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Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung zur Oberflächenveredelung von einem Werkstück, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - ein Werkzeugfutter zum Halten eines Werkstücks mit einer Behandlungsoberfläche;
- - eine Beschichtungseinheit zum Auftragen einer Veredelungsschicht auf jener Behandlungsoberfläche; und
- - eine Messeinheit, mittels welcher ein Höhenprofil jener Behandlungsoberfläche einmessbar ist. Die Beschichtungsvorrichtung ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungseinheit und die Messeinheit zu dem Werkzeugfutter referenziert sind.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Messverfahren unter Verwendung der Beschichtungsvorrichtung, sowie ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht.
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Um dem Kostendruck und zugleich den hohen Anforderungen vor allem hinsichtlich der Performance und der Umweltbelastung an ein Werkstück gerecht zu werden, werden zunehmend kostengünstig hergestellte Trägermaterialien verwendet, welche eine Funktionsbeschichtung erhalten. Beispielsweise ist es bekannt, Bremsscheiben für Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge aus einem Gusskörper (Trägermaterial) herzustellen und die mit dem jeweiligen Bremsklotz zusammenwirkende Oberfläche mit einer Veredelungsschicht zu versehen. Derzeit sind die Eigenschaften einer solchen Veredelungsschicht oftmals unbekannt. Abweichungen von einer gewünschten Eigenschaft werden durch übermäßiges Auftragen von Veredelungsmaterial und Nachbearbeitung ausgeglichen. Dabei fallen hohe Materialkosten an und es entstehen lange Bearbeitungszeiten.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung zur Oberflächenveredelung von einem Werkstück, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - ein Werkzeugfutter zum Halten eines Werkstücks mit einer Behandlungsoberfläche;
- - eine Beschichtungseinheit zum Auftragen einer Veredelungsschicht auf jener Behandlungsoberfläche; und
- - eine Messeinheit, mittels welcher ein Höhenprofil jener Behandlungsoberfläche einmessbar ist.
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Die Beschichtungsvorrichtung ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungseinheit und die Messeinheit zu dem Werkzeugfutter referenziert sind.
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Es wird im Folgenden auf die genannte Rotationsachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
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Das zu behandelnde Werkstück weist in einem Zustand vor dem Auftragen einer Veredelungsschicht eine (freie) Behandlungsoberfläche auf. Beispielsweise ist die Behandlungsoberfläche eine (beispielsweise spanend nachbearbeitete) Stahloberfläche, beispielsweise eines Gusskörpers. Das Werkstück oder ein Teil des Werkstücks bildet einen Trägerkörper oder einen Teil eines Trägerkörpers, wobei der Trägerkörper geeignete mechanische Eigenschaften aufweist, beispielsweise zum Übertragen von Kräften und Momenten. Beispiele sind eine Bremsscheibe, ein Kolben für ein hydraulisches System, eine Zylinderlauffläche für eine Verbrennungskraftmaschine.
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Die Beschichtungsvorrichtung ist zum Auftragen von einer Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche des Werkstücks eingerichtet. Beispiele sind sogenannte Additive Fertigungsverfahren, bei welchen mittels (Hart-) Löten oder Schweißen ein Veredelungsmaterial mit der Behandlungsoberfläche stoffschlüssig verbunden wird. Der notwendige thermische Eintrag wird beispielsweise von einer Flamme (beispielsweise Hochgeschwindigkeitsflammspritzen), einem Lichtbogen (beispielsweise PTA) oder einem Laser (Laserauftragschweißen, besonders ein extremes Hochgeschwindigkeit-Laser-Auftragsschweißen wie aus der
DE 10 2011 100 456 A1 bekannt) bereitgestellt. Das Material wird beispielsweise als Draht oder Pulver (-mischung) bereitgestellt. Oftmals wird ein Trägergas und/oder ein Schutzgas zum Erzeugen einer gewünschten Reaktionsumgebung eingesetzt. Eine Veredelungsschicht ist (statistisch) homogen und/oder aus mehreren (ggf. unterschiedlichen) Lagen aufgebaut. Oftmals wird eine Veredelungsschicht in Bahnen auf der Behandlungsoberfläche aufgetragen, beispielsweise in Form von parallelen einander überlappenden Schweißraupen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Beschichtungsvorrichtung für eine additive, metallische Beschichtung eingerichtet.
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Oftmals werden eine hohe Festigkeit und/oder Beständigkeit der Veredelungsschicht gefordert, wie beispielsweise ein gleichbleibender Reibkoeffizient über eine große Temperaturänderung im Betrieb (zwischen beispielsweise -60 °C [minus sechzig Grad Celsius] und +800 °C [plus achthundert Grad Celsius] und mehr bei einer Bremsscheibe). Gleichwohl soll zum Einsparen von Veredelungsmaterial und zum Reduzieren von Fertigungszeiten eine möglichst dünne Veredelungsschicht auf die Behandlungsoberfläche aufgetragen werden. Dafür ist es vorteilhaft, wenn die Eigenschaften der aufgetragenen Veredelungsschicht möglichst genau bekannt sind.
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Das zu behandelnde Werkstück wird in ein Werkzeugfutter eingespannt und von diesem exakt positioniert gehalten. Für ein Rotationswerkstück ist das Werkzeugfutter beispielsweise ein Spannfutter. Für ein linear oder translatorisch behandelndes Werkstück ist das Werkzeugfutter beispielsweise ein Werktisch mit einer Einspannung. Das Werkzeugfutter ist starr (beziehungsweise weist eine starre Rotationsachse auf) oder ist mittels einer Aktorik in mindestens einer Raumachse bewegbar.
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Die Beschichtungseinheit ist die funktional zentrale Einheit der Beschichtungsvorrichtung. Beispielsweise umfasst die Beschichtungseinheit einen Schweißkopf, eine Materialzuführung, eine Oberflächenkühlvorrichtung und/oder eine Schutzgaszuführung. Die Beschichtungseinheit ist für einen Vorschub (relative Bewegung zwischen Werkstück und Beschichtungseinheit) bevorzugt in zumindest einer Raumachse relativ zu dem in dem Werkzeugfutter gehaltenen Werkstück bewegbar. Alternativ oder ergänzend ist ein Vorschub mittels einer Bewegung des Werkzeugfutters ausführbar.
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Hier ist vorgeschlagen, dass die Beschichtungsvorrichtung eine Messeinheit umfasst, welche zum Erfassen eines Höhenprofils der Behandlungsoberfläche (und der aufgetragenen Veredelungsschicht) eingerichtet ist. Die Messrichtung beziehungsweise die Messachse der Messeinheit ist somit senkrecht zu der Behandlungsoberfläche ausgerichtet. Das bedeutet nicht, dass ein Taster einer taktilen Messung oder ein (Laser-) Lichtstrahl einer optischen Messung senkrecht zu der Behandlungsoberfläche gerichtet sein muss. Die Messeinheit erlaubt, präzise Informationen über die Eigenschaften beziehungsweise die Form der Veredelungsschicht zu erfassen.
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In einer Ausführungsform wird mittels der Messeinheit die Behandlungsoberfläche vor dem Auftragen von einer Veredelungsschicht eingemessen. Nach dem Auftragen einer oder eines Teils der Veredelungsschicht wird die Behandlungsoberfläche (mit der Veredelungsschicht) erneut vermessen. Mittels einer Differenzbildung ist mit hoher Präzision bestimmbar, welche Höhe (Schichtstärke) die Veredelungsschicht aufweist. Bei einem (gemäß der Auflösung) flächendeckenden Einmessen kann eine minimale Höhe und eine maximale Höhe der Veredelungsschicht bestimmt werden. Bei einem Einmessen während eines mittels der Beschichtungseinheit mehrlagigen Auftragens einer Veredelungsschicht ist auch die Schichtdicke der einzelnen Lagen bestimmbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels der Messeinheit zudem zumindest eine der folgender Parameter erfasst:
- - eine Orientierung des Werkstücks;
- - eine Ebenheit der Behandlungsoberfläche;
- - ein Planlauf der Behandlungsoberfläche; und
- - bei einem scheibenförmigen Werkstück (wie beispielsweise einer Bremsscheibe) eine Schirmung der Behandlungsoberfläche.
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Hier ist nun darüber hinaus vorgeschlagen, dass die Messeinheit nicht separat, beispielsweise auf einer weiteren Maschine oder in einer Vorrichtung zur Qualitätssicherung, angeordnet ist. Im Gegenteil ist die Messeinheit zu dem Werkzeugfutter referenziert, beispielsweise (über eine jeweilige Aktorik und Vorschubachse) relativ zu einem gemeinsamen Maschinenbett arretiert und/oder während eines Prozessablaufs des Auftragens mittels der Beschichtungseinheit justiert fest (über eine jeweilige Aktorik und Vorschubachse) zu dem Werkzeugfutter angeordnet. Die Messeinheit oder zumindest die Basis der Messeinheit, mittels welcher eine Aktorik und Vorschubachse aufgenommen ist, ist ein dauerhafter Bestandteil der Beschichtungsvorrichtung.
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Damit ist die relative Lage sowohl zwischen der Beschichtungseinheit als auch der Messeinheit zu dem in dem Werkzeugfutter gehaltenen Werkstück bekannt. Einspannfehler sind bei der Messung vermieden. Nach einer gegebenenfalls notwendigen Justierung, also Korrektur der Referenzierung von der Beschichtungseinheit und der Messeinheit relativ zu dem Werkstück ist ein Einmessen im Rahmen der Messgenauigkeit der Messeinheit genau, beispielsweise im Sub-Mikrometer-Bereich. Die Daten sind dann auch für das Führen der Beschichtungseinheit nutzbar, beispielsweise ein dem Höhenprofil der Behandlungsoberfläche Folgen, welches im Vorfeld eingemessen worden ist. In einer Ausführungsform ist auch ein Nachbehandeln mittels der Beschichtungseinheit möglich, mit welcher präzise an jenen Stellen auf dem Werkstück von der Beschichtungseinheit nachträglich Material aufgetragen wird, an welchen die Messeinheit eine unerwünschte Vertiefung in dem Höhenprofil der Veredelungsschicht erfasst hat.
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Weitere Funktionen sind infolge der Referenzierung von der Messeinheit zu dem Werkzeugfutter (und damit zu dem Werkstück) möglich:
- - eine Bauteiltyperkennung, beispielsweise: Durchmesser, Offsetmaß, das heißt bei einer Bremsscheibe als Werkstück zum Beispiel der Abstand zwischen der Auflagefläche und dem Reibband (Reibfläche), Reibanddicke (Größe der Reibfläche), beispielsweise mithilfe eines weiteren Messeinheit oder einer weiteren Teileinheit (vergleiche unten);
- - Messung von wesentlichen geometrischen Merkmalen wie Offsetmaß, Planlauf (beispielsweise des Reibbands einer Bremsscheibe) zur Anlagefläche zum Werkzeugfutter; und
- - eine Eingangskontrolle für das Werkstück, sodass eine 100 %-Eingangskontrolle zeiteffizient einbindbar ist.
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In einer Ausführungsform gibt es in einer einfachen Ausführungsform eine Messeinheit, welche auf der Behandlungsoberfläche permanent scannt, dadurch das sich verändernde Höhenprofil aufnimmt. Es wird also eine (bevorzugt kontinuierliche) Beobachtung vom Rohteil zum Fertigteil durchgeführt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Messeinheit gemäß der nachfolgenden Beschreibung einzig bevorzugt zu dem Werkzeugfutter referenziert ist.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, dass die Messeinheit derart angeordnet ist, dass das sich verändernde Höhenprofil während eines Aufbringens der Veredelungsschicht mittels der Beschichtungseinheit erfassbar ist.
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Die Messeinheit ist derart angeordnet, dass während eines Auftragens von der Veredelungsschicht mittels der Beschichtungseinheit das Höhenprofil der Behandlungsoberfläche des Werkstücks einmessbar ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einer mehrlagigen Veredelungsschicht die einzelnen Lagen und deren jeweilige Schichtstärke erfassbar ist. Zudem oder alternativ hat dies den Vorteil, dass thermisch bedingte Veränderungen an dem Werkstück (beispielsweise eine zunehmende Schirmung einer Bremsscheibe infolge der Schrumpfung der auskühlenden Veredelungsschicht) während des Auftragens der Veredelungsschicht erfassbar ist. Die Beschichtungseinheit ist dann dementsprechend nachführbar und/oder bei bekannter oder gemittelter aktueller Schichtstärke eine Interpretation der Schichtstärke ermöglicht. Wenn in letzterem Falle beispielsweise eine Lage bei gleichen Auftragsparametern deutlich stärker ist als das Mittel oder bisherige Maximum der Schichtdicke der vorher aufgetragenen Lagen, kann in guter Näherung auf eine Verformung der Behandlungsoberfläche geschlossen werden.
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In Ergänzung zu der oben beschrieben permanenten Scan-Vorgang ist hier eine zweite Teileinheit zum Einmessen der Rückseite vorgesehen. Dadurch ist eine mögliche geometrische Verformung (beispielsweise Schirmung) des Werkstücks detektierbar. Aus den Höhenmessungen der ersten Teileinheit zum Einmessen der Behandlungsoberfläche ist so eine Schichthöhe von einer Schirmung des Werkstücks klar differenzierbar.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, dass die Messeinheit für eine Punktmessung eingerichtet ist und entlang einer Vorschubrichtung der Beschichtungseinheit verfahrbar ist, bevorzugt zur Laserdistanzmessung eingerichtet ist.
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Bei einer Ausführungsform ist die Messeinheit bewegbar. Beispielsweise bei einem Rotationswerkstück wird das Werkstück um eine Rotationsachse rotiert und die Messeinheit entlang einer (bezogen auf die Rotationsachse radialen und/oder axialen) Achse zustellbar. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messeinheit eine einzige Vorschubachse (mit einer einzigen Vorschubrichtung).
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Eine Messeinheit, welche zur Punktmessung eingerichtet ist, ist unter vergleichsweise geringem Kostenaufwand ein hochauflösendes Einmessen ermöglicht. Eine Alternative ist eine Messeinheit, welche eine Linienmessung oder sogar Flächenmessung durchführt, wobei diese bevorzugt nicht verfahrbar ist. Ein Nachteil im Kostenaufwand und/oder in der Auflösung ist beispielsweise mittels einer steiferen Anbindung ausgleichbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinheit (zur Punktmessung, Linienmessung oder Flächenmessung) zur Laserdistanzmessung eingerichtet. Beispielsweise ist ein Triangulationsverfahren eingesetzt. Die Messpunkte werden zu einer Punktwolke zusammengesetzt und die Daten sind bevorzugt in ausreichend kurzer Zeit der Beschichtungseinheit beziehungsweise deren Ansteuerung bereitstellbar. Damit ist ohne Datenbereinigung oder statistische Aufarbeitung eine Auflösung von unter 2 µm [zwei Mikrometer] bei einer Datenrate von über 1 kHz [ein Kilo-Hertz], beispielsweise 5 kHz, erzielbar. Es sind damit eine Schirmung, Ebenheit, Planlauf der Behandlungsoberfläche und die Höhe der Veredelungsschicht (beziehungsweise der einzelnen Lagen) erfassbar.
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Eine Punktmessung mit einer verfahrbaren Messeinheit eine besonders wirtschaftliche Umsetzung. Es ist aber auch wie bereits erwähnt ein Linienscanner oder ein Flächenscanner einsetzbar.
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Es sei darauf hingewiesen, dass bei einem scheibenförmigen Werkstück (beispielsweise eine Bremsscheibe) durch ein in Radialrichtung (bezogen auf die Rotationsachse) alternierendes Scannen (hin und her Führen der Messeinheit beziehungsweise Teileinheit) in Kombination mit einer Rotation des Werkstücks eine zusammenhängende und/oder zeitabhängige Flächeninformation ermittelbar ist. Mittels einer zeitlichen und örtlichen Zuordnung ist der Beschichtungsprozess aufzeichenbar und diese Aufzeichnung ist (als Protokoll) werkstückbezogen im Sinne der Qualitätssicherung ablegbar.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, dass die Messeinheit eine erste Teileinheit für jene Behandlungsoberfläche und eine dazu referenzierte zweite Teileinheit zum Einmessen eines Höhenprofils jener der Behandlungsoberfläche entlang der Messachse gegenüberliegenden Rückseite,
bevorzugt zeitgleich axial gegenüberliegend zu der Einmesskoordinate der ersten Teileinheit, und/oder
bevorzugt zeitgleich axial gegenüberliegend zu der Beschichtungskoordinate der Beschichtungseinheit.
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Bei dieser Ausführungsform ist ein gleichzeitiges beidseitiges Einmessen von zwei einander (bezogen auf die Messachse axial) gegenüberliegenden Oberflächen, nämlich der Behandlungsoberfläche und der Rückseite ermöglicht. Fehler des Werkstücks, welche auf den beiden Seiten des Werkstücks vorliegen, wie beispielsweise eine Exzentrizität, eine Schirmung oder eine Welligkeit, können damit berücksichtigt werden. In einer Ausführungsform wird die Beschichtungseinheit entsprechend geführt. In einer Ausführungsform wird von dem mittels der ersten Teileinheit eingemessenen ersten Höhenprofil (Behandlungsoberfläche mit gegebenenfalls zumindest einem Teil der Veredelungsschicht) das von der zweiten Teileinheit eingemessene zweite Höhenprofil (Rückseite) abgezogen. In einer Ausführungsform wird zumindest die Rückseite im Vorfeld (vor dem Auftragen von der Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche) eingemessen und die Ergebnisse der Einmessung während des Auftragens oder nach dem Auftragen der Veredelungsschicht verglichen. Änderungen werden bereits während des Auftragens berücksichtigt und/oder zum Bestimmen der Höhe der Veredelungsschicht genutzt.
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Wenn mittels der zweiten Teileinheit die Rückseite des Werkstücks zeitgleich und axial gegenüberliegend zu der Einmesskoordinate auf der Behandlungsoberfläche mittels der ersten Teileinheit eingemessen wird, können dynamische Änderungen durch Differenzbildung im Messergebnis ausgeblendet werden. Beispielsweise ist eine sich zwischenzeitlich bildende thermische Verformung, welche wieder zurückgeht, ausgeblendet, sofern sie sich auch auf der Rückseite auswirkt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verformungsbeträge auf der Behandlungsoberfläche und der Rückseite auch bei gleicher Ursache (beispielsweise Schirmung einer Bremsscheibe) nicht identisch sein müssen oder in der Regel nicht sind. Mittels Berücksichtigung von geometrisch klar bestimmbaren Zusammenhängen sind diese Effekte ausgleichbar. Alternativ sind die Unterschiede für die erforderliche Genauigkeit der Messung vernachlässigbar. Mittels einer Linienmessung oder Mehrpunktmessung lassen sich die Ursachen eindeutig bestimmen.
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Wenn mittels der zweiten Teileinheit die Rückseite des Werkstücks zeitgleich und axial gegenüberliegend zu der Beschichtungskoordinate auf der Behandlungsoberfläche mittels der Beschichtungseinheit eingemessen wird, können dynamische Änderungen beim Führen der Beschichtungseinheit berücksichtigt werden. Beispielsweise ist eine sich bildende thermische Verformung aufgrund eines thermischen Eintrags mittels der Beschichtungseinheit in die Behandlungsoberfläche (beispielsweise ohne thermische Auswirkung auf die Rückseite) im Augenblick der Entstehung erfassbar, sofern sich der (gegebenenfalls einseitige) thermische Eintrag in einer Verformung auf der Rückseite auswirkt. In einer Ausführungsform wird die Auswirkung des beispielhaft genannten einseitigen thermischen Eintrags zugleich von der ersten Teileinheit mit einem (auf einer Bremsscheibe radialem) Abstand zu dem thermischen Eintrag beobachtet, beispielsweise (aufgrund einer thermischinduzierten Schirmung) ein Aufstellen des Außenrands der Bremsscheibe beobachtet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verformungsbeträge auf der Behandlungsoberfläche und der Rückseite auch bei gleicher Ursache (beispielsweise eine thermisch-induzierte lokal begrenzte Eindellung) nicht identisch sein müssen oder in der Regel nicht sind. Mittels Berücksichtigung von geometrisch klar bestimmbaren Zusammenhängen sind diese Effekte ausgleichbar. Alternativ sind die Unterschiede für die erforderliche Genauigkeit der Messung vernachlässigbar. Mittels einer Linienmessung oder Mehrpunktmessung lassen sich die Ursachen eindeutig bestimmen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Messeinheit und/oder die Teileinheiten in einer Ausführungsform zu einem Zeitpunkt lediglich einen einzigen Messpunkt erfassen, beispielsweise mittels einer Punktmessung. Alternativ oder zusätzlich sind weitere Untereinheiten zur Punktmessung vorgesehen. In einer Ausführungsform wird von zumindest einer Teileinheit und/oder Untereinheit eine Linienmessung oder Flächenmessung ausgeführt.
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In einer Ausführungsform ist die Messeinheit oder zumindest eine Teileinheit relativ zu der Beschichtungseinheit fixiert, bevorzugt von der gleichen Vorschubachse mitgeführt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Messverfahren bei einer Oberflächenveredelung von einem Werkstück mittels einer Beschichtungsvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, wobei das Messverfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- während in dem Werkzeugfutter ein Werkstück gehalten ist,
- a. mittels der Messeinheit, Einmessen eines Höhenprofils jener Behandlungsoberfläche referenziert zu dem Werkzeugfutter; und
- b. mittels der Beschichtungseinheit, Auftragen einer Veredelungsschicht auf jener Behandlungsoberfläche,
wobei Schritte a. und b. zeitgleich ausgeführt werden.
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Das hier vorgeschlagene Messverfahren erlaubt ein Einmessen während des Auftragens der Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche eines Werkstücks und damit eine enorme Steigerung der Prozesssicherheit und Genauigkeit des Beschichtens (Auftragens von der Veredelungsschicht). Es wird auf die oben bereits genannten Ausführungsformen eines Messverfahrens im Zusammenhang mit Ausführungsformen der Beschichtungsvorrichtung zumindest optional Bezug genommen.
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Im Vorfeld wird ein Werkstück bereitgestellt, beispielsweise über ein Band der Beschichtungsvorrichtung zugeführt. Das Werkstück weist dann bereits eine vorbereitete Behandlungsoberfläche auf, beispielsweise eine abgedrehte und/oder eingeschliffene Oberfläche. Das Werkstück wird dann, beispielsweise mittels einer Robotik auf dem Werkzeugfutter aufgesetzt und in diesem eingespannt. Optional wird das Werkstück nun von der Messeinheit eingemessen, wobei dann ein Fehler in der Einspannung mit eingemessen ist. Ein solcher Fehler wird gegebenenfalls erkannt und die Einspannung korrigiert. Alternativ ist der Fehler vernachlässigbar oder es wird ein entsprechendes Koordinatensystem bestimmt, auf Basis dessen die Beschichtungsvorrichtung geführt wird. Bevorzugt ist vom Beginn des Einspannens, des Einmessens oder des Auftragens der Veredelungsschicht die Lage des Werkstücks für die gesamte Dauer des Beschichtungsvorgangs (auf zumindest einer Seite des Werkstücks) bekannt. Die Messeinheit (und die Beschichtungseinheit) sind somit zu dem Werkstück über den Verlauf des Messverfahrens referenziert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Referenzierung der Messeinheit (und bevorzugt auch der Beschichtungseinheit) zu dem Werkzeugfutter geometrisch dauerhaft festgelegt, besonders bevorzugt findet vor jedem oder nach einer Anzahl von Wiederholungen des Messverfahrens (für eine entsprechende Anzahl von Werkstücken beziehungsweise Behandlungsoberflächen) eine Einjustierung statt.
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Letzteres ist vorteilhaft, wenn für die Messeinheit eine Zustellung benötigt ist und/oder die Messeinheit eine Vorschubachse aufweist.
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Nun wird die Behandlungsoberfläche beschichtet (Schritt a.) und zeitgleich die Behandlungsoberfläche (Schritt b.) eingemessen. Es werden hierbei die zuvor genannten Vorteile erzielt hinsichtlich der Genauigkeit des Auftragens der Veredelungsschicht (beziehungsweise der einzelnen Lagen) und der Genauigkeit der Erfassung von Fehlern in der Veredelungsschicht und prozessbedingt in dem Werkstück. Vor allem wird ein Höhenprofil eingemessen, auf Basis dessen eine nachfolgende Nachbehandlung (beispielsweise ein Schleifprozess) geführt wird. Wenn das tatsächliche Höhenprofil bekannt ist, sind das tatsächlich vorliegende Höhenmaximum und vor allem das tatsächlich vorliegende Höhenminimum bekannt. Damit ist der tatsächliche Abtragbedarf bekannt und muss nicht nach allgemeinen Prozessparametern des Beschichtungsverfahrens ausgeführt werden. Der Abtrag ist somit reduzierbar und damit sind kürzere Prozesszeiten erzielbar. Im Umkehrschluss lässt sich eine dünnere Veredelungsschicht auftragen, wenn ein tatsächliches Höhenminimum erzeugt ist, welches für eine gewünschte verbleibende Höhe der Veredelungsschicht nach der Nachbehandlung ausreichend ist. Der Auftrag ist somit reduzierbar und damit sind kürzere Prozesszeiten sowie ein geringerer Materialeinsatz erzielbar.
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Es sei darauf hingewiesen, dass bei einigen Werkstücken zwei oder mehr Behandlungsoberflächen vorgesehen sind und das Messverfahren (mit dem Beschichtungsverfahren) wiederholt an dem gleichen Werkstück ausgeführt wird. Beispielsweise bei einer Bremsscheibe sind oftmals eine erste Seite im Betrieb einem ersten Bremsklotz zugewandt und eine axial gegenüberliegende zweite Seite einem zweiten Bremsklotz zugewandt. Die erste Seite entspricht in dem Messverfahren der Behandlungsoberfläche und die zweite Seite der Rückseite. In der Wiederholung des Messverfahrens (nach einem Umspannen) entspricht dann die zweite Seite der Behandlungsoberfläche und die erste Seite der Rückseite, wobei diese Rückseite nun bereits eine Veredelungsschicht umfasst.
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An das Messverfahren schließt sich ein Entnehmen und Überführen des Werkstücks in eine Vorrichtung zum Nachbehandeln an, beispielsweise eine Schleifmaschine.
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Das Entnehmen und Überführen wird von einer, bevorzugt von der vorgenannten, Robotik ausgeführt. Abschließend wird das nachbehandelte Werkstück für eine weitere Bearbeitung beziehungsweise die Verwendung (beispielsweise den Einbau in einem Kraftfahrzeug) bereitgestellt.
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Bevorzugt wird bei dem Messverfahren ein Protokoll, ein Bild oder ein Graph zur menschlichen oder computergestützten Auswertung der Qualität der Veredelungsschicht und deren Anbindung an die (rohe) Behandlungsoberfläche des Werkstücks erstellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Messverfahren bei einer Oberflächenveredelung von einem Werkstück mittels einer Beschichtungsvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, wobei das Messverfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- während in dem Werkzeugfutter ein Werkstück gehalten ist,
- a. mittels der Messeinheit, Einmessen eines Höhenprofils jener Behandlungsoberfläche referenziert zu dem Werkzeugfutter; und
- b. mittels der Beschichtungseinheit, Auftragen einer Veredelungsschicht auf jener Behandlungsoberfläche,
- c. mittels der Messeinheit, zudem Einmessen eines Höhenprofils einer der Behandlungsoberfläche entlang der Messachse gegenüberliegenden Rückseite,
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Das hier vorgeschlagene Messverfahren erlaubt ein Einmessen während des Auftragens der Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche eines Werkstücks und damit eine enorme Steigerung der Prozesssicherheit und Genauigkeit des Beschichtens (Auftragens von der Veredelungsschicht). Es wird auf die oben bereits genannten Ausführungsformen eines Messverfahrens zumindest optional Bezug genommen.
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Hier ist eine Beschichtungsvorrichtung eingesetzt, bei welcher eine erste Teileinheit und eine zweite Teileinheit von der Messeinheit umfasst sind. Beidseitig vorliegende, und vor allem dynamische, Fehler lassen sich so erfassen und können bei dem Führen der Beschichtungseinheit und/oder bei dem Einmessen von einzelnen Lagen der Veredelungsschicht genutzt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Messverfahren bei einer Oberflächenveredelung von einem Werkstück mittels einer Beschichtungsvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, wobei das Messverfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- während in dem Werkzeugfutter ein Werkstück gehalten ist,
- a. mittels der Messeinheit, Einmessen eines Höhenprofils jener Behandlungsoberfläche referenziert zu dem Werkzeugfutter; und
- b. mittels der Beschichtungseinheit, Auftragen einer Veredelungsschicht auf jener Behandlungsoberfläche,
- beim Einmessen in Schritt a., die Messeinheit entlang einer Vorschubrichtung der Beschichtungseinheit verfahren wird,
- wobei bevorzugt mittels der Messeinheit eine Laserdistanzmessung ausgeführt wird.
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Das hier vorgeschlagene Messverfahren erlaubt ein Einmessen während des Auftragens der Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche eines Werkstücks und damit eine enorme Steigerung der Prozesssicherheit und Genauigkeit des Beschichtens (Auftragens von der Veredelungsschicht). Es wird auf die oben bereits genannten Ausführungsformen eines Messverfahrens zumindest optional Bezug genommen.
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Hier ist eine Beschichtungsvorrichtung eingesetzt, bei welcher die Messeinheit eine Vorschubachse aufweist und entlang einer Vorschubrichtung bewegbar ist. Bevorzugt ist die Messeinheit zur Punktmessung eingerichtet, wobei bevorzugt eine Mehrzahl von Teileinheiten jeweils zur Punktmessung eingerichtet sind. Die Punktmessung ist bevorzugt wie oben beschrieben mittels einer Laserdistanzmessung durchgeführt. Es wird mittels des Messverfahrens eine Punktwolke erzeugt. Bevorzugt wird die Punktwolke mindestens genauso schnell (bevorzugt mittels einer doppelt so schnellen Messwerterfassung) erzeugt wie die Beschichtungspunkte (gegebenenfalls theoretisch auf die gleiche Punktgröße reduziert) von der Beschichtungseinheit auf der Behandlungsoberfläche erzeugt werden. Bevorzugt ist ein Punkt der Behandlungsoberfläche, auf welchem (bevorzugt eine weitere) Lage der Veredelungsschicht aufgetragen werden soll, bereits eingemessen, bevor die Beschichtungseinheit diesen Punkt anfährt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht vorgeschlagen, wobei folgende Eigenschaften vorliegen:
- - eine Mittenrauwert der Oberfläche der Veredelungsschicht 5 µm bis 40 µm;
- - eine Welligkeit des Werkstücks in einer Richtung der Ebene der Veredelungsschicht und im Bereich der Veredelungsschicht mit einer maximalen Höhendifferenz von 10 µm bis 70 µm; und
- - eine Höhe der Oberfläche der Veredelungsschicht von minimal 50 µm bis maximal 400 µm.
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Es sei zunächst darauf hingewiesen, dass hier nicht das Werkstück nach einem Schleifprozess beschrieben ist, sondern vor einer dem Messverfahren (bevorzugt gemäß einer Ausführungsform nach der obigen Beschreibung) beziehungsweise Beschichtungsverfahren nachgestellten Nachbehandlung, bevorzugt unmittelbar nach dem Auftragen einer Veredelungsschicht mittels einer Beschichtungsvorrichtung (bevorzugt gemäß einer Ausführungsform nach der obigen Beschreibung). Es ist also ein Werkstück beschrieben mit einer sehr präzise gefertigten Veredelungsschicht. Bevorzugt weist das Werkstück nach Abschluss aller Fertigungsschritte zur Oberflächenveredelung die mechanischen Eigenschaften vorbekannter Werkstücke auf, wobei bevorzugt die Höhe der Veredelungsschicht (bevorzugt erheblich) geringer und/oder die Veredelungsschicht stoffschlüssig besser mit dem Werkstück verbunden ist, als bei vorbekannten Werkstücken.
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Das Werkstück ist, wie bereits eingangs und/oder im Zusammenhang mit der Beschichtungsvorrichtung und dem Messverfahren beschrieben, ein Werkstück aus einem Trägermaterial, welches die geforderten Eigenschaften für eine Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments aufweist. Die Behandlungsoberfläche des Werkstücks weist aber unzureichende Eigenschaften auf hinsichtlich der Reibeigenschaften, Reibfestigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit. Hierfür ist auf der Behandlungsoberfläche eine Veredelungsschicht aufgebracht, bevorzugt mittels der Beschichtungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform nach der obigen Beschreibung und/oder (überwacht) mittels eines Messverfahrens gemäß einer Ausführungsform nach der obigen Beschreibung.
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Der Mittenrauwert (Ra) nach DIN EN ISO 4287:2010 oder die klassische gemittelte Rautiefe (Rz) nach DIN EN ISO 4287:1984 liegt bei bereits nur 5 µm [fünf Mikrometer] bis 40 µm.
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Die Welligkeit, also eine bezogen auf die Rauigkeit makroskopische oder überlagernde Höhenabweichung der Veredelungsschicht, ist oftmals von der Behandlungsoberfläche, also dem Werkstück selbst bereits vorhanden und wird in Teilen von dem Auftrag der Veredelungsschicht ausgeglichen oder zumindest nicht verstärkt. Es ist hier eine maximale Höhendifferenz von bereits nur 10 µm [zehn Mikrometer] bis 70 µm erzielbar.
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Die Höhe der Veredelungsschicht, also die gesamte Schichtstärke der Veredelungsschicht oder der Abstand zwischen der (neu geschaffenen) Oberfläche des Werkstücks und der (beschichteten) Behandlungsoberfläche des Werkstücks, liegt bei minimal 50 µm [fünfzig Mikrometer] bis maximal 400 µm. Die maximale Differenz zwischen dem höchsten Punkt und dem niedrigsten Punkt der Oberfläche des Werkstücks beziehungsweise des Höhenprofils der Veredelungsschicht liegt bei maximal 20 µm [zwanzig Mikrometer] bis 100 µm.
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Von dem hier vorgeschlagenen Werkstück ist somit nur eine sehr geringe Materialmenge in einer Nachbehandlung abzutragen. Zudem ist, wenn das Werkstück mittels des zuvor beschriebenen Messverfahrens beschichtet ist, die Qualität der Veredelungsschicht und deren Anbindung an die Behandlungsoberfläche sehr gut protokollierbar und damit eine Qualitätssicherung von einer Stichprobenuntersuchung in eine 100 %-Prüfung überführt. Die 100 %-Prüfung ist dabei mit einem geringen (mit Messung im Vorfeld oder nach der Beschichtung) oder keinem Zeitzuwachs (Messung während des Auftragens der Veredelungsschicht) durchführbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Behandlungsoberfläche bereits im Vorfeld nicht allein abgedreht, sondern zusätzlich eingeschliffen. Damit lassen sich mit der hier aufgezeigten hohen Qualität der Veredelungsschicht der Materialeinsatz weiter verringern und eine Nachbehandlung weiter reduzieren, sowie eine dünnere Veredelungsschicht auftragen.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Werkstücks vorgeschlagen, dass das Werkstück ein Rotationswerkstück ist,
bevorzugt eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug,
wobei bevorzugt eine Schirmung eine Höhendifferenz von maximal 10 µm bis 200 µm am Außendurchmesser des Rotationswerkstücks aufweist.
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Hier ist vorgeschlagen, dass das Werkstück ein Rotationswerkstück ist, wobei das Rotationswerkstück um eine zentrale Rotationsachse rotiert wird, wenn die Veredelungsschicht aufgetragen wird. Oftmals ist dann eine einzige Vorschubachse für die Beschichtungseinheit zum Auftragen der Veredelungsschicht ausreichend. Bei einer zylindrischen Form der Behandlungsoberfläche ist diese Vorschubachse parallel zu der Rotationsachse (entspricht der Zylinderachse) ausgerichtet. Bei einer Zylinderdeckelform beziehungsweise Scheibenform der Behandlungsoberfläche ist diese Vorschubachse parallel zu dem Radius zu der Rotationsachse (entspricht der Zylinderachse beziehungsweise Scheibenachse) ausgerichtet. Bevorzugt ist weiterhin eine Zustellachse beziehungsweise Justierachse vorgesehen, wobei besonders bevorzugt diese im Beschichtungsprozess beziehungsweise beim Einmessen angepasst an die Beschichtungsgeschwindigkeit beziehungsweise an die Messgeschwindigkeit verfahrbar ist. Alternativ ist die Zustellachse nur langsamer bewegbar und es wird lediglich vor Beginn eines Auftragens der Veredelungsschicht beziehungsweise eines Einmessens oder eines Zwischenschritts des betreffenden Vorgangs eingestellt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Rotationswerkstück eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug (einschließlich eines Nutzfahrzeugs). Die Behandlungsoberfläche ist die Reibfläche, welche im Betrieb beim Entschleunigen des Kraftfahrzeugs mit einem Bremsklotz in Kontakt kommt. Die Trägerscheibe ist beispielsweise gegossen, beispielsweise aus Stahl oder Lamellengrauguss. Die Veredelungsschicht umfasst Carbide, welche für eine gewünschte Rauigkeit und Reibfestigkeit der veredelten Oberfläche sorgen. Beispielsweise ist die Veredelungsschicht eine MMC [engl.: Metall Matrix Composite], bevorzugt umfassend Edelstahl als Matrixmaterial. Die Zuschlagstoffe sind beispielsweise Niob [Nb], Silizium [Si], Chrom [Cr] und/oder Titan [Ti]. Die Veredelungsschicht ist in einer Ausführungsform in zwei oder mehr Lagen von Material mit unterschiedlicher Zusammensetzung zusammengesetzt, wobei beispielsweise (bevorzugt ausschließlich) eine Bindeschicht und eine Reibschicht vorgesehen sind. Für den allgemeinen technischen Hintergrund wird auf die
DE 10 2018 120 897 A1 verwiesen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Bremsscheibe eine Schirmung mit einer Höhendifferenz von maximal 10 µm [zehn Mikrometer] bis 200 µm am Außendurchmesser des Rotationswerkstücks auf. Damit ist eine solche Schirmung in einem für den Endzustand der Bremsscheibe zulässigen Bereich und es ist nicht notwendig, aufgrund der Schirmung Material von der Veredelungsschicht abzutragen. Alternativ ist die Höhe von abzutragendem Material in dem gleichen Betragsbereich wie zum Ausgleich einer Welligkeit und/oder einer maximalen Differenz zwischen dem Höhenminimum und dem Höhenmaximum, wobei bevorzugt mittels des oben beschriebenen Messverfahrens sichergestellt ist, dass eine Aufsummierung der Effekte nicht vorliegt. Ein Werkstück, bei welchem eine solche Aufsummierung vorliegt, wird als Ausschuss aussortiert oder es wird (im Einzelfall) eine größere Schichthöhe aufgetragen oder dezidiert ein Höhenminimum nachträglich aufgefüllt. Letzteres ist mit dem oben beschriebenen Messverfahren möglich, weil die Messeinheit (und die Beschichtungseinheit) zu dem Werkstück referenziert sind und somit die genaue Lage des Höhenminimums bekannt ist.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: eine Beschichtungsvorrichtung mit eingespannter Bremsscheibe;
- 2: eine Bremsscheibe mit Beschichtungseinheit und Messeinheit;
- 3: eine Behandlungsoberfläche eines Werkstücks mit Veredelungsschicht und Messeinheit;
- 4: ein Flussdiagramm eines Messverfahrens bei einer Oberflächenveredelung von einer Bremsscheibe; und
- 5: ein Kraftfahrzeug mit Bremsscheiben in einer schematischen Draufsicht.
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In 1 ist eine Beschichtungsvorrichtung 1 mit eingespannter Bremsscheibe 19 gezeigt. Die Bremsscheibe 19 ist hier das mittels der Beschichtungsvorrichtung 1 zu beschichtende Werkstück 2. Dazu weist die Bremsscheibe 19 eine (darstellungsgemäß obere) Behandlungsoberfläche 4 und eine (darstellungsgemäß untere) gegenüberliegende Rückseite 14 auf. Auf der Behandlungsoberfläche 4 ist in dem gezeigten Zustand eine Veredelungsschicht 6 auftragbar. Die Bremsscheibe 19 ist dazu in das Werkzeugfutter 3 der Beschichtungsvorrichtung 1 eingespannt und von diesem exakt positioniert gehalten. In dieser Ausführungsform ist das Werkzeugfutter 3 beispielsweise ein Spannfutter mit einer starren Rotationsachse 22 und die Bremsscheibe 19 ist koaxial zu der Rotationsachse 22 ausgerichtet. Zu der Behandlungsoberfläche 4 ist somit die Rotationsachse 22 normal ausgerichtet. In der gezeigten Ausführungsform ist rein optional das Werkzeugfutter 3 von einem Rotationsantrieb 23 angetrieben, sodass das Werkstück 2 um die Rotationsachse 22 rotierbar ist. Das Werkstück 2 ist dabei bevorzugt entsprechend einem Koordinatensystem von dem Rotationsantrieb 23 wiederholbar koordinaten-genau zustellbar.
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Darstellungsgemäß oberhalb des Werkstücks 2 ist eine Beschichtungseinheit 5 der Beschichtungsvorrichtung 1 positioniert. Die Beschichtungseinheit 5 weist eine parallel zu der Rotationsachse 22 ausgerichtete Beschichtungsachse 24 auf, wobei weiterhin koaxial zu der Beschichtungsachse 24 ein Bearbeitungskegel 25 vorgesehen ist. Der Bearbeitungskegel 25 zeigt ein kegelförmig von einem Trägergas zugführtes Pulvermaterial, welches in einem Fokuspunkt eines mehrstrahligen, bevorzugt kegelförmigen, Laserstrahl (bevorzugt in einer Schutzgas-Antriebsmaschineosphäse) zugeführt wird. Die gzeigte Beschichtungseinheit 5 ist daher für ein ultra-präzises Hochgeschwindigkeitsbeschichten eingerichtet. Die Beschichtungseinheit 5 (hier rein optional selbst) ist relativ zu dem Werkstück 2 radial bezogen auf die Rotationsachse 22 bewegbar (Vorschub). Zudem ist (hier rein optional selbst) die Beschichtungseinheit 5 axial bezogen auf die Rotationsachse 22 zustellbar, wobei bevorzugt eine langsame Zustellachse von einem schnellen Piezo-Aktor überlagert (in Reihe geschaltet) ist, mittels welchem auf Messergebnisse der Messeinheit 7 hin die relative axiale Lage der Beschichtungseinheit 5 zu dem Werkstück 2 veränderbar ist.
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Weiterhin umfasst die Beschichtungsvorrichtung 1 eine Messeinheit 7, welche zum Erfassen eines Höhenprofils 8 der Behandlungsoberfläche 4 (und der aufgetragenen Veredelungsschicht 6) eingerichtet ist (vgl. 3). Die Messeinheit 7 weist eine Messachse 13 normal zu der Behandlungsoberfläche 4 auf, und ist somit parallel zu der Rotationsachse 22 und der Beschichtungsachse 24 ausgerichtet. Hier ist nun die Messeinheit 7 zu dem Werkzeugfutter 3 referenziert, beispielsweise über eine Aktorik (hier nicht dargestellt) und eine Vorschubachse 26 relativ zu einem gemeinsamen Maschinenbett (hier nicht dargestellt) dauerhaft arretiert. Die Messeinheit 7 ist dann entlang der Vorschubachse 26 in Vorschubrichtung 9 hin und her (darstellungsgemäß von rechts nach links), beziehungsweise in Bezug auf die Rotationsachse 22 zwischen radial-innen und radial-außen hin und her verfahrbar.
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In 2 ist eine Bremsscheibe 19 (Werkstück 2) mit einem Außendurchmesser 21 gezeigt, bei welcher weiterhin rein schematisch eine Beschichtungseinheit 5 und eine Messeinheit 7 gezeigt sind. Die Bremsscheibe 19 führt eine Rotationsbewegung 27 darstellungsgemäß rechtsdrehend um die Rotationsachse 22 (nach oben weisende z-Achse) aus. Das Auftragen mittels der Beschichtungseinheit 5 erfolgt beispielsweise (angenähert) spiralförmig.
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Die Messeinheit 7 umfasst eine erste Teileinheit 10 mit einer (ersten) Einmesskoordinate 15 zum Einmessen des ersten Höhenprofils 8 (Behandlungsoberfläche 4 mit gegebenenfalls zumindest einem Teil der Veredelungsschicht 6), wobei die (erste) Messachse 13 normal zu der Behandlungsoberfläche 4 ausgerichtet ist (vergleiche 1). Weiterhin umfasst in der gezeigten Ausführungsform rein optional die Messeinheit 7 eine zweite Teileinheit 11 zum Einmessen eines zweiten Höhenprofils 12 (Rückseite 14), wobei die (zweite) Messachse 13 normal zu der Rückseite 14 (und der Behandlungsoberfläche 4) ausgerichtet ist. Somit ist ein gleichzeitiges beidseitiges Einmessen von den zwei einander axial-gegenüberliegenden Oberflächen 17 ermöglicht ist. Die erste Teileinheit 10 und die zweite Teileinheit 11 sind hier (rein optional) auf einer gemeinsamen Messachse 13 angeordnet. Rein optional sind die erste Teileinheit 10 und die zweite Teileinheit 11 mechanisch zueinander gekoppelt und stets parallel zueinander verfahrbar. Hier sind die erste Teileinheit 10 und die zweite Teileinheit 11 jeweils wie die Beschichtungseinheit 5 relativ zu der Bremsscheibe 19 radial bewegbar.
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Hier ist angedeutet, dass die erste Teileinheit 10 und/oder die zweite Teileinheit 11 zum optischen Messen eingerichtet sind, beispielsweise mittels eines durch einen (Laser-) Lichtstrahl Lichtstrahls und/oder Lichtvorhangs 28.
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Die Beschichtungseinheit 5 weist ferner eine Beschichtungskoordinate 16 auf, durch welche die Beschichtungsachse 24 verläuft (vergleiche 1). In einer anderen Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung 1 beziehungsweise in einer anderen (beispielsweise ergänzenden) Ausführungsform des Messverfahrens ist mittels der zweiten Teileinheit 11 (gegebenenfalls mit einer weiteren nicht dargestellten Untereinheit) zeitgleich ein Punkt in der Beschichtungsachse 24 auf der Rückseite 14 einmessbar.
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In 3 ist eine Behandlungsoberfläche 4 eines Werkstücks 2 mit Veredelungsschicht 6 und Messeinheit 7 in einer Detailansicht gezeigt. Beispielsweise ist das gezeigte Werkstück 2 die in 1 und 2 dargestellte Bremsscheibe 19, wobei die Bremsscheibe 19 von einem Gusskörper gebildet ist. Die Behandlungsoberfläche 4 und rein optional auch die Rückseite 14 ist spanend nachbearbeitet und somit eben, hier in gestrichelter Linie dargestellt. Sowohl die Behandlungsoberfläche 4 als auch die Rückseite 14 weisen eine (hier konstant dargestellte) Neigung auf, welche bei einer Bremsscheibe 19 (vergleiche 2) beispielsweise auf eine Schirmung zurückgeht.
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Mittels der Beschichtungseinheit 5 beispielsweise aus 1 und 2 ist eine oder zumindest ein Teil einer Veredelungsschicht 6 in (umlaufenden, beispielsweise spiralförmigen) Bahnen auf die Behandlungsoberfläche 4 aufgetragen, beispielsweise in Form von parallelen einander überlappenden Schweißraupen, welche ein Höhenprofil 8 bilden. In der gezeigten Ausführungsform ist mittels der Messeinheit 7 die Behandlungsoberfläche 4 vor dem Auftragen von einer Veredelungsschicht 6 einmessbar. Nach dem Auftragen einer oder eines Teils der Veredelungsschicht 6 ist die Behandlungsoberfläche 4 mit der Veredelungsschicht 6 erneut einmessbar. Mittels einer Differenzbildung ist mit hoher Präzision bestimmbar, welche Höhe 18 (Schichtstärke) die Veredelungsschicht 6 aufweist.
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In der gezeigten Ausführungsform ist zudem die Messeinheit 7 derart angeordnet, dass während eines Auftragens von der Veredelungsschicht 6 mittels der Beschichtungseinheit 5 das Höhenprofil 8 der Behandlungsoberfläche 4 des Werkstücks 2 einmessbar ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einer mehrlagigen Veredelungsschicht 6 die einzelnen Lagen und deren jeweilige Schichtstärke erfassbar ist. Zudem oder alternativ hat dies den Vorteil, dass thermisch bedingte Veränderungen an dem Werkstück 2 (beispielsweise eine zunehmende Schirmung einer Bremsscheibe 19 infolge der Schrumpfung der auskühlenden Veredelungsschicht 6, darstellungsgemäß angeschrägte Linien der Behandlungsoberfläche 4 und der Rückseite 14) während des Auftragens der Veredelungsschicht 6 erfassbar ist.
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In 4 ist ein Flussdiagramm eines Messverfahrens bei einer Oberflächenveredelung von einer Bremsscheibe 19 gezeigt. Beispielsweise wird die Oberflächenveredelung mittels der in 1 und 2 gezeigten Beschichtungsvorrichtung 1 durchgeführt. Rein optional zeigt das Flussdiagramm ein Messverfahren bei einer Oberflächenveredelung von einer Bremsscheibe 19, wobei rein optional zwei Behandlungsoberflächen 4 vorgesehen sind und das Messverfahren (mit dem Beschichtungsverfahren) wiederholt an der gleichen Bremsscheibe 19 ausgeführt wird. In den Schritten i. bis v. wird also die erste Seite der Bremsscheibe 19 und in den Schritten vi. bis ix. die zweite Seite mittels der Beschichtungseinheit 5 mit einer Veredelungsschicht 6 versehen und währenddessen mittels der Messeinheit 7 eingemessen.
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In Schritt i. wird die Bremsscheibe 19 bereitgestellt, beispielsweise über ein Band der Beschichtungsvorrichtung 1 zugeführt. Die Bremsscheibe 19 weist dann bereits eine vorbereitete Behandlungsoberfläche 4 auf, beispielsweise eine abgedrehte Oberfläche 17. Die Bremsscheibe 19 wird dann, beispielsweise mittels einer Robotik, beispielsweise einem sogenannten Industrieroboter oder Gelenkarmroboter wie aus der Kraftfahrzeug-Fertigung bekannt, auf dem Werkzeugfutter 3 aufgesetzt. In Schritt ii. wird die Bremsscheibe 19 in dem Werkzeugfutter 3 eingespannt und gehalten.
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In einem (rein optionalen) Schritt iii. wird die Bremsscheibe 19 nun von der Messeinheit 7 vor Beginn des Auftragens der Veredelungsschicht 6 eingemessen.
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Nun wird in einem Schritt iv. die erste Seite (Behandlungsoberfläche 4) beschichtet (Schritt a.) und zeitgleich zumindest die erste Seite (Behandlungsoberfläche 4) (Schritt b.) eingemessen.
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In einem (rein optionalen) Schritt v. wird die Bremsscheibe 19 von der Messeinheit 7 nach Abschluss des Auftragens der Veredelungsschicht 6 (und bevorzugt nach einer zum Auskühlen ausreichenden Zeit) eingemessen. Bevorzugt wird dabei ein Protokoll über das eingemessene (beispielsweise beidseitige) Höhenprofil 8,12 (nach dem Auftragen und bevorzugt nach dem Auskühlen) erstellt und/oder eine bildliche Darstellung zur menschlichen und/oder computergestützten Überprüfung ausgegeben.
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Nun wird in Schritt vi. die Bremsscheibe 19 aus dem Werkzeugfutter 3 entnommen und gedreht wieder aufgespannt, also umgespannt. Dies erfolgt bevorzugt ebenfalls mittels einer Robotik.
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In den nachfolgenden Schritten wird das Verfahren wiederholt, wobei der optionale Schritt vii. dem Schritt iii. und der optionale Schritt ix. dem Schritt v. jeweils mit der zweiten Seite (zuvor die Rückseite 14) als Behandlungsoberfläche 4 entspricht. Ebenso entspricht Schritt viii. dem Schritt iv., wobei hier die Rückseite 14 (erste Seite) bereits eine Veredelungsschicht 6 aufweist.
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An das Messverfahren schließt sich in Schritt x. ein Entnehmen und Überführen der Bremsscheibe 19 (beispielsweise mittels der genannten Robotik) in eine Vorrichtung zum Nachbehandeln an, beispielsweise eine Schleifmaschine.
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Bevorzugt wird in den Schritten iii., v., vii. und ix. ein Protokoll über das eingemessene (beispielsweise beidseitige) Höhenprofil 8,12 (vor dem Auftragen) erstellt und/oder eine bildliche Darstellung zur menschlichen und/oder computergestützten Überprüfung ausgegeben.
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In 5 ist ein Kraftfahrzeug 20 mit Bremsscheiben 19 in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Das Kraftfahrzeug 20 weist vier Räder 29 auf, wobei jeweils zwei Räder 29 auf einer gemeinsamen Radachse gegenüberliegend angeordnet sind. In diesem Beispiel weist jedes der Räder 29 eine Bremsscheibe 19 auf, wobei Rad 29 und Bremsscheibe 19 drehmomentfest verbunden sind.
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Beispielsweise ist auf jeder der beiden axial-gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe 19 mittels der in 1 und 2 gezeigten Beschichtungsvorrichtung 1 und des in 4 gezeigten Messverfahrens eine (eingemessene) Veredelungsschicht 6 aufgetragen. An jeder der Bremsscheiben 19 ist ein Paar Bremsklötze 30 angeordnet, wobei die Bremsklötze 30 fest mit der Fahrzeugkarosserie verbunden sind. Zum Entschleunigen des Kraftfahrzeugs 20 wird (jeder oder einzeln geregelt) ein jeweiliger Bremsklotz 30 gegen die jeweilige Bremsscheibe 19 gepresst. Die Bremsenergie wird zu einem großen Teil als Abwärme in die jeweilige Bremsscheibe 19 eingetragen, weshalb die Veredelungsschicht 6 unter hohen Temperaturen und hoher Scherlast und hohem Druck belastet wird. Die Veredelungsschicht 6 muss diesem Belastungsfall standhalten.
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Die hier vorgeschlagene Beschichtungsvorrichtung erlaubt ein Einmessen während des Auftragens einer Veredelungsschicht auf einem Werkstück und damit eine enorme Steigerung der Prozesssicherheit und Genauigkeit des Beschichtens.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beschichtungsvorrichtung
- 2
- Werkstück
- 3
- Werkzeugfutter
- 4
- Behandlungsoberfläche
- 5
- Beschichtungseinheit
- 6
- Veredelungsschicht
- 7
- Messeinheit
- 8
- erstes Höhenprofil
- 9
- Vorschubrichtung
- 10
- erste Teileinheit
- 11
- zweite Teileinheit
- 12
- zweites Höhenprofil
- 13
- Messachse
- 14
- Rückseite
- 15
- Einmesskoordinate
- 16
- Beschichtungskoordinate
- 17
- Oberfläche
- 18
- Höhe
- 19
- Bremsscheibe
- 20
- Kraftfahrzeug
- 21
- Außendurchmesser
- 22
- Rotationsachse
- 23
- Rotationsantrieb
- 24
- Beschichtungsachse
- 25
- Bearbeitungskegel
- 26
- Vorschubachse
- 27
- Rotationsbewegung
- 28
- Lichtvorhang
- 29
- Rad
- 30
- Bremsklotz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011100456 A1 [0009]
- DE 102018120897 A1 [0061]
