EP1308533A1 - Verfahren zum automatischen Auftragen einer Oberflächenschicht - Google Patents

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EP1308533A1
EP1308533A1 EP02022736A EP02022736A EP1308533A1 EP 1308533 A1 EP1308533 A1 EP 1308533A1 EP 02022736 A EP02022736 A EP 02022736A EP 02022736 A EP02022736 A EP 02022736A EP 1308533 A1 EP1308533 A1 EP 1308533A1
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EP
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surface layer
layer thickness
thickness
cycle
automatically
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EP02022736A
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Inventor
Klaus Ladentin
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying

Definitions

  • the invention relates to a method for automatic Apply a surface layer according to the generic term of the main claim.
  • the invention relates to a method for automatic application of a surface layer using a plasma spraying process or a flame spraying process. These methods can generally be called coating methods be designated.
  • the thickness of the applied in one cycle Surface layer is not exactly predictable. It can a variety of different parameters Affect layer thickness, for example the wear of the Burner or turbulence on the surface of the component.
  • the invention is based on the object of a method of To create the type mentioned, which with simple Structure and simple, reliable usability automatic measurement of the surface layer thickness and a appropriate control or regulation of the method enables.
  • the object is achieved by a method with the Features of the main claim solved, the sub-claims show further advantageous embodiments of the invention.
  • the method according to the invention is characterized by a number significant benefits.
  • the process does not require the entire plant shutdown and shutdown to manual Measure the surface layer thickness of the component. Rather, the measurement takes place automatically between the individual coating processes.
  • the coating can be done by means of a robot take place so that an exact adaptation to the geometry of the component to be coated is possible.
  • the robot is itself, as is known from the prior art, within one encapsulated plant.
  • the invention thus provides that additional means for Measuring the layer thickness are available.
  • the entire coating process can run automatically.
  • By matching of the individual layer thicknesses of the cycles and automatically measurement of the layer thickness between individual cycles it is possible to directly the desired layer thickness of the To base the surface layer on the automatic process. Co-coating of reference components or the like not necessary.
  • Another significant advantage of the invention is that that the layer thickness is done automatically in a precise manner can be shut down without the system got to. This results in a minimal system downtime, which is just that the plasma or flame spray robot is switched off briefly. The system therefore does not have to be shut down completely, in particular, the robot is not switched off.
  • the robot program runs while measuring the layer thickness further, under this program the layer thickness or Layer thickness determined. It is understood that the Flame must be switched off during the layer thickness measurement got to. In contrast, other units remain switched on, for example the suction, the lock of the door etc.
  • Another major advantage of the automated procedure is that even the most difficult geometric Contours scanned with constant measurement accuracy can be.
  • the one to be applied Layer thickness is calculated and the cycle regulated accordingly or controlled. This can be done by influencing the process parameters done in a simple manner.
  • the automatic measurement of the layer thickness is more preferred Way by means of a mechanical probe.
  • Measuring probes are inexpensive and reliable and have a clear sense high level of precision.
  • the procedure described above is for example twice for the primer and for the top layer of a surface coating repeated three times.
  • Fig. 1 shows a flow chart for the sequence of automatic Coating.
  • 2 shows the computing steps for Calculation of the number of cycles still required, as indicated in FIG. 1.
  • the invention is for the repair of components, for example applicable to aircraft gas turbines, predominantly However, the method is used for new parts.
  • the application is not on engine construction (aircraft gas turbines or stationary gas turbines), but can for example also in the automotive industry and in general Mechanical engineering find application.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum automatischen Auftragen einer Oberflächenschicht auf ein metallisches Bauelement, bei welchem Material der Oberflächenschicht im flüssigen, teigigen oder nur angeschmolzenen Zustand aufgesprüht wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach zumindest einem Zyklus zum Auftrag der Oberflächenschicht automatisch die erhaltene Schichtdicke gemessen, mit einem Sollwert verglichen und die noch benötigte Restschichtdicke errechnet wird und dass nachfolgend, soweit erforderlich, ein weiterer Zyklus zum Auftrag der Oberflächenschicht erfolgt und dass diese Schritte bis zum Erhalt der benötigten Dicke der Oberflächenschicht wiederholt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum automatischen Auftragen einer Oberflächenschicht gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum automatischen Auftragen einer Oberflächenschicht mittels eines Plasma-Spritzverfahrens oder eines Flamm-Spritzverfahrens. Diese Verfahren können allgemein als Beschichtungsverfahren bezeichnet werden.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mittels derartiger Beschichtungsverfahren einen Pulverwerkstoff aufzuschmelzen, dessen Partikel dann mit hoher Geschwindigkeit auf das Bauelement aufgebracht werden und an diesem haften bleiben. Eine derartige Beschichtung wird Zyklenweise abgearbeitet. Dies bedeutet, dass nacheinander so viele einzelne Zyklen mit Auftrag von Material durchgeführt werden, bis die gewünschte Schichtstärke oder -dicke der Oberflächenschicht erreicht ist.
Als nachteilig bei der beschriebenen Vorgehensweise erweist es sich, dass die Dicke der bei einem Zyklus aufgebrachten Oberflächenschicht nicht exakt vorherbestimmbar ist. Es können eine Vielzahl von unterschiedlichsten Parametern die Schichtdicke beeinflussen, beispielsweise die Abnutzung des Brenners oder Verwirbelungen an der Oberfläche des Bauelements.
Es ist aus dem Stand der Technik somit bekannt, dass entweder nach jedem Zyklus oder nach einer vorgegebenen Serie von Zyklen die Schichtstärke überprüft werden muss. Als besonders nachteilig erweist es sich dabei, dass die gesamte Anlage heruntergefahren werden muss, um dem Bedienungspersonal den Zugang zu dem Bauelement zu ermöglichen.
Der Stand der Technik hat diese Nachteile bereits erkannt, es wurden auch bereits Maßnahmen vorgeschlagen. So beschreibt die DE 44 19 476 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schichtdicke und der Substrattemperatur während der Beschichtung. Hierbei wird der Reflexionsgrad mittels eines Reflektormeters gemessen. Aus der Reflektormetermesskurve wird die theoretische Schichtdicke errechnet. Ein ähnliches Verfahren beschreibt die US 55 64 830.
Diese bekannten Verfahren sind nur bedingt einsetzbar, da sie sehr hohe apparative Anforderungen stellen und nur für bestimmte Bauelemente und bestimmte Anwendungen einsetzbar sind, beispielsweise in der Halbleiterindustrie.
Die Anwendung dieser Verfahren bei üblichen Bauelementen, wie sie beispielsweise im Maschinenbau oder im Flugtriebwerksbau vorkommen, scheidet somit aus.
Bei der üblichen Vorgehensweise, bei welchen die Anlage heruntergefahren wird, erweist es sich als nachteilig, dass der gesamte Prozess gestoppt und nach der Messung neu gestartet werden muss. Abgesehen von der erforderlichen Prozessdauer und den damit verbundenen Kosten ergibt sich das Problem, dass eine Messung der Schichtdicke nicht immer an der gleichen Stelle stattfinden kann und somit Messfehler entstehen können.
Alternativ ist auch vorgeschlagen worden, zusätzlich zu dem Bauteil ein Mess-Element, beispielsweise ein Blech zu beschichten und dessen Schichtstärke zu ermitteln. Auch diese Vorgehensweise ist nicht sehr präzise, da Oberflächeneinflüsse, Strömungsverhältnisse und Ähnliches, bei dem Mess-Element nicht exakt mit den Verhältnissen bei dem Bauelement übereinstimmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der Eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, betriebssicherer Anwendbarkeit eine automatische Messung der Oberflächenschichtdicke und eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung des Verfahrens ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit vorgesehen, dass nach zumindest einem Zyklus zum Auftrag der Oberflächenschicht automatisch die erhaltene Schichtdicke gemessen, mit einem Sollwert verglichen und die noch benötigte Restschichtdicke errechnet wird und dass nachfolgend, soweit erforderlich, ein weiterer Zyklus zum Auftrag der Oberflächenschicht erfolgt. Erfindungsgemäß werden diese Schritte bis zum Erhalt der benötigten Dicke der Oberflächenschicht wiederholt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.
Bei dem Verfahren ist es nicht erforderlich, die gesamte Anlage abzuschalten und herunterzufahren, um eine manuelle Messung der Oberflächenschichtdicke des Bauelementes durchzuführen. Vielmehr erfolgt die Messung automatisch zwischen den einzelnen Beschichtungsvorgängen.
Erfindungsgemäß kann die Beschichtung mittels eines Roboters erfolgen, sodass eine exakte Anpassung an die Geometrie des zu beschichtenden Bauteils möglich ist. Der Roboter befindet sich, wie aus dem Stand der Technik bekannt, innerhalb einer gekapselten Anlage. Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass zusätzlich innerhalb der gekapselten Anlage Mittel zum Messen der Schichtdicke vorhanden sind.
Als vorteilhaft erweist es sich, dass der gesamte Beschichtungsvorgang automatisch ablaufen kann. Durch den Abgleich der einzelnen Schichtdicken der Zyklen und der automatisch zwischen einzelnen Zyklen erfolgenden Messung der Schichtdicke ist es möglich, direkt die gewünschte Schichtdicke der Oberflächenschicht dem automatischen Ablauf zu Grunde zu legen. Ein Mitbeschichten von Referenz-Bauelementen oder ähnlichem ist nicht erforderlich.
Ein weiterer, wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Schichtdicke in präziser Weise automatisch erfolgen kann, ohne dass die Anlage heruntergefahren werden muss. Somit ergibt sich ein minimaler zeitlicher Anlagenstillstand, welcher lediglich darin besteht, dass der Plasma- oder Flamm-Spritzroboter kurzzeitig abgeschaltet wird. Die Anlage muss somit nicht komplett heruntergefahren werden, insbesondere wird der Roboter nicht ausgeschaltet. Das Roboterprogramm läuft während der Messung der Schichtdicke weiter, im Rahmen dieses Programms wird die Schichtdicke oder Schichtstärke ermittelt. Es versteht sich, dass die Flamme während der Schichtdickenmessung ausgeschaltet sein muss. Demgegenüber bleiben weitere Aggregate angeschaltet, beispielsweise die Absaugung, der Verschluss der Tür etc.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, dass ein manuelles Messen entfallen kann, sodass hierdurch auch Ablesefehler oder Ähnliches ausgeschlossen werden können.
Ein weiterer, wesentlicher Vorteil der automatisierten Vorgehensweise besteht darin, dass auch schwierigste geometrische Konturen mit gleich bleibender Messgenauigkeit abgetastet werden können.
Die gesamte Bedienung der Anlage wird wesentlich vereinfacht, da es im Wesentlichen nur erforderlich ist, den automatischen Ablauf entsprechend zu programmieren.
Besonders günstig ist es, wenn erfindungsgemäß ein automatischer Ausgleich von Verschleiß, beispielsweise der Brennerteile oder ähnlichem, erfolgt.
Zusätzlich ist es erfindungsgemäß möglich, die gewonnenen Daten zu speichern und zu protokollieren. Hierdurch kann der gesamte Verfahrensablauf präzise nachvollzogen und überprüft werden.
Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist dadurch gegeben, dass bekannte Anlagen entsprechend nachgerüstet werden können, sodass sich insgesamt geringe Investitionskosten ergeben.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die aufzubringende Schichtdicke errechnet und der Zyklus entsprechend geregelt bzw. gesteuert wird. Dies kann durch Beeinflussung der Prozessparameter in einfacher Weise erfolgen.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn bei der automatischen Berechnung der Zykluszahl die max. mögliche Zyklenzahl überprüft wird, um Überlastungen des Bauelements oder der Anlage zu vermeiden und um einen metallurgisch einwandfreien Schichtaufbau zu erhalten.
Um Messfehler auszuschließen, kann es vorteilhaft sein, vor Beginn des Verfahrens einen Abgleich mit dem Grundmaß des unbeschichteten Bauelements durchzuführen. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch in jedem Falle erforderlich sein, vor Beginn des Verfahrens den beschriebenen Abgleich durchzuführen, da lediglich ein Aufmaß gemessen wird.
Die automatische Messung der Schichtdicke erfolgt bevorzugter Weise mittels eines mechanischen Messtasters. Derartige Messtaster sind preisgünstig und zuverlässig und weisen ein hohes Maß an Präzision auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise wie folgt ablaufen:
  • Anlage schließen,
  • Programm starten,
  • Eingabe der gewünschten Dicke der Oberflächenschicht sowie des Haftgrundes,
  • automatische Ermittlung des Grundmaßes bzw. des Rohmaßes des Bauelements,
  • Hochfahren der Flamme,
  • automatisches Aufwärmen des Bauelements durch Erwärmung des Rotors mittels des Brenners durch den Roboter,
  • Einfahren des Roboters in die Startstellung,
  • Einschaltung der Pulverzufuhr,
  • Beschichten des am Rotor befestigten Bauelements mittels des Roboters mittels einer vorgegebenen, bauteilbezogenen Anfangszyklenzahl,
  • Stoppen der Flamme,
  • Zurückfahren des Roboters in Ausgangsstellung,
  • Anfahren des Bauelements mittels eines Roboters mit dem Messtaster,
  • Ermitteln der Dicke der aufgetragenen Oberflächenschicht,
  • automatische Berechnung der noch benötigten Zykluszahl,
  • wieder Start des Vorganges mit Hochfahren der Flamme.
Der oben beschriebene Verfahrensablauf wird beispielsweise beim Haftgrund zweimal und bei der Deckschicht einer Oberflächenbeschichtung dreimal wiederholt.
Die Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm zum Ablauf der automatischen Beschichtung. Die Fig. 2 zeigt die Rechenschritte zur Errechnung der noch benötigten Zykluszahl, wie in Fig. 1 angegeben.
Wie bereits erwähnt, erfolgt erfindungsgemäß jeweils ein automatischer Messvorgang durch Koppelung eines Messtasters mit der Robotersteuerung, um die tatsächlich aufgebrachte Dicke der Oberflächenschicht zu ermitteln. Aus dem Ergebnis errechnet die Steuerung die noch aufzutragende Dicke der Oberflächenschicht. Hieraus ergibt sich wiederum die noch benötigte Anzahl von Zyklen, die automatisch durch die Anlage durchfahren werden. Die Bedienungsperson muss beim Start des Verfahrens lediglich die gewünschte Dicke der Oberflächenschicht eingeben. Die Anlage regelt sich automatisch, bis das fertige Bauteil mit der gewünschten Dicke der Oberflächenschicht erzielt ist. Sämtliche Zwischenergebnisse können bei Bedarf geloggt oder ausgedruckt werden. Es ergibt sich somit ein vollautomatischer Beschichtungsprozess, welcher sowohl eine erhebliche Zeitersparnis als auch eine erhebliche Qualitätssteigerung beinhaltet.
Die Erfindung ist sowohl für die Reparatur von Bauelementen, beispielsweise von Fluggasturbinen anwendbar, überwiegend wird das Verfahren jedoch bei Neuteilen eingesetzt. Die Anwendung ist nicht auf den Triebwerksbau (Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen) beschränkt, sondern kann beispielsweise auch in der Automobilindustrie und im allgemeinen Maschinenbau Anwendung finden.

Claims (5)

  1. Verfahren zum automatischen Auftragen einer Oberflächenschicht auf ein metallisches Bauelement, bei welchem Material der Oberflächenschicht im flüssigen, teigigen oder nur angeschmolzenen Zustand aufgesprüht wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    nach zumindest einem Zyklus zum Auftrag der Oberflächenschicht automatisch die erhaltene Schichtdicke gemessen, mit einem Sollwert verglichen und die noch benötigte Restschichtdicke errechnet wird und dass nachfolgend, soweit erforderlich, ein weiterer Zyklus zum Auftrag der Oberflächenschicht erfolgt und dass diese Schritte zum Erhalt der benötigten Dicke der Oberflächenschicht wiederholt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    automatisch die in einem Zyklus aufzubringende Schichtdicke errechnet und der Zyklus entsprechend geregelt bzw. gesteuert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    beim automatischen Berechnen der Zykluszahl die maximal mögliche Zyklenzahl überprüft wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    vor Arbeitsbeginn automatisch ein Abgleich mit einem Grundmaß erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die automatische Messung der Schichtdicke mittels eines mechanischen Messtasters erfolgt.
EP02022736A 2001-11-05 2002-10-11 Verfahren zum automatischen Auftragen einer Oberflächenschicht Withdrawn EP1308533A1 (de)

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