EP4023347B1 - Vorrichtung zum beschichten eines werkstücks mit mindestens einem hochleistungspolymer; beschichtungsverfahren - Google Patents

Vorrichtung zum beschichten eines werkstücks mit mindestens einem hochleistungspolymer; beschichtungsverfahren Download PDF

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EP4023347B1
EP4023347B1 EP22151781.6A EP22151781A EP4023347B1 EP 4023347 B1 EP4023347 B1 EP 4023347B1 EP 22151781 A EP22151781 A EP 22151781A EP 4023347 B1 EP4023347 B1 EP 4023347B1
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EP
European Patent Office
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radiation
workpiece
coating
performance polymer
radiation source
Prior art date
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EP4023347A1 (de
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Hendrik SÄNDKER
Jochen Stollenwerk
Jörg Zerrer
Anna Buling
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ELB Eloxalwerk Ludwigsburg Helmut Zerrer GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
ELB Eloxalwerk Ludwigsburg Helmut Zerrer GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • B05D3/065—After-treatment
    • B05D3/067—Curing or cross-linking the coating

Definitions

  • the invention is based on a device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer according to the preamble of claim 1 and a coating method according to the preamble of claim 4.
  • a promising approach for coating metallic components that have to meet a combination of functional requirements is the use of high-performance polymers as coating materials.
  • the main The functional requirements addressed by these coatings include wear and corrosion protection, friction reduction, temperature resistance and electrical insulation.
  • the high-performance polymer polyetheretherketone (PEEK) in particular is excellently suited to meeting the above-mentioned requirements due to its material properties and is already used industrially ( E. Spyrou.: Powder coatings. Chemistry and technology 3., rev. ed. Hanover 2012 ).
  • Conventional coating processes for this material primarily include powder-based layer application with subsequent melting of the applied layer using an oven process as well as powder flame spraying.
  • the polymer is applied to the workpiece in powder form by means of electrostatic coating or as a dispersion or spray application.
  • electrophoretic coating I. Corni, N. Neumann, D. Eifler, AR Boccaccini: Polyetheretherketone (PEEK) Coatings on Stainless Steel by Electrophoretic Deposition. In: Advanced Engineering Materials 10 (2008) 6, pp. 559-64 .) or printing processes (e.g. screen printing).
  • the workpiece is heated in an oven to temperatures of typically 380 to 420 °C so that the PEEK layer is completely melted.
  • heating rates are in the order of 10 K/min and holding times in the order of 30 minutes to several hours.
  • the coated workpiece is then cooled in a controlled manner. The cooling rates selected for this depend on the material used and the mass of the workpiece.
  • the coating material is applied to the workpiece by means of thermal spraying.
  • the powder is passed through a flame in a gas stream to melt it and is applied to the component in layers in a molten phase.
  • Preheating the workpiece to be coated is not absolutely necessary, but can help to improve the coating properties.
  • Victrex Europa GmbH Victrex Europa GmbH: Product brochure Vicote Flame Spray 702/705 Coatings. Quick 10 Step Guide For Optimum Results 2016
  • preheating of the workpiece to be coated to 230 °C is required in order to achieve optimum adhesion and flow properties.
  • Laser-based coating processes such as the one described in the publication DE 693 00 501 T2 disclosed laser cladding, or the method described in the publication EP 1 932 928 B1 disclosed laser peening are state of the art.
  • the coating material is applied to a workpiece, whereby the workpiece is coated or the coating is compacted by means of simultaneous irradiation of a single laser.
  • EP 2 969 256 B1 discloses a method for applying a sliding coating to a piston arrangement, wherein high-performance polymers such as PEEK are described as the coating material.
  • the coating material is cured in two subsequent steps using IR, UV or induction radiation.
  • the character of the radiation in terms of monochrome, coherence or method of generation is not further defined.
  • the invention is therefore based on the object of providing a device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer and a coating method which eliminate the disadvantages described above.
  • the object is achieved by the device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer having the features of patent claim 1 and the coating method having the features of patent claim 4.
  • the object is achieved by means of a device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer, which device has at least two radiation sources.
  • This is preferably a device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer, which preferably provides wear and corrosion protection, friction reduction, temperature resistance and/or electrical insulation, which has at least two radiation sources.
  • the first radiation source is adapted to emit radiation of a first wavelength, which is adapted for primary absorption by the workpiece and/or that the second radiation source is adapted to emit radiation of a second wavelength, which is adapted for primary absorption by the high-performance polymer and/or that a measuring device is provided for contactless measurement of thermal radiation from the workpiece and the at least one high-performance polymer, wherein the measuring device is preferably designed to regulate or control the power of the two radiation sources to a constant value of thermal radiation emitted by the workpiece and the high-performance polymer.
  • the object is achieved by means of a method in which the process energy required for coating a workpiece with at least one high-performance polymer is at least partially generated by at least two radiation sources.
  • a coating method is provided, in particular by means of a coating device according to one of claims 1 to 3, in which the process energy required for coating a workpiece with at least one high-performance polymer, preferably providing wear and corrosion protection, friction reduction, temperature resistance and/or electrical insulation, is generated at least partially by at least two radiation sources.
  • the first radiation source emits radiation of a first wavelength, which is adapted for primary absorption by the workpiece and/or that the second radiation source emits radiation of a second wavelength, which is adapted for primary absorption by the high-performance polymer, and/or that a measuring device for contactless measurement of thermal radiation from the workpiece and the at least one high-performance polymer carries out such a measurement, wherein the measuring device preferably carries out the measurement contactlessly and/or regulates or controls the power of the two radiation sources to a constant value of emitted thermal radiation from the workpiece and the high-performance polymer.
  • the device according to the invention for coating a workpiece with at least one high-performance polymer with the features of claim 1 has the advantage that the device has at least two radiation sources. These can be used simultaneously or one after the other during coating.
  • the radiation from at least one radiation source is at least partially coherent.
  • At least one radiation source is a laser.
  • the radiation from the radiation source is completely coherent.
  • another radiation source is used which generates, for example, infrared radiation, ultraviolet radiation, induction radiation, microwave radiation or particle radiation (X-rays or gamma radiation).
  • the wavelength of the radiation from at least one radiation source is in the wavelength range from 400 to 3000 nm.
  • the wavelength of the radiation from at least one radiation source is in the wavelength range from 4000 to 12000 nm.
  • the radiation from at least one radiation source is continuous or pulsed.
  • the high-performance polymer can be completely melted in order to achieve a homogeneous or porous coating.
  • the intensity of the radiation from at least one radiation source can be regulated.
  • the power of at least one radiation source can therefore also be adapted to requirements.
  • the radiation from at least one radiation source has a wavelength at which the absorption level of at least one high-performance polymer is as high as possible.
  • the radiation is thus primarily absorbed only by the high-performance polymer, whereby a targeted adjustment or regulation of the temperature of the high-performance polymer is possible.
  • the radiation from at least one radiation source has a wavelength at which the absorption level of the workpiece is as high as possible.
  • the radiation is therefore primarily absorbed only by the workpiece, which enables a targeted setting or targeted regulation of the temperature of the workpiece.
  • the device has at least one fixed optic.
  • the radiation from at least one radiation source is at least partially guided to the workpiece through a fixed optic.
  • a fixed optic has the advantage that the accuracy of the beam guidance can be optimized.
  • the device has at least one scanner system for guiding the radiation.
  • the radiation from at least one radiation source is at least partially guided over the workpiece by a scanner system. This makes it possible to scan the workpiece with the radiation and thus irradiate as many desired areas of the workpiece as possible, even if the workpiece has a complex geometry.
  • the device has at least one measuring device for measuring thermal radiation and/or temperature.
  • the temperature or thermal radiation is preferably measured contactlessly, for example by means of a pyrometer or an infrared camera.
  • the device has at least one positioning device. This allows the workpiece positioned in the required position before processing or moved during processing.
  • the device has at least one application device for applying at least one high-performance polymer to the workpiece.
  • the application of the high-performance polymer to the workpiece and the subsequent melting of the high-performance polymer can be carried out by the same machine.
  • the coating method according to the invention with the features of claim 4 has the advantage that the process energy required for coating a workpiece with at least one high-performance polymer is at least partially generated by at least two radiation sources. At least two radiation sources are used simultaneously or one after the other at different times.
  • At least one high-performance polymer is applied to the workpiece in a preceding method step.
  • the high-performance polymer which is preferably a polymer powder, is applied to the workpiece, for example, as a powder-based dispersion by means of electrostatic spraying or as a preferably water-based dispersion by means of spraying, printing, dipping or doctor blade methods.
  • At least one radiation source radiates at least partially coherently.
  • a laser is used as at least one radiation source.
  • the radiation from the radiation source is completely coherent.
  • another radiation source is used which generates, for example, infrared radiation, ultraviolet radiation, induction radiation, microwave radiation or particle radiation (X-rays or gamma radiation).
  • At least one radiation source radiates in the wavelength range from 400 to 3000 nm.
  • At least one radiation source radiates in the wavelength range from 4000 to 12000 nm.
  • the radiation from at least one radiation source is modulated temporally and/or spatially.
  • the radiation can thus be continuous, pulsed, of increasing intensity and/or decreasing intensity.
  • the intensity of at least one radiation source is regulated during coating. This enables a continuous change and/or switching of the radiation during coating from continuous, pulsed, increasing intensity and/or decreasing intensity.
  • At least one radiation source is regulated such that a constant temperature is present on the surface of the workpiece.
  • the radiation from at least one radiation source is primarily absorbed by at least one high-performance polymer. This makes it possible to specifically adjust or regulate the temperature of the high-performance polymer.
  • the radiation from at least one radiation source is primarily absorbed by the workpiece. This makes it possible to specifically adjust or regulate the temperature of the workpiece.
  • the radiation from at least one radiation source is guided at least partially onto the workpiece by means of a fixed optics system.
  • a fixed optics system has the advantage that the accuracy of the beam guidance can be optimized.
  • the radiation from at least one radiation source is at least partially guided over the workpiece by means of a scanner system.
  • a scanner system By moving the radiation using a scanner system, the point that is hit by the radiation can be varied, so that the workpiece can be scanned with the radiation and thus as many desired points on the workpiece as possible can be irradiated, even if the workpiece has a complex geometry.
  • the thermal radiation of the workpiece and/or at least one high-performance polymer is measured without contact. This is possible, for example, using a pyrometer or an infrared camera, although other contactless methods of measuring thermal radiation or temperature are also conceivable.
  • the workpiece is aligned and/or guided by means of at least one positioning device.
  • the workpiece can thus be moved or positioned into the position required for the coating method.
  • the position of the workpiece can thus also be changed during coating.
  • a device for coating a workpiece with at least one high-performance polymer according to one of claims 1 to 14 is used in the coating method.
  • Fig.1 shows a structure for carrying out the coating method according to the invention or the device according to the invention for coating a workpiece 4a with at least one high-performance polymer 4b.
  • two radiation sources 1 and 2 and the measuring device 3 for measuring thermal radiation and/or temperature are arranged above the workpiece 4a to be coated.
  • the high-performance polymer 4b is already applied to the workpiece 4a.
  • the workpiece 4a is brought to the correct position by means of a positioning device 5 so that the workpiece 4a or a desired position on the workpiece 4a and the high-performance polymer 4b are hit by the beams 6 and 7 from the radiation sources 1 and 2.
  • the measuring device 3 measures the thermal radiation 9 emitted by the workpiece 4a and the high-performance polymer 4b. It is also conceivable that the thermal radiation 8 is measured coaxially to the beam path of the radiation 6, but can also be measured laterally to the beam path of the radiation 6.
  • the two beams of radiation 6 and 7 are modulated separately in time and space.
  • the wavelengths are preferably chosen so that one beam is absorbed primarily by the high-performance polymer 4b and the other beam is absorbed primarily by the workpiece 4a.
  • the wavelength of one beam 6 or 7 is preferably in the wavelength range from 400 to 3000 nm and the wavelength of a second Radiation 6 or 7 in the range from 4000 to 12000 nm.
  • the radiation 6 and 7 is preferably continuous or modulated or pulsed on a time scale in the range of > 10 ns.
  • the workpiece 4a to be coated is either moved into a fixed processing position by means of a manual or automated positioning device 5 (preferably a robot or axis system) or is moved and/or rotated in at least one dimension (including rotation) during the coating process.
  • the application of the high-performance polymer 4b e.g. a polymer powder, takes place in a previous step.
  • the application method preferably comprises the application of a (preferably water-based) dispersion by means of spraying, printing, dipping or doctor blade methods or the application of a polymer-based powder mixture by means of electrostatic spraying.
  • the power of at least one radiation source 1 or 2 is regulated or controlled in such a way that a constant value results for the thermal radiation 8, 9 emitted by the workpiece 4a and high-performance polymer 4b.
  • the regulation or monitoring of the thermal radiation 8, 9 or the temperature is carried out contactlessly by means of pyrometry or camera-based (e.g. IR camera).
  • the central effect of the coating method according to the invention is a temporal and spatial control of the temperature profiles in the workpiece 4a and high-performance polymer 4b during the coating process.
  • a silane and/or siloxane compound a metal alcoholate or other organic solvents is not necessary and is not desired.
  • adhesive coatings can also be produced without these components.
  • the addition of laser absorbers such as soot is not necessary to enable energy deposition in the high-performance polymer 4b.
  • the coating process preferably monitored by detecting the emitted heat radiation 8, 9 from the workpiece 4a and high-performance polymer 4b, a homogeneous processing result in terms of adhesion, porosity and surface topography can be ensured.
  • the melting of the high-performance polymer 4b can be limited in time and space, which enables the site-selective production of coatings.
  • the temperature load is reduced compared to the oven process described above. This makes it possible to coat temperature-sensitive materials. By reducing the thermal load, the course of the microhardness and the heat-affected zone in the base material usually differs significantly.
  • the porosity of the coating can be controlled depending on location and time.
  • the coating process preferably takes place in a normal atmosphere; a protective gas or vacuum atmosphere is not required.
  • this range is between 1 and 50 ⁇ m.
  • this range is extended upwards to at least 250 ⁇ m.
  • the technical field of application is the production of functional coatings on metallic components, in particular the production of tribological and anti-corrosive coatings.
  • the metallic components to be coated can be selected independently of material, geometry and application.
  • the coating process according to the invention is preferably used for coating light metals such as aluminum, magnesium and titanium as well as steel alloys.
  • the application includes in particular components subject to tribological and corrosive stress, but is not limited to these. An increase in energy efficiency in the coating process is also to be emphasized, since preheating is not necessary.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einem Beschichtungsverfahren nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 4.
  • Ein vielversprechender Ansatz für die Beschichtung metallischer Komponenten, an die eine Kombination von funktionalen Anforderungen gestellt wird, besteht in der Verwendung von Hochleistungspolymeren als Beschichtungswerkstoff. Die wesentlichen mit diesen Beschichtungen adressierten funktionalen Anforderungen umfassen Verschleiß- und Korrosionsschutz, Reibungsreduzierung, Temperaturbeständigkeit und elektrische Isolation. Insbesondere das Hochleistungspolymer Polyetheretherketon (PEEK) ist aufgrund seiner Materialeigenschaften exzellent für die Erfüllung der genannten Anforderungen geeignet und wird bereits industriell verwendet (E. Spyrou.: Powder coatings. Chemistry and technology 3., rev. ed. Hanover 2012).
  • Konventionelle Beschichtungsverfahren umfassen für diesen Werkstoff primär die pulverbasierte Schichtapplikation mit anschließendem Aufschmelzen der applizierten Schicht mittels Ofenverfahren sowie das Pulverflammspritzen.
  • Für das ofenbasierte Beschichtungsverfahren wird das Polymer in Pulverform mittels elektrostatischer Beschichtung oder als Dispersion respektive Sprühauftrag auf das Werkstück appliziert. Weitere, industriell weniger relevante Methoden des Materialauftrags sind elektrophoretische Beschichtung (I. Corni, N. Neumann, D. Eifler, A. R. Boccaccini: Polyetheretherketone (PEEK) Coatings on Stainless Steel by Electrophoretic Deposition. In: Advanced Engineering Materials 10 (2008) 6, S. 559-64.) oder Druckverfahren (z.B. Siebdruck). Im Anschluss an den Materialauftrag wird das Werkstück in einem Ofen auf Temperaturen von typischerweise 380 bis 420 °C erhitzt, sodass die PEEK-Schicht vollständig aufgeschmolzen wird. Typischerweise verwendete Aufheizraten liegen in der Größenordnung 10 K/min und Haltezeiten in der Größenordnung von 30 min bis zu einigen Stunden. Anschließend wird das beschichtete Werkstück kontrolliert abgekühlt. Die dafür gewählten Abkühlraten hängen von dem verwendeten Material sowie der Masse des Werkstückes ab.
  • Beim Pulverflammspritzen wird das Beschichtungsmaterial mittels thermischen Spritzens auf das Werkstück aufgebracht. Dabei wird das Pulver zum Aufschmelzen in einem Gasstrom durch eine Flamme geführt und schichtweise in schmelzflüssiger Phase auf das Bauteil appliziert. Eine Vorwärmung des zu beschichtenden Werkstückes ist nicht zwingend erforderlich, kann aber zu einer Verbesserung der Schichteigenschaften beitragen. Gemäß des Pulverherstellers Victrex Europa GmbH (Victrex Europa GmbH: Produktbroschüre Vicote Flame Spray 702/705 Coatings. Quick 10 Step Guide For Optimum Results 2016) ist für die Beschichtung von Aluminium mit PEEK eine Vorwärmung des zu beschichtenden Werkstückes auf 230 °C erforderlich, um optimale Haftung und Fließeigenschaften zu erzielen. Für Stahl wird eine Vorwärmung von bis zu 370 °C empfohlen (Victrex Europa GmbH: Produktbroschüre Vicote Flame Spray 702/705 Coatings. Quick 10 Step Guide For Optimum Results 2016; P. Vuoristo: Thermal Spray Coating Processes. In: S. Hashmi, G. F. Batalha, C. J. Van Tyne, B. S. Yilbas (Hrsg.): Comprehensive materials processing. Oxford, Walltham, MA 2014).
  • Beide genannten Verfahren sind nicht für die Herstellung dichter und haftfester Beschichtungen auf temperaturempfindlichen Grundmaterialien geeignet, bei denen eine Erwärmung über die Schmelztemperatur des Polymers (ca. 340 °C für PEEK) zu einer funktionsrelevanten Veränderung der Eigenschaften führt. Neben der durch den Einsatz von Ofenverfahren geringen Energieeffizienz sind darüber hinaus ortsselektive Beschichtungen oftmals mit einem großen technischen und wirtschaftlichen Aufwand verbunden. Eine gezielte Einstellung der Porosität, insbesondere in Ortsabhängigkeit ist prozessbedingt nicht möglich.
  • Auch laserbasierte Beschichtungsverfahren, wie z. B. das in der Druckschrift DE 693 00 501 T2 offenbarte Laserauftragschweißen, oder das in der Druckschrift EP 1 932 928 B1 offenbarte Laser-Peening, gehören zum Stand der Technik. Hierbei wird das Beschichtungsmaterial auf ein Werkstück appliziert, wobei mittels gleichzeitiger Bestrahlung eines einzigen Lasers das Werkstück beschichtet wird bzw. die Beschichtung verdichtet wird.
  • Die Druckschrift EP 2 969 256 B1 offenbart ein Verfahren zum Auftragen einer Gleitbeschichtung auf eine Kolbenanordnung, wobei Hochleistungspolymere wie PEEK als Beschichtungsmaterial beschrieben werden. Dabei wird das Beschichtungsmaterial in zwei nachfolgenden Schritten mittels IR-, UV- oder Induktionsstrahlung ausgehärtet. Der Charakter der Strahlung hinsichtlich Monochromie, Kohärenz bzw. Erzeugungsmethode wird dabei nicht näher definiert.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer und ein Beschichtungsverfahren zur Verfügung zu stellen, die die oben beschriebenen Nachteile ausräumen.
  • Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und das Beschichtungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mittels einer Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer gelöst, welche mindestens zwei Strahlungsquellen aufweist.
  • Diese ist vorzugsweise eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem vorzugsweise Verschleiß- und Korrosionsschutz, Reibungsreduzierung, Temperaturbeständigkeit und/oder elektrische Isolation bereitstellendem Hochleistungspolymer, welche mindestens zwei Strahlungsquellen aufweist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die erste Strahlungsquelle angepasst ist, Strahlung einer ersten Wellenlänge abzugeben, welche zur vorrangigen Absorption durch das Werkstück angepasst ist und/oder, dass die zweite Strahlungsquelle angepasst ist, Strahlung einer zweiten Wellenlänge abzugeben, welche zur vorrangigen Absorption durch das Hochleistungspolymer angepasst ist und/oder, dass eine Messvorrichtung zur kontaktlosen Messung von Wärmestrahlung des Werkstücks und des mindestens einen Hochleistungspolymers bereitgestellt ist, wobei die Messeinrichtung vorzugsweise ausgebildet ist, die Leistung der zwei Strahlungsquellen auf einen konstanten Wert emittierter Wärmestrahlung von Werkstück und Hochleistungspolymer zu regeln oder zu steuern.
  • Weiterhin wird die Aufgabe mittels eines Verfahrens gelöst, bei welchem die für das Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer benötigte Prozessenergie zumindest teilweise von mindestens zwei Strahlungsquellen erzeugt wird.
  • Vorzugsweise ist ein Beschichtungsverfahren vorgesehen, insbesondere mittels einer Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die für das Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem vorzugsweise Verschleiß- und Korrosionsschutz, Reibungsreduzierung, Temperaturbeständigkeit und/oder elektrische Isolation bereitstellendem Hochleistungspolymer benötigte Prozessenergie zumindest teilweise von mindestens zwei Strahlungsquellen erzeugt wird. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die erste Strahlungsquelle Strahlung einer ersten Wellenlänge abgibt, welche zur vorrangigen Absorption durch das Werkstück angepasst wird und/oder, dass die zweite Strahlungsquelle Strahlung einer zweiten Wellenlänge abgibt, welche zur vorrangigen Absorption durch das Hochleistungspolymer angepasst wird, und/oder, dass eine Messvorrichtung zur kontaktlosen Messung von Wärmestrahlung des Werkstücks und des mindestens einen Hochleistungspolymers eine solche Messung durchführt, wobei die Messvorrichtung vorzugsweise die Messung kontaktlos ausführt und/oder die Leistung der zwei Strahlungsquellen auf einen konstanten Wert emittierter Wärmestrahlung von Werkstück und Hochleistungspolymer regelt oder steuert.
    • Die Erfindung und ihre Vorteile
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Vorrichtung mindestens zwei Strahlungsquellen aufweist. Diese können beim Beschichten zeitgleich oder zeitversetzt nacheinander eingesetzt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle zumindest teilweise kohärent.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens eine Strahlungsquelle ein Laser. In diesem Fall ist die Strahlung der Strahlungsquelle vollständig kohärent. Es ist aber auch denkbar, dass eine andere Strahlungsquelle verwendet wird, die beispielsweise Infrarotstrahlung, ultraviolette Strahlung, Induktionsstrahlung, Mikrowellenstrahlung oder Teilchenstrahlung (Röntgen- oder Gammastrahlung) erzeugt.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Wellenlänge der Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 400 bis 3000 nm.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Wellenlänge der Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 4000 bis 12000 nm.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle kontinuierlich oder gepulst. So kann das Hochleistungspolymer vollständig aufgeschmolzen werden, um eine homogene oder eine poröse Beschichtung zu erreichen.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle in ihrer Intensität reguliert werden. Somit kann auch die Leistung mindestens einer Strahlungsquelle den Erfordernissen angepasst werden.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle eine Wellenlänge auf, bei der der Absorptionsgrad mindestens eines Hochleistungspolymers möglichst groß ist. Somit wird die Strahlung vorrangig nur von dem Hochleistungspolymer absorbiert, wodurch ein gezieltes Einstellen bzw. eine gezielte Regulierung der Temperatur des Hochleistungspolymers möglich ist.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle eine Wellenlänge auf, bei der der Absorptionsgrad des Werkstücks möglichst groß ist. Somit wird die Strahlung vorrangig nur von dem Werkstück absorbiert, wodurch ein gezieltes Einstellen bzw. eine gezielte Regulierung der Temperatur des Werkstücks möglich ist.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens eine Festoptik auf. Die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle wird zumindest teilweise durch eine Festoptik auf das Werkstück geführt. Eine Festoptik hat den Vorteil, dass die Genauigkeit der Strahlführung optimiert werden kann.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens ein Scannersystem zum Führen der Strahlung auf. Die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle wird zumindest teilweise durch ein Scannersystem über das Werkstück geführt. Damit ist ein Abscannen des Werkstücks mit der Strahlung und somit ein Bestrahlen von möglichst allen gewünschten Stellen des Werkstücks möglich, auch wenn dieses eine komplexe Geometrie aufweist.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens eine Messvorrichtung zur Messung von Wärmestrahlung und/oder Temperatur auf. Bevorzugt wird die Temperatur bzw. die Wärmestrahlung kontaktlos, beispielsweise mittels eins Pyrometers oder einer Infrarot-Kamera, gemessen.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens eine Positioniervorrichtung auf. Damit kann das Werkstück vor der Bearbeitung in die erforderliche Position positioniert bzw. während der Bearbeitung bewegt werden.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens eine Auftragvorrichtung zum Applizieren mindestens eines Hochleistungspolymers auf das Werkstück auf. Somit kann das Applizieren des Hochleistungspolymers auf das Werkstück und das anschließende Aufschmelzen des Hochleistungspolymers von derselben Maschine bewerkstelligt werden.
  • Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 hat demgegenüber den Vorteil, dass die für das Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer benötigte Prozessenergie zumindest teilweise von mindestens zwei Strahlungsquellen erzeugt wird. Dabei werden mindestens zwei Strahlungsquellen zeitgleich oder zeitversetzt hintereinander eingesetzt.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird in einem vorangegangenen Verfahrensschritt mindestens ein Hochleistungspolymer auf das Werkstück appliziert. Das Hochleistungspolymer, das bevorzugt ein Polymerpulver ist, wird beispielsweise als pulverbasierte Dispersion mittels elektrostatischem Sprühen oder als vorzugsweise wasserbasierte Dispersion mittels Sprüh-, Druck-, Tauch,- oder Rakelverfahren auf das Werkstück appliziert.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens strahlt mindestens eine Strahlungsquelle zumindest teilweise kohärent.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird ein Laser als mindestens eine Strahlungsquelle verwendet. In diesem Fall ist die Strahlung der Strahlungsquelle vollständig kohärent. Es ist aber auch denkbar, dass eine andere Strahlungsquelle verwendet wird, die beispielsweise Infrarotstrahlung, ultraviolette Strahlung, Induktionsstrahlung, Mikrowellenstrahlung oder Teilchenstrahlung (Röntgen- oder Gammastrahlung) erzeugt.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens strahlt mindestens eine Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 400 bis 3000 nm.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens strahlt mindestens eine Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 4000 bis 12000 nm.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Strahlung von mindestens einer Strahlungsquelle zeitlich und/oder örtlich moduliert. Die Strahlung kann somit kontinuierlich, gepulst, von ansteigender Intensität und/oder absteigender Intensität sein.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Intensität mindestens einer Strahlungsquelle während des Beschichtens reguliert. Damit ist ein kontinuierlicher Wechsel und/oder ein Umschalten der Strahlung während des Beschichtens von kontinuierlich, gepulst, ansteigender Intensität und/oder absteigender Intensität möglich.
  • Nach einer diesbezüglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird mindestens eine Strahlungsquelle derart reguliert, dass auf der Oberfläche des Werkstücks eine konstante Temperatur vorliegt.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle vorrangig von mindestens einem Hochleistungspolymer absorbiert. Damit ist ein gezieltes Einstellen bzw. eine gezielte Regulierung der Temperatur des Hochleistungspolymers möglich.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle vorrangig vom Werkstück absorbiert. Damit ist ein gezieltes Einstellen bzw. eine gezielte Regulierung der Temperatur des Werkstücks möglich.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle zumindest teilweise mittels einer Festoptik auf das Werkstück geführt. Eine Festoptik hat den Vorteil, dass die Genauigkeit der Strahlführung optimiert werden kann.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle zumindest teilweise mittels eines Scannersystems über das Werkstück geführt. Durch das Verfahren der Strahlung mittels eines Scannersystems kann die Stelle die von der Strahlung getroffen wird variiert werden, so dass ein Abscannen des Werkstücks mit der Strahlung und somit ein Bestrahlen von möglichst allen gewünschten Stellen des Werkstücks möglich ist, auch wenn dieses eine komplexe Geometrie aufweist.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Wärmestrahlung des Werkstücks und/oder mindestens eines Hochleistungspolymers kontaktlos gemessen. Dies ist beispielsweise mittels eines Pyrometers oder einer Infrarot-Kamera möglich, wobei auch andere kontaktlose Messmethoden der Wärmestrahlung bzw. der Temperatur denkbar sind.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird das Werkstück mittels mindestens einer Positioniervorrichtung ausgerichtet und/oder geführt. Das Werkstück kann damit in die für das Beschichtungsverfahren erforderliche Position bewegt bzw. positioniert werden. Die Position des Werkstücks kann damit auch während des Beschichtens verändert werden.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird beim Beschichtungsverfahren eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer nach einem der Ansprüche 1 bis 14 verwendet.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen entnehmbar.
    • Zeichnung
  • Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks mit mindestens einem Hochleistungspolymer.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Fig. 1 zeigt einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks 4a mit mindestens einem Hochleistungspolymer 4b. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Strahlungsquellen 1 und 2 und die Messvorrichtung 3 zur Messung von Wärmestrahlung und/oder Temperatur über dem zu beschichtenden Werkstück 4a angeordnet. Das Hochleistungspolymer 4b ist bereits auf dem Werkstück 4a appliziert. Das Werkstück 4a wird mittels einer Positioniervorrichtung 5 an die richtige Stelle gebracht, so dass das Werkstück 4a bzw. eine gewünschte Stelle des Werkstücks 4a und das Hochleistungspolymer 4b von den Strahlen 6 und 7 der Strahlungsquellen 1 und 2 getroffen werden. Die Messvorrichtung 3 misst dabei die vom Werkstück 4a und dem Hochleistungspolymer 4b emittierte Wärmestrahlung 9. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Messung der Wärmestrahlung 8 koaxial zum Strahlengang der Strahlung 6 erfolgt, kann jedoch auch lateral zum Strahlengang der Strahlung 6 erfolgen.
  • Die beiden Strahlen der Strahlung 6 und 7 werden separat zeitlich und örtlich moduliert. Die Wellenlängen werden dabei vorzugsweise so gewählt, dass der eine Strahl vorrangig vom Hochleistungspolymer 4b und der andere Strahl vorrangig vom Werkstück 4a absorbiert wird. Die Wellenlänge einer Strahlung 6 oder 7 liegt vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 400 bis 3000 nm und die Wellenlänge einer zweiten Strahlung 6 oder 7 im Bereich von 4000 bis 12000 nm. Die Strahlung 6 und 7 ist in beiden Fällen vorzugsweise kontinuierlich oder auf einer Zeitskala im Bereich von > 10 ns moduliert bzw. gepulst. Das zu beschichtende Werkstück 4a wird mittels einer manuellen oder automatisierbaren Positioniervorrichtung 5 (vorzugsweise Roboter oder Achssystem) entweder in eine fixe Bearbeitungsposition bewegt oder während des Beschichtungsprozesses mittels diesem in mindestens einer Dimension (inklusive Rotation) bewegt und/oder gedreht. Die Applikation des Hochleistungspolymers 4b, z. B. eines Polymerpulvers, findet in einem vorangegangenen Schritt statt. Die Applikationsmethode umfasst vorzugsweise den Auftrag einer (vorzugsweise wasserbasierten) Dispersion mittels Sprüh-, Druck-, Tauch- oder Rakelverfahren oder den Auftrag einer polymerbasierten Pulvermischung mittels elektrostatischen Sprühens.
  • Während des Beschichtungsprozesses wird für mindestens eine Strahlungsquelle 1 oder 2 die Leistung so geregelt oder gesteuert, dass ein konstanter Wert für die vom Werkstück 4a und Hochleistungspolymer 4b emittierte Wärmestrahlung 8, 9 resultiert. Die Regelung oder Überwachung der Wärmestrahlung 8, 9 bzw. der Temperatur erfolgt dabei berührungslos mittels Pyrometrie oder kamerabasiert (z.B. IR-Kamera).
  • Die zentrale Wirkung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens besteht in einer zeitlichen und örtlichen Steuerung der Temperaturprofile im Werkstück 4a und Hochleistungspolymer 4b während des Beschichtungsprozesses. Durch die Verwendung von (vorzugsweise wasserbasierten) Hochleistungspolymer-Dispersionen bei der Schichtapplikation sind die Beimischung einer Silan- und/oder Siloxanverbindung, eines Metallalkoholats oder sonstiger organischer Lösungsmittel nicht erforderlich und werden nicht angestrebt. Mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren können auch ohne diese Bestandteile haftfeste Beschichtungen hergestellt werden.
  • Durch die Verwendung von zwei Wellenlängen ist eine Beimischung von Laserabsorbern wie Ruß nicht erforderlich, um eine Energiedeposition im Hochleistungspolymer 4b zu ermöglichen. Durch die Steuerung bzw. Regelung des Beschichtungsprozesses, vorzugsweise überwacht durch Detektion der emittierten Wärmestrahlung 8, 9 vom Werkstück 4a und Hochleistungspolymer 4b, kann ein homogenes Bearbeitungsergebnis bezüglich Haftung, Porosität und Oberflächentopographie sichergestellt werden.
  • Das Schmelzen des Hochleistungspolymers 4b kann zeitlich und örtlich begrenzt werden, wodurch die ortsselektive Herstellung von Beschichtungen ermöglicht wird.
  • Die Temperaturbelastung wird im Vergleich zum oben beschriebenen Ofenverfahren reduziert. Somit ist die Beschichtung von temperaturempfindlichen Materialien möglich. Durch die Reduzierung der thermischen Belastung unterscheidet sich der Verlauf der Mikrohärte sowie der Wärmeeinflusszone im Grundmaterial in der Regel signifikant.
  • Durch die zeitlich veränderlichen Beschichtungsverfahrensparameter kann die Porosität der Beschichtung orts- und zeitabhängig gesteuert werden.
  • Der Beschichtungsprozess findet vorzugsweise an Normalatmosphäre statt, eine Schutzgas- oder Vakuumatmosphäre ist nicht erforderlich.
  • Im Vergleich zum Beschichtungsverfahren mittels eines einzigen Laserstrahls resultiert eine größere Spanne der realisierbaren Schichtdicken. Diese liegt für einen einzigen Laserstrahl im Bereich von 1 bis 50 µm. Mittels des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird dieser Bereich nach oben auf mindestens 250 µm erweitert.
  • Das technische Anwendungsfeld besteht in der Herstellung funktionaler Beschichtungen auf metallischen Komponenten, insbesondere in der Herstellung tribologischer und antikorrosiver Beschichtungen. Die zu beschichtenden metallischen Bauteile können unabhängig von Material, Geometrie und Anwendungsfall gewählt werden. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren für die Beschichtung von Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium und Titan sowie Stahllegierungen verwendet. Der Anwendungsfall umfasst dabei insbesondere tribologisch und korrosiv beanspruchte Komponenten, ist aber nicht auf diese beschränkt. Ebenso ist eine Energieeffizienzsteigerung im Beschichtungsprozess hervorzuheben, da eine Vorwärmung nicht erforderlich ist.
  • Alle hier dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
    • Bezuaszahlenliste
    • 1 Strahlungsquelle
    • 2 Strahlungsquelle
    • 3 Messvorrichtung
    • 4a Werkstück
    • 4b Hochleistungspolymer
    • 5 Positioniervorrichtung
    • 6 Strahlung
    • 7 Strahlung
    • 8 Wärmestrahlung
    • 9 Wärmestrahlung

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks (4a) mit mindestens einem Verschleiß- und Korrosionsschutz, Reibungsreduzierung, Temperaturbeständigkeit und/oder elektrische Isolation bereitstellendem Hochleistungspolymer (4b), welche mindestens zwei Strahlungsquellen (1, 2) aufweist
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Strahlungsquelle angepasst ist, Strahlung einer ersten Wellenlänge abzugeben, welche zur vorrangigen Absorption durch das Werkstück (4a) angepasst ist
    dass die zweite Strahlungsquelle angepasst ist, Strahlung einer zweiten Wellenlänge abzugeben, welche zur vorrangigen Absorption durch das Hochleistungspolymer (4b) angepasst ist,
    dass eine Messvorrichtung (3) zur kontaktlosen Messung von Wärmestrahlung (9) des Werkstücks (4a) und des mindestens einen Hochleistungspolymers (4b) bereitgestellt ist, wobei die Messeinrichtung (3) ausgebildet ist, die Leistung der zwei Strahlungsquellen (1, 2) auf einen konstanten Wert emittierter Wärmestrahlung von Werkstück (4a) und Hochleistungspolymer (4b) zu regeln oder zu steuern.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlung (6, 7) mindestens einer Strahlungsquelle (1, 2) kohärent ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) ein Laser ist.
  4. Beschichtungsverfahren, insbesondere mittels einer Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem
    die für das Beschichten eines Werkstücks (4a) mit mindestens einem Verschleiß- und Korrosionsschutz, Reibungsreduzierung, Temperaturbeständigkeit und/oder elektrische Isolation bereitstellendem Hochleistungspolymer (4b) benötigte Prozessenergie zumindest teilweise von mindestens zwei Strahlungsquellen (1, 2) erzeugt wird
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Strahlungsquelle Strahlung einer ersten Wellenlänge abgibt, welche zur vorrangigen Absorption durch das Werkstück (4a) angepasst wird,
    dass die zweite Strahlungsquelle Strahlung einer zweiten Wellenlänge abgibt, welche zur vorrangigen Absorption durch das Hochleistungspolymer (4b) angepasst wird,
    dass eine Messvorrichtung (3) zur kontaktlosen Messung von Wärmestrahlung (9) des Werkstücks (4a) und des mindestens einen Hochleistungspolymers (4b) eine solche Messung durchführt, wobei die Messvorrichtung (3) die Messung kontaktlos ausführt und die Leistung der zwei Strahlungsquellen (1, 2) auf einen konstanten Wert emittierter Wärmestrahlung (9) von Werkstück (4a) und Hochleistungspolymer (4b) regelt oder steuert.
  5. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in einem vorangegangenen Verfahrensschritt mindestens ein Hochleistungspolymer (4b) auf das Werkstück (4a) appliziert wird.
  6. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) kohärent strahlt.
  7. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Laser als mindestens eine Strahlungsquelle (1, 2) verwendet wird.
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