-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
-
Aus
dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Beschichtung
von Werkstücken
bekannt. Beim sogenannten thermischen Spritzen handelt es sich um
ein Beschichtungsverfahren, bei welchem ein Werkstoff geschmolzen
und sodann auf zum Beispiel eine zu beschichtende Oberfläche des Werkstücks gespritzt
bzw. gesprüht
wird. Da nahezu alle schmelzbaren Werkstoffe verwendet werden können, lassen
sich durch thermisches Spritzen Beschichtungen mit unterschiedlichen
Eigenschaften bzw. Funktionen wie zum Beispiel Wärmedämmung, Korrosionsschutz oder
Verschleißschutz
realisieren.
-
Beim
thermischen Spritzen gibt es nahezu unbegrenzte Kombinationsmöglichkeiten
zwischen dem Werkstoff des zu beschichtenden Gegenstands und dem
für die
Beschichtung zu verwendenden Werkstoff. Abhängig von der verwendeten Wärmequelle,
die zum Schmelzen des Werkstoffs verwendet wird, unterscheidet man
verschiedene thermischen Spritzverfahren, nämlich zum Beispiel das Plasmaspritzen,
Lichtbogenspritzen, Flammspritzen oder auch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen.
-
Bei
den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren des thermischen
Spritzens wird beim Schmelzen sowie Auftragen des Werkstoffs auf
das zu beschichtende Werkstück
ein Trägergas
verwendet. Beim sogenannten Flammspritzen wird der Werkstoff durch
ein heißes
Trägergas
geschmolzen und auf das zu beschichtende Werkstück transportiert. Beim Plasmaspritzen
werden ursprünglich
noch nicht geschmolzene Partikel des Werkstoffs vom Trägergas transportiert
und durch äußere Energieeinwirkung,
z.B. durch Anlegen eines Lichtbogens, im Trägergas aufgeschmolzen.
-
Die
Verwendung eines Trägergases
beim thermischen Spritzen ist mit verschiedenen Nachteilen verbunden.
So sorgt die Verwendung des Trägergases
zum Beispiel für
eine große
Schallabstrahlung bzw. Lärmabstrahlung,
die einen aufwendigen Schallschutz in der Produktionsanlage erforderlich macht.
Weiterhin ist es möglich,
dass bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Strom
des Trägergases
durch Umlenkungen und Verwirbelungen desselben den Aufbau der sich
einstellenden Beschichtung negativ beeinflusst. So können Umlenkungen
und Verwirbelungen des Trägergasstroms
zur Ablagerung nicht-geschmolzener oder wiedererstarrter Partikel
des Werkstoff auf der Oberfläche
des zu beschichtenden Werkstücks
und damit zu einer Verschlechterung der sich einstellenden Beschichtung
führen.
Auch können
nicht-geschmolzene oder wiedererstarrte Partikel des Werkstoffs
am zu beschichtenden Werkstück
abprallen und so in die Atmosphäre
der Arbeitsumgebung innerhalb der Produktionsanlage gelangen. Derartige
Partikel des Werkstoffs können
gesundheitsbedenklich sein, wodurch zusätzliche Sicherungsmaßnahmen
in der Produktionsanlage erforderlich werden.
-
Weiterhin
ist bei den bekannten thermischen Spritzverfahren, bei denen ein
Trägergas
verwendet wird, von Nachteil, dass das heiße Trägergas für eine Erwärmung des zu beschichtenden
Werkstücks sorgt.
Hierdurch können
sich am zu beschichtenden Werkstück
unterschiedliche Temperaturen einstellen, was in manchen Fällen zu
hohen Eigenspannungen am zu beschichtenden Werkstück führt. Hierdurch
ist es möglich,
dass sich eine bereits eingestellte Beschichtung wieder ablöst. Bei
extrem hohen Temperaturen des Trägergases
kann es sogar zu einem partiellen Verdampfen des Werkstoffs kommen,
wodurch sich eine große
Streuung in der Zusammensetzung der Beschichtung einstellt. Die
Eigenschaften der Beschichtung werden negativ beeinträchtigt.
Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung eines Trägergases
besteht darin, dass ein hoher Verbrauch an teurem Trägergas besteht.
So wird als Trägergas nach
dem Stand der Technik vor allem Edelgas eingesetzt.
-
Weiterhin
ist bei Verwendung eines Trägergases
im Zusammenhang mit dem thermischen Spritzen der Beschichtungsvorgang
nicht unter Vakuumbedingungen durchführbar. Es kann zu Reaktionen
des Werkstoffs, z. B. zu Oxidationen an der Oberfläche von
Werkstoffpartikeln, mit Verunreinigungen im Trägergas kommen. Auch hierdurch
kann die Struktur bzw. die Zusammensetzung der sich einstellenden
Beschichtung negativ beeinflusst werden. Soll zum Beispiel bei einem
Niederdruck-Plasmaspritzen das Trägergas zur Erzielung eines
abgesenkten Drucks beim Beschichten abgepumpt werden, so ist ein
hoher Pumpaufwand erforderlich. Auch dies führt zu Kostennachteilen.
-
Die
Patentschrift
DE 810
093 B schützt
eine Vorrichtung zum Erzeugen eines metallischen Sprühstrahls
unter Zufuhr von festem, pulverförmigem
oder geschmolzenem Metall. Der Sprühstrahl wird mechanisch durch
Mitnahme und Abschleudern der Metallpartikel an einer oder zwei
mit hoher Umfangsgeschwindigkeit umlaufenden Scheiben oder Walzen erzeugt.
Die durch die Rotation der Scheiben/Walzen entstehende Luftströmung unterstützt die
Mitnahme der entstehenden Metallpartikel und somit die Strahlbildung.
Im Falle der Metallzufuhr zu den Scheiben/Walzen im festen bzw.
pulverförmigen
Zustand erfolgt ein Erhitzen bzw. Aufschmelzen im elektrischen Lichtbogen.
Es ist vorgesehen, in einer Schutzgasatmosphäre zu arbeiten, um Oxidation auszuschließen. Ein
Einsatz dieser Vorrichtung im Vakuum wird dadurch erschwert bzw.
verhindert, dass kontinuierlich Metall zugeführt werden muss, und dass ein
Lichtbogen zur Plasmabildung eine Gasatmosphäre benötigt.
-
Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
ein neuartiges Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks zu schaffen.
-
Dieses
Problem wird dadurch gelöst,
dass das Eingangs genannte Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
-
Erfindungsgemäß wird der
Werkstoff rotierend bewegt und während
der Rotation geschmolzen, wobei das Schmelzen und anschließende Auftragen
des geschmolzenen Werkstoffs auf das Werkstück trägergaslos erfolgt. Es können sämtlich Nachteile,
die beim Verwendung eines Trägergases
auftreten, vermieden werden.
-
Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine massive,
kreisförmige
Scheibe aus zu schmelzendem Werkstoff rotierend bewegt, wobei der
Werkstoff von einem Rand der Scheibe abgeschmolzen wird. Hierzu
wird auf den Rand der Scheibe in tangentialer Richtung eine Energiequelle gerichtet.
-
Nach
einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird
der abzuschmelzende Werkstoff in einer Trägereinrichtung derart geführt, dass
der Werkstoff über
den Rand der Trägereinrichtung
hervorsteht, wobei der Werkstoff zusammen mit der Trägereinrichtung
rotierend bewegt und dabei abgeschmolzen wird. Hierzu wird in tangentialer
Richtung eine Energiequelle auf den Rand der Trägereinrichtung gerichtet.
-
Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
-
1:
eine stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Beschichtung
eines Werkstücks zur
Verdeutlichung eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
und
-
2:
eine stark schematisierte Darstellung einer alternativen Vorrichtung
zur Beschichtung eines Werkstücks
zur Verdeutlichung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks mittels
thermischem Spritzen. Beim thermischen Spritzen wird ein schmelzbarer
Werkstoff geschmolzen und in geschmolzener Form auf ein zu beschichtendes
Werkstück
gespritzt bzw. gesprüht.
-
Anhand
von 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. So
zeigt 1 ein zu beschichtendes Werkstück 10. Auf das zu
beschichtende Werkstück 10 soll
ein Werkstoff mittels thermischem Spritzen aufgetragen werden. Erfindungsgemäß wird der Werkstoff,
der auf das zu beschichtende Werkstück 10 aufgebracht
werden soll, als massive, kreisförmige
Scheibe 11 bereitgestellt. Die Scheibe 11 aus
dem Werkstoff ist an einer rotierenden Achse 12 befestigt bzw.
gelagert. Über
die Achse 12 wird die Scheibe 11 aus dem Werkstoff
in Drehung versetzt und damit rotierend bewegt. Die Rotation der
Scheibe 11 aus dem Werkstoff ist in 1 durch
den Pfeil 13 dargestellt.
-
Während der
Rotation der Scheibe wird auf einen Rand 14 der Scheibe 11 in
annähernd
tangentialer Richtung eine Energiequelle 15 gerichtet.
So kann zum Beispiel die Energiequelle 15 so ausgewählt werden,
dass ein Laserstrahl oder Elektronenstrahl in tangentialer Richtung
auf den Rand 14 der Scheibe 11 gerichtet wird.
Es jedoch auch denkbar, eine andere Energiequelle zu verwenden.
So kann auf den Rand 14 der Scheibe 11 auch ein
Lichtbogen gerichtet werden.
-
Infolgedessen,
dass auf den Rand 14 der Scheibe 11, die aus dem
zur Beschichtung zu verwendenden Werkstoff gebildet ist, während der
Rotation der Scheibe 11 die Energiequelle 15 einwirkt, wird
bei der Rotation ein Bereich der Scheibe 11 und damit der
Werkstoff geschmolzen. Infolge der Rotation verfügt der geschmolzene Werkstoff über eine ausreichende
Bewegungsenergie, um auf das zu beschichtende Werkstück 10 aufgetragen
zu werden. Es liegt demnach im Sinne der Erfindung, rotierenden Werkstoff
zu schmelzen und auf das zu beschichtende Werkstück 10 aufzutragen.
-
Da
beim Ausführungsbeispiel
gemäß 1 die
Scheibe 11 selbst aus dem zu schmelzenden Werkstoff besteht
und somit die Scheibe 11 abgeschmolzen wird, verringert
sich beim Beschichtungsvorgang der Durchmesser der Scheibe 11.
Die Energiequelle 15 muss demnach derart nachgeführt werden,
dass auch bei einem sich verringernden Außendurchmesser der Scheibe 11 stets
Energie auf den Rand 14 der Scheibe 11 in tangentialer
Richtung angelegt wird.
-
Wie
in 1 anhand der Pfeile 16, 17 dargestellt
ist, wird das zu beschichtende Werkstück 10 während des
Beschichtungsvorgangs vorzugsweise relativ zur rotierenden Scheibe 11 verschoben.
Hierdurch ist es möglich,
mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
auch ein Werkstück 10 mit
einer großen Oberfläche zu beschichten.
-
Mit
der Bezugsziffer 18 sind in 1 von der Scheibe 11 abgeschmolzene
Partikel dargestellt. Eine sich einstellende Beschichtung der Oberfläche des
Werkstücks 10 ist
mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet.
-
Ein
zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird nachfolgend anhand von 2 erläutert. Auch
bei dieser Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
soll ein Werkstück 20 durch
thermisches Spritzen beschichtet werden. Beim Ausführungsbeispiel
gemäß 2 wird
abzuschmelzender Werkstoff in einer als Scheibe ausgebildeten Trägereinrichtung 21 derart
geführt,
dass der Werkstoff über
einen Rand 22 der Trägereinrichtung 21 hervorsteht.
Im Ausführungsbeispiel
der 2 ist der zu schmelzende Werkstoff als drahtförmiges Element 23 ausgeführt. Innerhalb
der Trägereinrichtung 21 wird
das drahtförmige
Element 23, also der Werkstoff, in radialer Richtung geführt, wobei
das drahtförmige
Element 23 über
den Rand 22 der Trägereinrichtung 21 hervorsteht. 2 zeigt einen
Abschnitt 24 des Elements 23, der über den Rand 22 der
Trägereinrichtung 21 hervorsteht.
-
Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird eine Energiequelle 25 auf eine rotierende
Baugruppe in tangentialer Richtung gerichtet, bei der es sich hier
um die Trägereinrichtung 21 handelt.
Der als drahtförmiges
Element 23 ausgebildete Werkstoff wird demzufolge am Rand
der Trägereinrichtung 21 durch
die Energie der Energiequelle 25 abgeschmolzen. In 2 sind
mit der Bezugsziffer 26 derart abgeschmolzene Partikel
des Werkstoffs gekennzeichnet.
-
Da
das drahtförmige
Element 23 aus dem zu schmelzenden Werkstoff zusammen mit
der Trägereinrichtung 21 rotiert
wird, verfügen
auch in diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung die abgeschmolzenen Partikel 26 über eine
ausreichende Bewegungsenergie, um auf das zu beschichtende Werkstück 20 zu
gelangen. Eine sich einstellende Beschichtung des Werkstücks 20 ist
in 2 mit dem Bezugszeichen 27 gekennzeichnet.
-
Wie 2 entnommen
werden kann, wird das drahtförmige
Element 23 aus abzuschmelzendem Werkstoff innerhalb der
Trägereinrichtung 21 in radialer
Richtung und innerhalb einer Achse 28, an der die Trägereinrichtung 21 befestigt
ist, in axialer Richtung geführt.
Die Pfeile 29 in 2 verdeutlichen,
dass das drahtförmige
Element 23 beim Abschmelzen derart nachgeführt wird,
dass das drahtförmige
Element 23 während
des Beschichtungsvorgangs und damit während des Abschmelzens stets gleichmäßig über den
Rand 22 der Trägereinrichtung hervorsteht.
Wird nämlich
das über
den Rand 22 der Trägereinrichtung 21 hervorstehende,
drahtförmige Element 23 abgeschmolzen,
so muss während
des Beschichtungsvorgangs fortlaufend der über den Rand 22 der
Trägereinrichtung 21 hervorstehende Abschnitt 24 des
drahtförmigen
Elements 23 erneuert werden.
-
Auch
beim Ausführungsbeispiel
der 2 wird das zu beschichtende Werkstück 20 während des
Beschichtungsvorgangs im Sinne der Pfeile 30, 31 relativ
zu der rotierenden Trägereinrichtung 21 bewegt.
Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn Werkstücke 20 mit
einer großen
Oberfläche
beschichtet werden sollen.
-
An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass in der Trägereinrichtung 21 mehrere
drahtförmige
Elemente 23 aus zu schmelzendem Werkstoff radial geführt sein
können.
Diese mehreren drahtförmigen
Elemente 23 sind dann vorzugsweise voneinander beabstandet.
-
Auch
ist es möglich,
mehrere Energiequellen 15 bzw. 25 vorzusehen und
auf den Rand der Scheibe 11 bzw. Trägereinrichtung 21 zu
richten.
-
Den
beiden Ausführungsbeispielen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist demnach gemeinsam, dass der Werkstoff, also entweder die Scheibe 11 oder
das drahtförmige
Element 23, rotiert und während der Rotation geschmolzen
wird. Das Schmelzen und anschließende Auftragen des abgeschmolzenen
Werkstoffs erfolgt ohne die Verwendung eines nach dem Stand der
Technik erforderlichen Trägergases.
Das gesamte erfindungsgemäße Verfahren
kann unter Vakuumbedingungen durchgeführt werden. Hierzu muss die
in 1 und 2 dargestellte Anordnung lediglich
in einer Vakuumkammer positioniert werden. Anstelle eines Vakuums kann
die Beschichtung auch unter anderen atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden.
-
Mithilfe
des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
eine Vielzahl von Vorteilen realisierbar. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann unter Vakuum oder einer anderen Prozessgasatmosphäre durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ist durch eine geringe Schallabstrahlung gekennzeichnet. Für alle abgeschmolzenen
Partikel ist eine gleichförmige Auftreffgeschwindigkeit
auf dem zu beschichtenden Werkstück
realisierbar. Hierdurch ist eine Beschichtung mit gleichmäßigen Eigenschaften
erzielbar. Da auf ein Trägergas,
insbesondere auf ein heißes
Trägergas,
verzichtet wird, lässt
sich die Temperatur des zu beschichtenden Werkstücks in geeigneter Weise einstellen,
so dass sich optimale Eigenschaften der Beschichtung ergeben. Eine
Kühlung
des zu beschichtenden Werkstücks
braucht nicht durchgeführt zu
werden.
-
Für den konkreten,
technischen Einsatz kann die rotierende Scheibe bzw. die rotierende
Trägereinrichtung 21 gekapselt
werden. In einem entsprechenden Gehäuse zur Kapselung der Scheibe 11 bzw.
Trägereinrichtung 21 sind
dann vorzugsweise Öffnungen
bzw. Blenden integriert, die als Austrittsdüsen für das abgeschmolzene Beschichtungsmaterial,
nämlich
den abgeschmolzenen Werkstoff, dienen.
-
- 10
- Werkstück
- 11
- Scheibe
- 12
- Achse
- 13
- Pfeil
- 14
- Rand
- 15
- Energiequelle
- 16
- Pfeil
- 17
- Pfeil
- 18
- Partikel
- 19
- Beschichtung
- 20
- Werkstück
- 21
- Trägereinrichtung
- 22
- Rand
- 23
- Element
- 24
- Abschnitt
- 25
- Energiequelle
- 26
- Partikel
- 27
- Beschichtung
- 28
- Achse
- 29
- Pfeil
- 30
- Pfeil
- 31
- Pfeil