EP4387804A1 - Beschichtungsvorrichtung zur oberflächenveredelung von einem werkstück - Google Patents

Beschichtungsvorrichtung zur oberflächenveredelung von einem werkstück

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EP4387804A1
EP4387804A1 EP22777598.8A EP22777598A EP4387804A1 EP 4387804 A1 EP4387804 A1 EP 4387804A1 EP 22777598 A EP22777598 A EP 22777598A EP 4387804 A1 EP4387804 A1 EP 4387804A1
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EP
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workpiece
coating
treatment surface
application
region
Prior art date
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Pending
Application number
EP22777598.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Phillip Utsch
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HPL Technologies GmbH
Original Assignee
HPL Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/006—Vehicles

Definitions

  • the invention relates to a coating device for the surface finishing of a workpiece and a coating method with such a coating device for surface finishing of a workpiece.
  • carrier materials that are produced at low cost and are given a functional coating are increasingly being used.
  • carrier material for example, it is known to produce brake discs for motor vehicles and commercial vehicles from a cast body (carrier material) and to provide the surface interacting with the respective brake block with a finishing layer.
  • the properties of such a finishing layer are often unknown. Deviations from a desired property are compensated for by applying finishing material in thick layers and post-processing. This results in high material costs and long processing times.
  • the object of the present invention is to at least partially overcome the disadvantages known from the prior art.
  • the features according to the invention result from the independent claims, for which advantageous configurations are shown in the dependent claims.
  • the features of the claims can be combined in any technically meaningful way, whereby the explanations from the following description and features from the figures can also be used for this purpose, which include additional configurations of the invention.
  • the invention relates to a coating device for the surface finishing of a workpiece, having at least the following components:
  • a coating unit with an application axis for applying, in a region and along a feed direction, a finishing layer thereon treatment surface
  • An optical monitoring unit by means of which an application process on that treatment surface can be detected in a focus area.
  • the coating device is primarily characterized in that the focus area of the monitoring unit is directed in the feed direction in front of the region and/or from inclined to the application axis onto the region of the current application process.
  • the workpiece to be treated has a (free) treatment surface in a state before the application of a finishing layer.
  • the treatment surface is a (for example, post-machined) metal surface, for example, a cast body.
  • the workpiece or a part of the workpiece forms a carrier body or part of a carrier body, with the carrier body having suitable mechanical properties, for example for the transmission of forces and moments. Examples are a brake disc, a piston for a hydraulic system, a cylinder surface for an internal combustion engine.
  • the coating device is set up to apply a finishing layer to the treatment surface of the workpiece.
  • a finishing material is bonded to the treatment surface by means of (hard) soldering or welding.
  • the necessary thermal input is provided, for example, by a flame (e.g. high-velocity flame spraying [HVOF; English High Velocity Oxygen Fuel]), an arc (for example PTA) or a laser (laser deposition welding, particularly extreme high-speed laser deposition welding [EHLA] as known from DE 10 2011 100 456 A1) is provided.
  • the material is provided, for example, as wire or powder (mixture).
  • a carrier gas is often used to transport the powder particles and/or an inert gas to create a desired reaction environment.
  • a finishing layer is (statistically) homogeneous and/or made up of several (possibly different) layers.
  • a finishing layer is often applied in strips on the treatment surface, for example in the form of parallel, overlapping weld beads.
  • the coating device is set up for an additive, metallic coating.
  • a high strength and/or durability of the finishing layer is often required, such as a constant coefficient of friction over a large temperature change during operation (between, for example, -60 °C [minus sixty degrees Celsius] and +800 °C [plus eight hundred degrees Celsius] and more with a brake disc).
  • the thinnest possible finishing layer should be applied to the treatment surface. For this it is advantageous if the properties of the applied finishing layer are known as precisely as possible.
  • the workpiece to be treated is clamped in a tool chuck and held in an exactly positioned position.
  • the tool chuck is a chuck, for example.
  • the tool chuck is, for example, a workbench with a clamp.
  • the tool chuck is rigid (or has a rigid axis of rotation) or can be moved linearly along at least one or rotationally about at least one spatial axis by means of an actuator.
  • the coating unit is the functionally central unit of the coating device.
  • the coating unit includes a welding head, a material feed, a surface cooling device and/or a protective gas feed.
  • the coating unit is for a feed (relative Movement between the workpiece and the coating unit) is preferably movable along at least one spatial axis relative to the workpiece held in the tool chuck. Alternatively or additionally, a feed can be carried out by moving the tool chuck.
  • the coating device comprises an optical monitoring unit which is set up to record (in a focus area) the application process (by means of the coating unit) on the treatment surface.
  • the optical monitoring unit is aimed at the surface of the workpiece, so that the processes during the application of the coating material are recorded optically.
  • the application process can thus be monitored in situ and the quality of the applied material or the connection of the applied material to the treatment surface of the workpiece can thus be monitored during the manufacturing process.
  • the focus area of the monitoring unit is directed in an embodiment in front of the region in which the application process is currently taking place. It is thus possible to monitor the condition of the treatment surface or whether a coating has already taken place here due to an error during application (for example spatters due to incorrect supply of the coating material).
  • the focus area is oriented at an angle to the application axis of the coating unit, so that height information can be obtained and/or a falsification of the measurement due to a heat source of the coating unit (e.g. a flame or a laser beam) is avoided.
  • a heat source of the coating unit e.g. a flame or a laser beam
  • both the focus area in front of the region of the order and that at the angle of the monitoring unit to the focus area are oriented inclined to the order axis.
  • a line of sight of a surveillance unit to the focal area at an angle between 15° [fifteen degrees of 360°] and 75° is preferred between 30° and 60°, particularly preferably at about 45°, to the application axis, with the application axis preferably being oriented perpendicular to the treatment surface.
  • optical monitoring unit is moved in a synchronized manner to the coating unit, for example by means of the (optional) infeed device for moving the coating unit is moved together or is coupled to it.
  • At least one of the following parameters is also recorded by means of the measuring unit:
  • a trailing monitoring unit with a trailing focus area be provided, with the trailing focus area being directed behind the region of the current application process in the feed direction.
  • a subsequent monitoring unit which therefore records the result of the application process.
  • This preferably takes place in the immediate vicinity of the application process, with this being designed as a function of a process speed and a (temperature and/or solidification) decay rate during material application.
  • the distance is chosen such that a time interval between the Application process and the associated detection by means of the trailing monitoring unit is less than 1 s [one second].
  • the trailing monitoring unit is also aligned inclined at an angle to the application axis, preferably at the same or mirrored angle to the application axis.
  • a cooling of the applied material and (preferably at the same time) a height of the applied material, ie a layer thickness, can be detected by means of the trailing monitoring unit.
  • a (thermal) deformation of the treatment surface can be detected by means of a further sensor and the change in the height detected by the following monitoring unit and the change in the height of the treatment surface can thus be subtracted from one another in order to be able to determine the exact layer thickness.
  • This information is particularly advantageous for a subsequent grinding process, because it can be used to determine the thinnest point of the finishing layer and thus determine how much material has to be removed and preferably how much material has to be applied further in advance.
  • the measurement data for the workpiece are stored and individually assigned to the workpiece as electronic information and made available to a purchaser (customer) of the workpiece, so that he receives detailed information about the quality of the workpiece or its finishing layer without a ( possibly destructive) inspection of the workpiece is necessary, and instead of a random inspection, there is a 100% inspection for each workpiece.
  • the coating device comprises an application laser and an axial monitoring unit is also provided, with the axial monitoring unit being coupled into the application laser.
  • This embodiment makes use of the fact that the application laser already has an optical line of sight to the treatment surface, which enables a monitoring unit to be coupled in by means of a suitable (inclined) translucent mirror.
  • a suitable (inclined) translucent mirror it should be noted that different optical measuring methods and thus a number of monitoring units can be coupled into the application axis and thus a number of pieces of information can be recorded, such as a current temperature and material application (for example a powder spray pattern of a coating material supplied).
  • the measurement data e.g. a point cloud
  • At least one of the monitoring units includes a video camera and/or a pyrometer.
  • At least one of the optical monitoring units is set up for temperature detection, namely as a so-called pyrometer.
  • at least one of the monitoring units is a video camera, so that a large amount of information can be collected for human readout or controlled regulation.
  • the video camera is a thermal imaging camera and thus additional temperature information about the recorded elements can be extracted from the video image.
  • the workpiece is a rotary workpiece, preferably a brake disk for a motor vehicle.
  • the workpiece is a rotary workpiece, the rotary workpiece being rotated about a central axis of rotation when the finishing layer is applied.
  • a single feed axis for the coating unit is then often sufficient for applying the finishing layer.
  • this is the feed axis aligned parallel to the axis of rotation (corresponds to the cylinder axis).
  • the treatment surface is in the form of a cylinder cover or disk, this feed axis is aligned parallel to the radius of the axis of rotation (corresponds to the cylinder axis or disk axis).
  • the rotary workpiece is a brake disk for a motor vehicle (including a commercial vehicle).
  • the treatment surface is the friction surface that comes into contact with a brake pad during operation when the motor vehicle is decelerating.
  • the carrier disk is cast, for example, made of steel or lamellar gray cast iron.
  • the finishing layer includes carbides, which ensure the desired roughness and abrasion resistance of the finished surface.
  • the finishing layer is an MMC [Metal Matrix Composite], preferably comprising stainless steel as the matrix material.
  • the additives are, for example, niobium [Nb], silicon [Si], chromium [Cr] and/or titanium [Ti].
  • the finishing layer is composed of two or more layers of material with different compositions, with for example (preferably exclusively a bonding layer and a friction layer are provided.
  • the finishing layer on the treatment surface of the brake disk has a height difference of at most 10 ⁇ m [ten micrometers] to 200 ⁇ m over the entire area of the treatment surface. Such a deviation is therefore within a permissible range for the final state of the brake disk and it is not necessary to remove material due to the unevenness in the finishing layer.
  • the height of material to be removed in the same amount range as to compensate for a waviness and/or a maximum difference between the height minimum and the height maximum (e.g. as it already existed on the treatment surface or existed before the coating process), it being preferably ensured by means of the monitoring process described above, that the effects are not summed up.
  • a workpiece with such an accumulation is sorted out as scrap or (in individual cases) a larger layer height is applied or a dedicated minimum height is subsequently filled.
  • the latter is possible with the monitoring method integrated into the coating method described above, because the monitoring unit and the coating unit are referenced to one another and a reaction can therefore be made to a deviation in the application process (for example immediately during application).
  • the optical monitoring unit for determining the shielding comprises a first sub-unit for the treatment surface and a second sub-unit referenced thereto for measuring a height profile of that rear side opposite the treatment surface, preferably at the same time as being axially opposite to the focus area of the first sub-unit, and/or preferably at the same time axially opposite to the region of the current job operation.
  • the coating unit is guided accordingly.
  • the second height profile (rear side) measured by the second sub-unit is subtracted from the first height profile (treatment surface with optionally at least part of the finishing layer) measured by the first sub-unit.
  • at least the back is measured in advance (before the finishing layer is applied to the treatment surface) and the Results of measurement compared during application or after application of the finishing layer. Changes are already taken into account during application and/or used to determine the height of the finishing layer.
  • the effect of the one-sided thermal input mentioned by way of example is observed at the same time by the first subunit at a distance (radial on a brake disc) from the thermal input, for example (due to thermally induced shielding) an erection of the outer edge of the brake disc is observed.
  • the amounts of deformation on the treatment surface and the back surface will vary even if the cause is the same (e.g a thermally induced localized indentation) do not have to be identical or are usually not.
  • These effects can be compensated by taking into account geometrically clearly definable relationships. Alternatively, the differences are negligible for the required accuracy of the measurement.
  • the causes can be clearly determined by means of a line measurement or multi-point measurement.
  • the measuring unit and/or the sub-units only record a focus area at a time, for example by means of a video camera.
  • further sub-units are provided for measuring by means of a focus area.
  • a line measurement or point measurement is carried out by at least one sub-unit and/or sub-unit.
  • the measuring unit or at least one sub-unit is fixed relative to the coating unit, preferably carried along by the same feed axis.
  • a coating method for surface finishing of a workpiece by means of a coating device according to an embodiment as described above, wherein while a workpiece is held in the tool chuck, the coating method comprises at least the following steps: a. by means of the coating unit, applying a finishing layer on that treatment surface along the feed direction; and b. using the at least one monitoring unit, detecting the application process according to step a. on the treatment surface.
  • a finishing layer is first applied to the treatment surface by means of the coating unit, with the application process taking place along a feed direction.
  • the coating unit runs radially outwards (feed direction), so that the finishing layer is applied to the treated surface of the brake disc in a somewhat spiral manner.
  • the piston is preferably also rotated about its axis of rotation and the feed direction of the coating unit is aligned parallel to the axis of the piston, so that the finishing layer is applied to the treatment surface of the workpiece in a screw-like manner.
  • step b. the treatment surface is monitored, wherein step b. before, during or after step a. is performed.
  • the detection is preferably carried out at the same time and there is only a temporal offset to the current application process due to the spatial assignment (before in the focus area in the region of the order of the current order process or after).
  • the coating method proposed here By means of the coating method proposed here or the monitoring within the coating method, in the region of the current application (preferably by means of a light sensor coupled into the application axis), in a leading distance (preferably at an angle to the application axis) and/or in a trailing distance to the region , in which current the application takes place, the current temperature and/or an altitude profile is recorded.
  • the region of the current application preferably by means of a light sensor coupled into the application axis
  • a leading distance preferably at an angle to the application axis
  • a trailing distance to the region , in which current the application takes place
  • the recorded information is referenced to a workpiece-fixed coordinate system and stored, for example as a point cloud, with each point corresponding to a piece of information (for example temperature and/or height).
  • this qualified information is obtained at least for a subsequent post-processing process (e.g. grinding), for example by the alignment of the workpiece remaining known from a robot arm or by the workpiece having an applied or inherent reference mark, to which the mapped information is repeated exactly can be aligned.
  • This data is very particularly preferably stored (preferably mapped) and made available to a customer.
  • shielding of the rotating workpiece is determined by means of the optical monitoring unit.
  • a monitoring unit provided for determining the shielding preferably has two sub-units, as described above.
  • the two sub-units are thus directed at the workpiece from two opposite sides.
  • the coating process is used to coat a rotary workpiece which has a maximum height difference of 10 ⁇ m to 70 ⁇ m in the area of the finishing layer; and a height of the surface of the finishing layer from a minimum of 50 ⁇ m to a maximum of 400 ⁇ m.
  • FIG. 1 a coating device with a clamped workpiece
  • FIG. 2 a motor vehicle with brake discs in a schematic plan view.
  • the workpiece 2 is a rotary workpiece 19, for example a brake disc 20 with a rotation axis 24, as is used for example in motor vehicles 21 (cf. FIG. 2).
  • the workpiece 2 comprises a treatment surface 4 (upper as shown) on which a finishing layer 9 can be applied by means of the coating device 1 in the state shown.
  • the workpiece 2 is clamped in the tool chuck 3 of the coating device 1 and is held in an exactly positioned position by it.
  • the tool chuck 3 is, for example, a chuck with a rigid axis of rotation 24 and the workpiece 2 is aligned coaxially with the axis of rotation 24 .
  • the axis of rotation 24 is thus aligned normal to the treatment surface 4 .
  • a coating unit 5 of the coating device 1 is positioned above the workpiece 2 .
  • the coating unit 5 has an application axis 6 aligned parallel to the axis of rotation 24 .
  • the coating unit 5 comprises an application laser 16 arranged at a distance perpendicularly to the application axis 6, in which case the application laser 16 is then deflected coaxially to the application axis 6 within the coating unit 5 by means of a purely optionally angled first translucent mirror 25.
  • the coating device 1 now includes, purely optionally, two axial monitoring units 10, two inclined monitoring units 11 and a trailing monitoring unit 12, by means of which the application process (by means of the coating unit 5) on the treatment surface 4 is recorded.
  • the optical monitoring units 10 , 11 , 12 are aimed at the surface of the workpiece 2 .
  • a corresponding focus area 13, 14, 15 is assigned to each of the monitoring units 10, 11, 12.
  • the first axial monitoring unit 10 is purely optionally designed as a pyrometer 18 which is arranged coaxially to the application axis 6 and is integrated in the coating unit 5, for example.
  • the (two) mirrors 25, 26 arranged underneath are purely optionally translucent, so that the current focus area 13 for the pyrometer 18 can be detected through the mirrors 25, 26 and a temperature detection of the applied finishing layer 9 can be carried out.
  • the second axial monitoring unit 10 is a purely optional video camera 17 which, according to the illustration, is arranged at a distance to the right and perpendicular to the application axis 6 .
  • the axial monitoring unit 10 can then be coupled into the application axis 6 by means of a second translucent mirror 26 so that, for example, a powder spray pattern of a coating material supplied can be detected. Both axial monitoring units 10 are aligned with the current focal area 13, ie directly with the region 7 in which the application process takes place.
  • a first inclined monitoring unit 11 is provided, designed purely optionally as a video camera 17, which is arranged at a predefined angle to the application axis 6.
  • this inclined monitoring unit 11 is directed towards a leading focus area 15 which is arranged at a predefined leading distance 22 (shown in broken lines) from the application axis 6 .
  • the running focus area 15 is arranged radially outside of the current region 7 purely as an option.
  • this inclined monitoring unit 11 enables the quantity of material applied to be detected, for example by means of a detected height profile.
  • the current temperature in the preceding focal area 15, for example on the treatment surface 4, is recorded.
  • a second inclined monitoring unit 11 is provided here purely as an option, which is arranged below the first inclined monitoring unit 11 according to the illustration and thus has a larger angle to the application axis 6 .
  • the second inclined monitoring unit 11 is arranged separately from the coating unit 5 as a purely optional feature and comprises a video camera 17 and a pyrometer 18 as a purely optional feature, with the current focus area 13 being recorded again as a purely optional feature. For example, it is thus possible to record the temperature and the height (ie the layer thickness) of the finishing layer 9 applied directly in the current region 7 .
  • a trailing monitoring unit 12 is now also provided here, which according to the illustration is arranged on the right and purely optionally separately from the coating unit 5 and inclined to the application axis 6 .
  • the trailing focus area 14 is arranged radially inside by means of a trailing distance 23 from the application axis 6 .
  • a cooling of the applied material and, purely optionally, a height of the applied material, ie a layer thickness, can be detected by means of the trailing monitoring unit 12 .
  • a further video camera for example, is provided below the workpiece 2 (not shown here) as a second sub-unit of the monitoring unit 11 .
  • the rear side of the workpiece 2, which is arranged on the side of the workpiece 2 opposite the treatment surface, that is to say points downwards according to the illustration, can be detected by means of the second sub-unit.
  • the motor vehicle 21 has four wheels 27, with two wheels 27 being arranged opposite one another on a common wheel axle.
  • each of the wheels 27 has a brake disc 20, with the wheel 27 and the brake disc 20 being connected in a torque-proof manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung (1 ) zur Oberflächenveredelung von einem Werkstück (2), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: - ein Werkzeugfutter (3) zum Halten eines Werkstücks (2) mit einer Behandlungsoberfläche (4); - eine Beschichtungseinheit (5) mit einer Auftragsachse (6) zum in einer Region (7) und entlang einer Vorschubrichtung (8) Aufträgen einer Veredelungsschicht (9) auf jener Behandlungsoberfläche (4); und - eine optische Überwachungseinheit (10,11,12), mittels welcher in einem Fokusbereich (13,14) ein Auftragvorgang auf jener Behandlungsoberfläche (4) erfassbar ist. Die Beschichtungsvorrichtung (1) ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Fokusbereich (13) der Überwachungseinheit (11 ) in Vorschubrichtung (8) vor die Region (7) und/oder von geneigt zu der Auftragsachse (6) auf die Region (7) des aktuellen Auftragvorgangs gerichtet ist. Mit der hier vorgeschlagenen Beschichtungsvorrichtung ist in-line im Beschichtungsverfahren die Auftragsqualität überwachbar.

Description

Beschichtunqsvorrichtunq zur Oberflächenveredelunq von einem Werkstück
Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung zur Oberflächenveredelung von einem Werkstück, sowie ein Beschichtungsverfahren mit einer solchen Beschichtungsvorrichtung bei einer Oberflächenveredelung von einem Werkstück.
Um dem Kostendruck und zugleich den hohen Anforderungen vor allem hinsichtlich der Performance und der Umweltbelastung an ein Werkstück gerecht zu werden, werden zunehmend kostengünstig hergestellte Trägermaterialien verwendet, welche eine Funktionsbeschichtung erhalten. Beispielsweise ist es bekannt, Bremsscheiben für Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge aus einem Gusskörper (Trägermaterial) herzustellen und die mit dem jeweiligen Bremsklotz zusammenwirkende Oberfläche mit einer Veredelungsschicht zu versehen. Derzeit sind die Eigenschaften einer solchen Veredelungsschicht oftmals unbekannt. Abweichungen von einer gewünschten Eigenschaft werden durch Aufträgen von Veredelungsmaterial in großen Schichtstärken und Nachbearbeitung ausgeglichen. Dabei fallen hohe Materialkosten an und es entstehen lange Bearbeitungszeiten.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung zur Oberflächenveredelung von einem Werkstück, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- ein Werkzeugfutter zum Halten eines Werkstücks mit einer Behandlungsoberfläche;
- eine Beschichtungseinheit mit einer Auftragsachse zum in einer Region und entlang einer Vorschubrichtung Aufträgen einer Veredelungsschicht auf jener Behandlungsoberfläche; und
- eine optische Überwachungseinheit, mittels welcher in einem Fokusbereich ein Auftragvorgang auf jener Behandlungsoberfläche erfassbar ist.
Die Beschichtungsvorrichtung ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Fokusbereich der Überwachungseinheit in Vorschubrichtung vor die Region und/oder von geneigt zu der Auftragsachse auf die Region des aktuellen Auftragvorgangs gerichtet ist.
Es wird im Folgenden auf die genannte Rotationsachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
Das zu behandelnde Werkstück weist in einem Zustand vor dem Aufträgen einer Veredelungsschicht eine (freie) Behandlungsoberfläche auf. Beispielsweise ist die Behandlungsoberfläche eine (beispielsweise spanend nachbearbeitete) Metalloberfläche, beispielsweise eines Gusskörpers. Das Werkstück oder ein Teil des Werkstücks bildet einen Trägerkörper oder einen Teil eines Trägerkörpers, wobei der Trägerkörper geeignete mechanische Eigenschaften aufweist, beispielsweise zum Übertragen von Kräften und Momenten. Beispiele sind eine Bremsscheibe, ein Kolben für ein hydraulisches System, eine Zylinderlauffläche für eine Verbrennungskraftmaschine.
Die Beschichtungsvorrichtung ist zum Aufträgen von einer Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche des Werkstücks eingerichtet. Beispiele sind sogenannte Additive Fertigungsverfahren, bei welchen mittels (Hart-) Löten oder Schweißen ein Veredelungsmaterial mit der Behandlungsoberfläche stoffschlüssig verbunden wird. Der notwendige thermische Eintrag wird beispielsweise von einer Flamme (beispielsweise Hochgeschwindigkeitsflammspritzen [HVOF; engl. High Velocity Oxygen Fuel]), einem Lichtbogen (beispielsweise PTA) oder einem Laser (Laserauftragschweißen, besonders Extremhochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [EHLA] wie aus der DE 10 2011 100 456 A1 bekannt) bereitgestellt. Das Material wird beispielsweise als Draht oder Pulver (-mischung) bereitgestellt. Oftmals wird ein Trägergas zum Transport der Pulverpartikel und/oder ein Schutzgas zum Erzeugen einer gewünschten Reaktionsumgebung eingesetzt. Eine Veredelungsschicht ist (statistisch) homogen und/oder aus mehreren (gegebenenfalls unterschiedlichen) Lagen aufgebaut. Oftmals wird eine Veredelungsschicht in Bahnen auf der Behandlungsoberfläche aufgetragen, beispielsweise in Form von parallelen einander überlappenden Schweißraupen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Beschichtungsvorrichtung für eine additive, metallische Beschichtung eingerichtet.
Oftmals werden eine hohe Festigkeit und/oder Beständigkeit der Veredelungsschicht gefordert, wie beispielsweise ein gleichbleibender Reibkoeffizient über eine große Temperaturänderung im Betrieb (zwischen beispielsweise -60 °C [minus sechzig Grad Celsius] und +800 °C [plus achthundert Grad Celsius] und mehr bei einer Bremsscheibe). Gleichwohl soll zum Einsparen von Veredelungsmaterial und zum Reduzieren von Fertigungszeiten eine möglichst dünne Veredelungsschicht auf die Behandlungsoberfläche aufgetragen werden. Dafür ist es vorteilhaft, wenn die Eigenschaften der aufgetragenen Veredelungsschicht möglichst genau bekannt sind.
Das zu behandelnde Werkstück wird in ein Werkzeugfutter eingespannt und von diesem exakt positioniert gehalten. Für ein Rotationswerkstück ist das Werkzeugfutter beispielsweise ein Spannfutter. Für ein linear oder translatorisch zu behandelndes Werkstück ist das Werkzeugfutter beispielsweise ein Werktisch mit einer Einspannung. Das Werkzeugfutter ist starr (beziehungsweise weist eine starre Rotationsachse auf) oder ist mittels einer Aktorik linear entlang mindestens einer beziehungsweise rotativ um mindestens eine Raumachse bewegbar.
Die Beschichtungseinheit ist die funktional zentrale Einheit der Beschichtungsvorrichtung. Beispielsweise umfasst die Beschichtungseinheit einen Schweißkopf, eine Materialzuführung, eine Oberflächenkühlvorrichtung und/oder eine Schutzgaszuführung. Die Beschichtungseinheit ist für einen Vorschub (relative Bewegung zwischen Werkstück und Beschichtungseinheit) bevorzugt entlang zumindest einer Raumachse relativ zu dem in dem Werkzeugfutter gehaltenen Werkstück bewegbar. Alternativ oder ergänzend ist ein Vorschub mittels einer Bewegung des Werkzeugfutters ausführbar.
Hier ist vorgeschlagen, dass die Beschichtungsvorrichtung eine optische Überwachungseinheit umfasst, welche zum Erfassen (in einem Fokusbereich) des Auftragvorgangs (mittels der Beschichtungseinheit) auf der Behandlungsoberfläche eingerichtet ist. Die optische Überwachungseinheit ist auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet, sodass die Vorgänge beim Aufträgen von dem Beschichtungsmaterial optisch erfasst werden. Der Auftragsvorgang ist somit in-situ überwachbar und damit eine Qualität des aufgetragenen Materials beziehungsweise der Verbindung des aufgetragenen Materials mit der Behandlungsoberfläche des Werkstücks während des Fertigungsprozesses überwachbar.
Hier ist nun vorgeschlagen, dass der Fokusbereich der Überwachungseinheit in eine Ausführungsform vor der Region, in welcher der Auftragsvorgang gerade stattfindet, gerichtet ist. Es ist somit überwachbar, in welchem Zustand die Behandlungsoberfläche ist, beziehungsweise ob hier bereits aufgrund eines Fehlers beim Aufträgen bereits eine Beschichtung stattgefunden hat (beispielsweise Spritzer bei einer Fehl-Zufuhr des Beschichtungsmaterials).
In einer anderen Ausführungsform ist der Fokusbereich von einem Winkel zu der Auftragsachse der Beschichtungseinheit ausgerichtet, sodass hierüber eine Höheninformation entnehmbar ist und/oder eine Verfälschung der Messung infolge einer Hitzequelle der Beschichtungseinheit (beispielsweise einer Flamme oder eines Laserstrahlen) vermieden ist.
In einer Ausführungsform ist sowohl der Fokusbereich vor der Region des Auftrags als auch der im Winkel der Überwachungseinheit auf den Fokusbereich zu der Auftragsachse geneigt ausgerichtet.
Beispielsweise ist eine Sichtlinie einer Überwachungseinheit auf den Fokusbereich um einen Winkel zwischen 15° [fünfzehn Grad von 360°] und 75°, bevorzugt zwischen 30° und 60°, besonders bevorzugt bei etwa 45° zu der Auftragsachse gerichtet, wobei die Auftragsachse bevorzugt flächennormal zu der Behandlungsoberfläche ausgerichtet ist.
Ein besonderes Augenmerk bei dem Auftragvorgang liegt bei dieser Überwachungseinheit bei einem Erfassen der Temperatur, sowie einer Höhe (also Schichtdicke) der aufgebrachten Veredelungsschicht.
Es sei darauf hingewiesen, dass die optische Überwachungseinheit zu der Beschichtungseinheit synchronisiert bewegt wird, beispielsweise mittels der (optionalen) Zustellvorrichtung zum Bewegen der Beschichtungseinheit gemeinsam bewegt oder zu dieser gekoppelt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels der Messeinheit zudem zumindest eine der folgenden Parameter erfasst:
- eine Orientierung des Werkstücks;
- eine Ebenheit der Behandlungsoberfläche;
- ein Planlauf der Behandlungsoberfläche; und
- bei einem scheibenförmigen Werkstück (wie beispielsweise einer Bremsscheibe) eine Schirmung der Behandlungsoberfläche.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, dass weiterhin eine nachlaufende Überwachungseinheit mit einem nachlaufenden Fokusbereich vorgesehen ist, wobei der nachlaufende Fokusbereich in Vorschubrichtung hinter die Region des aktuellen Auftragvorgangs gerichtet ist.
Bei dieser Ausführungsform ist zusätzlich eine nachlaufende Überwachungseinheit vorgesehen, welche also das Ergebnis des Auftragvorgangs erfasst. Dies findet bevorzugt in einer unmittelbaren Nähe zu dem Auftragvorgang statt, wobei dies abhängig von einer Prozessgeschwindigkeit und einer (Temperatur- und/oder Verfestigung-) Abklinggeschwindigkeit beim Materialauftrag ausgelegt ist. Beispielsweise ist der Abstand derart gewählt, dass ein Zeitabstand zwischen dem Auftragvorgang und der zugehörigen Erfassung mittels der nachlaufenden Überwachungseinheit weniger als 1 s [eine Sekunde] beträgt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist auch die nachlaufende Überwachungseinheit unter einem Winkel zu der Auftragsachse geneigt ausgerichtet, bevorzugt unter dem gleichen beziehungsweise gespiegelten Winkel zu der Auftragsachse.
Mittels der nachlaufenden Überwachungseinheit ist eine Abkühlung des aufgetragenen Materials sowie (bevorzugt zugleich) eine Höhe des aufgetragenen Materials, also eine Schichtdicke, erfassbar. In einer bevorzugten Ausführungsform ist mittels eines weiteren Sensors eine (thermische) Verformung der Behandlungsoberfläche erfassbar und somit die Veränderung jener von der nachlaufenden Überwachungseinheit erfassten Höhe und die Veränderung der Höhe der Behandlungsoberfläche voneinander subtrahierbar, umso die exakte Schichtdicke bestimmen zu können. Diese Information ist für einen nachgelagerten Schleifprozess besonders vorteilhaft, weil hiermit eine dünnste Stelle der Veredelungsschicht feststellbar ist und somit festgelegt werden kann, wie viel Material abgetragen werden muss und bevorzugt im Vorlauf wie viel Material weiter aufgetragen werden muss. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Messdaten für das Werkstück gespeichert und als elektronische Information dem Werkstück individuell zugeordnet und für einen Abnehmer (Kunden) des Werkstücks bereitgestellt, sodass dieser detaillierte Informationen über die Qualität des Werkstücks beziehungsweise seiner Veredelungsschicht erhält, ohne dass hierzu eine (möglicherweise zerstörende) Prüfung des Werkstücks notwendig ist, sowie anstelle einer Stichproben-Prüfung eine 100%-Prüfung für jedes Werkstück vorliegt.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, dass die Beschichtungsvorrichtung einen Auftragslaser umfasst und weiterhin eine axiale Überwachungseinheit vorgesehen ist, wobei die axiale Überwachungseinheit in den Auftragslaser eingekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform ist ausgenutzt, dass durch den Auftragslaser bereits eine optische Sichtachse auf die Behandlungsoberfläche besteht, welche durch einen geeigneten (geneigten) transluzenten Spiegel ein Einkoppeln einer Überwachungseinheit ermöglicht. Es sei darauf hingewiesen, dass unterschiedliche optische Messverfahren und somit eine Mehrzahl von Überwachungseinheiten in die Auftragsachse einkoppelbar sind und somit mehrere Informationen aufgenommen werden können, wie beispielsweise eine aktuelle Temperatur und Materialauftrag (beispielsweise ein Pulverspritzbild eines zugeführten Beschichtungsmaterials). In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Messdaten (beispielsweise eine Punktwolke) bildlich aufgearbeitet.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, dass zumindest eine der Überwachungseinheiten eine Video-Kamera und/oder ein Pyrometer umfasst.
Hier ist vorgeschlagen, dass zumindest eine der optischen Überwachungseinheiten zur Temperaturerfassung eingerichtet ist, nämlich als sogenannter Pyrometer. In einer Ausführungsform ist zumindest eine der Überwachungseinheiten eine Video- Kamera, sodass sich für ein menschliches Auslesen oder eine gesteuerte Regelung eine hohe Anzahl an Informationen erheben lassen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Video-Kamera eine Wärmebildkamera und somit sind zusätzlich eine Temperaturinformation über die erfassten Elemente auf dem Videobild entnehmbar.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, dass das Werkstück ein Rotationswerkstück ist, bevorzugt eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug.
Hier ist vorgeschlagen, dass das Werkstück ein Rotationswerkstück ist, wobei das Rotationswerkstück um eine zentrale Rotationsachse rotiert wird, wenn die Veredelungsschicht aufgetragen wird. Oftmals ist dann eine einzige Vorschubachse für die Beschichtungseinheit zum Aufträgen der Veredelungsschicht ausreichend. Bei einer zylindrischen Form der Behandlungsoberfläche ist diese Vorschubachse parallel zu der Rotationsachse (entspricht der Zylinderachse) ausgerichtet. Bei einer Zylinderdeckelform beziehungsweise Scheibenform der Behandlungsoberfläche ist diese Vorschubachse parallel zu dem Radius zu der Rotationsachse (entspricht der Zylinderachse beziehungsweise Scheibenachse) ausgerichtet. Bevorzugt ist weiterhin eine Zustellachse beziehungsweise Justierachse vorgesehen, wobei besonders bevorzugt diese im Beschichtungsprozess beziehungsweise beim Einmessen angepasst an die Beschichtungsgeschwindigkeit beziehungsweise an die Messgeschwindigkeit verfahrbar ist. Alternativ ist die Zustellachse nur langsamer bewegbar und es wird lediglich vor Beginn eines Auftragens der Veredelungsschicht beziehungsweise eines Einmessens oder eines Zwischenschritts des betreffenden Vorgangs eingestellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Rotationswerkstück eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug (einschließlich eines Nutzfahrzeugs). Die Behandlungsoberfläche ist die Reibfläche, welche im Betrieb beim Entschleunigen des Kraftfahrzeugs mit einem Bremsklotz in Kontakt kommt. Die Trägerscheibe ist beispielsweise gegossen, beispielsweise aus Stahl oder Lamellengrauguss. Die Veredelungsschicht umfasst Carbide, welche für eine gewünschte Rauigkeit und Reibfestigkeit der veredelten Oberfläche sorgen. Beispielsweise ist die Veredelungsschicht eine MMC [engl.: Metall Matrix Composite], bevorzugt umfassend Edelstahl als Matrixmaterial. Die Zuschlagstoffe sind beispielsweise Niob [Nb], Silizium [Si], Chrom [Cr] und/oder Titan [Ti], Die Veredelungsschicht ist in einer Ausführungsform in zwei oder mehr Lagen von Material mit unterschiedlicher Zusammensetzung zusammengesetzt, wobei beispielsweise (bevorzugt ausschließlich) eine Bindeschicht und eine Reibschicht vorgesehen sind. Für den allgemeinen technischen Hintergrund wird auf die DE 102018 120 897 A1 verwiesen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche der Bremsscheibe eine Höhendifferenz von maximal 10 pm [zehn Mikrometer] bis 200 pm über der gesamten Fläche der Behandlungsoberfläche auf. Damit ist eine solche Abweichung in einem für den Endzustand der Bremsscheibe zulässigen Bereich und es ist nicht notwendig, aufgrund der Unebenheit in der Veredelungsschicht Material abzutragen. Alternativ ist die Höhe von abzutragendem Material in dem gleichen Betragsbereich wie zum Ausgleich einer Welligkeit und/oder einer maximalen Differenz zwischen dem Höhenminimum und dem Höhenmaximum (beispielsweise wie sie bereits auf der Behandlungsoberfläche vorliegt beziehungsweise vor dem Beschichtungsverfahren vorlag), wobei bevorzugt mittels des oben beschriebenen Überwachungsverfahrens sichergestellt ist, dass eine Aufsummierung der Effekte nicht vorliegt. Ein Werkstück, bei welchem eine solche Aufsummierung vorliegt, wird als Ausschuss aussortiert oder es wird (im Einzelfall) eine größere Schichthöhe aufgetragen oder dezidiert ein Höhenminimum nachträglich aufgefüllt. Letzteres ist mit dem oben beschriebenen in das Beschichtungsverfahren integrierte Überwachungsverfahren möglich, weil die Überwachungseinheit und die Beschichtungseinheit zueinander referenziert sind und somit auf eine Abweichung im Auftragvorgang (beispielsweise unmittelbar beim Aufträgen) reagiert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die optische Überwachungseinheit zur Ermittlung der Schirmung eine erste Teileinheit für die Behandlungsoberfläche und eine dazu referenziert zweite Teileinheit zum Einmessen eines Höhenprofils jener der Behandlungsoberfläche gegenüberliegenden Rückseite, bevorzugt zeitglich axial gegenüberliegend zu dem Fokusbereich der ersten Teileinheit, und/oder bevorzugt zeitgleich axial gegenüberliegend zu der Region des aktuellen Auftragsvorgangs.
Bei dieser Ausführungsform ist ein gleichzeitiges beidseitiges Einmessen von zwei einander (bezogen auf die Messachse axial) gegenüberliegenden Oberflächen, nämlich der Behandlungsoberfläche und der Rückseite ermöglicht. Fehler des Werkstücks, welche auf den beiden Seiten des Werkstücks vorliegen, wie beispielsweise eine Exzentrizität, eine Schirmung oder eine Welligkeit, können damit berücksichtigt werden. In einer Ausführungsform wird die Beschichtungseinheit entsprechend geführt. In einer Ausführungsform wird von dem mittels der ersten Teileinheit eingemessenen ersten Höhenprofil (Behandlungsoberfläche mit gegebenenfalls zumindest einem Teil der Veredelungsschicht) das von der zweiten Teileinheit eingemessene zweite Höhenprofil (Rückseite) abgezogen. In einer Ausführungsform wird zumindest die Rückseite im Vorfeld (vor dem Aufträgen von der Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche) eingemessen und die Ergebnisse der Einmessung während des Auftragens oder nach dem Aufträgen der Veredelungsschicht verglichen. Änderungen werden bereits während des Auftragens berücksichtigt und/oder zum Bestimmen der Höhe der Veredelungsschicht genutzt.
Wenn mittels der zweiten Teileinheit die Rückseite des Werkstücks zeitgleich und axial gegenüberliegend zu dem gegenüberliegenden Fokusbereich auf der Behandlungsoberfläche mittels der ersten Teileinheit eingemessen wird, können dynamische Änderungen durch Differenzbildung im Messergebnis ausgeblendet werden. Beispielsweise ist eine sich zwischenzeitlich bildende thermische Verformung, welche wieder zurückgeht, ausgeblendet, sofern sie sich auch auf der Rückseite auswirkt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verformungsbeträge auf der Behandlungsoberfläche und der Rückseite auch bei gleicher Ursache (beispielsweise Schirmung einer Bremsscheibe) nicht identisch sein müssen oder in der Regel nicht sind. Mittels Berücksichtigung von geometrisch klar bestimmbaren Zusammenhängen sind diese Effekte ausgleichbar. Alternativ sind die Unterschiede für die erforderliche Genauigkeit der Messung vernachlässigbar. Mittels einer Linienmessung oder Mehrpunktmessung lassen sich die Ursachen eindeutig bestimmen.
Wenn mittels der zweiten Teileinheit die Rückseite des Werkstücks zeitgleich und axial gegenüberliegend zu der Region des aktuellen Auftrags auf der Behandlungsoberfläche mittels der Beschichtungseinheit eingemessen wird, können dynamische Änderungen beim Führen der Beschichtungseinheit berücksichtigt werden. Beispielsweise ist eine sich bildende thermische Verformung aufgrund eines thermischen Eintrags mittels der Beschichtungseinheit in die Behandlungsoberfläche (beispielsweise ohne thermische Auswirkung auf die Rückseite) im Augenblick der Entstehung erfassbar, sofern sich der (gegebenenfalls einseitige) thermische Eintrag in einer Verformung auf der Rückseite auswirkt. In einer Ausführungsform wird die Auswirkung des beispielhaft genannten einseitigen thermischen Eintrags zugleich von der ersten Teileinheit mit einem (auf einer Bremsscheibe radialem) Abstand zu dem thermischen Eintrag beobachtet, beispielsweise (aufgrund einer thermischinduzierten Schirmung) ein Aufstellen des Außenrands der Bremsscheibe beobachtet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verformungsbeträge auf der Behandlungsoberfläche und der Rückseite auch bei gleicher Ursache (beispielsweise eine therm isch-induzierte lokal begrenzte Eindellung) nicht identisch sein müssen oder in der Regel nicht sind. Mittels Berücksichtigung von geometrisch klar bestimmbaren Zusammenhängen sind diese Effekte ausgleichbar. Alternativ sind die Unterschiede für die erforderliche Genauigkeit der Messung vernachlässigbar. Mittels einer Linienmessung oder Mehrpunktmessung lassen sich die Ursachen eindeutig bestimmen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Messeinheit und/oder die Teileinheiten in einer Ausführungsform zu einem Zeitpunkt lediglich Fokusbereich erfassen, beispielsweise mittels einer Videokamera. Alternativ oder zusätzlich sind weitere Untereinheiten zur Messung mittels Fokusbereich vorgesehen. In einer Ausführungsform wird von zumindest einer Teileinheit und/oder Untereinheit eine Linienmessung oder Punktmessung ausgeführt.
In einer Ausführungsform ist die Messeinheit oder zumindest eine Teileinheit relativ zu der Beschichtungseinheit fixiert, bevorzugt von der gleichen Vorschubachse mitgeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Beschichtungsverfahren bei einer Oberflächenveredelung von einem Werkstück mittels einer Beschichtungsvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, wobei während in dem Werkzeugfutter ein Werkstück gehalten ist, das Beschichtungsverfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: a. mittels der Beschichtungseinheit, Aufträgen einer Veredelungsschicht auf jener Behandlungsoberfläche entlang der Vorschubrichtung; und b. mittels der zumindest einen Überwachungseinheit, Erfassen des Auftragvorgangs gemäß Schritt a. auf der Behandlungsoberfläche.
Das hier vorgeschlagene Beschichtungsverfahren erlaubt ein Überwachen während des Auftragens der Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche eines Werkstücks und damit eine enorme Steigerung der Prozesssicherheit und Genauigkeit des Beschichtens (Auftragens von der Veredelungsschicht). Es wird auf die oben bereits genannten Ausführungsformen eines Überwachungsverfahrens zumindest optional Bezug genommen. In Schritt a. wird zunächst mittels der Beschichtungseinheit eine Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche aufgetragen, wobei der Auftragvorgang entlang einer Vorschubrichtung stattfindet. Bei einer Bremsscheibe wird beispielsweise die Bremsscheibe von einem Werkzeugfutter eingespannt und um ihre Rotationsachse rotiert und die Beschichtungseinheit verläuft radial nach außen (Vorschubrichtung), sodass die Veredelungsschicht etwa Spiral-artig auf der Behandlungsoberfläche der Bremsscheibe aufgebracht wird. Bei einem Kolben wird der Kolben bevorzugt ebenfalls um seine Rotationsachse rotiert und die Vorschubrichtung der Beschichtungseinheit ist parallel zu der Kolbenachse ausgerichtet, sodass die Veredelungsschicht Schrauben-artig auf der Behandlungsoberfläche des Werkstücks aufgebracht wird.
Im Schritt b. wird die Behandlungsoberfläche überwacht, wobei Schritt b. vor, während oder nach Schritt a. ausgeführt wird. Bevorzugt wird das Erfassen zeitgleich ausgeführt und es liegt lediglich durch die räumliche Zuordnung (vorlaufend im Fokusbereich in der Region des Auftrags aktuellen Auftragvorgangs oder nachlaufend) ein zeitlicher Versatz zu dem jeweils aktuellen Auftragvorgang vor.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Beschichtungsverfahrens vorgeschlagen, dass beim Erfassen des Auftragvorgangs in Schritt b. zumindest eine der folgenden Informationen ermittelt wird, nämlich eine aktuelle Temperatur und/oder ein Höhenprofil:
- in der Region des aktuellen Auftragens;
- in einem Vorlaufabstand in Vorschubrichtung vor der Region des aktuellen Auftragens; und
- in einem Nachlaufabstand in Vorschubrichtung hinter der Region des aktuellen Auftragens.
Mittels des hier vorgeschlagenen Beschichtungsverfahrens beziehungsweise der Überwachung innerhalb des Beschichtungsverfahrens wird in der Region des aktuellen Auftragens (bevorzugt mittels eines in die Auftragsachse eingekoppelten Lichtsensors), in einem Vorlaufabstand (bevorzugt unter einem Winkel zu der Auftragsachse) und/oder in einem Nachlaufabstand zu der Region, in welcher aktuell das Aufträgen stattfindet, die aktuelle Temperatur und/oder ein Höhenprofil erfasst. Auch hierzu wird auf die entsprechende obige Beschreibung verwiesen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Beschichtungsverfahrens werden die erfassten Informationen zu einem Werkstück-festen Koordinatensystem referenziert und gespeichert, beispielsweise als eine Punktwolke, wobei jeder Punkt einer Information (beispielsweise Temperatur und/oder Höhe) entspricht. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind diese qualifizierten Informationen zumindest für ein anschließendes Nachbearbeitungsverfahren (beispielsweise Schleifen) erhalten, beispielsweise indem von einem Roboterarm die Ausrichtung des Werkstücks weiterhin bekannt bleibt oder indem das Werkstück eine aufgebrachte oder inhärente Bezugsmarke aufweist, zu welcher die kartierten Informationen wiederholt exakt ausgerichtet werden können. Ganz besonders bevorzugt werden diese Daten gespeichert (bevorzugt kartiert) und einem Kunden zur Verfügung gestellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Schirmung des Rotationswerkstücks mittels der optischen Überwachungseinheit ermittelt.
Bevorzugt weist einen zur Ermittlung der Schirmung vorgesehen Überwachungseinheit zwei Teileinheiten, wie vorstehend beschrieben. Dabei sind die beiden Teileinheiten also von zwei gegenüberliegenden Seiten auf das Werkstück gerichtet sind.
In einer Ausführungsform wird mittels des Beschichtungsverfahrens ein Rotationswerkstück beschichtet, welches im Bereich der Veredelungsschicht eine maximalen Höhendifferenz von 10 pm bis 70 pm aufweist; und eine Höhe der Oberfläche der Veredelungsschicht von minimal 50 pm bis maximal 400 pm.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
Fig. 1 : eine Beschichtungsvorrichtung mit eingespanntem Werkstück; und Fig. 2: ein Kraftfahrzeug mit Bremsscheiben in einer schematischen Draufsicht.
In Fig. 1 ist eine Beschichtungsvorrichtung 1 mit eingespanntem Werkstück 2 gezeigt. Beispielsweise ist das Werkstück 2 ein Rotationswerkstück 19, beispielsweise eine Bremsscheibe 20 mit einer Rotationsachse 24, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen 21 eingesetzt ist (vergleiche Fig. 2). Das Werkstück 2 umfasst eine (darstellungsgemäß obere) Behandlungsoberfläche 4, auf welcher in dem gezeigten Zustand eine Veredelungsschicht 9 mittels der Beschichtungsvorrichtung 1 auftragbar ist. Das Werkstück 2 ist dazu in das Werkzeugfutter 3 der Beschichtungsvorrichtung 1 eingespannt und von diesem exakt positioniert gehalten. In dieser Ausführungsform ist das Werkzeugfutter 3 beispielsweise ein Spannfutter mit einer starren Rotationsachse 24 und das Werkstück 2 ist koaxial zu der Rotationsachse 24 ausgerichtet. Zu der Behandlungsoberfläche 4 ist somit die Rotationsachse 24 normal ausgerichtet.
Darstellungsgemäß oberhalb des Werkstücks 2 ist eine Beschichtungseinheit 5 der Beschichtungsvorrichtung 1 positioniert. Die Beschichtungseinheit 5 weist eine parallel zu der Rotationsachse 24 ausgerichtete Auftragsachse 6 auf. Rein optional umfasst die Beschichtungseinheit 5 einen senkrecht zu der Auftragsachse 6 beabstandet angeordneten Auftragslaser 16, wobei dann mittels eines rein optional angewinkelten ersten transluzenten Spiegels 25 der Auftragslaser 16 innerhalb der Beschichtungseinheit 5 koaxial zu der Auftragsachse 6 umgelenkt ist. Das Werkstück 2 wird dann um die Rotationsachse 24 rotiert (beispielsweise mittels eines hier nicht dargestellten Rotationsantriebs des Werkzeugfutters 3) und rein optional verfährt die Beschichtungseinheit 5 mit einer Vorschubrichtung 8 nach radial-außen (darstellungsgemäß nach rechts), sodass die Veredelungsschicht 9 etwa Spiral-artig auf der Behandlungsoberfläche 4 innerhalb einer vordefinierten aktuellen Region 7 auf dem Werkstück 2 aufgebracht wird. Hier umfasst nun die Beschichtungsvorrichtung 1 rein optional zwei axiale Überwachungseinheiten 10, zwei geneigte Überwachungseinheiten 11 sowie eine nachlaufende Überwachungseinheit 12, mittels welcher der Auftragvorgang (mittels der Beschichtungseinheit 5) auf der Behandlungsoberfläche 4 erfasst ist. Die optischen Überwachungseinheiten 10,11,12 sind dazu auf die Oberfläche des Werkstücks 2 gerichtet. Jeder der Überwachungseinheiten 10,11,12 ist ein korrespondierender Fokusbereich 13,14,15 zugeordnet.
Die erste axiale Überwachungseinheit 10 ist rein optional als ein Pyrometer 18 ausgeführt, welche koaxial zu der Auftragsachse 6 angeordnet ist und beispielsweise in der Beschichtungseinheit 5 integriert ist. Die (zwei) darstellungsgemäß darunter angeordneten Spiegel 25,26 sind rein optional transluzent ausgeführt, sodass der aktuelle Fokusbereich 13 für das Pyrometer 18 durch die Spiegel 25,26 hindurch erfassbar ist und eine Temperaturerfassung der aufgebrachten Veredelungsschicht 9 durchführbar ist. Die zweite axiale Überwachungseinheit 10 ist rein optional eine Video-Kamera 17, welche darstellungsgemäß rechts und senkrecht zu der Auftragsachse 6 beabstandet angeordnet ist. Mittels eines zweiten transluzenten Spiegels 26 ist dann die axiale Überwachungseinheit 10 in die Auftragsachse 6 einkoppelbar, sodass beispielsweise ein Pulverspritzbild eines zugeführten Beschichtungsmaterials erfassbar ist. Beide axialen Überwachungseinheiten 10 sind auf der aktuellen Fokusbereich 13 ausgerichtet, also unmittelbar auf die Region 7, in welcher der Auftragvorgang stattfindet.
Weiterhin ist eine erste geneigte Überwachungseinheit 11 vorgesehen, rein optional als Video-Kamera 17 ausgeführt, welche in einem vordefinierten Winkel zu der Auftragsachse 6 angeordnet ist. Diese geneigte Überwachungseinheit 11 ist dazu auf einen vorlaufenden Fokusbereich 15 gerichtet, welcher in einem vordefinierten Vorlaufabstand 22 (gestrichelt dargestellt) zu der Auftragsachse 6 angeordnet ist. Rein optional ist der verlaufende Fokusbereich 15 radial-außerhalb der aktuellen Region 7 angeordnet. Beispielsweise ist mittels dieser geneigten Überwachungseinheit 11 eine Erfassung der Menge des aufgetragenen Materials ermöglicht beispielsweise mittels eines erfassten Höhenprofils. In einer weiteren Ausführungsform ist weiterhin die aktuelle Temperatur in dem vorlaufenden Fokusbereich 15, beispielsweise auf der Behandlungsoberfläche 4, erfasst. Rein optional ist hier eine zweite geneigte Überwachungseinheit 11 vorgesehen, welche darstellungsgemäß unterhalb der ersten geneigten Überwachungseinheit 11 angeordnet ist und damit einen größeren Winkel zu der Auftragsachse 6 aufweist. Rein optional ist die zweite geneigte Überwachungseinheit 11 separat von der Beschichtungseinheit 5 angeordnet und umfasst rein optional eine Video-Kamera 17 und ein Pyrometer 18, wobei hier rein optional nochmals der aktuelle Fokusbereich 13 erfasst ist. Beispielsweise ist somit ermöglicht, die Temperatur, sowie die Höhe (also die Schichtdicke) der unmittelbar aufgebrachten Veredelungsschicht 9 in der aktuellen Region 7 zu erfassen.
Hier ist nun weiterhin eine nachlaufende Überwachungseinheit 12 vorgesehen, welche darstellungsgemäß rechts und rein optional separat der Beschichtungseinheit 5 und geneigt zu der Auftragsachse 6 angeordnet ist. Rein optional ist dazu der nachlaufende Fokusbereich 14 radial-innerhalb mittels eines Nachlaufabstands 23 zu der Auftragsachse 6 angeordnet. Mittels der nachlaufenden Überwachungseinheit 12 ist eine Abkühlung des aufgetragenen Materials sowie rein optional zugleich eine Höhe des aufgetragenen Materials, also eine Schichtdicke, erfassbar.
Darstellungsgemäß unterhalb des Werkstücks 2 ist (in einer hier nicht dargestellt) beispielsweise eine weitere Videokamera als zweite Teileinheit der Überwachungseinheit 11 vorgesehen. Mittels der zweiten Teileinheit ist so die Rückseite des Werkstücks 2 erfassbar, welche auf der der Behandlungsfläche gegenüberliegenden Seite des Werkstücks 2 angeordnet ist, also darstellungsgemäß nach unten weist.
In Fig. 2 ist ein Kraftfahrzeug 21 mit Bremsscheiben 20 in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Das Kraftfahrzeug 21 weist vier Räder 27 auf, wobei jeweils zwei Räder 27 auf einer gemeinsamen Radachse gegenüberliegend angeordnet sind. In diesem Beispiel weist jedes der Räder 27 eine Bremsscheibe 20 auf, wobei Rad 27 und Bremsscheibe 20 drehmomentfest verbunden sind.
Beispielsweise ist auf jeder der beiden axial-gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe 20 mittels der in Fig. 1 gezeigten Beschichtungsvorrichtung 1 eine Veredelungsschicht 9 aufgetragen. An jeder der Bremsscheiben 20 ist ein Paar von Bremsklötzen 28 angeordnet, wobei die Bremsklötze 28 fest mit der Fahrzeugkarosserie verbunden sind. Zum Entschleunigen des Kraftfahrzeugs 21 wird (jeder oder einzeln geregelt) ein jeweiliger Bremsklotz 28 gegen die jeweilige Bremsscheibe 20 gepresst. Die Bremsenergie wird zu einem großen Teil als Abwärme in die jeweilige Bremsscheibe 20 eingetragen, weshalb die Veredelungsschicht 9 unter hohen Temperaturen und hoher Scherlast und hohem Druck belastet wird. Die Veredelungsschicht 9 muss diesem Belastungsfall standhalten. Mit der hier vorgeschlagenen Beschichtungsvorrichtung ist in-line im Beschichtungsverfahren die Auftragsqualität überwachbar.
Bezuqszeichenliste
Beschichtungsvorrichtung
Werkstück
Werkzeugfutter
Behandlungsoberfläche
Beschichtungseinheit
Auftragsachse aktuelle Region
Vorschubrichtung
Veredelungsschicht axiale Überwachungseinheit geneigte Überwachungseinheit nachlaufende Überwachungseinheit aktueller Fokusbereich nachlaufender Fokusbereich vorlaufende Fokusbereich
Auftragslaser
Video-Kamera
Pyrometer
Rotationswerkstück
Bremsscheibe
Kraftfahrzeug
Vorlaufabstand
Nachlaufabstand
Rotationsachse erster transluzenter Spiegel zweiter transluzenter Spiegel
Rad
Bremsklotz

Claims

Patentansprüche Beschichtungsvorrichtung (1 ) zur Oberflächenveredelung von einem Werkstück (2), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- ein Werkzeugfutter (3) zum Halten eines Werkstücks (2) mit einer Behandlungsoberfläche (4);
- eine Beschichtungseinheit (5) mit einer Auftragsachse (6) zum in einer Region (7) und entlang einer Vorschubrichtung (8) Aufträgen einer Veredelungsschicht (9) auf jener Behandlungsoberfläche (4); und
- eine optische Überwachungseinheit (10,11 ,12), mittels welcher in einem Fokusbereich (13,14) ein Auftragvorgang auf jener Behandlungsoberfläche (4) erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokusbereich (13) der Überwachungseinheit (11 ) in Vorschubrichtung (8) vor die Region (7) und/oder von geneigt zu der Auftragsachse (6) auf die Region (7) des aktuellen Auftragvorgangs gerichtet ist. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei weiterhin eine nachlaufende Überwachungseinheit (12) mit einem nachlaufenden Fokusbereich (14) vorgesehen ist, wobei der nachlaufende Fokusbereich (15) in Vorschubrichtung (8) hinter die Region (7) des aktuellen Auftragvorgangs gerichtet ist. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Beschichtungsvorrichtung (1 ) einen Auftragslaser (16) umfasst und weiterhin eine axiale Überwachungseinheit (10) vorgesehen ist, wobei die axiale Überwachungseinheit (10) in den Auftragslaser (16) eingekoppelt ist. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Überwachungseinheiten (10,11 ,12) eine Video-Kamera (17) und/oder ein Pyrometer (18) umfasst. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (2) ein Rotationswerkstück (19) ist, bevorzugt eine Bremsscheibe (20) für ein Kraftfahrzeug (21 ). Beschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Überwachungseinheit (10, 11 , 12) zur Ermittlung der Schirmung eine erste Teileinheit für die Behandlungsoberfläche (4) und eine dazu referenziert zweite Teileinheit zum Einmessen eines Höhenprofils jener der Behandlungsoberfläche (4) gegenüberliegenden Rückseite, bevorzugt zeitglich axial gegenüberliegend zu dem Fokusbereich (13, 14) der ersten Teileinheit, und/oder bevorzugt zeitgleich axial gegenüberliegend zu der Region des aktuellen Auftragsvorgangs, aufweist. Beschichtungsverfahren bei einer Oberflächenveredelung von einem Werkstück (2) mittels einer Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 6, wobei während in dem Werkzeugfutter (3) ein Werkstück (2) gehalten ist, das Beschichtungsverfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: a. mittels der Beschichtungseinheit (5), Aufträgen einer Veredelungsschicht (9) auf jener Behandlungsoberfläche (4) entlang der Vorschubrichtung (8); und b. mittels der zumindest einen Überwachungseinheit (10,11 ,12), Erfassen des Auftragvorgangs gemäß Schritt a. auf der Behandlungsoberfläche (4). Beschichtungsverfahren nach Anspruch 7, wobei beim Erfassen des Auftragvorgangs in Schritt b. zumindest eine der folgenden Informationen ermittelt wird, nämlich eine aktuelle Temperatur und/oder ein Höhenprofil:
- in der Region (7) des aktuellen Auftragens;
- in einem Vorlaufabstand (22) in Vorschubrichtung (8) vor der Region (7) des aktuellen Auftragens; und
- in einem Nachlaufabstand (23) in Vorschubrichtung (8) hinter der Region (7) des aktuellen Auftragens. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei eine Schirmung des Rotationswerkstücks (19) mittels der optischen Überwachungseinheit (10, 11 , 12) nach Anspruch 6 ermittelt wird.
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