EP3374534A1 - Verfahren zur maskierung eines bauteils welches mit einer thermischen spritzschicht beschichtet werden soll - Google Patents

Verfahren zur maskierung eines bauteils welches mit einer thermischen spritzschicht beschichtet werden soll

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EP3374534A1
EP3374534A1 EP16793898.4A EP16793898A EP3374534A1 EP 3374534 A1 EP3374534 A1 EP 3374534A1 EP 16793898 A EP16793898 A EP 16793898A EP 3374534 A1 EP3374534 A1 EP 3374534A1
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paste
masking
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coated
critical
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Philipp GASTEL
Alexander Sollberger
Martin STÖCKLI
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Oerlikon Metco AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • 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 present invention relates to a method for masking a part of the surface of a component to be coated by thermal spraying.
  • Thermal spraying is a coating process in which a material, for example in powder form, is continuously melted. The resulting droplets are thrown onto the surface to be coated, causing flattened droplets to accumulate on the surface.
  • the layer layers that build up in this way lead to a coating which, for example, may be harder, more brittle but also more porous than the uncoated component. It is noteworthy that any fusible material can be sprayed and that almost any component material and virtually any component geometry can be coated.
  • the degree of automation achievable with the method is very high, as well as the reproducibility and the achievable quality of the layers.
  • the entire surface of the component should not be coated. Those parts of the surface which are not to be coated must therefore be covered, i. be masked. Unfortunately, the degree of automation achieved in the masking is so far very low. In many cases, the components are still masked manually.
  • overlay masks are used, as described, for example, in JP 3158451 or US Pat. No. 6,645,299.
  • adhesive masks of adhesive tapes which are glued directly onto the non-coated parts of the surface.
  • WO2010 / 031370 AI itself a mask is described, which consists of an elastic material which has a slight undersize. Among the materials described there are also, for example, elastomers. When the masking is applied to the component, the masking closes very close to the component due to its undersize. This type of masking works especially well when the component has to be masked all around.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a largely automated masking method, it allows to position the critical mask boundaries in the required high accuracy.
  • the mask is realized at least along the critical mask boundaries by means of a paste which is dispensed from a nozzle.
  • paste used in the present specification means a liquid material which has a viscosity level such that it can be applied to the surface of the component in the form of a sealing bead with an arbitrary contour without dissipating on the surface Hardenable paste.
  • Viscosity has a great influence on the precision with which a sealing bead with its geometric shape (generation of shading) can be produced. For this reason, according to a preferred embodiment of the present invention, the paste and / or the component to be masked are processed and applied under a predetermined temperature-controlled environment (cooled).
  • curing can be carried out by evaporation of solvent contained in the paste.
  • the curing is realized at least partially by crosslinking, particularly preferably by photo-induced crosslinking.
  • a UV-curing paste is used. This is advantageous, inter alia, because the paste only has to be quenched shortly after it has been applied to the component. As part of the thermal spraying, and especially when it is a plasma process, the component is due to the plasma process exposed to intense UV radiation, resulting in a further curing and ideally complete curing. Due to the fact that the paste only has to be hardened at first, cheaper UV sources can be used and / or the UV irradiation time can be shortened.
  • masking is accomplished in two steps. Surfaces to be masked are accordingly masked by one of the methods already known from the prior art, although no masking with the correspondingly known means is provided in the area of the critical mask boundaries. It is therefore a partial masking, the areas around the critical mask boundaries being omitted.
  • the areas around the critical mask boundaries according to this embodiment are then masked by the above-mentioned method, i. It is applied by means of at least one nozzle masking paste in these areas, thus completing the masking. It is advantageous to ensure that the completion of the masking results in an overlap with the partial masking in order to ensure that no unmasked areas arise between partial masking and completion masking.
  • the component would be mounted on the robot arm, since then the connection of the nozzle to the paste reservoir, which is usually ensured via hoses, is not subject to any movement.
  • the nozzle On the robot arm. More generally, means for positioning and / or orientation of the component and / or means for positioning and / or orientation of the at least one nozzle may be provided.
  • a critical mask boundary is described by a precise sealing bead.
  • the non-critical mask boundaries can be divided into at least two categories, namely attaching e.g. simple cases. However, in some cases, sheaths may not be attached to undercuts, or may restrict the dispensing process. For this reason, according to a preferred embodiment, a lower-viscosity pasty material is used in a second dispenser. Due to the low viscosity it flows into each other and can be applied very well. Beforehand, the precise sealing beads are laid.
  • the paste is therefore preferably adapted to the material of the component to be masked in such a way that a contact angle of at least 90 ° results.
  • the mask thickness then does not increase continuously at the critical mask boundary but forms an at least vertical, if not overhanging wall.
  • the thermally sprayed layer is substantially interrupted at the critical mask boundary.
  • the contact angle exceeds 90 °, a shading effect occurs more intensively, which still contributes to the separation of the spray layers on the left and right of the critical mask boundary.
  • At least a second Sealing bead placed over the first sealing bead is applied so that a reinforced overhang is realized, which has an amplification of the shading effect.
  • the contact angle is hereby defined to be similar to the contact angle at a liquid-solid interface because, when the paste is applied, a contact angle is formed, with the contact angle regardless of whether the paste cures or not throughout the process essentially does not change.
  • the angle defined by the surface of the component at the interface between component and sealing bead and a tangent to the surface of the sealing bead or a tangent to the surfaces of the double sealing beads is defined as the contact angle.
  • Figure 1 illustrates the corresponding situation in which two superimposed sealing beads 3 are applied to a component 1 in such a way that the contact angle ⁇ > 90 ° (visible on the left edge of the figure).
  • a contact angle a ⁇ 90 ° would not be optimal, since there may be problems of layer separation of the layer 5 (visible on the right edge of the figure).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verfahren zum Beschichten von Bauteilen mittels thermischen Spritzverfahren, wobei nicht die gesamte Oberfläche des Bauteils beschichtet werden soll und diejenigen Teile der Oberfläche, die nicht beschichtet werden sollen mittels Maskierung vor der Beschichtung abgedeckt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung zumindest in den Bereichen kritischer Maskengrenzen mittels Pastenverfahren, d.h. mittels einer aus zumindest einer Düse ausgegebenen Paste erfolgt.

Description

Verfahren zur Maskierung eines Bauteils welches mit einer thermischen Spritzschicht beschichtet werden soll
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Maskieren eines Teils der Oberfläche eines Bauteils, das mittels thermischem Spritzen beschichtet werden soll. Das thermische Spritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem ein Material beispielsweise in Pulverform kontinuierlich geschmolzen wird. Die dabei entstehenden Tröpfchen werden auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert, wodurch sich abgeflachte Tröpfchen an der Oberfläche anhäufen. Die sich so aufbauenden Schichtlagen führen zu einer Beschichtung, welche beispielsweise härter, spröder aber auch poröser als das unbeschichtete Bauteil sein kann. Dabei ist bemerkenswert, dass jedes aufschmelzbare Material verspritzt werden kann und dass nahezu jedes Bauteilmaterial und nahezu jede Bauteilgeometrie beschichtet werden kann. Der mit dem Verfahren erzielbare Automatisierungsgrad ist sehr hoch, genauso wie die Reproduzierbarkeit sowie die erzielbare Qualität der Schichten.
In vielen Fällen sollte allerdings nicht die gesamte Oberfläche des Bauteils beschichtet werden. Diejenigen Teile der Oberfläche, welche nicht beschichtet werden sollen müssen daher abgedeckt, d.h. maskiert werden. Leider ist der bei der Maskierung erzielte Automatisierungsgrad bisher sehr gering. Vielfach werden die Bauteile noch manuell maskiert.
Einerseits kommen Auflagemasken, wie zum Beispiel in der JP 3158451 oder US 6645299 beschrieben zum Einsatz. Andererseits verwendet man klebende Masken aus Klebebändern die direkt auf die nicht zu beschichtenden Teile der Oberfläche aufgeklebt werden.
Ein kleiner Überblick über die gängigen Maskierungsverfahren im Zusammenhang mit thermischem Spritzen ist in der WO2010/031370 AI gegeben. Dort wird auch auf die Möglichkeit verwiesen eine Maskierung aus einem Lack oder aus einem bindemittelhaltigem Gemisch auf den zu schützenden Bereich aufzubringen, wie dies zum Beispiel in der US 4464430 beschrieben. Dort wird allerdings mittels Tauchbeschichtung maskiert indem die nicht mittels thermischem Spritzen zu beschichtenden Teile der Oberfläche in ein Tauchbad eingetaucht werden. Dieses Verfahren ist natürlich auf sehr wenige Geometrien beschränkt.
In der WO2010/031370 AI selbst wird eine Maskierung beschrieben, die aus einem elastischen Material besteht welches eine leichte Untergrösse hat. Unter den dort beschriebenen Materialien befinden sich auch zum Beispiel Elastomere. Bei der Anbringung der Maskierung an das Bauteil schliesst die Maskierung aufgrund der Untergrösse sehr dicht an das Bauteil an. Diese Art der Maskierung funktioniert vor allem dann gut wenn das Bauteil rundherum maskiert werden muss.
Allen oben beschriebenen Methoden haften zumindest zwei Nachteile an: Einserseits lassen sie sich nicht, oder wenn überhaupt dann lediglich mit sehr grossem technischen Aufwand automatisieren. Andererseits lassen sie in vielen Fällen nicht die in der Anwendung gewünschte Präzision zu. So muss bei vielen Anwendungen diejenige Linien, die Übergänge von zu beschichtenden zu nicht zu beschichtenden Teilen der Oberfläche festlegen, sehr genau und vor allem reproduzierbar eingehalten werden. Solche Linien werden im Folgenden als kritische Maskengrenzen bezeichnet. Dabei ist klar dass es auch Übergänge definierende Linien geben kann, die weniger Präzision erfordern. Diese werden im Folgenden als unkritische Maskengrenzen bezeichnet.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine weitgehend automatisierte Maskierungsmethode anzugeben, es erlaubt die kritischen Maskengrenzen in der erforderlichen hohen Genauigkeit zu positionieren.
Erfindungsgemäss wird die Maske zumindest entlang der kritischen Maskengrenzen mittels einer Paste realisiert die von einer Düse abgegeben wird. Der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Begriff „Paste" bedeutet ein flüssiges Material, das eine solche Viskositätshöhe aufweisst, dass es auf die Oberfläche des Bauteils in Form einer Dichtraupe mit beliebigem Konturverlauf aufgebracht werden kann, ohne dass es auf der Oberfläche zerfliesst. Erfindungsgemäss ist die Paste aushärtbar.
Auf die Präzision, mit der eine Dichtraupe mit Ihrer geometrischen Ausprägung (Erzeugung einer Abschattung) zu erzeugen ist hat die Viskosität grossen Einfluss. Aus diesem Grund wird gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Paste und/oder das zu maskierende Bauteil unter einer vorgegeben temperierten Umgebung (gekühlten) verarbeitet und aufgetragen.
Beispielsweise kann Aushärtung durch Verdampfung von in der Paste enthaltenem Lösungsmittel erfolgen. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird die Aushärtung jedoch zumindest Teilweise durch Vernetzung realisiert, insbesondere bevorzugt durch photoinduzierte Vernetzung.
Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform kommt eine UV-härtende Paste zum Einsatz. Dies ist unter anderem insofern von Vorteil, weil die Paste kurz nach deren Aufbringen auf das Bauteil lediglich angehärtet werden muss. Im Rahmen des thermischen Spritzens, und vor allem dann, wenn es sich um ein Plasmaverfahren handelt, wird das Bauteil bedingt durch das Plasmaverfahren intensiver UV Strahlung ausgesetzt, was zu einer weiteren Aushärtung und im Idealfall vollständigen Aushärtung führt. Dadurch, dass die Paste zunächst nur angehärtet werden muss können kostengünstigere UV-Quellen zum Einsatz kommen und/oder die UV-Bestrahlungszeit verkürzt werden.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Maskierung in zwei Schritten vollzogen. Zu maskierende Flächen werden demgemäss mittels einer der Verfahren maskiert, wie sie bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind, wobei allerdings im Bereich der kritischen Maskengrenzen keine Maskierung mit den entsprechend bekannten Mitteln vorgesehen ist. Es handelt sich also um eine Teilmaskierung, wobei die Bereiche um die kritischen Maskengrenzen ausgespart werden. Die Bereiche um die kritischen Maskengrenzen werden gemäss dieser Ausführungsform dann mittels dem oben erwähnten Verfahren maskiert, d.h. es wird mittels mindestens einer Düse maskierende Paste in diesen Bereichen aufgetragen und so die Maskierung vervollständigt. Dabei ist es vorteilhaft darauf zu achten, dass es bei der Vervollständigung der Maskierung zu einer Überlappung mit der Teilmaskierung kommt, um sicher zu stellen, dass zwischen Teilmaskierung und Vervollständigungsmaskierung keine unmaskierten Bereiche entstehen.
Bei diesem Verfahren ist von besonderem Vorteil, dass die Maskierung relativ grosser Flächen, welche mit dem Pastenverfahren viel Zeit in Anspruch nehmen würden, mittels eines hinsichtlich Position relativ ungenauen Verfahrens schnell aufgebracht werden kann und sich die kritischen Randbereiche der kritischen Maskengrenzen mittels des Pastenverfahrens sehr präzise aufgebracht werden können. Das ungenaue Verfahren lässt sich relativ einfach automatisieren. Ebenso ist die Automatisierung des Pastenverfahrens möglich. Beim Pastenverfahren ist es notwendig, dass der Düsenaustrittsort relativ zu den zu maskierenden maskengrenzennahen Bereichen im Zuge der Pastendispension bewegt wird. Dabei kann entweder Düse oder Bauteil an einen Roboter montiert sein. Vorzugsweise würde man bei kleineren zu maskierenden Bauteilen das Bauteil am Roboterarm montieren, da dann die Verbindung der Düse zum Pastenreservoir, die meistens über Schläuche gewährleistet keiner Bewegung ausgesetzt ist. Bei grösseren Bauteilen, die schwerer zu bewegen sind kann es aber von Vorteil sein, die Düse auf den Roboterarm zu montieren. Allgemeiner ausgedrückt können Mittel zur Positionierung und/oder Orientierung des Bauteils und/oder es können Mittel zur Positionierung und/oder Orientierung der mindestens einen Düse vorgesehen sein.
Aufgrund der robotergesteuerten Bewegung im Raum, können Freiformbahnen abgefahren werden.
Wie oben bereits beschrieben, wird eine kritische Maskengrenze durch einen präzise Dichtraupe beschrieben. Die unkritischen Maskengrenzen können in mindestens zwei Kategorien aufgeteilt werden, nämlich anbringen von z.B. einfachen Hüllen. Allerdings können in einigen Fällen keine Hüllen an Hinterschnitten angebracht werden, oder würden ggf. den Dispensiervorgang einschränken. Aus diesem Grund kommt gemäss einer bevorzugten Ausführungsform in einem zweiten Dispenser ein niederviskoseres pastöses Material zum Einsatz. Aufgrund der niedrigen Viskosität fliesst es ineinander und kann so sehr gut Flächig aufgetragen werden. Zuvor werden die präzisen Dichtraupen gelegt.
Wie bereits ausgeführt ist die präzise Maskierung im Bereich der kritischen Maskengrenzen in vielen Anwendungsfällen wesentlich. Die Erfinder haben aber festgestellt, dass manchmal in diesen Bereichen, obwohl die Maskierung sehr präzise aufgebracht wurde, nach der Entfernung der Maskierung keine durch thermisches Spritzen aufgebrachte Schicht mehr vorhanden war. Aus dieser Beobachtung wurde die Idee geboren, zu versuchen, die Maskierung entlang den kritischen Maskengrenzen nicht langsam ansteigend zu realisieren sondern mit hoher Steilheit. Dahinter steckt die Vermutung dass wenn am Übergang vom zu beschichtendem Bereich zum nicht zu beschichtendem Bereich die thermisch gespritzte Schicht als über die kritische Maskengrenze hinausgehende kontinuierliche Schicht realisiert ist, beim Entfernen der Beschichtung Bestandteile der gespritzten Schicht über die Maskengrenze hinaus mitgerissen werden.
Um eine solche kontinuierliche Schicht zu vermeiden wird daher bevorzugt die Paste an das Material des zu maskierenden Bauteils so angepasst, dass sich ein Kontaktwinkel von mindestens 90° ergibt. Die Maskendicke steigt dann an der kritischen Maskengrenze nicht kontinuierlich an sondern bildet eine zumindest senkrechte, wenn nicht gar überhängende Wand. Dies hat zur Folge, dass die thermisch gespritzte Schicht an der kritischen Maskengrenze im Wesentlichen unterbrochen ist. Bei der Entfernung der Maskierung werden daher keine Schichtteile über die kritische Maskengrenze hinaus mitgerissen. Übersteigt der Kontaktwinkel die 90° so kommt es verstärkt zu einem Abschattungseffekt, was zur Trennung der Spritzschichten links und rechts von der kritischen Maskengrenze noch beiträgt. Um diesen Abschattungseffekt noch zu verstärken wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens zumindest eine zweite Dichtraupe über die erste Dichtraupe gelegt. Diese zweite Dichtraupe wird so aufgebracht dass ein verstärkter Überhang realisiert wird, was eine Verstärkung des Abschattungseffektes zur Folge hat.
Der Kontaktwinkel wird hierbei ähnlich dem Kontaktwinkel an einer Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff definiert, da, wenn die Paste aufgetragen wird, sich ein Kontaktwinkel ausbildet, wobei sich der Kontaktwinkel, unabhängig davon ob die Paste aushärtet oder nicht, sich während des gesamten Prozesses im Wesentlichen nicht ändert. Als Kontaktwinkel wird also im Folgenden der Winkel definiert, der von der Oberfläche des Bauteils, an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Dichtraupe, und einer Tangente an der Oberfläche der Dichtraupe bzw. einer Tangente an den Oberflächen der doppelten Dichtraupen eingeschlossen wird. Figur 1 illustriert die entsprechende Situation, bei der auf einem Bauteil 1 zwei übereinanderliegende Dichtraupen 3 aufgebracht sind und zwar derart, dass der Kontaktwinkel α > 90 ° ist (am linken Rand der Figur sichtbar). Ein Kontaktwinkel a < 90° wäre nicht optimal, da es hier zu Problemen der Schichtablösung der Schicht 5 kommen kann (am rechten Rand der Figur sichtbar).

Claims

irüche
Verfahren zum Beschichten von Bauteilen mittels thermischen Spritzverfahren, wobei nicht die gesamte Oberfläche des Bauteils beschichtet werden soll und diejenigen Teile der Oberfläche, die nicht beschichtet werden sollen mittels Maskierung vor der Beschichtung abgedeckt werden, und die Abdeckung zumindest in den Bereichen kritischer Maskengrenzen mittels
Pastenverfahren, d.h. mittels einer aus zumindest einer Düse ausgegebenen Paste erfolgt, wobei die Paste eine aushärtbare Paste ist und die Aushärtung photoinduziert und vorzugsweise mittels UV-Strahlung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Maskierung einen Teilmaskierungsschritt und einen ergänzenden Maskierungsschritt umfasst, wobei der ergänzende Maskierungsschritt zumindest im Bereich kritischer
Maskengrenzen vorgenommen wird und der Teilmaskierungsschritt in einem von dem Bereich kritischer Maskengrenzen beabstandeten Bereich vorgenommen wird und das Verfahren der Teilmaskierung kein Pastenverfahren ist.
Verfahren zum Beschichten von Bauteilen mittels thermischen Spritzverfahren, wobei nicht die gesamte Oberfläche des Bauteils beschichtet werden soll und diejenigen Teile der Oberfläche, die nicht beschichtet werden sollen mittels Maskierung vor der Beschichtung abgedeckt werden, und die Abdeckung zumindest in den Bereichen kritischer Maskengrenzen mittels
Pastenverfahren, d.h. mittels einer aus zumindest einer Düse ausgegebenen Paste erfolgt, wobei die Paste eine aushärtbare Paste ist und die Aushärtung photoinduziert und vorzugsweise mittels UV-Strahlung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass
im Rahmen des Pastenverfahrens im Bereich zumindest einer kritischen Maskengrenze eine erste Dichtraupe auf das Bauteil aufgetragen wird und zumindest teilweise auf diese erste Dichtraupe eine zweite Dichtraupe aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste so gewählt wird, dass die bei Aufbringung auf das Bauteil entstehende Dichtraupe einen
Kontaktwinkel von mindestens 90° einnimmt.
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