EP3329030B1

EP3329030B1 - Verfahren und vorrichtung zum beschichten einer oberfläche

Info

Publication number: EP3329030B1
Application number: EP16748091.2A
Authority: EP
Inventors: Ronald GÖLZ; Wolfram Wagener; Jochen ZIERHUT
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2036-07-28
Also published as: EP3329030A1; US11013099B2; CN107530724A; WO2017017215A1; US20180077787A1; DE102015112540A1; CN107530724B

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mittels eines Beschichtungspartikel enthaltenden Beschichtungsstrahls, wobei der Beschichtungsstrahl von einer Spritzeinrichtung unter einem Spritzwinkel auf die Oberfläche gerichtet wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche mittels eines Beschichtungspartikel enthaltenden Beschichtungsstrahls, wobei der Beschichtungsstrahl von einer Spritzeinrichtung unter einem Spritzwinkel auf die Oberfläche gerichtet wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Das gattungsgemäße Verfahren wird eingesetzt zum Beschichten einer Oberfläche, wobei der Beschichtungspartikel enthaltende Beschichtungsstrahl von einer Spritzeinrichtung unter einem vorgegebenen Spritzwinkel auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet wird.
Beim Beschichten von Bauteilen, insbesondere beim thermischen Beschichten, wird stets eine gleichmäßige und in ihrer Qualität homogen beschichtete Oberfläche angestrebt. Dies trifft insbesondere beim Innenbeschichten von Zylindern einer Kolben-Zylinder-Anordnung, wie sie beispielsweise in Brennkraftmaschinen vorgesehen sind, zu. Ein entscheidendes Qualitätskriterium bei einem solchen Beschichtungsvorgang, insbesondere beim thermischen Beschichten, ist der Auftreffwinkel des Beschichtungsstrahls auf die zu beschichtende Oberfläche und eventuell auch die Geschwindigkeit der Beschichtungspartikel des Beschichtungsstrahls. Durch Verschleiß, Montagefehler, Parameterverwechslung oder falsche Handhabung kann es möglich sein, dass der gewünschte Auftreffwinkel des Beschichtungsstrahls auf die zu beschichtende Oberfläche nicht korrekt realisiert wird, obwohl alle Prozess- und Spritzparameter korrekt eingestellt sind. Sobald jedoch der Auftreffwinkel des Beschichtungsstrahls auf die zu beschichtende Oberfläche außerhalb vordefinierter Grenzen liegt, ist die Qualität der Oberflächenbeschichtung verändert, da die auftreffenden Beschichtungspartikel in einem ungeeigneten Winkel oder mit einer ungeeigneten Geschwindigkeit auf die Oberfläche auftreffen. Derartige Fehler können dazu führen, dass das zu beschichtende Bauteil in der Qualitätskontrolle als "Ausschuss" bewertet wird, obwohl die Prozess- und Spritzparameter korrekt eingestellt gewesen sind.

STAND DER TECHNIK

Es ist aus der DE 199 10 892 A1 bekannt, mittels eines thermischen Beschichtungsvorgangs eine Beschichtung auf der Oberfläche eines Substrats zu erzeugen, wobei mittels einer digitalen Kamera zumindest ein die Qualität der Spritzschicht beeinflussendes Merkmal des thermischen Spritzprozesses erfasst, kontrolliert und/oder überwacht wird.
Die DE 198 20 195 A1 zeigt und beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen, wobei in einem im Wesentlichen horizontal verlaufenden Plasmastrahl von oben ein zu verspritzendes Pulver eingedüst wird. Dabei wird mittels einer Kamera überwacht, ob das von oben in den Plasmastrahl eingebrachte Pulver im Zentrum des Plasmastrahls aufgeschmolzen wird oder - was unerwünscht ist - nicht in den Plasmastrahl eindringt oder durch den Plasmastrahl hindurchgeblasen wird. Das von der Kamera erfasste Bild wird verwendet, um eine optimale Einblasung des Pulvers in den Plasmastrahl einstellen zu können. Eine Ablenkung des Plasmastrahls erfolgt hier nicht. Allerdings wird allgemein erwähnt, dass mittels einer digitalen Kamera zumindest ein die Qualität der Spritzschicht beeinflussendes Merkmal des thermischen Spritzprozesses erfasst, kontrolliert und/oder überwacht werden kann, wobei als ein derartiges die Qualität der Spritzschicht beeinflussendes Merkmal unter anderem auch der Spritzwinkel als Winkel zwischen Spritzstrahl und Substrahloberfläche beiläufig erwähnt wird.
Auch die US 2006/0198944 A1 zeigt und beschreibt eine Vorrichtung zum Plasmaspritzen, bei der in einen horizontal auf eine Abscheideoberfläche gerichteten Plasmastrahl von der Seite Pulverpartikel in den Plasmastrahl eingedüst werden. Durch diese schräge Eindüsung der Pulverpartikel in den Plasmastrahl werden die Pulverpartikel, die im Plasmastrahl aufgeschmolzen werden, unter einem Winkel auf die Oberfläche gesprüht, der von der horizontalen Richtung des Plasmastrahls abweicht.
Die US 5,047,612 A zeigt und beschreibt ebenfalls eine Plasmasprühvorrichtung, bei der auf einer Oberfläche abzuscheidende Pulverpartikel unter einem Winkel von 90° in einen horizontal auf die Abscheideoberfläche gerichteten Plasmastrahl injiziert werden. Eine Kamera ist auf die Abscheideoberfläche gerichtet und erfasst das auf der Abscheideoberfläche abgeschiedene Pulver.
Die US 2004/0245354 A1 zeigt und beschreibt ein Verfahren zur Überwachung eines Sprühprozesses, wobei die Partikelverteilung eines partikelaufweisenden Sprühstrahls mittels eines Partikelanalysers ermittelt wird.
Aus der FR 2 866 902 A1 ist eine Vorrichtung zum Spritzen von Metallpartikeln mittels eines elektrischen Lichtbogens bekannt, bei der ein die vom Lichtbogen geschmolzenen Metallpartikel aufweisender Gasstrom in einer Axialrichtung aus einer ersten Zerstäubungsdüse austritt. Dieser in Axialrichtung aus der Düse austretende Gasstrahl mit den Metallpartikeln wird von weiteren Gasströmen, die aus rechtwinklig zur Axialrichtung ausgerichteten Kanälen einer Ablenkdüseneinrichtung austreten, umgelenkt, so dass der die Metallpartikel enthaltene Gasstrom im rechten Winkel auf eine zur Axialrichtung parallele, zu beschichtende Oberfläche, beispielsweise die Innenwand eines mit der Düse koaxialen Zylinders, auftrifft. Das Aufspritzen der flüssigen Metallpartikel auf die zu beschichtende Oberfläche erfolgt dabei im rechten Winkel zur Oberfläche.
Die FR 2 865 218 A1 zeigt und beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung von zumindest einer Zylinderbohrung durch thermisches Lichtbogenspritzen. Auch bei diesem Stand der Technik wird der in Axialrichtung aus einer Spritzdüse einer axial in die Zylinderbohrung eingeführten Lichtbogenspritzeinrichtung austretende Materialstrahl von einem rechtwinklig, also in Radialrichtung der Zylinderbohrung, austretenden Gasstrahl abgelenkt, damit das geschmolzene Material in Radialrichtung im Wesentlichen rechtwinklig auf die Zylinderinnenwand auftrifft.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Verstellung eines Beschichtungsstrahls anzugeben, mit dem es möglich ist, die Beschichtungsqualität zu verbessern und die Anzahl der in der Qualitätskontrolle als "Ausschuss" zu bezeichnenden Bauteile zu reduzieren, um zu erzielen, dass alle Bauteile eine über einen Beschichtungsvorgang gleichmäßig beschichtete Oberfläche erhalten.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mittels eines Beschichtungspartikel enthaltenden Beschichtungsstrahls, wobei der Beschichtungsstrahl von einer Spritzeinrichtung unter einem Spritzwinkel auf die Oberfläche gerichtet wird, wobei der Beschichtungsstrahl aus zumindest zwei Teilstrahlen gebildet wird, die jeweils aus einer Austrittsöffnung eines zugeordneten Austrittskanals der Spritzeinrichtung austreten, wobei die jeweiligen Achsen der Austrittskanäle in einem Winkel zueinander stehen, wobei einer der Austrittskanäle ein Spritzkanal für einen die Beschichtungspartikel enthaltenden ersten Gasstrom ist, wobei die Austrittsöffnung dieses Spritzkanals eine Spritzdüse bildet und wobei der andere der Austrittskanäle ein Steuerkanal für einen den ersten Gasstrom ablenkenden zweiten Gasstrom ist, wobei die Austrittsöffnung dieses Steuerkanals zumindest eine Steuerdüse bildet, wird erfindungsgemäß die die Spritzdüse bildende Austrittsöffnung des Spritzkanals auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet und der aus der Spritzeinrichtung austretende Beschichtungsstrahl wird mit einer Bilderfassungseinrichtung erfasst. Aus dem erfassten Bild des Beschichtungsstrahls wird der Spritzwinkel während des Beschichtungsvorgangs oder zwischen zwei Beschichtungsvorgängen ermittelt und bei einer Abweichung des ermittelten Spritzwinkels von einem vorgegebenen Soll-Spritzwinkel wird der der Spritzwinkel verstellt und dadurch auf den Soll-Spritzwinkel nachjustiert. Bei einer Abweichung des ermittelten Spritzwinkels von einem vorgegebenen Soll-Spritzwinkel wird der Spritzwinkel verstellt und dadurch auf den Soll-Spritzwinkel nachjustiert, wobei bei einer Abweichung des ermittelten Spritzwinkels vom vorgegebenen Soll-Spritzwinkel der Volumenstrom eines ersten Teilstrahls der zumindest zwei Teilstrahlen erhöht und der Volumenstrom eines zweiten Teilstrahls der zumindest zwei Teilstrahlen verringert wird.

VORTEILE

Diese erfindungsgemäße Ermittlung und Verstellung des Spritzwinkels mit einer Bilderfassungseinrichtung ermöglicht es in besonders vorteilhafter Weise, eine entweder kontinuierliche Konstanthaltung des Spritzwinkels während eines Beschichtungsvorgangs zu realisieren oder zwischen zwei Beschichtungsvorgängen den Spritzwinkel zu kontrollieren und für einen oder mehrere nachfolgende Beschichtungsvorgänge nachzujustieren. Hierdurch kann eine höhere Standzeit der Spritzeinrichtung bei gleichzeitiger Gewährleistung gleichbleibender Beschichtungsqualität erzielt werden. Auch der Verschleiß der Spritzeinrichtung oder von Teilen der Spritzeinrichtung, beispielsweise von deren Düsen, kann rechtzeitig erkannt und gegebenenfalls kompensiert werden, bevor eine verschleißbedingte Veränderung des Spritzwinkels zu einem fehlerhaften Verfahrensergebnis führt.
Im Gegensatz zu einem Stand der Technik, wo allenfalls eine Ablenkung des Plasmastrahls aufgrund des von der Seite in den Plasmastrahl eingedüsten aufzuschmelzenden Pulvers erfolgt, wird im vorliegenden Fall ein bereits die Beschichtungspartikel enthaltender Plasmastrahl (erster Gasstrom) mittels eines von der Seite auf diesen ersten Gasstrom einwirkenden zweiten Gasstroms gezielt ausgelenkt. Diese Steuerung des die Beschichtungspartikel enthaltenden ersten Gasstroms durch den zweiten Gasstrom erlaubt eine gezielte Einstellung des Spritzwinkels, ohne dass dabei Einfluss auf die Verteilung der Beschichtungspartikel im ersten Gasstrom genommen wird. Der Vorgang des Vermischens der Beschichtungspartikel mit dem ersten Gasstrom ist somit bei der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß der DE 198 20 195 A1 von der Spritzwinkelbeeinflussung separat vorgesehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der aus Spritzeinrichtung austretende Beschichtungsstrahl zur Ermittlung des Spritzwinkels von der Seite, also quer, vorzugsweise rechtwinklig, zu der Ebene in der der Beschichtungsstrahl um den Spritzwinkel ausgelenkt wird, erfasst wird. Besonders genau lässt sich die Ermittlung des Spritzwinkels mittels der beschriebenen Bilderfassung durchführen, wenn der Beschichtungsstrahl als Freistrahl aus der Spritzeinrichtung austritt.
Die Verstellung des Spritzwinkels kann auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise durch Verschwenkung von mit den Austrittsöffnungen versehenen Austrittsdüsen für die Teilstrahlen oder durch Verschwenkung von zumindest einer Spritzdüse für den Beschichtungsstrahl oder durch das Vorsehen von mechanisch veränderbaren Strahl-Umlenkmitteln für zumindest einen der Teilstrahlen und/oder für den Beschichtungsstrahl.
Vorzugsweise erfolgen die Erhöhung des Volumenstroms des ersten Teilstrahls und die Verringerung des Volumenstroms des zweiten Teilstrahls stets derart, dass die Summe der Volumenströme der Teilstrahlen konstant ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine Veränderung des Spritzwinkels durch Veränderung der Volumenströme der Teilstrahlen nicht zu einer Veränderung der Qualität der Beschichtung aufgrund eines geänderten Gesamtvolumenstroms führt.
Alternativ erfolgen die Erhöhung des Volumenstroms des ersten Teilstrahls und die Verringerung des Volumenstroms des zweiten Teilstrahls stets derart, dass der Energiegehalt des aus den Teilstrahlen gebildeten Beschichtungsstrahls konstant bleibt. Der Energiegehalt eines Beschichtungspartikel enthaltenen Gasstrahls wird bestimmt durch die Masse der einzelnen in einem Gasvolumen enthaltenen Partikel, der Temperatur jedes Partikels, der Geschwindigkeit jedes Partikels und dem (zumeist vernachlässigbaren) Energiegehalt des Gases.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Winkel zwischen den Achsen der Austrittskanäle ein rechter Winkel, so dass die Teilstrahlen rechtwinklig aufeinander auftreffen. Hierdurch kann der aus der Steuerdüse austretende Steuer-Teilstrahl mit geringsten Volumenströmen bereits eine wirksame Auslenkung des aus der Spritzdüse austretenden, die Beschichtungspartikel enthaltenden Beschichtungspartikel-Teilstrahls bewirken.
Vorzugsweise ist das Verfahren zum thermischen Beschichten der Oberfläche ausgebildet, wobei die Spritzeinrichtung eine thermische Spritzeinrichtung mit einem Partikelstromgenerator ist. Das Verfahren kann aber auch als kinetisches Beschichtungsverfahren ausgebildet sein, wobei die in einem Partikelstromgenerator erzeugten Partikel mit sehr hoher Geschwindigkeit (zum Beispiel größer als 600 m/sec) auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht werden.
Dabei ist es besonders von Vorteil, wenn der Partikelstromgenerator vom ersten Gasstrom durchströmt wird, der als mit Beschichtungspartikeln angereicherter Gasstrom durch den Spritzkanal hindurchtritt und aus der Spritzdüse austritt.
Vorteilhafterweise ist bei einem solchen Verfahren zum thermischen Beschichten der die Beschichtungspartikel aufweisende erste Teilstrahl ein von einem Plasmabrenner erzeugter Plasmastrahl.
Bei einer solchen Plasmabeschichtung wird zur Regelung des Energiegehalts des Beschichtungsstrahls die Leistung des zumindest einen Plasmabrenners geregelt. Eine solche Regelung des Plasmabrenners zusätzlich zur Regelung der Volumenströme der beiden Teilstrahlen gewährleistet in besonders zuverlässiger Weise, dass sowohl der Energiegehalt als auch der Partikelgehalt im Beschichtungsstrahl konstant bleibt, während dessen Spritzwinkel verändert wird.
Mit der Erfindung soll auch eine Vorrichtung zur Verstellung eines Beschichtungsstrahls angegeben werden, die insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Dieser Teil der Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche mittels eines Beschichtungspartikel enthaltenden Beschichtungsstrahls, wobei der Beschichtungsstrahl von einer Spritzeinrichtung unter einem Spritzwinkel auf die Oberfläche richtbar ist, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spritzeinrichtung mit einem Spritzkanal für einen Beschichtungspartikel enthaltenden ersten Gasstrom und zumindest einem Steuerkanal für einen den ersten Gasstrom ablenkenden zweiten Gasstrom versehen ist, wobei die Austrittsöffnung des Spritzkanals eine Spritzdüse bildet und wobei die Austrittsöffnung des zumindest einen Steuerkanals eine Steuerdüse bildet, wobei die aus den Austrittsöffnungen austretenden Gasströme jeweils einen Teilstrahl und gemeinsam den Beschichtungsstrahl bilden und wobei die Achsen der Austrittskanäle unter einem Winkel zueinander stehen, ist erfindungsgemäß die die Spritzdüse bildende Austrittsöffnung des Spritzkanals auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet. Zudem ist zumindest eine Bilderfassungseinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, um den Beschichtungsstrahl während des Beschichtungsvorgangs oder zwischen zwei Beschichtungsvorgängen zu erfassen, und es ist eine Bildauswerteeinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, um die von der zumindest einen Bilderfassungseinrichtung gelieferte Bildsignale zu erhalten und daraus den Spritzwinkel des Beschichtungsstrahls und/oder den auf die Oberfläche auftreffenden Auftreffwinkel des Beschichtungsstrahls zu ermitteln. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, mit denen der Spritzwinkel verstellbar ist. wobei die Mittel, mittels derer der Spritzwinkel verstellbar ist, Mittel sind, mit denen der Volumenstrom des jeweils durch den Austrittskanal austretenden Gasstroms veränderbar ist.
Diese Vorrichtung ermöglicht auf besonders vorteilhafte und zuverlässige Weise die Verstellung eines Beschichtungsstrahls sowohl während des Beschichtens einer Oberfläche als auch zur Kalibrierung zwischen zwei Beschichtungsvorgängen. Insbesondere ist diese Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind in den vom Anspruch 9 abhängigen Ansprüchen 10 bis 13 angegeben.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Mittel zur Veränderung des Volumenstroms von mittels eines jeweiligen Stellantriebs verstellbaren Drosseleinrichtungen gebildet sind. Derartige automatisch verstellbare Drosseleinrichtungen ermöglichen es, die Gasströme im Steuerkanal beziehungsweise im Spritzkanal derart zu variieren, dass der für die gewünschte Einstellung des Spritzwinkels erforderliche jeweilige Volumenstrom durch die Kanäle hindurchtritt.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn eine Stell- oder Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die Mittel zur Veränderung des Volumenstroms, insbesondere die Stellantriebe der Drosseleinrichtungen, mit jeweils einem Stell- oder Regelsignal beaufschlagt. Dies ermöglicht eine Prozessautomatisierung.
Die Regeleinrichtung erhält in dieser Ausführungsform der Vorrichtung als Regelgröße den von der Bildauswerteeinrichtung gelieferten Spritzwinkel und/oder den Auftreffwinkel. Mit diesen Daten kann die Stell- oder Regeleinrichtung dann die erforderliche Verstellung der Teilstrahlen vornehmen und so den Spritzwinkel des Beschichtungsstrahls auf das gewünschte Maß einstellen beziehungsweise entsprechend nachführen. Grundsätzlich wäre es auch möglich, den auf die Oberfläche auftreffenden Auftreffwinkel des Beschichtungsstrahls zu bestimmen und daraus den Spritzwinkel zu ermitteln.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Spritzeinrichtung mit einem Partikelstromgenerator ausgestattet. Der Partikelstromgenerator, der beispielsweise einen Plasmabrenner, einen Drahtspritzbrenner oder einen Kaltgasbrenner aufweisen kann, erzeugt zusammen mit dem Gasstrom einen metallischen und/oder keramischen Partikelnebel als Beschichtungsstrahl. Im Falle eines Plasmabrenners kann mittels des Plasmas ein metallischer und/oder keramischer Partikelnebel in Verbindung mit dem Gasstrom als Beschichtungsstrahl gebildet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Regeleinrichtung - zusätzlich zum jeweiligen Volumenstrom der Gasströme - den zumindest einen Partikelstromgenerator mit einem dessen Partikelabgabeleistung regelnden Signal beaufschlagt. Dadurch ist es möglich, die Partikeldichte im Beschichtungsstrahl konstant zu halten.
Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine beschichtete Oberfläche erhalten. Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt, um eine beschichtete Oberfläche einer Zylinderinnenwand einer Kolben-Zylinder-Anordnung zu erhalten. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Verfahren zur Beschichtung der auf der Zylinderinnenwand vorgesehenen Lauffläche einer Kolben-Zylinder-Anordnung in einer Brennkraftmaschine angewendet wird, so dass als Verfahrensergebnis auch eine solche Brennkraftmaschine mit erfindungsgemäß beschichteten Laufflächen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben und erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt:

Fig. 1: ein schematisches Prozessschaubild eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2: einen schematisch dargestellten Aufbau einer Spritzeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 3: einen alternativen Aufbau einer Spritzeinrichtung.

DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

In Fig. 1 ist ein Prozessschaubild einer Beschichtungsanlage dargestellt, mit der eine besonders vorteilhafte Realisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verstellung eines Beschichtungsstrahls durchführbar ist.
Eine weiter unten in Verbindung mit Fig. 2 näher beschriebene Spritzeinrichtung 1 ist so angeordnet, dass sie einen Beschichtungspartikel enthaltenden Beschichtungsstrahl S aus einer Spritzdüse 10 unter einem vorgegebenen Spritzwinkel α auf eine zu beschichtende Oberfläche 2 richtet. Die Oberfläche ist dazu bevorzugt senkrecht zu einer Längsachse x der Spritzeinrichtung 1 angeordnet.
Im gezeigten Beispiel ist zwischen der Spritzeinrichtung 1 und der Oberfläche 2 ist seitlich versetzt neben dem Beschichtungsstrahl S eine Bilderfassungseinrichtung 3 zur Aufnahme von Bildern des Beschichtungsstrahls S angeordnet. Die Bilderfassungseinrichtung 3 weist eine Kamera 30 auf, die den Beschichtungsstrahl S von der Seite erfasst, so dass der Spritzwinkel α in einer von der Kamera 30 aufgenommenen Bildebene liegt. Vorzugsweise erfasst die Kamera 30 die gesamte Längserstreckung des Beschichtungsstrahls S von dessen Austritt aus der Spritzeinrichtung 1 bis zur Oberfläche 2, so dass auch der vom Beschichtungsstrahl S auf der Oberfläche 2 gebildete Auftreffbereich S' von der Kamera 30 erfasst wird. Alternativ kann die Ermittlung des Spritzwinkels α auch im Freistrahl, das heißt ohne das Vorsehen der zu beschichtenden Oberfläche 2, erfolgen.
Das von der Kamera 30 aufgenommene Bild wird in der Bilderfassungseinrichtung 3 mittels eines (nicht gezeigten) Bildsensors auf dem Fachmann bekannte Weise in elektrische Signale umgesetzt, die an eine Bildauswerteeinrichtung 31 weitergeleitet werden. Die Bildauswerteeinrichtung 31 analysiert die Bildsignale und ermittelt daraus den Spritzwinkel α und damit den auf die Oberfläche 2 auftreffenden Auftreffwinkel β des Beschichtungsstrahls S. Diese ermittelten Winkeldaten werden dann an eine Stell- oder Regeleinrichtung 32 weitergeleitet. Die Stell- oder Regeleinrichtung 32 vergleicht den oder die erhaltenen Winkel (Spritzwinkel α und/oder Auftreffwinkel β) mit einem jeweils zugeordneten, in einer Speichereinrichtung 33 gespeicherten vorgegebenen Soll-Spritzwinkel und ermittelt die entsprechende Winkelabweichung. Aus dieser Winkelabweichung Δα zwischen dem gemessenen Ist-Spritzwinkel und dem Soll-Spritzwinkel wird ein Stellsignal generiert, das an die Spritzeinrichtung 1 weitergeleitet wird und dort den Spritzwinkel α des Beschichtungsstrahls S auf weiter unten noch beschriebene Weise auf den vorgegebenen Soll-Spritzwinkel verstellt. Ist eine solche Verstellung nicht möglich, so wird ein Verschleiß-Alarmsignal generiert und vorzugsweise der weitere Betrieb der Spritzeinrichtung 1 unterbunden.
Nach Verstellung des Spritzwinkels α erfolgt erneut eine Vermessung des Beschichtungsstrahls mittels der Bilderfassungseinrichtung 3, so dass sich auf diese Weise ein geschlossener Regelkreislauf ausbildet. Eine solche Regelung kann während eines aktiven Beschichtungsvorgangs erfolgen, wodurch der Spritzwinkel α permanent auf den vorgegebenen Soll-Spritzwinkel nachgeregelt wird und so eine kontinuierliche Qualitätskontrolle des Spritzvorgangs gewährleistet wird.
Es gibt jedoch auch Situationen, in denen eine derartige kontinuierliche Bilderfassung des Beschichtungsstrahls S nicht möglich ist, beispielsweise wenn die Beschichtung von Hohlräumen durchgeführt wird, in denen es nicht möglich ist, eine Bilderfassungseinrichtung neben dem Beschichtungsstrahl S zu platzieren. Dies ist beispielsweise der Fall beim Beschichten von Zylinderinnenwand-Oberflächen in Kolben-Zylinder-Anordnungen, wie beispielsweise bei Kolbenbrennkraftmaschinen. In diesen Fällen erfolgt die beschriebene Überprüfung des Spritzwinkels α nicht kontinuierlich, sondern zwischen zwei Beschichtungsvorgängen. Beispielsweise kann eine bestimmte Anzahl von Beschichtungsvorgängen durchgeführt werden und dann kann die Spritzeinrichtung 1 in eine Mess- und Kalibierposition verfahren werden, die beispielsweise dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau entspricht, wobei vorzugsweise aber die zu beschichtende Oberfläche 2 weggelassen und der Beschichtungsstrahl S als Freistrahl vermessen wird. In dieser Mess- und Kalibrierposition kann der Spritzwinkel α dann auf einen vorgegebenen Soll-Spritzwinkel verstellt oder eingeregelt werden. Nach einem solchen Kalibriervorgang kann dann erneut eine Mehrzahl von Beschichtungsvorgängen durchgeführt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die bei einem derartigen Kalibriervorgang kompensierte Winkelabweichung erfasst und in Bezug auf die zwischen den beiden vorhergehenden Kalibriervorgängen erbrachte Beschichtungsleistung gesetzt wird. Durch Fortschreibung dieser Daten ist es möglich, einen Verschleißtrend zu ermitteln, so dass eine Prognose über die noch verbleibende Rest-Nutzungszeit der Spritzeinrichtung 1 bis zum Erreichen einer Verschleißgrenze abgegeben werden kann.
Ein möglicher Aufbau einer für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung einsetzbaren Spritzeinrichtung 1 ist schematisch in Fig. 2 dargestellt.
Die Spritzeinrichtung 1 weist ein längliches Gehäuse 1' auf, das sich entlang einer Längsachse x der Spritzeinrichtung 1 erstreckt und das auch als Spritzlanze bezeichnet wird.
Im Gehäuse 1' sind zwei Kanäle 11, 13 vorgesehen, die sich im Wesentlichen parallel zur Längsachesachse x in Längsrichtung durch das Gehäuse 1' erstrecken. An einem ersten Ende des Gehäuses 1' münden diese Kanäle 11, 13 in jeweils ein Anschlusselement 11', 13' für eine jeweils zugeordnete Gasversorgungsleitung 11", 13".
Am anderen axialen Ende des Gehäuses 1' bilden die Kanäle 11, 13 Austrittskanäle 12, 14, die mit jeweils einer Austrittsöffnung 12', 14' nach außen münden. Die Austrittskanäle 12, 14 sind nicht parallel zueinander angeordnet, sondern die jeweiligen Achsen 12", 14" der Austrittskanäle 12, 14 sind in einem Winkel γ zueinander geneigt. In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel beträgt der Winkel γ etwa 90°.
Der erste Kanal 11, dessen Austrittskanal 12 eine Achse 12" aufweist, die parallel zur Längsachse x der Spritzeinrichtung 1 verläuft, ist mit einem Partikelgenerator 17 versehen, der einen Plasmabrenner 17' aufweist. Dieser Partikelgenerator 17 wird von einem durch die Gasversorgungsleitung 11" zugeführten Prozessgas durchströmt, wobei mittels des Plasmabrenners 17' aufgeschmolzene Partikel vom Gasstrom mitgerissen werden. Der mit diesen Beschichtungspartikeln versehene Prozessgasstrahl tritt durch den Austrittskanal 12 und dessen die Spritzdüse 10 bildende Austrittsöffnung 12' zunächst in achsparalleler Richtung aus dem Gehäuse 1' der Spritzeinrichtung als ein erster Teilstrahl S1 aus.
Durch den zweiten Kanal 13 wird ein durch die zweite Gasversorgungsleitung 13" zugeführtes zweites Gas, das dem Prozessgas entsprechen kann, das aber auch einfach nur Druckluft sein kann, in den einen Steuerkanal bildenden zweiten Austrittskanal 14 eingeleitet, und tritt von dort durch dessen eine Steuerdüse 18 bildende Austrittsöffnung 14' aus und trifft als ein zweiter Teilstrahl S2 im Winkel γ auf den aus der Spritzdüse 10 austretenden und die Beschichtungspartikel enthaltenden ersten Gasstrom. Dieser zweite Teilstrahl S2 lenkt den ersten Teilstrahl S1 aus seiner achsparallelen Richtung ab. Der erste Teilstrahl S1 und der zweite Teilstrahl S2, der einen Steuergasstrom bildet, vereinigen sich zu einem resultierenden Beschichtungsstrahl S, dessen Strahlmittelachse S" um den Spritzwinkel α zur Achse 12" des Spritzkanals 12 von der Steuerdüse 18 weg (in Fig. 2 nach unten) geneigt ist.
In jedem der beiden Kanäle 11, 13 ist eine mittels eines jeweils zugeordneten Stellantriebs 15', 16' verstellbare Drosseleinrichtung 15, 16 vorgesehen. Mittels der ersten Drosseleinrichtung 15, die im ersten Kanal 11 vorgesehen ist, lässt sich der Volumenstrom des Prozessgases regulieren. Mittels der zweiten Drosseleinrichtung 16, die im zweiten Kanal 13 vorgesehen ist, lässt sich der Volumenstrom des Steuergases regulieren. Die jeweiligen Stellantriebe 15', 16' sind über Signalleitungen 15", 16" mit der Stell- oder Regeleinrichtung 32 verbunden und können von dieser jeweils Stellsignale empfangen.
Auch der Partikelgenerator 17 ist über eine Stellsignalleitung 17" mit der Stell- oder Regeleinrichtung 32 verbunden und kann von dieser Stellsignale empfangen.
Auch wenn in der Darstellung nach Fig. 2 ein Beispiel gezeigt ist, bei welchem der mit den Beschichtungspartikeln beladene Gasstrom in einer Richtung parallel zur Längsachse x der Spritzeinrichtung 1 austritt, sind auch Varianten der Spritzeinrichtung 1 denkbar, bei denen der mit Beschichtungspartikeln behaftete Gasstrom in einem Winkel zur Längsachse x austritt. Im Extremfall kann eine andere beispielhafte Variante derart ausgebildet sein, dass der mit den Beschichtungspartikeln beladene Gasstrom im rechten Winkel zur Längsachse x austritt, während der Steuergasstrom parallel zur Längsachse x austritt. Eine solche Variante ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen wie im Beispiel der Fig. 2 die gleichen Komponenten betreffen.
Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des durch die Ansprüche definierten Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.

Bezugszeichenliste

1: Spritzeinrichtung
1': längliches Gehäuse
2: Oberfläche
3: Bilderfassungseinrichtung
10: Spritzdüse
11: Kanal
11': Anschlusselement
11": erste Gasleitung
12: Austrittskanal / Spritzkanal
12': Austrittsöffnung
12": Achse
13: Kanal
13': Anschlusselement
13": zweite Gasleitung
14: Austrittskanal / Steuerkanal
14': Austrittsöffnung
14": Achse
15: Drosseleinrichtung
15': Stellantrieb
15": Signalleitung
16: Drosseleinrichtung
16': Stellantrieb
16": Signalleitung
17: Partikelstromgenerator
17': Plasmabrenner
17": Stellsignalleitung
18: Steuerdüse
30: Objektiv
31: Bildauswerteeinrichtung
32: Stell- oder Regeleinrichtung
33: Speichereinrichtung

x: Längsachse
S: Beschichtungsstrahl
S": Strahlmittelachse
S1: Teilstrahl
S2: Teilstrahl

α: Spritzwinkel
β: Auftreffwinkel
γ: Winkel

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche (2) mittels eines Beschichtungspartikel enthaltenden Beschichtungsstrahls (S), wobei der Beschichtungsstrahl (S) von einer Spritzeinrichtung (1) unter einem Spritzwinkel (α) auf die Oberfläche (2) gerichtet wird, wobei der Beschichtungsstrahl (S) aus zumindest zwei Teilstrahlen (S1, S2) gebildet wird, die jeweils aus einer Austrittsöffnung (12', 14') eines zugeordneten Austrittskanals (12, 14) der Spritzeinrichtung (1) austreten, wobei die jeweiligen Achsen (12", 14") der Austrittskanäle (12, 14) in einem Winkel (γ) zueinander stehen, wobei einer der Austrittskanäle (12, 14) ein Spritzkanal (12) für einen die Beschichtungspartikel enthaltenden ersten Gasstrom ist, wobei die Austrittsöffnung (12') dieses Spritzkanals (12) eine Spritzdüse (10) bildet und wobei der andere der Austrittskanäle (12, 14) ein Steuerkanal (14) für einen den ersten Gasstrom ablenkenden zweiten Gasstrom ist, wobei die Austrittsöffnung (14') dieses Steuerkanals (14) zumindest eine Steuerdüse (18) bildet;
dadurch gekennzeichnet,
dass die die Spritzdüse (10) bildende Austrittsöffnung (12') des Spritzkanals (12) auf die zu beschichtende Oberfläche (2) gerichtet wird;
dass der aus der Spritzeinrichtung (1) austretende Beschichtungsstrahl (S) mit einer Bilderfassungseinrichtung (3) erfasst wird;
dass aus dem erfassten Bild des Beschichtungsstrahls (S) der Spritzwinkel (α) während des Beschichtungsvorgangs oder zwischen zwei Beschichtungsvorgängen ermittelt wird;
dass bei einer Abweichung des ermittelten Spritzwinkels (α) von einem vorgegebenen Soll-Spritzwinkel der Spritzwinkel (α) verstellt und dadurch auf den Soll-Spritzwinkel nachjustiert wird und dass bei einer Abweichung des ermittelten Spritzwinkels (α) vom vorgegebenen Soll-Spritzwinkel der Volumenstrom eines ersten Teilstrahls (S1) der zumindest zwei Teilstrahlen erhöht und der Volumenstrom eines zweiten Teilstrahls (S2) der zumindest zwei Teilstrahlen verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der aus Spritzeinrichtung (1) austretende Beschichtungsstrahl (S) zur Ermittlung des Spritzwinkels (α) von der Seite, vorzugsweise als Freistrahl, mit der Bilderfassungseinrichtung (3) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhöhung des Volumenstroms des ersten Teilstrahls (S1) und die Verringerung des Volumenstroms des zweiten Teilstrahls (S2) stets derart erfolgen, dass die Summe der Volumenströme der Teilstrahlen (S1, S2) oder der Energiegehalt des aus den Teilstrahlen (S1, S2) gebildeten Beschichtungsstrahls (S) konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Winkel (γ) zwischen den Achsen (12", 14") der Austrittskanäle (12, 14) ein rechter Winkel ist, so dass die Teilstrahlen (S1, S2) rechtwinklig aufeinander auftreffen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren zum thermischen Beschichten der Oberfläche ausgebildet ist, wobei die Spritzeinrichtung (1) eine thermische Spritzeinrichtung mit einem Partikelstromgenerator (17) ist.
Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Partikelstromgenerator (17) vom ersten Gasstrom durchströmt wird, der als mit Beschichtungspartikeln angereicherter Gasstrom durch den Spritzkanal (12) hindurchtritt und aus der Spritzdüse (10) austritt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Teilstrahl ein von einem Plasmabrenner (17') erzeugter Plasmastrahl ist, der die Beschichtungspartikel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Regelung des Energiegehalts des Beschichtungsstrahls (S) die Leistung des zumindest einen Plasmabrenners (17') geregelt wird.
Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche (2) mittels eines Beschichtungspartikel enthaltenden Beschichtungsstrahls (S), wobei der Beschichtungsstrahl (S) von einer Spritzeinrichtung (1) unter einem Spritzwinkel (α) auf die Oberfläche (2) richtbar ist, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spritzeinrichtung (1) mit einem Spritzkanal (12) für einen Beschichtungspartikel enthaltenden ersten Gasstrom und zumindest einem Steuerkanal (14) für einen den ersten Gasstrom ablenkenden zweiten Gasstrom versehen ist, wobei die Austrittsöffnung (12') des Spritzkanals (12) eine Spritzdüse (10) bildet und wobei die Austrittsöffnung (14') des zumindest einen Steuerkanals (14) eine Steuerdüse (18) bildet, wobei die aus den Austrittsöffnungen (12', 14') austretenden Gasströme jeweils einen Teilstrahl (S1, S2) und gemeinsam den Beschichtungsstrahl (S) bilden und wobei die Achsen (12", 14") der Austrittskanäle (12, 14) unter einem Winkel (γ) zueinander stehen;
dadurch gekennzeichnet,
- dass die die Spritzdüse (10) bildende Austrittsöffnung (12') des Spritzkanals (12) auf die zu beschichtende Oberfläche (2) gerichtet ist;

- dass zumindest eine Bilderfassungseinrichtung (3) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um den Beschichtungsstrahl (S) während des Beschichtungsvorgangs oder zwischen zwei Beschichtungsvorgängen zu erfassen;

- dass eine Bildauswerteeinrichtung (30) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um die von der zumindest einen Bilderfassungseinrichtung (3) gelieferte Bildsignale zu erhalten und daraus den Spritzwinkel (α) des Beschichtungsstrahls (S) und/oder den auf die Oberfläche (2) auftreffenden Auftreffwinkel (β) des Beschichtungsstrahls (S) zu ermitteln;

- dass Mittel vorgesehen sind, mittels derer der Spritzwinkel (α) verstellbar ist und

- dass die Mittel, mittels derer der Spritzwinkel (α) verstellbar ist, Mittel sind, mit denen der Volumenstrom des jeweiligen durch den Austrittskanal (12, 14) austretenden Gasstroms veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Mittel zur Veränderung des Volumenstroms von mittels eines jeweiligen Stellantriebs (15', 16') verstellbaren Drosseleinrichtungen (15, 16) gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Stell- oder Regeleinrichtung (32) vorgesehen ist, die die Mittel zur Veränderung des Volumenstroms, insbesondere die Stellantriebe (15', 16') der Drosseleinrichtungen (15, 16), mit jeweils einem Stell- oder Regelsignal beaufschlagt, wobei. vorzugsweise die Stell- oder Regeleinrichtung (32) als Regelgröße den von der Bildauswerteeinrichtung (30) gelieferten Spritzwinkel (α) und/oder den Auftreffwinkel (α) erhält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die vorzugsweise als thermische Spritzeinrichtung ausgebildete Spritzeinrichtung (1) mit einem Partikelstromgenerator (17) ausgestattet ist, der vorzugsweise einen Plasmabrenner (17') aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Regeleinrichtung (32) den zumindest einen Partikelstromgenerator (17) mit einem dessen Partikelabgabeleistung regelnden Signal beaufschlagt.