WO2008080449A2 - Verfahren und vorrichtung zum beschichten eines hohlkörpers - Google Patents

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    • C23C4/14—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying for coating elongate material
    • C23C4/16—Wires; Tubes

Definitions

  • the invention relates to a device for coating a hollow body.
  • a material is applied to a carrier component in a layer which is usually only a few ⁇ m in size, in order, for example, to increase its wear resistance or to impart certain properties (for example electrical conductivity) to the component surface.
  • thermal brushing methods in which the coating material is melted and then - regularly atomized by means of a compressed air or other gas stream - and transported to the surface to be coated, are used.
  • thermal coating methods are plasma coating, (high speed) flame spraying and arc wire spraying.
  • the disclosed therein arc spray unit has a burner shaft in the form of a hollow shaft, which is inserted into the cavity to be coated. At the lower end of the burner shaft there is provided a radially directed nozzle through which the droplets of the molten coating material are discharged by means of compressed air supplied through the hollow interior of the burner shaft.
  • a replenishment device with two wire rollers is attached to this.
  • the two wires are led parallel to the longitudinal axis of the burner shaft up to the top.
  • an arc is generated between the two wire ends by means of an electrical high voltage, which melts the wire material.
  • the drops of molten wire are then captured by the flow of compressed air and discharged through the nozzle.
  • the replenishment device ensures a continuous supply of the burner with coating material.
  • the burner shaft is permanently driven in rotation and simultaneously moved linearly in the hollow body. The superposition of the two movements results in a spiral coating course.
  • a disadvantage of the device of DE 19841 617 A1 is the high design complexity associated with the fact that the entire unit of burner shaft and replenishment device must be driven in a rotating manner at high speeds (usually at 100 to 150 revolutions per minute).
  • the invention is therefore based on the object of specifying an improved method and an improved apparatus for coating hollow bodies, wherein at least one disadvantage known from the prior art is reduced.
  • a device should be specified, which allows a structurally simpler structure.
  • the invention is based on the idea that the coating of the hollow body is no longer carried out in a spiral shape by a superimposition of a rotational movement with a linear movement, but in a clocked linear movement.
  • the distribution device for the coating material and the hollow body moving linearly relative to one another become.
  • at least one linear drive is provided according to the invention, by means of which the distributor and / or the hollow body are moved linearly and thereby moved relative to one another. After reaching the stroke end, which is usually due to reaching the end of the linear extent of the surface to be coated, in a subsequent step, the Verteilvorrich- direction relative to the hollow body is rotated by a certain angle, the rotation preferably around the Axis of the previously performed, linear movement takes place.
  • at least one rotary drive for the distributor and / or the hollow body is provided.
  • the surface to be coated can be coated in a second section, for which purpose in turn a linear relative movement of the distributor to the hollow body is carried out. This can be done during the return movement of the distributor relative to the hollow body and thus in the opposite direction to the movement during the coating of the first portion.
  • the distributor can also inactive, that is, without the discharge of coating material to be returned to the output side of the hollow body and the coating of the second section in a subsequent stroke in the same direction as in the previous coating stroke. In this way, if necessary, a coating can be achieved which was carried out exclusively with the same direction of movement.
  • the linear relative movement of the inactive distributor to the hollow body can according to the invention take place before or after the rotational movement.
  • the linear and rotary drive can drive the distributor and / or the hollow body directly or indirectly.
  • it can be provided to provide a fixing device for the hollow body, by means of which the hollow body is securely and accurately positioned. If a linear and / or rotary drive is provided for a movement of the hollow body, this can also be done by moving the fixing device by means of the drive (s), which in turn carries / carry the hollow body positioned thereon.
  • the linear drive is designed as a two- or three-axis linear drive. This makes it possible to move the distributor in one or two further directions in addition to the linear lifting movement, the two or three directions preferably being oriented at right angles to each other.
  • the distance between the distributor and the surface to be coated can be set to the optimum for the coating process, but often a decentralized position of the distributor in the hollow body must be taken into account.
  • the two- or three-axis linear drive may consist of individual elements, which may be spatially and structurally separated from each other, but are preferably controlled by a central control device.
  • Fig. 2 is a diagram showing the movement sequence according to a first embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a diagram showing the movement sequence according to a second embodiment of the invention.
  • a hollow cylinder 1 is shown, the inner surface is sprayed by means of a spray lance 2 with a molten coating material.
  • the structure and operation of the spray lance 2 are basically known from the prior art.
  • the spray lance can be moved by means of a linear drive 3 in the hollow cylinder 1 and moved there along the longitudinal axis of the hollow cylinder 1 over its entire longitudinal extent.
  • the hollow cylinder 1 itself is connected to a rotary drive 4, which drives this invention intermittently rotating, as is apparent from the movement diagrams of FIGS. 2 and 3.
  • FIGS. 2 and 3 show a schematic representation of the movement of the spray lance 2 relative to the hollow body 1 in two alternative embodiments.
  • the linear relative movement (s) along the longitudinal axis of the hollow cylinder and on the abscissa axis of the rotation angle ( ⁇ ) are indicated on the ordinate axis.
  • the inner surface of the hollow cylinder 1 is coated both during the upward and the downward stroke of the spray lance 2. This is symbolized by the arrows at the vertical sections of the curve in the diagram of FIG.
  • the hollow cylinder 1 is rotated by means of the rotary drive 4 by a defined angle ( ⁇ ).
  • ⁇ a further coating stroke of the spray lance 2 is carried out.
  • the inner surface of the hollow body 1 is coated only in an upward stroke.
  • a downward stroke (section of the curve shown in dashed lines) is carried out, in which the spray lance 2 is inactive, ie no coating material is discharged. Only after the completion of the downward stroke is the hollow cylinder 1 rotated by the desired angular amount before a new coating cycle begins.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Beschichten eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers wird ein Beschichtungswerkstoff mittels einer Verteilvorrichtung auf die zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht, wobei bis zur vollständigen Beschichtung der Oberfläche wiederholt nachfolgend ablaufenden Schritte ausgeführt werden: relatives lineares Verfahren der Verteilvorrichtung zu dem Hohlkörper, relatives Rotieren der Verteilvorrichtung um einen definierten Winkel zu dem Hohlkörper.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten eines Hohlkörpers
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten eines Hohlkörpers.
Zur Erzeugung von Oberflächen hoher Güte an Bauteilen werden diese vielfach beschichtet. Hierbei wird ein Werkstoff in einer regelmäßig nur wenige μm betragenden Schicht auf ein Trägerbauteil aufgetragen, um beispielsweise dessen Verschleißfestigkeit zu erhöhen oder der Bauteiloberfläche bestimmte Eigenschaften (z.B. elektrische Leitfähigkeit) zu verleihen.
Verschiedene Beschichtungsverfahren sind bekannt, wobei insbesondere thermische Besen ichtungsverf ah ren, bei denen der Beschichtungswerkstoff aufgeschmolzen und anschließend - regelmäßig mittels eines Druckluft- oder sonstigen Gasstroms - zerstäubt und auf die zu beschichtende Oberfläche transportiert wird, zum Einsatz kommen. Bekannte thermische Beschichtungsverfahren sind das Plasmabeschichten, das (Hochgeschwindigkeits-)Flammspritzen und das Lichtbogendrahtspritzen.
Aus DE 198 41 617 A1 ist eine Lichtbogendrahtspritzanlage zur Beschichtung von Hohlkörpern bekannt.
Die darin offenbarte Lichtbogenspritzanlage weist einen Brennerschaft in Form einer Hohlwelle auf, die in den zu beschichtenden Hohlraum eingeführt wird. An dem unteren Ende des Brennerschafts ist eine radial ausgerichtete Düse vorgesehen, durch die die Tropfen des aufgeschmolzenen Beschichtungswerkstoffs mittels Drucklufts, die durch das hohle Innere des Brennerschafts zugeführt wird, ausgetragen wird.
Oberhalb des Brennerschafts ist eine Nachschubeinrichtung mit zwei Drahtrollen an diesem befestigt. Ausgehend von den Drahtrollen werden die zwei Drähte parallel zur Längsachse des Brennerschafts bis zu dessen Spitze geführt. Dort wird mittels einer elektrischen Hochspannung ein Lichtbogen zwischen den zwei Drahtenden erzeugt, der das Drahtmaterial aufschmilzt. Die Tropfen des aufgeschmolzenen Drahts werden dann von der Druckluftströmung erfasst und durch die Düse ausgetragen. Die Nachschubeinrichtung sorgt für eine kontinuierliche Versorgung des Brenners mit Beschichtungsmaterial. Während des Beschichtungsprozesses wird der Brennerschaft permanent rotatorisch angetrieben und gleichzeitig linear in dem Hohlkörper bewegt. Durch die Überlagerung der zwei Bewegungen ergibt sich ein spiralförmiger Beschichtungsverlauf.
Nachteilig an der Vorrichtung der DE 19841 617 A1 ist der hohe konstruktive Aufwand, der damit verbunden ist, dass die gesamte Einheit aus Brennerschaft und Nachschubeinrichtung permanent und unter hohen Drehzahlen (in der Regel mit 100 bis 150 Umdrehungen pro Minute) rotierend angetrieben werden muss.
Aus dem Stand der Technik ist ferner bekannt, anstelle des Brennerschafts den Hohlkörper selbst rotierend anzutreiben. Eine solche Konstellation hat sich für Hohlkörper bewährt, die klein, leicht und insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet sind, so dass während der Rotation keine großen Unwuchten entstehen. Bei komplexen und nicht rotationssymmetrischen Bauteilen, beispielsweise bei Zylinderkurbelgehäusen ist diese Vorgehensweise mit einem großen Aufwand für das Auswuchten des Bauteils verbunden. Bei Zylinderkurbelgehäusen kommt erschwerend hinzu, dass diese in der Regel mehrere zu beschichtende Zylinder aufweisen, wobei sich mit jedem Zylinder auch die Rotationsachse ändert, was ein erneutes Auswuchten der Einheit erfordert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Beschichten von Hohlkörpern anzugeben, wobei zumindest ein aus dem Stand der Technik bekannter Nachteil vermindert wird. Insbesondere soll eine Vorrichtung angegeben werden, die einen konstruktiv einfacheren Aufbau ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Beschichtung des Hohlkörpers nicht mehr spiralförmig durch eine Überlagerung einer Rotations- mit einer Linearbewegung, sondern in einer getakteten linearen Bewegung durchzuführen.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, die zu beschichtende Fläche zunächst in einem ersten linear verlaufenden Bereich zu beschichten, wobei die Verteilvorrichtung für den Beschichtungswerkstoff und der Hohlkörper linear zueinander verfahren werden. Hierzu ist erfindungsgemäß mindestens ein Linearantrieb vorgesehen, mittels dessen die Verteilvorrichtung und/oder der Hohlkörper linear verfahren und dadurch relativ zueinander bewegt werden. Nach dem Erreichen des Hubendes, der in der Regel durch das Erreichen des Endes der linearen Erstreckung der zu beschichtenden Fläche begründet ist, wird in einem nachfolgenden Schritt die Verteilvorrich- tung relativ zu dem Hohlkörper um einen bestimmten Winkelbetrag rotiert, wobei die Rotation vorzugsweise um die Achse der zuvor ausgeführten, linearen Bewegung erfolgt. Hierzu ist mindestens ein Rotationsantrieb für die Verteilvorrichtung und/oder den Hohlkörper vorgesehen.
Nach der Rotation um einen definierten Winkel kann die zu beschichtende Fläche in einem zweiten Abschnitt beschichtet werden, wozu wiederum eine lineare Relativbewegung der Verteilvorrichtung zu dem Hohlkörper ausgeführt wird. Dies kann während der Rückbewegung der Verteilvorrichtung relativ zu dem Hohlkörper und somit in entgegen gesetzter Richtung zu der Bewegung beim Beschichten des ersten Abschnitts erfolgen. Alternativ kann die Verteilvorrichtung auch inaktiv, dass heißt ohne den Austrag von Beschichtungswerkstoffs auf die Ausgangsseite des Hohlkörpers zurückgefahren werden und die Beschichtung des zweiten Abschnitts in einem darauf folgenden Hub in gleicher Richtung wie beim vorherigen Beschichtungshub erfolgen. Auf diese Weise kann nach Bedarf eine Beschichtung erzielt werden, die ausschließlich mit derselben Bewegungsrichtung ausgeführt wurde.
Die lineare Relativbewegung der inaktiven Verteilvorrichtung zu dem Hohlkörper kann erfindungsgemäß vor während oder nach der Rotationsbewegung erfolgen.
Die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte werden so häufig wiederholt, bis die gesamte zu beschichtende Fläche bearbeitet wurde, wobei die Fläche nicht zwangsläufig vollständig zusammenhängend ausgebildet sein muss, sondern durch das getaktete Beschichten auch Flächenabschnitte, die nicht beschichtet werden sollen, auf einfache Weise ausgelassen werden können.
Durch eine entsprechende Auslegung der Steuerungsmittel des Rotationsantriebs kann eine Überdeckung von zwei aufeinander folgenden beschichteten Abschnitten beliebig gewählt werden. Durch eine entsprechend große Überdeckung kann in einem Beschichtungsvorgang auch eine mehrlagige Beschichtung erzielt werden. Der Linear- und Rotationsantrieb kann die Verteilvorrichtung und/oder den Hohlkörper direkt oder indirekt antreiben. Insbesondere kann vorgesehen sein, eine Fixiervorrichtung für den Hohlkörper vorzusehen, mittels derer der Hohlkörper sicher und genau positioniert wird. Wird ein Linear- und/oder Rotationsantrieb für einen Bewegung des Hohlkörpers vorgesehen, kann dies auch dadurch erfolgen, dass die Fixiervorrichtung mittels des Antriebs/der Antriebe bewegt wird, die wiederum den darauf positionierten Hohlkörper mitführt/mitführen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Linearantrieb als zwei- oder dreiachsiger Linearantrieb ausgebildet. Dies ermöglicht, die Verteilvorrichtung zusätzlich zu der linearen Hubbewegung in einer oder zwei weiteren Richtungen zu verfahren, wobei die zwei oder drei Richtungen vorzugsweise rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind. Durch eine solche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Abstand zwischen der Verteilvorrichtung und der zu beschichtenden Oberfläche auf das für den Beschichtungsprozess optimale Maß eingestellt werden, wobei jedoch häufig eine dezentrale Position der Verteilvorrichtung in dem Hohlkörper in Kauf genommen werden muss. Während dies bei einer Vorrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, aufgrund der permanenten Rotation der Verteilvorrichtung oder des Hohlkörpers problematisch ist, da sich ein kontinuierlich zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert ändernder Abstand ergäbe, der nur unter großem Aufwand kompensiert werden könnte, ist eine solche Kompensation bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich einfacher zu erreichen. Hierbei müsste der Abstand lediglich während des getakteten Rotierens der Verteilvorrichtung relativ zu dem Hohlkörper korrigiert werden. Während des Be- schichtungsvorgangs, bei dem die Verteilvorrichtung vorzugsweise parallel zu der Oberfläche des Hohlkörpers verfahren wird, wäre eine solche Kompensation dagegen nicht erforderlich.
Selbstverständlich kann der zwei- oder dreiachsige Linearantrieb aus einzelnen Elementen bestehen, die räumlich und baulich voneinander getrennt sein können, vorzugsweise jedoch von einer zentralen Steuervorrichtung gesteuert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten eines Hohlkörpers in einer schematischen Darstellung,
Fig. 2 in einem Diagramm eine Darstellung des Bewegungsablaufs gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 3 in einem Diagramm eine Darstellung des Bewegungsablaufs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Hohlzylinder 1 dargestellt, dessen Innenfläche mittels einer Sprühlanze 2 mit einem aufgeschmolzenen Beschichtungswerkstoff besprüht wird.
Der Aufbau sowie die Funktionsweise der Sprühlanze 2 sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Sprühlanze kann mittels eines Linearantriebs 3 in den Hohlzylinder 1 verfahren und dort entlang der Längsachse des Hohlzylinders 1 über dessen gesamte Längserstreckung bewegt werden.
Der Hohlzylinder 1 selbst ist mit einem Rotationsantrieb 4 verbunden, der diesen erfindungsgemäß intermittierend drehend antreibt, wie es sich aus dem Bewegungsdiagrammen der Fig. 2 und 3 ergibt.
Die Steuerung der beiden Antriebe 3 und 4 erfolgt mittels einer Steuervorrichtung 5.
Die Fig. 2 und 3 zeigen in einer schematischen Darstellung den Bewegungsablauf der Sprühlanze 2 relativ zu dem Hohlkörper 1 in zwei alternativen Ausführungsformen. Dabei ist auf der Ordinatenachse die lineare Relativbewegung (s) entlang der Längsachse des Hohlzylinders und auf der Abszissenachse der Drehwinkel (α) angegeben.
Bei der Steuerung der Vorrichtung gemäß Fig. 2 wird die Innenfläche des Hohlzylinders 1 sowohl beim Aufwärts- als auch beim Abwärtshub der Sprühlanze 2 beschichtet. Dies wird durch die Pfeile an den vertikalen Abschnitten der Kurve in dem Diagramm gemäß Fig. 2 symbolisiert. Nach jedem Beschichtungshub wird der Hohlzylinder 1 mittels des Rotationsantriebs 4 um einen definierten Winkelbetrag (Δα) rotiert. Daraufhin wird ein weiterer Beschichtungshub der Sprühlanze 2 ausgeführt. Bei der Steuerung der Vorrichtung gemäß Fig. 3 wird die Innenfläche des Hohlkörpers 1 lediglich bei einem Hub in Aufwärtsrichtung beschichtet. Direkt im Anschluss an den Aufwärtshub wird ein Abwärtshub (gestrichelt dargestellter Abschnitt der Kurve) ausgeführt, bei dem die Sprühlanze 2 inaktiv ist, dass heißt kein Beschichtungs- werkstoff ausgetragen wird. Erst nach Vollendung des Abwärtshubs wird der Hohlzy- linder 1 um den gewünschten Winkelbetrag gedreht, bevor ein neuer Beschichtungs- zyklus beginnt.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Beschichten eines Hohlkörpers (1), wobei ein Beschichtungswerk- stoff mittels einer Verteilvorrichtung (2) auf die zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht wird, gekennzeichnet durch, die bis zur vollständigen Beschichtung der Oberfläche wiederholt nachfolgend ablaufenden Schritte:
- relatives lineares Verfahren der Verteilvorrichtung (2) zu dem Hohlkörper (1),
- relatives Rotieren der Verteilvorrichtung (2) um einen definierten Winkel zu dem Hohlkörper (1).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilvorrichtung (2) linear und/oder rotatorisch bewegt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1) linear und/oder rotatorisch bewegt wird.
4. Vorrichtung zum Beschichten eines Hohlkörpers (1), mit einer in den Hohlkörper (1) verfahrbaren Verteilvorrichtung (2) mittels der ein Beschichtungswerkstoff auf die zu beschichtende Oberfläche des Hohlkörpers (1) aufgebracht wird, und einem Rotations- (4) und einem Linearantrieb (3) für die Verteilvorrichtung (2) und/oder den Hohlkörper (1), gekennzeichnet durch, Steuerungsmittel (5) zur Steuerung des Rotations- (4) und Linearantriebs (3) zur Durchführung der bis zur vollständigen Beschichtung der Oberfläche wiederholt nachfolgend ablaufenden Bewegungsabläufe:
- relatives lineares Verfahren der Verteilvorrichtung (2) zu dem Hohlkörper (1),
- relatives Rotieren der Verteilvorrichtung (2) um einen definierten Winkel zu dem Hohlkörper (1).
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb als zwei- oder dreiachsiger Linearantrieb ausgebildet ist.
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