EP3498383A2 - Vorrichtung zum beschichten eines werkstücks mit mindestens einem hochleistungspolymer; beschichtungsverfahren - Google Patents

Vorrichtung zum beschichten eines werkstücks mit mindestens einem hochleistungspolymer; beschichtungsverfahren Download PDF

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EP3498383A2
EP3498383A2 EP18020564.3A EP18020564A EP3498383A2 EP 3498383 A2 EP3498383 A2 EP 3498383A2 EP 18020564 A EP18020564 A EP 18020564A EP 3498383 A2 EP3498383 A2 EP 3498383A2
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EP
European Patent Office
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radiation
workpiece
radiation source
coating method
coating
Prior art date
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Withdrawn
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EP18020564.3A
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French (fr)
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EP3498383A3 (de
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Hendrik SÄNDKER
Jochen Dr. STOLLENWERK
Jorg ZERRER
Anna Dr. BULING
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ELB Eloxalwerk Ludwigsburg Helmut Zerrer GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
ELB Eloxalwerk Ludwigsburg Helmut Zerrer GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Application filed by ELB Eloxalwerk Ludwigsburg Helmut Zerrer GmbH, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical ELB Eloxalwerk Ludwigsburg Helmut Zerrer GmbH
Priority to EP22151781.6A priority Critical patent/EP4023347B1/de
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    • B05D3/065—After-treatment
    • B05D3/067—Curing or cross-linking the coating

Definitions

  • the invention is based on a device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer according to the preamble of the preamble of claim 1 and a coating method according to the preamble of the preamble of claim 15.
  • the essential functional requirements addressed by these coatings include wear and corrosion protection, friction reduction, temperature resistance and electrical insulation.
  • the high-performance polymer polyetheretherketone (PEEK) is due to its material properties excellent for meeting the requirements mentioned and is already used industrially ( E. Spyrou .: Powder coatings. Chemistry and technology 3., rev. ed. Hanover 2012 ).
  • Conventional coating processes comprise primarily the powder-based layer application for this material with subsequent melting of the applied layer by means of a furnace process and powder flame spraying.
  • the polymer is applied in powder form to the workpiece by means of electrostatic coating or as dispersion or spray application.
  • industrially less relevant methods of material application are electrophoretic coating ( I. Corni, N. Neumann, D. Eifler, AR Boccaccini: Polyether Ether Ketone (PEEK) Coatings on Stainless Steel by Electrophoretic Deposition. In: Advanced Engineering Materials 10 (2008) 6, pp. 559-64 .) or printing process (eg screen printing).
  • the workpiece is heated in an oven to temperatures of typically 380 to 420 ° C, so that the PEEK layer is completely melted.
  • Typically used heating rates are of the order of 10 K / min and holding times of the order of 30 minutes to several hours.
  • the coated workpiece is cooled in a controlled manner. The chosen cooling rates depend on the material used and the mass of the workpiece.
  • the coating material is applied to the workpiece by thermal spraying.
  • the powder is passed to melt in a gas stream through a flame and applied layer by layer in molten phase on the component.
  • a preheating of the workpiece to be coated is not absolutely necessary, but can contribute to an improvement of the coating properties.
  • Victrex Europa GmbH Victrex Europa GmbH: Product brochure Vicote Flame Spray 702/705 Coatings. Quick 10 Step Guide For Optimum Results 2016
  • a pre-heating of the workpiece to be coated to 230 ° C is required for the coating of aluminum with PEEK in order to achieve optimum adhesion and flow properties.
  • laser-based coating methods such. B. in the document DE 693 00 501 T2 revealed laser deposition welding, or in the publication EP 1 932 928 B1 disclosed laser peening belong to the state of the art.
  • the coating material is applied to a workpiece, wherein by means of simultaneous irradiation of a single laser, the workpiece is coated or the coating is compacted.
  • EP 2 969 256 B1 discloses a method for applying a slip coating to a piston assembly, wherein high performance polymers such as PEEK are described as a coating material.
  • the coating material is cured in two subsequent steps by means of IR, UV or induction radiation.
  • the character of the radiation in terms of monochrome, coherence or generation method is not defined in more detail.
  • the object of the invention is therefore to provide a device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer and a coating method which eliminate the disadvantages described above.
  • the object is achieved by the device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer having the features of patent claim 1 and the coating method having the features of patent claim 15.
  • the device according to the invention for coating a workpiece with at least one high-performance polymer having the features of claim 1 has the advantage that the device has at least two radiation sources. These can be used at the same time or with a time delay during coating.
  • the radiation of at least one radiation source is at least partially coherent.
  • At least one radiation source is a laser.
  • the radiation of the radiation source is completely coherent.
  • another radiation source is used which generates, for example, infrared radiation, ultraviolet radiation, induction radiation, microwave radiation or particle radiation (X-ray or gamma radiation).
  • the wavelength of the radiation is at least one radiation source in the wavelength range of 400 to 3000 nm.
  • the wavelength of the radiation is at least one radiation source in the wavelength range of 4000 to 12000 nm.
  • the radiation of at least one radiation source is continuous or pulsed.
  • the high performance polymer can be completely melted to achieve a homogeneous or porous coating.
  • the radiation of at least one radiation source can be regulated in its intensity.
  • the power of at least one radiation source can be adapted to the requirements.
  • the radiation of at least one radiation source has a wavelength at which the absorption coefficient of at least one high-performance polymer is as large as possible.
  • the radiation is primarily absorbed only by the high-performance polymer, whereby a targeted setting or a targeted regulation of the temperature of the high-performance polymer is possible.
  • the radiation of at least one radiation source has a wavelength at which the degree of absorption of the workpiece is as large as possible.
  • the radiation is primarily absorbed only by the workpiece, whereby a targeted setting or a targeted regulation of the temperature of the workpiece is possible.
  • the device has at least one fixed optics.
  • the radiation of at least one radiation source is at least partially guided by a solid optics on the workpiece.
  • Fixed optics have the advantage that the accuracy of the beam guidance can be optimized.
  • the device has at least one scanner system for guiding the radiation.
  • the radiation of at least one radiation source is at least partially guided by a scanner system over the workpiece. This makes it possible to scan the workpiece with the radiation and thus to irradiate as many of the desired locations of the workpiece as possible, even if this has a complex geometry.
  • the device has at least one measuring device for measuring thermal radiation and / or temperature.
  • the temperature or the heat radiation is measured without contact, for example by means of a pyrometer or an infrared camera.
  • the device has at least one positioning device.
  • the workpiece can be positioned in the required position before machining or moved during processing.
  • the device has at least one application device for applying at least one high-performance polymer to the workpiece.
  • application of the high performance polymer to the workpiece and subsequent melting of the high performance polymer from the same machine can be accomplished.
  • the coating method according to the invention with the features of claim 15 has the advantage that the required for the coating of a workpiece with at least one high-performance polymer process energy is at least partially generated by at least two radiation sources. At least two radiation sources are used at the same time or with a time lag behind each other.
  • At least one high-performance polymer is applied to the workpiece in a preceding method step.
  • the high-performance polymer which is preferably a polymer powder, is applied to the workpiece, for example, as a powder-based dispersion by means of electrostatic spraying or as a preferably water-based dispersion by means of spraying, printing, dipping or doctoring methods.
  • At least one radiation source radiates at least partially coherently.
  • a laser is used as at least one radiation source.
  • the radiation of the radiation source completely coherent.
  • another radiation source is used which generates, for example, infrared radiation, ultraviolet radiation, induction radiation, microwave radiation or particle radiation (X-ray or gamma radiation).
  • the coating method according to the invention radiates at least one radiation source in the wavelength range of 400 to 3000 nm.
  • the coating method according to the invention radiates at least one radiation source in the wavelength range of 4000 to 12000 nm.
  • the radiation of at least one radiation source is temporally and / or locally modulated.
  • the radiation may thus be continuous, pulsed, of increasing intensity and / or decreasing intensity.
  • the intensity of at least one radiation source during the coating is regulated.
  • a continuous change and / or switching of the radiation during the coating of continuous, pulsed, increasing intensity and / or decreasing intensity is possible.
  • At least one radiation source is regulated in such a way that a constant temperature is present on the surface of the workpiece.
  • the radiation of at least one radiation source is absorbed primarily by at least one high-performance polymer.
  • a targeted setting or targeted regulation of the temperature of the high-performance polymer is possible.
  • the radiation of at least one radiation source is primarily absorbed by the workpiece.
  • the radiation of at least one radiation source is primarily absorbed by the workpiece.
  • the radiation of at least one radiation source is guided at least partially onto the workpiece by means of solid optics.
  • Solid optics have the advantage that the accuracy of the beam guidance can be optimized.
  • the radiation of at least one radiation source is guided at least partially over the workpiece by means of a scanner system.
  • the location which is hit by the radiation can be varied, so that a scanning of the workpiece with the radiation and thus irradiation of as many as possible desired locations of the workpiece is possible, even if this has a complex geometry ,
  • the thermal radiation of the workpiece and / or at least one high-performance polymer is measured without contact. This is possible, for example, by means of a pyrometer or an infrared camera, wherein other non-contact measuring methods of the heat radiation or the temperature are conceivable.
  • the workpiece is aligned and / or guided by means of at least one positioning device.
  • the workpiece can thus be moved or positioned in the position required for the coating process.
  • the position of the workpiece can thus be changed during the coating.
  • a device for coating a Workpiece with at least one Hoch intricatespoymer used according to one of claims 1 to 14.
  • Fig. 1 shows a structure for carrying out the coating method according to the invention or the device according to the invention for coating a workpiece 4a with at least one high-performance polymer 4b.
  • two radiation sources 1 and 2 and the measuring device 3 for measuring heat radiation and / or temperature are arranged above the workpiece 4 a to be coated.
  • the high-performance polymer 4b is already applied to the workpiece 4a.
  • the workpiece 4 a is brought to the correct position by means of a positioning device 5, so that the workpiece 4 a or a desired position of the workpiece 4 a and the high-performance polymer 4 b are struck by the beams 6 and 7 of the radiation sources 1 and 2.
  • the measuring device 3 measures the heat radiation 9 emitted by the workpiece 4a and the high-performance polymer 4b. It is likewise conceivable that the measurement of the heat radiation 8 takes place coaxially to the beam path of the radiation 6, but can also take place laterally to the beam path of the radiation 6.
  • the two beams of radiation 6 and 7 are modulated separately in time and place.
  • the wavelengths are preferably chosen such that one jet is primarily absorbed by the high-performance polymer 4b and the other jet is primarily absorbed by the workpiece 4a.
  • the wavelength of a radiation 6 or 7 is preferably in the wavelength range of 400 to 3000 nm and the wavelength of a second radiation 6 or 7 in the range of 4000 to 12000 nm.
  • the radiation 6 and 7 in both cases is preferably continuous or on a time scale in the range of> 10 ns modulated or pulsed.
  • the workpiece 4 a to be coated is either moved into a fixed processing position by means of a manual or automatable positioning device 5 (preferably robot or axis system) or moved and / or rotated during the coating process in at least one dimension (including rotation).
  • the application method preferably comprises the application of a (preferably water-based) dispersion by means of spraying, printing, dipping or doctoring methods or the application of a polymer-based powder mixture by means of electrostatic spraying.
  • the power is controlled or controlled for at least one radiation source 1 or 2 such that a constant value for the heat radiation 8, 9 emitted by the workpiece 4a and high-performance polymer 4b results.
  • the regulation or monitoring of the heat radiation 8, 9 or the temperature takes place without contact by means of pyrometry or camera-based (for example IR camera).
  • the central effect of the coating method according to the invention consists in a temporal and local control of the temperature profiles in the workpiece 4a and high-performance polymer 4b during the coating process.
  • the admixture of a silane and / or siloxane compound, a metal alcoholate or other organic solvents not required and not sought can be used to produce adhesive coatings without these constituents.
  • the use of two wavelengths does not require the incorporation of laser absorbers, such as carbon black, to facilitate energy deposition in the high performance polymer 4b.
  • laser absorbers such as carbon black
  • the melting of the high-performance polymer 4b can be temporally and locally limited, thereby enabling the site-selective production of coatings.
  • the temperature load is reduced compared to the above-described furnace method.
  • the coating of temperature-sensitive materials is possible.
  • the course of the microhardness and the heat affected zone in the base material usually differs significantly.
  • the porosity of the coating can be controlled in a location-dependent and time-dependent manner.
  • the coating process preferably takes place in normal atmosphere, a protective gas or vacuum atmosphere is not required.
  • the technical field of application consists in the production of functional coatings on metallic components, in particular in the production of tribological and anticorrosive coatings.
  • the metallic components to be coated can be selected independently of material, geometry and application.
  • the coating method according to the invention is preferably used for the coating of light metals such as aluminum, magnesium and titanium as well as steel alloys.
  • the application case includes in particular tribologically and corrosively stressed components, but is not limited to these. Likewise, an increase in energy efficiency in the coating process is to be emphasized, since preheating is not required.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks (4a) mit mindestens einem Hochleistungspolymer (4b), die mindestens zwei Strahlungsquellen (1, 2) aufweist, und ein Beschichtungsverfahren, bei dem die für das Beschichten eines Werkstücks (4a) mit mindestens einem Hochleistungspolymer (4b) benötigte Prozessenergie zumindest teilweise von mindestens zwei Strahlungsquellen (1, 2) erzeugt wird, vorgeschlagen, sodass das Beschichten eines Werkstücks (4a) mit mindestens einem Hochleistungspolymer (4b) im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren optimiert wird.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einem Beschichtungsverfahren nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 15.
  • Ein vielversprechender Ansatz für die Beschichtung metallischer Komponenten, an die eine Kombination von funktionalen Anforderungen gestellt wird, besteht in der Verwendung von Hochleistungspolymeren als Beschichtungswerkstoff. Die wesentlichen mit diesen Beschichtungen adressierten funktionalen Anforderungen umfassen Verschleiß- und Korrosionsschutz, Reibungsreduzierung, Temperaturbeständigkeit und elektrische Isolation. Insbesondere das Hochleistungspolymer Polyetheretherketon (PEEK) ist aufgrund seiner Materialeigenschaften exzellent für die Erfüllung der genannten Anforderungen geeignet und wird bereits industriell verwendet (E. Spyrou.: Powder coatings. Chemistry and technology 3., rev. ed. Hanover 2012).
  • Konventionelle Beschichtungsverfahren umfassen für diesen Werkstoff primär die pulverbasierte Schichtapplikation mit anschließendem Aufschmelzen der applizierten Schicht mittels Ofenverfahren sowie das Pulverflammspritzen.
  • Für das ofenbasierte Beschichtungsverfahren wird das Polymer in Pulverform mittels elektrostatischer Beschichtung oder als Dispersion respektive Sprühauftrag auf das Werkstück appliziert. Weitere, industriell weniger relevante Methoden des Materialauftrags sind elektrophoretische Beschichtung (I. Corni, N. Neumann, D. Eifler, A. R. Boccaccini: Polyetheretherketone (PEEK) Coatings on Stainless Steel by Electrophoretic Deposition. In: Advanced Engineering Materials 10 (2008) 6, S. 559-64.) oder Druckverfahren (z.B. Siebdruck). Im Anschluss an den Materialauftrag wird das Werkstück in einem Ofen auf Temperaturen von typischerweise 380 bis 420 °C erhitzt, sodass die PEEK-Schicht vollständig aufgeschmolzen wird. Typischerweise verwendete Aufheizraten liegen in der Größenordnung 10 K/min und Haltezeiten in der Größenordnung von 30 min bis zu einigen Stunden. Anschließend wird das beschichtete Werkstück kontrolliert abgekühlt. Die dafür gewählten Abkühlraten hängen von dem verwendeten Material sowie der Masse des Werkstückes ab.
  • Beim Pulverflammspritzen wird das Beschichtungsmaterial mittels thermischen Spritzens auf das Werkstück aufgebracht. Dabei wird das Pulver zum Aufschmelzen in einem Gasstrom durch eine Flamme geführt und schichtweise in schmelzflüssiger Phase auf das Bauteil appliziert. Eine Vorwärmung des zu beschichtenden Werkstückes ist nicht zwingend erforderlich, kann aber zu einer Verbesserung der Schichteigenschaften beitragen. Gemäß des Pulverherstellers Victrex Europa GmbH (Victrex Europa GmbH: Produktbroschüre Vicote Flame Spray 702/705 Coatings. Quick 10 Step Guide For Optimum Results 2016) ist für die Beschichtung von Aluminium mit PEEK eine Vorwärmung des zu beschichtenden Werkstückes auf 230 °C erforderlich, um optimale Haftung und Fließeigenschaften zu erzielen. Für Stahl wird eine Vorwärmung von bis zu 370 °C empfohlen (Victrex Europa GmbH: Produktbroschüre Vicote Flame Spray 702/705 Coatings. Quick 10 Step Guide For Optimum Results 2016; P. Vuoristo: Thermal Spray Coating Processes. In: S. Hashmi, G. F. Batalha, C. J. Van Tyne, B. S. Yilbas (Hrsg.): Comprehensive materials processing. Oxford, Walltham, MA 2014).
  • Beide genannten Verfahren sind nicht für die Herstellung dichter und haftfester Beschichtungen auf temperaturempfindlichen Grundmaterialien geeignet, bei denen eine Erwärmung über die Schmelztemperatur des Polymers (ca. 340 °C für PEEK) zu einer funktionsrelevanten Veränderung der Eigenschaften führt. Neben der durch den Einsatz von Ofenverfahren geringen Energieeffizienz sind darüber hinaus ortsselektive Beschichtungen oftmals mit einem großen technischen und wirtschaftlichen Aufwand verbunden. Eine gezielte Einstellung der Porosität, insbesondere in Ortsabhängigkeit ist prozessbedingt nicht möglich.
  • Auch laserbasierte Beschichtungsverfahren, wie z. B. das in der Druckschrift DE 693 00 501 T2 offenbarte Laserauftragschweißen, oder das in der Druckschrift EP 1 932 928 B1 offenbarte Laser-Peening, gehören zum Stand der Technik. Hierbei wird das Beschichtungsmaterial auf ein Werkstück appliziert, wobei mittels gleichzeitiger Bestrahlung eines einzigen Lasers das Werkstück beschichtet wird bzw. die Beschichtung verdichtet wird.
  • Die Druckschrift EP 2 969 256 B1 offenbart ein Verfahren zum Auftragen einer Gleitbeschichtung auf eine Kolbenanordnung, wobei Hochleistungspolymere wie PEEK als Beschichtungsmaterial beschrieben werden. Dabei wird das Beschichtungsmaterial in zwei nachfolgenden Schritten mittels IR-, UV- oder Induktionsstrahlung ausgehärtet. Der Charakter der Strahlung hinsichtlich Monochromie, Kohärenz bzw. Erzeugungsmethode wird dabei nicht näher definiert.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer und ein Beschichtungsverfahren zur Verfügung zu stellen, die die oben beschriebenen Nachteile ausräumen.
  • Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und das Beschichtungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.
    • Die Erfindung und ihre Vorteile
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Vorrichtung mindestens zwei Strahlungsquellen aufweist. Diese können beim Beschichten zeitgleich oder zeitversetzt nacheinander eingesetzt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle zumindest teilweise kohärent.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens eine Strahlungsquelle ein Laser. In diesem Fall ist die Strahlung der Strahlungsquelle vollständig kohärent. Es ist aber auch denkbar, dass eine andere Strahlungsquelle verwendet wird, die beispielsweise Infrarotstrahlung, ultraviolette Strahlung, Induktionsstrahlung, Mikrowellenstrahlung oder Teilchenstrahlung (Röntgen- oder Gammastrahlung) erzeugt.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Wellenlänge der Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 400 bis 3000 nm.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Wellenlänge der Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 4000 bis 12000 nm.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle kontinuierlich oder gepulst. So kann das Hochleistungspolymer vollständig aufgeschmolzen werden, um eine homogene oder eine poröse Beschichtung zu erreichen.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle in ihrer Intensität reguliert werden. Somit kann auch die Leistung mindestens einer Strahlungsquelle den Erfordernissen angepasst werden.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle eine Wellenlänge auf, bei der der Absorptionsgrad mindestens eines Hochleistungspolymers möglichst groß ist. Somit wird die Strahlung vorrangig nur von dem Hochleistungspolymer absorbiert, wodurch ein gezieltes Einstellen bzw. eine gezielte Regulierung der Temperatur des Hochleistungspolymers möglich ist.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle eine Wellenlänge auf, bei der der Absorptionsgrad des Werkstücks möglichst groß ist. Somit wird die Strahlung vorrangig nur von dem Werkstück absorbiert, wodurch ein gezieltes Einstellen bzw. eine gezielte Regulierung der Temperatur des Werkstücks möglich ist.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens eine Festoptik auf. Die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle wird zumindest teilweise durch eine Festoptik auf das Werkstück geführt. Eine Festoptik hat den Vorteil, dass die Genauigkeit der Strahlführung optimiert werden kann.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens ein Scannersystem zum Führen der Strahlung auf. Die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle wird zumindest teilweise durch ein Scannersystem über das Werkstück geführt. Damit ist ein Abscannen des Werkstücks mit der Strahlung und somit ein Bestrahlen von möglichst allen gewünschten Stellen des Werkstücks möglich, auch wenn dieses eine komplexe Geometrie aufweist.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens eine Messvorrichtung zur Messung von Wärmestrahlung und/oder Temperatur auf. Bevorzugt wird die Temperatur bzw. die Wärmestrahlung kontaktlos, beispielsweise mittels eins Pyrometers oder einer Infrarot-Kamera, gemessen.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens eine Positioniervorrichtung auf. Damit kann das Werkstück vor der Bearbeitung in die erforderliche Position positioniert bzw. während der Bearbeitung bewegt werden.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens eine Auftragvorrichtung zum Applizieren mindestens eines Hochleistungspolymers auf das Werkstück auf. Somit kann das Applizieren des Hochleistungspolymers auf das Werkstück und das anschließende Aufschmelzen des Hochleistungspolymers von derselben Maschine bewerkstelligt werden.
  • Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 hat demgegenüber den Vorteil, dass die für das Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer benötigte Prozessenergie zumindest teilweise von mindestens zwei Strahlungsquellen erzeugt wird. Dabei werden mindestens zwei Strahlungsquellen zeitgleich oder zeitversetzt hintereinander eingesetzt.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird in einem vorangegangenen Verfahrensschritt mindestens ein Hochleistungspolymer auf das Werkstück appliziert. Das Hochleistungspolymer, das bevorzugt ein Polymerpulver ist, wird beispielsweise als pulverbasierte Dispersion mittels elektrostatischem Sprühen oder als vorzugsweise wasserbasierte Dispersion mittels Sprüh-, Druck-, Tauch,- oder Rakelverfahren auf das Werkstück appliziert.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens strahlt mindestens eine Strahlungsquelle zumindest teilweise kohärent.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird ein Laser als mindestens eine Strahlungsquelle verwendet. In diesem Fall ist die Strahlung der Strahlungsquelle vollständig kohärent. Es ist aber auch denkbar, dass eine andere Strahlungsquelle verwendet wird, die beispielsweise Infrarotstrahlung, ultraviolette Strahlung, Induktionsstrahlung, Mikrowellenstrahlung oder Teilchenstrahlung (Röntgen- oder Gammastrahlung) erzeugt.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens strahlt mindestens eine Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 400 bis 3000 nm.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens strahlt mindestens eine Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 4000 bis 12000 nm.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Strahlung von mindestens einer Strahlungsquelle zeitlich und/oder örtlich moduliert. Die Strahlung kann somit kontinuierlich, gepulst, von ansteigender Intensität und/oder absteigender Intensität sein.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Intensität mindestens einer Strahlungsquelle während des Beschichtens reguliert. Damit ist ein kontinuierlicher Wechsel und/oder ein Umschalten der Strahlung während des Beschichtens von kontinuierlich, gepulst, ansteigender Intensität und/oder absteigender Intensität möglich.
  • Nach einer diesbezüglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird mindestens eine Strahlungsquelle derart reguliert, dass auf der Oberfläche des Werkstücks eine konstante Temperatur vorliegt.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle vorrangig von mindestens einem Hochleistungspolymer absorbiert. Damit ist ein gezieltes Einstellen bzw. eine gezielte Regulierung der Temperatur des Hochleistungspolymers möglich.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle vorrangig vom Werkstück absorbiert. Damit ist ein gezieltes Einstellen bzw. eine gezielte Regulierung der Temperatur des Werkstücks möglich.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle zumindest teilweise mittels einer Festoptik auf das Werkstück geführt. Eine Festoptik hat den Vorteil, dass die Genauigkeit der Strahlführung optimiert werden kann.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle zumindest teilweise mittels eines Scannersystems über das Werkstück geführt. Durch das Verfahren der Strahlung mittels eines Scannersystems kann die Stelle die von der Strahlung getroffen wird variiert werden, so dass ein Abscannen des Werkstücks mit der Strahlung und somit ein Bestrahlen von möglichst allen gewünschten Stellen des Werkstücks möglich ist, auch wenn dieses eine komplexe Geometrie aufweist.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Wärmestrahlung des Werkstücks und/oder mindestens eines Hochleistungspolymers kontaktlos gemessen. Dies ist beispielsweise mittels eines Pyrometers oder einer Infrarot-Kamera möglich, wobei auch andere kontaktlose Messmethoden der Wärmestrahlung bzw. der Temperatur denkbar sind.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird das Werkstück mittels mindestens einer Positioniervorrichtung ausgerichtet und/oder geführt. Das Werkstück kann damit in die für das Beschichtungsverfahren erforderliche Position bewegt bzw. positioniert werden. Die Position des Werkstücks kann damit auch während des Beschichtens verändert werden.
  • Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird beim Beschichtungsverfahren eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspoymer nach einem der Ansprüche 1 bis 14 verwendet.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen entnehmbar.
    • Zeichnung
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigt
    • Fig. 1
    einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Fig. 1 zeigt einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks 4a mit mindestens einem Hochleistungspolymer 4b. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Strahlungsquellen 1 und 2 und die Messvorrichtung 3 zur Messung von Wärmestrahlung und/oder Temperatur über dem zu beschichtenden Werkstück 4a angeordnet. Das Hochleistungspolymer 4b ist bereits auf dem Werkstück 4a appliziert. Das Werkstück 4a wird mittels einer Positioniervorrichtung 5 an die richtige Stelle gebracht, so dass das Werkstück 4a bzw. eine gewünschte Stelle des Werkstücks 4a und das Hochleistungspolymer 4b von den Strahlen 6 und 7 der Strahlungsquellen 1 und 2 getroffen werden. Die Messvorrichtung 3 misst dabei die vom Werkstück 4a und dem Hochleistungspolymer 4b emittierte Wärmestrahlung 9. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Messung der Wärmestrahlung 8 koaxial zum Strahlengang der Strahlung 6 erfolgt, kann jedoch auch lateral zum Strahlengang der Strahlung 6 erfolgen.
  • Die beiden Strahlen der Strahlung 6 und 7 werden separat zeitlich und örtlich moduliert. Die Wellenlängen werden dabei vorzugsweise so gewählt, dass der eine Strahl vorrangig vom Hochleistungspolymer 4b und der andere Strahl vorrangig vom Werkstück 4a absorbiert wird. Die Wellenlänge einer Strahlung 6 oder 7 liegt vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 400 bis 3000 nm und die Wellenlänge einer zweiten Strahlung 6 oder 7 im Bereich von 4000 bis 12000 nm. Die Strahlung 6 und 7 ist in beiden Fällen vorzugsweise kontinuierlich oder auf einer Zeitskala im Bereich von > 10 ns moduliert bzw. gepulst. Das zu beschichtende Werkstück 4a wird mittels einer manuellen oder automatisierbaren Positioniervorrichtung 5 (vorzugsweise Roboter oder Achssystem) entweder in eine fixe Bearbeitungsposition bewegt oder während des Beschichtungsprozesses mittels diesem in mindestens einer Dimension (inklusive Rotation) bewegt und/oder gedreht. Die Applikation des Hochleistungspolymers 4b, z. B. eines Polymerpulvers, findet in einem vorangegangenen Schritt statt. Die Applikationsmethode umfasst vorzugsweise den Auftrag einer (vorzugsweise wasserbasierten) Dispersion mittels Sprüh-, Druck-, Tauch- oder Rakelverfahren oder den Auftrag einer polymerbasierten Pulvermischung mittels elektrostatischen Sprühens.
  • Während des Beschichtungsprozesses wird für mindestens eine Strahlungsquelle 1 oder 2 die Leistung so geregelt oder gesteuert, dass ein konstanter Wert für die vom Werkstück 4a und Hochleistungspolymer 4b emittierte Wärmestrahlung 8, 9 resultiert. Die Regelung oder Überwachung der Wärmestrahlung 8, 9 bzw. der Temperatur erfolgt dabei berührungslos mittels Pyrometrie oder kamerabasiert (z.B. IR-Kamera).
  • Die zentrale Wirkung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens besteht in einer zeitlichen und örtlichen Steuerung der Temperaturprofile im Werkstück 4a und Hochleistungspolymer 4b während des Beschichtungsprozesses. Durch die Verwendung von (vorzugsweise wasserbasierten) Hochleistungspolymer-Dispersionen bei der Schichtapplikation sind die Beimischung einer Silan- und/oder Siloxanverbindung, eines Metallalkoholats oder sonstiger organischer Lösungsmittel nicht erforderlich und werden nicht angestrebt. Mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren können auch ohne diese Bestandteile haftfeste Beschichtungen hergestellt werden.
  • Durch die Verwendung von zwei Wellenlängen ist eine Beimischung von Laserabsorbern wie Ruß nicht erforderlich, um eine Energiedeposition im Hochleistungspolymer 4b zu ermöglichen. Durch die Steuerung bzw. Regelung des Beschichtungsprozesses, vorzugsweise überwacht durch Detektion der emittierten Wärmestrahlung 8, 9 vom Werkstück 4a und Hochleistungspolymer 4b, kann ein homogenes Bearbeitungsergebnis bezüglich Haftung, Porosität und Oberflächentopographie sichergestellt werden.
  • Das Schmelzen des Hochleistungspolymers 4b kann zeitlich und örtlich begrenzt werden, wodurch die ortsselektive Herstellung von Beschichtungen ermöglicht wird.
  • Die Temperaturbelastung wird im Vergleich zum oben beschriebenen Ofenverfahren reduziert. Somit ist die Beschichtung von temperaturempfindlichen Materialien möglich. Durch die Reduzierung der thermischen Belastung unterscheidet sich der Verlauf der Mikrohärte sowie der Wärmeeinflusszone im Grundmaterial in der Regel signifikant.
  • Durch die zeitlich veränderlichen Beschichtungsverfahrensparameter kann die Porosität der Beschichtung orts- und zeitabhängig gesteuert werden.
  • Der Beschichtungsprozess findet vorzugsweise an Normalatmosphäre statt, eine Schutzgas- oder Vakuumatmosphäre ist nicht erforderlich.
  • Im Vergleich zum Beschichtungsverfahren mittels eines einzigen Laserstrahls resultiert eine größere Spanne der realisierbaren Schichtdicken. Diese liegt für einen einzigen Laserstrahl im Bereich von 1 bis 50 µm. Mittels des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird dieser Bereich nach oben auf mindestens 250 µm erweitert.
  • Das technische Anwendungsfeld besteht in der Herstellung funktionaler Beschichtungen auf metallischen Komponenten, insbesondere in der Herstellung tribologischer und antikorrosiver Beschichtungen. Die zu beschichtenden metallischen Bauteile können unabhängig von Material, Geometrie und Anwendungsfall gewählt werden. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren für die Beschichtung von Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium und Titan sowie Stahllegierungen verwendet. Der Anwendungsfall umfasst dabei insbesondere tribologisch und korrosiv beanspruchte Komponenten, ist aber nicht auf diese beschränkt. Ebenso ist eine Energieeffizienzsteigerung im Beschichtungsprozess hervorzuheben, da eine Vorwärmung nicht erforderlich ist.
  • Alle hier dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
    • Bezugszahlenliste
    • 1
    Strahlungsquelle
    2
    Strahlungsquelle
    3
    Messvorrichtung
    4a
    Werkstück
    4b
    Hochleistungspolymer
    5
    Positioniervorrichtung
    6
    Strahlung
    7
    Strahlung
    8
    Wärmestrahlung
    9
    Wärmestrahlung

Claims (30)

  1. Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks (4a) mit mindestens einem Hochleistungspolymer (4b)
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vorrichtung mindestens zwei Strahlungsquellen (1, 2) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) zumindest teilweise kohärent ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) ein Laser ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wellenlänge der Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) im Wellenlängenbereich von 400 bis 3000 nm liegt.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wellenlänge der Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) im Wellenlängenbereich von 4000 bis 12000 nm liegt.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) kontinuierlich oder gepulst ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) in ihrer Intensität reguliert werden kann.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) eine Wellenlänge aufweist, bei der der Absorptionsgrad mindestens eines Hochleistungspolymers (4b) möglichst groß ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) eine Wellenlänge aufweist, bei der der Absorptionsgrad des Werkstücks (4a) möglichst groß ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vorrichtung mindestens eine Festoptik aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vorrichtung mindestens ein Scannersystem zum Führen der Strahlung (6, 7) aufweist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vorrichtung mindestens eine Messvorrichtung (3) zur Messung von Wärmestrahlung und/oder Temperatur aufweist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vorrichtung mindestens eine Positioniervorrichtung (5) aufweist.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vorrichtung mindestens eine Auftragvorrichtung zum Applizieren mindestens eines Hochleistungspolymers (4b) auf das Werkstück (4a) aufweist.
  15. Beschichtungsverfahren,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die für das Beschichten eines Werkstücks (4a) mit mindestens einem Hochleistungspolymer (4b) benötigte Prozessenergie zumindest teilweise von mindestens zwei Strahlungsquellen (1, 2) erzeugt wird.
  16. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in einem vorangegangenen Verfahrensschritt mindestens ein Hochleistungspolymer (4b) auf das Werkstück (4a) appliziert wird.
  17. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) zumindest teilweise kohärent strahlt.
  18. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Laser als mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) verwendet wird.
  19. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) im Wellenlängenbereich von 400 bis 3000 nm strahlt.
  20. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) im Wellenlängenbereich von 4000 bis 12000 nm strahlt.
  21. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) von mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) zeitlich und/oder örtlich moduliert wird.
  22. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Intensität mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) während des Beschichtens reguliert wird.
  23. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 22,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) derart reguliert wird, dass auf der Oberfläche des Werkstücks (4a) eine konstante Temperatur vorliegt.
  24. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) vorrangig von mindestens einem Hochleistungspolymer (4b) absorbiert wird.
  25. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) vorrangig vom Werkstück (4a) absorbiert wird.
  26. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) zumindest teilweise mittels einer Festoptik auf das Werkstück (4a) geführt wird.
  27. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) zumindest teilweise mittels eines Scannersystems über das Werkstück (4a) geführt wird.
  28. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 27,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wärmestrahlung (8, 9) des Werkstücks (4a) und/oder mindestens eines Hochleistungspolymers (4b) kontaktlos gemessen wird.
  29. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 28,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Werkstück (4a) mittels mindestens einer Positioniervorrichtung (5) ausgerichtet und/oder geführt wird.
  30. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 29,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass beim Beschichtungsverfahren eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks (4a) mit mindestens einem Hochleistungspolymer (4b) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 verwendet wird.
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