Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils und beschichtetes Bauteil

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Grundkörpers aus einem faserverstärkten Kunststoff und Aufbringen einer Schicht aus einem keramischen Material direkt auf den Grundkörper. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein beschichtetes Bauteil mit einem Grundkörper aus einem faserverstärkten Kunststoff und einer direkt auf dem Grundkörper angeordneten Schicht aus einem keramischen Material.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils und ein beschichtetes Bauteil.

Hintergrund

[0002] Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Herstellen von beschichteten Bauteilen bekannt.

[0003] Das Dokument DE 93 05 806 U1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Druckwalze. Hierbei wird auf einen Grundkörper aus einem thermoplastischen faserverstärkten Kunststoff mittels Plasmaspritzen eine Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung erzeugt.

[0004] In dem Dokument DE 10 2009 048 709 A1 ist ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff und einem Metall beschrieben.

[0005] Während Metalle und Metalllegierungen direkt auf einen faserverstärkten Kunststoff aufgebracht werden können, ist dies für keramische Materialien nicht möglich. Beim Auftragen eines keramischen Materials auf einen Grundkörper aus faserverstärkten Kunststoff wird im Stand der Technik immer zunächst eine Zwischenschicht aus einem Haftmittel auf dem Grundkörper gebildet. Als Haftmittel wird beispielsweise Zink verwendet. Es ist somit ein zusätzlicher Verfahrensschritt zum Herstellen erforderlich und es wird Material für das Haftmittel verbraucht.

[0006] Das Dokument US 4,997,704 A offenbart ein Verfahren zum Aufbringen einer keramischen Beschichtung auf ein faserverstärktes Material. Vor dem Aufbringen der Keramik wird eine haftende Zwischenschicht auf dem faserverstärkten Material angebracht.

[0007] Das Dokument EP 0 514 640 A1 offenbart ein Verfahren zum Aufbringen eines keramischen Belages auf einen Körper durch ein thermisches Spritzverfahren. Ein Grundkörper weist ein teilchenförmiges Material enthaltene Kunstharzschicht auf. Die Kunstharzschicht wird behandelt, bevor eine weitere Schicht mittels thermischen Spritzverfahrens aufgebracht wird. Das Dokument EP 0 273 298 A2 offenbart einen erosionsbeständigen Überzug, welcher mit Hilfe eines Bindemittels auf einem Kunststoff haftet.

Zusammenfassung

[0008] Aufgabe ist es, verbesserte Technologien zum Beschichten von Bauelementen anzugeben. Insbesondere soll ein korrosionsfreier Haftgrund für eine Beschichtung bereitgestellt werden.

[0009] Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 und das Bauteil nach dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

[0010] Nach einem Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte. Es wird ein Grundkörper aus einem faserverstärkten Kunststoff bereitgestellt. Eine Schicht aus einem keramischen Material wird direkt auf den Grundkörper aufgebracht. Ein Bereich zwischen dem Grundkörper und der Schicht aus keramischem Material ist frei von einer Zwischenschicht. Insbesondere ist der Bereich frei von einem Haftmittel.

[0011] Nach einem weiteren Aspekt ist ein beschichtetes Bauteil mit einem Grundkörper aus einem faserverstärkten Kunststoff und einer direkt auf dem Grundkörper angeordneten Schicht aus einem keramischen Material gebildet.

[0012] Die Vermeidung des Aufbringens eines Haftmittels führt zu weniger Verfahrensschritten, was das Verfahren schneller und kostengünstiger macht. Darüber hinaus sind die Eigenschaften des Bauteils verbessert. Eine Korrosion des Haftmittels, die im Stand der Technik oft vorkam, wird vermieden.

[0013] Ein faserverstärkter Kunststoff (FVK) (auch: Faser-Kunststoff-Verbund oder Faserverbundkunststoff) ist ein Werkstoff, der Verstärkungsfasern enthält, die einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Die Matrix umgibt die Verstärkungsfasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden sind.

[0014] Der Grundkörper kann beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) bestehen. Alternativ kann der Grundkörper aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK), einem faserverstärktem Polyamid (PA) oder einem faserverstärktem Epoxidharz (EP) bestehen.

[0015] Die Schicht aus keramischem Material kann zu einer Durchschlagfestigkeit des Bauteils von bis zu 40 kV führen. Des Weiteren ermöglicht die Schicht aus keramischen Material eine thermische Isolierung des darunter liegenden Grundkörpers. Es schützt so beispielsweise vor großer Wärme. Die Schicht aus keramischem Material ist darüber hinaus verschleißbeständig, sehr hart, druckfest und hat eine hohe Schichtfestigkeit.

[0016] Die Schicht aus keramischem Material kann einlagig oder mehrlagig auf den Grundkörper aufgebracht werden. Es kann des Weiteren vorgesehen sein, mehrere Schichten aus unterschiedlichen keramischen Materialien auf den Grundkörper aufzubringen.

[0017] Die Schicht aus keramischem Material kann mit einer Schichtdicke von 100 µm bis 3 mm aufgebracht werden. Die Schicht aus keramischem Material kann nach einem Aushärten eine Haftzugfestigkeit von größer oder gleich 10 N/mm² aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann die Schicht aus keramischem Material nach einem Aushärten eine Haftzugfestigkeit von größer oder gleich 5 N/mm² aufweisen.

[0018] Es kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper auf einem Substrat bereitgestellt wird. Das Substrat kann ein Metall, beispielsweise Aluminium, eine Metalllegierung, beispielsweise Stahl, oder ein Nichtmetall enthalten. Das Substrat kann vollständig aus einem der vorgenannten Materialien bzw. Materialklassen bestehen.

[0019] Es kann vorgesehen sein, dass die Schicht aus keramischem Material auf den Grundkörper aufgespritzt wird. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Schicht aus keramischem Material mittels thermischen Spritzens auf den Grundkörper aufgebracht wird. Beim thermischen Spritzen werden Zusatzwerkstoffe, so genannte Spritzzusätze, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen. Die Zusatzwerkstoffe werden in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Grundkörpers aufgebracht. Hierbei kann eine Schichtbildung stattfinden. Geeignete thermische Spritzverfahren sind beispielsweise Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF), Vakuum-Plasma-Spritzen (VPS) und atmosphärisches Plasmaspritzen (APS). Als Betriebsgase für das atmosphärische Plasmaspritzen können Argon, Wasserstoff, Stickstoff oder eine Kombination hiervon verwendet werden. Des Weiteren können beim atmosphärischen Plasmaspritzen Stickstoff, ein Stickstoff-Argon-Gemisch, ein Argon-Wasserstoff-Gemisch oder Argon als Fördergas eingesetzt werden. Eine Kühlung kann durch Druckluft, Kohlenstoffdioxid (CO2) oder einer Kombination hiervon erfolgen.

[0020] Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Schicht aus keramischem Material aus einem oxidkeramischen Material gebildet wird, beispielsweise Titandioxid (TiO2), Chromoxid (Cr2O3) oder Aluminiumoxid (Al2O3). Alternativ kann die Schicht aus keramischem Material aus einer Ingenieurkeramik oder einer technischen Keramik gebildet werden.

[0021] Es kann vorgesehen sein, dass die Schicht aus einem keramischen Material in Pulverform auf den Grundkörper aufgebracht wird, beispielsweise mittels thermischen Spritzens. Das Pulver kann einen Reinheitsgrad von mehr als 95% haben, bevorzugt von 98% bis 99,95%. Das Pulver kann in Form einer nachfolgend genannten Pulverformen bereitgestellt werden: vermischtes Keramikmaterial, wasserverdüstes Keramikmaterial, gasverdüstes Keramikmaterial, umhülltes Keramikmaterial, chemisch umhülltes Keramikmaterial, agglomeriertes Keramikmaterial, agglomeriertes und gesintertes Keramikmaterial, agglomeriertes und hohlkugeliges Keramikmaterial, agglomeriertes und verdichtetes Keramikmaterial, geschmolzenes und gebrochenes Keramikmaterial, geschmolzenes und gebrochenes und vermischtes Keramikmaterial sowie gesintertes und gebrochenes Keramikmaterial. Körner des Pulvers können folgende Korngrößen aufweisen: 10/5 µm, 22/5 µm, 45/16 µm, 25/5 µm, 45/20 µm und 30/10 µm. Körner des Pulvers können auch Korngrößen in beliebiger Kombination der vorgenannten Korngrößen aufweisen. Wenn das Pulver mittels thermischen Spritzens auf den Grundkörper aufgebracht wird, kann hierbei eine interne axiale Pulverzufuhr, eine interne radiale Pulverzufuhr oder eine externe Pulverzufuhr erfolgen.

[0022] Alternativ kann die Schicht aus keramischem Material in Form einer Suspension aufgebracht werden, beispielsweise als wasserbasierte Suspension oder als alkoholbasierte Suspension. Der Grundkörper kann ein Harzmaterial enthalten. Das Harzmaterial kann beispielsweise ein Arminharz, ein Phenolharz, ein Polyesterharz, ein Vinylesterharz, ein Polyamidharz, ein Epoxydharz, ein Anhydridharz und ein Bismaleimit-Triazin-Harz sein. Der Grundkörper kann des Weiteren eine beliebige Kombination der vorgenannten Harze enthalten.

[0023] Es kann vorgesehen sein, dass Bauteil, also sowohl der Grundkörper als auch die Schicht aus keramischem Material, frei von einem elektrisch leitenden Material gebildet wird. Des Weiteren kann das Bauteil frei von metallischen Materialien und / oder metallischen Legierungen sein. Insbesondere kann das Bauteil frei von einem metallischen Haftmittel gebildet werden. Das Bauteil kann somit als ein korrosionsfreies Bauteil gebildet werden.

[0024] Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper mit Fasern in Kreuzlagen bereitgestellt wird. Die Fasern können in Kreuzlagen gewickelt und / oder gelegt sein. Beispielsweise können die Kreuzlagen mit abschließenden Umfangslagen gebildet sein.

[0025] Der Grundkörper kann einen Faseranteil zwischen 20 Vol.-% und 80 Vol.-%, zwischen 20 Vol.-% und 60 Vol.-%, zwischen 30 Vol.-% und 60 Vol.-% oder zwischen 30 Vol.-% und 50 Vol.-% aufweisen. Die Fasern können aus Glas, Kohlenstoff, Keramik, Kunststoff und / oder Naturfasern bestehen. Glasfasern können beispielsweise aus R-Glas, E-Glas, C-Glas, D-Glas und S-Glas bestehen.

[0026] Die vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Merkmale gelten in analoger Weise auch für das Bauteil.

[0027] Das Bauelement kann ein rotationssymmetrisches Bauteil sein, beispielsweise eine Walze mit einem zylinderförmigen Grundkörper, auf dem direkt eine Schicht aus keramischem Material angeordnet ist. Das Bauteil kann beispielsweise eine Rasterwalze oder ein Rasteradapter oder ein Rastersleeve für den Flexodruck, eine Behandlungswalze oder ein Behandlungsadapter oder ein Behandlungssleeve für eine Corona-Behandlung sein.

Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen

[0028] Weitere Ausführungsformen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Walze,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Walze,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer anderen Walze,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Walze nach einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Walze nach noch einer anderen Ausführungsform,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Bauteils,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Bauteils und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Sleeves oder eines Adapters.

[0029] Im Folgenden werden für gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet.

[0030] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Walze mit einem rohrförmigen Substrat 1, einer Schicht aus einem faserverstärkten Material 2 und einer Schicht aus einem keramischen Material 3. An beiden Enden der Walze sind Zapfen 4 angeordnet. Das Substrat 1 kann beispielsweise aus Stahl oder Aluminium bestehen. Die Schicht aus faserverstärktem Kunststoff 2 dient als Isolationsbarriere. Sie kann verschiedene Faserarten umfassen, beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Kunststofffasern und / oder Naturfasern. Die Fasern sind in ein Arminharz eingebettet und in gewickelten Kreuzlagen auf das rohrförmige Substrat 1 aufgebracht. Auf der faserverstärkten Schicht 2 ist direkt die Schicht aus einem keramischen Material 3 aufgebracht. Die keramische Schicht 3 stellt eine Wärmedämmung bereit. Als Keramik ist in dieser Ausführungsform eine Oxidkeramik vorgesehen.

[0031] Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Walze. Bei dieser Ausführungsform ist das rohrförmige Substrat 1 verkürzt, sodass ein Zwischenbereich 5 zwischen den Enden des Substrats 1 und den Zapfen 4 gebildet ist.

[0032] In Fig. 3 ist eine Walze mit einem durchgehenden rohrförmigen Substrat 1 dargestellt.

[0033] Fig. 4 zeigt eine Walze mit einer faserverstärkten Schicht 2, auf der direkt eine keramische Schicht 3 angeordnet ist. Die faserverstärkte Schicht ist auf einem Substrat 6 aus einem Vollmaterial aufgebracht, beispielsweise aus Stahl oder Aluminium.

[0034] Fig. 5 zeigt eine Walze mit einem verkürzten rohrförmigen Substrat 1, einer faserverstärkten Schicht 2 und einer keramischen Schicht 3. An beiden Enden der Walze ist eine Aufnahme 7 gebildet.

[0035] Fig. 6 und 7 zeigen schematische Darstellungen für Bauteile mit beliebigen Formen. Auf einem faserverstärkten Grundkörper 9 ist jeweils direkt eine Schicht aus einem keramischen Material 8 angeordnet, beispielsweise aus einer Oxidkeramik. Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 7 ist der faserverstärkte Grundkörper 9 auf einem Substrat 10 angeordnet.

[0036] Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Adapters oder eines Sleeves. Auf einer faserverstärkten Grundhülse 20 mit einer kompressiblen Zwischenschicht 21 und einem darauf aufgebauten faserverstärkten Grundkörper 22 ist direkt eine Schicht aus einem keramischen Material 23 angeordnet, beispielsweise aus einer Oxidkeramik. Hierbei ist zwischen dem faserverstärkten Grundkörper 22 und der faserverstärkten Grundhülse 20 eine Zwischenschicht 21 angeordnet, die mit einem kompressiblen Deckmaterial gebildet ist.

[0037] Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander für die Verwirklichung der Erfindung relevant sein.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils, mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines Grundkörpers aus einem faserverstärkten Kunststoff und

- Aufbringen einer Schicht aus einem keramischen Material direkt auf den Grundkörper.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus keramischem Material mittels thermischen Spritzens auf den Grundkörper aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schicht aus keramischem Material aus einem oxidkeramischen Material gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schicht aus einem keramischen Material in Pulverform auf den Grundkörper aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schicht aus keramischem Material einlagig oder mehrlagig auf den Grundkörper aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff bereitgestellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper ein Harzmaterial enthält.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper mit in Kreuzlagen gewickelten Fasern bereitgestellt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper einen Faseranteil zwischen 20 Vol.-% und 80 Vol.-% aufweist.

10. Beschichtetes Bauteil mit einem Grundkörper aus einem faserverstärkten Kunststoff und einer direkt auf dem Grundkörper angeordneten Schicht aus einem keramischen Material.

Zeichnung