EP3687702B1 - Rotationseinheit mit hohlwellenmotor - Google Patents

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EP3687702B1
EP3687702B1 EP18779321.1A EP18779321A EP3687702B1 EP 3687702 B1 EP3687702 B1 EP 3687702B1 EP 18779321 A EP18779321 A EP 18779321A EP 3687702 B1 EP3687702 B1 EP 3687702B1
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EP
European Patent Office
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coating
lance
tool holder
rotating unit
shaft motor
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Stefan Richter
Mike Hirschfeldt
Dr. Klaus Stefan KLIMEK
Philipp Marian Müller
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Volkswagen AG
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Volkswagen AG
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    • F02F2200/00—Manufacturing
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder or liquid

Definitions

  • the invention relates to a rotary unit for a coating lance device according to the preamble of claim 1 and a coating lance device according to the preamble of claim 7 for thermal coating of an interior, preferably a cylinder bore of a cylinder crankcase.
  • thermal coating processes are powder plasma spraying, wire spraying processes such as plasma transfer wire arc (PTWA) and wire arc spraying (LDS) or HVOF spraying (high-speed flame spraying). Due to the cramped conditions when coating a cylinder liner of a cylinder bore, rotating coating lances are used which can be inserted axially into the cylinder bore.
  • PTWA plasma transfer wire arc
  • LDS wire arc spraying
  • HVOF spraying high-speed flame spraying
  • Such a coating lance is off, for example WO 2016/015 922 A1 , which deals with a device and a method for metallic coating and a receiving unit for this device, for example on page 2, first to third paragraph, known.
  • the GB 2 079 637 A relates to a completely different area of technology, namely the inside cement coating of pipelines, the diameter and type of coating being unsuitable for thermal coating.
  • the device shown therein for cement coating the inner wall of pipes with a diameter of, for example, more than 0.75 m comprises a cement distributor head which is pivotably connected by a bolt and a hook on a tow trowel.
  • An atomizing spray nozzle is mounted coaxially to the trowel and sprays atomized hardening control fluid onto the freshly smoothed mortar.
  • Flexible pipe connections direct air and curing control fluid to the nozzle on the trowel from the cement distributor head. The pivoting connection ensures that the atomizing spray nozzle remains in the center of the tube when turning corners.
  • a metal spray gun is known from US Pat. No. 6,373,900 in which a wire, not shown in detail, is conveyed via the hollow shaft of a motor to a coaxially rotating nozzle, the nozzle outlet not being described or shown.
  • the invention is based on the object of reducing the moving mass of the entire coating lance device in a rotary unit of the type mentioned at the outset and increasing the speed without vibrations because superimposed vibrations strongly influence the layer result and the service life of the moving unit used, for example a Robots or portals, greatly reduce. Furthermore, the task is to reduce the acquisition costs, operating costs and manufacturing costs.
  • the rotary drive is designed as a hollow shaft motor coaxially to the axis of rotation of the tool holder, and wherein the tool holder and the coating material supply and the process media supply are arranged centrally to the hollow shaft motor.
  • the rotary unit is primarily characterized in that the rotary drive is designed as a hollow shaft motor coaxially to the axis of rotation of the tool holder, the tool holder and the coating material feed and the process media feed being arranged centrally to the hollow shaft motor.
  • the coating material is provided by a central coating material supply, the process media by a process media supply which is arranged radially outside, preferably encircling, and which are fixedly connected to the tool holder, that is to say in a rotating manner.
  • These components are all arranged coaxially with one another.
  • the hollow shaft motor is arranged at least over an axial section of the process medium supply and acts on a rotor, preferably the armature, which is firmly connected to the process medium supply.
  • the coaxial order of the coating material supply and the process media supply can be freely selected. However, it is advantageous to arrange the coating material guide centrally because the coating material can thus be fed centrally to the connected coating lance without great effort.
  • a slip ring transmitter for transmitting electrical power current to the coating lance is arranged radially outside of the hollow shaft motor.
  • a slip ring transmitter is provided for supplying the burner of the coating lance with electrical power.
  • the hollow shaft motor is preferably designed to be brushless.
  • a suction device for removing abrasive debris from the slip ring assembly, and at least one air nozzle is preferably also provided, by means of which removal of the abrasive debris can be supported.
  • the tool holder is set up to hold different coating lances and preferably has a zero point marking for aligning a respective coating lance with repeat accuracy and particularly preferably comprises a reading device for reading out identification information of the respectively recorded coating lance.
  • a rotary unit 10 is shown schematically, the compactness of the structure of the rotary unit 10 with the rotary drive 13, here designed as a hollow shaft motor 13a, being clearly visible.
  • a slip ring transmitter 16 is provided radially on the very outside, by means of which power current can be transmitted to the coating lance 30.
  • the coating material feed 11 is provided centrally, into which (according to this illustration from above) coating material for the coating lance 30 can be fed.
  • a process media feed 12 is arranged surrounding the coating material feed 11 and radially inside the hollow shaft motor 13 a, for example for process gas and / or cooling water.
  • the tool holder 14 is provided below the slip ring transmitter 16 coaxially and rotatably by the hollow shaft motor 13a.
  • an (optional) reading device 20 the (optional) zero point marking 19 also being arranged on the reading device 20 here.
  • the introduced coating lance 30 has a corresponding zero point 32.
  • the zero point 32 is aligned with the zero point marking 19.
  • the coating lance 30 advantageously has an identification unit 31, for example an RFID chip, so that the coating lance 30 used can be identified automatically by means of the reading device 20.
  • the coating lance 30 is shown here aligned with the cylinder axis 45 and emerged from the interior 40 to be coated, here a cylinder bore 41 of a cylinder crankcase 42, and applied the desired coating 44 to the cylinder running surface 43 there.
  • FIGS. 2 and 3 a possible embodiment of a rotation unit 10 is shown, wherein in Fig. 2 the rotation unit 10 in a perspective view without the coating lance 30 and in FIG Fig. 3 the rotation unit 10 is shown in a perspective sectional view with the coating lance 30.
  • a housing 22 and stationary supply connections are shown, namely a first supply connection 24 for coating material, preferably in powder or wire form, a second supply connection 25 for, for example, cooling water, a third supply connection 26, for example for process gas, and a fourth Supply connection 27, for example for power current for the slip ring assembly 16.
  • the housing 22 is primarily used to keep the necessary bearing spacing ready to support the high rotational speed of the coating lance 30.
  • the entire rotation unit 10 is connected to this housing 22 with a portal or a robot.
  • a suction device 17 is provided on the housing, of which the suction connection in Fig. 2 is characterized, and wherein the suction device 17 (optional) by an air nozzle 18 (cf. Fig. 3 ) is supported.
  • the component which includes the supply connections 24 to 26 and the housing 22 are stationary and therefore are not rotated about the axis of rotation 15. Only the centrally arranged components including the tool holder 14 and the coating lance 30 can be rotated about the axis of rotation 15.
  • the first supply connection 24 has a (known) sealed and encapsulated roller bearing 21, for example according to the SPS Series from DSTI.
  • the housing 22 has a fastening connection 28, by means of which the rotation unit 10 is mounted in a coating lance device 100 (cf. Fig. 4 ) can be moved horizontally and vertically.
  • a coating lance device 100 cf. Fig. 4
  • the inside 40 immersible coating nozzle 33 and a coating jet 34 shown schematically.
  • a lance connection 35 is shown in the immediate vicinity of the (optional) reading device 20, for example an RFID reading device.
  • a simplified coating lance device 100 is shown, in which two rotation units 10, each with a coating lance 30 by means of a lifting actuator 23 in a portal along a horizontal axis and a vertical axis, a workpiece table 46, for example for a cylinder crankcase 42 (cf. Fig. 1 ), can be supplied. Only one rotation unit 10 is shown here, and for a second, preferably structurally identical, rotation unit, the mating connection 47 for the fastening connection 28 (cf. Fig. 3 ) of the housing 22.
  • the rotation unit proposed here allows low-vibration or vibration-free operation at high speeds for a coating lance for thermal coating.
  • List of reference symbols 10 Rotation unit 43 Cylinder surface 11 Coating material feed 44 Coating 12th Process media supply 45 Cylinder axis 13th Rotary drive 46 Workpiece table 13a Hollow shaft motor 47 Mating connection for one 14th Tool holder Mounting connection 15th Axis of rotation 100 Coating lance device 16 Slip ring assemblies 17th Suction device 18th Air nozzle 19th Zero point marking 20th Reading device 21 roller bearing 22nd casing 23 Stroke actuator 24 first supply connection for Coating material 25th second supply connection for cooling water 26th third supply connection for Process gas 27 fourth supply connection for Power current 28 Mounting connection 30th Coating lance 31 Identification unit 32 Zero point 33 Coating nozzle 34 Coating beam 35 Lance connection 40 inner space 41 Cylinder bore 42 Cylinder crankcase

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Rotationseinheit für eine Beschichtungslanzeneinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Beschichtungslanzeneinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 zum thermischen Beschichten eines Innenraums, bevorzugt einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses.
  • In der Fertigung von Zylinderkurbelgehäusen wird mehr und mehr auf Leichtbau gesetzt. Dazu werden Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse eingesetzt, die allerdings im Bereich der Zylinderlaufbahn eine reibungsreduzierte Beschichtung benötigen, insbesondere wenn die Zylinderköpfe ebenfalls aus Aluminium gefertigt sind. Ein etabliertes Beschichtungsverfahren ist das thermische Beschichten, zum Beispiel Plasmaspritzen. Positive Effekte dieser Beschichtung sind neben einer Robustheitssteigerung der Zylinderlaufbahn eine deutlich reduzierte Reibung im Bereich der Kolbengruppe mit der Folge einer Senkung des Kohlenstoffdioxidausstoßes und ein guter Schutz gegen korrosive Medien.
  • Gängige thermische Beschichtungsverfahren sind das Pulver-Plasmaspritzen, Drahtspritzverfahren wie Plasma-Transfer-Wire-Arc (PTWA) und Lichtbogen-Draht-Spritzen (LDS) oder HVOF-Spritzen (Hochgeschwindigkeitsflammspritzen). Aufgrund der beengten Verhältnisse beim Beschichten einer Zylinderlaufbahn einer Zylinderbohrung werden rotierende Beschichtungslanzen eingesetzt, welche axial in die Zylinderbohrung einführbar sind.
  • Eine solche Beschichtungslanze ist beispielsweise aus WO 2016/015 922 A1 , die sich mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur metallischen Beschichtung sowie einer Aufnahmeeinheit für diese Vorrichtung befasst, zum Beispiel auf Seite 2, erster bis dritter Absatz, bekannt.
  • In der DE 10 2011 114 395 A1 ist eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten von Innenwänden von Hohlkörpern beschrieben, bei der das Beschichtungsmaterial in Form von zwei Drähten von der Nachschubeinrichtung durch den um seine Längsachse drehbaren hohlen Brennerschaft und den Innenbrenner bis zum Brennerkopf des Innenbrenners führbar ist.
  • Die GB 2 079 637 A betrifft einen ganz anderen Technikbreich, nämlich das innenseitige Zementbeschichten von Pipelines, wobei die dort vorliegenden Durchmesser und die Art der Beschichtung für ein thermisches Beschichten ungeeignet sind. Die darin gezeigte Vorrichtung zur Zementbeschichtung der Innenwand von Rohren mit einem Durchmesser von beispielsweise mehr als 0,75 m, umfasst einen Zementverteilerkopf, der schwenkbar verbunden ist durch einen Bolzen und einen Haken an einer Schleppkelle. Eine Zerstäubungssprühdüse ist koaxial zur Schleppkelle montiert und sprüht zerstäubte Aushärtungssteuerflüssigkeit auf den frisch geglätteten Mörtel. Flexible Rohrverbindungen leiten Luft und Aushärtungssteuerflüssigkeit zur Düse an der Schleppkelle vom Zementverteilerkopf aus. Die schwenkbare Verbindung gewährleistet, dass die Zerstäubungssprühdüse in der Mitte des Rohres bleibt, wenn Kurven abgefahren werden.
  • Aus der US 2,168,807 ist eine Metall-Sprühpistole aus bekannt, bei der ein nicht näher dargestellter Draht über die Hohlwelle eines Motors zu einer koaxial rotierenden Düse gefördert wird, wobei der Düsenausgang nicht beschrieben oder gezeigt ist.
  • Derzeit gibt es keine Rotationseinheit für eine Beschichtungslanzeneinrichtung zum thermischen Beschichten eines Innenraums mit Drehdurchführung für Gas, Kühlwasser und Spritzgut, welche den industriellen Ansprüchen der Großserienfertigung von Zylinderkurbelgehäusen entspricht.
  • Aktuell wird eine Rotationseinheit von der Firma Oerlikon Metco angeboten. Hierbei ist der Rotationsantrieb als Riementrieb ausgebildet. Maximale Drehzahlen liegen bei derzeit 250 Umdrehungen pro Minute bis bei neueren Entwicklungen maximal 800 U/min. Die Drehzahl ist dabei infolge der Riemenspannung und daraus folgender Schwingungen begrenzt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Rotationseinheit der eingangs genannten Art die bewegte Masse der gesamten Beschichtungslanzeneinrichtung zu reduzieren und die Drehzahl schwingungsfrei zu steigern, weil überlagernde Schwingungen das Schichtergebnis stark beeinflussen und die Standzeit der eingesetzten Verfahreinheit, zum Beispiel eines Roboters oder Portals, stark reduzieren. Weiterhin ist es die Aufgabe, die Anschaffungskosten, Betriebskosten sowie Herstellungskosten zu senken.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, nämlich indem der Rotationsantrieb als Hohlwellenmotor koaxial zu der Rotationsachse der Werkzeugaufnahme ausgeführt ist, und wobei die Werkzeugaufnahme und die Beschichtungsmaterialzuführung sowie die Prozessmedienzuführung zentral zu dem Hohlwellenmotor angeordnet sind.
  • Weiterhin wird mittels der im Anspruch 6 angegebenen Merkmale eine Reduzierung der mitbewegten Masse erreicht, nämlich, indem eine Rotationseinheit der hier vorgeschlagenen Art eingesetzt wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Rotationseinheit für eine Beschichtungslanzeneinrichtung zum thermischen Beschichten eines Innenraums, bevorzugt einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses, vorgeschlagen, wobei die Rotationseinheit zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
    • eine Werkzeugaufnahme für eine Beschichtungslanze mit einer Rotationsachse;
    • ein Rotationsantrieb zum Rotieren der Werkzeugaufnahme um die Rotationsachse;
    • eine Beschichtungsmaterialzuführung zum Versorgen der Beschichtungslanze mit einem Beschichtungsmaterial;
    • eine Prozessmedienzuführung zum Bereitstellen von Prozessmedien zum Beschichten eines Innenraums mittels einer in der Werkzeugaufnahme aufgenommenen Beschichtungslanze.
  • Die Rotationseinheit ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationsantrieb als Hohlwellenmotor koaxial zu der Rotationsachse der Werkzeugaufnahme ausgeführt ist, wobei die Werkzeugaufnahme und die Beschichtungsmaterialzuführung sowie der Prozessmedienzuführung zentral zu dem Hohlwellenmotor angeordnet sind.
  • Die vorgeschlagene Rotationseinheit weist im Unterschied zu den vorbekannten Ausführungsformen einen Hohlwellenmotor als Rotationsantrieb auf. Dies hat den Vorteil, dass sämtliche Medien (Gase, Kühlwasser, Beschichtungsmaterial und Leistungsstrom) zentral zugeführt werden können. Etwaige entstehende Schwingungen sind daher allein von der Auswuchtungsgüte der zentral angeordneten und mitrotiernden Komponenten abhängig. Folglich sind sehr hohe Drehzahlen, zum Beispiel 150 Umdrehungen pro Minute bis 900 Umdrehungen pro Minute, oder sogar bis zu 1000 Umdrehungen pro Minute, erreichbar. Hierdurch wird die Herstellungszeit verkürzt. Darüber hinaus ist der gesamte Aufbau der Rotationseinheit dadurch mit einer geringeren Masse ausführbar. Hierdurch ist ein Positionieren der Rotationseinheit beziehungsweise der Beschichtungslanze, welche in der Werkzeugaufnahme aufgenommen ist, mit geringeren Aktorkräften ermöglicht. Alternativ oder ergänzend ist ein Positionieren und Zustellen der Rotationseinheit mit geringerem Zeitaufwand und/oder weniger Schwingungen, welche infolge von Massenträgheitsmomenten induziert werden, ermöglicht. Zudem sind die induzierten Schwingungen in das Ausrichtsystem aufgrund der Verringerung der Schwingungen beim Betrieb der Rotationseinheit verringert.
  • Die Werkzeugaufnahme ist wie aus dem Stand der Technik bekannt zur Aufnahme einer Beschichtungslanze eingerichtet. Die Werkzeugaufnahme wird von dem Rotationsantrieb um ihre Rotationsachse rotiert. Die Werkzeugaufnahme weist zudem entsprechende Medienauslässe auf, welche mit den Medieneinlässen der jeweiligen Beschichtungslanze korrespondieren. Die Medienauslässe der Werkzeugaufnahme sind mit einer Beschichtungsmaterialzuführung und einer Prozessmedienzuführung sowie einer Leistungsstromzuführung für die Beschichtungslanze eingerichtet. Diese sind zentral zu dem Hohlwellenmotor angeordnet und rotieren mit der Werkzeugaufnahme, oder diese stehen und sind über eine entsprechende Lagerung dem jeweiligen Auslass verbunden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird beispielsweise das Beschichtungsmaterial durch eine zentrale Beschichtungsmaterialzuführung, die Prozessmedien durch eine radial außerhalb, bevorzugt umlaufend umgebend, angeordnete Prozessmedienzuführung bereitgestellt, welche mit der Werkzeugaufnahme fest, also mitrotierend, verbunden sind. Diese Komponenten sind alle koaxial zueinander angeordnet. Der Hohlwellenmotor ist dabei zumindest über einen axialen Abschnitt der Prozessmedienzuführung angeordnet und wirkt auf einen mit der Prozessmedienzuführung fest verbundenen Rotor, bevorzugt den Anker, ein. Die koaxiale Anordnungsreihenfolge von Beschichtungsmaterialzuführung und den Prozessmedienzuführungen ist frei wählbar. Allerdings ist es vorteilhaft, die Beschichtungsmaterialführung zentral anzuordnen, weil das Beschichtungsmaterial der angeschlossenen Beschichtungslanze so ohne großen Aufwand zentral zuführbar ist.
  • Der Aufbau ist insgesamt deutlich weniger komplex und weist eine deutlich geringere Anzahl an Einzelteilen auf, sodass die Anschaffungskosten für eine solche Rotationseinheit gesenkt sind. Außerdem ist die Masse einer solchen Rotationseinheit gegenüber einer Rotationseinheit mit Riemenantrieb deutlich reduziert, sodass die mit bewegte Masse für das Positionieren der Rotationseinheit relativ zu einem Werkstück beziehungsweise dem zu beschichtenden Innenraum reduziert ist.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Rotationseinheit ist ein Schleifringübertrager zum Übertragen von elektrischem Leistungsstrom auf die Beschichtungslanze radial außerhalb des Hohlwellenmotors angeordnet.
  • In dieser Ausführungsform ist ein Schleifringübertrager zur Versorgung des Brenners der Beschichtungslanze mit elektrischem Leistungsstrom vorgesehen. Der Hohlwellenmotor ist bevorzugt bürstenlos ausgeführt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Rotationseinheit ist eine Absaugeinrichtung zum Abführen von Schleifabrieb des Schleifringübertragers vorgesehen, und bevorzugt ist weiterhin zumindest eine Luftdüse vorgesehen, mittels welcher ein Abführen des Schleifabriebs unterstützbar ist.
  • Bei dieser Ausführungsform wird vorgeschlagen eine Absaugeinrichtung vorzusehen, um anfallenden Schleifabrieb zielgerichtet abzuführen. Hierbei ist bevorzugt zumindest eine Luftdüse vorgesehen, welche aber nicht mehr Volumen zuführt, als über die Absaugeinrichtung abgeführt wird. Hierdurch ist eine Abschirmung anfallenden Schleifabriebs von dem thermischen Beschichtungsprozess ausreichend sichergestellt. Nach dem Stand der Technik werden Universalkupplungen eingesetzt wobei Stromübertrager starken Abrieb erzeugen, welcher mit Druckluft abgeblasen wird und somit zu Verunreinigungen in der Beschichtung führen kann. Durch die Ablagerung von leitenden Stäuben besteht die Möglichkeit eines Lichtbogenüberschlags mit der Gefahr der Zerstörung der Rotationseinheit.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Rotationseinheit ist die Werkzeugaufnahme zum Aufnehmen unterschiedlicher Beschichtungslanzen eingerichtet und weist bevorzugt eine Nullpunktmarkierung zum wiederholgenauen Ausrichten einer jeweiligen Beschichtungslanze auf und umfasst besonders bevorzugt eine Leseeinrichtung zum Auslesen einer Identifikationsinformation der jeweils aufgenommenen Beschichtungslanze.
  • Hier wird nun vorgeschlagen, eine Nullpunktmarkierung vorzusehen, sodass unterschiedlichste Beschichtungslanzen leicht erkennbar und überprüfbar korrekt eingesetzt werden können. Besonders bevorzugt weist die Werkzeugaufnahme einen genormten Anschluss oder mehrere Adapter für verschiedene Anschlüsse verschiedener Beschichtungslanzentypen auf.
  • Ganz besonders bevorzugt ist die Werkzeugaufnahme mit einer Leseeinrichtung ausgestattet,, bevorzugt einer elektronischen Leseeinrichtung, und die Beschichtungslanze weist eine auslesbare Identifikationseinheit auf, beispielsweise einen RFID-Chip. Dieser Identifikationseinheit können Informationen zu der Beschichtungslanze entnommen werden und die Beschichtungslanze kann dadurch korrekt positioniert und betrieben werden. Alternativ ist im Betriebssystem mittels welchem die Rotationseinheit gesteuert wird, ein Zugriff auf gespeicherte Daten ermöglicht, sodass die Beschichtungslanze entsprechend ihrem Typ und/oder ihrer individuellen (historischen) Eigenschaften korrekt betreibbar ist. Auch können diese Identifikationseinheit oder die zugeordnet gespeicherten Informationen im Betriebssystem Anleitungen für den Werker zur korrekten Montage dieser Beschichtungslanze in der Werkzeugaufnahme enthalten. Hierdurch kann eine verbesserte Genauigkeit des Spritzabstandes und der Eintauchtiefe und weitere Parameter erreicht werden. Zur Qualitätssicherung können die Werkzeugdaten den bearbeiteten Bauteilen zugeordnet werden. Außerdem ist eine Historie erzeugbar, aus der die Betriebsstunden zuverlässig gespeichert werden können, um Erfahrungen zu sammeln, wann zukünftig vorbeugende Instandhaltung durchgeführt werden muss.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Rotationseinheit ist das Beschichtungsmaterial pulverförmig bereitstellbar, und zum Einkoppeln von Beschichtungsmaterial ist zumindest ein gasdichtes und gekapseltes Wälzlager vorgesehen, wobei bevorzugt das Wälzlager zumindest teilweise aus Keramik gebildet ist.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Beschichtungsmaterial pulverförmig, also für einen Pulver-Plasmaspritzen, bereitgestellt. In bisherigen Rotationseinheiten wurden hierzu dichtende Teflonhütchen oder luftgespülte Keramikscheiben eingesetzt. Solche Vorrichtungen weisen geringe Standzeiten auf. Hier wird nun vorgeschlagen, ein gasdichtes und gekapseltes Wälzlager einzusetzen, wodurch die Ankopplung verschleißarm ist. Besonders bevorzugt werden Keramikwälzkörper und/oder Keramiklaufflächen eingesetzt, sodass eine schmierfreie und dennoch verschleißarme und abriebarme Ausführungen mit hoher Standzeit ermöglicht ist. Ein gasdichtes und gekapseltes Wälzlager ist beispielsweise als Rotationseinheit (Rotary Union Solutions) von der Firma DSTI (Dynamic Sealing Technologies, Inc.), 13829 Jay Street NW, Andover, MN 55304, in den Vereinigten Staaten von Amerika unter der Produktreihe SPS Series bekannt (vergleiche https://www.dsti.com/industries, Dokument: "DSTI-SPS-Series-Catalog.pdf", veröffentlicht im 20. Mai 2015).
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Beschichtungslanzeneinrichtung zum thermischen Beschichten eines Innenraums, bevorzugt einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses, vorgeschlagen, wobei die Beschichtungslanzeneinrichtung zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
    • zumindest eine Rotationseinheit nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung;
    • zumindest einen Hubaktor zum axialen und/oder lateralen Positionieren der Rotationseinheit relativ zu einem zu beschichtenden Innenraum; und
    • stationäre Versorgungsanschlüsse für eine Stromzufuhr zu dem Hohlwellenmotor und die Beschichtungslanze, sowie für die Beschichtungsmaterialzuführung und für die Prozessmedienzuführung.
  • Die Beschichtungslanzeneinrichtung weist eine Rotationseinheit auf, welche sich durch einen einfachen Aufbau und eine geringe Masse und geringe rotationsbedingte Schwingungen im Betrieb kennzeichnet. Daraus folgen geringere Haltekräfte und Positionierkräfte. Zudem werden deutlich höhere Standzeiten durch geringere Schwingungsbelastungen für die Positioniereinheit erreicht. Das Gehäuse kann zum Halten der Rotationseinheit an einem Hubaktor eingerichtet sein. Darüber hinaus ist bevorzugt eine Prozessbox vorgesehen, welche derart eingerichtet ist, dass sie einen Aufnahmeraum für die Beschichtungslanze im ausgetauchten Zustand bildet, also wenn weiterhin ein Beschichtungsstrahl erzeugt wird, aber keine Beschichtung eines Werkstücks vorgenommen werden soll. Darüber hinaus weist die Beschichtungsleistungseinrichtung die entsprechenden Anschlüsse zum Betreiben der Rotationseinheit und der Beschichtungslanze auf, wobei diese allein horizontal oder vertikal oder gar nicht bewegt werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1
    in einer schematischen Darstellung eine Rotationseinheit mit einem Zylinderkurbelgehäuse,
    Fig. 2
    in einer perspektivischen Ansicht eine Rotationseinheit ohne Beschichtungslanze,
    Fig. 3
    in einer perspektivischen Schnittansicht eine Rotationseinheit mit Beschichtungslanze, und
    Fig. 4
    in einer perspektivischen Ansicht eine Beschichtungslanzeneinrichtung.
  • In Fig. 1 ist eine Rotationseinheit 10 schematisch dargestellt, wobei hier die Kompaktheit des Aufbaus der Rotationseinheit 10 mit dem Rotationsantrieb 13, hier als Hohlwellenmotor 13a ausgeführt, gut zu erkennen ist. Radial ganz außen ist ein Schleifringübertrager 16 vorgesehen, mittels welchem Leistungsstrom aufdie Beschichtungslanze 30 übertragbar ist. Bezogen auf die gemeinsame Rotationsachse 15 ist hierbei zentral die Beschichtungsmaterialzuführung 11 vorgesehen, in welche (nach dieser Darstellung von oben) Beschichtungsmaterial für die Beschichtungslanze 30 zuführbar ist. Die Beschichtungsmaterialzuführung 11 umgebend und radial innerhalb des Hohlwellenmotors 13a ist eine Prozessmedienzuführung 12 angeordnet, beispielsweise für Prozessgas und/oder Kühlwasser. Unterhalb des Schleifringübertragers 16 ist koaxial und von dem Hohlwellenmotor 13a rotierbar die Werkzeugaufnahme 14 vorgesehen. Dieser ist in diesem Beispiel eine (optionale) Leseeinrichtung 20 nachgeschaltet, wobei hier auch die (optionale) Nullpunktmarkierung 19 auf der Leseeinrichtung 20 angeordnet ist. Die eingeführte Beschichtungslanze 30 weist einen korrespondierenden Nullpunkt 32 auf. Der Nullpunkt 32 ist zur Nullpunktmarkierung 19 ausgerichtet. Weiterhin weist die Beschichtungslanze 30 vorteilhafterweise eine Identifikationseinheit 31 auf, beispielsweise einen RFID-Chip, sodass die eingesetzte Beschichtungslanze 30 mittels der Leseeinrichtung 20 automatisiert erkennbar ist. Die Beschichtungslanze 30 ist hier zur Zylinderachse 45 ausgerichtet dargestellt und wurde aus dem zu beschichtenden Innenraum 40, hier eine Zylinderbohrung 41 eines Zylinderkurbelgehäuses 42, wieder aufgetaucht und hat dort auf der Zylinderlauffläche 43 die gewünschte Beschichtung 44 aufgebracht.
  • In Fig. 2 und Fig. 3 ist eine mögliche Ausführungsform einer Rotationseinheit 10 gezeigt, wobei in Fig. 2 die Rotationseinheit 10 in einer perspektivischen Ansicht ohne Beschichtungslanze 30 und in Fig. 3 die Rotationseinheit 10 in einer perspektivischen Schnittansicht mit Beschichtungslanze 30 gezeigt ist. Hierbei ist ein Gehäuse 22 und stationäre Versorgungsanschlüsse gezeigt, nämlich einem ersten Versorgungsanschluss 24 für Beschichtungsmaterial, bevorzugt pulverförmig oder drahtförmig, einem zweiten Versorgungsanschluss 25 für zum Beispiel Kühlwasser, einem dritten Versorgungsanschluss 26, für zum Beispiel Prozessgas, und einem vierten Versorgungsanschluss 27, für zum Beispiel Leistungsstrom für den Schleifringübertrager 16. Das Gehäuse 22 dient hierbei vornehmlich dem Bereithalten eines erforderlichen Lagerabstands zur Abstützung der hohen Rotationsgeschwindigkeit der Beschichtungslanze 30. Außerdem wird die gesamte Rotationseinheit 10 an diesem Gehäuse 22 mit einem Portal oder einem Roboter verbunden. Weiterhin ist an dem Gehäuse eine Absaugeinrichtung 17 vorgesehen, von welchem der Absauganschluss in Fig. 2 gekennzeichnet ist, und wobei die Absaugeinrichtung 17 (optional) von einer Luftdüse 18 (vergleiche Fig. 3) unterstützt ist. Es sei hier darauf hingewiesen, dass das Bauteil, welches die Versorgungsanschlüsse 24 bis 26 umfasst sowie das Gehäuse 22 stationär sind, und also nicht um die Rotationsachse 15 rotiert werden. Allein die zentral angeordneten Komponenten einschließlich zur Werkzeugaufnahme 14 und die Beschichtungslanze 30 sind um die Rotationsachse 15 rotierbar. Dazu weist beispielsweise der erste Versorgungsanschluss 24 ein (bekanntes) abgedichtetes und gekapseltes Wälzlager 21 auf, beispielsweise gemäß der SPS Series von der Firma DSTI. Das Gehäuse 22 weist einen Befestigungsanschluss 28 auf, mittels dessen die Rotationseinheit 10 in einer Beschichtungslanzeneinrichtung 100 (vergleiche Fig. 4) horizontal und vertikal bewegbar ist. In der Darstellung unten an der Beschichtungslanze 30 ist die in einen Innenraum 40 (vergleiche Fig. 1) eintauchbare Beschichtungsdüse 33 und schematisch ein Beschichtungsstrahl 34 dargestellt. In der Darstellung am oberen Ende der Beschichtungslanze 30 bei der Werkzeugaufnahme 14 ist ein Lanzenanschluss 35 in unmittelbarer Nähe zu der (optionalen) Leseeinrichtung 20, beispielsweise ein RFID-Lesegerät, dargestellt.
  • In Fig. 4 ist eine vereinfachte Beschichtungslanzeneinrichtung 100 gezeigt, bei welcher zwei Rotationseinheiten 10 mit jeweils einer Beschichtungslanze 30 mittels eines Hubaktors 23 in einem Portal entlang einer horizontalen Achse und einer vertikalen Achse einem Werkstücktisch 46, beispielsweise für ein Zylinderkurbelgehäuse 42 (vergleiche Fig. 1), zuführbar sind. Hierbei ist nur eine Rotationseinheit 10 dargestellt und für eine zweite, bevorzugt baugleiche, Rotationseinheit der Gegenanschluss 47 für den Befestigungsanschluss 28 (vergleiche Fig. 3) des Gehäuses 22.
  • Die hier vorgeschlagene Rotationseinheit erlaubt einen schwingungsarmen oder schwingungsfreien Betrieb bei hohen Drehzahlen für eine Beschichtungslanze zum thermischen Beschichten. Bezugszeichenliste
    10 Rotationseinheit 43 Zylinderlauffläche
    11 Beschichtungsmaterialzuführung 44 Beschichtung
    12 Prozessmedienzuführung 45 Zylinderachse
    13 Rotationsantrieb 46 Werkstücktisch
    13a Hohlwellenmotor 47 Gegenanschluss für einen
    14 Werkzeugaufnahme Befestigungsanschluss
    15 Rotationsachse 100 Beschichtungslanzeneinrichtung
    16 Schleifringübertrager
    17 Absaugeinrichtung
    18 Luftdüse
    19 Nullpunktmarkierung
    20 Leseeinrichtung
    21 Wälzlager
    22 Gehäuse
    23 Hubaktor
    24 erster Versorgungsanschluss für
    Beschichtungsmaterial
    25 zweiter Versorgungsanschluss für
    Kühlwasser
    26 dritter Versorgungsanschluss für
    Prozessgas
    27 vierter Versorgungsanschluss für
    Leistungsstrom
    28 Befestigungsanschluss
    30 Beschichtungslanze
    31 Identifikationseinheit
    32 Nullpunkt
    33 Beschichtungsdüse
    34 Beschichtungsstrahl
    35 Lanzenanschluss
    40 Innenraum
    41 Zylinderbohrung
    42 Zylinderkurbelgehäuse

Claims (7)

  1. Rotationseinheit (10) für eine Beschichtungslanzeneinrichtung (100) zum thermischen Beschichten eines Innenraums (40) aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
    - eine Werkzeugaufnahme (14) für eine Beschichtungslanze (30) mit einer Rotationsachse (15);
    - ein Rotationsantrieb (13) zum Rotieren der Werkzeugaufnahme (14) um die Rotationsachse (15);
    - eine Beschichtungsmaterialzuführung (11) zum Versorgen der Beschichtungslanze (30) mit einem Beschichtungsmaterial;
    - eine Prozessmedienzuführung (12) zum Bereitstellen von Prozessmedien zum Beschichten eines Innenraums (40) mittels einer in der Werkzeugaufnahme (14) aufgenommenen Beschichtungslanze (30),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Rotationsantrieb (13) als Hohlwellenmotor (13a) koaxial zu der Rotationsachse (15) der Werkzeugaufnahme (14) ausgeführt ist, und wobei die Werkzeugaufnahme (14) und die Beschichtungsmaterialzuführung (11) sowie der Prozessmedienzuführung (12) zentral zu dem Hohlwellenmotor (13a) angeordnet sind.
  2. Rotationseinheit (10) nach Anspruch 1, wobei ein Schleifringübertrager (16) zum Übertragen von elektrischem Leistungsstrom auf die Beschichtungslanze (30) radial außerhalb des Hohlwellenmotors (13a) angeordnet ist.
  3. Rotationseinheit (10) nach Anspruch 2, wobei eine Absaugeinrichtung (17) zum Abführen von Schleifabrieb des Schleifringübertragers (16) vorgesehen ist, und bevorzugt weiterhin zumindest eine Luftdüse (18) vorgesehen ist, mittels welcher ein Abführen des Schleifabriebs unterstützbar ist.
  4. Rotationseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Werkzeugaufnahme (14) zum Aufnehmen unterschiedlicher Beschichtungslanzen (30) eingerichtet ist, bevorzugt eine Nullpunktmarkierung (19) zum wiederholgenauen Ausrichten einer jeweiligen Beschichtungslanze (30) aufweist, und besonders bevorzugt eine Leseeinrichtung (20) zum Auslesen einer Identifikationsinformation der jeweils aufgenommenen Beschichtungslanze (30) umfasst.
  5. Rotationseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beschichtungsmaterial pulverförmig bereitstellbar ist und zum Einkoppeln von Beschichtungsmaterial zumindest ein gasdichtes und gekapseltes sowie verschleißarmes Wälzlager (21) vorgesehen ist, wobei bevorzugt das Wälzlager (21) zumindest teilweise aus Keramik gebildet ist.
  6. Rotationseinheit (10) für eine Beschichtungslanzeneinrichtung (100) zum thermischen Beschichten eines Innenraums (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Innenraum eine Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses ist.
  7. Beschichtungslanzeneinrichtung (100) zum thermischen Beschichten eines Innenraums (40), bevorzugt einer Zylinderbohrung (41) eines Zylinderkurbelgehäuses (42), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
    - zumindest eine Rotationseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; - zumindest einen Hubaktor (23) zum axialen und/oder lateralen Positionieren der Rotationseinheit (10) relativ zu einem zu beschichtenden Innenraum (40); und
    - stationäre Versorgungsanschlüsse (24,25,26) für eine Stromzufuhr zu dem Hohlwellenmotor (13a) und der Beschichtungslanze (30), sowie für die Beschichtungsmaterialzuführung (11) und für die Prozessmedienzuführung (12).
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