[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Prozessparametern in einem
thermischen Spritzprozess.
[0002] Thermische Spritzprozesse wie beispielsweise das Plasmaspritzen werden heute für
eine grosse Vielfalt von Beschichtungen auf ganz unterschiedlichen Substraten eingesetzt.
Dazu wird in einer Plasmaspritzvorrichtung, wie einem Plasmabrenner, ein Lichtbogen
zwischen einer Anode und einer Kathode erzeugt. Ein Gas wird zwischen den Elektroden
ionisiert, sodass ein Plasma entsteht. Der für die zu erzeugende Beschichtung benötigte
Werkstoff wird üblicherweise in Pulverform in das heisse Plasma eingeblasen, dort
aufgeschmolzen oder zumindest plastisch gemacht und durch den Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit
auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht.
[0003] Da die zu erzeugenden Beschichtungen oft ganz unterschiedlicher Natur sind, muss
der thermische Spritzprozess üblicherweise an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst
werden. Oft ist dabei das zu erzielende Ergebnis vorgegeben, wie beispielsweise die
Ablagerungsrate, die Schichtdicke, die Schichtstruktur oder andere Schichteigenschaften
wie die Porösität, die Adhäsion, die Oberflächenrauhigkeit, die elektrische Leitfähigkeit,
die thermische Leitfähigkeit, die Viskosität, die Verschleissfestigkeit, der Anteil
der ungeschmolzenen Partikel oder chemische Eigenschaften wie der Oxidationsgrad der
Schicht.
[0004] Daneben ist es insbesondere auch für industrielle Anwendungen sehr wichtig, dass
der Spritzprozess an sich eine hohe Stabilität aufweist, also reproduzierbare Ergebnisse
liefert, und dass er eine hohe Prozess- und Ablagerungseffizienz beinhaltet.
[0005] Um die thermischen Spritzvorrichtungen unter diesen beispielhaft erwähnten Aspekten
an die jeweilige Anwendung anzupassen, ist es wünschenswert wenn nicht sogar notwendig,
Informationen über die Prozessparameter wie beispielsweise Gasgeschwindigkeit und
-temperatur, Partikelgeschwindigkeit und Temperatur zu haben. Derartige Grössen sind
zwar prinzipiell messtechnisch erfassbar, beispielsweise mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitskameras,
aber solche Messungen sind sehr aufwändig.
[0006] Auch im Hinblick auf die Weiter- oder Neuentwicklung von thermischen Spritzvorrichtungen,
die heute meist empirisch erfolgt, ist es wünschenswert, mehr Informationen über die
Prozessparameter zu haben bzw. solche Informationen möglichst einfach zu erhalten.
[0007] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem
eine möglichst einfache und doch zuverlässige Bestimmung von Prozessparametern unter
verschiedenen Betriebsbedingungen in einem thermischen Spritzprozess ermöglicht wird.
[0008] Das diese Aufgabe lösende Verfahren ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
1 gekennzeichnet.
[0009] Erfindungsgemäss wird also ein Verfahren vorgeschlagen zur Bestimmung von Prozessparametern
in einem thermischen Spritzprozess, bei welchem mittels einer thermischen Spritzvorrichtung
Partikel aufgeschmolzen oder plastisch gemacht oder verdampft werden und von einem
Fluidstrom zu einem Substrat transportiert werden, bei welchem Verfahren für den thermischen
Spritzprozess oder für die thermische Spritzvorrichtung ein Betriebsmodell errichtet
wird, mit dem eine Simulation des thermischen Spritzprozesses durchführbar ist, und
welches ein strömungsmechanisches Modell sowie ein elektromagnetisches Modell umfasst,
wobei das strömungsmechanische Modell und das elektromagnetische Modell miteinander
gekoppelt werden und mittels des Betriebsmodells mindestens ein Prozessparameter bestimmt
wird.
[0010] Dadurch, dass die thermische Spritzvorrichtung bzw. der thermische Spritzprozess
durch ein Betriebsmodell beschrieben wird, können die Prozessparameter bestimmt werden,
ohne dass dafür eine messterchnische Erfassung des jeweiligen Betriebsparameters notwendig
ist. Da das Betriebsmodell die Kopplung eines strömungsmechanischen Modells mit einem
elektromagnetischen Modell umfasst, also die mechanischelektromagnetischen Wechselwirkungen
z.B. zwischen dem Fluidstrom und dem Lichtbogen berücksichtigt, wird eine zuverlässige
Bestimmung der Prozessparameter ermöglicht.
[0011] Dieses Betriebsmodell erlaubt es auch, Aussagen über die Prozessparameter in thermischen
Spritzvorrichtungen zu machen, wenn diese unter extremen Betriebsbedingungen arbeiten.
Somit können beispielsweise Belastbarkeitsgrenzen für thermische Spritzvorrichtungen
untersucht werden.
[0012] Desweiteren ist das erfindungsgemässe Verfahren insbesondere für Weiter- und Neuentwicklungen
von thermischen Spritzvorrichtungen besonders vorteilhaft einsetzbar. Durch die erfindungsgemässe
Bestimmung der Prozessparameter kann nämlich der gesamte Spritzprozess bzw. die Spritzvorrichtung
simuliert werden. Dies ermöglicht eine deutlich einfachere und schnellere Optimierung
des Designs der Spritzvorrichtung oder Teilen davon, z. B. der Düse.
[0013] Vorzugsweise umfasst das Betriebsmodell die Wechselwirkung zwischen den Partikeln
und dem Fluidstrom. Durch die Berücksichtigung der in den Fluidstrom eingebrachten
Partikel im Betriebsmodell können die Prozessparameter noch genauer bestimmt werden.
Zudem werden hierdurch Aussagen wie beispielsweise über die Flugbahn der Partikel
oder ihre Geschwindigkeit möglich.
[0014] Die Partikel werden bei der Modellierung als ausgedehnte Körper betrachtet. Bei einem
Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Prozessparameter, welche ein Partikel
betreffen, z. B. die Temperatur des Partikels als konstant über die Ausdehnung bzw.
das gesamte Volumen des jeweiligen Partikels angenommen. Das heisst beispielsweise
es wird angenommen, dass das Partikel eine homogene bzw. einheitliche Temperatur hat,
die sich natürlich mit seiner Position im Gasstrom ändert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
werden bei der Modellierung Variationen der Prozessparameter über die Ausdehnung eines
Partikels zugelassen, das heisst beispielsweise, die Temperatur wird nicht mehr als
konstant über die Ausdehnung des Partikels angenommen.
[0015] Vorzugsweise wird zumindest einer der folgenden Prozessparameter bestimmt: Geschwindigkeit
der Partikel, Temperatur der Partikel an der Oberfläche der Partikel, Temperatur im
Innern der Partikel, Aggregatzustand der Partikel, Spur der Partikel, Auftreffpunkt
der Partikel. Eine weitere vorteilhafte Massnahme ist es, ein Temperaturprofil für
die Partikel zu erstellen.
[0016] Durch die Kenntnis der Temperatur im Innern der Partikel bzw. des Temperaturprofils
ist es beispielsweise möglich zu erkennen, ob die Partikel auch im Innern aufgeschmolzen
bzw. plastisch sind. Solche Informationen sind nützlich, um die Eigenschaften der
zu erzeugenden Beschichtung zu kontrollieren.
[0017] Aus den gleichen Gründen ist es vorteilhaft, ein Geschwindigkeitsprofil oder ein
Temperaturprofil für den Fluidstrom zu erstellen.
[0018] Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich in vorteilhafter Weise auch für die Optimierung
von Spritzprozessen und -vorrichtungen. So kann für mindestens einen Prozessparameter
ein Sollwert vorgegeben werden und die thermische Spritzvorrichtung oder der thermische
Spritzprozess mittels des Betriebsmodells optimiert werden, bis der Sollwert innerhalb
vorgebbarer Grenzen erreicht wird. Dies ermöglicht eine deutlich schnellere Optimierung
als eine rein auf empirischer Vorgehensweise basierte.
[0019] In einer bevorzugten Anwendung, nämlich falls die thermische Spritzvorrichtung eine
Düse umfasst, durch welche der Fluidstrom austritt, wird das Betriebsmodell zur Optimierung
der Düse herangezogen.
[0020] Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere, wenn die thermische Spritzvorrichtung
eine Plasmaspritzvorrichtung ist, bei der ein Lichtbogen zwischen einer Anode und
einer Kathode erzeugt wird. Speziell eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren auch
für Mehrkathoden-Plasmabrenner.
[0021] Eine vorteilhafte Massnahme besteht darin, mittels des Betriebsmodells die Form und/oder
die Kontaktpunkte des Lichtbogens zu bestimmen. Dadurch lässt sich beispielsweise
die Lebensdauer der Spritzvorrichtung verlängern. Ausserdem kann die Stabilität des
Lichtbogens unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen untersucht werden.
[0022] Durch die Erfindung wird ferner eine thermische Spritzvorrichtung, insbesondere eine
Plasmaspritzvorrichtung vorgeschlagen, welche mit Hilfe eines erfindungsgemässen Verfahrens
betrieben wird.
[0023] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das strömungsmechanische Modell
ein CFD Modell und das elektomagnetische Modell ein auf den Maxwellschen Gleichungen
basierendes Modell, welches geeignet ist, die wechselwirkenden elektrischen und magnetischen
Effekte quantitativ zu beschreiben.
[0024] Auch wird durch die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Implementierung eines
erfindungsgemässen Verfahrens in eine Datenverarbeitungsanlage vorgeschlagen.
[0025] Weitere vorteilhafte Massnahmen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[0026] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung
näher erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:
- Fig. 1:
- eine schematische Darstelllung eines Ausführungsbeispiels einer thermischen Spritzvorrichtung,
die als Plasmaspritzvorrichtung ausgestaltet ist.
[0027] Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung von Prozessparametern in einem
thermischen Spritzprozess vorgeschlagen, bei welchem mittels einer thermischen Spritzvorrichtung
Partikel aufgeschmolzen oder plastisch gemacht und von einem Fluidstrom, beispielsweise
einem Gasstrom zu einem Substrat transportiert werden. Mit dem Begriff "Prozessparameter"
sind dabei alle Grössen gemeint, die in irgendeiner Form der Charakterisierung des
Betriebszustands einer thermischen Spritzvorrichtung oder der Charakterisierung des
thermischen Spritzprozesses dienen. Solche Prozessparameter sind beispielsweise: Geschwindigkeit
oder Geschwindigkeitsfeld des Fluids bzw. des Gases, Temperatur bzw. Temperaturprofil
des Fluids bzw. des Gases, Geschwindigkeit der Partikel (an verschiedenen Orten),
Temperatur der Partikel an der Oberfläche oder im Innern der Partikel, Aggregatzustand
der Partikel, Position bzw. Spur der Partikel, Desintegration oder Aufbrechen von
Partikeln, Erosion, Kontaktpunkte zwischen einem Lichtbogen und den Elektroden, Form
und Verlauf des Lichtbogens, charakteristische Eigenschaften des Fluids bzw. des Gases
wie spezifische Wärmekapazität, lonisationsgrad. Diese Aufzählung ist nicht abschliessend.
[0028] Im Folgenden wird auf den für die Praxis besonders wichtigen Anwendungsfall Bezug
genommen, dass der thermische Spritzprozess ein Plasmaspritzprozess ist und die Spritzvorrichtung
eine Plasmaspritzvorrichtung. Natürlich ist die Erfindung nicht auf solche Anwendungen
beschränkt, sondern eignet sich auch für andere thermische Spritzverfahren wie beispielsweise
Radio-Frequency (RF)-Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen.
[0029] Fig. 1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer
Plasmaspritzvorrichtung, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Die
Plasmaspritzvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, in welchem eine Kathodenanordnung
3 und eine dagegen elektrisch isolierte Anode 4 vorgesehen ist. Die Anode 4 ist hier
als Ringanode ausgestaltet, die in ihrem Zentrum eine Auslassöffnung 42 aufweist,
die mit einer Düse 41 versehen ist. Während des Betriebs wird in axialer Richtung
ein Gas durch die Plasmaspritzvorrichtung 1 geblasen wie dies durch die beiden mit
dem Bezugszeichen G bezeichneten Pfeile angedeutet ist. In Strömungsrichtung gesehen
hinter der ringförmigen Anode 4 ist eine Pulverzuführung 5 vorgesehen, die einen oder
mehrere Zuführkanäle 51 aufweist, die sich im wesentliche in radialer Richtung erstrecken.
Natürlich ist es auch möglich, dass sich die Zuführkanäle 51 für das Pulver bzw. die
Partikel in axialer Richtung oder schräg - also zwischen axialer und radialer Richtungerstrecken.
[0030] Auf die Darstellung weiterer an sich bekannter Komponenten der Plasmaspritzvorrichtung
1 wie beispielsweise, Kühlung, Energieversorgung und Kontrolleinrichtungen wurde aus
Gründen der besseren Übersicht verzichtet.
[0031] Die Plasmaspritzvorrichtung 1 kann insbesondere auch ein Mehrkathodenbrenner sein,
wie beispielsweise der Brenner, der von der Anmelderin unter dem Handelsnamen TriplexPro
vertrieben wird. Bei diesem Brenner umfasst die Kathodenanordnung 3 insgesamt drei
Kathoden. Im Betriebszustand entstehen dann drei Lichtbögen.
[0032] Während des Betriebs wird das in axialer Richtung durch die Plasmaspritzvorrichtung
1 strömende Gas G ionisiert und es wird zwischen der Kathodenanordnung 3 und der Anode
4 mindestens ein Lichtbogen erzeugt. Das durch das Plasma erhitzte Gas G tritt mit
hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur durch die Düse 41 aus der Anode aus. Direkt
hinter der Anode 4 (in Strömungsrichtung des Gases gesehen) werden durch die Zuführkanäle
51 der Pulverzuführung 5 Partikel in Form eines Pulvers in den heissen Gasstrom eingeblasen.
Die Partikel werden in dem Gasstrom aufgeschmolzen oder zumindest plastisch gemacht,
von dem Gasstrom beschleunigt und auf ein Substrat 6 geschleudert, wo sie eine Beschichtung
7 bilden. Der mit den Partikeln beladene Gasstrom ist in Fig.1 schematisch als Beschichtungsstrahl
B dargestellt.
[0033] Häufig ist es im Anwendungsfall so, dass das zu erzielende Ergebnis - also die Beschichtung
7 auf dem Substrat 6 bzw. deren Eigenschaften vorgegeben sind und der thermische Spritzprozess
so einzustellen ist, dass das gewünschte Ergebnis möglichst gut, effizient, kostengünstig
und reproduzierbar realisiert wird. Hierfür ist es wichtig, Prozessparameter zu kennen.
[0034] Durch die Erfindung wird nun ein Verfahren zur Bestimmung von Prozessparametern vorgeschlagen,
bei dem ein Betriebsmodell errichtet wird, welches ein strömungsmechanisches Modell
sowie ein damit gekoppeltes elektromagnetisches Modell umfasst und mittels dieses
Betriebsmodells einer oder mehrere Prozessparameter bestimmt werden.
[0035] Es hat sich gezeigt, dass durch die Berücksichtigung sowohl der strömungsmechanischen
Effekte als auch der elektromagnetischen bzw. elektrodynamischen Effekte eine zuverlässige
Bestimmung der Prozessparameter ermöglicht wird.
[0036] Da somit eine messtechnische Erfassung der Prozessparameter nicht mehr notwendig
ist, sondern der Spritzprozess simuliert werden kann, ist das Verhalten der thermischen
Spritzvorrichtung nun auch in solchen Betriebszuständen analysierbar, die bisher noch
nicht untersucht worden sind. Zudem ist es möglich, Prozessparameter zu bestimmen,
die bisher messtechnisch nur sehr schwierig oder gar nicht ermittelt werden konnten,
beispielsweise die von Partikeln (speziell in ihrem Inneren).
[0037] Im folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens erläutert.
[0038] Die strömungsmechanische Modellierung erfolgt vorzugsweise mittels numerischer Strömungssimulation
(CFD - Computational Fluid Dynamics). Die CFD-Methode hat sich in den letzten Jahren
zu einem sehr effizienten Werkzeug zur Untersuchung von Strömungen entwickelt. Die
CFD und ihre Grundlagen an sich sind dem Fachmann bekannt und brauchen daher hier
nicht näher erläutert zu werden.
[0039] Für jede Strömung gelten die drei fundamentalen Prinzipien der Erhaltung von Masse,
Impuls und Energie. Die hieraus resultierenden physikalischen Zusammenhänge und Gleichungen
(die Navier-Stokes-Gleichungen) sind jedoch in ihrer allgemeinen Form nicht mehr analytisch
lösbar. Es ist der Gegenstand der CFD, numerische Lösungen für solche Gleichungen
zu bestimmen, um so ein Strömungsfeld möglichst realistisch zu beschreiben. Die Navier-Stokes-Gleichungen
enthalten die die Strömung beschreibenden Variablen wie Geschwindigkeit, Druck, Dichte,
Viskosität und Temperatur als Funktion von Ort und Zeit.
[0040] Im Rahmen dieser Anmeldung wird CFD als die Methode der Berechnung von sowohl reibungslosen
als auch reibungsbehafteten Strömungen ein- oder mehrphasiger Fluide (kontinuierliche
Phase) gegebenenfalls unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Bewegung von flüssigen
Tropfen oder festen Partikeln (disperse Phase) verstanden. Die Fluide können kompressibel
oder inkompressibel sein. Die Interaktion oder Wechselwirkung der kontinuierlichen
Phase mit der dispersen Phase kann sowohl mit den Lagrange-Euler- als auch mit den
Euler-Euler-Modellen beschrieben werden. Der Austausch von Masse, Impuls und Energie
kann entweder in eine Richtung (von der kontinuierlichen zur diskreten Phase bzw.
one-way-coupling oder umgekehrt) oder in beiden Richtungen (vollständige Kopplung
bzw. two-way-coupling) betrachtet werden.
[0041] Es sind also sowohl solche CFD-Methoden gemeint, bei denen die disperse Phase in
das Modell einbezogen wird als auch CFD-Methoden, bei denen die disperse Phase nicht
in das Modell einbezogen wird. Das heisst, die Partikel müssen nicht zwangsläufig
im Modell berücksichtigt werden. Vorzugsweise umfasst das Betriebsmodell jedoch auch
die Partikel und die Wechselwirkung zwischen den Partikeln und dem Gasstrom.
[0042] Sowohl die kontinuierliche Phase als auch die diskrete Phase können jeweils mehrere
Komponenten enthalten (multi-component phase). Beispielsweise kann beim Plasmaspritzen
ein Gemisch aus Argon und Helium verwendet werden, dann umfasst die kontinuierliche
Gasphase die beiden Komponenten Argon und Helium. Auch die diskrete Phase kann mehrere
Komponenten enthalten, wenn beispielsweise eine Pulvermischung verschiedener Substanzen
als Partikel beim Plasmaspritzen verwendet wird, oder wenn bereits aufgeschmolzene
und noch feste Partikel zwei Komponenten der diskreten Phase bilden.
[0043] Es gibt zahlreiche an sich bekannte und kommerziell erhältliche Computerprogrammprodukte
und Algorithmen für CFD, die dem Fachmann hinreichend bekannt sind, sodass hierauf
nicht weiter eingegangen wird.
[0044] Bei der strömungsmechanischen Modellierung wird zunächst der zu berechnende Strömungsraum
als dreidimensionaler Volumenkörper definiert, beispielsweise mittels eines CAD-Modells
der Spritzvorrichtung. Dann werden kleine finite Sub-Volumina definiert, in die der
Volumenkörper eingeteilt wird. Diese Sub-Volumina bilden das numerische Rechengitter.
Die Randbedingungen werden festgelegt, welche die physikalischen Betriebsbedingungen
definieren, beispielsweise Massenströme oder Flussrate beim Eintritt, Temperatur des
Gases beim Eintritt, Temperatur an den Wänden, Stromstärke oder ähnliches. Nun werden
mit an sich bekannten numerischen Prozeduren die Strömungsgrössen wie Druck, Geschwindigkeit
oder Temperatur in jedem Sub-Volumen bestimmt. Die Ergebnisse führen zu einem dreidimensionalen
Strömungsfeld, welches dann quantitativ und qualitativ ausgewertet wird.
[0045] Aufgrund der extrem hohen Temperaturen beim Plasmaspritzen - das Plasma kann beispielsweise
Temperaturen von bis zu 19000 Kelvin erreichen -wird die Temperaturabhängigkeit und/oder
die Druckabhängigkeit der Materialeigenschaften berücksichtigt. Hinsichtlich der kontinuierlichen
Phase, hier also der Gasphase, kann die Temperatur- und/oder Druckabhängigkeit insbesondere
der folgenden Grössen berücksichtigt werden: elektrische Leitfähigkeit, thermische
Leitfähigkeit, Viskosität, spezifische Wärmekapazität, Elektronendichte, molare Masse,
lonenkonzentration für die verschiedenen lonisationsstufen, Schallgeschwindigkeit.
Diese Abhängigkeiten sind bekannt oder können in an sich bekannter Weise ermittelt
werden.
[0046] Für manche Prozessgrössen oder qualitative Aussagen oder erste Näherungen beispielsweise
in Optimierungsprozessen kann es ausreichend sein, wenn man die beim Plasmaspritzen
in den Gasstrom eingeblasenen Partikel bei der strömungsmechanischen Modellierung
nicht berücksichtigt. Vorzugsweise werden die Partikel als disperse Phase jedoch in
dem Betriebsmodell berücksichtigt.
[0047] Das strömungsmechanische Modell wird erfindungsgemäss mit einem elektromagnetischen
Modell gekoppelt. Der mindestens eine zwischen der Kathodenanordnung 3 und der Anode
4 erzeugte Lichtbogen in der Plasmaspritzvorrichtung 1 erhitzt und beschleunigt das
Gas G. Die Kopplung zwischen dem strömungsmechanischen und elektromagnetischen Modell
erlaubt die Beschreibung des Lichtbogens bzw. der Lichtbögen. Der Lichtbogen bzw.
das Plasma verursachen wiederum elektromagnetische Effekte wie elektrische Potentiale,
magnetische Felder usw., deren Einfluss durch das elektromagnetische Modell bzw. seine
Kopplung an das strömungsmechanische Modell berücksichtigt werden.
[0048] Auch für die elektromagnetischen Eigenschaften werden Randbedingungen festgelegt,
insbesondere für das elektrische Potential und für das magnetische Vektorpotential.
Für das elektrische Potential kann beispielsweise angenommen werden, dass die Kathodenanordnung
3 auf Erdpotential, das heisst null Volt, liegt und das Potential der Anode so kontrolliert
wird, das der vorgegebene Strom fliesst.
[0049] Das elektromagnetische Modell basiert auf den Maxwell-Gleichungen sowie den Materialeigenschaften
für die Polarisation (Dielektrizitätskonstante), die Magnetisierung (Permeabilität)
und die Leitfähigkeit.
[0050] Die Kopplung zwischen dem strömungsmechanischen Modell und dem elektromagnetischen
Modell erfolgt über das Ohmsche Gesetz, über die Lorentzkraft (Kraft auf bewegte Ladungsträger
im Magnetfeld) und die Widerstandserwärmung. Dabei koppelt die Lorentzkraft die elektromagnetischen
Effekte mit der Fluiddynamik während die Widerstandserwärmung die elektromagnetischen
Effekte mit den thermodynamischen Energiegleichungen koppelt.
[0051] Die Lösung der resultierenden Gleichungen erfolgt üblicherweise numerisch. Dem Fachmann
ist hinreichend bekannt wie solche elektromagnetischen Modelle an sich erstellt und
gerechnet werden. Auch hierfür sind Computerprogrammprodukte bekannt, sodass diesbezüglich
keine weiteren Erläuterungen notwendig sind.
[0052] Programmiertechnisch kann die Berücksichtigung des elektromagnetischen Modells in
Form eines Programm-Moduls (Plug-in) erfolgen, das in das CFD-Programm für die strömungstechnische
Modellierung eingeschoben bzw. integriert wird.
[0053] Mit Hilfe des Betriebsmodells ist eine vollständige Simulation des thermischen Spritzprozesses
möglich. Das heisst insbesondere, dass jeder Prozessparameter mittels des Betriebsmodells
bestimmt werden kann.
[0054] Im Folgenden sollen nun noch einige Anwendungsbeispiele erläutert werden.
[0055] Dadurch, dass durch das Betriebsmodell der gesamte thermische Spritzprozess simuliert
werden kann, wird es möglich, die thermische Spritzvorrichtung wesentlich schneller
und effizienter an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen bzw. für den jeweiligen
Anwendungsfall zu optimieren. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Neu- und Weiterentwicklung
von thermischen Spritzvorrichtungen ein wichtiger Vorteil. Es sind nämlich für die
Anpassung und Optimierung keine zeit- und kostenintensiven Versuchsreihen mehr notwendig,
in welchen empirisch motivierte Modifikationen getestet werden, sondern der Einfluss
von Änderungen auf die Prozessparameter kann anhand des Betriebsmodells ohne experimentellen
Aufwand untersucht werden.
[0056] Für industrielle Anwendungen des thermischen Spritzens ist insbesondere die Stabilität
des Prozesses von grosser Bedeutung, das heisst, über einen längeren Zeitraum soll
immer wieder die gleiche Beschichtung mit den gleichen Eigenschaften erzeugt werden.
Hier kann das erfindungsgemässe Verfahren dazu genutzt werden, die für die Prozessstabilität
wesentlichen Prozessgrössen zu identifizieren und den Einfluss ihrer betriebsbedingten
Schwankungen zu analysieren.
[0057] Da die Effizienz der Spritzvorrichtung unter wirtschaftlichen Aspekten eine wesentliche
Rolle spielt, besteht das Bestreben, solche Spritzvorrichtungen an der Grenze ihrer
Belastbarkeit zu betreiben. Hier eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren, diese
Grenzen genauer zu bestimmen.
[0058] Weitere wesentliche Aspekte insbesondere für die industrielle Anwendung sind eine
hohe Auftragsrate (Wie schnell kann die Beschichtung erzeugt werden?), eine hohe Auftragseffizienz
(Wieviel Energie wird benötigt, um eine bestimmte Masse von Beschichtungsmaterial
aufzutragen?) und eine hohe Lebensdauer der Vorrichtung und ihrer Komponenten. Auch
hier eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren, um das Betriebsverhalten der Spritzvorrichtung
in effizienter Weise deutlich zu verbessern.
[0059] Auch im Hinblick auf Neu- und Weiterentwicklungen von Spritzvorrichtungen bildet
das erfindungsgemässe Verfahren ein sehr nützliches Werkzeug zur Optimierung des Designs.
[0060] Häufig ist es so, dass die zu erzeugende Beschichtung beispielsweise von einem Kunden
vorgegeben wird und die Spritzvorrichtung bzw. das Spritzverfahren an diese Vorgaben
angepasst werden muss.
[0061] Solche Vorgaben können zum Beispiel die Art und Stärke der Anhaftung oder Adhäsion
der Beschichtung an dem Substrat sein, oder andere Eigenschaften der Beschichtung
7 wie z.B. die Struktur, die Kristallinität, die Textur, die Dicke, die Porösität,
die Rauhigkeit, die elektrische oder thermische Leitfähigkeit, die Viskosität, die
Verschleissfestigkeit oder der Oxidationsgrad, um nur einige Eigenschaften zu kennen.
Um solche Eigenschaften der Beschichtung bewusst gezielt und kontrolliert einzustellen,
müssen geeignete Prozessparameter bekannt sein.
[0062] Dies soll an einem Beispiel veranschaulicht werden: Um eine vorgegebene Beschichtung
zu erzeugen ist es beispielsweise notwendig, dass die Partikel gegebener Grösse mit
einer Solltemperatur und einer Sollgeschwindigkeit auf das Substrat 6 auftreffen.
Nun kann mit Hilfe des Betriebsmodells eine Optimierung durchgeführt werden, bei welcher
die einstellbaren Prozessparameter, beispielsweise Stromstärke oder Gasflussrate solange
variiiert werden bis der gewünschte Sollwert für die Temperatur und die Geschwindigkeit
der Partikel beim Auftreffen auf das Substrat 6 innerhalb vorgebbarer Grenzen erreicht
ist.
[0063] Alternativ ist es auch möglich, zunächst zu bestimmen, welches Geschwindigkeits-
und Temperaturprofil der Gasstrom haben muss, damit die Partikel auf die Solltemperatur
aufgeheizt und auf die Sollgeschwindigkeit beschleunigt werden. Anschliessend werden
dann die beeinflussbaren Parameter solange variiert, bis diese Profile für den Gasstrom
resultieren. Hierbei ist es insbesondere bei Neu- und Weiterentwicklungen von Spritzvorrichtungen
auch möglich, die Geometrie der Spritzvorrichtung als Parameter zu variieren und zu
optimieren.
[0064] Falls die Optimierung über die Bestimmung der Profile des Gasstroms erfolgt, kann
es aus Gründen der Effizienz vorteilhaft sein, wenn man zunächst einige mögliche optimale
Varianten beispielsweise für die Geometrie der Spritzvorrichtung bestimmt, indem man
im Betriebsmodell die Partikel nicht berücksichtigt. Wenn dann einige mögliche Designs
oder Parameterkombinationen ermittelt sind, erfolgt die Verfeinerung und schliesslich
die Optimierung mittels eines Betriebsmodells, in welchem die Partikel und gegebenenfalls
auch das Substrat berücksichtigt sind.
[0065] Weitere Prozessparameter, die mit dem erfindungsgemässen Verfahren bestimmbar sind
und deren Kenntnis vorteilhaft ist, sind der Aggregatzustand der Partikel, die Spur,
das heisst die Flugbahn der Partikel, der Auftreffpunkt der Partikel auf dem Substrat.
[0066] Auch ist es vorteilhaft, das Geschwindigkeitsfeld bzw. das Geschwindigkeitsprofil
des Gasstroms zu bestimmen. Anhand dessen kann eine Optimierung der Strömungsverhältnisse
in der Spritzvorrichtung erreicht werden.
[0067] Ferner ist es vorteilhaft, das Temperaturprofil des Gasstroms zu kennen. So lassen
sich beispielsweise Ungleichmässigkeiten in der Temperaturverteilung, sogenannte heisse
Punkte (hot spots), lokalisieren.
[0068] So ist es beispielsweise möglich, ein thermisches bzw. ein thermodynamisches Abbild
der Spritzvorrichtung zu erzeugen. Mit diesem kann dann der Verlauf der Kühlkanäle
optimiert werden, so, dass gerade so viel Wärme abgeführt wird, dass die Temperatur
der inneren Oberflächen innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt, um Erosion und andere
unerwünschte Effekte zu vermeiden.
[0069] Die Spur oder die Flugbahn der Partikel zu kennen, erlaubt beispielsweise die Qualität
der Beschichtung (Porösität, Anhaftung usw.) gezielt zu beeinflussen, denn es ist
bekannt, dass diese Eigenschaften der Beschichtung davon abhängen, unter welchem Winkel
die Partikel auf das Substrat treffen.
[0070] Auch die Form und der Verlauf des Lichtbogens bzw. der Lichtbögen und die zugehörigen
Ansatzpunkte an den Elektroden 3,4 sind mit dem erfindungsgemässen Verfahren bestimmbar.
Über diese Kenntnis kann die Stabilität des Lichtbogens bzw. der Lichtbögen optimiert
werden, so dass beispielsweise eine gleichmässige und voraussagbare Erhitzung des
Gasstroms resultiert.
[0071] Wenn man die Partikel nicht nur als ausgedehnte Gebilde mit einem bestimmten Durchmesser
bzw. einer bestimmten Ausdehnung sondern als ausgedehnte Körper mit variierenden Prozessgrössen
im Betriebsmodell berücksichtigt, kann mit dem erfindungsgemässen Verfahren sowohl
die Temperatur an der Oberfläche als auch die Temperatur im Innern der Partikel ermittelt
werden. Es lässt sich auch ein Temperaturprofil für die Partikel erstellen. Gerade
die Temperatur im Innern der Partikel stellt eine Grösse dar, deren Kenntnis von grossem
Interesse ist, die aber heute messtechnisch noch nicht erfassbar ist. Die messtechnische
Bestimmung ist auf die Temperatur an der Oberfläche der Partikel beschränkt. Um die
Beschichtung gezielt zu beeinflussen, ist es aber vorteilhaft, die Temperatur im Innern
der Partikel zu kennen, denn es kommt durchaus vor, dass die Partikel zwar an ihrer
Oberfläche aufgeschmolzen sind, aber in ihrem Innern noch fest und "kalt" sind. Dies
führt zu einem hohen Anteil ungeschmolzener Bereiche in der Beschichtung, die üblicherweise
unerwünscht sind.
[0072] Ferner ist es möglich, mittels des erfindungsgemässen Verfahrens die Temperatur an
der Oberfläche des Substrat 6 zu bestimmen. Dies ist vorteilhaft, weil bei manchen
Anwendungen das Substrat nicht zu stark aufgeheizt werden darf, oder weil ein bestimmter
Temperaturbereich an der Substratoberfläche notwendig ist, um die vorgegebenen Eigenschaften
der Beschichtung zu erzielen.
[0073] Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäse Verfahren auch dazu, um in einer thermischen
Spritzvorrichtung 1, insbesondere in einer Plasmaspritzvorrichtung die Düse 41 und
insbesondere ihre Geometrie zu optimieren. Die Düse 41 ist ein Austauschteil, das
heisst je nach Anwendung kommen unterschiedliche Düsen 41 mit unterschiedlichen Geometrien
und dementsprechend unterschiedlichen Strömungseigenschaften zum Einsatz. Wird beispielsweise
eine Düse 41 mir grosser Öffnung eingesetzt, so ist das Plasma sehr heiss und die
Geschwindigkeit des austretenden Gasstroms niedriger. Bei kleinerer Düsenöffnung ist
der Gasstrom etwas kühler, hat aber eine höhere Geschwindigkeit. Zur Erzeugung kälterer
Hochgeschwindigkeitsströme werden beispielsweise konvergent-divergente Düsen verwendet,
die ähnlich einer Lavaldüse ausgestaltet sind. Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt
es nun, das Design der Düse 41 so zu optimieren, das es möglichst gut die vorgegebenen
Prozessparameter für den austretenden Fluid- bzw. Gasstrom realisiert.
[0074] Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich auch, um eine thermische Spritzvorrichtung
insbesondere eine Plasmaspritzvorrichtung 1 zu betreiben. Dabei kann das Betriebsmodell
dazu dienen, vorgegebene Prozessparameter, die beispielsweise nicht direkt messbar
sind, während des Betriebs aufzuzeichnen und zu speichern, oder das Betriebsmodell
kann in die Steuerung bzw. Regelung der Spritzvorrichtung integriert werden, um beispielsweise
einen oder mehrere Prozessparameter auf einen Sollwert zu regeln.
[0075] Das erfindungsgemässe Verfahren eigent sich ferner für die Entwicklung und/oder die
Durchführung von Hybridprozessen, bei denen thermisches Spritzen mit anderen Prozessen
kombiniert wird, beispielsweise für einen Hybridprozess Kaltgasspritzen/Plasmaspritzen.
[0076] Das erfindungsgemässe Verfahren ist vorzugsweise in Form eines Computerprogrammprodukts
in einer Datenverarbeitungsanlage implementiert.
[0077] Erfindungsgemäss wird also ein Verfahren vorgeschlagen zur Bestimmung von Prozessparametern
in einem thermischen Spritzprozess, bei welchem mittels einer thermischen Spritzvorrichtung
(1) Partikel aufgeschmolzen oder plastisch gemacht werden und von einem Fluidstrom
(G) zu einem Substrat (6) transportiert werden, bei welchem Verfahren für den thermischen
Spritzprozess oder für die thermische Spritzvorrichtung ein Betriebsmodell errichtet
wird, welches ein strömungsmechanisches Modell sowie ein elektromagnetisches Modell
umfasst, wobei das strömungsmechanische Modell und das elektromagnetische Modell miteinander
gekoppelt werden und mittels des Betriebsmodells mindestens ein Prozessparameter bestimmt
wird.
1. Verfahren zur Bestimmung von Prozessparametern in einem thermischen Spritzprozess,
bei welchem mittels einer thermischen Spritzvorrichtung (1) Partikel aufgeschmolzen
oder plastisch gemacht oder verdampft werden und von einem Fluidstrom (G) zu einem
Substrat (6) transportiert werden, bei welchem Verfahren für den thermischen Spritzprozess
oder für die thermische Spritzvorrichtung ein Betriebsmodell errichtet wird, mit dem
eine Simulation des thermischen Spritzprozesses durchführbar ist, und welches ein
strömungsmechanisches Modell sowie ein elektromagnetisches Modell umfasst, wobei das
strömungsmechanische Modell und das elektromagnetische Modell miteinander gekoppelt
werden und mittels des Betriebsmodells mindestens ein Prozessparameter bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 bei welchem das Betriebsmodell die Wechselwirkung zwischen
den Partikeln und dem Fluidstrom (G) umfasst.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem zumindest einer der
folgenden Prozessparameter bestimmt wird: Geschwindigkeit der Partikel, Temperatur
der Partikel an der Oberfläche der Partikel, Temperatur im Innern der Partikel, Aggregatzustand
der Partikel, Spur der Partikel, Auftreffpunkt der Partikel.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Temperaturprofil
für die Partikel erstellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Geschwindigkeitsprofil
oder ein Temperaturprofil für den Fluidstrom erstellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem für mindestens einen
Prozessparameter ein Sollwert vorgegeben wird und die thermische Spritzvorrichtung
oder der thermische Spritzprozess mittels des Betriebsmodells optimiert wird, bis
der Sollwert innerhalb vorgebbarer Grenzen erreicht wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die thermische Spritzvorrichtung
eine Düse (41) umfasst, durch welche der Fluidstrom austritt, wobei das Betriebsmodell
zur Optimierung der Düse herangezogen wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die thermische Spritzvorrichtung
eine Plasmaspritzvorrichtung ist, bei der mindestens ein Lichtbogen zwischen einer
Anode (4) und einer Kathodenanordnung (3) erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem mittels des Betriebsmodells die Form und/oder
die Kontaktpunkte des Lichtbogens bestimmt werden.
10. Thermische Spritzvorrichtung, insbesondere Plasmaspritzvorrichtung, welche mit Hilfe
eines Verfahrens gemäss einem der vorangehenden Ansprüche betrieben wird.
11. Computerprogrammprodukt zur Implementierung eines Verfahrens gemäss einem der Ansprüche
1-9 in eine Datenverarbeitungsanlage.