsform ist, im Gegensatz zu der oben erläuterten Ausführungsform, nicht die Isolation des Zahnkranzes von dem Verdampfungsabschnitt mittels Isolationsmittel vorgesehen, stattdessen wird die direkte Kühlung von Welle, bevorzugt auch der Schneckenwelle, durch Durchführen eines Kühlmittels durch die innerhalb der Welle angeordnete Kühlmitteldurchführung vorgesehen, die bevorzugt Bestandteil eines Kühlmittelkreislaufs ist.
-
Besonders bevorzugt weist die Welle ein Kopplungsmittel auf, beispielsweise ein Kardangelenk, mit welchem die Welle mit einem transversalen Bewegungsfreiheitsgrad versehen ist. Die Welle ist mittels eines Kopplungsstücks und einem mit diesem gekoppelten Transversalantriebsmittel aus dem Eingriff mit dem Zahnkranz weg und wieder zu dem Eingriff mit dem Zahnkranz hin bewegbar, wobei der Bewegungsfreiheitsgrad bevorzugt senkrecht zur Drehachse der Düse orientiert ist. Durch das Vorsehen einer Beweglichkeit der Schneckenwelle von dem Zahnkranz weg und zu diesem hin wird erreicht, dass eine thermische Belastung der Schneckenwelle und der Welle durch Reduzierung der Kontaktzeit reduziert werden kann auf Zeiträume, in welchen der Kontakt für das Herstellen einer Drehbewegung der Düse auch tatsächlich erforderlich ist; in anderen Zeiträumen kann die thermische Belastung der Schneckenwelle und der Welle durch das Wegführen der Schneckenwelle, das bedeutet, das Außereingriffbringen von Schneckenwelle und Zahnkranz, reduziert werden. In einem Spezialfall ist vorgesehen, dass die Welle mit der Schneckenwelle sowohl die im vorvorhergehenden Absatz beschriebene Kühlmitteldurchführung als auch der im vorhergehenden Absatz beschriebene Bewegungsfreiheitsgrad in senkrecht zur Drehachse der Düse orientierte Richtung aufweist und zudem explizit kein thermisches Isolationsmittel zwischen Zahnkranz und Außenformabschnitt aufweist, das heißt: infolge der Möglichkeit, die Zeiträume der thermischen Belastung der Schneckenwelle und der diese antreibenden Achse zu minimieren wird der zusätzliche Vorteil erreicht, auf ein thermisches Isolationsmittel verzichten zu können. In einer besonders speziellen Ausführung ist der Zahnkranz einstückiger Bestandteil des Außenformabschnitts.
-
Besonders bevorzugt ist zusätzlich die Drehachse in eine senkrecht zur Drehachse weisende Richtung bewegbar. Alternativ oder zusätzlich ist der Düsenausgang in Exzentrizität zur Drehachse einstellbar, das heißt: der Düseneingang und/oder die Drehachse können derart eingestellt werden, dass die Drehachse nicht an einem Symmetriepunkt des Düsenausgangs ist. Am Beispiel eines schlitzförmigen Düsenausgangs bedeutet dies, beispielsweise, dass die Drehachse zwar bevorzugt den Düsenausgang schneidet, diesen aber in zwei Längsabschnitte des Düsenausgangs teilt, die eine unterschiedliche Länge haben. Für das Einstellen des Düsenausgangs kann beispielsweise eine Schiebeklappe vorgesehen sein für das teilweise Verschließen des Düsenausgangs von einem Ende her, wodurch erreicht wird, dass der Düsenausgang an einer Seite der Drehachse kürzer ist als an der anderen Seite, dass also die Drehachse exzentrisch zu dem resultierenden Düsenausgang ist. In einem solchen Fall kann eine Anpassung der Beschichtung durch Drehen der Welle und dadurch erfolgendes Einstellen des auf die zu beschichtende Oberfläche projizierten Längserstreckung der Drehachse noch flexibler eingestellt werden und dadurch auch eine flexible Wahl von zu beschichtenden flächigen Gegenständen, insbesondere Bändern, gewährleistet werden. Alternativ kann auch eine spezielle Ausführung vorliegen, in der zwar der Außenformabschnitt zumindest im den Zahnkranz aufweisenden Abschnitt kreiszylindrisch ist mit einer Drehachse in der Zentralachse des Zahnkranzes, hierüber hinaus jedoch die Drehachse exzentrisch zum Düsenausgang positioniert ist.
-
In einer bevorzugten speziellen Variante ist die Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material eine Jet-Vapour-Deposition-Anlage, wobei bevorzugt der Verdampfungsabschnitt als Tiegel ausgebildet ist. Unter dem Begriff der Jet-Vapour-Deposition-Anlage versteht der Fachmann eine Anlage, in welcher das Beschichtungsmaterial thermisch in Gasphase gebracht wird und es sodann, typischerweise mit einem Trägergasstrom aus Inertgas, zu dem Substrat transportiert wird, bevorzugt mit einer Gasstromgeschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit, besonders bevorzugt oberhalb 500 m/s. Die Funktionsweise geht beispielsweise aus dem Übersichtsartikel im Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings (Third Edition), Science, Applications and Technology, 2010, Seiten 881-901, https://doi.org/10.1016/B978-0-8155-2031-3.00018-1 (verlinkt am Anmeldetag) hervor. Die vorliegende Erfindung ist mit derartigen Jet-Vapour-Deposition-Anlagen umsetzbar.
-
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist dem Verdampfungsabschnitt ein Vorverdampfungsabschnitt vorgeschaltet, der insbesondere einen Spritzkopf aufweist inklusive einer Trägergasstromzufuhr zu dem Spritzkopf sowie ein Injektorrohr von dem Spritzkopf zu dem Verdampfungsabschnitt hin. Dem Spritzkopf wird das Ausgangsmaterial zugeführt, bevorzugt in Draht- oder in Bandform. In dem Spritzkopf wird das Ausgangsmaterial aufbereitet, das bedeutet, es werden Bestandteile des Ausgangsmaterials verdampft und/oder als in Flüssigphase vorliegende Partikel vom Ausgangsmaterial getrennt, bevorzugt mittels einem Lichtbogenverdampfen zwischen als Kathode geschaltetem Ausgangsmaterial und als Anode geschaltetem Ausgangsmaterial. Das aufbereitete Ausgangsmaterial liegt nicht vollständig in Gasphase vor, aber besteht aus einem Gemisch insbesondere aus Gasphase und flüssigen oder teilflüssigen Partikeln, das zur Führung durch den Verdampfungsabschnitt geeignet ist, um dort nachverdampft zu werden, das heißt: durch dort stattfindende Erwärmung vollständig oder weitgehend vollständig in die Gasphase überzugehen.
-
Der Verdampfungsabschnitt ist bevorzugt als Tiegel ausgebildet. Der Verdampfungsabschnitt ist erwärmt, um das aufbereitete Ausgangsmaterial in Gasphase zu überführen. Die Temperatur, auf welche der Verdampfungsabschnitt erwärmt wird, richtet sich nach dem Beschichtungsmaterial, sie muss in der Regel höher sein als die Verdampfungstemperatur des aufbereiteten Ausgangsmaterials. Der Verdampfungsabschnitt ist bevorzugt ein als Zyklon ausgebildeter Tiegel ausgebildet, da eine Zyklonform eine platzsparende Ausgestaltung ist, die eine effiziente Führung des Gasstroms durch den Tiegel erlaubt. Ein weiterer Vorteil eines in Zyklonform ausgebildeten Tiegels ist dessen hohe Zuverlässigkeit in der nahezu vollständigen Verdampfung des durchströmenden Materials, wodurch eine hohe Qualität der abgeschiedenen Beschichtung gewährleistet wird, ein Beschuss des Bands mit noch in Flüssigphase vorliegendem Beschichtungsmaterial bei sachgemäßer Anwendung nahezu ausgeschlossen werden kann.
-
Ein weiterer Gedanke betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines flächigen Gegenstands mit einem in Gasphase vorliegenden Material. Zum Beschichten wird die Beschichtungsanlage der eingangs genannten Art oder einer ihrer Weiterbildungen verwendet. Eine Längserstreckung der Düse, welche beispielsweise als Schlitz ausgebildet ist, ist größer als die Breite des flächigen Gegenstands in seiner Querrichtung (Querrichtung: Zur Laufrichtung, beispielsweise Bandlaufrichtung, senkrechte Richtung auf der Oberfläche). Die Orientierung der Düse relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche wird mittels Drehens der Düse derart verändert, dass sowohl die gesamte Breitenerstreckung der zu beschichtenden Oberfläche mit aus dem Düsenausgang austretendem Material beschichtet wird als auch zumindest an einer Kante, bevorzugt an beiden Kanten, an der Oberfläche vorbei gerichtetes Material einen tolerierten Maximalüberstand nicht überschreitet.
-
Analog zu den obigen Erläuterungen kann gemäß einer Variante vorgesehen sein, dass ein Außenformabschnitt der Düse zumindest im einen Zahnkranz aufweisenden Abschnitt kreiszylindrisch ist mit einer Drehachse in der Zentralachse des Zahnkranzes, wobei hierüber hinaus jedoch die Drehachse exzentrisch zum Düsenausgang positioniert ist.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens weist die Düse eine Längserstreckung der Düse von D0 auf, wobei die Längserstreckung derart um einen Drehwinkel α` = α*k zu der Transportrichtung des flächigen Gegenstands gedreht wird, dass sin(α')*D0 einer Beaufschlagung des flächigen Gegenstands in seiner gesamten Breite entspricht. Der Faktor k ist ein empirisch bestimmter Korrekturfaktor, der bevorzugt einen Wert zwischen 0,75 und 1,25 einnimmt. Die erläuterte Vorgehensweise umfasst zum einen die Idee, dass die Düse eine Längserstreckung aufweist, wobei die Längserstreckung bei einem Drehwinkel von α = 90 Grad senkrecht zu der Transportrichtung des Bands orientiert ist, bevorzugt außerdem die Düsenöffnung in einer zur Bandoberfläche parallelen Ebene liegt. Bei einem idealisierten Modell würde ein Drehen der Düse um einen Drehwinkel α ausgehend von 90 Grad Orientierung zu einer Verkleinerung der Breitenerstreckung der Beschichtung auf dem flächigen Gegenstand führen, es wird bei dem Beispiel eines Bands also nur ein Band mit geringerer Breite in seiner gesamten Breitenerstreckung vollständig beschichtet. Anders betrachtet kann durch diese Vorgehensweise ein Band mit geringerer Breite mit gleichermaßen hoher Effizienz beschichtet werden, da der Anteil des aus der Düsenöffnung austretenden in Gasphase vorliegenden Materials, der an den Bandkanten vorbei im Inneren der Vakuumkammer sich verteilt, gering gehalten werden kann. Der Faktor k trägt dem Umstand Rechnung, dass die im realen Beschichtungsszenario vorherrschenden Verhältnisse eine maximale Beschichtungsbreite in Quererstreckung des zu beschichtenden Gegenstands erfahrungsgemäß nicht mit dem oben genannten Winkel α = 90 Grad erreichten, sondern stattdessen je nach konkreten Umständen im Einzelfall eine Abweichung vorliegt, die empirisch zu korrigieren ist. Die erläuterte spezielle Ausführung der Erfindung umfasst also insbesondere den konkreten Schritt, dass ein empirisch bestimmter Korrekturfaktor vorliegt und verwendet wird.
-
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist weiterhin vorgesehen, dass die Orientierung der Düse außerdem mittels
- - Bewegens der Drehachse in eine senkrecht zur Drehachse weisende Richtung oder
- - mittels Einstellens einer Exzentrizität des Düsenausgangs zur Drehachse
verändert wird. Die Veränderung erfolgt derart, dass zumindest an einer Kante, bevorzugt an beiden Kanten, an der Oberfläche vorbei gerichtetes Material einen tolerierten Maximalüberstand nicht überschreitet. Mit anderen Worten wird zusätzlich zu der auf der Oberfläche des flächigen Gegenstands mit Material beaufschlagten Quererstreckung im Sinne des Betrags der beaufschlagten Quererstreckung auch dessen Position durch Veränderung der Position der Düse in senkrecht zur Transportrichtung des flächigen Gegenstands, beispielsweise Bands, berücksichtigbar.
-
Besonders bevorzugt wird die Drehachse derart zu der Düse angeordnet, dass die Drehachse die Düse in ihrer Längserstreckung D0 derart in zwei Abschnitte D1 und D2 mit D0 = D1 + D2 unterteilt, dass D1/D2 = Delta1/Delta2 ist, wobei Deltal eine Breitenverringerung des flächigen Gegenstands auf einer ersten Seite der Drehachse und Delta2 eine Breitenverringerung des flächigen Gegenstands auf einer zweiten Seite der Drehachse ist, insbesondere eine Breitenverringerung mit Bezug zu einer Symmetrieachse der zum Transport des flächigen Gegenstands genutzten Transporteinrichtung. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Veränderung der Orientierung der drehbaren Düse nicht nur auf eine Veränderung von Quererstreckungen eines flächigen Gegenstands hin eingestellt werden kann, die symmetrisch zu der Drehachse des flächigen Gegenstands an beiden Kanten des flächigen Gegenstands vorgesehen werden; sondern es kann zusätzlich auch eine Einstellung der Orientierung der drehbaren Düse zur Berücksichtigung von asymmetrisch ausgeführten Veränderungen in der Quererstreckung vorgenommen werden.
-
Besonders bevorzugt ist, dass der flächige Gegenstand eine in Längsrichtung sich verändernde Breite aufweist. Beispielsweise kann der flächige Gegenstand ein Metallband, insbesondere Stahlband, sein, das eine in Abhängigkeit von seiner Längsposition veränderliche Quererstreckung aufweist. Gemäß bevorzugter Verfahrensvariante wird ein derartiger flächiger Gegenstand beschichtet, wobei während des Beschichtens kontinuierlich die Orientierung des Düsenausgangs relativ zu der beschichtenden Oberfläche eingestellt wird, sodass die Orientierung der Düse jeweils auf die gegenwärtig zu beschichtende Längsposition des flächigen Gegenstands eingestellt ist. Die kontinuierliche Einstellung kann dabei entweder auf einer in-situ-Messung einer Breitenerstreckung während des Beschichtungsvorgangs basieren, die beispielsweise mittels optischer Längenerfassung durchgeführt wird, oder aber bei bekannter Abhängigkeit der Quererstreckung eines flächigen Gegenstands von seiner Längsposition basierend auf einer zeitabhängigen Steuerung einer Düsendrehung während des Beschichtungsprozesses durchgeführt werden.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen, in denen beispielhaft Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten wie auch nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind.
-
Es zeigen:
- 1a, 1b: schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage;
- 2: schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer drehbar gelagerten Düse;
- 3: schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer drehbar gelagerten Düse.
- 4: Darstellung einer Zn-Auflagendicke in Querrichtung eines Bands.
-
1a ist eine Beschichtungsanlage 1 zu entnehmen, welche zur Beschichtung eines als Metallband 2 ausgebildeten flächigen Gegenstands 2 ausgestaltet ist. Die Beschichtungsanlage 1 ist als Bandbeschichtungsanlage ausgeführt und umfasst aus diesem Grund eine Vorrichtung zum Transportieren des Bands, wie sie im Bereich der Herstellung und Beschichtung von Metallbändern, insbesondere Stahlbändern, bekannt ist. Der Bandtransport erfolgt bei der gezeigten Ausführungsform mittels Transportrollen 3a, 3b. Das Band wird in eine Vakuumkammer 4 eingeführt und durch die Vakuumkammer hindurchgeführt, in welcher ein Vakuum vorliegt beispielsweise mit einem Druck zwischen 0,1 mbar und 20 mbar.
-
Das Band wird entlang einer Transportrichtung 5 durch die Vakuumkammer hindurch- und an einer Vorrichtung 6 zur Gasphasenabscheidung des Materials vorbeigeführt, die in der vorliegenden Ausführungsform als hinsichtlich ihrer grundsätzlichen Funktionsweise dem Fachmann bekannte Jet-PVD-Vorrichtung 6 ausgebildet ist. Mit der Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung wird ein in Gasphase vorliegendes Material auf die Oberfläche des Metallbands gerichtet, um dort durch Kondensation eine Beschichtung zu bilden. Die Vorrichtung 6 weist einen Verdampfungsabschnitt 7 zum Verdampfen des Materials in die Gasphase hinein und einen mit dem Verdampfungsabschnitt 7 gekoppelten Düsenabschnitt 8 auf. Der Düsenabschnitt 8 umfasst insbesondere eine innerhalb der Vakuumkammer 4 angeordnete Düse 9 mit einem Düsenausgang, welcher zu der zu beschichtenden Oberfläche des Bands hin gerichtet ist, um aus dem Düsenausgang austretendes, in Gasphase vorliegendes, Material zu der Oberfläche hin zu führen, damit dieses dort kondensieren und dadurch eine Beschichtung bilden kann. Die Düse 8 ist drehbar gelagert und mit dem Verdampfungsabschnitt 7 gekoppelt. In der schematischen Darstellung reicht der Verdampfungsabschnitt 7 teilweise ebenfalls in die Vakuumkammer 4 hinein, wobei dies weder zwingend noch erforderlich ist und vom mit der Umsetzung der Erfindung betrauten Fachmann anforderungsgemäß ausgeführt werden kann. Wesentlich ist jedoch, dass die Düse 9 mit dem Düsenausgang innerhalb der Vakuumkammer 4 angeordnet ist, um die Beschichtung der Oberfläche des Bands zu gewährleisten.
-
Die Düse 9 ist drehbar gelagert, wie durch die Pfeile 10 symbolisiert wird. Durch das Drehen kann die Orientierung des Düsenausgangs relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche des Bands 2 geändert werden, wobei in der gezeigten Ausführungsform die bevorzugte Ausführung gewählt wurde, gemäß welcher die Drehachse der Düse 9 senkrecht zu der zu beschichtenden Oberfläche orientiert ist und gemäß welcher ein innerhalb der Düse befindlicher Düsenausgang derart geformt ist, dass das aus dem Düsenausgang austretende in Gasphase befindliche Material in Richtung der Drehachse aus der Düse austritt, das heißt, dass im gezeigten Beispiel, in dem die Drehachse senkrecht zu der zu beschichtenden Oberfläche orientiert ist, das in Gasphase befindliche Material in zur zu beschichtenden Oberfläche senkrechter Richtung auf der Oberfläche auftrifft.
-
Die Düse 9 weist in der gezeigten Ausführungsform einen in Form eines Schlitzes ausgeführten Düsenausgang auf mit einer Längserstreckung D0. Die Düse ist derart gelagert beziehungsweise der Düsenausgang derart in der Düse 9 angeordnet, dass bei dem Drehen der Düse 9 um ihre Drehachse die Drehbewegung der Düse 9 in einer zu der Bandoberfläche parallelen Ebene stattfinden würde und dass der Düsenausgang gleichzeitig senkrecht zur Hauptaustrittsrichtung des in Gasphase vorliegenden Materials erfolgt. In der gezeigten Darstellung ist die Düse 9 mit einem Winkel α von Null zu der Bandtransportrichtung orientiert. In der gezeigten Orientierung würde nur ein schmaler Streifen des Bands beschichtet werden. Mit einer Drehung von 90 Grad um die gezeigte Rotationsachse hingegen würde ein Band mit einer Breite, das heißt: mit einer Erstreckung in seiner Querrichtung, die in der vorliegenden Darstellung senkrecht in die Papierebene hinein orientiert ist, beschichtet werden, die der Längserstreckung D0 des Bands entspricht, wobei geringfügige Abweichungen durch das Strömungsprofil der aus dem Düsenausgang ausströmenden Teilchen möglich sind.
-
1b ist eine Darstellung der in 1a gezeigten Beschichtungsanlage 1 in Aufsicht gezeigt. Insbesondere ist erkennbar, dass der als Schlitz 11 ausgebildete Düsenausgang 11 der Düse 9 einen Winkel α von 90 Grad zu der Transportrichtung des Bands 2 einnimmt, er also gegenüber der Stellung aus 1a um 90 Grad gedreht wurde. Die Längserstreckung des Düsenausgangs 11 ist größer als die Breite des Bands in seiner Querrichtung. Wenn das Band 2 eine geringere Breite in Querrichtung hätte als die in 1b dargestellte, dann könnte durch Verringern des Winkels α sichergestellt werden, dass trotz der verringerten Bandbreite nicht oder nur in geringem, toleriertem, Ausmaß aus dem Düsenausgang tretendes Material an den Bandkanten vorbei in die Vakuumkammer, insbesondere in einem unterhalb des Bands befindlichen Bereich der Vakuumkammer, gelangt und dadurch nicht mehr für eine Bildung einer Beschichtung mehr zur Verfügung steht. Durch das Bereitstellen einer drehbaren Düse wird somit sichergestellt, dass eine effiziente Beschichtung eines Bands für unterschiedliche Bandbreiten und sogar bei innerhalb desselben Bands veränderlicher Bandbreite möglich ist.
-
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung als möglicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage gezeigt. Die in 2 gezeigte Düse 9 weist einen kreiszylindrischen Außenformabschnitt auf, auf den ein Zahnkranz 12 geklemmt ist. Mit dem Zahnkranz 12 in Eingriff steht ein als Ritzel 13 ausgebildetes Gegenelement 13 in Eingriff steht. Das Ritzel 13 ist mit einer aus der Vakuumkammer 4 herausführenden Welle 14 gekoppelt ist, wobei die Welle mit einem in der 2 nicht gezeigten Drehantrieb gekoppelt ist zum Drehen der Welle und dadurch herbeigeführtes Drehen der Düse. Um zu gewährleisten, dass die heiße Düse 9 von den angetriebenen Bestandteilen thermisch isoliert ist, ist zwischen der Düse 9 und dem Zahnkranz 12 ein als keramischer Ring 15 ausgebildetes thermisches Isolationsmittel 15 angeordnet.
-
In 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung als möglicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage gezeigt. Im Unterschied zu der Ausführung der 2 ist bei der Ausführung der 3 ein schrägverzahnter Zahnkranz 12 vorgesehen, der mit einem als Schneckenwelle 16 ausgebildeten Gegenelement in Eingriff steht, die wiederum mit einer aus der Vakuumkammer 4 durch die Wandung 22 herausführenden Welle gekoppelt ist. Die Welle ist mit einem Drehantrieb 19 gekoppelt. Die Welle weist eine Kühlmitteldurchführung 20 auf, also eine Leitung, welche durch die Welle führt und Bestandteil eines Kühlmittelkreislaufs ist, zum Kühlen der Welle. Während also bei dem Ausführungsbeispiel der 2 eine passive Isolierung der heißen Düse 9 zu dem Zahnkranz 12 bereitgestellt ist, erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel der 3 eine aktive Kühlung der mit der Düse in Kontakt stehenden Elemente. Die Welle ist mittels eines Kardangelenks 17 mit einem transversalen Bewegungsfreiheitsgrad eingerichtet. Die Welle ist über ein Kopplungsstück 23 und einem mit diesem gekoppelten Transversalantriebsmittel aus dem Eingriff mit dem Zahnkranz weg und wieder zu dem Eingriff mit dem Zahnkranz hin bewegbar. Auch die Welle 18 ist über Zu- und Abführung 21 mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelt zur aktiven Kühlung der Welle 18 als mittelbar mit dem Zahnkranz 12 in Berührung stehende Bestandteile.
-
4 ist ein Schichtdickenprofil einer Zn-Beschichtung zu entnehmen, wobei einmal mit einem Winkel von 90 Grad und einmal mit einem Winkel von 45 Grad zu der Transportrichtung beschichtet wurde. Es ist erkennbar, dass durch Drehen der Düse die Breite der Schicht eingestellt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2016042079 A1 [0006, 0007]
