WO2015055822A1 - Verfahren zur herstellung eines vollständig oder teilweise emaillierten bauteils - Google Patents

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WO2015055822A1
WO2015055822A1 PCT/EP2014/072331 EP2014072331W WO2015055822A1 WO 2015055822 A1 WO2015055822 A1 WO 2015055822A1 EP 2014072331 W EP2014072331 W EP 2014072331W WO 2015055822 A1 WO2015055822 A1 WO 2015055822A1
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inductor
enamel
heating
component
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PCT/EP2014/072331
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Bernd Maryniak
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Inno Heat Gmbh
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    • C23D—ENAMELLING OF, OR APPLYING A VITREOUS LAYER TO, METALS
    • C23D9/00—Ovens specially adapted for firing enamels

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an at least partially enamelled component.
  • Enamelling is a technologically relatively complex process, which results in a highly resilient, chemically neutral, corrosion-resistant, highly insulating and hygienically high-quality composite material.
  • enamelled surfaces have particular advantages, also with regard to long-term stability.
  • Enamelled components are usually prepared by applying enamel slip or enamel powder to a suitably selected carrier body after suitable pretreatments, melting them and baking them at temperatures in the range of about 800 to 900 degrees.
  • an enamelling process is usually carried out in such a way that after a cleaning, predrying and optional preheating of the carrier body and subsequent application of substrate (especially silicates) - all in several stages - on the respective usually metallic surface of the carrier body - preferably steel or gray cast iron - by heat radiation onto the surface thus prepared, it is heated with the substrate or enamel powder until the melting temperature of the enamel powder or enamel scrubber is reached, and the "molten" substrate or enamel powder forms an intimate bond with the support material at about 820 ° C.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for producing an at least partially enamelled component, which allows a particularly high product quality with particularly low energy consumption and low environmental impact.
  • an induction powder carrying carrier body is inductively heated, wherein the operating frequency of the inductor with respect to the material properties of the workpiece is selected such that the electromagnetic penetration depth in the workpiece is at most 1 mm.
  • the invention is based on the consideration that a high product quality can be ensured by reliably adhering to the fundamental parameters which are important for the enameling process, in particular the local transformation temperatures during the "melting" of the enamel powder or substrate material onto the carrier body
  • the required energy demand - and with it also the associated environmental impact and resource consumption - can be kept to a minimum by limiting and restricting the energy application during the transformation or the melting process to a local spatial area
  • the desired conversion process is heated and heated, so now a localized, focused heating of a limited space region of the support body is provided, to which the intended material conversion should be limited. This can be achieved in a particularly simple way by local heating of the carrier body by inductive heating.
  • the heat required for the enamelling process is thus not applied via a third medium to the substrate surface and then through this to the interface of substrate and substrate. Instead, the relevant spatial region, in particular at the boundary of the carrier body and substrate or enamel powder, is heated directly and directly inductively.
  • the layer formation process of the enameling layer (baking / hardening), this leads to the fact that it is built up directly and growing from the carrier to the surface and not - as in conventional methods - from the surface to the carrier body out.
  • connection of the thermal glaze resulting from the enameling process with the metallic carrier material is thereby significantly improved, since the energy or heat deposition develops from the inside out. This results in a significantly improved anchoring of the enamel coating on the carrier body and a new enamelling quality.
  • the adhesion of the substrate or enamelling material to the carrier material is thereby further improved, even at "critical points", and flaking, in particular at corners or edges, is further significantly reduced.
  • any air or other moisture or other inclusions that may still be present during the layer formation process or the subsequent curing process may escape outward from the boundary surface of the carrier body, because the surface is still "open” during the layer formation process Bubble-like air or gas inclusions are minimized.
  • a second and / or third substrate or material application contours can be selectively applied and merged with the lower substrate layer.
  • This can z. B. can be used specifically for advertising.
  • For writings on the lower layer can z. B. differently colored / different substrate (eg screen printing / stencils) and immediately melted and cured by tracking a correspondingly shaped inductor (possibly further inductor).
  • the inductive heating with another or the same inductor can also be used for pre-drying or preheating for special substrate jobs, which in particular improved adhesion can be achieved. It is also possible to inductively dry between the individual cleaning stages.
  • Inductive heating also brings about considerable reductions in the necessary process times and capacities in these steps, which are actually upstream of the burn-in, and also, as a result of the corresponding process improvements, a reduction in the apparatus and process-related expense.
  • the inductive heating is used for repair purposes, in particular isolated damaged areas in an enamel coating, for example, locally provided with an enamel and then the component in need of repair inductively locally heated and the "replacement enamel" is thus applied.
  • the inductive solution - for example when scanning large parts - does not show this disadvantage. Rather, it allows smooth transitions and a line in line merging of the coating, which ultimately leads to a surface "in one piece".
  • the inductive heating of the carrier body Due to the inductive heating of the carrier body, it is locally limited to a spatial region of the carrier body, so that a selective, object-specific process control is made possible by appropriate activation of the positioning of the energy input.
  • a sequential sweeping of the surface regions of the carrier body is also possible in the manner of a "scan.”
  • the entire body or else it can be scanned and heated in sections over a large area, in particular the heat conduction in the metal to the effect, which, however, exerts little influence on a localized "burn-in” and has a rather advantageous effect as a disruptive and thus rather corresponds to a kind of pre-heating or basic heating.
  • inductor design and layout there are hardly any limits to the inductor design and layout.
  • ring inductors are conceivable or advantageous.
  • the area to be treated can also be scanned by means of HF from one side with a "surface inductor" and thus heated.
  • a toroidal coil or a shaped ring inductor (angular / oval or the like) is advantageous. Optimizations can be determined by experiments.
  • the size and condition of the parts to be enamelled also determine the frequency choice for inductive heating (MF or HF), whereby in many applications an HF selection should be favorable, as the interface to the substrate is specifically addressed / heated (skin effect).
  • MF or HF inductive heating
  • the optionally also possible local limitation of the induction action, in particular by means of suitable process control, also makes it possible in particular to provide an effective and cost-effective solution in the repair sector in the processing of completely or partially scraped, chipped or otherwise damaged surfaces, especially in industrial parts or high-quality consumer goods.
  • Such a repair can be carried out particularly advantageously also in the manner of an in situ treatment directly at the installation location, ie without the need for removal and replacement of the respective component.
  • the damaged spot requiring treatment is preferably mechanically and / or chemically cleaned before the actual treatment and freed of rust or other contaminants.
  • enamel putty preferably adapted in shape and / or color to the component requiring treatment, applied and then in and with the existing "old environment", ie the locally still existing coating residues, inductive
  • the contours merge and run together to create a homogenous overall impression of the repaired surface, whereby the repaired part surface can be suitably adapted to the existing surface in terms of color and / or surface properties by suitable choice of material, in particular the enamel filler Customized old surface, or even be highlighted by this distinguishable as an independent segment visually highlighted.
  • the choice of operating parameters ie in particular the energy density, the frequency and / or the exposure time, thereby targeted with respect to and taking into account the respective material properties of the carrier body.
  • the most common carrier materials Steel, copper and aluminum have the following thermal conductivities (in W / (mK)): steel 50, copper 300, aluminum 240.
  • the operating parameters for the process management are advantageously adapted to the carrier material a chosen ngepasst to obtain a uniform and reproducible melting behavior of the enamel.
  • the process flow and the quality of the enamelling are particularly influenced and influenced by:
  • the movement sequence of the inductor relative to the surface to be coated is particularly preferably chosen and adjusted with regard to the further process parameters, such as, for example, treatment temperature, transmitted energy or power densities and the like.
  • the further process parameters such as, for example, treatment temperature, transmitted energy or power densities and the like.
  • material requirements it may be provided, for example, to avoid excessive temperature differences in the component to be coated between the currently inductively heated regions on the one hand and the currently unheated regions on the other hand, by moving the inductor fast enough over the respectively treated spatial regions. This thermally induced deformations of the piece of material and the like can be avoided or at least kept low.
  • Vortsellbar for the movement pattern of the respective inductor on the surface to be treated for example, linear and / or rotational movements or even composed of these motion profiles.
  • the inductor design can be application-oriented multi-layered and provided in wide variations, for example, round, flat for scanning, single and multi-threaded according to object size and application, meandering felicitninduktor (larger "attack surface”); Object adapted also half round, oval or rectangular executed
  • all metals are basically favorable, particularly those with good inductive coupling (iron, steel, alloys); Copper Alu, precious metals (art!), Gold, silver, platinum.
  • the quality of the enamelling material should be selected in terms of: composition, chemistry, grain size, pretreatment
  • a particularly preferred pretreatment of the support material comprises: cleaning, washing, drying, former pretreatment, degreasing
  • a relevant parameter for the selection of the operating parameters in the process control is also the - usually frequency- and temperature-dependent - penetration depth of the electromagnetic field into the material surface.
  • treatment temperature and / or operating frequency of the inductor are particularly preferably chosen such that the penetration depth is at most about 1 mm.
  • the operating frequency of the inductor is selected to be about 10kHz or greater, but at a treatment temperature of about 100 ° C operating frequencies of greater than about 20kHz are preferred for that criterion intended.
  • operating frequencies of more than about 500Hz and for aluminum operating frequencies of more than about 1 kHz are preferably provided for steel as support material.
  • an operating frequency of at least 300 kHz is selected for the inductor. This can ensure that even with varying materials or environmental conditions, the electromagnetic penetration depth can be kept sufficiently low to limit the heating to the immediate vicinity of the surface.
  • a defective enamel layer already located on the workpiece is repaired with the aid of inductive heating. This can be done very needs-based and thus resource-conserving due to the localized and thus very well focusable heat input.
  • a power density of at least 10 kW / cm 2 is inductively transmitted to the workpiece via the inductor.
  • the concept of inductive heating of a component is used for powder coating / baking (preferably for window sills, window profiles, facade elements, fence elements or other building materials), Teflon coating or diamond, ceramic and / or or crystal coating of surfaces.
  • the enamelling apparatus 1 is provided for applying a corrosion-protecting enamel coating to a workpiece 2.
  • the enamel coating is produced by first a suitably selected starting material, in particular a so-called enamel paste, is applied to the workpiece 2. Subsequently, the workpiece 2 is heated to a temperature above the melting temperature of the enameling material in that area in which the application is to take place, so that a melting of the enameling material begins.
  • a selected depending on the material of the workpiece 2 minimum temperature is exceeded in each treated space area, for example, for aluminum as a material of the workpiece 2 about 500 ° C and steel as the material of the workpiece 2 about 850 ° C.
  • the enamelling 1 is specifically designed to achieve a high quality coating result with homogeneous and qualtitativ ansprochs Kunststoff surface with a particularly low resource use, so in particular energy consumption.
  • the enamelling plant 1 is designed for local or regional heating of the workpiece 2 by electromagnetic induction.
  • the enamelling plant 1 comprises an induction head or inductor 4, which via an electrical line system 6 with a one
  • Converter and a control unit comprehensive power supply unit 8 is connected.
  • the inductor 4 is positioned close to the surface of the workpiece 2, so that the electromagnetic alternating field emitted by the inductor 4 couples into the surface of the workpiece 2 and heats it.
  • the inductor 4 can be embodied in a variety of possible variants with regard to its geometry and design parameters.
  • the lateral extent of the inductor 4, which also determines the size of the surface segment of the workpiece 2 that is simultaneously heated during operation may be comparatively small (a few cm 2 or even less, depending on the application, enables locally highly differentiated machining of the workpiece surface during enameling), comparatively large (for example, 1000 cm 2 or even more, allows a comparatively large-scale and therefore rapid processing of comparatively large total surfaces) or be carried out with values between these limits.
  • the enamelling apparatus 1 is designed, for example by means of holding devices for the inductor 4 and / or the workpiece 2, not shown in detail, for a so-called “scanning operation” in which the inductor 4 is moved relative to the surface of the workpiece 2 during the enamelling operation. and / or y-direction (indicated in the figure by the arrows 10) and thereby sweeps over the surface 10.
  • the inductor 4 can be gradually guided over the entire surface of the workpiece 2, so that they are completely swept over Alternatively, however, the inductor 4 can also be activated only via selected parts or segments of the surface of the workpiece 2, for example for repairs of damaged surface parts or the like due to the very demand-oriented use and thus very low total energy consumption very advantageous t.
  • the inductor 4 can also be designed as a portable hand-held device which can be moved manually over the surface of the workpiece 2.
  • the enamelling plant is designed for a particularly resource-saving operation in the surface treatment of the workpiece 2, in which both the energy consumption and the material consumption with high material quality of the surface should be kept particularly low.
  • in the inductive heating of the workpiece 2 consistently use the so-called skin effect, so the limited penetration depth of alternating electromagnetic fields in metallic surfaces, for limiting the inductively generated heating as possible to the actual surface of the workpiece 2, without it should come to a high heating of the underlying layers or areas of the workpiece 2.
  • the operating parameters of the enamelling plant 1 are chosen such that - taking into account the material properties of the workpiece 2 - the penetration depth is at most about 1 mm.
  • the operating frequency of the inductor is selected to be about 10kHz or greater, but at a treatment temperature of about 100 ° C operating frequencies of greater than about 20kHz are preferred for that criterion intended.
  • operating frequencies of more than about 500Hz and for aluminum operating frequencies of more than about 1 kHz are preferably provided for steel as support material.
  • an operating frequency of at least 300 kHz is selected. This ensures that the penetration depth can be kept sufficiently small under all expected conditions, so that the heating on the immediate surface area can be kept limited and deeper-lying structural layers are not appreciably affected by the heating.
  • the further operating parameters are also suitably selected with regard to the intended resource-saving mode of operation.
  • the inductor 4 is operated at a power density of about 10 kW / cm 2 (relative to the radiating surface).
  • Enamel paste is achieved, can be kept very short.
  • a particularly advantageous aspect of such a parameter selection is that, as a result of the targeted directed to the surface heating and relatively thin held coatings can be produced, which are based in their material properties such as elasticity, etc. on the substrate or carrier body.

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise emaillierten Bauteils soll mit besonders gering gehaltenem energetischen Aufwand und gering gehaltener Umweltbelastung eine besonders hohe Produktqualität ermöglichen. Dazu wird erfindungsgemäß ein ein Emailpulver tragendes Werkstück (2) induktiv erhitzt, wobei die Betriebsfrequenz des Induktors (4) im Hinblick auf die Materialeigenschaften des Werkstücks (2) derart gewählt wird, dass die elektromagnetische Eindringtiefe im Werkstück (2) höchstens 1 mm beträgt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines vollständig oder teilweise emaillierten Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise emaillierten Bauteils.
Beim Emaillieren handelt es sich um einen technologisch vergleichsweise aufwändigen Prozess, der im Ergebnis einen hochbelastbaren, chemisch neutralen, korrosionsbeständigen, hoch isolierenden und hygienisch hochwertigen Verbundwerkstoff liefert. Es gibt viele Anwendungsfälle, in denen emaillierte Oberflächen besondere Vorteile aufweisen, auch im Hinblick auf eine Langzeitbeständigkeit.
Emaillierte Bauteile werden üblicherweise hergestellt, indem man auf einen geeignet gewählten Trägerkörper nach geeigneten Vorbehandlungen Emailschlicker oder Emailpulver aufbringt, diese aufschmilzt und bei Temperaturen im Bereich von etwa 800 bis 900 Grad einbrennt. Hierzu stehen eine Vielzahl von Verfahren zur Verfügung. Gegenwärtig erfolgt ein Emaillierprozess in der Regel dergestalt, dass nach einer Reinigung, Vortrocknung und optionaler Vorerwärmung des Trägerkörpers und anschließendem Substratauftrag (insbesondere von Silikaten) - alles teilweise in mehreren Stufen - auf die jeweilige üblicherweise metallische Oberfläche des Trägerkörpers - vorzugsweise Stahl bzw. Grauguß - durch Wärmestrahlung auf die so vorbereitete Oberfläche diese mit dem Substrat oder Emailpulver erwärmt wird, bis die Schmelztemperatur des Emailpulvers oder Emailschli- ckers erreicht ist, und das„aufgeschmolzene" Substrat oder Emailpulver bei ca. 820 °C eine innige Verbindung mit dem Trägermaterial eingeht.
Zwar liefert ein derartiger Emaillierprozess im Ergebnis ein hochwertiges, vielseitig einsetzbares Produkt. Andererseits ist eine derartige Herstellung aber vergleichsweise ener- gieaufwändig und ressourcenintensiv. Insbesondere ist der Aufschmelz- und Einbrenn- prozess energetisch besonders aufwändig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise emaillierten Bauteils anzugeben, das mit besonders gering gehaltenem energetischen Aufwand und gering gehaltener Umweltbelastung eine besonders hohe Produktqualität ermöglicht.
( Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein Emailpulver tragender Trägerkörper induktiv erhitzt wird, wobei die Betriebsfrequenz des Induktors im Hinblick auf die Materialeigenschaften des Werkstücks derart gewählt wird, dass die elektromagnetische Eindringtiefe im Werkstück höchstens 1 mm beträgt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine hohe Produktqualität sichergestellt werden kann, indem die grundsätzlichen für den Emaillierprozess erheblichen Parameter, insbesondere die lokalen Umwandlungstemperaturen beim„Aufschmelzen" des Emailpulvers oder Substratmaterials auf den Trägerkörper, zuverlässig eingehalten werden. Unter gezielter Einhaltung dieser Randbedingung kann der erforderliche Energiebedarf - und mit diesem auch die damit einhergehende Umweltbelastung und Inanspruchnahme von Ressourcen - besonders gering gehalten werden, indem in der Art einer Fokussierung die Energieapplizierung bei der Umwandlung oder dem Schmelzpro- zess auf einen lokalen Raumbereich begrenzt und eingeschränkt wird, in dem der angestrebte Umwandlungsprozess auch tatsächlich stattfinden soll. Unter gezielter Abkehr von den üblichen Verfahren, bei denen der das Emailpulver tragende Trägerkörper in einem Ofen global und damit in seinem vollen Volumen und großflächig erhitzt und aufgeheizt wird, ist somit nunmehr eine lokal begrenzte, fokussierte Aufheizung eines begrenzten Raumbereichs des Trägerkörpers vorgesehen, auf den die vorgesehene Materialumwandlung begrenzt sein soll. Auf besonders einfache Weise ist dies erreichbar durch eine lokale Erhitzung des Trägerkörpers durch induktive Beheizung.
Die für den Emaillierprozess erforderliche Wärme wird somit nicht über ein Drittmedium auf die Substratoberfläche und dann durch diese an die Grenzfläche von Trägermaterial und Substrat aufgebracht. Stattdessen wird der relevante Raumbereich, insbesondere an der Grenze von Trägerkörper und Substrat oder Emailpulver, direkt und unmittelbar induktiv erhitzt. Beim Schichtbildungsprozess der Emaillierschicht (Einbrennen / Härten) führt dies dazu, dass diese direkt und wachsend vom Träger aus zur Oberfläche hin und nicht - wie in üblichen Verfahren - von der Oberfläche aus zum Trägerkörper hin aufgebaut wird.
Die Verbindung der durch den Emaillierprozess entstehenden Thermoglasur mit dem metallischen Trägermaterial wird dadurch deutlich verbessert, da sich die Energie- oder Wärmedeposition von innen heraus entwickelt. Das ergibt eine deutlich verbesserte Verankerung der Emaillierschicht am Trägerkörper und eine neue Emaillierqualität. Insbe-
( sondere wird hierdurch die Haftung des Substrates oder Emailliermaterials am Trägermaterial - auch an„kritischen Stellen" - weiter verbessert, und ein Abplatzen, insbesondere an Ecken oder Kanten, wird weiter deutlich reduziert.
Zudem können während des Schichtbildungs- oder des diesem nachfolgenden Aushärteprozesses ggf. noch vorhandene Luft- oder sonstige Feuchtigkeits- oder anderweitige Einschlüsse von der Grenzfläche des Trägerkörpers nach außen hin entweichen, weil die Oberfläche während des Schichtbildungsprozesses noch„offen" ist. Mögliche Probleme durch unerwünschte blasenartige Luft- oder Gaseinschlüsse werden minimiert.
Mit einem zweiten und/oder dritten Substrat- oder Materialauftrag können gezielt Konturen aufgebracht und mit der unteren Substratlage verschmolzen werden. Das kann z. B. gezielt für Werbeanzeigen genutzt werden. Für Schriftzüge auf der unteren Lage kann z. B. andersfarbiges / andersartiges Substrat aufgespritzt (z. B. Siebdruck / Schablonen) und durch Nachführen eines entsprechend gestalteten Induktors sofort aufgeschmolzen und ausgehärtet werden (ggf. weiterer Induktor). Durch geschickte Variation und Kombination sind der Kreativität und Vielfalt keine Grenzen gesetzt.
Im Vorfeld des eigentlichen Einbrennprozesses kann die induktive Erwärmung mit einem anderen oder auch dem gleichen Induktor (geringerer Leistungseintrag oder kürzere Einwirkzeit) auch zum Vortrocknen bzw. zur Vorerwärmung für spezielle Substrataufträge genutzt werden, wodurch insbesondere eine verbesserte Haftung erreicht werden kann. Auch kann zwischen den einzelnen Reinigungsstufen induktiv getrocknet werden.
Die induktive Erwärmung bewirkt auch in diesen dem Einbrennen eigentlich vorgeschalteten Stufen erhebliche Reduzierungen der notwendigen Prozesszeiten und -leistungen und infolge der entsprechenden Prozeßverbesserungen auch eine Verringerung des apparativen und prozesstechnischen Aufwands.
Besonders bevorzugt wird die induktive Erwärmung für Reparaturzwecke verwendet, wobei insbesondere vereinzelte schadhafte Stellen in einem Emaille-Überzug beispielsweise mit lokal mit einer Emaillierpaste versehen werden und sodann das reparaturbedürftige Bauteil induktiv lokal erwärmt und die„Ersatz-Emaille" somit aufgebracht wird.
Die für ggf. noch notwendige Öfen vorzusehenden eigentlichen Flächen und Räume werden - eine gute Isolation der„Kammern" vorausgesetzt - deutlich reduziert. Dank Indukti-
( on kann sehr örtlich und gezielt erwärmt werden. Eine großräumige Erwärmung, wie bisher zwangsweise erforderlich, mit vielen energetischen Verlusten kann so vermieden werden. Das ist energetisch günstig und umweltfreundlich.
Gegenüber Verfahren unter Nutzung von Lasertechnik für den Aufschmelz- und Ein- brennprozess und der dabei prinzipbedingt auftretenden Streifenstruktur zeigt die induktive Lösung - beispielsweise beim Scannen von Großteilen - diesen Nachteil nicht. Vielmehr erlaubt sie sanfte Übergänge und ein Zeile in Zeile Verschmelzen der Beschichtung, was letztendlich zu einer Oberfläche„aus einem Stück" führt.
Durch die induktive Erwärmung des Trägerkörpers erfolgt diese lokal auf einen Raumbereich des Trägerkörpers begrenzt, so dass durch entsprechende Ansteuerung der Positionierung des Energieeintrags eine selektive, objektspezifische Prozessführung ermöglicht wird. Neben anderen Varianten ist dabei auch in der Art eines„Scannens" ein sequentielles Überstreichen der Oberflächenregionen des Trägerkörpers möglich. Je nach Teilegröße und deren Form kann großflächig der Gesamtkörper oder aber dieser auch in Abschnitten gescannt und erwärmt werden. Dabei kommt insbesondere die Wärmeleitung im Metall zur Wirkung, die aber auf einen lokalisierten„Einbrennherd" nur wenig Einfluss ausübt und eher vorteilhaft als störend wirkt und so eher einer Art Vor- bzw. Grunderwärmung entspricht.
Generell sind auch der Induktorgestaltung und -auslegung kaum Grenzen gesetzt. Bei einer allseitigen Emaillierung von Plattenmaterial bzw. Gefäßen (z.Bsp. emaillierte Behälter / Speicher) sind durchaus Ringinduktoren vorstellbar bzw. vorteilhaft. Bei sehr großen Flächenelementen kann auch von einer Seite mit einem„Flächeninduktor" die zu behandelnde Fläche mittels HF gescannt und so erwärmt werden.
Für kleinere Werbeträger oder für Schmuck ist u.U. eine Ringspule oder ein formierter Ringinduktor (eckig / oval o.ä.) vorteilhaft. Optimierungen dazu können durch Versuche ermittelt werden.
Größe und Beschaffenheit der zu emaillierenden Teile bestimmen auch entscheidend die Frequenzwahl für die induktive Erwärmung (MF oder HF), wobei in vielen Anwendungen sicher eine HF - Wahl günstig sein sollte, da hierbei gezielt die Grenzfläche zum Substrat angesprochen / erwärmt wird (Skineffekt).
( Die optional ebenfalls mögliche lokale Begrenzung der Induktionseinwirkung, insbesondere durch geeignete Prozessführung, ermöglicht zudem in besonderem Maße eine effektive und kostengünstige Lösung im Reparatursektor bei der Aufarbeitung ganz oder teilweise abgekratzter, abgeplatzter oder auf sonstige Weise beschädigter Oberflächen, insbesondere bei Industrieteilen oder hochwertigen Gebrauchsgütern. Eine derartige Reparatur kann besonders vorteilhaft auch in der Art einer In situ Behandlung direkt am Einbauort, also ohne Notwendigkeit des Aus- und Wiedereinbaus des jeweiligen Bauteils, erfolgen. Die behandlungsbedürftige Schadstelle wird dabei vorzugsweise vor der eigentlichen Behandlung mechanisch und/oder chemisch gereinigt und von Rost oder sonstigen Verschmutzungen befreit. Nach geeigneter Vorbehandlung, beispielsweise in der Art einer Grundierung oder dergleichen, wird dann Emailspachtelmasse, vorzugsweise in Form und/oder Farbe an das behandlungsbedürftige Bauteil angepasst, aufgetragen und anschließend in und mit der vorhandenen„Altumgebung", also den lokal noch vorhandenen Beschichtungsresten, induktiv und schnell aufgeschmolzen und sofort eingebrannt. Die Konturen verschmelzen und verlaufen dabei miteinander, so dass ein homogener Gesamteindruck der reparierten Oberfläche entsteht. Die reparierte Teilfläche kann dabei durch geeignete Materialwahl, insbesondere der Emailspachtelmasse, hinsichtlich Farbe- gebung und/oder Oberflächeneigenschaften geeignet an die vorhandene Altoberfläche angepasst, oder aber auch gezielt von dieser unterscheidbar als eigenständiges Segment optisch hervorgehoben werden.
Insbesondere bei„kritischen", anspruchsvollen und/oder empfindlichen Technikteilen kann die Forderung bestehen, tiefer als beispielsweise 1 mm unter der Außenoberfläche liegende Gefügeschichten bei Aufbringen der Oberflächenbeschichtung zu schonen und nicht zu beschädigen. Dieser Forderung kann mit vergleichsweise hoher Energiedichte, hohen Frequenzen und gering gehaltener Einwirkzeit bei der induktiven Erwärmung Rechnung getragen werden. Vorteilhafterweise erfolgt die Wahl der Betriebsparameter, also insbesondere der Energiedichte, der Frequenz und/oder der Einwirkzeit, dabei gezielt im Hinblick auf und unter Berücksichtigung von den jeweiligen Werkstoffeigenschaften des Trägerkörpers. Beispielsweise weisen die gängigsten Trägermaterialien Stahl, Kupfer und Aluminium die folgenden Wärmeleitfähigkeiten auf (in W/(mK)): Stahl 50, Kupfer 300, Aluminium 240. Demzufolge werden vorteilhafterweise die Betriebsparameter für die Prozessführung geeignet an das Trägermaterial angepasst gewählt, um ein gleichmäßiges und reproduzierbares Aufschmelzverhalten der Emailliermasse zu erhalten.
( Auch ist eine MF - Gesamterwärmung und ein Einbrennen auf der Gesamtoberfläche im ersten Schritt vorstellbar, dem ein zweiter Schritt mit anderem Substrat und einer HF - Induktion zu gestalterischen Zwecken folgen kann.
Der Prozessablauf und die Emaillierqualität werden aus aktueller Sicht besonders geprägt und beeinflußt durch:
Material des Trägers und dessen Beschaffenheit
Qualität des Emailliermaterials (Substrat)
Umfang und Qualität der Vorbehandlungsschritte
Aufbau / Eignung des Gesamtequipments
Wahl des passenden Umrichters (Leistung , Frequenz)
Design des Induktors
Verfahrensparameter Induktion:
Kopplungsabstand
Leistung (kann auch gestuft werden!)
Einwirkzeit / Erwärmungszeit
bei Scanprozess:
Bewegungsablauf des Induktors
(Geschwindigkeit, Richtung, oszillierende Kurve)
Besonders bevorzugt wird dabei der Bewegungsablauf des Induktors relativ zur zu beschichtenden Oberfläche im Hinblick auf die weiteren Porzessparameter wie beispielsweise Behandlungstemperatur, übertragene Energie- oder Leistungsdichten und dergleichen geeignet gewählt und eingestellt. Im Hinblick auf Materialerfordernisse kann dabei beispielsweise vorgesehen sein, zu starke Temperaturunterschiede im zu beschichtenden Bauteil zwischen den aktuell induktiv erhitzten Bereichen einerseits und den aktuell nicht erhitzten Bereichen andererseits zu vermeiden, indem der Induktor schnell genug über die jeweils behandelten Raumbereiche hinweg bewegt wird. Damit können thermisch bedingte Verformungen des Materialstücks und dergleichen vermieden oder zumindest gering gehalten werden. Vortsellbar für das Bewegungsmuster des jeweiligen Induktors über der zu behandelnden Oberfläche sind beispielsweise Linear- und/oder Drehbewegungen oder auch aus diesen zusammengesetzte Bewegungsprofile.
Generell ist es möglich, ein Emailierprogramm - angepaßt an das Objekt und die spezifischen Anforderungen - in weiten Grenzen variabel zu fahren und jedem Objektpunkt be-
( stimmte Verfahrensparameter zuzuordnen. Daraus ergibt sich eine Vielzahl gestalterischer Möglichkeiten. Als besonders vorteilhaft werden dabei insbesondere angesehen:
Die Induktorgestaltung kann anwendungsbezogen vielschichtig und in breiten Variationen vorgesehen sein, beispielsweise rund, flach für Scannen, ein- und mehrwindig nach Objektgröße und Anwendung, mäanderförmiger Flächeninduktor (größere" Angriffsfläche"); objektangepasst auch halbrund, oval oder rechteckig ausgeführt
Hinsichtlich Prozessablauf und Emaillierqualität sind grundsätzlich alle Metalle günstig, besonders bevorzugt solche mit guter induktiver Ankopplung (Eisen, Stahl, Legierungen); Kupfer Alu, Edelmetalle (Kunst!), Gold, Silber, Platin.
Die Qualität des Emailliermaterials sollte gewählt werden im Hinblick auf: Zusammensetzung, Chemie, Korngößen, Vorbehandlung
Eine besonders bevorzugte Vorbehandlung des Trägermaterials umfasst: Reinigen, Waschen, Trocknen, ehem. Vorbehandlung, Entfetten
Ein relevanter Parameter für die Wahl der Betriebsparameter bei der Prozessführung ist auch die - üblicherweise frequenz- und temperaturabhängige - Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes in die Materialoberfläche. Gerade im Hinblick auf möglicherweise schonungsbedürftige tiefer liegende Gefügeschichten werden daher Behandlungstemperatur und/oder Betriebsfrequenz des Induktors besonders bevorzugt derart gewählt, dass die Eindringtiefe höchstens etwa 1 mm beträgt.
Für Kupfer als Trägermaterial bedeutet dies beispielsweise, dass bei einer Behandlungstemperatur von etwa 20°C die Betriebsfrequenz des Induktors bei etwa 10kHz oder mehr gewählt wird, bei einer Behandlungstemperatur von etwa 100°C sind für dieses Kriterium hingegen bevorzugt Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 20 kHz vorgesehen. Bei einer Behandlungstemperatur von etwa 20°C sind hingegen vorzugsweise für Stahl als Trägermaterial Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 500Hz und für Aluminium Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 1 kHz vorgesehen.
Die energetischen Vorteile sind sehr gut nachvollziehbar und können meßtechnisch im konkreten Anwendungsfall zweifelsfrei erfasst werden. Daraus resultiert unmittelbar die Umweltfreundlichkeit, denn starke Ofenerwärmung - wie auch immer - bedeutet hoher C02 - Ausstoß. Zudem ist durch die induktive Erhitzung eine besonders gute Reprodu-
( zierbarkeit im Herstellungsprozess selbst bei örtlich unterschiedlichen Anforderungen an das jeweilige Bauteil gegeben.
Drei Zahlenwerte in Gegenüberstellung verdeutlichen klar den hier aufgezeigten energetischen Vorteil:
Erwärmungsart Leistungsübertragung in W / cm2
Konvektion (Molekularbew., Mitnahme) 0,5
Strahlung (Ofen, Widerstandserw.) 8
Induktionserwärmung
(im Teil selbst, ohne Übertragungsmedium) 30 000
Vorteilhafterweise wird für den Induktor eine Betriebsfrequenz von mindestens 300 kHz gewählt. Damit kann sichergestellt werden, dass auch bei variierenden Materialien oder Umgebungsbedingungen die elektromagnetische Eindringtiefe ausreichend gering gehalten werden kann, um die Erwärmung auf den unmittelbaren Nahbereich der Oberfläche zu begrenzen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird mit Hilfe der induktiven Erwärmung eine bereits auf dem Werkstück befindliche schadhafte Emaille-Schicht repariert. Dies kann aufgrund des lokal begrenzten und damit sehr gut fokussierbaren Wärmeeintrags sehr bedarfsgerecht und damit ressourcenschonend erfolgen.
Vorteilhafterweise wird über den Induktor auf das Werkstück eine Leistungsdichte von mindestens 10 kW/cm2 induktiv übertragen. Dadurch sind die Zeitspannen, innerhalb derer erwärmungsbedingt die Schmelztemperatur des Emaillepulvers oder -schlickers erreichbar ist, besonders kurz gehalten, so dass der Wärmeeintrag auf den Oberflächenbereich begrenzt gehalten werden kann und auch insgesamt gesehen vergleichsweise gering bleibt.
Es ist gut vorstellbar, dass gezielt unter der Erkenntnis der besonderen Eigenschaften und Vorteile emaillierter Oberflächen die eingesetzten Elemente z. B. bei großflächigen Tunnelauskleidungen bei sinkenden Herstellungskosten eine enorme Belebung bewirken, aber auch bei der Fertigung vieler Behälter (Trinkwasser, Medizin usw.) wird sich der sich positiv darstellende Zeit - und Kostenfaktor absatzfördernd auswirken.
( Durch die konsequente Beschränkung des Temperatureintrags auf die eigentlichen Oberflächenbereiche des zu beschichteten Bauteils durch konsequente Nutzung des Skin- Effekts ist es zudem in besonders vorteilhafter Weiterbildung möglich, auch Oberflächen- beschichtungen in der Art eines Verbundmaterials, im Sinne einer Kombination aus Email und Metall, aufzubringen. Hierdurch oder auch durch geeignet gewählte Emaillierbe- schichtunge als solche können in besonders bevorzugter Verwendung korrosionsgefähr- dete Bauteile oder Bauteile zur Verwendung in aggressiver Umgebung, wie beispielsweise und besonders bevorzugt Formteile für Schiffsrümpfe unterhalb der Wasserlinie oder dergleichen, wirksam konserviert werden.
In alternativer besonders vorteilhafter und als eigenständig erfinderisch angesehener Verwendung wird das Konzept der induktiven Erhitzung eines Bauteils verwendet zum Pulverbeschichten / -einbrennen (bevorzugt für Fensterbänke, Fensterprofile, Fassadenelemente, Zaunelemente oder andere Baumaterialien), zum Teflonbeschichten oder zur Diamant-, Keramik- und/oder Kristallbeschichtung von Oberflächen.
Ein Ausführungbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur eine Emaillieranlage zum Beschichten eines Werkstücks.
Die Emaillieranlage 1 gemäß der Figur ist zur Aufbringung einer korrosionsschützenden Emaille-Beschichtung auf ein Werkstück 2 vorgesehen. Die Emaille-Beschichtung wird dabei hergestellt, indem zunächst ein geeignet gewählter Ausgangsstoff, insbesondere eine so genannte Emaillierpaste, auf das Werkstück 2 aufgetragen wird. Anschließend wird das Werkstück 2 in demjenigen Raumbereich, in dem die Auftragung erfolgen soll, auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Emaillierwerkstoffs aufgeheizt, so dass ein Aufschmelzen des Emaillierwerkstoffs einsetzt. Als Arbeitstemperatur wird dabei im jeweils behandelten Raumbereich eine abhängig vom Material des Werkstücks 2 gewählte Mindesttemperatur überschritten, beispielsweise für Aluminium als Material des Werkstücks 2 etwa 500°C und für Stahl als Material des Werkstücks 2 etwa 850°C.
Die Emaillieranlage 1 ist gezielt dafür ausgelegt, ein hochwertiges Beschichtungsergebnis mit homogener und qualtitativ ansprochsvoller Oberfläche bei besonders gering gehaltenem Ressourceneinsatz, also insbesondere Energieaufwand, zu erreichen. Dazu ist die Emaillieranlage 1 zur lokalen oder bereichsweisen Erwärmung des Werkstücks 2 durch elektromagnetische Induktion ausgeführt. Die Emaillieranlage 1 umfasst dabei einen Induktionskopf oder Induktor 4, der über ein elektrisches Leitungssystem 6 mit einer einen
( Umrichter und eine Steuereinheit umfassenden Energieversorgungseinheit 8 verbunden ist. Beim Betrieb wird der Induktor 4 nahe oberhalb der Oberfläche des Werkstücks 2 positioniert, so dass das vom Induktor 4 abgestrahlte elektromagnetische Wechselfeld in die Oberfläche des Werkstücks 2 einkoppelt und diese dabei erwärmt.
Der Induktor 4 kann hinsichtlich seiner Geometrie- und Gestaltungsparameter in einer Vielfalt möglicher Varianten ausgeführt sein. Insbesondere kann die laterale Ausdehnung des Induktors 4, die auch die Größe des beim Betrieb jweils simultan erwärmten Oberflächensegments des Werkstücks 2 bestimmt, je nach Anwendungsfall vergleichsweise klein (einige cm2 oder sogar darunter, ermöglicht eine lokal sehr differenzierte Bearbeitung der Werkstückoberfläche beim Emaillieren), vergleichsweise groß (beispielsweise 1000 cm2 oder sogar darüber, ermöglicht eine vergleichsweise großflächige und damit zügige Bearbeitung auch vergleichsweise großer Gesamtoberflächen) oder mit Werten zwischen diesen Grenzen ausgeführt sein.
Die Emaillieranlage 1 ist, beispielsweise mittels nicht näher dargestellter Halteeinrichtungen für den Induktor 4 und/oder das Werkstück 2, für einen so genannten„Scan-Betrieb" ausgelegt, bei dem der Induktor 4 während des Emailliervorgangs relativ zur Oberfläche des Werkstücks 2 in x- und/oder y-Richtung (in der Figur angedeutet durch die Pfeile 10) bewegt wird und die Oberfläche dabei überstreicht. Bei einem derartigen Betrieb kann der Induktor 4 nach und nach über die gesamte Oberfläche des Werkstücks 2 geführt werden, so dass diese vollständig überstrichen wird und eine vollständige Behandlung der Werkstoffoberfläche erfolgt. Alternativ kann der Induktor 4 aber auch lediglich über ausgewählten Teilen oder Segmenten der Oberfläche des Werkstücks 2 aktiviert werden, was beispielsweise für Reparaturen beschädigter Oberflächenteile oder dergleichen aufgrund des sehr bedarfsgerechten Einsatzes und damit sehr geringen Gesamt-Energieverbrauchs sehr vorteilhaft ist.
Die Bewegung des Induktors 4 über die Oberfläche des Werkstücks 2 hinweg kann beispielsweise mittels geeigneter beweglicher Halte- oder Tragarme und einer geeigneten automatisierten Ansteuerung erfolgen. In alternativer, besonders vorteilhafter und als eigenständig erfinderisch angesehener Ausführung kann der Induktor 4 aber auch als tragbares Handgerät ausgeführt sein, das manuell über die Oberfläche des Werkstücks 2 bewegt werden kann.
( Die Emaillieranlage ist für eine besonders ressourcenschonende Betriebsweise bei der Oberflächenbehandlung des Werkstücks 2 ausgelegt, bei der sowohl der Energieverbrauch als auch der Materialverbrauch bei hoher Materialqualität der Oberfläche besonders gering gehalten werden sollen. Dazu ist vorgesehen, bei der induktiven Erwärmung des Werkstücks 2 konsequent den so genannten Skin-Effekt, also die nur begrenzte Eindringtiefe elektromagnetischer Wechselfelder in metallische Oberflächen, dafür auszunutzen, die induktiv erzeugte Erwärmung möglichst auf die eigentliche Oberfläche des Werkstücks 2 zu begrenzen, ohne dass es zu einer zu hohen Erwärmung der tieferliegenden Schichten oder Raumbereiche des Werkstücks 2 kommen soll. Dazu werden die Betriebsparameter der Emaillieranlage 1 derart gewählt, dass - unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Werkstücks 2 - die Eindringtiefe höchstens etwa 1 mm beträgt.
Für Kupfer als Trägermaterial bedeutet dies beispielsweise, dass bei einer Behandlungstemperatur von etwa 20°C die Betriebsfrequenz des Induktors bei etwa 10kHz oder mehr gewählt wird, bei einer Behandlungstemperatur von etwa 100°C sind für dieses Kriterium hingegen bevorzugt Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 20 kHz vorgesehen. Bei einer Behandlungstemperatur von etwa 20°C sind hingegen vorzugsweise für Stahl als Trägermaterial Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 500Hz und für Aluminium Betriebsfrequenzen von mehr als etwa 1 kHz vorgesehen.
Um dabei auch unter variierenden Betriebsbedingungen einen echten Oberflächeneffekt sicherzustellen, wird eine Betriebsfrequenz von mindestens 300 kHz gewählt. Damit ist erreicht, dass die Eindringtiefe unter allen erwartbaren Bedingungen ausreichend klein gehalten werden kann, so dass die Erwärmung auf den unmittelbaren Oberflächenbereich begrenzt gehalten werden kann und tiefer liegende Gefügeschichten nicht nennenswert von der Erwärmung erfasst werden.
Auch die weiteren Betriebsparameter werden im Hinblick auf die vorgesehene ressourcenschonende Betriebsweise geeignet gewählt. Insbesondere wird der Induktor 4 mit einer Leistungsdichte von etwa 10 kW/cm2 (bezogen auf die abstrahlende Fläche) betrieben. Gerade in Kombination mit der vorgesehenen geringen Eindringtiefe im Werkstück 2 bedeuetet dies, dass der aufzuheizende Raumbereich im Oberflächenbereich des Werkstücks 2 einer hohen Leistungsdichte ausgesetzt wird, so dass die erforderlichen Behandlungszeiten, also insbesondere bis an der Oberfläche die Schmelztemperatur der
Emaillepaste erreicht wird, besonders kurz gehalten werden können.
( Ein besonders vorteilhafter Aspekt einer derartigen Parameterwahl besteht darin, dass infolge der gezielt auf die Oberfläche gerichteten Erwärmung auch vergleichsweise dünn gehaltene Beschichtungen erzeugt werden können, die sich in ihren Materialeigenschaften wie beispielsweise Elastizität etc. am Substrat oder Trägerkörper orientieren.
(

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines vollständig oder teilweise emaillierten Bauteils, bei dem ein Emailpulver tragendes Werkstück (2) induktiv erhitzt wird, wobei die Betriebsfrequenz des Induktors (4) im Hinblick auf die Materialeigenschaften des Werkstücks (2) derart gewählt wird, dass die elektromagnetische Eindringtiefe im Werkstück (2) höchstens 1 mm beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem für den Induktor (4) eine Betriebsfrequenz von mindestens 300 kHz gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mit Hilfe der induktiven Erwärmung eine bereits auf dem Werkstück (2) befindliche schadhafte Emaille-Schicht repariert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem über den Induktor (4) auf das Werkstück (2) eine Leistungsdichte von mindestens 10 kW/cm2 induktiv übertragen wird.
(
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