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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lichtbogendrahtspritzen,
wobei zwischen jeweiligen Enden zweier Elektroden ein Lichtbogen
durch Anlegen einer Spannung erzeugt wird, wobei zumindest eine
der Elektroden im Bereich des Lichtbogens geschmolzen und zur Aufrechterhaltung
des Lichtbogens nachgeführt wird, wobei geschmolzene Partikel in
Richtung einer zu beschichtenden Innenfläche eines Hohlkörpers
transportiert und auf der Innenfläche angelagert werden,
wobei der Spritzvorrichtung zumindest ein Brenngas zugeführt
wird, das in einer Brennkammer verbrannt wird und durch eine durch die
Verbrennung bedingte Expansion von Verbrennungsgasen die geschmolzenen
Partikel in Richtung der Innenfläche beschleunigt, wobei
zumindest ein Teil der Spritzvorrichtung zum Beschichten der Innenfläche
rotiert wird.
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Bei
der Herstellung von Verbrennungsmotoren wird aus Gründen
der Energieeffizienz und der Emissionsreduzierung eine möglichst
geringe Reibung und eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit angestrebt.
Hierzu werden Motorbauteile, wie zum Beispiel Zylinderbohrungen,
Ventilsitze und Lagersitze mit Schichten versehen, die mittels thermischen Spritzens,
insbesondere Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht werden. Üblicherweise
wird beim Lichtbogendrahtspritzen zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen
ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Dabei schmelzen
die Drahtspitzen ab und werden beispielsweise mittels eines Zerstäubergases
auf die zu beschichtende Oberfläche, beispielsweise die
Zylinderwand, befördert, wo sie sich anlagern.
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Aus
der
DE 10 2004
040 460 A1 ist ein Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen
zur Abscheidung von Werkstoffschichten, insbesondere Gleitschichten,
bekannt, wobei der Spritzvorrichtung mindestens ein sauerstoffhaltiges
Zerstäubergas und ein Brenngas zugeführt werden,
wobei das Brenngas in einer Brennkammer in unmittelbarer Nähe
oder hinter dem Lichtbogen unter Einwirkung eines Teils des sauerstoffhaltigen
Zerstäubergases verbrennt und nach dem Austritt aus der
Düse einen Flammstrahl erzeugt, wobei durch Oxidation der
metallischen Komponenten des Spritzstrahls zumindest auf der Oberfläche
der Spritztropfen eine Metalloxidschicht gebildet wird.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum
Lichtbogendrahtspritzen, insbesondere zum Beschichten einer Innenfläche
eines Hohlkörpers, anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
einem Verfahren zum Lichtbogen-Drahtspritzen mittels einer erfindungsgemäßen Spritzvorrichtung
wird zwischen jeweiligen Enden zweier Elektroden ein Lichtbogen
durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Zumindest eine der Elektroden
wird im Bereich des Lichtbogens geschmolzen und zur Aufrechterhaltung
des Lichtbogens nachgeführt. Insbesondere werden beide
Elektroden geschmolzen und nachgeführt. Geschmolzene Partikel werden
in Richtung einer zu beschichtenden Innenfläche eines Hohlkörpers
transportiert und auf der Innenfläche angelagert. Der Spritzvorrichtung
wird dabei zumindest ein Brenngas zugeführt, das in einer Brennkammer
verbrannt wird und durch eine durch die Verbrennung bedingte Expansion
von Verbrennungsgasen die geschmolzenen Partikel in Richtung der
innenfläche beschleunigt. Zumindest ein Teil der Spritzvorrichtung
wird zum Beschichten der Innenfläche rotiert. Die Elektrode
bzw. die Elektroden wird/werden in einem im rotierbaren Teil angeordneten
Brennerkopf vor ihrem Ende um etwa 90° umgelenkt. Die Brennkammer
ist ebenfalls im rotierbaren Teil angeordnet. Die Verbrennung des
Brenngases in der integrierten Brennkammer erzeugt eine Expansion
der entstehenden Verbrennungsgase, die die geschmolzenen Partikel
erheblich mehr beschleunigen als das üblicherweise beim
Lichtbogendrahtspritzen verwendete Zerstäubergas. Somit
ist eine bessere Fokussierung der Partikel (kleinerer Partikelstrahlwinkel)
einhergehend mit einer besseren Schichtqualität sowie dichteren
Schichten (geringere Porosität) aufgrund der höheren
Partikelgeschwindigkeit und geringerem Overspray sichergestellt.
Mit Overspray ist das unerwünschte Anlagern von Partikeln
außerhalb eines zum Beschichten vorgesehenen Bereiches
gemeint. Durch den höheren Druck der Verbrennungsgase mit
entsprechend höherer kinetischer Energie ergibt sich eine
geringe Partikelgröße und eine entsprechend homogene
Schicht.
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Nachdem
die Elektroden im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse
der Spritzvorrichtung dem Brennerkopf zugeführt worden
sind, werden sie im Brennerkopf um etwa 90° seitwärts
umgelenkt, bevor an ihren Enden der Lichtbogen gezündet wird.
Hierdurch lässt sich der Brennerkopf bei Einhaltung eines
nahezu optimalen Spritzwinkels besonders kompakt so gestalten, dass
Hohlkörper mit besonders kleinem Innendurchmesser beschichtbar sind.
Erst die 90°-Umlenkung ermöglicht einen Spritzwinkel
von etwa 90° zur Rotationsachse.
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Die
erfindungsgemäße Spritzvorrichtung umfasst Mittel
zum Führen der zwei Elektroden. Im Brennerkopf ist eine
Umlenkvorrichtung zum Umlenken der Elektrode vor ihrem Ende um etwa
90° vorgesehen. Ohne die 90°-Umlenkung wäre
die Spritzvorrichtung praktisch nur zur Außenbeschichtung und
nicht zur Innenbeschichtung von Hohlräumen verwendbar.
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Der
rotierbare Teil wird auch als Brennerlanze bezeichnet und ist beliebig
am feststehenden Teil austauschbar.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird das Brenngas mittels
einer im rotierenden Teil vorgesehenen Hochspannungszündvorrichtung
gezündet, die eine Zündspule umfasst, der eine
Niederspannung über ein Schleifringpaket zwischen dem rotierenden
Teil und einem feststehenden Teil der Spritzvorrichtung zugeführt
wird. Vorzugsweise ist in der Brennkammer hierzu eine Zündkerze
vorgesehen. Eine Fremdzündung des Brenngases in der Brennkammer
hat, verglichen mit im Lichtbogen oder durch die heißen
Partikel selbstgezündeten Brenngas, den Vorteil, dass die
geschmolzenen Partikel bereits in einen gerichteten Strom der Verbrennungsgase
hinein geleitet werden, womit eine bessere Fokussierung möglich
ist. Verglichen mit einer Anordnung der Zündspule außerhalb
des rotierenden Teils und der Zuleitung einer zum Zünden
erforderlichen Hochspannung über Schleifringpakete ergibt
sich durch die Anordnung der Zündspule im rotierbaren Teil
und der Zuleitung einer Niederspannung zur Zündspule ein
geringerer Isolationsaufwand der Schleifringe, da keine Probleme
mit Durchschlagfestigkeit auftreten. Die Schleifringe können
zueinander einen geringeren Abstand aufweisen, so dass ein Außendurchmesser der
Spritzvorrichtung verringert werden kann, um Hohlkörper
mit besonders kleinen Innendurchmessern zu beschichten. Durch die
Anordnung der Zündspule im rotierbaren Teil wird gleichzeitig
ein externer Platzbedarf verringert.
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Das
rotierende Teil kann so eingestellt werden, dass sich der Lichtbogen
außerhalb einer Rotationsachse des rotierenden Teils befindet.
Hierzu kann beispielsweise eine verstellbare Platte mit Langlöchern
vorgesehen sein, so dass die Platte in verschiedenen Positionen
mit Schrauben befestigt werden kann. Auf diese Weise kann ein Beschichtungsabstand
vom Lichtbogen bis zur zu beschichtenden Innenfläche vergrößert
werden, wobei eine dem aus dem Brennerkopf austretenden Partikelstrahl
gegenüberliegende Rückwand des Brennerkopfes mit
minimalem Abstand zur Innenfläche rotiert.
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Der
Spritzvorrichtung wird zusätzlich zum Brenngas ein Zerstäubergas
zum Transport der Partikel in Richtung der Innenfläche
oder in Richtung der auf die Innenfläche gerichteten Verbrennungsgase zugeführt,
damit ein Flammrückschlag bzw. eine Flammbildung nur in
Spritzrichtung erfolgt.
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Vorzugsweise
wird der Brennkammer zusätzlich zum Brenngas ein sauerstoffhaltiges
Gas zur Verbrennung des Brenngases zugeführt. Ebenso kann
ein sauerstoffhaltiges Zerstäubergas verwendet werden,
wobei ein Teil des Zerstäubergases der Brennkammer zur
Verbrennung des Brenngases zugeführt wird. Der Sauerstoff
zur Verbrennung des Brenngases kann alternativ auch der den Brennerkopf
umgebenden Luft entnommen werden.
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Als
Brenngas wird vorzugsweise Methan verwendet. Methan ist der Hauptbestandteil
von Erdgas und Biogasen und somit kostengünstig verfügbar.
Andere Kohlenwasserstoffe können ebenfalls als Brenngas
verwendet werden.
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Das
Verfahren wird insbesondere angewandt, um als Innenfläche
eine Zylinderwand eines Verbrennungsmotors oder ein Pleuelauge zu
beschichten.
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Die
Elektrode ist vorzugsweise in die Brennerkammer zuführbar
und der Lichtbogen dort zündbar.
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Durch
die genannten Merkmale kann die Spritzvorrichtung so kompakt gestaltet
werden, dass der Brennerkopf einen Durchmesser von circa 50 mm aufweist.
Es ergibt sich eine Spritzvorrichtung mit einer relativ großen
Länge im Verhältnis zum Durchmesser. Auf diese
Weise können Hohlkörper mit besonders kleinen
Innendurchmessern beschichtet werden, die nur geringfügig
oberhalb von 50 mm liegen, da der Aufschmelzpunkt der Partikeln
innerhalb des Durchmessers des Brennerkopfes liegt. Beispielsweise
lassen sich so Zylinderbohrungen und Pleuelaugen oder Pleuelpakete
von Verbrennungsmotoren mit geringen Hubräumen, beispielsweise
für Kleinwagen oder Motorräder, beschichten.
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Die
Spritzvorrichtung ist vorzugsweise modular aufgebaut, um die Wartung
und die separate Austauschbarkeit von Komponenten zu erleichtern und
so eine Eignung für die Serienproduktion zu erreichen.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
modular aufgebaute Spritzvorrichtung,
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2 die
Spritzvorrichtung aus 1 mit Modulen in einer Explosionsdarstellung
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3 ein
Modul Medienversorgung in Explosionsdarstellung,
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4 ein
Modul Schaft in Explosionsdarstellung,
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5 ein
Modul Medienübergabe in Explosionsdarstellung, und
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6 ein
Modul Brennerkopf in Explosionsdarstellung.
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In 1 ist
eine modular aufgebaute Spritzvorrichtung 1 zum Lichtbogen-Drahtspritzen
gezeigt. Die Spritzvorrichtung 1 umfasst ein Modul Medienversorgung 2,
ein Modul Schaft 3, ein Modul Medienübergabe 4 und
ein Modul Brennerkopf 5. Alle Module 2 bis 5 gehören
zu einem rotierbaren Teil der Spritzvorrichtung 1, der
an einem feststehenden Teil (nicht gezeigt) ansetzt.
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2 zeigt
die Spritzvorrichtung 1 aus 1 in einer
Explosionsdarstellung.
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In 3 ist
das Modul Medienversorgung 2 in einer Explosionsdarstellung
gezeigt. Das Modul Medienversorgung 2 dient der Zuführung
verschiedener für das Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen erforderlicher
Medien, wie Gase, elektrische Energie und drahtförmige
Elektroden. Es ist eine verstellbare Platte 6 mit Langlöchern 7 vorgesehen,
die sich in verschiedenen Positionen mittels Schrauben 8 so
befestigen lässt, dass die nachfolgenden Module Schaft 3,
Medienübergabe 4 und Brennerkopf 5 eine
Mittelachse außerhalb einer Rotationsachse des Moduls Medienversorgung 2 erhalten.
Auf diese Weise ist ein Spritzabstand des Brennerkopfes 5 zu
einer Innenfläche eines zu beschichtenden Hohlkörpers
(nicht gezeigt) flexibel variierbar.
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In 4 ist
das Modul Schaft 3 in einer Explosionsdarstellung gezeigt.
Das Modul Schaft 3 ist eine Erweiterungs- und Hilfsbaugruppe
für das Modul Medienversorgung 2, welche dafür
sorgt, dass erforderliche Anschlüsse ausreichend Platz
erhalten. Der Schaft 3 ist an der verstellbaren Platte 6 der
Medienversorgung 2 angeschraubt. Die Medien (Gase, elektrische
Energie, drahtförmige Elektroden) werden im Schaft 3 auf
einen kleineren Durchmesser fokussiert, um einen kompakten Außendurchmesser
der Spritzvorrichtung 1 und insbesondere des Brennerkopfes 5 zu
erreichen. Im Schaft 3 ist eine Zündspule 9 vorgesehen,
der eine Niederspannung über ein Schleifringpaket (nicht
gezeigt) zwischen dem rotierenden Teil und einem feststehenden Teil
der Spritzvorrichtung 1 zugeführt wird. Die Zündspule 9 erzeugt
eine Hochspannung, die im Brennerkopf 5 benötigt
wird.
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In 5 ist
das Modul Medienübergabe 4 gezeigt. Die Aufgabe
der Medienübergabe 4 besteht darin, die Medien
Gas, elektrische Energie und drahtförmige Elektroden zum
Brennerkopf 5 zu transportieren, voneinander zu isolieren
und den Elektroden die zum Zünden eines Lichtbogens im
Brennerkopf 5 erforderliche elektrische Energie zuzuführen.
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In 6 ist
der Brennerkopf 5 in einer Explosionsdarstellung gezeigt.
Der Brennerkopf 5 ist die wichtigste Komponente der Spritzvorrichtung 1.
Der Brennerkopf 5 hat einen Außendurchmesser von
circa 50 mm. Im Brennerkopf 5 ist eine Brennkammer 10 vorgesehen,
dem ein Brenngas zugeführt wird. Die von der Zündspule 9 im
Schaft 3 erzeugte Hochspannung wird mittels einer Zündkerze 11 zum
Zünden des Brenngases in der Brennkammer 10 genutzt. Das
Brenngas ist beispielsweise Methan. Ein zündfähiges
Gemisch ergibt sich beispielsweise unter Hinzugabe von Luft. In
der Brennkammer 10 oder benachbart zur Brennkammer 10 werden
die drahtförmigen Elektroden mittels einer Umlenkvorrichtung 12 um
etwa 90° zur Rotationsachse umgelenkt, bevor die Enden
der Elektroden zum Zünden des Lichtbogens zusammengeführt
werden. Zumindest eine der Elektroden, vorzugsweise beide wird/werden
im Bereich des Lichtbogens geschmolzen und zur Aufrechterhaltung
des Lichtbogens nachgeführt. Geschmolzene Partikel werden
durch die Expansion von bei der Verbrennung des Brenngases entstehenden
Verbrennungsgasen in Richtung R der zu beschichtenden Innenfläche
des Hohlkörpers transportiert und auf der Innenfläche
angelagert. Der rotierbare Teil der Spritzvorrichtung 1 wird
dabei rotiert.
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In
der Brennkammer 10 sind Keramikdüsen 13a vorgesehen,
mit denen die Verbrennungsgase ausgerichtet werden sowie eine Keramikdüse 13b, welche
einen Flammrückschlag verhindert.
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Es
kann alternativ nur eine drahtförmige Elektrode zugeführt
werden, während die zweite Elektrode feststehend ist und
sich nicht verbraucht oder nicht zur Partikelbildung beiträgt.
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Das
Brenngas kann alternativ durch den Lichtbogen oder durch die geschmolzenen
Partikel selbstgezündet werden.
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Die
verstellbare Platte 6 ist alternativ auch so einstellbar,
dass die Mittelachse der Module 3, 4 und 5 oder
der Lichtbogen mit der Rotationsachse fluchtet.
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Der
Spritzvorrichtung 1, insbesondere dem Lichtbogen, wird
zusätzlich zum Brenngas ein Zerstäubergas zum
Transport der Partikel in Richtung R der Innenfläche oder
in Richtung der auf die Innenfläche gerichteten Verbrennungsgase
zugeführt.
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Der
Brennkammer 10 kann zusätzlich zum Brenngas ein
sauerstoffhaltiges Gas zur Verbrennung des Brenngases zugeführt
werden. Ebenso kann ein sauerstoffhaltiges Zerstäubergas
verwendet werden, wobei ein Teil des Zerstäubergases der Brennkammer 10 zur
Verbrennung des Brenngases zugeführt wird. Der Sauerstoff
zur Verbrennung des Brenngases kann alternativ auch der den Brennerkopf 5 umgebenden
Luft entnommen werden.
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Als
Brenngas wird vorzugsweise Methan oder Propan verwendet. Andere
Kohlenwasserstoffe können ebenfalls als Brenngas verwendet
werden.
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Außerdem
kann ein Shroudgas zugeführt werden, mit dem das Material,
welches die Brennkammer umfasst, gekühlt wird. In diesem
Fall umfließt das Shroudgas die Brennkammer und tritt nach der
Keramikdüse 13b in den „Hauptgasfluss"
ein und dient dann als Mantel, der den Spritzstrahl einengt und
die äußere Düse 99 vor zu starker
Verschmutzung (Anlagerung von Spritzpartikeln) schützt.
Des Weiteren kann das Shroudgas durch Verwendung eines Inertgases
den Spritzstrahl vor der Atmosphäre (z. B. vor Oxidation)
schützen.
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Das
Verfahren wird insbesondere angewandt, um als Innenfläche
eine Zylinderwand eines Verbrennungsmotors oder ein Pleuelauge oder
ein Pleuelpaket zu beschichten.
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Die
Elektrode ist vorzugsweise in die Brennkammer 10 zuführbar
und der Lichtbogen dort zündbar.
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Die
Spritzvorrichtung 1 ist vorzugsweise modular aufgebaut,
kann jedoch auch nur einen einstöckigen rotierbaren Teil
oder einen rotierbaren Teil mit einer abweichenden Anzahl Module
umfassen.
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- 1
- Spritzvorrichtung
- 2
- Medienversorgung
- 3
- Schaft
- 4
- Medienübergabe
- 5
- Brennerkopf
- 6
- verstellbare
Platte
- 7
- Langloch
- 8
- Schraube
- 9
- Zündspule
- 10
- Brennkammer
- 11
- Zündkerze
- 12
- Drahtumlenkung
- 13a,
b
- Keramikdüse
- 99
- äußere
Düse
- R
- Richtung
der zu beschichtenden Innenfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004040460
A1 [0003]