Beschreibung
Elektrodenanordnung mit veränderlicher Geometrie für elektro¬ chemische Behandlungen
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung mit einer veränderlichen Geometrie zur Anpassung an ein elektrochemisch zu behandelndes Bauteil.
Eine derartige Elektrodenanordnung wird beispielsweise von der Graphische Technik und Handel Heimann GmbH, Hamm (www.heimann-hamm.de) angeboten. Die gekrümmten Formelektro¬ den der Heimann GmbH sind insbesondere für die elektrochemi¬ sche Beschichtung von Zylindern als elektrochemisch zu behan- delnde Bauteile geeignet, wobei die Elektrodengitter über der Oberfläche des Zylinders gebogen und in konstantem Abstand zu ihr angeordnet werden können. Hierdurch lässt sich ein ver¬ hältnismäßig kurzer Elektrodenabstand zum Zylinder von 4 bis 6 cm einstellen, wobei das Gitter der Anode eine Umspülung des Elektrolyten zulässt. Die gleichmäßige Stromverteilung auf der zu beschichtenden Oberfläche führt zur Abscheidung sehr gleichmäßiger Schichten. Die Gitterelektroden werden mit verschiedenen Abmessungen angeboten, um eine Anpassung an Zy¬ linderformen unterschiedlicher Höhe und Durchmesser zu ermög- liehen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Elektrodenanord¬ nung für die elektrochemische Oberflächenbehandlung an¬ zugeben, welche sich vergleichsweise flexibel für unter- schiedliche Oberflächengeometrien verwenden lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Elektrodenanordnung aus Stabelektroden aufgebaut ist, die a-
xial verschiebbar in Aufnahmen eines Grundkörpers gelagert sind, wobei die Aufnahmen Arretierungen für die Stabelektro¬ den aufweisen. Durch die axial verschiebbare Lagerung der Stabelektroden lässt sich die Elektrodenanordnung vorteilhaft innerhalb eines Verstellbereiches an beliebige Oberflächen¬ profile anpassen, wobei die Stabelektroden nach Anpassung de¬ rart in dem Grundkörper arretiert werden, dass die Elektro¬ denspitzen einen konstanten Abstand zur zu beschichtenden O- berflache haben. Bei einem hinreichend geringen Abstand der Stabelektroden untereinander kann mit diesen bei dem elektro¬ chemischen Behandlungsprozess der Oberfläche vorteilhaft eine gleichmäßige Verteilung der prozessbedingten Stromdichte er¬ reicht werden. Die Feldlinien des zwischen den Stabelektro¬ denspitzen und der Oberfläche erzeugten elektrischen Feldes konzentrieren sich jeweils an den Spitzen und verteilen sich gleichmäßig über die zu behandelnde Oberfläche im Einflussbe¬ reich der Elektrodenanordnung.
Eine Justierung des Elektrodenabstandes kann vor Beginn des elektrochemischen Behandlungsprozesses vorteilhaft auf einfa¬ che Weise dadurch erreicht werden, dass die Elektrodenanord¬ nung mit den Spitzen der Stabelektroden voran der zu behan¬ delnden Oberfläche angenähert wird, so dass diese sich bei Kontakt der Spitzen mit der Oberfläche axial verschieben. Der Einstellbereich, innerhalb dessen die Oberfläche ein beliebi¬ ges Profil aufweisen kann, ist durch die Länge der Stabelekt¬ roden und evtl. Anschläge in den Aufnahmen bestimmt. Erst nachdem alle Spitzen die Oberfläche berühren, werden die Stabelektroden in dem Grundkörper arretiert, so dass dieser unter Einstellung des geforderten Abstandes der Spitzen der Stabelektroden zur Oberfläche von dieser entfernt werden kann. Anstelle eines gesonderten Arretierungsvorganges kann die Axialführung der Stabelektroden auch derart ausgebildet
sein, dass zur Verschiebung der Stabelektroden ein gewisser mechanischer Widerstand zu überwinden ist. Bei der Entfernung der Elektrodenanordnung von der zu behandelnden Oberfläche verbleiben die Stabelektroden dann in der Position, die sich unter Überwindung des Verschiebewiderstandes bei der Annähe¬ rung der Elektrodenanordnung an die Oberfläche eingestellt hat.
Die Behandlung der Oberfläche kann aus allen elektrochemi- sehen Prozessen bestehen, bei denen Elektroden zum Einsatz kommen. Die Elektrodenanordnung bildet dabei die Gegenelekt¬ rode und die zu behandelnde Oberfläche bildet die Arbeits¬ elektrode. Zusätzlich können Referenzelektroden zur Potenti¬ alsteuerung des elektrochemischen Prozesses vorhanden sein, die entweder gesondert angebracht werden oder ebenfalls be¬ sondere Stabelektroden der Elektrodenanordnung bilden. Mögli¬ che elektrochemische Behandlungsprozesse sind z. B. die e- lektrochemische Ent- bzw. Beschichtung der zu behandelnden Oberfläche oder auch das elektrochemische Reinigen und Polie- ren der Oberfläche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundkörper plattenartig ist, wobei die Aufnahmen durch die Wände von Löchern in der Platte gebildet sind. Die Löcher dienen damit zum Durchstecken der Stabelekt¬ roden, so dass durch die Wände der Löcher eine Führung ent¬ steht. Insbesondere können die Löcher die Platte als Durch¬ gänge durchdringen, wodurch vorteilhaft eine besonders siche¬ re Führung entsteht. Ein plattenartiger Grundkörper erfordert vorteilhaft einen geringen Bauraum.
Gemäß einer besonderen Ausführung der Elektrodenanordnung ist der Grundkörper mit einer ebenen Fläche ausgebildet, in der
die Löcher liegen. Hierdurch ergibt sich aus der freien E- lektrodenlänge mit Bezug auf die ebene Fläche ein klar defi¬ nierter Einstellbereich, innerhalb dessen die Geometrie des Profils des zu beschichtenden Bauteils liegen kann. Eine sol- che Elektrodenanordnung ist vorteilhaft besonders universell anwendbar.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Elektrodenanord¬ nung ist vorgesehen, dass der Grundkörper eine Bezugsfläche aufweist, in der die Löcher liegen und die in ihrem Profil im Wesentlichen an eine Gruppe von zu behandelnden Bauteilen mit ähnlicher Geometrie angepasst ist. Durch Anpassung der Be¬ zugsfläche an die Geometrie der Bauteile, die zur Beschich- tung vorgesehen sind und als Gruppe im Sinne der Erfindung aufgefasst werden, kann sozusagen bereits eine Grundeinstel¬ lung der Elektrodenanordnung bezüglich der zu behandelnden Bauteile erfolgen. Dies ermöglicht vorteilhaft eine optimale Ausnutzung des Einstellbereiches, der eine Beschichtung von Bauteilen ähnlicher Geometrie (d. h. mit ähnlichen Abmessun- gen und ähnlichen Krümmungsradien) ermöglicht. Weiterhin kön¬ nen Bauteiltoleranzen durch geeignete Verschiebung der Stab¬ elektroden ausgeglichen werden.
Vorteilhaft können mit der Elektrodenanordnung mit geeignet angepasster Bezugsfläche beispielsweise Turbinenschaufeln be- und entschichtet werden. Diese weisen eine komplexe Geometrie auf, wobei diese sich bei Turbinenschaufeln gleicher Größe soweit ähneln, dass diese Ähnlichkeiten durch Axialverschie¬ bung der Stabelektroden ohne weiteres ausgeglichen werden können. Dies bedeutet, dass sich mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung eine Vielzahl von verwendeten Turbinen¬ schaufeln elektrochemisch behandeln lässt, so dass ein auf-
wändiges Anpassen beispielsweise von Gitterelektroden an die unterschiedlichen Schaufelprofile entfallen kann.
Für die bereits beschriebene Anpassung der Elektrodenanord- nung unter Parallelverschiebung des Grundkörpers in Richtung senkrecht zur Oberfläche ist es besonders vorteilhaft, wenn die Stabelektroden parallel verlaufend im Grundkörper gela¬ gert sind. Hierdurch ist während der Parallelverschiebung des Grundkörpers vorteilhaft eine besonders kräftearme Bewegung der Stabelektroden in den zugehörigen Aufnahmen möglich.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Stabelektro¬ den hinsichtlich ihres Abstandes zueinander und/oder ihres Winkels zueinander derart angeordnet sind, dass durch Ein- Stellung des konstanten Abstandes der Spitzen der Stabelekt¬ roden zur zu behandelnden Oberfläche bei einer Gruppe von Bauteilen mit ähnlicher Geometrie die Spitzen einen im We¬ sentlichen konstanten Abstand voneinander erlangen. Hiermit ist gemeint, dass der Gruppe von zu behandelnden Bauteilen insoweit Rechnung getragen wird, dass vorhersehbar ist, in welchem Bereich die Spitzen der Stabelektroden befindlich sind. In diesem Bereich lässt sich dann vorteilhaft ein kon¬ stanter Abstand der Stabelektroden zueinander zumindest im Wesentlichen einhalten, so dass die Ausbildung des zur chemi- sehen Behandlung notwendigen elektrischen Feldes vorteilhaft mit annähernd konstanter Feldstärke möglich ist.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorge¬ sehen, dass der Grundkörper einen Hohlraum aufweist, durch den die Stabelektroden verlaufen und der mit einer die Arre¬ tierung bildenden, verfestigbaren Flüssigkeit, insbesondere einem Wachs gefüllt ist. Zur Einstellung der Stabelektroden wird die Flüssigkeit verflüssigt, so dass diese sich mit ge-
ringem mechanischen Widerstand axial verschieben lassen. Ist die für die Beschichtung erforderliche Stellung der Stab¬ elektroden gefunden, wird die verfestigbare Flüssigkeit ver¬ festigt, so dass die Stellung der Stabelektroden fixiert wird. Diese können eine Geometrie im Bereich des Hohlraumes aufweisen, welche eine Verschiebung innerhalb der verfestig¬ ten Flüssigkeit ausschließt. Diese Geometrie kann beispiels¬ weise durch tellerartige Absätze der Stabelektroden oder auch durch ringförmig verlaufende Nuten gewährleistet werden. Die tellerartigen Vorsprünge können gleichzeitig als Begrenzung des Axialspiels der Stabelektroden im Hohlraum verwendet wer¬ den, wenn die Löcher, durch die die Stabelektroden geführt sind, im Durchmesser kleiner als die tellerartigen Absätze ausgestaltet sind.
Vorteilhaft kann die Arretierung auch durch einen Klemmmecha¬ nismus gebildet sein, der mit allen Stabelektroden im Ein¬ griff steht. Der Klemmmechanismus kann, wie bereits erwähnt, entweder den Verschiebewiderstand der Stabelektroden allge- mein erhöhen, so dass diese nur unter Widerstand verstellbar sind, jedoch nach ihrer Verstellung aufgrund des Widerstandes in ihrer Stellung bleiben, wenn die Elektrodenanordnung von der Oberfläche abgehoben wird. Eine andere Möglichkeit be¬ steht darin, dass der Klemmmechanismus geschlossen und geöff- net werden kann, so dass die Stabelektroden mit geringem
Kraftaufwand verstellt werden können und dennoch nach Schlie¬ ßen des Klemmmechanismus in der gefundenen Position arretiert werden können.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Spitzen der Stabelektroden Überbrückungen aus einem Elektrodenmateri¬ al aufweisen. Hiermit ist gemeint, dass die Überbrückungen auch als Elektrode wirksam werden, da sie aus einem Elektro-
denmaterial bestehen und leitend mit den Stabelektroden ver¬ bunden sind. Durch die Überbrückungen lässt sich das elektri¬ sche Feld für die elektrochemische Behandlung im Bereich der Überbrückungen lokal beeinflussen. Diese Beeinflussung kann beispielsweise genutzt werden, um lokal ein stärkeres als das durchschnittlich eingestellte elektrische Feld zu erzeugen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Inhomogenitäten des Feldes aufgrund einer nicht genügend angepassten Geometrie der Elektrodenanordnung gezielt auszugleichen. Zuletzt können die Überbrückungen auch über die gesamte Anzahl der Stab¬ elektroden ausgebreitet werden (beispielsweise in Form eines biegbaren Elektrodengitters) , um die Feldstärke des durch die Stabelektroden gebildeten Feldes insgesamt zu erhöhen.
Außerdem kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass ein Teil der Stabelektroden als Referenzelektroden ausgeführt ist, bei denen unabhängig von der Arretierung einer Axialverschiebung möglich ist. Die zusätzliche Axialverschiebung ermöglicht vorteilhaft, dass die Referenzelektroden in einem von dem Ab- stand der restlichen Stabelektroden abweichenden Abstand im Bezug auf die zu behandelnde Oberfläche positioniert werden können. Für einen effektiven Einsatz der Referenzelektroden ist es normalerweise erforderlich, dass diese einen geringe¬ ren Abstand zur zu behandelnden Oberfläche aufweisen, als die als Gegenelektrode zum Einsatz kommenden Stabelektroden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Refe¬ renzelektroden vor der Einstellung des Elektrodenabstandes in ihrer zusätzlichen Axialverschiebung mittels eines Distanz¬ stückes definierter Geometrie in Richtung weg von der Ober- fläche fixiert werden. Nach Einstellung der Elektrodenanord¬ nung in der bereits beschriebenen Weise können die Distanz¬ stücke entfernt werden, wodurch die Referenzelektroden um den
durch das Distanzstück vorgegebenen Betrag näher an die zu behandelnden Oberfläche herangeschoben werden können.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeich- nung beschrieben. Dabei sind gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrmals erläutert, wie sich in den einzelnen Figuren Abweichungen voneinander ergeben. Es zeigen Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen E- lektrodenanordnung im schematischen Schnitt, wobei einerseits ein Zustand während der Einstellung der Elektrodenanordnung (Ia) und andererseits ein Zu¬ stand während der elektrochemischen Behandlung (Ib) dargestellt ist und
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsge¬ mäßen Elektrodenanordnung zur Beschichtung einer Turbinenschaufel.
Eine Elektrodenanordnung gemäß Figur Ia weist einen Grundkör¬ per 11 auf, der plattenförmig ausgebildet ist und daher eine ebene Fläche 12 aufweist. Diese Fläche 12 ist bei Einsatz der Elektrodenanordnung einem Bauteil 13 mit einer beispielsweise zu beschichtenden Oberfläche 14 zugewandt. Der Grundkörper weist eine die Fläche 12 bildende Grundplatte 15 und eine De¬ ckelplatte 16 auf, wobei diese Platten 15, 16 einen Hohlraum 17 einschießen. An den Seitenrändern von Grundplatte 15 und Deckelplatte 16 befindet sich eine Verbindungswand 18, wo¬ durch der Hohlraum 17 vollständig gegenüber der Umgebung ab- geschlossen ist. Der Hohlraum ist durch eine aushärtbare Flüssigkeit, z. B. Hartwachs 19 ausgefüllt.
In der Grundplatte 15 und der Deckelplatte 16 sind Löcher 20 vorgesehen, die zur axialen Führung von Stabelektroden 21 dienen. Diese Stabelektroden durchsetzen den Hohlraum 17 zwi¬ schen jeweils gegenüberliegenden Löchern 20 in der Grundplat- te 15 und der Deckelplatte 16 vollständig, so dass die Stab¬ elektroden nur mit einem Freiheitsgrad entlang ihrer axialen Ausdehnung translatorisch bewegbar sind. Innerhalb des Hohl¬ raums weisen die Stabelektroden einen Arretierteller 22 und Anschlagteller 23 auf, wobei diese Teller 22, 23 nach außen von der Stabelektrode abragende Absätze bilden. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Stabelektroden nur axial beweg¬ lich sind, wenn das Hartwachs verflüssigt ist. Sobald das Hartwachs durch Abkühlung erstarrt, schließt es insbesondere den Arretierteller 22 mit dem größten Durchmesser, jedoch auch die Anschlagteller 23 ein, so dass die Stabelektroden in einer bestimmten Position arretiert sind. Die Anschlagteller 23 definieren zusätzlich den axialen Bewegungspielraum der Stabelektroden, da diese in den Endpositionen des Verschie¬ bungsweges der Stabelektroden jeweils an die Grundplatte 15 oder die Deckelplatte 16 anstoßen.
In Figur 1 ist dargestellt, wie das Profil der Oberfläche 14 des Bauteils 13 durch Absenkung der Elektrodenanordnung in Richtung des Pfeils 24 durch die Spitzen 25 der Stabelektro- den abgebildet werden kann. Bei diesem Vorgang ist das Hart¬ wachs verflüssigt und wird, nachdem alle Stabelektroden die Oberfläche 14 berühren bis zur Erstarrung abgekühlt.
Dabei wird auch der Kontakt von ebenfalls stabförmig ausge- bildeten Referenzelektroden 26 mit der Oberfläche herge¬ stellt, wobei die Referenzelektroden in Hülsen 27 geführt sind, welche ihrerseits entsprechend der Stabelektroden in Löchern 20a axial verschiebbar geführt sind. Die Hülsen haben
ringförmige Einschnürungen 28, die nach Erstarrung des Hart¬ wachses die Hülsen 19 im Hohlraum 17 arretieren. Derartige Einschnürungen in Form von Ringnuten können anstelle der Ar¬ retierteller 22 auch in den Stabelektroden 21 vorgesehen wer- den (nicht dargestellt) .
In Figur Ib ist dargestellt, wie die Elektrodenanordnung mit dem arretierten Stabelektroden 21 in Richtung des Pfeils 29 um einen definierten Betrag unter Einstellung einer axialen Distanz d der Stabelektroden von der Oberfläche 14 vom Bau¬ teil 13 abgehoben wird. Die Distanz d ist in geeigneter Weise gewählt, damit sich in einem galvanischen Bad 30 unter Anle¬ gen eines Potentials P an die Elektrodenanordnung einerseits (die Grundplatte 15 dient zur elektrischen Kontaktierung der Stabelektroden 21) und dem Bauteil 13 andererseits eine zu¬ mindest weitgehend konstante Stromdichtenverteilung auf der Oberfläche 14 des Bauteils 13 einstellt. Hierzu weisen die Stabelektroden 21 einen jeweils konstanten Abstand a zu den benachbarten Stabelektroden auf. Zur Verdeutlichung der kon- stanten Stromdichteverteilung auf der Oberfläche 14 sind ex¬ emplarisch die Feldlinien des zwischen den Spitzen 25 und der Oberfläche 14 sich ausbildenden elektrischen Feldes 31 ange¬ deutet. Diese konzentrieren sich an den Spitzen 25, verteilen sich aufgrund der Distanz d der Spitzen zu der Oberfläche 14 weitgehend gleichmäßig auf der Oberfläche 14 und bilden somit für die Behandlung der Oberfläche ein weitgehend homogenes elektrisches Feld aus.
Die Spitzen der Referenzelektroden 26 benötigen einen gerin- geren Abstand von der Oberfläche 14 als die Spitzen der Stab¬ elektroden 21. Daher können die Referenzelektroden in den ar¬ retierten Hülsen 27 axial verschoben werden. Dabei sorgen die Einschnürungen 28 gleichzeitig für einen gewissen Verschiebe-
widerstand der Referenzelektroden 26. Um eine definierte Ab¬ standsverringerung der Referenzelektroden 26 zur Oberfläche 14 zu gewährleisten, sind im Stadium gemäß Figur Ia Distanz¬ stücke 32a zwischen Elektrodenhalterungen 32 der Referenz- elektroden 26 und den Hülsen 27 vorgesehen, die gemäß Figur Ib zwecks nachträglicher Axialverschiebung der Referenzelekt¬ roden 26 entfernt werden.
Zur lokalen Beeinflussung des elektrischen Feldes (nicht dar- gestellt) kann gemäß Figur Ib auch eine Überbückung 33 elekt¬ risch leitend mit den Spitzen 25 der Stabelektroden 21 ver¬ bunden werden. Diese Überbrückung kann beispielsweise aus ei¬ nem Platindraht oder auch aus einem Gitter bestehen. Die e- lektrische Verbindung kann durch Löten oder mittels eines Leitklebers hergestellt werden.
In Figur 2 ist das Bauteil 13 durch eine Turbinenschaufel ge¬ bildet, welche im Profil dargestellt ist. Die stetig gekrümm¬ te Oberfläche dieses Bauteils wird durch eine Bezugsfläche 34 des Grundkörpers 11 derart übernommen, dass der Abstand zwischen Bezugsfläche 34 und Oberfläche 14 im Wesentlichen konstant bleibt. Eine Anpassung des Grundkörpers 11 an die Kontur der Bauteiloberfläche ist dann vorteilhaft, wenn die maximale Höhenänderung in der Kontur den axialen Verstellbe- reich der Stabelektroden übersteigt. Die Stabelektroden 21 können durch den Grundkörper 11 derart verlaufen, dass sie im Wesentlichen senkrecht auf der Oberfläche 14 stehen (siehe Figur 2) oder besonders vorteilhaft parallel in einem ebenen, plattenartigen Grundkörper verlaufen (vgl. Figur Ib) .
Um einen konstanten Abstand a der Spitzen 25 in der Nähe der Oberfläche 14 zu gewährleisten, wird der Winkel α, der die Ausrichtung der Elektroden zueinander beschreibt in geeigne¬
il
ter Weise variiert. Bei der dargestellten Distanz d und dem dargestellten Profil des Bauteils 13 ist der Abstand a aller Elektrodenspitzen konstant. Die Elektrodenvorrichtung kann jedoch auch für Turbinenschaufeln mit ähnlichen Profilen ver- wendet werden, soweit der Profilverlauf in einem Bereich liegt, der in Figur 2 einerseits durch die Oberfläche 14 und andererseits durch die strichpunktierte Linie 32 angedeutet ist, d. h., dass die Spitzen 25 der Stabelektroden 21 in ei¬ nem Bereich zwischen 0 und 2d liegen können, wobei in diesem Bereich der Abstand a der Elektrodenspitzen zueinander im We¬ sentlichen gleich bleibt.
Alternativ (nicht dargestellt) kann bei einem ebenen Grund¬ körper 11 (vgl. Figur Ib) der Abstand der parallelen Stab- elektroden zueinander variiert werden. Um einen gleichmäßigen Abstand der Elektrodenspitzen 25, gesehen parallel zur Ober¬ fläche 14 zu erzielen, muss der Abstand der Stabelektroden 21 um so kleiner werden, je stärker die Oberfläche 14 zum Grund¬ körper 11 geneigt verläuft.
Die Arretierungen für die Stabelektroden 21 sind bei dem Grundkörper 11 durch einen Klemmmechanismus 36 gebildet, der aus elastischen Wänden der Löcher 20 in der Deckelplatte 16 besteht. Diese elastischen Wände legen sich an die Stabelekt- roden 21 an, wenn mittels einer Pumpe 37 der Hohlraum 17 mit einem Druck beaufschlagt wird. Damit werden die Stabelektro¬ den arretiert. Die Grundplatte 15 dient analog zu Figur 2 der elektrischen Kontaktierung der Stabelektroden.