[0001] Die Erfindung betrifft eine thermische Spritzvorrichtung, sowie ein thermisches Spritzverfahren
zur Beschichtung eines Substrats gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs
der jeweiligen Kategorie.
[0002] Das "Thermische Spritzen" ist seit langem in der Einzelteil- und industriellen Serienfertigung
etabliert. Die gängigsten thermischen Spritzverfahren, die insbesondere auch in der
Serienfertigung zur Beschichtung von Oberflächen von Substraten in grosser Stückzahl
Anwendung finden, sind z.B. das Flammspritzen mit einem Spritzpulver oder einem Spritzdraht,
das Lichtbogenspritzen, das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), das Flammschockspritzen
oder das Plasmaspritzen. Die zuvor genannte Liste von thermischen Spritzverfahren
ist sicher nicht abschliessend. Vielmehr kennt der Fachmann eine grosse Zahl von Varianten
der aufgezählten Verfahren, sowie weitere Verfahren, z.B. Sonderverfahren wie das
Flammspritzschweissen.
[0003] Dabei hat sich das thermische Spritzen weite Anwendungsbereiche erschlossen. Man
kann durchaus feststellen, dass das thermische Spritzen als Oberflächenbeschichtungsverfahren,
was seine Einsatzmöglichkeiten betrifft, die Beschichtungstechnik mit der wahrscheinlich
grössten Anwendungsbreite ist. Eine Abgrenzung der Einsatzbereiche der zuvor aufgelisteten
Spritzverfahren scheint dabei nicht unbedingt sinnvoll, weil die Einsatzbereiche ineinander
übergreifen können.
[0004] Dabei reicht die Anwendungspalette der verschiedenen thermischen Spritzverfahren
von der Verbesserung der Leistungsfähigkeit beanspruchter Oberflächen gegen mechanische
Beanspruchungen, wie z.B. Reibung, gegen hohe Temperaturen, gegen chemische Angriffe
auf die Oberfläche, bis hin zu ästhetischen Anwendung, wie beispielsweise die Verschönerung
von Oberflächen von Gegenständen des persönlichen Bedarfs. Entsprechend breit ist
die Palette der Substrate, deren Oberflächen heute standardmässig durch thermisches
Spritzen beschichtet werden. Typische Beispiele sind Verschleissteile aller Art, Komponenten
von Verbrennungskraftmaschinen, wie die Laufflächen von Zylindern in Benzin oder Dieselmotoren,
Kolben und Kolbenringe solcher Maschinen, das Aufbringen von Wärmedämmschichten auf
Turbinenteile land- oder luftgestützter Turbinen, Beschichtung von hydraulischen Kolben,
Küchenutensilien, wie Töpfe oder Pfannen, und vieles mehr. Als Spritzwerkstoff kommen,
z.B. in Form von Spritzpulver oder Spritzdrähten, alle Werkstoffe in Frage, die durch
Energiezufuhr schmelzflüssig oder zumindest plastisch bzw. angeschmolzen werden können.
Beschichtet werden dabei praktisch alle Arten von Werkstoffen, z.B. Holz, Glas, Keramik,
Metalle, Stähle und Legierungen, aber auch Kunststoffe und Textilien.
[0005] Spezielle Anwendungen verlangen sehr häufig das Aufbringen einer Beschichtung, die
aus mehreren aufeinander gespritzten Einzelschichten aufgebaut ist. So kann z.B. eine
Beschichtung, die eine Turbinenschaufel gegen die extremen Bedingungen in der Turbine
im Betriebszustand schützen soll, aus einer Haftschicht oder Verbindungsschicht bestehen,
die eine gute Verbindung einer aufzubringenden Schicht mit dem Substrat gewährleistet,
darauf kann eine Antidiffusionsschicht aufgebracht sein, die beispielsweise eine Diffusion
von Legierungskomponenten, aus dem Substrat oder umgekehrt, verhindert. Als weitere
Schicht auf der Oberflächenschicht kann eine spezielle Hartschicht vorgesehen sein,
die insbesondere gegen mechanische und chemische Angriffe schützt und zuletzt als
Deckschicht eine Wärmedämmschicht, z.B. auf der Basis von Zirkonoxid zum Schutz gegen
die hohen Temperaturen, die im Betriebszustand in der Turbine herrschen.
[0006] Wie das zuvor genannte Beispiel eindrucksvoll belegt, liegt einer der grossen Vorzüge
des thermischen Spritzens darin, dass eine Beschichtung aus einem Schichtsystem mehrerer
Einzelschicht aufgetragen werden kann, die aus ganz unterschiedlichen Materialien
gespritzt sein können, und somit auch unterschiedliche Funktionen erfüllen können.
Darüber hinaus ist es in speziellen Fällen auch möglich, beim Auftrag eines Schichtsystems
verschiedene thermische Spritzverfahren zu kombinieren, so dass eine bestimmte Schicht
des Schichtsystems, z.B. mittels eines Plasmaspritzverfahrens aufgetragen wird, und
eine andere Schicht desselben Schichtsystems, z.B. eine abschliessende Wärmedämmschicht
mittels eine HVOF Verfahrens aufgespritzt wird. Es ist sogar möglich, thermische Spritzverfahren
mit anderen Beschichtungsverfahren, z.B. mit Dünnschichtverfahren wie PVD (Physical
Vapour Deposition) oder CVD (Chemical Vapour Deposition) oder z.B. mit Lichtbogenverdampfungsverfahren
zu kombinieren.
[0007] Ein ganz typisches einfaches Beispiel ist der Auftrag eines Zweischichtsystems mit
einem Plasmaspritzverfahren, wobei die beiden Schichten mit zwei verschiedenen Spritzpulvern
gespritzt werden müssen. So ist es z.B. bekannt, eine Verschleissschutz Beschichtung
auf ein Substrat aufzubringen, die zusätzlich gewissen ästhetischen Anforderungen
genügen muss. Da die eigentliche Verschleissschutzschicht z.B. hervorragende Verschleissschutzeigenschaften
hat und z.B. nach dem Auftrag eine strahlend weisse Farbe haben kann, was aus ästhetischen
Gründen gewünscht ist, kann es sein, dass die Verschleissschutzschicht jedoch sehr
schlechte Hafteigenschaften auf dem zu beschichteten Substrat hat. Daher ist es gängige
Praxis, vor dem Auftrag der z.B. weissen, ästhetisch schönen Verschleissschutzschicht,
unmittelbar auf die Oberfläche des Substrats, zunächst eine Haftschicht aus einem
anderen Material, das heisst mit einem anderen Spritzpulver als dem Spritzpulver aus
dem die Verschleissschutzschicht gebildet wird, aufzutragen. Dabei wird das Spritzpulver
für die Haftschicht so gewählt, dass die Haftschicht einerseits sehr gute Hafteigenschaften
auf dem Substrat hat und andererseits die weisse Verschleissschutzschicht sehr gut
auf der Haftschicht haftet. Im Ergebnis erhält man somit eine Beschichtung bestehend
aus einem Zweischichtsystem, die insgesamt sehr gut auf dem Substrat haftet und andererseits
einen sehr guten Verschleissschutz gegen mechanische Angriffe auf die Oberfläche bietet,
wobei die beschichtete Oberfläche gleichzeitig ein ästhetisches weisses Aussehen hat.
[0008] Ein entscheidender Nachteil bei der Herstellung solcher und anderer Mehrschichtsysteme,
insbesondere in der Serienfertigung, liegt bei den aus dem Stand der Technik bekannten
thermischen Spritzverfahren und den bekannten zum thermischen Spritzen eingesetzten
thermischen Spritzvorrichtungen darin, dass der Beschichtungsvorgang beim Übergang
vom Spritzen einer Einzelschicht zum Spritzen der nächsten Schicht, die mit einem
anderen Spritzmaterial oder nach einem anderen Spritzverfahren gespritzt werden muss,
der Spritzvorgang unterbrochen werden muss. Entweder weil die Spritzpistole ausgetauscht
werden muss, um entweder den Spritzpistolentyp zu wechseln und/oder eine andere Zuführung
für ein anderes Spritzpulver und/oder einen anderen Spritzdraht zu installieren. Je
nach dem, welche konkrete thermische Spritzvorrichtung oder welches thermische Spritzverfahren
zum Einsatz kommt, kann es auch notwendig sein, zum Aufspritzen einer weiteren Schicht
den Spritzvorgang zu unterbrechen, das Substrat in eine andere thermische Spritzvorrichtung
umzubauen, um dann mittels der anderen thermischen Spritzvorrichtung die weitere Schicht
auszutragen.
[0009] Die zuvor beispielhaft erläuterten Probleme mit den aus dem Stand der Technik bekannten
Spritzverfahren und den bekannten thermischen Spritzvorrichtungen, führen natürlich
zu einer erheblichen Verkomplizierung des Beschichtungsvorgangs insgesamt. Das benötigt
zusätzliche Ausrüstung und hat die Bindung von Arbeitsressourcen zur Folge, führt
insbesondere zu einer Erhöhung der Bearbeitungszeiten beim Beschichten, und damit
zu einer deutlichen Verteuerung der entsprechenden Produkte.
[0010] Zumindest teilweise, das heisst in ganz speziellen Fällen, nämlich in Fällen, die
das thermische Spritzen von Beschichtungen aus mehreren Einzelschichten auf die Oberfläche
eines Substrats mittels zwei oder mehrerer verschiedener Spritzpulver betreffen, wurde
versucht diese Probleme dadurch zu umgehen, dass z.B. bei einer Plasmaspritzvorrichtung
anstatt einer einzigen Zuführung für ein Spritzpulver zwei oder mehrere verschiedene
Zuführungen vorgesehen wurden, die mit unterschiedlichen Pulvervorräten verbunden
sind.
[0011] Bei den zuvor genannten Plasmaspritzvorrichtungen wird mittels einer Plasmaspritzpistole
ein Plasmastrahl erzeugt, in welche durch die Zuführung ein Spritzpulver eingebracht
wird, das in der Plasmaflamme des Plasmastrahls, z.B. geschmolzen und auf die Oberfläche
eines zu beschichtenden Substrats geschleudert wird, so dass sich auf dem Substrat
eine Oberflächenschicht aus dem Material des Spritzpulvers ausbildet.
[0012] Wenn jetzt z.B. zwei Zuführungen für das Spritzpulver vorgesehen sind, die aus zwei
verschiedenen Spritzpulvervorräten mit Spritzpulver beschickt werden können, so ist
es dadurch möglich, zwei (oder mehrere) verschiedene Schichten nacheinander auf die
Oberfläche eines Substrats aufzubringen, und so eine Beschichtung aus einem Mehrschichtsystem
zu bilden, ohne den Spritzvorgang zu wechseln. Ein entsprechendes bekanntes thermisches
Spritzverfahren kann dabei z.B. folgendermassen durchgeführt werden. Zwischen den
Spritzpulvervorräten, in welchem zur Beschickung der Zuführungen mit Spritzpulver
ein bestimmtes Spritzpulver bevorratet ist und der entsprechenden Zuführung selbst,
ist eine Absperrvorrichtung vorgesehen, so dass die Beschickung der Zuführung mit
Spritzpulver entweder ermöglicht oder unterbunden werden kann.
[0013] Zur Illustration des Verfahrens soll im folgenden beispielhaft auf das oben bereits
erwähnte Zweischichtsystem zurückgegriffen werden, das aus einer Haftschicht besteht,
die aufgrund des verwendeten Spritzpulvers zum Beispiel eine schwarze Farbe hat und
aus einer darauf aufgebrachten Verschleissschutzschicht, die aus ästhetischen Gründen
eine strahlend weisse Farbe haben soll.
[0014] Zum Aufbringen dieses Zweischichtsystems mittels einer Plasmaspritzvorrichtung wird
zunächst eine Plasmaflamme in einer Spritzpistole gezündet, die auf das zu beschichtende
Substrat gerichtet wird, so dass in die Plasmaflamme eingebrachtes und von der Plasmaflamme
aufgeschmolzenes Spritzpulver zur Bildung einer Schicht auf die Oberfläche des Substrats
geschleudert wird.
[0015] Zur Bildung des Zweischichtsystems ist zunächst die Verbindung zwischen dem Spritzpulvervorrat,
der das Spritzpulver zur Bildung der weissen Verschleissschutzschicht enthält, unterbrochen,
so dass der entsprechenden Zuführung kein Spritzpulver zur Bildung der Verschleissschutzschicht
zuführbar ist. Geöffnet ist jedoch die Verbindung zwischen der Zuführung und dem Pulvervorrat,
der das Spritzpulver zur Bildung der Haftschicht enthält, so dass das Pulver zur Bildung
der Haftschicht der Plasmaflamme zuführbar ist.
[0016] Dadurch kann in einem ersten Verfahrensschritt zunächst die Haftschicht auf das Substrat
aufgebracht werden. Wenn der Auftrag der Haftschicht abgeschlossen ist, wird die Zuführung
des Spritzpulvers zur Zuführung aus dem Spritzpulvervorrat, der das Spritzpulver zur
Bildung der Haftschicht enthält, unterbrochen, so dass aus diesem Pulvervorrat kein
weiteres Spritzpulver der entsprechenden Zuführung mehr zuführbar ist.
[0017] Sodann wird die Verbindung zwischen derjenigen Zuführung, die mit dem Pulvervorrat
verbunden ist, der das Spritzpulver zur Bildung der weissen Verschleissschutzschicht
enthält, hergestellt, so dass der Plasmaflamme jetzt das Spritzpulver zur Bildung
der weissen Verschleissschutzschicht zugeführt wird und entsprechend auf die zuvor
aufgebrachte schwarze Haftschicht die weisse Verschleissschutzschicht aufgebracht
werden kann. Somit ist es mit dieser aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung
zwar möglich, ein Zwei- oder Mehrschichtsystem mit unterschiedlichen Spritzpulvern
zu spritzen, ohne den Spritzvorgang zu unterbrechen, das heisst ohne die Plasmaflamme
abzustellen und/oder eine Zuführung für das Spritzpulver auszutauschen und/oder das
Substrat zur Bildung einer zweiten Schicht in eine andere Plasmaspritzvorrichtung
umzubauen.
[0018] Ein erheblicher Nachteil dieser bekannten Plasmaspritzvorrichtung liegt jedoch darin,
dass sich in einer Spritzpulver Zuführung selbst bzw. in einer Verbindungsleitung
zwischen Spritzenpulvervorrat und Zuführung, auch nach einer Unterbrechung der Verbindung
zwischen Spritzpulvervorrat und der zugehörigen Zuführung immer noch Reste des entsprechenden
Spritzpulvers befinden. Das hat zur Folge, dass diese Reste des Spritzpulvers durch
den beträchtlichen Unterdruck den die Plasmaflamme erzeugt, beim weiteren Spritzen
mit einem anderen Spritzpulver, das der Plasmaflamme wie oben beschrieben aus einer
anderen Zuführung zum Spritzen einer weiteren Schicht zugeführt wird, aus der Zuführung
herausgesaugt wird, und so das Spritzpulver, das eigentlich für die Bildung der weiteren
Schicht vorgesehen ist verunreinigt. Das heisst, die weitere Schicht enthält gewisse
Anteile des Spritzpulvers, das eigentlich einzig für die Bildung einer ersten Schicht
vorgesehen war.
[0019] Es liegt auf der Hand, dass solche Verunreinigungen erhebliche negative Folgen haben
können. Wenn zum Beispiel in die oben beschriebene weisse Verschleissschutzschicht
Verunreinigungen durch dasjenige Pulver, das eigentlich nur die schwarze Haftschicht
bilden sollte, eingebracht werden, wird die weisse Deckschicht nicht die schöne ästhetische
weisse Farbe aufweisen, sondern mehr oder weniger grau eingefärbt sein oder schwarze
Flecken enthalten. Wenn ästhetische Qualitäten bei einem Produkt eine gewisse Rolle
spielen, ist ein Produkt mit einer solchen verunreinigten Oberfläche natürlich unbrauchbar
und muss ausgesondert werden.
[0020] Aber Verunreinigungen in einer Schicht können natürlich auch zu einer deutlichen
Verschlechterung der mechanischen, chemischen, physikalischen oder thermischen Eigenschaften
der verunreinigten Schicht führen. Selbst geringe Mengen an Verunreinigungen können
in speziellen Fällen dazu führen, dass sich bestimmte Schichteigenschaften so dramatisch
verschlechtern, dass die Beschichtung insgesamt die gewünschten Eigenschaften nicht
mehr aufweist und das beschichtete Teil unbrauchbar ist und ausgesondert werden muss.
[0021] Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte thermische Spritzvorrichtung,
sowie ein verbessertes thermisches Spritzverfahren bereitzustellen, mit welchem Mehrschichtsysteme
auf ein Substrat aufbringbar sind, wobei die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile
überwunden werden.
[0022] Die diese Aufgaben in apparativer und verfahrenstechnischer Hinsicht lösenden Gegenstände
der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie
gekennzeichnet.
[0023] Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung.
[0024] Die Erfindung betrifft somit eine thermische Spritzvorrichtung zur Beschichtung einer
Oberfläche eines Substrats mittels eines Beschichtungsmaterials. Die thermische Spritzvorrichtung
umfasst eine Spritzpistole mit einer Heizeinrichtung zum Aufheizen des Beschichtungsmaterials
in einer Heizzone, sowie eine Beschickungseinrichtung mit einer Zuführung, durch die
das Beschichtungsmaterial in die Heizzone einbringbar ist. Dabei ist die thermische
Spritzvorrichtung derart ausgestaltet, dass eine relative Position zwischen der Zuführung
und der Heizzone im Betriebszustand veränderbar ist.
[0025] Dadurch, dass die relative Position zwischen der Zuführung und der Heizzone, in der
ein durch eine Zuführung eingebrachtes Spritzpulver aufheizbar ist, im Betriebszustand
veränderbar ist, kann eine Zuführung, wenn sie zur Zuführung eines Spritzpulvers in
einem auf einen ersten Beschichtungsvorgang nachfolgenden zweiten Beschichtungsvorgang,
nicht mehr benötigt wird, aus dem Einflussbereich der Plasmaflamme entfernt werden,
so dass aufgrund der Unterdruckwirkung durch die Plasmaflamme kein Pulver mehr aus
der nicht mehr benötigten Zuführung absaugbar ist. Somit kann zum Beispiel eine nachfolgende,
eventuell mit einem anderen Spritzpulver zu spritzende Schicht nicht mehr durch das
Pulver, das zum Spritzen der vorhergehenden Schicht verwendet wurde, verunreinigt
werden.
[0026] So können auf besonders einfache und effiziente Weise Mehrschichtensysteme aus unterschiedlichen
Materialien auf ein Substrat aufgebracht werden, ohne dass beim Wechsel vom Spritzen
einer ersten Schicht eines aufzutragenden Schichtsystems auf das Spritzen einer weiteren
Schicht mit einem anderen Spritzpulver, der Spritzvorgang nicht in der Art unterbrochen
werden muss, dass eine Zuführung für das Spritzpulver ausgetauscht wird, und/oder
das Substrat zum Aufbringen einer weiteren Schicht auf eine zuerst gespritzte Schicht,
in eine andere Spritzvorrichtung umgebaut werden muss.
[0027] In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer thermischen Spritzvorrichtung ist
die Heizeinrichtung der thermischen Spritzvorrichtung ein Plasmabrenner und/oder eine
Heizeinrichtung zum Flammspritzen und/oder eine Heizeinrichtung zum Lichtbogenspritzen
und/oder eine Heizeinrichtung zum Flammschockspritzen und/oder eine andere thermische
Wärmequelle. Das heisst, die erfindungsgemässe thermische Spritzvorrichtung und das
unten noch zu erläuternde erfindungsgemässe thermische Spritzverfahren, kann im wesentlichen
mit allen bekannten thermischen Spritzverfahren durchgeführt werden, bzw. die Art
der Heizeinrichtung und somit der Typ der Spritzpistole, die eine erfindungsgemässe
thermische Spritzvorrichtung umfasst, kann jede der aus dem Stand der Technik an sich
bekannten Spritzpistolen bzw. Heizeinrichtungen sein. Damit ist die erfindungsgemässe
Spritzvorrichtung bzw. das erfindungsgemässe Verfahren universell einsetzbar und eignet
sich praktisch für das Aufbringen jeder denkbaren thermischen Beschichtung mit jedem
beliebigen Spritzwerkstoff, ganz gleich ob Spritzpulver oder Spritzdraht oder ein
Spritzwerkstoff in einer anderen Form auf ein Substrat, das aus einem beliebigen Material
bestehen kann.
[0028] Dabei ist einem für die industrielle Praxis besonders wichtigen Ausführungsbeispiel
die thermische Spritzvorrichtung so ausgestaltet, dass die Zuführung in Bezug auf
die Heizeinrichtung bewegbar angeordnet ist. Das kann zum Beispiel dadurch realisiert
sein, dass die Spritzpistole selbst in Bezug auf die Spritzvorrichtung als solche
eine im Betriebszustand nicht veränderbare Position hat, während eine Position der
Zuführung in Bezug auf die Heizzone, also z.B. in Bezug auf die Position zur Plasmaflamme
einer Plasmaspritzpistole, veränderbar ist. Dazu kann die Zuführung in einem speziellen
Ausführungsbeispiel zum Beispiel auf einem beweglichen Schlitten montiert sein, der
in Bezug auf die Heizzone, die zum Beispiel durch die Plasmaflamme einer Plasmaspritzpistole
definiert wird, verschiebbar ist.
[0029] Bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, wie an einem speziellen Beispiel später noch
erläutert wird, sind mindestens eine erste Zuführung und eine zweite Zuführung vorgesehen,
wobei mindestens die erste Zuführung, im Speziellen die erste und die zweite Zuführung,
in Bezug auf die Heizeinrichtung bewegbar angeordnet ist. Dabei kann über die erste
Zuführung ein erstes Beschichtungsmaterial zuführbar sein und über die zweite Zuführung
ein zweites Beschichtungsmaterial zuführbar sein. Eine solche Anordnung erlaubt es
auf sehr effiziente Weise zwei oder mehr verschiedenen Schichten eines Beschichtungssystems
mit zwei oder mehr verschiedenen Spritzpulvern nacheinander auf eine Substrat zu spritzen,
ohne dass der Spritzvorgang insgesamt unterbrochen werden muss und ohne, dass eine
Vermischung bzw. Verunreinigung der verschiedenen Spritzpulver erfolgt. So kann mit
der ersten Zuführung ein erstes Spritzpulver in die Heizzone zum Spritzen einer ersten
Schicht eingebracht werden. Wenn die erste Schicht fertiggestellt ist, kann die erste
Zuführung aus dem Einflussbereich der Heizzone wegbewegt werden und über die zweite
Zuführung ein zweites, anderes Spritzpulver, zum Spritzen einer zweiten Schicht auf
die erste Schicht, in die Heizzone eingebracht werden, ohne dass eine Verschmutzung
des zweiten Spritzpulvers mit dem ersten Spritzpulver befürchtet werden muss. Selbstverständlich
ist es auch denkbar, dass die zweite Zuführung erst nachdem die erste Zuführung aus
dem Einflussbereich der Heizzone entfernt wurde, in den Einflussbereich der Heizzone
bewegt wird. Je nach angewendetem Spritzverfahren oder den Anforderungen an die zu
spritzende Schicht oder die Ausgestaltung der Beschichtungsprozesse insgesamt und
der Art der eingesetzten konkreten Spritzvorrichtung, kann unterschiedlichen Varianten
der Verzug gegeben werden.
[0030] In einem weiteren speziellen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen thermischen
Spritzvorrichtung ist die Heizeinrichtung in Bezug auf die Zuführung bewegbar angeordnet.
Das heisst alternativ zu dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich,
dass zum Beispiel zwei verschiedene Zuführungen vorgesehen sind, die beispielsweise
mit zwei verschiedenen Spritzpulvervorräten zur Belieferung mit Spritzpulver in Verbindung
stehen, wobei die Position der beiden Zuführungen in Bezug auf die thermische Spritzvorrichtung
als solche im Betriebszustand fixiert ist. In diesem Fall ist die Spritzpistole in
Bezug auf ihre Position zu den beiden Zuführungen beweglich angeordnet. Beispielsweise
kann die Spritzpistole auf einem bewegbaren Träger angeordnet sein, so dass zum Spritzen
einer ersten Schicht die Spritzpistole so in Bezug auf die erste Zuführung angeordnet
ist, dass durch die erste Zuführung ein erstes Spritzpulver in die Heizzone einbringbar
ist, und die Spritzpistole durch Bewegen des beweglichen Trägers so verschoben wird,
dass Spritzpulver aus der zweiten Zuführung in die Heizzone einbringbar ist, während
sich die erste Zuführung nicht mehr im Einflussbereich der Heizzone befindet. Bei
einer solchen Vorrichtung ist es also möglich, zwei verschiedene Schichten auf ein
Substrat nebeneinander zu spritzen, ohne den Spritzvorgang an sich zu unterbrechen.
In einer bevorzugten Variante des zuvor erläuterten Ausführungsbeispiels wird das
Substrat durch geeignete Kopplung an die Verschiebung der Spritzpistole mit dieser
synchron bewegt, so dass auch zwei Schichten übereinander aufgespritzt werden können.
[0031] Selbstverständlich ist es in einem anderen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen
thermische Spritzvorrichtung auch möglich, dass neben einer ersten Heizeinrichtung
noch mindestens eine zweite Heizeinrichtung vorgesehen ist, und mindestens die erste
Heizeinrichtung in Bezug auf eine Zuführung, bevorzugt beide in Bezug auf eine bewegbar
angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, auf ein Substrat unterschiedliche Schichten
mit unterschiedlichen Typen von Spritzpistolen und/oder mit unterschiedlichen Spritzpulvern
aufzubringen.
[0032] Insbesondere wenn z.B. abwechselnd mit einer Spritzpistole zum Flammspritzen bzw.
zum HVOF-Spritzen und einer Plasmaspritzpistole ein Substrat mit verschiedenen Schichten
versehen werden soll, kann in einer erfindungsgemässen Vorrichtung z.B. auf ein Substrat
zuerst eine Schicht mittels Flammspritzen und eine zweite Schicht mittels Plasmaspritzen
aufgetragen werden. Da bei den bekannten Vorrichtungen zum Flammspritzen bzw. zum
HVOF Spritzen die Pulverzuführung in der Regel axial und nicht radial von aussen über
die Zuführung erfolgt, sind während des Beschichtungsschritts mittels Flammspritzen
die Zuführungen z.B. aus dem Einflussbereich der Heizzone herausgeschwenkt, da die
Zuführungen beim Flammspritzen nicht benötigt werden. Wenn der Beschichtungsschritt
mittels Flammspritzen abgeschlossen ist, wird die Spritzpistole zum Flammspritzen
gegen eine Plasmaspritzpistole ausgetauscht und die Zuführung zum Einbringen von Spritzpulver
in die Schmelzzone entsprechend in Richtung der Schmelzzone verschwenkt, die durch
die Plasmaspritzpistole erzeugt wird.
[0033] Weiterhin kann eine Reinigungseinheit vorgesehen sein, so dass, falls notwendig,
eine Zuführung für das Spritzpulver aus dem Einflussbereich der Heizzone bewegt werden
kann, so dass die Zuführung, wie dem Fachmann hinlänglich bekannt, durch die Reinigungseinheit
gereinigt werden kann, so dass die Zuführung für einen nachfolgenden Beschichtungsvorgang
wieder in einen optimalen Zustand versetzt ist.
[0034] Aus den obigen Erläuterungen heraus versteht es sich von selbst, dass, entweder die
Zuführung und/oder die Heizeinrichtung und/oder die Reinigungseinheit mittels eines
Antriebs gemeinsam oder jeweils einzeln gegeneinander linear bewegbar angeordnet sind.
[0035] Dabei muss die relative Bewegung der zuvor genannten Komponenten einer erfindungsgemässen
thermischen Spritzvorrichtung keineswegs zwingend eine lineare Bewegung sein. Je nach
den Umständen oder den speziellen Anforderungen an die Spritzbedingungen, kann die
Bahn der relativen Bewegung zueinander auch in komplizierterer Weise als einfach linear
sein. So kann die Zuführung und/oder die Heizeinrichtung und/oder die Reinigungseinheit
mittels eines Antriebs gegeneinander auch zum Beispiel rotierbar angeordnet sein,
was insbesondere von Vorteil sein kann, wenn zwischen mehr als zwei verschiedenen
Spritzpulver während eines Spritzvorgangs gewechselt werden soll, und/oder wenn zwischen
mehr als zwei verschiedenen Typen von Spritzpistolen gewechselt werden soll.
[0036] Der Antrieb zur Erzeugung der relativen Bewegung kann dabei ein pneumatischer Antrieb,
und/oder ein hydraulischer Antrieb und/oder ein magnetischer Antrieb und/oder ein
elektrischer Antrieb, insbesondere ein Linearmotor oder eine Rotationsmaschine oder
von jeder anderen geeigneten Art sein.
[0037] Die Erfindung betrifft weiter ein thermisches Spritzverfahren zur Durchführung in
einer der oben beschriebenen thermischen Spritzvorrichtungen, wobei eine Oberfläche
eines Substrats mit einem Beschichtungsmaterial mittels einer thermischen Spritzvorrichtung,
umfassend eine Spritzpistole mit einer Heizeinrichtung und eine Beschickungseinrichtung
mit einer Zuführung, beschichtet wird, wobei das Beschichtungsmaterial durch die Zuführung
in die Heizzone eingebracht wird und in der Heizzone durch die Heizeinrichtung erhitzt
wird, und die relative Position zwischen der Zuführung und der Heizzone im Betriebszustand
verändert wird.
[0038] Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in
schematischer Darstellung:
- Fig. 1 a
- eine aus dem Stand der Technik bekannte thermische Spritzvorrichtung;
- Fig. 1
- ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen thermischen Spritzvorrichtung mit
bewegbar angeordneter Zuführung;
- Fig. 2
- ein anderes Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit rotierbar angeordneten Zuführungen;
- Fig. 3
- ein drittes Ausführungsbeispiel mit verschwenkbar angeordneten Zuführungen;
- Fig. 4
- ein Ausführungsbeispiel mit einer bewegbar angeordneten Spritzpistolen.
[0039] Bevor einige Ausführungsbeispiele von erfindungsgemässen thermischen Spritzvorrichtungen
anhand der Zeichnung näher erläutert werden, soll anhand von Fig. 1a zunächst in aller
Kürze zur Verdeutlichung eine typische Anordnung einer aus dem Stand der Technik bekannten
thermischen Spritzvorrichtung 1' erläutert werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten
Merkmale sind dabei durch gestrichene Bezugszeichen gekennzeichnet.
[0040] Eine typische bekannte thermische Spritzvorrichtung 1' umfasst, wie in Fig. 1 a schematisch
dargestellt, im wesentlichen eine Spritzpistole 5', die eine Heizeinrichtung aufweist,
beispielsweise einen Plasmabrenner, welcher im Bereich einer Heizzone 6' eine Plasmaflamme
bereitstellt. An der Spritzpistole 5' ist mittels eines Pulverinjektorhalters 12'
eine Zuführung 8' fixiert, welche Zuführung 8' mit einem Pulvervorrat 10' verbunden
ist, der Beschichtungsmaterial 4', z.B. Spritzpulver 4' enthält, das mittels der Zuführung
8' der Heizzone 6' zuführbar ist, so dass das Beschichtungsmaterial 4' in der Heizzone
6' erhitzbar ist, und sodann auf das Substrat 3' zur Bildung einer Schicht aufbringbar
ist. Charakteristisch ist dabei für die bekannte thermische Spritzvorrichtung 1',
dass die relative Position 9' zwischen der Zuführung 8' und der Heizzone 6' zumindest
während eines gesamten Spritzvorgangs unverändert bleibt, was durch den Punkt mit
dem Bezugszeichen 9' symbolisiert ist.
[0041] Die im folgenden beschriebenen Fig. 1-4 entsprechen, was die Art der Darstellung
entspricht, einem senkrechten Querschnitt gemäss der Art der Darstellung nach Fig.
1a. Allerdings sind die Fig. 1-4 selbstverständlich Darstellungen von erfindungsgemässen
thermischen Spritzvorrichtungen und stellen nicht, wie Fig. 1 a, den Stand der Technik
dar.
[0042] Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemässe thermische
Spritzvorrichtung, die im folgenden gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet
wird.
[0043] Dieses für die Praxis besonders wichtige Ausführungsbeispiel eignet sich in besonderer
Weise, um zum Beispiel eine Beschichtung aus zwei Schichten mit zwei unterschiedlichen
Spritzpulvern 4, 41, 42 auf eine Oberfläche 2 eines Substrats 3 nacheinander und übereinander
aufzuspritzen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird das Substrat 3 nacheinander
mit einem Spritzpulver 41 und einem Spritzpulver 42 zur Bildung eines Zweischichtsystems
beschichtet.
[0044] Es sind zwei Behälter 10, ein erster Behälter 101 und ein zweiter Behälter 102 als
Spritzpulvervorrat 10, 101, 102 vorgesehen, die zwei verschiedene Spritzpulver 4,
ein erstes Spritzpulver 41 und ein zweites Spritzpulver 42 zum Spritzen von zwei verschiedenen
Schichten enthalten. Der Behälter 101 ist über eine erste Leitung 111 mit der ersten
Zuführung 81 verbunden, so dass das erste Spritzpulver 41 über die erste Zuführung
81 in eine Heizzone 6 einbringbar ist. Analog ist die zweite Zuführung 82 über die
zweite Leitung 112 mit dem zweiten Behälter 102 verbunden, so dass, wenn sich die
zweite Zuführung 82 im Bereich der Heizzone 6 befindet, das zweite Spritzpulver 42
zum Spritzen einer zweiten Schicht in die Heizzone einbringbar ist. In den Leitungen
111, 112 sind jeweils ein Absperrventil 131, 132 vorgesehen, so dass der Pulverzufluss
aus den Behältern 41, 42 zu den entsprechenden Zuführungen 81, 82 entweder durch Schliessen
des Absperrventils 131, 132 unterbunden werden kann, oder durch Öffnen eines der Absperrventile
131, 132 ermöglicht werden kann. Die beiden Zuführungen 81, 82 sind gemeinsam auf
einer beweglichen Schiene 12 vorgesehen, die im folgenden allgemein als Pulverinjektorhalter
12 bezeichnet wird. Das der Pulverinjektorhalter 12 verschiebbar ist, ist durch den
Doppelpfeil 9 symbolisch dargestellt. Wie in Fig. 1 dargestellt wird das Substrat
3 mit dem Spritzpulver 41 mit einer ersten Schicht beschichtet. Wenn der Beschichtungsvorgang,
das heisst die Beschichtung mit dem Spritzpulver 41 abgeschlossen ist, wird der Pulverinjektorhalter
mittels eines in Fig. 1 nicht gezeigten Antriebs darstellungsgemäss nach links entlang
des Doppelpfeils 9 verschoben, bis die Zuführung 82 so positioniert ist, dass Spritzpulver
42 in die Schmelzzone 6 mittels der Zuführung 82 einbringbar ist. So kann dann auf
die erste Schicht, die mit dem Spritzpulver 41 gespritzt wurde, eine zweite Schicht
mit dem Spritzpulver 42 aufgespritzt werden, ohne dass eine Verunreinigung des zweiten
Spritzpulvers 42 durch das erste Spritzpulver 41 befürchtet werden muss.
[0045] In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 mit rotierbar angeordneten
Zuführungen in schematischer Weise dargestellt.
[0046] Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei verschiedene Zuführungen
8, nämlich eine erste Zuführung 81, eine zweite Zuführung 82 und eine dritte Zuführung
83 vorgesehen, die auf einem im wesentlichen als Kreisring ausgebildeten Pulverinjektorhalter
12 angeordnet sind. Mittels der in Fig. 2 gezeigten thermischen Spritzvorrichtung
1 kann das Substrat 3 nacheinander mit mindestens drei verschiedenen Schichten beschichtet
werden. Es ist selbstverständlich problemlos möglich mehr oder weniger als drei Zuführungen
8 auf dem kreisförmigen Pulverinjektorhalter vorzusehen. Das gilt übrigens selbstverständlich
auch für den Pulverinjektorhalter 12 gemäss Fig. 1 ebenso. Im Prinzip funktioniert
der Beschichtungsvorgang mit der thermischen Spritzvorrichtung 1 gemäss Fig. 2 völlig
analog, zu dem, wie er bei der Beschreibung der Fig. 1 ausführlich bereits erläutert
wurde. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass das Wechseln von einer Zuführung
8, zum Beispiel von der ersten Zuführung 81, auf eine andere Zuführung 82 oder 83
durch eine Rotationsbewegung des Pulverinjektorhalters 12 um eine Drehachse 14 erfolgt,
wie durch den Doppelpfeil 9 symbolisiert, und nicht durch eine lineare Bewegung, wie
bei dem Pulverinjektorhalter gemäss Fig. 1.
[0047] Ein drittes Ausführungsbeispiel mit verschwenkbar angeordneten Zuführungen ist in
Fig. 3 dargestellt. Auch diese Spritzvorrichtung 1 ist dazu geeignet, das Substrat
3 nacheinander mit zwei verschiedenen Spritzpulvern 41, 42 zu beschichten. Der wesentliche
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 besteht lediglich darin, dass
der Wechsel der Zuführungen 81, 82 dadurch geschieht, dass die Zuführungen 81, 82,
bevorzugt simultan, um jeweils eine Drehachse 14 verschwenkbar sind, wie durch die
Doppelpfeile 9 symbolisch angedeutet ist. Das heisst, wenn z.B. eine erste Schicht
mit einem Spritzpulver 41 aus dem Behälter 101 auf der Oberfläche 2 des Substrats
3 fertig gespritzt ist, wird die Zuführung 81 aus dem Bereich der Heizzone 6 darstellungsgemäss
nach links um die Achse 141 weggeschwenkt, und die Zuführung 82 um die Achse 142 in
den Bereich der Heizzone 6 eingeschwenkt. Entsprechend werden, wie oben bei den beiden
anderen Ausführungsbeispielen bereits genau beschrieben, die Ventile 13, die die Zufuhr
der Spritzpulver 41, 42 regeln, geöffnet bzw. geschlossen.
[0048] In Fig. 4 ist schliesslich ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Spritzvorrichtung
1 mit bewegbar angeordneten Spritzpistolen 5, 51, 52 dargestellt. Diese spezielle
Ausführungsform ist besonders dazu geeignet, wenn zum Beispiel mit ein und demselben
Spritzpulver zwei Schichten mit zwei unterschiedlichen Spritzpistolen aufgebracht
werden soll. Es ist wohlbekannt, dass mit verschiedenen Spritzpistolen, die mit verschiedenen
Spritzparametern oder nach verschiedenen Verfahren arbeiten, mit ein und demselben
Spritzpulver Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften gespritzt werden können.
So kann die in Fig. 4 schematisch dargestellte Spritzpistole 51, z.B. eine Sulzer
Metco F4-MB Plasma Spray Gun sein, während die Spritzpistole 52 eine Sulzer Metco
Triplex II Plasma Spray Gun ist. Mit der zu letzten genannten können z.B. Schichten
mit deutlich höherer Qualität gespritzt werden, so dass eine optimale Oberfläche erreicht
wird, während mit der F4-MB Plasma Spray Gun z.B. eine Haftschicht aufgespritzt wird,
an die bezüglich ihrer Oberfläche geringere Anforderungen gestellt werden, da diese
im Anschluss von der sehr hochwertigen Schicht, gespritzt mit der Triplex Spritzpistole
52 überdeckt wird. Während die beiden zuvor erwähnten Typen von Spritzpistolen 5 beides
Plasmaspritzpistolen 5 sind, können die beiden Spritzpistolen 51, 52 auch zwei Spritzpistolen
5 sein, die nach verschiedenen Prinzipien arbeiten. So kann z.B. die Spritzpistole
51 eine Flammspritzpistole 51 sein, während die Spritzpistole 52 eine Plasmaspritzpistole
52 oder eine Drahtspritzpistole 52 ist. Selbstverständlich ist auch jede andere Kombination
von Typen von Spritzpistolen 5 möglich.
[0049] Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist, im Gegensatz zu den zuvor
anhand der Figuren 1-3 erläuterten Ausführungsbeispielen, ein zu beschichtendes Substrat
3 vor einer Zuführung 8 positioniert, wobei während eines Spritzvorgangs eine erste
Spritzpistole 51 gegen eine zweite Spritzpistole 52 austauschbar ist.
[0050] Hier sind die beiden Spritzpistolen 51, 52 auf einem beweglichen Spritzpistolenhalter
15 montiert, der zum Wechseln der Spritzpistolen 51, 52 während des Spritzvorgangs
in Richtung des Doppelpfeils 9 verschiebbar ist, so dass nacheinander zuerst eine
Schicht mit der Spritzpistole 51 und danach eine zweite Schicht mit der Spritzpistole
52 aufgespritzt werden kann. Es versteht sich von selbst, dass analog zu den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 2 und Fig. 3 die Spritzpistolen 51, 52 auch auf einem ringförmigen Spritzpistolenhalter
15 montiert sein können, bzw. dass die Spritzpistolen 51, 52 auch verschwenkbar angeordnet
sein können. Selbstverständlich können auch mehr als zwei gleiche oder verschiedene
Spritzpistolen 5 auf einem Spritzpistolenhalter 15 vorgesehen sein, um mehr als zwei
verschiedene Schichten auf ein Substrat 3 spritzen zu können.
[0051] Es ist klar, dass die zuvor näher erläuterten Ausführungsbeispiele auch in jeder
geeigneten Weise kombinierbar sind. Das heisst, es sind insbesondere auch thermische
Spritzvorrichtungen 1 möglich, bei denen mehrere gleiche oder verschiedene Typen von
Spritzpistolen 5 vorgesehen sind, sowie eine oder mehrere verschiedene Zuführungen
8, die genau wie die Spritzpistolen 5 separat oder gemeinsam gegeneinander bewegbar
sind, so dass Schichtsysteme gespritzt werden können, die aus unterschiedlichen Spritzpulvern
und/oder nach unterschiedlichen Spritzmethoden, wie z.B. Plasmaspritzen, Drahtspritzen,
HVOF usw. gespritzt werden können.
1. Thermische Spritzvorrichtung zur Beschichtung einer Oberfläche (2) eines Substrats
(3) mittels eines Beschichtungsmaterials (4), umfassend eine Spritzpistole (5) mit
einer Heizeinrichtung zum Aufheizen des Beschichtungsmaterials (4) in einer Heizzone
(6), sowie eine Beschickungseinrichtung mit einer Zuführung (8), durch die das Beschichtungsmaterial
(4) in die Heizzone (6) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass eine relative Position
(9) zwischen der Zuführung (8) und der Heizzone (6) im Betriebszustand veränderbar
ist.
2. Thermische Spritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Heizeinrichtung einen Plasmabrenner
und/oder eine Heizeinrichtung zum Flammspritzen und/oder eine Heizeinrichtung zum
Lichtbogenspritzen und/oder eine Heizeinrichtung zum Flammschockspritzen und/oder
eine andere thermische Wärmequelle ist.
3. Thermische Spritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Beschichtungsmaterial
(4) als Spritzpulver (4) und/oder als Spritzdraht (4) vorliegt.
4. Thermische Spritzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zuführung
(8) in Bezug auf die Heizzone (6) bewegbar angeordnet ist.
5. Thermische Spritzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens
eine erste Zuführung (81) und eine zweite Zuführung (82) vorgesehen sind, und mindestens
die erste Zuführung (81) in Bezug auf die Heizzone (6) bewegbar angeordnet ist.
6. Thermische Spritzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei über die
erste Zuführung (81) ein erstes Beschichtungsmaterial (41) zuführbar ist und über
die zweite Zuführung (82) ein zweites Beschichtungsmaterial (42) zuführbar ist.
7. Thermische Spritzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Spritzvorrichtung
so ausgestaltet ist, dass die Heizzone (6) in Bezug auf die Zuführung (8, 81, 82)
bewegbar angeordnet ist.
8. Thermische Spritzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens
eine erste Heizeinrichtung zur Erzeugung einer ersten Heizzone (61) und eine zweite
Heizeinrichtung zur Erzeugung einer zweiten Heizzone (62) vorgesehen sind, und die
Spritzvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass mindestens die erste Heizzone (61)
in Bezug auf die Zuführung (8, 81, 82) bewegbar angeordnet ist.
9. Thermische Spritzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Reinigungseinheit
vorgesehen ist.
10. Thermische Spritzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zuführung
(8, 81, 82) und/oder die Heizzone (6, 61, 62) und/oder die Reinigungsarbeit mittels
eines Antriebs gegeneinander linear angeordnet sind.
11. Thermische Spritzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zuführung
(8, 81, 82) und/oder die Heizzone (6, 61, 62) und/oder die Reinigungseinheit mittels
eines Antriebs gegeneinander rotierbar angeordnet sind.
12. Thermische Spritzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Antrieb
ein pneumatischer Antrieb und/oder ein hydraulischer Antrieb und/oder ein magnetischer
Antrieb und/oder ein elektrischer Antrieb, insbesondere ein Linearmotor oder eine
Rotationsmaschine ist.
13. Thermisches Spritzverfahren, wobei eine Oberfläche (2) eines Substrats (3) mit einem
Beschichtungsmaterial (4) mittels einer thermischen Spritzvorrichtung (1), umfassend
eine Spritzpistole (5) mit einer Heizeinrichtung, und weiter umfassend eine Beschickungseinrichtung
mit einer Zuführung (8), beschichtet wird, wobei das Beschichtungsmaterial (4) durch
die Zuführung (8) in die Heizzone (6) eingebracht wird und in der Heizzone (6) durch
die Heizeinrichtung erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Position (9) zwischen der Zuführung (8) und der Heizzone (6) im Betriebszustand
verändert wird.