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Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung zur Oberflächenveredelung von einem Werkstück, sowie ein Beschichtungsverfahren mit einer solchen Beschichtungsvorrichtung bei einer Oberflächenveredelung von einem Werkstück.
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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 Auftragen von Veredelungsmaterial in großen Schichtstärken 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 mit einer Auftragsachse zum in einer Region und entlang einer Vorschubrichtung Auftragen einer Veredelungsschicht auf jener Behandlungsoberfläche; und
- - eine optische Überwachungseinheit, mittels welcher in einem Fokusbereich ein Auftragvorgang auf jener Behandlungsoberfläche erfassbar ist.
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Die Beschichtungsvorrichtung ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Fokusbereich der Überwachungseinheit in Vorschubrichtung vor die Region und/oder von geneigt zu der Auftragsachse auf die Region des aktuellen Auftragvorgangs gerichtet ist.
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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) Metalloberfläche, 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 [HVOF; engl. High Velocity Oxygen Fuel]), einem Lichtbogen (beispielsweise PTA) oder einem Laser (Laserauftragschweißen, besonders Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen [EHLA] 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 zum Transport der Pulverpartikel und/oder ein Schutzgas zum Erzeugen einer gewünschten Reaktionsumgebung eingesetzt. Eine Veredelungsschicht ist (statistisch) homogen und/oder aus mehreren (gegebenenfalls 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 zu 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 linear entlang mindestens einer beziehungsweise rotativ um mindestens eine 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 entlang 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 optische Überwachungseinheit umfasst, welche zum Erfassen (in einem Fokusbereich) des Auftragvorgangs (mittels der Beschichtungseinheit) auf der Behandlungsoberfläche eingerichtet ist. Die optische Überwachungseinheit ist auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet, sodass die Vorgänge beim Auftragen von dem Beschichtungsmaterial optisch erfasst werden. Der Auftragsvorgang ist somit in-situ überwachbar und damit eine Qualität des aufgetragenen Materials beziehungsweise der Verbindung des aufgetragenen Materials mit der Behandlungsoberfläche des Werkstücks während des Fertigungsprozesses überwachbar.
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Hier ist nun vorgeschlagen, dass der Fokusbereich der Überwachungseinheit in eine Ausführungsform vor der Region, in welcher der Auftragsvorgang gerade stattfindet, gerichtet ist. Es ist somit überwachbar, in welchem Zustand die Behandlungsoberfläche ist, beziehungsweise ob hier bereits aufgrund eines Fehlers beim Auftragen bereits eine Beschichtung stattgefunden hat (beispielsweise Spritzer bei einer Fehl-Zufuhr des Beschichtungsmaterials).
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In einer anderen Ausführungsform ist der Fokusbereich von einem Winkel zu der Auftragsachse der Beschichtungseinheit ausgerichtet, sodass hierüber eine Höheninformation entnehmbar ist und/oder eine Verfälschung der Messung infolge einer Hitzequelle der Beschichtungseinheit (beispielsweise einer Flamme oder eines Laserstrahlen) vermieden ist.
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In einer Ausführungsform ist sowohl der Fokusbereich vor der Region des Auftrags als auch der im Winkel der Überwachungseinheit auf den Fokusbereich zu der Auftragsachse geneigt ausgerichtet.
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Beispielsweise ist eine Sichtlinie einer Überwachungseinheit auf den Fokusbereich um einen Winkel zwischen 15° [fünfzehn Grad von 360°] und 75°, bevorzugt zwischen 30° und 60°, besonders bevorzugt bei etwa 45° zu der Auftragsachse gerichtet, wobei die Auftragsachse bevorzugt flächennormal zu der Behandlungsoberfläche ausgerichtet ist.
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Ein besonderes Augenmerk bei dem Auftragvorgang liegt bei dieser Überwachungseinheit bei einem Erfassen der Temperatur, sowie einer Höhe (also Schichtdicke) der aufgebrachten Veredelungsschicht.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die optische Überwachungseinheit zu der Beschichtungseinheit synchronisiert bewegt wird, beispielsweise mittels der (optionalen) Zustellvorrichtung zum Bewegen der Beschichtungseinheit gemeinsam bewegt oder zu dieser gekoppelt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels der Messeinheit zudem zumindest eine der folgenden 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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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, dass weiterhin eine nachlaufende Überwachungseinheit mit einem nachlaufenden Fokusbereich vorgesehen ist, wobei der nachlaufende Fokusbereich in Vorschubrichtung hinter die Region des aktuellen Auftragvorgangs gerichtet ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist zusätzlich eine nachlaufende Überwachungseinheit vorgesehen, welche also das Ergebnis des Auftragvorgangs erfasst. Dies findet bevorzugt in einer unmittelbaren Nähe zu dem Auftragvorgang statt, wobei dies abhängig von einer Prozessgeschwindigkeit und einer (Temperatur- und/oder Verfestigung-) Abklinggeschwindigkeit beim Materialauftrag ausgelegt ist. Beispielsweise ist der Abstand derart gewählt, dass ein Zeitabstand zwischen dem Auftragvorgang und der zugehörigen Erfassung mittels der nachlaufenden Überwachungseinheit weniger als 1 s [eine Sekunde] beträgt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist auch die nachlaufende Überwachungseinheit unter einem Winkel zu der Auftragsachse geneigt ausgerichtet, bevorzugt unter dem gleichen beziehungsweise gespiegelten Winkel zu der Auftragsachse.
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Mittels der nachlaufenden Überwachungseinheit ist eine Abkühlung des aufgetragenen Materials sowie (bevorzugt zugleich) eine Höhe des aufgetragenen Materials, also eine Schichtdicke, erfassbar. In einer bevorzugten Ausführungsform ist mittels eines weiteren Sensors eine (thermische) Verformung der Behandlungsoberfläche erfassbar und somit die Veränderung jener von der nachlaufenden Überwachungseinheit erfassten Höhe und die Veränderung der Höhe der Behandlungsoberfläche voneinander subtrahierbar, umso die exakte Schichtdicke bestimmen zu können. Diese Information ist für einen nachgelagerten Schleifprozess besonders vorteilhaft, weil hiermit eine dünnste Stelle der Veredelungsschicht feststellbar ist und somit festgelegt werden kann, wie viel Material abgetragen werden muss und bevorzugt im Vorlauf wie viel Material weiter aufgetragen werden muss. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Messdaten für das Werkstück gespeichert und als elektronische Information dem Werkstück individuell zugeordnet und für einen Abnehmer (Kunden) des Werkstücks bereitgestellt, sodass dieser detaillierte Informationen über die Qualität des Werkstücks beziehungsweise seiner Veredelungsschicht erhält, ohne dass hierzu eine (möglicherweise zerstörende) Prüfung des Werkstücks notwendig ist, sowie anstelle einer Stichproben-Prüfung eine 100%-Prüfung für jedes Werkstück vorliegt.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der
Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, dass die Beschichtungsvorrichtung einen Auftragslaser umfasst und weiterhin eine axiale Überwachungseinheit vorgesehen ist,
wobei die axiale Überwachungseinheit in den Auftragslaser eingekoppelt ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist ausgenutzt, dass durch den Auftragslaser bereits eine optische Sichtachse auf die Behandlungsoberfläche besteht, welche durch einen geeigneten (geneigten) transluzenten Spiegel ein Einkoppeln einer Überwachungseinheit ermöglicht. Es sei darauf hingewiesen, dass unterschiedliche optische Messverfahren und somit eine Mehrzahl von Überwachungseinheiten in die Auftragsachse einkoppelbar sind und somit mehrere Informationen aufgenommen werden können, wie beispielsweise eine aktuelle Temperatur und Materialauftrag (beispielsweise ein Pulverspritzbild eines zugeführten Beschichtungsmaterials). In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Messdaten (beispielsweise eine Punktwolke) bildlich aufgearbeitet.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, dass zumindest eine der Überwachungseinheiten eine Video-Kamera und/oder ein Pyrometer umfasst.
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Hier ist vorgeschlagen, dass zumindest eine der optischen Überwachungseinheiten zur Temperaturerfassung eingerichtet ist, nämlich als sogenannter Pyrometer. In einer Ausführungsform ist zumindest eine der Überwachungseinheiten eine Video-Kamera, sodass sich für ein menschliches Auslesen oder eine gesteuerte Regelung eine hohe Anzahl an Informationen erheben lassen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Video-Kamera eine Wärmebildkamera und somit sind zusätzlich eine Temperaturinformation über die erfassten Elemente auf dem Videobild entnehmbar.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, dass das Werkstück ein Rotationswerkstück ist, bevorzugt eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug.
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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 Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche der Bremsscheibe eine Höhendifferenz von maximal 10 µm [zehn Mikrometer] bis 200 µm über der gesamten Fläche der Behandlungsoberfläche auf. Damit ist eine solche Abweichung in einem für den Endzustand der Bremsscheibe zulässigen Bereich und es ist nicht notwendig, aufgrund der Unebenheit in der Veredelungsschicht Material 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 (beispielsweise wie sie bereits auf der Behandlungsoberfläche vorliegt beziehungsweise vor dem Beschichtungsverfahren vorlag), wobei bevorzugt mittels des oben beschriebenen Überwachungsverfahrens 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 in das Beschichtungsverfahren integrierte Überwachungsverfahren möglich, weil die Überwachungseinheit und die Beschichtungseinheit zueinander referenziert sind und somit auf eine Abweichung im Auftragvorgang (beispielsweise unmittelbar beim Auftragen) reagiert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Beschichtungsverfahren bei einer Oberflächenveredelung von einem Werkstück mittels einer Beschichtungsvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, wobei während in dem Werkzeugfutter ein Werkstück gehalten ist, das Beschichtungsverfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- a. mittels der Beschichtungseinheit, Auftragen einer Veredelungsschicht auf jener Behandlungsoberfläche entlang der Vorschubrichtung; und
- b. mittels der zumindest einen Überwachungseinheit, Erfassen des Auftragvorgangs gemäß Schritt a. auf der Behandlungsoberfläche.
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Das hier vorgeschlagene Beschichtungsverfahren erlaubt ein Überwachen 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 Überwachungsverfahrens zumindest optional Bezug genommen.
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In Schritt a. wird zunächst mittels der Beschichtungseinheit eine Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche aufgetragen, wobei der Auftragvorgang entlang einer Vorschubrichtung stattfindet. Bei einer Bremsscheibe wird beispielsweise die Bremsscheibe von einem Werkzeugfutter eingespannt und um ihre Rotationsachse rotiert und die Beschichtungseinheit verläuft radial nach außen (Vorschubrichtung), sodass die Veredelungsschicht etwa Spiral-artig auf der Behandlungsoberfläche der Bremsscheibe aufgebracht wird. Bei einem Kolben wird der Kolben bevorzugt ebenfalls um seine Rotationsachse rotiert und die Vorschubrichtung der Beschichtungseinheit ist parallel zu der Kolbenachse ausgerichtet, sodass die Veredelungsschicht Schrauben-artig auf der Behandlungsoberfläche des Werkstücks aufgebracht wird.
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Im Schritt b. wird die Behandlungsoberfläche überwacht, wobei Schritt b. vor, während oder nach Schritt a. ausgeführt wird. Bevorzugt wird das Erfassen zeitgleich ausgeführt und es liegt lediglich durch die räumliche Zuordnung (vorlaufend im Fokusbereich in der Region des Auftrags aktuellen Auftragvorgangs oder nachlaufend) ein zeitlicher Versatz zu dem jeweils aktuellen Auftragvorgang vor.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Beschichtungsverfahrens vorgeschlagen, dass beim Erfassen des Auftragvorgangs in Schritt b. zumindest eine der folgenden Informationen ermittelt wird, nämlich eine aktuelle Temperatur und/oder ein Höhenprofil:
- - in der Region des aktuellen Auftragens;
- - in einem Vorlaufabstand in Vorschubrichtung vor der Region des aktuellen Auftragens; und
- - in einem Nachlaufabstand in Vorschubrichtung hinter der Region des aktuellen Auftragens.
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Mittels des hier vorgeschlagenen Beschichtungsverfahrens beziehungsweise der Überwachung innerhalb des Beschichtungsverfahrens wird in der Region des aktuellen Auftragens (bevorzugt mittels eines in die Auftragsachse eingekoppelten Lichtsensors), in einem Vorlaufabstand (bevorzugt unter einem Winkel zu der Auftragsachse) und/oder in einem Nachlaufabstand zu der Region, in welcher aktuell das Auftragen stattfindet, die aktuelle Temperatur und/oder ein Höhenprofil erfasst. Auch hierzu wird auf die entsprechende obige Beschreibung verwiesen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Beschichtungsverfahrens werden die erfassten Informationen zu einem Werkstück-festen Koordinatensystem referenziert und gespeichert, beispielsweise als eine Punktwolke, wobei jeder Punkt einer Information (beispielsweise Temperatur und/oder Höhe) entspricht. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind diese qualifizierten Informationen zumindest für ein anschließendes Nachbearbeitungsverfahren (beispielsweise Schleifen) erhalten, beispielsweise indem von einem Roboterarm die Ausrichtung des Werkstücks weiterhin bekannt bleibt oder indem das Werkstück eine aufgebrachte oder inhärente Bezugsmarke aufweist, zu welcher die kartierten Informationen wiederholt exakt ausgerichtet werden können. Ganz besonders bevorzugt werden diese Daten gespeichert (bevorzugt kartiert) und einem Kunden zur Verfügung gestellt.
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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 eingespanntem Werkstück; und
- 2: ein Kraftfahrzeug mit Bremsscheiben in einer schematischen Draufsicht.
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In 1 ist eine Beschichtungsvorrichtung 1 mit eingespanntem Werkstück 2 gezeigt. Beispielsweise ist das Werkstück 2 ein Rotationswerkstück 19, beispielsweise eine Bremsscheibe 20 mit einer Rotationsachse 24, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen 21 eingesetzt ist (vergleiche 2). Das Werkstück 2 umfasst eine (darstellungsgemäß obere) Behandlungsoberfläche 4, auf welcher in dem gezeigten Zustand eine Veredelungsschicht 9 mittels der Beschichtungsvorrichtung 1 auftragbar ist. Das Werkstück 2 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 24 und das Werkstück 2 ist koaxial zu der Rotationsachse 24 ausgerichtet. Zu der Behandlungsoberfläche 4 ist somit die Rotationsachse 24 normal ausgerichtet.
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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 24 ausgerichtete Auftragsachse 6 auf. Rein optional umfasst die Beschichtungseinheit 5 einen senkrecht zu der Auftragsachse 6 beabstandet angeordneten Auftragslaser 16, wobei dann mittels eines rein optional angewinkelten ersten transluzenten Spiegels 25 der Auftragslaser 16 innerhalb der Beschichtungseinheit 5 koaxial zu der Auftragsachse 6 umgelenkt ist. Das Werkstück 2 wird dann um die Rotationsachse 24 rotiert (beispielsweise mittels eines hier nicht dargestellten Rotationsantriebs des Werkzeugfutters 3) und rein optional verfährt die Beschichtungseinheit 5 mit einer Vorschubrichtung 8 nach radial-außen (darstellungsgemäß nach rechts), sodass die Veredelungsschicht 9 etwa Spiral-artig auf der Behandlungsoberfläche 4 innerhalb einer vordefinierten aktuellen Region 7 auf dem Werkstück 2 aufgebracht wird.
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Hier umfasst nun die Beschichtungsvorrichtung 1 rein optional zwei axiale Überwachungseinheiten 10, zwei geneigte Überwachungseinheiten 11 sowie eine nachlaufende Überwachungseinheit 12, mittels welcher der Auftragvorgang (mittels der Beschichtungseinheit 5) auf der Behandlungsoberfläche 4 erfasst ist. Die optischen Überwachungseinheiten 10,11,12 sind dazu auf die Oberfläche des Werkstücks 2 gerichtet. Jeder der Überwachungseinheiten 10,11,12 ist ein korrespondierender Fokusbereich 13,14,15 zugeordnet.
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Die erste axiale Überwachungseinheit 10 ist rein optional als ein Pyrometer 18 ausgeführt, welche koaxial zu der Auftragsachse 6 angeordnet ist und beispielsweise in der Beschichtungseinheit 5 integriert ist. Die (zwei) darstellungsgemäß darunter angeordneten Spiegel 25,26 sind rein optional transluzent ausgeführt, sodass der aktuelle Fokusbereich 13 für das Pyrometer 18 durch die Spiegel 25,26 hindurch erfassbar ist und eine Temperaturerfassung der aufgebrachten Veredelungsschicht 9 durchführbar ist. Die zweite axiale Überwachungseinheit 10 ist rein optional eine Video-Kamera 17, welche darstellungsgemäß rechts und senkrecht zu der Auftragsachse 6 beabstandet angeordnet ist. Mittels eines zweiten transluzenten Spiegels 26 ist dann die axiale Überwachungseinheit 10 in die Auftragsachse 6 einkoppelbar, sodass beispielsweise ein Pulverspritzbild eines zugeführten Beschichtungsmaterials erfassbar ist. Beide axialen Überwachungseinheiten 10 sind auf der aktuellen Fokusbereich 13 ausgerichtet, also unmittelbar auf die Region 7, in welcher der Auftragvorgang stattfindet.
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Weiterhin ist eine erste geneigte Überwachungseinheit 11 vorgesehen, rein optional als Video-Kamera 17 ausgeführt, welche in einem vordefinierten Winkel zu der Auftragsachse 6 angeordnet ist. Diese geneigte Überwachungseinheit 11 ist dazu auf einen vorlaufenden Fokusbereich 15 gerichtet, welcher in einem vordefinierten Vorlaufabstand 22 (gestrichelt dargestellt) zu der Auftragsachse 6 angeordnet ist. Rein optional ist der verlaufende Fokusbereich 15 radial-außerhalb der aktuellen Region 7 angeordnet. Beispielsweise ist mittels dieser geneigten Überwachungseinheit 11 eine Erfassung der Menge des aufgetragenen Materials ermöglicht beispielsweise mittels eines erfassten Höhenprofils. In einer weiteren Ausführungsform ist weiterhin die aktuelle Temperatur in dem vorlaufenden Fokusbereich 15, beispielsweise auf der Behandlungsoberfläche 4, erfasst.
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Rein optional ist hier eine zweite geneigte Überwachungseinheit 11 vorgesehen, welche darstellungsgemäß unterhalb der ersten geneigten Überwachungseinheit 11 angeordnet ist und damit einen größeren Winkel zu der Auftragsachse 6 aufweist. Rein optional ist die zweite geneigte Überwachungseinheit 11 separat von der Beschichtungseinheit 5 angeordnet und umfasst rein optional eine Video-Kamera 17 und ein Pyrometer 18, wobei hier rein optional nochmals der aktuelle Fokusbereich 13 erfasst ist. Beispielsweise ist somit ermöglicht, die Temperatur, sowie die Höhe (also die Schichtdicke) der unmittelbar aufgebrachten Veredelungsschicht 9 in der aktuellen Region 7 zu erfassen.
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Hier ist nun weiterhin eine nachlaufende Überwachungseinheit 12 vorgesehen, welche darstellungsgemäß rechts und rein optional separat der Beschichtungseinheit 5 und geneigt zu der Auftragsachse 6 angeordnet ist. Rein optional ist dazu der nachlaufende Fokusbereich 14 radial-innerhalb mittels eines Nachlaufabstands 23 zu der Auftragsachse 6 angeordnet. Mittels der nachlaufenden Überwachungseinheit 12 ist eine Abkühlung des aufgetragenen Materials sowie rein optional zugleich eine Höhe des aufgetragenen Materials, also eine Schichtdicke, erfassbar.
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In 2 ist ein Kraftfahrzeug 21 mit Bremsscheiben 20 in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Das Kraftfahrzeug 21 weist vier Räder 27 auf, wobei jeweils zwei Räder 27 auf einer gemeinsamen Radachse gegenüberliegend angeordnet sind. In diesem Beispiel weist jedes der Räder 27 eine Bremsscheibe 20 auf, wobei Rad 27 und Bremsscheibe 20 drehmomentfest verbunden sind.
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Beispielsweise ist auf jeder der beiden axial-gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe 20 mittels der in 1 gezeigten Beschichtungsvorrichtung 1 eine Veredelungsschicht 9 aufgetragen. An jeder der Bremsscheiben 20 ist ein Paar von Bremsklötzen 28 angeordnet, wobei die Bremsklötze 28 fest mit der Fahrzeugkarosserie verbunden sind. Zum Entschleunigen des Kraftfahrzeugs 21 wird (jeder oder einzeln geregelt) ein jeweiliger Bremsklotz 28 gegen die jeweilige Bremsscheibe 20 gepresst. Die Bremsenergie wird zu einem großen Teil als Abwärme in die jeweilige Bremsscheibe 20 eingetragen, weshalb die Veredelungsschicht 9 unter hohen Temperaturen und hoher Scherlast und hohem Druck belastet wird. Die Veredelungsschicht 9 muss diesem Belastungsfall standhalten.
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Mit der hier vorgeschlagenen Beschichtungsvorrichtung ist in-line im Beschichtungsverfahren die Auftragsqualität überwachbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beschichtungsvorrichtung
- 2
- Werkstück
- 3
- Werkzeugfutter
- 4
- Behandlungsoberfläche
- 5
- Beschichtungseinheit
- 6
- Auftragsachse
- 7
- aktuelle Region
- 8
- Vorschubrichtung
- 9
- Veredelungsschicht
- 10
- axiale Überwachungseinheit
- 11
- geneigte Überwachungseinheit
- 12
- nachlaufende Überwachungseinheit
- 13
- aktueller Fokusbereich
- 14
- nachlaufender Fokusbereich
- 15
- vorlaufende Fokusbereich
- 16
- Auftragslaser
- 17
- Video-Kamera
- 18
- Pyrometer
- 19
- Rotationswerkstück
- 20
- Bremsscheibe
- 21
- Kraftfahrzeug
- 22
- Vorlaufabstand
- 23
- Nachlaufabstand
- 24
- Rotationsachse
- 25
- erster transluzenter Spiegel
- 26
- zweiter transluzenter Spiegel
- 27
- Rad
- 28
- Bremsklotz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011100456 A1 [0008]
- DE 102018120897 A1 [0030]
