Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kunststoffbeschichtung mittels eines Spritzvorganges. Zudem erfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Düseneinschnürungsbereich und nachgeschaltetem Beschleunigungskanal sowie die Verwendung der Schicht.
Unter Kunststoffbeschichtung versteht man sowohl das Beschichten von Kunststoffen - beispielsweise die Kunststoffmetallisierung - als auch mit Kunststoffen, also mit Materialien, deren wesentliche Bestandteile aus solchen makromolekularen organischen Verbindungen bestehen, die synthetisch oder durch Abwandeln von Naturprodukten entstehen.
Das Auftragen solcher Plastikwerkstoffe mit und ohne Füllung durch thermische Spritzverfahren, wie etwa Flammspritzen und Plasmaspritzen mit pulverförmigem oder drahtförmigem Spritzwerkstoff, ist seit langem bekannt. Das bei all diesen Verfahren auftretende Problem ist, dass beim Aufschmelzen des Plastikwerkstoffes dieser in vielen Fällen - bedingt durch die Verweilzeit im Strahl und die thermische Beeinflussung - strukturell verändert wird und dadurch seine Stabilität in Hinsicht auf die Beständigkeit verliert; bei allen bekannten Verfahren ist es notwendig, die zu beschichtende Oberfläche auf die - oder nahe an die - Schmelztemperatur vorzuwärmen.
Bei einem der
Auch Versuche, den Plastikwerkstoff von aussen in einem gewissen Abstand in die Plasmaflamme einzubringen, wie in der
Die Druckschrift
Bei einem Verfahren zum Beschichten von Substraten nach der Druckschrift
Ein wesentliches Problem bei diesen Versuchen bestand darin, dass immer sehr hohe thermische und relativ niedrige kinetische Energie zum Aufspritzen verwendet wurden, da die eingesetzten Spritzgeräte in allen Fällen für höher schmelzende Metalle konstruiert waren.
In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die erkannten Nachteile zu beseitigen und ein günstiges Verfahren zum Beschichten von Kunststoffteilen ohne Vorwärmung - oder auch von Holz - anzubeten bzw. zum Beschichten mit Kunststoffpulvern od.dgl. organischen Stoffen. Zudem soll eine Vorrichtung dazu beschaffen werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 12 beansprucht. In Anspruch 13 wird die Verwendung einer durch das Verfahren hergestellte Schicht beansprucht.
Erfindungsgemäss wird entweder eine Schicht aus metallischen, nichtmetallischen oder oxidischen Werkstoffen auf ein Kunststoffelement oder aber eine Schicht aus Kunststoff auf einen Grundwerkstoff mittels eines Hochgeschwindigkeits-Spritzverfahrens unter Zugabe des pulverförmigen Werkstoffes durch eine gasgesteuerte -- mit Ueberdruck und Unterdruck betriebene -- Pulverfärdereinheit aufgetragen, dies bevorzugt mittels eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren oder eines Hochgeschwindigkeits-Kaltspritzverfahrens.
Als günstig hat es sich erwiesen, einen Spritzwerkstoff in einem Korngrößenbereich zwischen 0,1 und 150 µm, insbesondere 0,5 bis 75 µm, einzusetzen, besonders aber in einem Korngrößenbereich von 1 bis 30 µm.
Nach einem anderen Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens werden polymere pulverförmige Kunststoffe durch nanokristalline Zusätze auf die Eigenschaften des Grundwerkstoffes eingestellt; als Spritzpulver werden nanokristalline Pulver vorgeschlagen.
Gute Resultate werden dann erreicht, wenn die Schicht auf einen faserverstärkten Werkstoff aufgebracht wird, etwa einen durch Kohle- oder Glasfasern verstärkten Werkstoff.
Zum anderen kann die erfindungsgemäße Schicht auf einen Kunststoff, einen hochtemperaturbeständigen Kunststoff, auf Polyurethan, Hochleistungsthermoplast und/oder Duroplast aufgetragen werden, insbesondere auf Polyetheretherketon (PEEK), Polyacryletherketon (PAEK), deren Vorstufen, Polyphenylensulfit (PPS), Liquidcristallinepolymer (LCP), Entfunctionale Oligomere oder auf Polyamide.
Der Kunststoff soll im Rahmen der Erfindung als Grundwerkstoff oder als Basisschicht auf einem Metall oder als Deckschicht aufgetragen werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt eine als Hochdruck-Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner ausgebildete Vorrichtung mit einem Düseneinschnürungsbereich und nachgeschaltetem Beschleunigungskanal sowie mit einer gasgesteuerten Pulverfördereinheit, die vorteilhafterweise mit Überdruck sowie mit Unterdruck betrieben zu werden vermag. In diesem Hochdruck-Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner wird der pulverförmige Spritzwerkstoff bevorzugt zentral der Hochgeschwindigkeitsflamme nahe dem Düseneinschnürungebereich und vor dem Beschleunigungskanal zugeführt, wobei nach einem anderen Merkmal der Erfindung wenigstens eine radial zur Hochgeschwindigkeitsflamme angeordnete Zuführeinrichtung für den pulverförmigen Spritzwerkstoff vorgesehen ist.
Als weitere erfindungsgemäße Maßnahme ist anzusehen, dass der Druckbereich für den Flammenstrahl des Hochdruck-Hochgeschwindigkcits-Flammspritzbrenners mit einem Hochdruck von 0.50 bis 5 MPa (5 bis 50 bar) -- vorzugsweise 1.0 bis 2.5 MPa (10 bis 25 bar) -- zu betreiben ist. Zudem soll der Pulverförderer zwischen dem Pulverlagerbehälter und dem Pulveraustritt zum Spritzgerät druckgesteuert und druckgekoppelt sein.
Dank dieser Maßgaben hat sich gezeigt, dass es möglich ist, mit dem erfindungsgemäßen Rochdaruck-Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrcnner bei der Einführung des pulverförmigen Werkstoffes axial oder radial nahe oder in der Einschnürzone vor dem oder im Beschleunigungskanal zugeführt werden, wodurch die Plastikworkstoffe ohne Veränderung der Struktur und ohne Substrat Vorwärmung aufgespritzt werden können. Eine weitere Notwendigkeit ist es, einen druckentkoppelten, durch Unter-und Überdruck gesteuerten Pulverförderer zu verwenden, da nur ein solcher es erlaubt, den pulverförmigen Spritzwerkstoff in der beschriebenen Stelle in den Flammenkanal einzubringen und mit einer ausreichenden Genauigkeit die beschriebenen Spritzwerkstoffe zu fördern.
Von Bedeutung ist bei einer in der beschriebenen Weise mittels des Hochgeschwindigkeits-Spritzverfahrens auf Plastikwerkstoff aufgebrachten Schicht, dass sie zu einer Verbesserung sowohl der Verschleißfestigkeit als auch der Korossionsbeständigkeit des Grundwerkstoffes beiträgt.
Die erfindungsgemäße -- wie gesagt auf Plastikwerkstoff aufgebrachte -- Schicht kann zum Herstellen eines Gleitlagers bzw. einer Gleitschicht eingesetzt werden, ebenfalls für eine elektrisch leitende Schicht oder eine magnetische Schicht. Auch die Erzeugung einer Isolierschicht, einer Antihaftschicht oder einer biologisch aktiven Schicht ist möglich.
Im Rahmen der Erfindung liegt schließlich die Verwendung solcher auf einem Plastikwerkstoff entstandener Schichten sowohl in der Automobil-Industrie oder im Maschinenbau als auch in der chemischen Industrie sowie im Schiffs- und Bootsbau. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Medizintechnik.
Dank der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, i.w. thermische Energie weitgehend durch kinetische zu ersetzen, können die erwähnten Kunststoffteile ohne Vorwärmen beschichtet bzw. in entsprechender Weise Kunststoffschichten auf Grundwerkstoffe aufgetragen werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihren beiden Figuren jeweils einen schematisierten Längsschnitt durch einen Hochdruck-Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner (HD-HVOF) und zwar in
Ein pistolenartiger Flammspritzbrenner 10 nach
Die sich in einem Bereich 16 der axialen Länge a in Spritzrichtung x verjüngende Brennkammer 14 geht in einen rohrartigen Beschleunigungskanal 22 mit endwärtiger Mündung 24 für die Hochgeschwindigkeitsflamme F über.
Der Flammspritzbrenner 10a der
Mit diesem pistolenartigen Flammspritzbrenner 10, 10adenen jeweils eine gasgesteuerte Pulverfördereinheit zugeordnet ist -- werden ein Flammendruck in der Brennkammer bzw. im Bereich des Pulverinjektionspunktes zwischen 0.5 bis 5 MPa (5 bis 50 bar), vorzugsweise 1 bis 2.5 MPa (10 bis 25 bar), und eine sehr hohe Flammengeschwindigkeit im Bereich bis zu Mach 3 erreicht. Infolge des hohen Arbeitsdruckes werden die Spritzpulverpartikel wesentlich besser beschleunigt, und die Wärmeeinbringung wird auf ein Minimum reduziert.
Als Grundwerkstoffe eignen sich für das hier beschriebene Verfahren metallische und Plastikwerkstoffe, wie etwa Polyurethan, hochtemperaturbeständige Kunststoffe, Hochleistungsthermoplaste und/oder Duroplaste. Bei metallischen Grundwerkstoffen werden Zwischenschichten zum Abbau der Spannungen zur Kompensation der Unterschiede im Ausdehnungskoeffizient oder zum Abbau derselben aufgetragen, beispielsweise wenn auf einen faserverstärkten Werkstoff eine Verschleißschicht aus hartstoffen -- etwa aus Boriden, Karbiden, Nitriden, Siliciden und/oder Oxide -- mit und ohne Metall- oder Plastikbinder aufgespritzt werden soll.
Die bei Zwischen- und Deckschichten verwendeten hochtemperaturbeständigen Kunststoffe sind:
Nur wenn mit einem solchen Verfahren gearbeitet wird und die Abstimmung der Spritzwerkstoffe auf die Eigenschaften des Grundwerkstoffes -- wie etwa des Ausdehnungskoeffizienten -- sowie die Schichtfolge eingehalten werden, können Schichten auf metallische, nichtmetallische und plastische Grundwerkstoffe mit Erfolg aufgebracht werden.
Im Werkzeugbau für Karosserieteile werden beim Herstellen von Kleinserien -- oder für Änderungen an derartigen Werkzeugen -- zur Kostensenkung Hartplastikwerkzeuge oder Teile davon verwendet. Um diese Werkzeuge mit einer verschleißfesten Schicht zu versehen, ist im Hinblick auf die geringe Temperaturbelastung des Grundwerkstoffes nur ein mit hohem Druck arbeitendes Hochgeschwindigkeitsflammspritz-Verfahren einsetzbar.
Bei Versuchen wurde als Übergangsschicht eine Werkzeug-Verschleißbeschichtung einer Schichtdicke von 200 µm mittels eines HD-HVOF (Hochdruck-HochgeschwindigkeitsFlammspritz-) Verfahrens aufgebracht aus Polyetheretherketon mit einem Zusatz von Aluminium-Oxiden von 1 bis 30 Gew.-% und einer Kornverteilung für das Spritzpulver von 1 bis 50 µm.
Es folgte eine Zwischenschicht aus Kupfer mit einer Schichtdicke von 100 µm, die mit einer Lichtbogendrahtspritzpistole aufgespritzt wird, und auf dieser wurde eine Deckschicht bzw. Verschleißschicht mit einer Schichtdicke von 40 µm aufgebaut, für die ebenfalls ein HD-HVOF-Verfahren eingesetzt wurde. Als Spritzpulver diente hier ein Wolframkarbid/Kobalt 88/12 mit einer Kornverteilung von 1 bis 20 µm.
Durch das Aufbringen dieser Beschichtung wurde eine wesentlich höhere Standzeit für das Werkzeug erreicht.
Hier erfolgte die Ausführung wie zu Beispiel 1 beschrieben mit dem Unterschied, dass die Übergangsschicht zum besseren Anpassen an den Grundwerkstoff bzw. zum Anpassen der Ausdehnungskoeffizienten einen gradierten Aufbau (PEEK-Aluminium-Oxid) aufwies.
Auch diese Ausführung entsprach jener nach Beispiel 1, wobei allerdings die Übergangsschicht zum besseren Anpassen an den Grundwerkstoff bzw. zum Anpassen der Ausdehnungskoeffizienten und der elektrischen Leitfähigkeit aus einem Spritzwerkstoff der Zusammensetzung PEEK-Aluminium-Oxid-Kupfer besteht.
Dieses entsprach dem Beispiel 3 mit dem Unterschied einer galvanisch oder elektrochemisch aufgebrachten Verschleißschicht.
Hierbei wurde die nach Beispiel 4 erzeugte fertige Beschichtung vor dem Einsatz mit einer Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 150 bis 350°C nachbehandelt.
Auf Walzenrollen für die Papierindustrie wurde zur Verbesserung der Standzeiten und der Beständigkeit gegen Feuchtigkeit eine Verschleißschutzschicht mit hoher Durchschlagsfestigkeit und niedriger Klebeneigung aufgetragen. Als Spritzanlage wurde eine HD-HVOF-Einrichtung mit einer unter Überdruck und Unterdruck arbeitenden Pulverfördereinheit verwendet. Die Schichtdicke sollte 500 µm betragen.
Als Spritzpulver wurde ein Gemisch aus 70 bis 98 Gew.-% Polyetheretherketon (PEEK) und 2 bis 30 Gew.-% nanokristallinen Oxiden einer Kornverteilung von 1 bis 20 µm eingesetzt. Die gefundenen Werte und Standzeiten lagen gegenüber denen ohne Beschichtung wesentlich höher.
Entsprach dem Beispiel 6, wobei die Beschichtung einen gradierten Aufbau aufwies.
Auch dieses entsprach dem Beispiel 6, allerdings unter Einsatz eines Faserverbundwerkztoffes als Grundwerkstoff.
Beim Aufspritzen einer Antifäulnis-Schicht auf einen aus Kunststoff hergestellten Boots- oder Schiffskörper wurde das HD-HVOF-Verfahren eingesetzt und eine Schicht einer Schichtdicke von 500 µm mit der folgenden Zusammensetzung aufgebracht: der pulverförmige Spritzwerkstoff bestand aus einem Gemisch von einem Polyurethanpulver sowie einem nanokristallinen Kupferpulver im Verhältnis 90/10; die Kornverteilung betrug 1 bis 75 µm.
Diese Schicht zeigte gegenüber den sonst üblichen kupferhaltigen Farbanstrichen eine wesentlich höhere Standzeit und bot eine bessere ökologische Verträglichkeit an.
Kohlefaserverstärkte Implantate für Knie- oder Hüftgelenke können bis heute nur bedingt eingesetzt werden, da sich das Hydroxylapatit nicht auf diesen Werkstoff aufspritzen läßt. Darum wurde mit dem HD-HVOF-Verfahren eine mit diesem Grundwerkstoff und dem menschlichen Körper verträgliche Zwischenschicht und anschließend die biostabile Schichtbeispielsweise Hydroxylapatit aufgespritzt. Die Zwischenschicht einer Schichtdicke von 50 µm bestand aus pulverförmigem PPS und Al-Oxid im Mischungsverhältnis 10 bis 40 Anteile Al-Oxid, Rest PPS.
Diese Lösung ergab eine implantierbare Prothese, die sehr leicht und gut verträglich ist. Auch die Entstehungskosten können gegenüber einer Titanlegierung als Grundwerkstoff enthaltenden Prothesen niedriger gehalten werden.
Bei Walzengleitlagern sollte das bis jetzt verwendete Weißmetall gegen einen besseren Gleitlagerwerkstoff ersetzt werden. Die Beschichtung nach dem RD-HVOF-Verfahren geschah mit einer Zwischenschicht und einer Deckschicht aus pulverförmigen Werkstoffen der folgenden Zusammensetzung:
Die so hergestellten Gleitlager zeigten sehr gutes Gleitverhalten und eine wesentlich höhere Standzeit als bislang bekannte Gleitlager.
Ein Reaktorbehälter für die chemische Industrie sollte zur Steuerung der darin durchzuführenden Reaktionen mit einer korrosionsfesten und magnetischen Schutzschicht versehen werden. Die Beschichtung sollte mit dem HD-HVOF-Verfahren erfolgen und die aufgebrachte Schicht eine Schichtdicke von 700 µm aufweisen.
Als pulverförmiger Werkstoff wurde ein Gemisch aus PEEK, Si-Oxid, Al-Oxid und nanokristallinem Ferrit verwendet. Die Zusammensetzung lag bei Si-Oxid 5 bis 20 Gew.-%, Al-Oxid 10 bis 20 Gew.-% und Rest PEEK. Durch die Ferritkorngröße wurde der Curiepunkt der Beschichtung auf 280°C eingestellt. Die Kornverteilung betrug 1 bis 40 µm.
Nach dem Aufspritzen wurde die Schicht mittels Induktion nachgesintert.
Die nachfolgend in diesem Reaktor durchgeführten Reaktionen waren sehr erfolgversprechend.
Auf einem aus Holz hergestellten Klettergarten für einen Spielplatz sollte eine verwitterungsfeste Schutzschicht einer Schichtdicke von 200 µm mit dem HD-HVOF-Verfahren aufgebracht werden.
Als pulverförmiger Werkstoff wurde ein Gemisch verwendet aus
Die so hergestellte Schutzschicht hatte eine ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit und zeigte zudem eine schöne schwarze Farbe.
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