DE19500727C1 - Vorrichtung zum Auftragen elektrochemisch abscheidbarer Schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dabei sollen metallische Schichten auf Oberflächen definiert elektrochemisch aufgetragen werden, um eine zusätzliche Nacharbeitung zu vermeiden.

Aus der Galvanotechnik sind verschiedene Verfahren bekannt. Darunter ist das sogenannte "Tampongalvani­ sieren" durch örtlich begrenztes Bestreichen mit ei­ nem von einem Elektrolyten durchtränkten Werkzeug zur selektiven Beschichtung von Werkstückbereichen geeig­ net (DE-OS 38 40 310).

In der DE-OS 27 00 721 wird ein Verfahren zum Schnellverchromen von zylindrischen Werkstücken be­ schrieben. Dabei wird ein zylindrisches Werkstück, beispielsweise Kolbenringe, gegenüber einer festste­ henden Anode in ein Verchromungsbad geführt und das Werkstück gedreht, um Turbulenzen im Bad zu erzeugen. Dies soll dann zur Erhöhung der Verchromungsgeschwin­ digkeit führen.

Ein galvanisches Verfahren mit einer hohen Beschich­ tungsgeschwindigkeit ist der DE-OS 19 17 371 zu ent­ nehmen. Dabei wird für den Elektrolyten durchlässiges poröses Material benutzt, um die Oberfläche des Me­ tallniederschlages mechanisch zu aktivieren. Das po­ röse Material enthält in Abständen verteilte Aktivie­ rungsteilchen. Diese sollen Versetzungsbereiche bzw. Verlagerungsstellen erzeugen und eine Versetzung des Kristallgittergefüges bewirken. Damit ist das Ziel einer hohen möglichen Stromdichte mit einer schnelleren Ablagerung, bei harten, dichten und glat­ ten Metallüberzügen verbunden.

Insbesondere bei Hartchrombeschichtungen in Schicht­ dicken jenseits von 100 µm, die als Verschleiß- und/ oder Korrosionsschutzschicht eingesetzt werden sol­ len, ist es üblich, Schichten aufzubringen, deren Dicke größer als das gewünschte Endmaß ist. Anschlie­ ßend wird dann die Oberfläche geschliffen, um die Oberfläche zu glätten und das gewünschte Abmaß herzu­ stellen, da es erforderlich ist, die bei der Be­ schichtung auftretende Dickenstreuung zu kompensie­ ren.

Weiter ist es nachteilig, daß bei den bekannten elek­ trochemischen Beschichtungsverfahren die erforderli­ chen Beschichtungszeiten die Wirtschaftlichkeit stark negativ beeinflussen.

Aus der EP 02 57 670 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung auf Lagerlegierungen beschrieben. Dabei wird eine Relativbewegung zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und einem porösen Körper, der im Kontakt mit der Oberfläche steht, vor­ genommen, wobei die Beschichtungsflüssigkeit durch den porösen Körper zuführbar ist.

Eine ähnliche Lösung wird in JP 2 - 217 490 A in Patents Abstracts of Japan C-778, Nov. 15, 1990, Vol. 14/No. 522 beschrieben. Dabei handelt es sich um ein Elektrobeschichtungsverfahren in einer drehbaren Lö­ sungselektrode. Hierbei ist die Oberfläche der dreh­ baren Lösungselektrode mit einem flexiblen porösen Material versehen, die in direkten Kontakt mit dem zu beschichtenden Bauteil gebracht werden kann. Die Be­ schichtungslösung wird dabei in den Kontaktbereich gespritzt.

Aus der US 43 83 909 ist es weiter bekannt, bei der elektrolytischen Beschichtung von Bauteilen die Dicke der aufgetragenen Schicht, mit einer Meßeinrichtung zu überwachen und das Beschichten automatisch zu beenden, wenn die geforderte Schichtdicke erreicht worden ist.

Die Verwendung eines Ultraschallmeßsystems in her­ kömmlichen Badbeschichtungseinrichtungen während der Elektroabscheidung zur Steuerung des Beschichtungs­ prozesses ist in Plating and Surface Finishing, Fe­ bruar 1993, Seiten 57 bis 61, beschrieben.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, die gewünschte Schichtdicke, bei kleiner Dicken­ streuung, innerhalb eines vorgegebenen Toleranzberei­ ches auf Bauteile mit zylindrischer oder rotations­ symmetrischer Kontur/Form elektrochemisch so auf zu­ bringen, daß eine Nachbearbeitung entfallen kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genann­ ten Merkmale gelöst. Weiterbildungen und Ausgestal­ tungen der Erfindung ergeben sich unter Verwendung der in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmale.

Für eine maßgenaue galvanische Beschichtung insbeson­ dere zylindrischer Bauteile ist es günstig, sich um ihre Längsachse drehende rollenförmige Körper aus porösem Material zu verwenden, durch die Elektrolyt gegen die Bauteiloberfläche gesprüht oder gespült wird. Dabei ist das Bauteil kathodisch geschaltet und die Anode aus stromleitendem Material entweder in den/die rollenförmigen Körper aufgenommen oder in deren Nähe angeordnet. Die rollenförmigen Körper wer­ den dabei bevorzugt entgegen der Drehrichtung des ebenfalls gedrehten Bauteils gedreht und berühren die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils.

Während der Beschichtung wird die Dicke der aufgetra­ genen Schicht in bezug auf das gewünschte Endmaß des Bauteils gemessen und die Beschichtung beendet, wenn das gemessene Maß innerhalb einer vorgegebenen Tole­ ranz liegt.

Hierbei kann die Schichtdicke mit berührenden Sonden direkt auf der Oberfläche gemessen werden, die radial zum Bauteil gegen dieses gehalten und bevorzugt mit einem rollenförmigen Körper entlang der Bauteilober­ fläche bewegt werden.

Es können aber auch bekannte berührungslose Meßver­ fahren, wie z. B. induktive, kapazitive oder optische, verwendet oder die Schichtdicke indirekt über die Strommenge bestimmt werden.

Die Beschichtung kann erfindungsgemäß sowohl im getauchten wie auch im nicht ge­ tauchten Zustand erfolgen. Dabei sollten Bauteil und die rollenförmigen Körper zumindest teilweise von ei­ nem Gehäuse umschlossen sein.

Der Elektrolyt und Spülmittel werden über Leitungen aus Behältern über einen Verteiler, bevorzugt durch eine Steuerung dosiert, zugeführt. Hierbei können be­ währte elektronische Steuerungen verwendet werden, die Ventile des Verteilers gezielt öffnen und schlie­ ßen. Die Steuerung kann ebenfalls Einfluß auf den Stromfluß nehmen und mit der Dickenmessung kombiniert sein. So können der Stromfluß und die Zufuhr des Elektrolyten sofort abgeschaltet werden, wenn das ge­ wünschte Endmaß erreicht worden ist.

Mit einer intelligenten Steuerung kann die Einstel­ lung der Abscheidung ortsabhängig eingestellt und so lokal differenzierte Schichtdicken erreicht werden.

Es können auch in ihrer Länge an das zu beschichtende Bauteil angepaßte rollenförmige Körper verwendet wer­ den, die einfach auf den Bewegungsmechanismus auf­ steck- und dort fixierbar sind.

Längere zu beschichtende Bauteile können parallel zur Drehachse der rollenförmigen Körper bewegt und so auf der gesamten Fläche oder auf Teilbereichen beschich­ tet werden. In diesem Fall ist das Gehäuse entspre­ chend gestaltet, und es sind in Längsrichtung Durch­ brüche vorhanden. Ebenso ist es möglich, das Gehäuse in mehrere Kammern zu unterteilen, in denen diskon­ tinuierlich oder kontinuierlich verschiedene Be­ schichtungen/Behandlungen durchgeführt oder verschie­ dene Schichtdicken erzeugt werden. Diskontinuierli­ cher Betrieb bewirkt unterschiedliche Verweilzeiten in den jeweiligen Kammern.

Mit der Bewegung des Bauteils relativ zur Drehachse der porösen Körper kann auch ein spiralförmiger bzw. durch Umkehr der Drehrichtung (vergleichbar dem Hoh­ nen) auch ein kreuzförmiger Schichtauftrag erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird ein Räderumlaufgetriebe verwendet, an dem Bauteil und ein oder mehrere rollenförmige Körper befestigt sind und mit diesem bewegt werden. Für Beschichtungen auf der Außenkontur des Bauteils wird dieses am Sonnenrad und für die Innenbeschichtung von Zylindern am Hohlrad befestigt und parallel zur Drehachse ausgerichtet. Die rollenförmigen Körper werden an den Planetenrä­ dern befestigt und mit diesen entlang der zu be­ schichtenden Oberfläche des Bauteils bewegt und gleichzeitig entgegengesetzt zur Drehrichtung des Bauteils gedreht, so daß die Relativgeschwindigkeit erhöht ist.

Dabei werden die rollenförmigen Körper mit einem vor­ zugebenden Anpreßdruck gegen die Oberfläche des Bau­ teils gedrückt. Hierfür können Federn oder fluidbe­ triebene Mechanismen verwendet werden. Vorteilhaft ist es auch, wenn während des Beschichtungsvorgangs der Anpreßdruck in Abhängigkeit von der bereits auf­ getragenen Schichtdicke bzw. der Schichtqualität va­ riiert wird.

Der Antrieb für die Bewegung des Räderumlaufgetriebes kann bevorzugt extern angeordnet sein, um negative Einflüsse des Beschichtungsverfahrens fernzuhalten. Bevorzugt kann eine Magnetkopplung verwendet werden.

Eine weitere Möglichkeit zur gleichzeitigen Beschich­ tung mehrerer Bauteile mit relativ kleinem Außen­ durchmesser besteht darin, daß diese an den Planeten­ rädern befestigt werden und das Hohlrad Träger eines rollenförmigen porösen Körpers ist, dessen innere Fläche sich berührend um die Bauteile dreht.

Bei der Beschichtung für Innenflächen von Zylindern kann mindestens ein poröser rollenförmiger Körper, sich parallel zur Zylinderlängsachse um eine Achse drehend, durch den Zylinder geführt werden.

Die Vorrichtung mit dem Räderum­ laufgetriebe kann auch für die Beschichtung von rota­ tionssymmetrischen Flächen an Bauteilen verwendet werden. Dabei bewegen sich bevorzugt die Stirnflächen der rollenförmigen Körper über die zu beschichtende Fläche und sollten so angeordnet und dimensioniert sein, daß die gesamte Fläche überstrichen wird.

Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispie­ len näher beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Aufnahme für ein Bauteil an einem Son­ nenrad eines Räderumlaufgetriebes;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Längs­ schnitt unter Verwendung eines Räderumlauf­ getriebes;

Fig. 3 eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit verschiedenen Anodenanord­ nungen und

Fig. 5 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vor­ richtung in Schnittdarstellung mit Behäl­ tern und Zuführung für Elektrolyt und Spül­ mittel.

Die in der Fig. 1 dargestellte Aufnahme 10 für ein nicht dargestelltes Bauteil 1 ist mit dem Sonnenrad 2 eines Räderumlaufgetriebes verbunden. Das Bauteil 1 wird dabei mit Befestigungsmitteln 11 fixiert. Bevor­ zugt sollte eine Dreipunktbefestigung verwendet wer­ den. Hierfür können auch bekannte Schnellspannelemen­ te eingesetzt werden.

Die Schnittdarstellung (Fig. 2) zeigt die Anordnung der rollenförmigen porösen Körper 4. In dieser Dar­ stellung sind zwei Körper 4 erkennbar, es können aber auch ein oder drei Körper 4 an Planetenrädern 3, die sich um das Sonnenrad 2 innerhalb des vom Hohlrad 9 vorgegebenen Kreises drehen, eingesetzt werden. Das Bauteil 1 ist am Sonnenrad 1 befestigt und wird von diesem gedreht. In entgegengesetzter Richtung dazu drehen sich die Planetenräder 3 mit den rollenförmi­ gen Körpern 4, so daß eine gegenläufige Bewegung er­ reicht wird, die gute Beschichtungsvoraussetzungen bewirkt. Die jeweilige Drehrichtung ist der Fig. 3 zu entnehmen. Für das nicht dargestellte Beispiel, daß das Bauteil 1 am Hohlrad 9 befestigt und ausgerichtet ist, trifft ebenfalls die Gegenläufigkeit der Drehbe­ wegung zu.

Der Fig. 4 sind mögliche Anodenanordnungen zu ent­ nehmen. Die Anoden 5 aus stromleitendem Material kön­ nen im Inneren der rollenförmigen Körper 4 angeordnet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, wie dies ebenfalls dieser Figur zu entnehmen ist, die Anoden 5′ in der Nähe der rollenförmigen Körper 4 anzuord­ nen.

Der Fig. 5 ist ein Beispiel für eine erfindungsge­ mäße Vorrichtung in einer anderen Sicht geschnitten dargestellt. Hierbei sind rollenförmige Körper 4 par­ allel zum Bauteil 1 innerhalb eines Gehäuses 6 ausge­ richtet und werden in der vorbeschriebenen Weise ge­ dreht und bewegt. Der Antrieb des ebenfalls nicht dargestellten Getriebes erfolgt extern, bevorzugt über eine Magnetkopplung 14, 15. Die rollenförmigen Körper 4 sind über zumindest teilweise flexible Lei­ tungen 12 über einen Verteiler 8 mit Behältern 7 ver­ bunden, in denen der Elektrolyt und Spülmittel (z. B. Wasser) enthalten ist.

Der Verteiler 8 wird von einer Steuerung beeinflußt, so daß in jeder Stufe des Verfahrens entweder Elek­ trolyt oder Spülmittel dosiert zugeführt wird oder in dem Falle, daß das gewünschte Endmaß erreicht ist, die Abschaltung erfolgt. Die Steuerung 13 kann gleichzeitig auch zur Steuerung/Regelung des Strom­ flusses und zu dessen Abschaltung genutzt werden. Dabei ist es günstig, wenn mit Hilfe der Steuerung auch die Schichtdicke überwacht wird, indem das Meß­ signal der nichtdargestellten Dickenmessung zur Steu­ erung geleitet und dort einem Soll-Ist-Wertvergleich unterzogen wird. Der Sollwert kann in einer Wissens­ basis gespeichert oder von Hand eingegeben werden. Ist er dann während der Beschichtung innerhalb einer ebenfalls vorgebbaren Toleranz erreicht, werden in der besagten Form die Abschaltsignale generiert.

In gleicher Weise kann auch verfahren werden, wenn nicht bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes abge­ schaltet werden soll, sondern lokal differenzierte Schichten aufgetragen werden sollen. Dann wird das Meßsignal auch zur Steuerung der Stromdichte und eventuell auch für die Manipulation der rollenförmi­ gen Körper (4) in bezug auf den Bereich der zu be­ schichtenden Oberfläche genutzt.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Auftragen elektrochemisch ab­ scheidbarer Schichten auf Oberflächen zylindri­ scher oder anderer rotationssymmetrischer, ka­ thodisch geschalteter Bauteile unter Verwendung eines oder mehrerer relativ zum Bauteil bewegbaren rollenförmigen porösen Körper(s), der/die die Oberfläche des Bauteils berührt/berühren, wobei Elektrolyt durch den/die rollenförmigen Körper an das Bauteil gespült oder gesprüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) und der/die rollenförmige(n) Körper (4) an jeweils verschiedenen Elementen eines Räderumlaufgetriebes, dem Sonnenrad (2), dem Hohlrad (9) oder einem oder mehreren Plane­ tenrad/rädern (3) angebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bauteil (1) am Sonnenrad (2) und der/die rollenförmige(n) Körper an einem oder mehreren Planetenrad/rädern (3) angebracht sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bauteil (1) am Hohlrad (9) und der/die rollenförmige(n) Körper (4) an einem oder mehreren Planetenrad/rädern (3) angebracht sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der/die rollenförmi­ ge(n) Körper (4) durch Federdruck gegen die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils (1) gehal­ ten ist/sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der/die rollenförmi­ ge(n) Körper (4) mit einem fluidbetriebenen Ver­ stellmechanismus gegen die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils (1) gehalten ist/sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der/die rollenförmi­ ge(n) Körper (4) in ihrer Länge an die zu be­ schichtende Oberfläche des Bauteils (1) anpaß­ bar ist/sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der/die rollenförmi­ ge(n) Körper (4) einen als Anode geschalteten Kern (5) aus stromleitenden Material aufweist/ aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (5′) aus stromleitendem Material in der Nähe des/der rol­ lenförmigen Körper(s) (4) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb für die Drehbewegung extern angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Antrieb über eine Magnetkopp­ lung (14, 15) erfolgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein poröser rollenförmiger Körper (4) am Hohlrad (9) und Bauteile (1) an Planeten­ rädern (2) so fixiert sind, daß die Innenfläche des rollenförmigen Körpers (4) die zu beschich­ tenden Oberflächen der Bauteile (1) berührt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens ein rollenförmiger Kör­ per (4) durch das Innere eines zylinderförmigen Bauteils (1), die Innenkontur berührend, drehbar bewegbar ist.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine eine Steuerung beeinflussende Einrichtung zur Messung der Schichtdicke vorhanden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der Schichtdicke berührungslos messend ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der Schichtdicke eine die Oberfläche des Bauteils (1) berührende Sonde aufweist.