Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks mit einem vorzugsweise pulvrigen, pastösen oder flüssigen Beschichtungsmedium.
Aus der Praxis sind die unterschiedlichsten Beschichtungsverfahren bekannt. Neben der Beschichtung durch Aufsprühen eines flüssigen bzw. viskosen Beschichtungs- mediums - hier handelt es sich um die klassische Sprühlackierung - gibt es unter zahlreichen weiteren Verfahren die Pulverbeschichtung, wobei das Beschichtungs- pulver ebenfalls mittels einer Sprüheinrichtung auf das Werkstück aufgebracht wird, so wie die Beschichtung im Tauchbadverfahren.
Beim Tauchbadverfahren wird das zu beschichtende Werkstück bspw. in ein Lackbad oder gar in eine metallische Schmelze eingetaucht, wobei zu gewährleisten ist, daß zwischen dem flüssigen Beschichtungsmedium und dem zu beschichtenden Teil bzw. Werkstück eine hinreichend gute Benetzung stattfindet. Letztendlich ist eine solch gute Benetzung Voraussetzung für ein hinreichendes Anhaften der auf dem Werkstück entstehenden Oberflächenschicht.
Auch eine Pulverbeschichtung ist mit dem Tauchbadverfahren durchführbar, wobei das Werkstück zumindest solange in das Tauchbad eingetaucht werden muß, bis daß Pulver unter Wärmeeinwirkung hinreichend angeschmolzen ist. Erst nach einem solchen Anschmelzen ist ein hinreichendes Anhaften des Beschichtungspulvers an dem Werkstück gegeben.
Im Rahmen der Beschichtung im Tauchbadverfahren wird der im Tauchbad durch das Beschichtungsmedium benetzte Gegenstand mindestens einem weiteren Verfahrensschritt unterzogen, nämlich wird dieser Gegenstand zur Temperaturbehandlung bspw. in einen nachgeschalteten Ofen bzw. eine nachgeschaltete Heizkammer verbracht. Dort erst findet eine abschließende Reaktion bzw. ein abschließendes Aushärten des Beschichtungsmediums auf der Oberfläche des Werkstücks statt. Die Temperatur ist entweder zur Beschleunigung des Reaktionsvorganges bzw. des Aushärtens oder zur Aktivierung eines reaktiven Prozesses erforderlich.
Zur Erzeugung einer homogenen Oberflächenbeschichtung auch poröser Werkstücke, bspw. gegossener Aluminiumteile, ist von der Anmelderin gemäß ihrer deutschen Patentanmeldung 196 23 495.6 bereits ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks entwickelt worden, bei dem das Werkstück vor der Beschichtung auf eine Beschichtungstemperatur vorgewärmt wird. Ein derartiges Vorwärmen bewirkt, daß poröse Werkstücke vor der Beschichtung soweit ausgasen, daß nach der Beschichtung keine Luft- und/oder Gasbläschen sonstige in der Beschichtung entstehen. Das an der Oberfläche anhaftende Pulver wird dabei solange von den aus dem Werkstück austretenden Gasen durchströmt, bis das Pulver an der metallischen Oberfläche anschmilzt. Ein derartiges Beschichtungsverfahren gewährleistet bei gegossenen Aluminiumwerkstücken eine einwandfreie Schichtoberfläche.
Bei Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens zur Pulverbeschichtung bei einem Magnesiumdruckgußteil zeigen sich jedoch wiederum Blasen in der Beschichtung. Derartige Blasen entstehen auch bei einer zunächst völlig glatten Oberfläche zu einem späteren Zeitpunkt, so daß das beschichtete Werkstück letztlich unbrauchbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks mit einem vorzugsweise pulvrigen, pastösen oder flüssigen Beschichtungsmedium anzugeben, wonach eine homogene Beschichtung von hinsichtlich ihres Ausgangsmaterials unterschiedlichsten Werkstücken auf einfache Weise möglich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks, bei dem die zuvor genannte Aufgabe gelöst ist, ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet. Danach ist das Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet.
Zunächst wird das zu beschichtende Werkstück - ggf. nach einer Bearbeitung des Werkstücks bzw. nach diversen Vorbereitungen - bereitgestellt. Anschließend wird das Werkstück ggf. gereinigt, insbesondere von Ölen oder Fetten befreit. Eine derartige Reinigung des Werkstücks ist zur Gewährleistung einer hinreichenden Haftung zwischen Werkstück und Beschichtungsmedium auf jeden Fall zu empfehlen.
Vor dem Beschichten wird das Werkstück nunmehr auf eine oberhalb der Beschichtungstemperatur liegende Vorwärmtemperatur vorgewärmt. Mit Beschichtungstemperatur ist eine Temperatur bzw. ein Temperaturbereich bezeichnet, bei der bzw. innerhalb dessen eine Benetzung des Werkstücks mit dem Beschichtungsmedium begünstigt ist. Das derartige Vorwärmen des Werkstücks ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren von ganz besonderer Bedeutung, da eingeschlossene Gase und Flüssigkeiten in besonders begünstigter Weise aus dem Werkstück austreten können. Das Austreten der Gase und/oder Flüssigkeiten kann während des Vorwärmens auch durch eine ggf. vorhandene Außenhaut des Werkstücks erfolgen. In diesem Fall liegt im wesentlichen ein Diffusionsprozeß vor. Die Vorwärmtemperatur wird während des gesamten folgenden Beschichtungsprozesses nicht mehr überschritten, so daß sich zu keinem späteren Zeitpunkt für das Ausgasen bzw. Herausdiffundieren günstigere Bedingungen einstellen.
Das demgemäß erwärmte Werkstück wird nun mit dem Beschichtungsmedium beschichtet, wobei sich das Werkstück auf die Beschichtungstemperatur bzw. auf den Beschichtungstemperaturbereich abkühlt. Während des Abkühlens schmilzt bspw. eine Pulverbeschichtung unmittelbar an der Oberfläche an und das Volumen von im Werkstück verbliebenen Gasen reduziert sich. Dadurch werden ggf. an der Oberfläche befindliche Hohlräume oder Öffnungen mit Lack ausgefüllt.
Sofern das Beschichtungsmedium noch nicht während des Beschichtens bzw. unmittelbar nach dem Beschichten an der ursprünglichen Oberfläche des Werkstücks in Form einer neuen Oberflächenschicht reagiert hat oder ausgehärtet ist, findet anschließend ein Verfahrensschritt des Reagierens und/oder Aushärtens des Be- schichtungsmediums in Form einer Oberflächenschicht statt. Dieser Verfahrensschritt kann mit oder ohne ergänzende Temperaturbehandlung erfolgen. Je nach Lacktyp kann der Lack dann bei der vorgegebenen Reaktionstemperatur chemisch ausreagieren, um die gewünschten Endeigenschaften zu erreichen.
Zusammenfasssend ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders wesentlich, daß das Werkstück vor dem eigentlichen Beschichten auf eine Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird, die oberhalb der Beschichtungstemperatur bzw. des Be-
schichtungstemperaturbereichs liegt. Damit wird ein Ausgasen bzw. Herausdiffundieren von Gasen und/oder Flüssigkeiten jeglicher Art aus dem Werkstück in besonders wirksamer Weise begünstigt. Das Verfahren ist für jegliche Art von Werkstoffen mit Gas- oder Flüssigkeitseinschlüssen geeignet. Dabei handelt es sich vorwiegend um gegossene Werkstoffe.
Im Ergebnis wird bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei Werkstücken mit hoher Porosität und einer hohen Anzahl gasförmiger Einschlüsse eine homogene Oberflächenbeschichtung erzeugt.
Folglich ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks ein Verfahren angegeben, wonach eine homogene Beschichtung von hinsichtlich ihres Ausgangsmaterials unterschiedlichsten Werkstücken auf einfache Weise möglich ist.
Im Hinblick auf eine weiter optimierte Glättung der Oberfläche könnte das Werkstück nach dem Beschichten wieder auf die Vorwärmtemperatur oder auf eine ggf. unmittelbar unterhalb der Vorwärmtemperatur liegende Temperatur aufgeheizt werden. Damit wäre der Lack nach einem evtl. Ausfüllen von Hohlräumen oder Öffnungen in dem Werkstück in eine optimale Fließphase versetzt, wodurch eine verbesserte Glättung der Oberfläche gegeben wäre. In diesem Zusammenhang ist auch jegliches Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Beschichtungstemperatur denkbar.
Zur Gewährleistung eines ausreichenden Ausgasens bzw. eines ausreichend langen Diffusionsprozesses durch ggf. eine Außenhaut des Werkstückes könnte das Werkstück während des Vorwärmens etwa eine Minute lang auf der Vorwärmtemperatur gehalten werden.
Zur Vermeidung eines Überhitzens des Werkstückes während des Vorwärmens könnte die Vorwärmtemperatur so gewählt werden, daß das Werkstück während des Beschichtens um etwa 50 Grad abkühlt, wobei die Beschichtungstemperatur bzw. der Beschichtungstemperaturbereich in diesem 50 Grad-Intervall liegt. Damit wäre eine für das Ausgasen bzw. Herausdiffundieren ausreichend hohe Vorwärmtemperatur
gewährleistet und ein unwirtschaftliches und möglicherweise materialschädigendes Überhitzen des Werkstücks vermieden.
Das Vorwärmen des Werkstücks kann in einem herkömmlichen Ofen, bspw. in einem Bandofen, Durchstoßofen oder dgl. erfolgen. Handelt es sich bei dem zu beschichtenden Werkstück um ein elektrisch leitfähiges Werkstück, so kann das Vorwärmen in unter energetischen Gesichtspunkten ganz besonders vorteilhafter Weise induktiv erfolgen. Hierbei werden durch unmittelbares Ankoppeln an das Werkstück Wirbelströme im Werkstück generiert, die aufgrund des elektrischen Widerstandes des Werkstückmaterials zu einer Erwärmung des Werkstücks führen. Energieverluste durch Beheizung eines Heizraumes sind hier - bis auf die Abstrahlung des Werkstücks - weitestgehend ausgeschlossen. So könnte das Werkstück durch eine Induktionsspule hindurchgeführt und von dort den weiteren Verfahrensstationen bzw. Ver- fahrenssch tten zugeführt werden.
In gleichermaßen vorteilhafter Weise könnte auch das Aufheizen nach dem Beschichten induktiv erfolgen. Hinsichtlich energetischer Gesichtspunkte könnte das Aufheizen nach dem Beschichten in einer thermisch isolierten Kammer erfolgen. Hierbei würde sich die aus der deutschen Patentanmeldung 196 26 209.7 bekannte Kammer, die auf eine Entwicklung der Anmelderin zurückgeht, anbieten. Dabei kann die durch das Vorwärmen erzeugte Wärme des Werkstücks zum Aufheizen der Kammer dienen.
Eine derartige Kammer könnte weiterhin ein kontrolliertes Ableiten von in der Kammer entstehenden und/oder entstandenen Gasen ermöglichen.
Die thermisch isolierte Kammer könnte in weiter vorteilhafter Weise im Sinne eines Umluftofens arbeiten, wobei die Wärmequelle innerhalb des Umluftofens eine Induktionsspule, das Werkstück und/oder das Beschichtungsmedium sein kann. Die so erwärmte Kammeratmosphäre könnte zum Erhalt einer gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Kammer mittels eines Gebläses umgewälzt werden. Dabei ist es auch möglich, bei Nichterreichen einer vorgebbaren Temperatur von außerhalb der Kammer erwärmte Luft in die Kammer zuzuführen.
Des weiteren ist es möglich, die Kammeratmosphäre mittels einer unabhängigen Heizeinrichtung aufzuheizen. Eine derart unabhängige Heizeinrichtung könnte durch die oben erwähnte Induktionsspule realisiert sein. Diese unabhängige Heizeinrichtung könnte auch zum Zusatzheizen oder Nachheizen der Kammeratmosphäre verwendet werden. Dabei ist es hinsichtlich der Nutzung der vorhandenen Energie in dem gesamten System denkbar, daß das Kühlmedium einer Induktionskühlung, d.h. das durch die oben erwähnte Induktionsspule strömende Kühlmedium, einem Wärmetauscher zugeführt wird, der zumindest ein hinreichendes Maß an Wärme zum Vorwärmen der Kammeratmosphäre zur Verfügung stellt. Insgesamt läßt sich somit die Energie des Systems optimal nutzen.
Im Hinblick auf einen schnellen und reibungslosen Verfahrensablauf könnte das Werkstück bei einer Pulverbeschichtung in einer separaten Pulverkabine bepulvert werden. Damit wäre eine gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Werkstücke gewährleistet. Des weiteren wäre keine Verunreinigung eines ggf. in der thermisch isolierten Kammer vorgesehenen Heizsystems mit frischem Pulver möglich. Es ist weiterhin darauf zu achten, daß auch andere in dem Beschichtungsprozeß involvierte Heizsysteme nicht mit frischem Pulver in Kontakt geraten.
Zur Vermeidung einer Überhitzung der Pulverkabine durch die ggf. eingebrachten heißen Teile könnte die Verweilzeit der zu beschichteten Werkstücke in der Pulverkabine lediglich wenige Sekunden betragen. Des weiteren könnte ein Überhitzen auch dadurch vermieden werden, daß innerhalb der Pulverkabine ein ständiger Atmosphärenaustausch mit der Umgebung stattfindet. Hierzu könnte die in der Pulverkabine vorhandene Atmosphäre über eine Absaugeinrichtung ausgeleitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in besonderem Maße auf Werkstücke zugeschnitten, die mittels eines Gießverfahrens ggf. druckguß- oder spritzgußtechnisch hergestellt sind. Bei derart hergestellten Werkstücken ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders wirkungsvoll. Dabei sind in der Praxis Werkstück aus Magr?- sium oder Aluminium besonders bedeutungsvoll.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die
dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
die einzige Figur in einer schematischen Darstellung den beispielhaften Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beschichten eines Werkstücks mit einem vorzugsweise pulvrigen, pastösen oder flüssigen Beschichtungsmedium.
Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung den Ablauf eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beschichten eines Werkstücks 1 , wobei das mit 1 bezeichnete Element auch eine Aufnahme- und Transporteinrichtung für das Werkstück 1 darstellen kann. Daraus ergibt sich, daß nicht jedes mit der Bezugsziffer 1 dargestellte Element ein Werkstück 1 ist, sondern daß es sich hierbei auch um un- beladene Transporteinrichtungen handeln kann.
Erfindungsgemäß wird das Werkstück 1 zunächst bereitgestellt und ggf. gereinigt. Dies erfolgt an den im schematischen Verfahrensablauf mit den Bezugsziffern 2 und 3 gekennzeichneten Stationen. An der ebenfalls im Bereich der Stationen 2 und 3 vorgesehenen Station 4 findet auch ein Be- und Entladen des zu beschichtenden Werkstücks 1 bzgl. der Verfahrensstrecke statt.
Im weiteren Verfahrensablauf wird das Werkstück 1 im Bereich der Station 5 auf eine oberhalb der Beschichtungstemperatur liegende Vorwärmtemperatur vorgewärmt. Anschließend wird das Werkstück 1 ggf. etwa eine Minute lang in der Station 6 auf der Vorwärmtemperatur gehalten. Das Vorwärmen des Werkstücks 1 erfolgt induktiv. Zum Verbringen des Werkstücks 1 von der Station 6 in die Beschichtungsstation 8 ist ein Belademanipulator 7 vorgesehen. Während des Beschichtens kühlt sich das Werkstück 1 auf die Beschichtungstemperatur ab. Mit Beschichtungstemperatur ist dabei ggf. auch ein Temperaturbereich bezeichnet.
Zur Bepulverung des Werkstücks 1 ist eine separate Pulverkabine 9 installiert. Die Werkstücke 1 werden lediglich wenige Sekunden in die Pulverkabine 9 verbracht, um ein Überhitzen der Pulverkabine zu vermeiden. Hierzu kann zusätzlich ein ständiger Atmosphärenaustausch der Atmosphäre der Pulverkabine 9 mit der Umgebung stattfinden.
Nach Verlassen der Pulverkabine 9 wird das Werkstück 1 durch den Belademanipulator 7 im wesentlichen der Aufheizstation 10 zugeführt, wobei das Werkstück zur Glättung der Oberflächenschicht ggf. wieder bis zur Vorwärmtemperatur wieder aufgeheizt wird. Hierbei gerät der Lack in eine optimale Fließphase. Das Aufheizen des Werkstücks 1 erfolgt ebenfalls induktiv und kann in einer thermisch isolierten Kammer erfolgen. Das Werkstück 1 kann in jedem Fall in der Station 1 1 für eine gewisse Zeit auf der Aufheiztemperatur gehalten werden. Hierbei kann ein optimales Glät- tungsergebnis der Oberflächenschicht erzeugt werden.
Die ggf. vorgesehene thermisch isolierte Kammer kann im Sinne eines Umluftofens arbeiten. Die erwärmte Kammeratmosphäre könnte dabei in jedem Fall mittels eines Gebläses umgewälzt werden. In der Kammer entstehende und/oder entstandene Gase könnten kontrolliert aus der Kammer abgeleitet werden.
Im Hinblick auf eine von dem Werkstück unabhängige Temperaturregelung der Kammeratmosphäre könnte die Kammeratmosphäre mittels einer unabhängigen Heizeinrichtung aufgeheizt und ggf. geregelt werden.
Sofern das Beschichtungsmedium während des Aufenthalts in den Stationen 10 und 11 noch nicht vollständig chemisch reagiert und/oder ausgehärtet ist, könnte ein derartiges Reagieren und/oder Aushärten des Beschichtungsmediums in Form einer Oberflächenschicht in der Station 12 erfolgen. Dieser letzte Verfahrensschritt erfolgt grundsätzlich nach einer Beschichtung, d.h. auch ohne ein Aufheizen des Werkstücks 1 nach dem Beschichten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist besonders wesentlich, daß das Werkstück vor dem Beschichten auf eine oberhalb der Beschichtungstemperatur liegende Vor-
Wärmtemperatur vorgewärmt wird, um ein Ausgasen bzw. Herausdiffundieren von in dem Werkstück eingeschlossenen Gasen und Flüssigkeiten zu bewirken, wodurch ein weiteres Entgasen bzw. Herausdiffundieren während nachfolgender Verfahrensschritte praktisch ausgeschlossen ist.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei besonders darauf hingewiesen, daß das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.