EP4023347A1 - 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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EP4023347A1
EP4023347A1 EP22151781.6A EP22151781A EP4023347A1 EP 4023347 A1 EP4023347 A1 EP 4023347A1 EP 22151781 A EP22151781 A EP 22151781A EP 4023347 A1 EP4023347 A1 EP 4023347A1
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EP
European Patent Office
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radiation
workpiece
coating
performance polymer
radiation source
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Hendrik SÄNDKER
Jochen Stollenwerk
Jörg Zerrer
Anna Buling
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
ELB Eloxalwerk Ludwigsburg Helmut Zerrer GmbH
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
ELB Eloxalwerk Ludwigsburg Helmut Zerrer GmbH
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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 claim 1 and a coating method according to the preamble of claim 4.
  • the essential Functional requirements addressed with these coatings include wear and corrosion protection, friction reduction, temperature resistance and electrical insulation.
  • the high-performance polymer polyetheretherketone (PEEK) is excellently suited to meeting the requirements mentioned due to its material properties and is already used industrially ( E. Spyrou.: Powder coatings. Chemistry and technology 3., rev. ed. Hanover 2012 ).
  • Conventional coating processes for this material primarily include powder-based layer application with subsequent melting of the applied layer using an oven process and powder flame spraying.
  • the polymer is applied to the workpiece in powder form by means of electrostatic coating or as a dispersion or spray application.
  • electrophoretic coating I Corni, N Neumann, D Eifler, AR Boccaccini: Polyetheretherketone (PEEK) coatings on stainless steel by electrophoretic deposition. In: Advanced Engineering Materials 10 (2008) 6, pp. 559-64 .) or printing process (e.g. 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 in the order of 10 K/min and holding times in the order of 30 minutes up to a few hours.
  • the coated workpiece is then cooled in a controlled manner. The cooling rates chosen for this depend on the material used and the mass of the workpiece.
  • the coating material is applied to the workpiece using thermal spraying.
  • the powder is guided through a flame in a gas stream to melt it and applied in layers in the molten phase to the component. It is not absolutely necessary to preheat the workpiece to be coated, but it can help to improve 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
  • the workpiece to be coated must be preheated to 230 °C in order to achieve optimal adhesion and flow properties.
  • Laser-based coating processes such as e.g. B. that in the pamphlet DE 693 00 501 T2 disclosed laser cladding, or that in the reference EP 1 932 928 B1 disclosed laser peening, are prior art.
  • the coating material is applied to a workpiece, the workpiece being coated or the coating being compacted by means of simultaneous irradiation of a single laser.
  • the pamphlet EP 2 969 256 B1 discloses a method of applying an anti-friction coating to a piston assembly using high performance polymers such as PEEK as the coating material.
  • the coating material is cured in two subsequent steps using IR, UV or induction radiation.
  • the character of the radiation with regard to monochromaticity, coherence or generation method is not defined in more detail.
  • the invention is therefore based on the object of providing 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 4 .
  • the object is achieved by means of a device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer, which has at least two radiation sources.
  • This is preferably a device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer that preferably provides wear and corrosion protection, friction reduction, temperature resistance and/or electrical insulation, which has at least two radiation sources.
  • the first radiation source is adapted to emit radiation of a first wavelength, which is adapted to be primarily absorbed by the workpiece and/or that the second radiation source is adapted to emit radiation of a second wavelength, which is primarily adapted to be absorbed by the workpiece high-performance polymer is adapted and/or that a measuring device is provided for the contactless measurement of thermal radiation from the workpiece and the at least one high-performance polymer, the measuring device preferably being designed to regulate the power of the two radiation sources to a constant value for the thermal radiation emitted by the workpiece and high-performance polymer, or to control.
  • the object is achieved by means of a method in which the process energy required for coating a workpiece with at least one high-performance polymer is at least partially generated by at least two radiation sources.
  • a coating method is preferably provided, in particular by means of a coating device according to one of Claims 1 to 3, in which the process energy required for coating a workpiece with at least one high-performance polymer which preferably provides wear and corrosion protection, friction reduction, temperature resistance and/or electrical insulation is at least partially at least two radiation sources are generated.
  • the first radiation source emits radiation of a first wavelength, which is adapted for priority absorption by the workpiece and/or that the second radiation source emits radiation of a second wavelength, which is adapted for priority absorption by the high-performance polymer, and/ or that a measuring device for the contactless measurement of thermal radiation of the workpiece and the at least one high-performance polymer carries out such a measurement, the measuring device preferably carrying out the measurement without contact and/or the power of the two radiation sources is regulated to a constant value of the thermal radiation emitted by the workpiece and high-performance polymer or controls.
  • 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 over the prior art that the device has at least two radiation sources. During coating, these can be used at the same time or one after the other at different times.
  • the radiation from at least one radiation source is at least partially coherent.
  • At least one radiation source is a laser.
  • the radiation from 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-rays or gamma radiation).
  • the wavelength of the radiation from at least one radiation source is in the wavelength range from 400 to 3000 nm.
  • the wavelength of the radiation from at least one radiation source is in the wavelength range from 4000 to 12000 nm.
  • the radiation from at least one radiation source is continuous or pulsed.
  • the high-performance polymer can be completely melted in order to achieve a homogeneous or porous coating.
  • the intensity of the radiation from at least one radiation source can be regulated.
  • the power of at least one radiation source can thus also be adapted to the requirements.
  • the radiation from at least one radiation source has a wavelength at which the degree of absorption of at least one high-performance polymer is as large as possible.
  • the radiation is primarily only absorbed by the high-performance polymer, which targeted setting or targeted regulation of the temperature of the high-performance polymer is possible.
  • the radiation from 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 only absorbed by the workpiece, as a result of which it is possible to set or regulate the temperature of the workpiece in a targeted manner.
  • the device has at least one fixed lens system.
  • the radiation from at least one radiation source is guided at least partially onto the workpiece through fixed optics.
  • 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 from at least one radiation source is at least partially guided over the workpiece by a scanner system. It is thus possible to scan the workpiece with the radiation and thus to irradiate as many desired locations as possible on the workpiece, even if the workpiece has a complex geometry.
  • the device has at least one measuring device for measuring thermal radiation and/or temperature.
  • the temperature or the thermal radiation is preferably measured without contact, for example by means of a pyrometer or an infrared camera.
  • the device has at least one positioning device. This allows the workpiece positioned in the required position before processing or moved during processing.
  • the device has at least one application device for applying at least one high-performance polymer to the workpiece.
  • the application of the high-performance polymer to the workpiece and the subsequent melting of the high-performance polymer can be accomplished by the same machine.
  • the coating method according to the invention with the features of claim 15 has the advantage that the process energy required for coating a workpiece with at least one high-performance polymer is at least partially generated by at least two radiation sources. At least two radiation sources are used at the same time or one after the other with a time delay.
  • 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, pressure, dipping, or doctor blade methods.
  • At least one radiation source emits at least partially coherently.
  • a laser is used as at least one radiation source.
  • the radiation from 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-rays or gamma radiation).
  • At least one radiation source radiates in the wavelength range from 400 to 3000 nm.
  • At least one radiation source radiates in the wavelength range from 4000 to 12000 nm.
  • the radiation from at least one radiation source is modulated in terms of time and/or location.
  • the radiation can thus be continuous, pulsed, of increasing intensity and/or decreasing intensity.
  • the intensity of at least one radiation source is regulated during the coating.
  • a continuous change and/or switching of the radiation during the coating from continuous, pulsed, increasing intensity and/or decreasing intensity is thus 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 from at least one radiation source is primarily absorbed by at least one high-performance polymer. This makes it possible to set or regulate the temperature of the high-performance polymer in a targeted manner.
  • the radiation from at least one radiation source is primarily absorbed by the workpiece. This enables targeted setting or targeted regulation of the temperature of the workpiece.
  • the radiation from at least one radiation source is at least partially guided onto the workpiece by means of fixed optics.
  • Fixed optics have the advantage that the accuracy of the beam guidance can be optimized.
  • the radiation from at least one radiation source is at least partially guided over the workpiece by means of a scanner system.
  • the process of radiation using a scanner system allows the point at which the radiation hits to be varied, so that the workpiece can be scanned with the radiation and thus irradiation of as many desired points as possible on the workpiece is possible, even if the workpiece 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, although other non-contact methods of measuring thermal radiation or temperature are also 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 also be changed during coating.
  • a device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer according to one of Claims 1 to 14 is used in the coating method.
  • FIG. 1 shows a structure for carrying out the coating method according to the invention and 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 thermal radiation and/or temperature are arranged above the workpiece 4a to be coated.
  • the high-performance polymer 4b has already been applied to the workpiece 4a.
  • the workpiece 4a is brought to the right place by means of a positioning device 5, so that the workpiece 4a or a desired place of the workpiece 4a and the high-performance polymer 4b are hit by the beams 6 and 7 of the radiation sources 1 and 2.
  • the measuring device 3 measures the thermal radiation 9 emitted by the workpiece 4a and the high-performance polymer 4b.
  • the two beams of radiation 6 and 7 are separately modulated in time and space.
  • the wavelengths are preferably selected in such a way that one beam is primarily absorbed by the high-performance polymer 4b and the other beam is primarily absorbed by the workpiece 4a.
  • the wavelength of a radiation 6 or 7 is preferably in the wavelength range from 400 to 3000 nm and the wavelength of a second Radiation 6 or 7 in the range from 4000 to 12000 nm. In both cases, the radiation 6 and 7 is preferably modulated or pulsed continuously or on a time scale in the range of >10 ns.
  • the workpiece 4a to be coated is either moved into a fixed processing position by means of a manual or automated positioning device 5 (preferably robot or axis system) or is moved and/or rotated during the coating process by means of this in at least one dimension (including rotation).
  • the application of the high-performance polymer 4b e.g. B. a polymer powder, takes place in a previous step.
  • the application method preferably includes the application of a (preferably water-based) dispersion by means of a spray, pressure, dipping or doctor blade method, or the application of a polymer-based powder mixture by means of electrostatic spraying.
  • the power for at least one radiation source 1 or 2 is regulated or controlled in such a way that a constant value for the thermal radiation 8, 9 emitted by the workpiece 4a and the high-performance polymer 4b results.
  • the control or monitoring of the thermal radiation 8, 9 or the temperature is carried out without contact by means of pyrometry or camera-based (e.g. 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. Due to the use of (preferably water-based) high-performance polymer dispersions in the layer application, the addition of a silane and/or siloxane compound, a metal alkoxide or other organic solvents is not necessary and is not intended. Adherent coatings can also be produced without these components using the coating method according to the invention.
  • the melting of the high-performance polymer 4b can be limited in terms of time and location, which enables the location-selective production of coatings.
  • the temperature load is reduced compared to the oven process described above.
  • the coating of temperature-sensitive materials is possible. Due to the reduction of the thermal load, the course of the micro-hardness and the heat-affected zone in the base material usually differ significantly.
  • the porosity of the coating can be controlled as a function of location and time.
  • the coating process preferably takes place in a normal atmosphere, a protective gas or vacuum atmosphere is not required.
  • this range is extended upwards to at least 250 ⁇ m.
  • the technical field of application consists in the production of functional coatings on metallic components, in particular in the production of tribological and anti-corrosive coatings.
  • the metallic components to be coated can be selected independently of the 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 includes in particular tribologically and corrosively stressed components, but is not limited to these. An increase in energy efficiency in the coating process should also 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 4.
  • 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 4 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mittels einer Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer gelöst, welche mindestens zwei Strahlungsquellen aufweist.
  • Diese ist vorzugsweise eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem vorzugsweise Verschleiß- und Korrosionsschutz, Reibungsreduzierung, Temperaturbeständigkeit und/oder elektrische Isolation bereitstellendem Hochleistungspolymer, welche mindestens zwei Strahlungsquellen aufweist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die erste Strahlungsquelle angepasst ist, Strahlung einer ersten Wellenlänge abzugeben, welche zur vorrangigen Absorption durch das Werkstück angepasst ist und/oder, dass die zweite Strahlungsquelle angepasst ist, Strahlung einer zweiten Wellenlänge abzugeben, welche zur vorrangigen Absorption durch das Hochleistungspolymer angepasst ist und/oder, dass eine Messvorrichtung zur kontaktlosen Messung von Wärmestrahlung des Werkstücks und des mindestens einen Hochleistungspolymers bereitgestellt ist, wobei die Messeinrichtung vorzugsweise ausgebildet ist, die Leistung der zwei Strahlungsquellen auf einen konstanten Wert emittierter Wärmestrahlung von Werkstück und Hochleistungspolymer zu regeln oder zu steuern.
  • Weiterhin wird die Aufgabe mittels eines Verfahrens gelöst, bei welchem die für das Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer benötigte Prozessenergie zumindest teilweise von mindestens zwei Strahlungsquellen erzeugt wird.
  • Vorzugsweise ist ein Beschichtungsverfahren vorgesehen, insbesondere mittels einer Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die für das Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem vorzugsweise Verschleiß- und Korrosionsschutz, Reibungsreduzierung, Temperaturbeständigkeit und/oder elektrische Isolation bereitstellendem Hochleistungspolymer benötigte Prozessenergie zumindest teilweise von mindestens zwei Strahlungsquellen erzeugt wird. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die erste Strahlungsquelle Strahlung einer ersten Wellenlänge abgibt, welche zur vorrangigen Absorption durch das Werkstück angepasst wird und/oder, dass die zweite Strahlungsquelle Strahlung einer zweiten Wellenlänge abgibt, welche zur vorrangigen Absorption durch das Hochleistungspolymer angepasst wird, und/oder, dass eine Messvorrichtung zur kontaktlosen Messung von Wärmestrahlung des Werkstücks und des mindestens einen Hochleistungspolymers eine solche Messung durchführt, wobei die Messvorrichtung vorzugsweise die Messung kontaktlos ausführt und/oder die Leistung der zwei Strahlungsquellen auf einen konstanten Wert emittierter Wärmestrahlung von Werkstück und Hochleistungspolymer regelt oder steuert.
    • 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Wellenlänge der Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 400 bis 3000 nm.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Wellenlänge der Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 4000 bis 12000 nm.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens strahlt mindestens eine Strahlungsquelle zumindest teilweise kohärent.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens strahlt mindestens eine Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 400 bis 3000 nm.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens strahlt mindestens eine Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 4000 bis 12000 nm.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung 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 bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird beim Beschichtungsverfahren eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer 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 Weiterbildungen 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 (7)

  1. Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks (4a) mit mindestens einem Verschleiß- und Korrosionsschutz, Reibungsreduzierung, Temperaturbeständigkeit und/oder elektrische Isolation bereitstellendem Hochleistungspolymer (4b), welche mindestens zwei Strahlungsquellen (1, 2) aufweist dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Strahlungsquelle angepasst ist, Strahlung einer ersten Wellenlänge abzugeben, welche zur vorrangigen Absorption durch das Werkstück (4a) angepasst ist
    dass die zweite Strahlungsquelle angepasst ist, Strahlung einer zweiten Wellenlänge abzugeben, welche zur vorrangigen Absorption durch das Hochleistungspolymer (4b) angepasst ist,
    dass eine Messvorrichtung (3) zur kontaktlosen Messung von Wärmestrahlung (9) des Werkstücks (4a) und des mindestens einen Hochleistungspolymers (4b) bereitgestellt ist, wobei die Messeinrichtung (3) ausgebildet ist, die Leistung der zwei Strahlungsquellen (1, 2) auf einen konstanten Wert emittierter Wärmestrahlung von Werkstück (4a) und Hochleistungspolymer (4b) zu regeln oder zu steuern.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) kohärent ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) ein Laser ist.
  4. Beschichtungsverfahren, insbesondere mittels einer Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem
    die für das Beschichten eines Werkstücks (4a) mit mindestens einem Verschleiß- und Korrosionsschutz, Reibungsreduzierung, Temperaturbeständigkeit und/oder elektrische Isolation bereitstellendem Hochleistungspolymer (4b) benötigte Prozessenergie zumindest teilweise von mindestens zwei Strahlungsquellen (1, 2) erzeugt wird
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Strahlungsquelle Strahlung einer ersten Wellenlänge abgibt, welche zur vorrangigen Absorption durch das Werkstück (4a) angepasst wird, dass die zweite Strahlungsquelle Strahlung einer zweiten Wellenlänge abgibt, welche zur vorrangigen Absorption durch das Hochleistungspolymer (4b) angepasst wird,
    dass eine Messvorrichtung (3) zur kontaktlosen Messung von Wärmestrahlung (9) des Werkstücks (4a) und des mindestens einen Hochleistungspolymers (4b) eine solche Messung durchführt, wobei die Messvorrichtung (3) die Messung kontaktlos ausführt und die Leistung der zwei Strahlungsquellen (1, 2) auf einen konstanten Wert emittierter Wärmestrahlung (9) von Werkstück (4a) und Hochleistungspolymer (4b) regelt oder steuert.
  5. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in einem vorangegangenen Verfahrensschritt mindestens ein Hochleistungspolymer (4b) auf das Werkstück (4a) appliziert wird.
  6. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) kohärent strahlt.
  7. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Laser als mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) verwendet wird.
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