Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines vollständig oder teilweise emaillierten Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise emaillierten Bauteils.
Beim Emaillieren handelt es sich um einen technologisch vergleichsweise aufwändigen Prozess, der im Ergebnis einen hochbelastbaren, chemisch neutralen, korrosionsbeständigen, hoch isolierenden und hygienisch hochwertigen Verbundwerkstoff liefert. Es gibt viele Anwendungsfälle, in denen emaillierte Oberflächen besondere Vorteile aufweisen, auch im Hinblick auf eine Langzeitbeständigkeit.
Emaillierte Bauteile werden üblicherweise hergestellt, indem man auf einen geeignet gewählten Trägerkörper nach geeigneten Vorbehandlungen Emailschlicker oder Emailpulver aufbringt, diese aufschmilzt und bei Temperaturen im Bereich von etwa 800 bis 900 Grad einbrennt. Hierzu stehen eine Vielzahl von Verfahren zur Verfügung. Gegenwärtig erfolgt ein Emaillierprozess in der Regel dergestalt, dass nach einer Reinigung, Vortrocknung und optionaler Vorerwärmung des Trägerkörpers und anschließendem Substratauftrag (insbesondere von Silikaten) - alles teilweise in mehreren Stufen - auf die jeweilige üblicherweise metallische Oberfläche des Trägerkörpers - vorzugsweise Stahl bzw. Grauguß - durch Wärmestrahlung auf die so vorbereitete Oberfläche diese mit dem Substrat oder Emailpulver erwärmt wird, bis die Schmelztemperatur des Emailpulvers oder Emailschli- ckers erreicht ist, und das„aufgeschmolzene" Substrat oder Emailpulver bei ca. 820 °C eine innige Verbindung mit dem Trägermaterial eingeht.
Zwar liefert ein derartiger Emaillierprozess im Ergebnis ein hochwertiges, vielseitig einsetzbares Produkt. Andererseits ist eine derartige Herstellung aber vergleichsweise ener- gieaufwändig und ressourcenintensiv. Insbesondere ist der Aufschmelz- und Einbrenn- prozess energetisch besonders aufwändig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise emaillierten Bauteils anzugeben, das mit besonders gering gehaltenem energetischen Aufwand und gering gehaltener Umweltbelastung eine besonders hohe Produktqualität ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein Emailpulver tragender Trägerkörper induktiv erhitzt wird, wobei die Betriebsfrequenz des Induktors im Hinblick auf die Materialeigenschaften des Werkstücks derart gewählt wird, dass die elektromagnetische Eindringtiefe im Werkstück höchstens 1 mm beträgt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine hohe Produktqualität sichergestellt werden kann, indem die grundsätzlichen für den Emaillierprozess erheblichen Parameter, insbesondere die lokalen Umwandlungstemperaturen beim„Aufschmelzen" des Emailpulvers oder Substratmaterials auf den Trägerkörper, zuverlässig eingehalten werden. Unter gezielter Einhaltung dieser Randbedingung kann der erforderliche Energiebedarf - und mit diesem auch die damit einhergehende Umweltbelastung und Inanspruchnahme von Ressourcen - besonders gering gehalten werden, indem in der Art einer Fokussierung die Energieapplizierung bei der Umwandlung oder dem Schmelzpro- zess auf einen lokalen Raumbereich begrenzt und eingeschränkt wird, in dem der angestrebte Umwandlungsprozess auch tatsächlich stattfinden soll. Unter gezielter Abkehr von den üblichen Verfahren, bei denen der das Emailpulver tragende Trägerkörper in einem Ofen global und damit in seinem vollen Volumen und großflächig erhitzt und aufgeheizt wird, ist somit nunmehr eine lokal begrenzte, fokussierte Aufheizung eines begrenzten Raumbereichs des Trägerkörpers vorgesehen, auf den die vorgesehene Materialumwandlung begrenzt sein soll. Auf besonders einfache Weise ist dies erreichbar durch eine lokale Erhitzung des Trägerkörpers durch induktive Beheizung.
Die für den Emaillierprozess erforderliche Wärme wird somit nicht über ein Drittmedium auf die Substratoberfläche und dann durch diese an die Grenzfläche von Trägermaterial und Substrat aufgebracht. Stattdessen wird der relevante Raumbereich, insbesondere an der Grenze von Trägerkörper und Substrat oder Emailpulver, direkt und unmittelbar induktiv erhitzt. Beim Schichtbildungsprozess der Emaillierschicht (Einbrennen / Härten) führt dies dazu, dass diese direkt und wachsend vom Träger aus zur Oberfläche hin und nicht - wie in üblichen Verfahren - von der Oberfläche aus zum Trägerkörper hin aufgebaut wird.
Die Verbindung der durch den Emaillierprozess entstehenden Thermoglasur mit dem metallischen Trägermaterial wird dadurch deutlich verbessert, da sich die Energie- oder Wärmedeposition von innen heraus entwickelt. Das ergibt eine deutlich verbesserte Verankerung der Emaillierschicht am Trägerkörper und eine neue Emaillierqualität. Insbe-
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sondere wird hierdurch die Haftung des Substrates oder Emailliermaterials am Trägermaterial - auch an„kritischen Stellen" - weiter verbessert, und ein Abplatzen, insbesondere an Ecken oder Kanten, wird weiter deutlich reduziert.
Zudem können während des Schichtbildungs- oder des diesem nachfolgenden Aushärteprozesses ggf. noch vorhandene Luft- oder sonstige Feuchtigkeits- oder anderweitige Einschlüsse von der Grenzfläche des Trägerkörpers nach außen hin entweichen, weil die Oberfläche während des Schichtbildungsprozesses noch„offen" ist. Mögliche Probleme durch unerwünschte blasenartige Luft- oder Gaseinschlüsse werden minimiert.
Mit einem zweiten und/oder dritten Substrat- oder Materialauftrag können gezielt Konturen aufgebracht und mit der unteren Substratlage verschmolzen werden. Das kann z. B. gezielt für Werbeanzeigen genutzt werden. Für Schriftzüge auf der unteren Lage kann z. B. andersfarbiges / andersartiges Substrat aufgespritzt (z. B. Siebdruck / Schablonen) und durch Nachführen eines entsprechend gestalteten Induktors sofort aufgeschmolzen und ausgehärtet werden (ggf. weiterer Induktor). Durch geschickte Variation und Kombination sind der Kreativität und Vielfalt keine Grenzen gesetzt.
Im Vorfeld des eigentlichen Einbrennprozesses kann die induktive Erwärmung mit einem anderen oder auch dem gleichen Induktor (geringerer Leistungseintrag oder kürzere Einwirkzeit) auch zum Vortrocknen bzw. zur Vorerwärmung für spezielle Substrataufträge genutzt werden, wodurch insbesondere eine verbesserte Haftung erreicht werden kann. Auch kann zwischen den einzelnen Reinigungsstufen induktiv getrocknet werden.
Die induktive Erwärmung bewirkt auch in diesen dem Einbrennen eigentlich vorgeschalteten Stufen erhebliche Reduzierungen der notwendigen Prozesszeiten und -leistungen und infolge der entsprechenden Prozeßverbesserungen auch eine Verringerung des apparativen und prozesstechnischen Aufwands.
Besonders bevorzugt wird die induktive Erwärmung für Reparaturzwecke verwendet, wobei insbesondere vereinzelte schadhafte Stellen in einem Emaille-Überzug beispielsweise mit lokal mit einer Emaillierpaste versehen werden und sodann das reparaturbedürftige Bauteil induktiv lokal erwärmt und die„Ersatz-Emaille" somit aufgebracht wird.
Die für ggf. noch notwendige Öfen vorzusehenden eigentlichen Flächen und Räume werden - eine gute Isolation der„Kammern" vorausgesetzt - deutlich reduziert. Dank Indukti-
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on kann sehr örtlich und gezielt erwärmt werden. Eine großräumige Erwärmung, wie bisher zwangsweise erforderlich, mit vielen energetischen Verlusten kann so vermieden werden. Das ist energetisch günstig und umweltfreundlich.
Gegenüber Verfahren unter Nutzung von Lasertechnik für den Aufschmelz- und Ein- brennprozess und der dabei prinzipbedingt auftretenden Streifenstruktur zeigt die induktive Lösung - beispielsweise beim Scannen von Großteilen - diesen Nachteil nicht. Vielmehr erlaubt sie sanfte Übergänge und ein Zeile in Zeile Verschmelzen der Beschichtung, was letztendlich zu einer Oberfläche„aus einem Stück" führt.
Durch die induktive Erwärmung des Trägerkörpers erfolgt diese lokal auf einen Raumbereich des Trägerkörpers begrenzt, so dass durch entsprechende Ansteuerung der Positionierung des Energieeintrags eine selektive, objektspezifische Prozessführung ermöglicht wird. Neben anderen Varianten ist dabei auch in der Art eines„Scannens" ein sequentielles Überstreichen der Oberflächenregionen des Trägerkörpers möglich. Je nach Teilegröße und deren Form kann großflächig der Gesamtkörper oder aber dieser auch in Abschnitten gescannt und erwärmt werden. Dabei kommt insbesondere die Wärmeleitung im Metall zur Wirkung, die aber auf einen lokalisierten„Einbrennherd" nur wenig Einfluss ausübt und eher vorteilhaft als störend wirkt und so eher einer Art Vor- bzw. Grunderwärmung entspricht.
Generell sind auch der Induktorgestaltung und -auslegung kaum Grenzen gesetzt. Bei einer allseitigen Emaillierung von Plattenmaterial bzw. Gefäßen (z.Bsp. emaillierte Behälter / Speicher) sind durchaus Ringinduktoren vorstellbar bzw. vorteilhaft. Bei sehr großen Flächenelementen kann auch von einer Seite mit einem„Flächeninduktor" die zu behandelnde Fläche mittels HF gescannt und so erwärmt werden.
Für kleinere Werbeträger oder für Schmuck ist u.U. eine Ringspule oder ein formierter Ringinduktor (eckig / oval o.ä.) vorteilhaft. Optimierungen dazu können durch Versuche ermittelt werden.
Größe und Beschaffenheit der zu emaillierenden Teile bestimmen auch entscheidend die Frequenzwahl für die induktive Erwärmung (MF oder HF), wobei in vielen Anwendungen sicher eine HF - Wahl günstig sein sollte, da hierbei gezielt die Grenzfläche zum Substrat angesprochen / erwärmt wird (Skineffekt).
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Die optional ebenfalls mögliche lokale Begrenzung der Induktionseinwirkung, insbesondere durch geeignete Prozessführung, ermöglicht zudem in besonderem Maße eine effektive und kostengünstige Lösung im Reparatursektor bei der Aufarbeitung ganz oder teilweise abgekratzter, abgeplatzter oder auf sonstige Weise beschädigter Oberflächen, insbesondere bei Industrieteilen oder hochwertigen Gebrauchsgütern. Eine derartige Reparatur kann besonders vorteilhaft auch in der Art einer In situ Behandlung direkt am Einbauort, also ohne Notwendigkeit des Aus- und Wiedereinbaus des jeweiligen Bauteils, erfolgen. Die behandlungsbedürftige Schadstelle wird dabei vorzugsweise vor der eigentlichen Behandlung mechanisch und/oder chemisch gereinigt und von Rost oder sonstigen Verschmutzungen befreit. Nach geeigneter Vorbehandlung, beispielsweise in der Art einer Grundierung oder dergleichen, wird dann Emailspachtelmasse, vorzugsweise in Form und/oder Farbe an das behandlungsbedürftige Bauteil angepasst, aufgetragen und anschließend in und mit der vorhandenen„Altumgebung", also den lokal noch vorhandenen Beschichtungsresten, induktiv und schnell aufgeschmolzen und sofort eingebrannt. Die Konturen verschmelzen und verlaufen dabei miteinander, so dass ein homogener Gesamteindruck der reparierten Oberfläche entsteht. Die reparierte Teilfläche kann dabei durch geeignete Materialwahl, insbesondere der Emailspachtelmasse, hinsichtlich Farbe- gebung und/oder Oberflächeneigenschaften geeignet an die vorhandene Altoberfläche angepasst, oder aber auch gezielt von dieser unterscheidbar als eigenständiges Segment optisch hervorgehoben werden.
Insbesondere bei„kritischen", anspruchsvollen und/oder empfindlichen Technikteilen kann die Forderung bestehen, tiefer als beispielsweise 1 mm unter der Außenoberfläche liegende Gefügeschichten bei Aufbringen der Oberflächenbeschichtung zu schonen und nicht zu beschädigen. Dieser Forderung kann mit vergleichsweise hoher Energiedichte, hohen Frequenzen und gering gehaltener Einwirkzeit bei der induktiven Erwärmung Rechnung getragen werden. Vorteilhafterweise erfolgt die Wahl der Betriebsparameter, also insbesondere der Energiedichte, der Frequenz und/oder der Einwirkzeit, dabei gezielt im Hinblick auf und unter Berücksichtigung von den jeweiligen Werkstoffeigenschaften des Trägerkörpers. Beispielsweise weisen die gängigsten Trägermaterialien Stahl, Kupfer und Aluminium die folgenden Wärmeleitfähigkeiten auf (in W/(mK)): Stahl 50, Kupfer 300, Aluminium 240. Demzufolge werden vorteilhafterweise die Betriebsparameter für die Prozessführung geeignet an das Trägermaterial angepasst gewählt, um ein gleichmäßiges und reproduzierbares Aufschmelzverhalten der Emailliermasse zu erhalten.
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Auch ist eine MF - Gesamterwärmung und ein Einbrennen auf der Gesamtoberfläche im ersten Schritt vorstellbar, dem ein zweiter Schritt mit anderem Substrat und einer HF - Induktion zu gestalterischen Zwecken folgen kann.
Der Prozessablauf und die Emaillierqualität werden aus aktueller Sicht besonders geprägt und beeinflußt durch:
Material des Trägers und dessen Beschaffenheit
Qualität des Emailliermaterials (Substrat)
Umfang und Qualität der Vorbehandlungsschritte
Aufbau / Eignung des Gesamtequipments
Wahl des passenden Umrichters (Leistung , Frequenz)
Design des Induktors
Verfahrensparameter Induktion:
Kopplungsabstand
Leistung (kann auch gestuft werden!)
Einwirkzeit / Erwärmungszeit
bei Scanprozess:
Bewegungsablauf des Induktors
(Geschwindigkeit, Richtung, oszillierende Kurve)
Besonders bevorzugt wird dabei der Bewegungsablauf des Induktors relativ zur zu beschichtenden Oberfläche im Hinblick auf die weiteren Porzessparameter wie beispielsweise Behandlungstemperatur, übertragene Energie- oder Leistungsdichten und dergleichen geeignet gewählt und eingestellt. Im Hinblick auf Materialerfordernisse kann dabei beispielsweise vorgesehen sein, zu starke Temperaturunterschiede im zu beschichtenden Bauteil zwischen den aktuell induktiv erhitzten Bereichen einerseits und den aktuell nicht erhitzten Bereichen andererseits zu vermeiden, indem der Induktor schnell genug über die jeweils behandelten Raumbereiche hinweg bewegt wird. Damit können thermisch bedingte Verformungen des Materialstücks und dergleichen vermieden oder zumindest gering gehalten werden. Vortsellbar für das Bewegungsmuster des jeweiligen Induktors über der zu behandelnden Oberfläche sind beispielsweise Linear- und/oder Drehbewegungen oder auch aus diesen zusammengesetzte Bewegungsprofile.
Generell ist es möglich, ein Emailierprogramm - angepaßt an das Objekt und die spezifischen Anforderungen - in weiten Grenzen variabel zu fahren und jedem Objektpunkt be-
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stimmte Verfahrensparameter zuzuordnen. Daraus ergibt sich eine Vielzahl gestalterischer Möglichkeiten. Als besonders vorteilhaft werden dabei insbesondere angesehen:
Die Induktorgestaltung kann anwendungsbezogen vielschichtig und in breiten Variationen vorgesehen sein, beispielsweise rund, flach für Scannen, ein- und mehrwindig nach Objektgröße und Anwendung, mäanderförmiger Flächeninduktor (größere" Angriffsfläche"); objektangepasst auch halbrund, oval oder rechteckig ausgeführt
Hinsichtlich Prozessablauf und Emaillierqualität sind grundsätzlich alle Metalle günstig, besonders bevorzugt solche mit guter induktiver Ankopplung (Eisen, Stahl, Legierungen); Kupfer Alu, Edelmetalle (Kunst!), Gold, Silber, Platin.
Die Qualität des Emailliermaterials sollte gewählt werden im Hinblick auf: Zusammensetzung, Chemie, Korngößen, Vorbehandlung
Eine besonders bevorzugte Vorbehandlung des Trägermaterials umfasst: Reinigen, Waschen, Trocknen, ehem. Vorbehandlung, Entfetten
Ein relevanter Parameter für die Wahl der Betriebsparameter bei der Prozessführung ist auch die - üblicherweise frequenz- und temperaturabhängige - Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes in die Materialoberfläche. Gerade im Hinblick auf möglicherweise schonungsbedürftige tiefer liegende Gefügeschichten werden daher Behandlungstemperatur und/oder Betriebsfrequenz des Induktors besonders bevorzugt derart gewählt, dass die Eindringtiefe höchstens etwa 1 mm beträgt.
Für Kupfer als Trägermaterial bedeutet dies beispielsweise, dass bei einer Behandlungstemperatur von etwa 20°C die Betriebsfrequenz des Induktors bei etwa 10kHz oder mehr gewählt wird, bei einer Behandlungstemperatur von etwa 100°C sind für dieses Kriterium hingegen bevorzugt Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 20 kHz vorgesehen. Bei einer Behandlungstemperatur von etwa 20°C sind hingegen vorzugsweise für Stahl als Trägermaterial Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 500Hz und für Aluminium Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 1 kHz vorgesehen.
Die energetischen Vorteile sind sehr gut nachvollziehbar und können meßtechnisch im konkreten Anwendungsfall zweifelsfrei erfasst werden. Daraus resultiert unmittelbar die Umweltfreundlichkeit, denn starke Ofenerwärmung - wie auch immer - bedeutet hoher C02 - Ausstoß. Zudem ist durch die induktive Erhitzung eine besonders gute Reprodu-
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zierbarkeit im Herstellungsprozess selbst bei örtlich unterschiedlichen Anforderungen an das jeweilige Bauteil gegeben.
Drei Zahlenwerte in Gegenüberstellung verdeutlichen klar den hier aufgezeigten energetischen Vorteil:
Erwärmungsart Leistungsübertragung in W / cm2
Konvektion (Molekularbew., Mitnahme) 0,5
Strahlung (Ofen, Widerstandserw.) 8
Induktionserwärmung
(im Teil selbst, ohne Übertragungsmedium) 30 000
Vorteilhafterweise wird für den Induktor eine Betriebsfrequenz von mindestens 300 kHz gewählt. Damit kann sichergestellt werden, dass auch bei variierenden Materialien oder Umgebungsbedingungen die elektromagnetische Eindringtiefe ausreichend gering gehalten werden kann, um die Erwärmung auf den unmittelbaren Nahbereich der Oberfläche zu begrenzen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird mit Hilfe der induktiven Erwärmung eine bereits auf dem Werkstück befindliche schadhafte Emaille-Schicht repariert. Dies kann aufgrund des lokal begrenzten und damit sehr gut fokussierbaren Wärmeeintrags sehr bedarfsgerecht und damit ressourcenschonend erfolgen.
Vorteilhafterweise wird über den Induktor auf das Werkstück eine Leistungsdichte von mindestens 10 kW/cm2 induktiv übertragen. Dadurch sind die Zeitspannen, innerhalb derer erwärmungsbedingt die Schmelztemperatur des Emaillepulvers oder -schlickers erreichbar ist, besonders kurz gehalten, so dass der Wärmeeintrag auf den Oberflächenbereich begrenzt gehalten werden kann und auch insgesamt gesehen vergleichsweise gering bleibt.
Es ist gut vorstellbar, dass gezielt unter der Erkenntnis der besonderen Eigenschaften und Vorteile emaillierter Oberflächen die eingesetzten Elemente z. B. bei großflächigen Tunnelauskleidungen bei sinkenden Herstellungskosten eine enorme Belebung bewirken, aber auch bei der Fertigung vieler Behälter (Trinkwasser, Medizin usw.) wird sich der sich positiv darstellende Zeit - und Kostenfaktor absatzfördernd auswirken.
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Durch die konsequente Beschränkung des Temperatureintrags auf die eigentlichen Oberflächenbereiche des zu beschichteten Bauteils durch konsequente Nutzung des Skin- Effekts ist es zudem in besonders vorteilhafter Weiterbildung möglich, auch Oberflächen- beschichtungen in der Art eines Verbundmaterials, im Sinne einer Kombination aus Email und Metall, aufzubringen. Hierdurch oder auch durch geeignet gewählte Emaillierbe- schichtunge als solche können in besonders bevorzugter Verwendung korrosionsgefähr- dete Bauteile oder Bauteile zur Verwendung in aggressiver Umgebung, wie beispielsweise und besonders bevorzugt Formteile für Schiffsrümpfe unterhalb der Wasserlinie oder dergleichen, wirksam konserviert werden.
In alternativer besonders vorteilhafter und als eigenständig erfinderisch angesehener Verwendung wird das Konzept der induktiven Erhitzung eines Bauteils verwendet zum Pulverbeschichten / -einbrennen (bevorzugt für Fensterbänke, Fensterprofile, Fassadenelemente, Zaunelemente oder andere Baumaterialien), zum Teflonbeschichten oder zur Diamant-, Keramik- und/oder Kristallbeschichtung von Oberflächen.
Ein Ausführungbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur eine Emaillieranlage zum Beschichten eines Werkstücks.
Die Emaillieranlage 1 gemäß der Figur ist zur Aufbringung einer korrosionsschützenden Emaille-Beschichtung auf ein Werkstück 2 vorgesehen. Die Emaille-Beschichtung wird dabei hergestellt, indem zunächst ein geeignet gewählter Ausgangsstoff, insbesondere eine so genannte Emaillierpaste, auf das Werkstück 2 aufgetragen wird. Anschließend wird das Werkstück 2 in demjenigen Raumbereich, in dem die Auftragung erfolgen soll, auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Emaillierwerkstoffs aufgeheizt, so dass ein Aufschmelzen des Emaillierwerkstoffs einsetzt. Als Arbeitstemperatur wird dabei im jeweils behandelten Raumbereich eine abhängig vom Material des Werkstücks 2 gewählte Mindesttemperatur überschritten, beispielsweise für Aluminium als Material des Werkstücks 2 etwa 500°C und für Stahl als Material des Werkstücks 2 etwa 850°C.
Die Emaillieranlage 1 ist gezielt dafür ausgelegt, ein hochwertiges Beschichtungsergebnis mit homogener und qualtitativ ansprochsvoller Oberfläche bei besonders gering gehaltenem Ressourceneinsatz, also insbesondere Energieaufwand, zu erreichen. Dazu ist die Emaillieranlage 1 zur lokalen oder bereichsweisen Erwärmung des Werkstücks 2 durch elektromagnetische Induktion ausgeführt. Die Emaillieranlage 1 umfasst dabei einen Induktionskopf oder Induktor 4, der über ein elektrisches Leitungssystem 6 mit einer einen
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Umrichter und eine Steuereinheit umfassenden Energieversorgungseinheit 8 verbunden ist. Beim Betrieb wird der Induktor 4 nahe oberhalb der Oberfläche des Werkstücks 2 positioniert, so dass das vom Induktor 4 abgestrahlte elektromagnetische Wechselfeld in die Oberfläche des Werkstücks 2 einkoppelt und diese dabei erwärmt.
Der Induktor 4 kann hinsichtlich seiner Geometrie- und Gestaltungsparameter in einer Vielfalt möglicher Varianten ausgeführt sein. Insbesondere kann die laterale Ausdehnung des Induktors 4, die auch die Größe des beim Betrieb jweils simultan erwärmten Oberflächensegments des Werkstücks 2 bestimmt, je nach Anwendungsfall vergleichsweise klein (einige cm2 oder sogar darunter, ermöglicht eine lokal sehr differenzierte Bearbeitung der Werkstückoberfläche beim Emaillieren), vergleichsweise groß (beispielsweise 1000 cm2 oder sogar darüber, ermöglicht eine vergleichsweise großflächige und damit zügige Bearbeitung auch vergleichsweise großer Gesamtoberflächen) oder mit Werten zwischen diesen Grenzen ausgeführt sein.
Die Emaillieranlage 1 ist, beispielsweise mittels nicht näher dargestellter Halteeinrichtungen für den Induktor 4 und/oder das Werkstück 2, für einen so genannten„Scan-Betrieb" ausgelegt, bei dem der Induktor 4 während des Emailliervorgangs relativ zur Oberfläche des Werkstücks 2 in x- und/oder y-Richtung (in der Figur angedeutet durch die Pfeile 10) bewegt wird und die Oberfläche dabei überstreicht. Bei einem derartigen Betrieb kann der Induktor 4 nach und nach über die gesamte Oberfläche des Werkstücks 2 geführt werden, so dass diese vollständig überstrichen wird und eine vollständige Behandlung der Werkstoffoberfläche erfolgt. Alternativ kann der Induktor 4 aber auch lediglich über ausgewählten Teilen oder Segmenten der Oberfläche des Werkstücks 2 aktiviert werden, was beispielsweise für Reparaturen beschädigter Oberflächenteile oder dergleichen aufgrund des sehr bedarfsgerechten Einsatzes und damit sehr geringen Gesamt-Energieverbrauchs sehr vorteilhaft ist.
Die Bewegung des Induktors 4 über die Oberfläche des Werkstücks 2 hinweg kann beispielsweise mittels geeigneter beweglicher Halte- oder Tragarme und einer geeigneten automatisierten Ansteuerung erfolgen. In alternativer, besonders vorteilhafter und als eigenständig erfinderisch angesehener Ausführung kann der Induktor 4 aber auch als tragbares Handgerät ausgeführt sein, das manuell über die Oberfläche des Werkstücks 2 bewegt werden kann.
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Die Emaillieranlage ist für eine besonders ressourcenschonende Betriebsweise bei der Oberflächenbehandlung des Werkstücks 2 ausgelegt, bei der sowohl der Energieverbrauch als auch der Materialverbrauch bei hoher Materialqualität der Oberfläche besonders gering gehalten werden sollen. Dazu ist vorgesehen, bei der induktiven Erwärmung des Werkstücks 2 konsequent den so genannten Skin-Effekt, also die nur begrenzte Eindringtiefe elektromagnetischer Wechselfelder in metallische Oberflächen, dafür auszunutzen, die induktiv erzeugte Erwärmung möglichst auf die eigentliche Oberfläche des Werkstücks 2 zu begrenzen, ohne dass es zu einer zu hohen Erwärmung der tieferliegenden Schichten oder Raumbereiche des Werkstücks 2 kommen soll. Dazu werden die Betriebsparameter der Emaillieranlage 1 derart gewählt, dass - unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Werkstücks 2 - die Eindringtiefe höchstens etwa 1 mm beträgt.
Für Kupfer als Trägermaterial bedeutet dies beispielsweise, dass bei einer Behandlungstemperatur von etwa 20°C die Betriebsfrequenz des Induktors bei etwa 10kHz oder mehr gewählt wird, bei einer Behandlungstemperatur von etwa 100°C sind für dieses Kriterium hingegen bevorzugt Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 20 kHz vorgesehen. Bei einer Behandlungstemperatur von etwa 20°C sind hingegen vorzugsweise für Stahl als Trägermaterial Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 500Hz und für Aluminium Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 1 kHz vorgesehen.
Um dabei auch unter variierenden Betriebsbedingungen einen echten Oberflächeneffekt sicherzustellen, wird eine Betriebsfrequenz von mindestens 300 kHz gewählt. Damit ist erreicht, dass die Eindringtiefe unter allen erwartbaren Bedingungen ausreichend klein gehalten werden kann, so dass die Erwärmung auf den unmittelbaren Oberflächenbereich begrenzt gehalten werden kann und tiefer liegende Gefügeschichten nicht nennenswert von der Erwärmung erfasst werden.
Auch die weiteren Betriebsparameter werden im Hinblick auf die vorgesehene ressourcenschonende Betriebsweise geeignet gewählt. Insbesondere wird der Induktor 4 mit einer Leistungsdichte von etwa 10 kW/cm2 (bezogen auf die abstrahlende Fläche) betrieben. Gerade in Kombination mit der vorgesehenen geringen Eindringtiefe im Werkstück 2 bedeuetet dies, dass der aufzuheizende Raumbereich im Oberflächenbereich des Werkstücks 2 einer hohen Leistungsdichte ausgesetzt wird, so dass die erforderlichen Behandlungszeiten, also insbesondere bis an der Oberfläche die Schmelztemperatur der
Emaillepaste erreicht wird, besonders kurz gehalten werden können.
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Ein besonders vorteilhafter Aspekt einer derartigen Parameterwahl besteht darin, dass infolge der gezielt auf die Oberfläche gerichteten Erwärmung auch vergleichsweise dünn gehaltene Beschichtungen erzeugt werden können, die sich in ihren Materialeigenschaften wie beispielsweise Elastizität etc. am Substrat oder Trägerkörper orientieren.
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