-
Die
Erfindung betrifft einen Schichtverbund zur Aufbringung auf einer
zu schützenden Oberfläche, beispielsweise auf
planaren oder gekrümmten Oberflächen.
-
In
der Automobilbranche ist die Beschichtung von Kolben, als planare
oder gekrümmte Oberflächen, wie sie im Wesentlichen
für Verbrennungsmotoren vorgesehen sind, von großem
Interesse. Dieser Schichtverbund soll das Kolbenhemd, das heißt
die Seitenfläche des Kolbens, vor Abrieb während
der Kaltstartphase, dem Einlaufen der Motors und bei Abriss des Ölschmierfilms
im Betriebsmodus schützen und somit die Lebensdauer des
Kolbens deutlich verlängern. Dieser Abrieb ist bei modernen Legierungen
für Aluminiumgussmotoren durch Siliziumpartikel aus der
dadurch harten Innenbeschichtung des Kolbenschafts im Vergleich
zum deutlich weicheren Aluminium der Aluminiumlegierung des Kolbens
besonders hoch. Darüber hinaus ermöglicht die
Beschichtung eine eindeutige Kennzeichnung der Kolben, um sicherzustellen,
dass im Falle von Kundenreklamationen eine Rückverfolgbarkeit
der betroffenen Produkte gewährleistet ist.
-
Die
Beschichtung erfolgt derzeit nicht im Verbund, sondern wird in verschiedenen
Verfahrenstechniken in einem mehrstufigen Ablauf schichtweise auf
das Kolbenhemd aufgebracht. Ein derzeit gängiges Verfahren
ist dabei die galvanische Aufbringung dieses Schichtverbunds, die
aber eine aufwendige Vorbehandlung des Kolbenhemds sowie hohe Verarbeitungskosten
impliziert. Alternativ dazu wird die Aufbringung durch das Sieb druckverfahren
vorgenommen, die aber eine aufwendige Trocknung und Qualitätskontrolle
nach der Beschichtung erfordert. Weitere Verfahren sind das Aufbringen
mit Plasma- oder Flammenspritzen oder das Aufbringen von sehr dünnen
Metallfolien oder mit Metallpartikeln versehenen Folien, wie in
der Offenlegungsschrift
DE 4310491
A1 ausgeführt. Im letzteren Fall erweist sich aber
eine vollflächige Aufbringung auf eine in zwei zueinander
orthogonalen Richtungen gekrümmte Oberfläche als
nicht zuverlässig.
-
Es
ist daher wünschenswert, einen Schichtverbund zur Aufbringung
auf planaren oder gekrümmten Oberflächen bereitzustellen,
der prozesssicher und kostengünstig auf diesen Oberflächen aufgebracht
werden kann und zugleich die Anforderungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit
erfüllt.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß Anspruch
1 gelöst.
-
Der
Schichtverbund enthält gemäß einer möglichen
Ausführungsformen mindestens eine erste Materiallage, die
eine Bindermatrix mit Metallpartikeln enthält. Weiterhin
enthält der Schichtverbund mindestens eine zweite Materiallage,
die einen Klebstoff enthält. Die mindestens zweite Materiallage
ist dabei auf der von einem Trägermaterial abgewandten
Oberfläche der mindestens ersten Materiallage angeordnet.
Zusammen sind diese auf einem Trägermaterial aufgebracht,
sodass diese mit der Oberfläche der ersten Materiallage
auf die zu schützende Oberfläche aufgebracht werden
können und wobei die mindestens erste Materiallage einen
Schichtverbund enthält, der abriebfest ausgebildet ist.
-
Der
angegebene Schichtverbund ist sowohl zur Vermeidung des Abriebs
als auch zur eindeutigen Kennzeichnung des Kolbens geeignet.
-
Zur
Erläuterung der Funktionsweise wird im Weiteren eine von
möglichen Ausführungsformen verwendet. Hier ist
der Schichtverbund durch insgesamt vier Schichten vorgegeben.
-
Die
erste Schicht erfüllt dabei die Funktion, den Transfer,
das heißt das Ablösen des Schichtverbunds vom
Trägermaterial und das anschließende Aufbringen
auf die Oberfläche des Kolbenhemds, zu unterstützen.
Diese kann ganz oder teilweise auf dem Träger verbleiben
und hat die Funktion, den Schichtverbund vor der Applikation auf
dem Träger zu halten und während der Applikation
einen vollständigen Transfer auf das Kolbenhemd zu ermöglichen. Der Übertragungsträger
kann hierbei teilweise oder vollflächig mit einer solchen
Schicht ausgestattet sein.
-
Eine
weitere (optionale) Schicht umfasst eine Gleitschicht, die Teflon,
Molybdänsulfid oder Graphit umfassen kann oder daraus bestehen
kann und dazu dient, den Einbau des Kolbens in den Kolbenschaft
eines Verbrennungsmotors zu unterstützen.
-
Eine
weitere Schicht übernimmt die Hauptfunktion und umfasst
eine Bindermatrix in der weiche Metallpartikel (aus Kupfer, Eisen,
Nickel oder deren Legierungen) eingebettet sind.
-
Diese
Bindermatrix kann auch mehrere Schichten umfassen. Durch abwechselndes
Drucken von unterschiedlich großen Partikeln zwischen 2 μm und
50 μm, bevorzugt zwischen 5 μm und 30 μm,
wobei das Größenverhältnis der Partikel
zueinander bevorzugt zwischen 1:2 und 1:4 liegt, in mehreren Schichten
können die Eigenschaften des Schichtverbunds hinsichtlich
Festigkeit und Feststoffgehalt verbessert werden, in dem durch die
unterschiedliche Partikelgröße ein möglichst
hoher Füllgrad zwischen den Partikeln in der Bindermatrix
erreicht wird. Zudem kann durch mehrfaches Drucken unterschiedlicher
Schichten mit Schichtdicken von 5 μm bis 50 μm auch
ein Härtegradient innerhalb der Bindermatrix erreicht werden,
wodurch unterschiedlich starke Belastungen in unterschiedlichen
Schichttiefen abgefangen werden können.
-
Die
letzte Schicht umfasst einen Klebstoff, der während der Übertragung
thermisch initiiert aushärten kann. Alternativ kann ein
starker und dünner Haftklebstoff mit einer Haftkraft pro
Breite von mindestens 15 N pro 25 mm und einer Dicke von 3 μm bis
30 μm verwendet werden. Auch eine Kombination ist denkbar,
bei der ein erstes Anhaften direkt bei der Applikation erfolgt und
eine anschließende thermische Aktivierung die Aushärtung
startet. Jede einzelne der genannten Schichten kann durch Druck
oder Zukaschieren und Ausstanzen eines entsprechenden Materials
erzeugt werden. Ebenso ist es möglich, Schichten mehrmals
hintereinander zu drucken, um größere Schichtdicken
zu erreichen.
-
Weiterhin
ist eine laterale Strukturierung des Schichtverbunds durch drucktechnische
Verfahren möglich. Durch eine Variation der Formatgröße
von –10% bis +10% sind flach auslaufende Ränder
des Schichtverbunds möglich. Diese bieten gegenüber einer
steilen Kante weniger Angriffsfläche für ein unerwünschtes
Abschälen des Schichtverbunds. Die Übertragung
des gesamten Schichtaufbaus erfolgt dann mittels eines erwärmten
Stempels. Der Schichtverbund wird dabei auf einem Träger
an die gewünschte Position gebracht und dort auf den Kolben übertragen.
Nach dem Übertragen löst sich der Träger
von dem Schichtverbund und kann für die Übertragung
des nächsten Schichtverbunds weitertransportiert werden.
Der Stempel kann dabei exakt der Form des Kolbens nachempfunden
sein oder sich durch eine heizbare, elastische Schicht der Form
des Kolbens anpassen.
-
Die
Vorteile gegenüber den bekannten Beschichtungen ergeben
sich durch geringere Prozesszeiten für die Aufbringung,
da die gesamte Trocknung der Schicht bereits bei der Erstellung
des Schichtverbunds im Druckherstellverfahren oder durch das Kaschieren
erfolgt ist. Einzig der Transfer der Schicht und gegebenenfalls
eine thermische Initiierung des Klebstoffs verbleiben. Zudem ist
eine bessere Qualitätskontrolle und größere
Ausbeute vorhanden, da fehlerhafte Beschichtungen (z. B. Blasen,
Löcher, Einschlüsse) schon vor der Applikation auf
dem Kolben aussortiert werden können. Dieser Schritt erfolgt
ebenfalls bereits im oder nach dem Druckherstellverfahren des Schichtverbunds.
Weiterhin ergeben sich mehr Möglichkeiten beim Schichtaufbau,
da im separaten Druckverfahren die verwendeten Druckmaschinen flexibler
als die für den Direktdruck konzipierten Druckwerke sind.
-
Zum
Beispiel ist ein einfacheres Umstellen auf neue Geometrien in der
Drucktechnik leichter realisierbar. Ein gezielter und auf die Anwendung
sowie deren Zuverlässigkeitsanforderungen abgestimmter Schichtaufbau
mit mehreren Funktionen ist ebenso möglich. Zudem kann
ein gezielter Schichtaufbau die sogenannte Balligkeit vermeiden,
das heißt die Krümmung der zu beklebenden Oberfläche
in zwei Richtungen, oder Kanten wie bei der eingangs erwähnten
Folienlösung.
-
Weitere
Ausführungsformen des Schichtverbunds sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
-
Des
weiteren ist eine Anwendung des Schichtverbunds bei einem Kolben
eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 17 angegeben.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1a den
Schichtaufbau eines Schichtverbunds mit optionalen Zusatzschichten,
-
1b eine
Explosionszeichnung des Schichtaufbaus der Bindermatrix,
-
1c eine
Ausführungsform des Schichtaufbaus der Bindermatrix und
der darin enthaltenen Metallpartikel,
-
2 eine
Ausführungsform der Ränder des Schichtverbunds,
-
3 eine
Ausführungsform der Ränder des Schichtverbunds,
-
4 Die Übertragung
des Schichtverbunds mittels eines Stempels,
-
5 eine
Anwendung eines Schichtverbunds auf einem Kolben eines Verbrennungsmotors.
-
In 1a ist
ein Schichtaufbau 100 dargestellt, der eine Materiallage 120 umfasst,
die eine Bindermatrix mit eingebetteten Metallpartikeln enthält, und
der zusätzlich eine Materiallage 140 umfasst,
die als Transfer unterstützende Schicht dient. Des Weiteren
ist eine weitere Materiallage 130 vorgesehen, die als Gleitschicht
zur Einführung des Kolbenhemds in den Kolbenschaft dient.
Des Weiteren ist eine wiederum weitere Materiallage 120 vorgesehen,
die eine Bindermatrix mit eingebetteten Metallpartikeln umfasst.
Diese Bindermatrix enthält eine oder mehrere Schichten,
um die für die Anwendung optimalen Eigenschaften hinsichtlich
Festigkeit und Kräfteverteilung auf dem Schichtverbund
zu ermöglichen. Des Weiteren eine Materiallage 110 umfasst,
die einen Klebehaftstoff enthält, um die Aufbringung auf
das Kolbenhemd zu ermöglichen. Bevorzugter Weise kann dieser
Klebstoff nach Aufbringen auf die Kolbenoberfläche thermisch
ausgehärtet werden.
-
Eine
weitere Ausführungsform des Schichtverbunds ist, dass auf
der Materiallage 120 und den Materiallagen 130, 140 zusätzliche
alphanumerische Beschriftungen oder Barcodeinformationen oder teilweise
unterschiedliche Farbpigmente zum Schutz vor Nachahmungen sowie
zur Nachverfolgbarkeit enthalten sind. Zudem können diese
Farbpigmente die Funktion von Kippfarben oder Lumineszenzfarben
zur eindeutigen Nachweisbarkeit besitzen. Dazu ist es erforderlich,
dass die zusätzliche Materiallage 120 oder die
Materiallagen 130, 140 transparent sind. Der dargestellte
Schichtverbund kann auf einer zu schützenden Oberfläche
aufgebracht werden.
-
In 1b ist
der Schichtverbund der Bindermatrix umfassend Teilschichten 125, 126, 127 dargestellt.
Dabei können die einzelnen Schichten, umfassend oder bestehend
aus einem Bindematrixmaterial 122, unterschiedliche Dicken
zwischen 5 μm und 50 μm aufweisen, um unterschiedlich
starke Belastungen in unterschiedlichen Schichttiefen abfangen zu können.
-
In 1c sind
die Schichten der Bindermatrix 125, 126, 127 und
die darin enthaltenen Metallpartikel 121, 123, 124 dargestellt.
Die Partikelgröße kann im Durchmesser zwischen
2 μm und 50 μm variieren. Dadurch können
die Eigenschaften des Schichtverbunds hinsichtlich Festigkeit und
Feststoffgehalt verbessert werden, in dem durch die unterschiedliche
Partikelgröße ein möglichst hoher Füllgrad
zwischen den Partikeln in der Bindermatrix erreicht wird.
-
In 2 ist
der Schichtverbund 200 gemäß des Ausführungsbeispiels
im Querschnitt dargestellt. Dieser Schichtverbund umfasst die Materiallagen 210, 220, 230, 240 auf
einem Träger 250 wie in 1a beschrieben.
Zur Verringerung des Abriebs und Vermeidung von Kantenbildung kann
im Gegensatz zu einer bündigen Kante 201 durch
ein geeignetes Druckverfahren ein flach auslaufender Kantenverlauf 202 gewählt
werden. Hierbei wird jede Schicht außer der von der Trägerschicht
am weitesten entfernten Schicht von der jeweils darüber
liegenden Schicht vollständig überlappt. Der überlappende Bereich
der darüber liegenden Schicht berührt dabei die
Kanten der darunterliegenden Schichten sowie die Trägerschicht.
-
In 3 ist
der Schichtverbund 300 gemäß des Ausführungsbeispiels
im Querschnitt dargestellt. Dieser Schichtverbund umfasst die Materiallagen 310, 320, 330, 340 auf
einer gekrümmten Oberfläche 360 wie beispielsweise
in Zusammenhang mit 1a beschrieben. Zur Verringerung
des Abriebs und Vermeidung von Kantenbildung kann im Gegensatz zu
einer bündigen Kante 301 durch ein geeignetes
Druckverfahren ein stufenförmiger Kantenverlauf 302 gewählt
werden. Hierbei besitzt die der Trägerschicht am nächstliegenden
Schicht die größte laterale Ausdehnung. Die jeweils
darüber liegende Schicht hat eine geringere laterale Ausdehnung,
sodass die Ränder aller Schichten einen stufenförmigen
Kantenverlauf ausbilden.
-
In 4 ist
gemäß des Ausführungsbeispiels die Aufbringung,
das heißt der Transfer des Schichtverbunds 400,
mittels eines Stempels 490 dargestellt, der sich auf der
dem Trägermaterial 450 und dem Schichtverbund 400 entgegengesetzten Seite
befindet. Vorzugsweise ist der Stempel erwärmt und kann
daher neben der Positionierung der Schichtverbund auf dem Kolbenhemd 460 auch
zum anschließenden thermisch induzierten Aushärten verwendet
werden.
-
In 5 ist
die Anwendung eines Schichtverbunds gemäß des
Ausführungsbeispiels dargestellt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel
die Schichtverbund 500 auf einem Kolben 570 eines
Verbrennungsmotors mit dem Kolbenhemd 560 in Form einer
gekrümmten Oberfläche aufgebracht wird, die in
ein oder zwei Richtungen, das heißt entlang des Zylinderradius
und/oder entlang der Kolbenlaufrichtung, gekrümmt sein
kann und wobei der jeweilige Krümmungsradius zwischen 10
mm und 1000 mm liegt. Des Weiteren ist eine Öffnung 580 in
dem Kolben 570 dargestellt.
-
- 100,
200, 300, 400, 500
- Schichtverbund
- 110,
210, 310
- Materiallage
- 125
- Materiallage
- 126
- Materiallage
- 127
- Materiallage
- 120,
220, 320
- Materiallage
- 121,
123, 124
- Metallpartikel
- 122
- Bindermaterial
- 130,
230, 330
- Materiallage
- 140,
240, 340
- Materiallage
- 150,
250, 450
- Trägermaterial
- 201,
301
- glatter
Rand des Schichtverbunds
- 202
- auslaufender
Rand des Schichtverbunds
- 302
- stufenförmiger
Rand des Schichtverbunds
- 360,
460, 560
- gekrümmte
Oberfläche
- 490
- Stempel
zur Übertragung
- 570
- Kolben
eines Verbrennungsmotors
- 580
- Öffnung
in der Oberfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-