[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/mm
2 aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann die Schicht aus keramischem Material
nach einem Aushärten eine Haftzugfestigkeit von größer oder gleich 5 N/mm
2 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.
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.