EP2047012B1

EP2047012B1 - Verfahren zur oberflächenbehandlung eines werkstücks

Info

Publication number: EP2047012B1
Application number: EP07725415.9A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Gramm
Original assignee: Gramm Technik GmbH
Current assignee: Gramm Technik GmbH
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2027-05-22
Also published as: EP2047012A1; WO2008009325A1; DE102006034277A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks.
Beim Galvanisieren wird mittels einer chemischen oder elektrochemischen Reaktion eine metallische Beschichtung auf eine Oberfläche eines Werkstücks aufgebracht. Die metallische Beschichtung dient einer Veredelung der Oberfläche des Werkstücks, beispielsweise im Hinblick auf Härte, elektrische Leitfähigkeit, Korrosionsschutz, katalytische Eigenschaften, optische Eigenschaften.
Beim elektrochemischen Galvanisieren wird das Werkstück in ein elektrolytisches Bad eingebracht, in welches eine aus dem für die Beschichtung benötigten Material bestehende Verbrauchselektrode eingetaucht ist. Durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen Werkstück und Verbrauchselektrode wird letztere abgetragen und die Beschichtung auf dem Werkstück aufgebaut. Der elektrische Strom löst dabei Metallionen von der Verbrauchselektrode ab und lagert sie durch Reduktion auf dem Werkstück ab. So wird der zu veredelnde Gegenstand allseitig gleichmäßig beschichtet. Je länger sich das Werkstück im Bad befindet, umso dicker wird die Beschichtung.
Der Vorgang des chemischen Galvanisierens läuft grundsätzlich identisch ab, nutzt jedoch die durch die Elektronegativität der chemischen Elemente vorgegebene Potentialdifferenz zwischen Werkstück und typischerweise im Bad gelöstem Beschichtungsmaterial.
Beim Galvanisieren wird das Werkstück neben dem eigentlichen Beschichten noch einer Vielzahl anderer, vorbereitender und nachbehandelnder Oberflächenbehandlungen unterzogen. So muss beispielsweise das Werkstück vor dem Beschichten gereinigt werden, da die Qualität der durch das Galvanisieren erzeugbaren Oberfläche sehr stark von der Qualität der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks abhängt. Das Reinigen erfolgt durch Entfetten und Spülen der Oberfläche des noch unbeschichteten Werkstücks. Als Werkstoff eines durch Galvanisieren zu beschichtenden Werkstücks eignen sich alle elektrisch leitenden Werkstoffe. Nicht leitende Werkstoffe müssen vorher mit einer leitenden Schicht, beispielsweise aus einem Silber-Leitlack, überzogen werden. Dieser Vorgang wird auch als Aktivieren bezeichnet. Nach dem Beschichten muss die beschichtete Oberfläche zunächst von noch anhaftendem Elektrolyt gereinigt, und anschließend getrocknet werden.
Um die erforderlichen Oberflächenbehandlungen durchführen zu können, bestehen Galvanische Anlagen aus einer sehr langen Reihe von Wannen, in denen die verschiedenen Oberflächenbehandlungen bzw. Prozessschritte nacheinander erfolgen. Die Wannen sind jeweils mit einer für die jeweilige Oberflächenbehandlung benötigten Flüssigkeit gefüllt. Insbesondere bei Werkstücken mit sehr großen Abmessungen bedeutet dies einen hohen Verbrauch dieser überwiegend aggressiven und gesundheitsschädlichen Flüssigkeiten. Darüber hinaus muss ein Werkstück für jeden Prozessschritt von einer Wanne in die andere transportiert werden. Zudem sind die Prozessergebnisse nicht immer zufrieden stellend, da die Qualität der Beschichtung beispielsweise unter lokalen Erwärmungen während des Aufbringens der Beschichtung leidet. Ebenso kann mit den bekannten Vorrichtungen nicht sichergestellt werden, dass die Beschichtung eine gleichmäßige Dicke aufweist.
Durch die DE 103 47 991 A1 ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks bekannt. Bei der Oberflächenbehandlung handelt es sich um eine galvanische Metallabscheidung. Die Vorrichtung umfasst einen Behälter, der durch einen einen zu einem Querschnitt des Werkstücks komplementären, von einem Elektrolyten durchströmten Raum umhüllenden Mantel gebildet wird. Das Werkstück wird mittels beidseitg den Behälter begrenzende Ein- und Auslaufdüsen geführt und kann in einem kontinuierlichen Prozess durch den Behälter hindurchbewegt werden. Im Inneren des Behälters stehen Werkstück und Behälter nicht in unmittelbarem Kontakt, so dass die Innenabmessungen des Behälters in Querschnittsrichtung geringfügig größer sind, als die Außenabmessungen des Werkstücks. Bei einer solchen Vorrichtung muss das Werkstück für jede einzelne zur Erzeugung einer Beschichtung benötigte Oberflächenbehandlung nachteilig weitertransportiert werden.
Durch die US 5,277,785 ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines metallischen Werkstücks durch Galvanisieren bekannt. Die Vorrichtung weist einen einen zu einem Querschnitt des Werkstücks komplementären, einen Teil des einer Oberflächenbehandlung zu unterziehenden Werkstücks aufnehmenden und mit einem als Medium zur Oberflächenbehandlung benötigten Elektrolyten befüllbaren Raum umhüllenden Mantel auf. Der Mantel besteht aus einem Plastikrohr mit darin angeordneter Blei-Anode, sowie einem innerhalb der Anode angeordneten Filzmaterial. Der Mantel ist dabei um einen Spalt gegenüber dem Werkstück beabstandet, weist also Innenabmessungen auf, die in Querschnittsrichtung gleichmäßig geringfügig größer sind, als die Außenabmessungen des Querschnitts des Werkstücks. Im Spalt ist ein Bürstenmaterial angeordnet, welches den durch eine Zufuhrleitung in den Spalt geleiteten Elektrolyten zwischen Werkstück und Anode hält. Das Werkstück kann während der Oberflächenbehandlung in der Vorrichtung um seine Längsachse rotieren. Frisches Elektrolyt kann kontinuierlich dem Spalt zugeführt und verbrauchtes wieder abgeführt werden. Auch hier muss das Werkstück unvorteilhafterweise für jede einzelne zur Erzeugung einer Beschichtung benötigte Oberflächenbehandlung weitertransportiert werden.
Durch die JP 60056087 A ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks bekannt. Die Vorrichtung weist einen einen zu einem Querschnitt des Werkstücks komplementären, des einer Oberflächenbehandlung zu unterziehende Werkstück aufnehmenden und mit einem Elektrolyten befüllbaren Raum umhüllenden Mantel auf. Die Innenabmessungen des Raums sind in Querschnittsrichtung geringfügig größer, als die Außenabmessungen des Werkstücks. Der Mantel besteht aus zwei halbzylindrischen Innenflächen, die gleichzeitig als Elektroden dienen. Das Werkstück bildet die Gegenelektrode. Zwei Halter dichten den Raum gegenüber der Umgebung ab. Gleichzeitig halten Sie das Werkstück im Raum. Während einer Oberflächenbehandlung wird kontinuierlich das Elektrolyt im Raum ausgetauscht. Nachteilig hieran ist, dass das Werkstück für jede einzelne zur Erzeugung einer Beschichtung benötigte Oberflächenbehandlung weitertransportiert werden muss.
Durch JP 60033383 A ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks bekannt. Die Vorrichtung weist einen einen zu einem Querschnitt des Werkstücks komplementären, das einer Oberflächenbehandlung zu unterziehende Werkstück aufnehmenden und mit einem Elektrolyten befüllbaren Raum umhüllenden Mantel auf. Die Innenabmessungen des Raums sind in Querschnittsrichtung geringfügig größer, als die Außenabmessungen des Werkstücks. Der Mantel besteht aus einem nicht leitenden Zylinder und einem Paar stirnseitig in den Zylinder ragenden Haltern, die gleichzeitig als Elektroden dienen. Die Halter schließen den Raum ab. Gleichzeitig halten Sie das Werkstück im Raum. Während der Oberflächenbehandlung wird das Elektrolyt im Raum kontinuierlich ausgetauscht. Nachteilig ist, dass auch hier das Werkstück für jede einzelne zur Erzeugung einer Beschichtung benötigte Oberflächenbehandlung weitertransportiert werden muss.
Durch die JP 57143488 A ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks bekannt. Die Vorrichtung weist einen einen zu einem Querschnitt des Werkstücks komplementären, des einer Oberflächenbehandlung zu unterziehende Werkstück aufnehmenden und mit einem Elektrolyten befüllbaren Raum umhüllenden Mantel auf. Die Innenabmessungen des Raums sind in Querschnittsrichtung geringfügig größer, als die Außenabmessungen des Werkstücks. Der Mantel besteht aus einer hohlzylindrischen Anode und einem Endstück. Das Werkstück bildet die Kathode. Zwei Halter dichten den Raum gegenüber der Umgebung ab. Gleichzeitig halten Sie das Werkstück im Raum. Während der Oberflächenbehandlung wird das Elektrolyt im Raum kontinuierlich ausgetauscht.
Durch die JP 57143487 A ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks bekannt. Die Vorrichtung weist einen einen zu einem Querschnitt des Werkstücks komplementären, des einer Oberflächenbehandlung zu unterziehende Werkstück aufnehmenden und mit einem Elektrolyten befüllbaren Raum umhüllenden Mantel auf. Die Innenabmessungen des Raums sind in Querschnittsrichtung geringfügig größer, als die Außenabmessungen des Werkstücks. Der Mantel besteht aus einer hohlzylindrischen Anode. Das über einen als Kathode dienenden Halter kontaktierte Werkstück bildet die Kathode. Zwei Halter dichten den Raum gegenüber der Umgebung ab. Gleichzeitig halten Sie das Werkstück im Raum. Während der Oberflächenbehandlung wird das Elektrolyt im Raum kontinuierlich ausgetauscht.
Auch bei den beiden letzt genannten Vorrichtungen muss das Werkstück nachteilig für jede einzelne zur Erzeugung einer Beschichtung benötigte Oberflächenbehandlung weitertransportiert werden. Außerdem ist bei allen bekannten Vorrichtungen nicht sichergestellt, dass die insbesondere beim Galvanisieren verwendeten, gesundheitsschädlichen Elektrolyten nicht in die Umgebung entweichen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks, wie insbesondere Galvanisieren, Reinigen und dergleichen, umfasst demnach einen Mantel, der einen zu mindestens einem Querschnitt des Werkstücks komplementären, mindestens einen Teil des einer Oberflächenbehandlung zu unterziehenden Werkstücks aufnehmenden und mit einem zu einer Oberflächenbehandlung benötigten Medium, beispielsweise einem Galvanisierungsmittel, Reinigungsmittel oder dergleichen befüllbaren Raum umhüllt. Die Innenabmessungen des Mantels sind in allen Richtungen gleichermaßen, vorzugsweise um 0,001 bis 10 mm größer, als die Außenabmessungen des entsprechenden Querschnitts des Werkstücks. Erfindungsgemäß herrscht in dem vom Mantel umhüllten, mit einem zur Oberflächenbehandlung benötigten Medium befüllbaren Raum mindestens während einer ersten Oberflächenbehandlung des Werkstücks Unterdruck gegenüber der Umgebung, wodurch ein Entweichen der üblicherweise gesundheitsschädlichen und vor allem beim Aufbringen einer Beschichtung verwendeten Medien sowie von entstehenden Dämpfen und dergleichen aus dem Raum in die Umgebung während der Oberflächenbehandlung verhindert wird. Die Erzeugung von Unterdruck im Raum kann beispielsweise am einfachsten dadurch erfolgen, dass flüssige Medien mittels einer Unterdruckquelle, wie etwa einer selbstansaugenden Pumpe durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gesaugt werden. Hierdurch entsteht ein Unterdruck in dem Raum. Darüber hinaus herrscht in den vom Mantel umhüllten Raum erfindungsgemäß zumindest während einer vorzugsweise durch Einleitung von Heißdampf in den Raum einer Reinigung des Werkstücks dienenden, zweiten Oberflächenbehandlung Überdruck gegenüber der Umgebung, wodurch ein hocheffizientes, gleichzeitiges Trocknen und Spülen der zu behandelnden Oberfläche bei minimalem Wasserverbrauch sichergestellt ist. Insbesondere unter Überdruck können zur Reinigung mit Heißdampf höhere Temperaturen aufgebracht werden, wobei ein gegebenenfalls auftretendes Entweichen des Heißdampfes aus dem Raum keinen gesundheitsschädlichen Einfluss auf die Umgebung hat. Die Einleitung des Heißdampfs erfolgt vorzugsweise über eine gesonderte Zu- und Abfuhr. Die Verwendung von Heißdampf zur Reinigung hat gegenüber den herkömmlich verwendeten Flüssigkeiten den Vorteil, dass ein anschließendes Trocknen des Werkstücks selbständig durch die im Werkstoff gespeicherte und dem Heißdampf entzogene Wärmeenergie erfolgt. Dies stellt eine erhebliche Vereinfachung des Galvanisierungsprozesses dar.
Durch die komplementäre Gestalt des Querschnitts von Mantel und Werkstück ist der Abstand zwischen Werkstück und Mantel an allen Stellen im Wesentlichen gleich. Durch den gleichmäßigen Abstand wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine gleichmäßige Dicke der Beschichtung beim Galvanisieren sichergestellt. Durch die komplementäre Form und den dadurch gleichmäßig geringen Abstand zwischen Mantel und Werkstück wird zudem eine Beschleunigung des Beschichtungsvorgangs erreicht.
Handelt es sich bei dem zu beschichtenden Werkstück beispielsweise um ein Rohr, einen zylinderförmigen Kolben mit einer stirnseitigen Ausnehmung, oder um ein sonst wie geformtes Werkstück mit einer durch eine Öffnung zugänglichen Kavität, so kann gleichzeitig eine Außen- und Innenbeschichtung des Werkstücks durchgeführt werden, sofern die Vorrichtung die Öffnung zur Kavität hin überdeckt, oder das gesamte Werkstück umschließt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der den zu mindestens einem Querschnitt des Werkstücks komplementären Raum umhüllende Mantel nur einen Teil des Werkstücks in Richtung einer senkrecht zu dem Querschnitt verlaufenden Längsachse des Werkstücks umhüllt, sowie über Mittel zum Abdichten von zwischen Mantel und Werkstück verbleibenden Spalten gegenüber der Umgebung verfügt. Durch diese besondere Ausgestaltung der Vorrichtung ist es möglich, gezielt einzelne Bereiche einer Oberflächenbehandlung zu unterziehen, beispielsweise Abschnitte entlang der Längsachse des Werkstücks. Ebenfalls ist denkbar, mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzelne Stellen oder Bereiche eines bereits vorher einer Oberflächenbehandlung unterzogenen Werkstücks auszubessern oder zu reparieren. Dabei ist denkbar, dass die Mittel zum Abdichten von zwischen Mantel und Werkstück verbleibenden Spalten gegenüber der Umgebung am Mantel angeordnete, am Werkstück anliegende oder anlegbare, beispielsweise aus einem Elastomer oder dergleichen hergestellte Dichtlippen und/oder verstellbare Dichtungen umfassen. Vorzugsweise umfasst eine derart ausgestaltete erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zum Verschieben des den zu mindestens einem Querschnitt des Werkstücks komplementären Raum umhüllende Mantels in Richtung der Längsachse des Werkstücks. Hierdurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung, obgleich sie in dieser besonderen Ausgestaltung nur einen Teil eines einer Oberflächenbehandlung zu unterziehenden Werkstücks aufnehmen kann, dazu verwendet werden kann, die gesamte Oberfläche des Werkstücks zu behandeln. Dies ist insbesondere bei sehr großen und vor allem langen Werkstücken von Vorteil, da hierdurch keine kostspieligen, übergroßen Behälter zum Galvanisieren oder Reinigen des Werkstücks mehr benötigt werden. Darüber hinaus wird so auch eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich kleinere Menge des zur Oberflächenbehandlung benötigten Mediums benötigt. Der Mantel weist hierbei vorzugsweise im Wesentlichen die Form eines oben und unten offenen, einen zu einem geeigneten Querschnitt des Werkstücks komplementären Querschnitt aufweisenden Rings auf. Als geeigneter Querschnitt ist dabei ein solcher Querschnitt anzusehen, der abgesehen von beispielsweise abschnittsweisen Verjüngungen, Ausnehmungen und dergleichen, vorzugsweise entlang einer Achse des Werkstücks im Wesentlichen konstant ist. Grundsätzlich ist denkbar, dass der Ring umlaufende, nach innen in Richtung eines zu umhüllenden Werkstücks ragende Kanten, Lippen oder dergleichen aufweist.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der von dem Mantel umhüllte Raum zur gesamten äußeren Form des einer Oberflächenbehandlung zu unterziehenden Werkstücks komplementär ist, wobei die Innenabmessungen des Mantels in allen Richtungen gleichermaßen geringfügig, vorzugsweise um 0,001 bis 10 mm, größer sind, als die Außenabmessungen des Werkstücks. Dabei ist denkbar, dass der Mantel einen beispielsweise an seiner Unterseite geschlossen und an seiner Oberseite offenen, mit einem zu einer Oberflächenbehandlung benötigten Medium, beispielsweise mit Galvanisierungsmitteln, Reinigungsmitteln und dergleichen befüllbaren und gegenüber der Umgebung verschließbaren Behälter bildet, in den das Werkstück beispielsweise von oben einbringbar ist. Der Behälter ist dabei vorzugsweise während der Oberflächenbehandlung des Werkstücks luftdicht verschließbar.
Eine zusätzliche, vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zum Galvanisieren des Werkstücks der Mantel als Elektrode elektrisch kontaktierbar ist. Der Mantel besteht hierzu vorzugsweise aus einem elektrochemisch beständigen, elektrisch leitenden Werkstoff.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung Mittel zur Zu- und Abfuhr unterschiedlicher Medien in den Raum während unterschiedlicher Oberflächenbehandlungen. Geeignete Mittel umfassen beispielsweise einen vorzugsweise automatisch betätigter Verteilerschieber. Die für unterschiedliche Oberflächenbehandlungen eingesetzten Medien werden hierbei getrennt voneinander zu und abgeführt. Das getrennte Zu- und Abführen kann abschnittsweise durch gemeinsame Zu- und Abfuhrleitungen in und aus dem vom Mantel umhüllten Raum erfolgen. Ebenso ist denkbar, für die unterschiedlichen Medien jeweils eigene Zu- und Abfuhrleitungen in und aus dem Raum vorzusehen. Hierdurch wird erreicht, dass die Vorrichtung Abwasserfrei und als geschlossenes System arbeitet. Darüber hinaus ist die mit Mitteln zur Zu- und Abfuhr unterschiedlicher Medien in den Raum während unterschiedlicher Oberflächenbehandlungen ausgestattete Vorrichtung automatisierbar.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung umfasst Mittel zur kontinuierlichen Durchleitung eines zur Oberflächenbehandlung benötigten Mediums durch den vom Mantel umhüllten Raum während einer Oberflächenbehandlung. Durch das kontinuierliche Durchleiten eines für eine Oberflächenbehandlung benötigten Mediums durch den weitestgehend vom Werkstück eingenommenen Raum wird eine Umströmung des Werkstücks erreicht. Dies hat folgende Vorteile: Beim Entfetten und Reinigen werden durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit Verunreinigungen mitgerissen. Die Qualität der beiden Prozessschritte wird dadurch verbessert. Beim Beschichten wird durch das strömende Medium eine gleichmäßige Wärmeverteilung an der Oberfläche des Werkstücks sichergestellt. Dadurch kommt es zu keinen lokalen Überhitzungen mehr, die die Qualität der Beschichtung beeinträchtigen könnten. Zudem werden Gasblasen, die beim Elektrolyseprozess entstehen, von der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Mediums mitgerissen. Darüber hinaus wird eine bessere Durchmischung des Elektrolyts sichergestellt, was eine gleichmäßige Konzentration von im Elektrolyt gelösten Substanzen zur Folge hat. Auch hierdurch wird eine gleich bleibende Qualität der Beschichtung sichergestellt.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung im Querschnitt,
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer mehrere Vorrichtungen umfassenden Anlage zur Durchführung von Oberflächenbehandlungen von Werkstücken, sowie
Fig. 3: eine Detailansicht eines ein zu beschichtendes rohförmiges Werkstück umhüllenden, als Metallrohr ausgeführten Mantels der Vorrichtung aus Fig. 1.

Eine in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 20 zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks 1, umfasst im Wesentlichen einen beispielsweise als Metallrohr 2 ausgeführten Mantel. Das Metallrohr 2 umhüllt einen zu mindestens einem Querschnitt des Werkstücks 1 komplementären, mindestens einen Teil des einer Oberflächenbehandlung zu unterziehenden Werkstücks 1 aufnehmenden und mit einem zu einer Oberflächenbehandlung benötigten Medium befüllbaren Raum 17. Die Innenabmessungen des Metallrohrs 2 sind in allen Richtungen gleichermaßen um vorzugsweise 0,001 bis 10 mm größer, als die Außenabmessungen des entsprechenden Querschnitts des Werkstücks 1. Bei in den Raum eingebrachtem Werkstück 1 verbleibt von dem Raum 17 ein ringförmiger Spalt 3.
Ein Kernstück der Vorrichtung 20 ist die als Anode oder Kathode ausgeführte Elektrode 9. Sie umfasst das den Mantel bildende Metallrohr 2, welches elektrochemisch beständig ist. In das Metallrohr 2 ist eine nichtmetallische Führungshülse 4 eingesetzt, die zur Zentrierung des Werkstücks 1 und zur unteren Begrenzung desjenigen Bereichs des Werkstücks 1 dient, auf den eine Beschichtung aufgebracht werden soll. Eine obere Begrenzung wird durch die Oberkante des als Elektrode 9 dienenden Metallrohrs 2 gebildet. Eine elektrische Kontaktierung der Elektrode 9 erfolgt außen am Metallrohr 2. Oberhalb der Elektrode 9 befindet sich eine Prallplatte 13, die beispielsweise den nach dem Beschichten zum Spülen verwendeten Heißdampf aus dem Eingang 10 in den Spalt 3 zwischen Elektrode 9 und Werkstück 1 verteilt. Darüber ist die Dichtung 8 angeordnet. Die Dichtung ist mit Druckluft betätigbar und verschließt den Raum 17 der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der Umgebung. Die Dichtung 8 ist in ihrer konstruktiven Anordnung so platziert, dass sie außerhalb des Einflussbereichs der verwendeten aggressiven Medien liegt. Die Elektrode 9 ist zwischen Platten 15, 16 eingeklemmt. Umlaufende Dichtungen 14 stellen eine Abdichtung des Raums 17 gegenüber der Umgebung sicher. Eine Versorgung des Spalts 3 zwischen Elektrode 9 und Werkstück 1 mit den flüssigen Medien erfolgt über den Eingang 5. Das jeweilige Medium verteilt sich vom Eingang 5 kommend im vom Raum 17 mit darin befindlichem Werkstück 1 verbleibenden Spalt 3 mit sehr hoher Strömungsgeschwindigkeit von unten nach oben. Im oberen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 strömt das jeweils verwendete Medium mit dem Raum 17 bzw. dem Spalt 3 über einen Verbindungskanal 7 verbundenen in einen Ringkanal 11 und wird über einen Abgang 6 abgesaugt.
Besonders vorteilhaft ist die Vorrichtung 20 in Verbindung mit zylinderförmigen Werkstücken anwendbar.
Die Vorrichtung 20 erlaubt ein automatisches high-speed-Beschichten von zylindrischen Flächen oder Werkstücken.
Der Begriff des automatischen Beschichtens bezieht sich darauf, dass das Werkstück 1 nach dessen mechanischer Fertigung, also der Herstellung seiner äußeren Form durch Fräsen, Drehen, Schleifen, Honen, Polieren oder dergleichen, manuell oder mittels einer Hilfsvorrichtung in eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 eingesetzt wird.
Danach läuft ein automatisiertes Verfahren ab, bei dem zunächst das Werkstück 1 durch das Spannen einer Dichtung 8 geklemmt wird und der vom Metallrohr 2 umhüllte, das Werkstück 1 zumindest teilweise aufnehmende, in der Vorrichtung 20 befindlicher Raum 17 gegenüber der Umgebung dicht verschlossen wird. Dann wird das Werkstück 1 elektrisch kontaktiert. Anschließend werden die das Beschichten durch Galvanisieren vorbereitenden Oberflächenbehandlungen Entfetten, Spülen, Aktivieren, sowie danach die Oberflächenbehandlung des Beschichtens selbst durchgeführt. Hierzu wird jeweils ein für den jeweiligen Prozessschritt benötigtes Medium dem Raum 17 zugeführt. Hierfür benötigte flüssige Medien strömen dabei über einen Anschluss 5 in den Raum 17, verteilen sich über den vom das Werkstück 1 aufnehmenden Raum 17 verbleibenden Spalt 3 in einen als Rücklaufraum dienenden Ringkanal 11, und fließen über eine als Abgang 6 dienende Leitung 12 wieder ab.
Zur besseren Gasableitung und aus Gründen der Betriebssicherheit werden die flüssigen Medien an der als Abgang 6 dienenden Leitung 12 abgesaugt. Dadurch herrscht in der gesamten Vorrichtung 20 Unterdruck gegenüber der Umgebung. Durch diese Maßnahme kann keines der flüssigen Medien an einer undichten Stelle herausspritzen.
Im Spalt 3 zwischen Anode und Kathode, also zwischen Elektrode 9 und Werkstück 1, werden sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten der verwendeten flüssigen Medien erreicht, durch die die im gesamten Elektrolyseprozess entstehenden Gasblasen schon während ihrer Entstehung mitgerissen werden. Die Gasausscheidungen können in einem separaten, vom Raum 17 unabhängigen Gasabscheider abgeschieden werden.
Nach dem Beschichten wird das Werkstück 1 durch Einleiten von unter Überdruck stehendem Heißdampf durch den Eingang 10 in den Raum 17 von anhaftendem Elektrolyt gespült und getrocknet.
Das Werkstück kann der Vorrichtung 20 danach beschichtet, gereinigt und getrocknet entnommen werden. Hierzu wird die elektrische Kontaktierung gelöst und die Dichtung 8 geöffnet.
Das beschichtete Werkstück 1 kann manuell oder mittels einer Hilfsvorrichtung aus der Vorrichtung 20 entnommen werden.
Grundsätzlich ist denkbar, mehrere parallel angeordnete Vorrichtungen 20 in eine Fertigungsanlage zu integrieren, um mehrere Werkstücke gleichzeitig einer Oberflächenbehandlung unterziehen zu können.
Eine in Fig. 2 dargestellte, mehrere hierbei als Zelle A, B, C bezeichnete Vorrichtungen umfassende Anlage AV verfügt über ein Verteilersystem, über dass mehrere Tanks I, II, III, IV, V zur Lagerung der für die einzelnen Prozessschritte, also Oberflächenbehandlungen, benötigten Medien enthält. Das Verteilersystem umfasst einen vorzugsweise automatisch betätigbaren Verteilerschieber V1, welcher dem jeweils laufenden Prozessschritt das erforderliche Medium zuordnet. Durch die Zuordnung wird das entsprechende Medium dem Raum der Zelle A, B, C zugeführt, in dem sich das zu behandelnde Werkstück, bzw. ein Teil dessen befindet.
Über eine Pumpe P wird das jeweilige Medium über eine Ansaugleitung AS durch die einzelnen Zellen A, B, C hindurch angesaugt und über einen zweiten Verteilerschieber V2 nach Durchströmen des dabei unter Unterdruck gegenüber der Umgebung stehenden Raums zurück in den entsprechenden Tank I, II, III, IV, V geführt.
Die Anlage AV umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Stromquellen für die einzelnen Zellen A, B, C mit der oder denen eine exakte Maßhaltigkeit und Qualität der Dicke der Beschichtung erreicht wird.
Nach dem automatischen Verfahrensablauf, umfassend die Prozessschritte Entfetten, Spülen, gegebenenfalls Aktivieren, Beschichten, Spülen und Trocknen, können die in den Zellen A, B, C einer Oberflächenbehandlung unterzogenen Werkstücke in beschichtetem, gespülten und getrocknetem Zustand entnommen werden.
Verglichen mit dem Stand der Technik finden alle Prozessschritte in einer einzigen Vorrichtung oder Zelle statt. Das Werkstück muss nicht mehrfach in verschiedene Behälter eingebracht und angefasst werden. Darüber hinaus ist der Umgang mit den aggressiven Medien verbessert, da sich diese erfindungsgemäß in einem geschlossenen Kreislauf befinden. Außerdem herrscht in dem Raum vorzugsweise zumindest während den Oberflächenbehandlungen, bei denen aggressive Medien benötigt werden, Unterdruck gegenüber der Umgebung. Der geschlossene Kreislauf verringert darüber hinaus die Menge der jeweils benötigten Medien. Dies ist ein erheblicher Beitrag zum Umweltschutz.
Die Vorrichtung kann in eine Fertigungsstraße integriert werden und ist voll automatisierbar. Die Vorrichtung umfasst oder ist Teil einer Anlage, die dicht verschlossen mit allen für sämtliche beim Galvanisieren auftretenden Prozessschritte benötigten Medien, wie beispielsweise Beize, Elektrolyt, Spülwasser, Heißdampf, sowie mit Strom versorgt wird.
Darüber hinaus wird im Beschichtungsschritt eine sehr hohe Stromausbeute und damit eine hohe Abscheidungsgeschwindigkeit verbunden mit einer kurzen Prozesszeit erreicht.
Handelt es sich bei dem mittels einer Vorrichtung 20 zu beschichtenden Werkstück 1 wie in Fig. 3 dargestellt um ein Rohr 22, einen zylinderförmigen Kolben mit einer stirnseitigen Ausnehmung, oder um ein sonst wie geformtes Werkstück mit einer durch mindestens eine Öffnung 18 zugänglichen Kavität 19, so kann gleichzeitig eine Außen- und Innenbeschichtung des Werkstücks 1 durchgeführt werden, indem der hier als Metallrohr 2 ausgeführte Mantel der Vorrichtung 20 die Öffnung 18 zur Kavität 19 hin überdeckt, oder das gesamte Werkstück 1 umschließt.
Ebenso ist denkbar, bei einem beispielsweise als Rohr 22 ausgeführten Werkstück 1 nur eine Außenbeschichtung vorzunehmen. In diesem Fall muss sichergestellt werden, dass kein zur Oberflächenbehandlung verwendetes flüssiges Medium durch die Öffnungen 18 in die Kavität 19 eindringen kann, sondern nur wie durch die Pfeile P angedeutet, den Spalt 3 zwischen Mantel bzw. Metallrohr 2 und Werkstück 1 bzw. Rohr 22 durchströmt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, indem das Werkstück 1 nur entlang eines bestimmten, zu beschichtenden Abschnitts in Richtung seiner Längsachse 21 vom Metallrohr 2 ummantelt wird, und mit seinen freien, die Öffnungen 18 aufweisenden Enden beidseitig aus dem Metallrohr 2 herausragt.
Wichtig ist hervorzuheben, dass alle Prozessschritte, wie Entfetten, Aktivieren, Beschichten, Spülen und Trocknen innerhalb der selben Vorrichtung nur durch Umschalten der die jeweilige Substanz dem Raum zuführenden, medienführenden Leitungen erfolgt. Jede Substanz wird dabei getrennt zu- und abgeführt. Beim Umschalten zwischen einzelnen Substanzen anfallende Mengen von Mischungen verschiedener Substanzen können in einen Sammelbehälter geleitet und entweder entsorgt, oder wiederaufbereitet werden.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist darüber hinaus, dass das auf das Beschichten folgende Spülen und Trocknen mittels Heißdampf erfolgt. Der Dampf reinigt sowohl die beschichtete Oberfläche des Werkstücks, als auch die Elektrode. Durch die Aufnahme von Wärmeenergie durch das Werkstück erfolgt eine Verdampfung von Kondensat auf dessen Oberfläche. Da das Kondensat keine Salze enthält, entstehen auch keine Trockenflecken. Dadurch verlässt das Werkstück die Vorrichtung gereinigt und getrocknet. Hierdurch ist eine höhere Oberflächenqualität erzielbar, als beim Stand der Technik. Das gegebenenfalls nach dem Reinigen mit Heißdampf abtropfende Kondensat kann in einem Entsorgungstank gesammelt werden, oder bei Bedarf dem Prozess wieder zugeführt werden. Beispielsweise um höhere Dampftemperaturen erzielen zu können, herrscht in dem vom Mantel umhüllten Raum zumindest beim abschließenden Reinigen Überdruck gegenüber der Umgebung.
Wichtig ist hervorzuheben, dass die Vorrichtung auch so ausgeführt werden kann, dass der das Werkstück aufnehmende Raum von einem zu einem Querschnitt des Werkstücks komplementären Ring gebildet wird, der über einen Querschnitt des Werkstücks gezogen wird. Der Ring ist beidseitig offen ausgeführt. Dichtlippen oder sonst wie verstellbare Dichtungen schließen die Ringspalte beidseitig zwischen Ring und Werkstück ab. Der Ring kann gegenüber der Längsachse des Wekstücks verschoben werden, beispielsweise motorisch, um so abschnittsweise die gesamte Oberfläche des Werkstücks, oder nur Teile der Oberfläche, zu Beschichten. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Oberflächenbehandlung von Werkstücken, wie etwa beim Galvanisieren, sowie bei der Herstellung von Vorrichtungen und Anlagen zur Oberflächenbehandlung gewerblich anwendbar.

Bezugszeichenliste

1: Werkstück
2: Metallrohr
3: Spalt
4: Führungshülse
5: Eingang
6: Abgang
7: Verbindungskanal
8: Dichtung
9: Elektrode
10: Eingang
11: Ringkanal
12: Leitung
13: Prallplatte
14: Dichtung
15: Platte
16: Platte
17: Raum
18: Öffnung
19: Kavität
20: Vorrichtung
21: Längsachse
22: Rohr

A, B, C: Zelle
AS: Absaugleitung
AV: mehrere Zellen umfassende Anlage
V1: Verteilerschieber (Zufuhr)
V2: Verteilerschieber (Abfuhr)
I, II, III, IV, V: Tank

Claims

Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks (1) bei dem zunächst das Werkstück (1) durch das Spannen einer Dichtung (8) geklemmt wird und ein von einem Metallrohr umhüllter, das Werkstück (1) zumindest teilweise aufnehmender, in einer Vorrichtung (20) befindlicher Raum (17) gegenüber der Umgebung dicht verschlossen wird, dann das Werkstück 1 elektrisch kontaktiert wird, anschließend die das Beschichten durch Galvanisieren vorbereitenden Oberflächenbehandlungen Entfetten, Spülen, Aktivieren, sowie danach die Oberflächenbehandlung des Beschichtens selbst durchgeführt werden, wobei hierzu jeweils ein für den jeweiligen Prozessschritt benötigtes Medium dem Raum (17) zugeführt wird, indem die hierfür benötigten flüssigen Medien über einen Anschluss (5) in den Raum (17) strömen, sich über einen vom das Werkstück (1) aufnehmenden Raum (17) verbleibenden Spalt (3) in einen als Rücklaufraum dienenden Ringkanal (11) verteilen, und über eine als Abgang (6) dienende Leitung (12) wieder abfließen, wobei die flüssigen Medien an der als Abgang (6) dienenden Leitung (12) abgesaugt werden, und wobei nach dem Beschichten das Werkstück (1) durch Einleiten von unter Überdruck stehendem Heißdampf durch den Eingang (10) in den Raum (17) von anhaftendem Elektrolyt gespült und getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Werkstück der Vorrichtung 20 danach beschichtet, gereinigt und getrocknet entnommen wird, wobei die elektrische Kontaktierung gelöst und die Dichtung (8) geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 wobei zumindest beim abschließenden Reinigen Überdruck gegenüber der Umgebung herrscht.