Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers zum thermischen Spritzen.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Beschichtung von Werkstücken bekannt. Beim sogenannten thermischen Spritzen handelt es sich um ein Beschichtungsverfahren, bei welchem ein thermisch aktiver Beschichtungswerkstoff auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Werkstücks gespritzt bzw. gesprüht wird. Da nahezu alle schmelzbaren Beschichtungswerkstoffe verwendet werden können, lassen sich durch thermisches Spritzen Beschichtungen mit unterschiedlichen Eigenschaften bzw. Funktionen wie zum Beispiel Wärmedämmung, Korrosionsschutz oder Verschleißschutz realisieren. Beim thermischen Spritzen gibt es nahezu unbegrenzte Kombinationsmöglichkeiten zwischen dem Werkstoff des zu beschichtenden Gegenstands bzw. Werkstücks und dem für die Beschichtung zu verwendenden, thermisch aktiven Beschichtungswerkstoff.
Abhängig von der verwendeten Wärmequelle unterscheidet man verschiedene thermischen Spritzverfahren, nämlich zum Beispiel das Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen, Flammspritzen oder auch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Auch das Kalt Kinetische Kompaktieren ist ein thermisches Spritzverfahren. Die Auswahl des entsprechenden thermischen Spritzverfahrens hängt zum Beispiel vom Beschichtungswerkstoff, den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung und von den jeweiligen Kosten ab.
Zur Bereitstellung von zum Beispiel einer porösen Beschichtung auf dem zu beschichtenden Werkstück ist es bereits bekannt, zusätzlich zu dem eigentlichen Beschichtungswerkstoff einen Zuschlagwerkstoff durch thermisches Spritzen auf das zu beschichtende Werkstück aufzutragen, wobei der Zuschlagwerkstoff nach dem thermischen Spritzvorgang zersetzt bzw. aufgelöst wird, um so die poröse Beschichtung bereitzustellen. So hinterlässt der sich zersetzende Zuschlagwerkstoff in der Beschichtung Poren. Das Zersetzen des Zuschlagwerkstoffs erfolgt dabei insbesondere durch eine Wärmebehandlung des beschichteten Werkstücks. Sollte keine Porosität gewünscht sein, kann der Zuschlagswerkstoff - soweit er sich nicht schädlich auswirkt - auch in der Schicht verbleiben und die Eigenschaften der Schicht beeinflussen.
Bei der Beschichtung von Werkstücken mit einem thermischen Spritzverfahren kommt der Qualitätskontrolle der sich einstellenden Beschichtung eine wichtige Rolle zu. Nur dann, wenn die Beschichtung vorgegebene Qualitätskriterien erfüllt, kann das beschichtete Werkstück die Qualitätskontrolle passieren und gegebenenfalls weiterverarbeitet werden. Da die Zuschlagstoffe, die zur Bereitstellung von zum Beispiel einer porösen Beschichtung zusammen mit dem Beschichtungswerkstoff auf das Werkstück aufgetragen werden, im Wege einer Online-Qualitätskontrolle nicht erfasst bzw. detektiert werden können, werden nach dem Stand der Technik zur Qualitätskontrolle zerstörende Prüfmethoden stichprobenartig eingesetzt. Eine das Werkstück zerstörende Qualitätskontrolle ist zum einen kosten- und zeitintensiv, zum anderen können nur stichprobenartige Kontrollen durchgerührt werden.
Aus der
Die Erfassung von fluoreszierenden Zuschlagstoffen ist aber häufig schwierig wenn nicht sogar unmöglich, da die schwache Fluoreszenz der so markierten Partikel von der hohen Intensität des Heißgasstrahls, beispielsweise beim Plasmaspritzen, "überstrahlt" wird. Eine zuverlässige und prozesssichere Online-Prozesskontrolle kann auf diese Weise nicht sichergestellt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte prozesssichere Lösung zur Online-Prozesskoritrolle beim thermischen Spritzen zur Verfügung zu stellen, mit der eine selektive Detektierung von fluoreszierenden Zuschlagstoffen sichergestellt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers zum thermischen Spritzen, weist dabei folgende Schritte auf:
Dabei ist darauf zu achten, dass im Falle mehrerer unterschiedlicher fluoreszierender Zuschlagstoffe die charakteristischen Emissionsfrequenzen weit genug auseinander liegen. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass keine Überstrahlung der meist schwachen Fluoreszenz auftritt, wie dies bei der Messung im Heißgas- oder Plasmastrahl gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Die Detektierung der Eigenfluoreszenz von Werkstoffen bzw. der Fluoreszenzmarker auf oder in Werkstoffen kann somit problemlos im Pulverinjektionsstrahl mittels optischer Emisionsspektroskopie erfolgen. Der Pulverinjektionsstrahl ist dabei definiert als der Pulverstrahl unmittelbar nach Austritt aus dem Pulverförderrohr der Spritzvorrichtung aber vor Eintritt in den Heißgasstrahl des Brenners.
Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte prozesssichere Lösung zur Online-Prozesskontrolle beim thermischen Spritzen zur Verfügung gestellt, mit der eine selektive Detektierung und die quantitative Bestimmung von fluoreszierenden Zuschlagstoffen sichergestellt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht dabei vor, dass die Beleuchtung mittels einer kohärenten Lichtquelle, vorzugsweise einer Laserlichtquelle erfolgt. Hierdurch werden die Fluoreszenzmarker, die im Pulverinjektionsstrahl noch keine externe Energiezufuhr erfahren, zur Lichtemission angeregt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht dabei vor, dass der Zuschlagstoff Eigenfluoreszens aufweist. Dies hängt von der Art des Zuschlagstoffes ab.
Eine alternative Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass der Zuschlagstoff vorab mit Fluoreszenzmarkern versehen wird. Hierzu sind unterschiedliche Verfahren, wie beispielsweise das Eindiffundieren von Rhodamin 6G in Polyesterpulver, möglich.
Noch eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Erfassung der Fluoreszenz des Zuschlagstoffes mit einer Erfassungsoptik erfolgt. Dabei kann beispielsweise eine herkömmliche Linsenoptik mit Analog-/Digitalwandler vorgesehen sein. Es kann aber auch eine als Lichtleiterkabel ausgebildet Erfassungsoptik vorgesehen sein, die besonders kostengünstig und robust ist.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht dabei vor, dass der Zuschlagstoff Polyester ist. Andere Zuschlagstoffe können je nach gewünschtem Effekt desselben beispielsweise Bornitrid oder Bentonid sein.
Ferner ist ein Verfahren zur Online-Prozesskontrolle beim thermischen Spritzen vorgesehen, wobei ein Verfahren zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers verwendet wird. Die Online Prozesskontrolle umfasst dabei die Erfassung verschiedener Parameter und den Vergleich der Ist- und Soll-Werte. Dabei ist unter "Online-Prozesskontrolle" eine Echtzeitauswertung und ggf. Gegensteuerung gegen Abweichungen von den SollWerten zu verstehen. Das Verfahren zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers dient dabei als Rückkopplung eines geschlossenen Regelkreises.
Eine Vorrichtung zum selektiven Detektieren eines Zuschlagstoffes beim thermischen Spritzen ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Pulverrohr der Spritzvorrichtung und einem Heißgasstrahl eines Brenners der Spritzvorrichtung eine Detektionseinrichtung zum Erfassen der Fluoreszenz des Zuschlagstoffes vorgesehen ist. Dabei ist es ausreichend, wenn die Beleuchtungsquelle und die Erfassungsoptik in unmittelbarer Nähe des Pulverinjektionsstrahles angeordnet sind, während das Spektrometer weiter entfernt angeordnet sein kann.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung eine vorzugsweise kohärente Beleuchtungsquelle und eine mit einem Spektrometer verbundene Erfassungsoptik aufweist. Dabei kann die Erfassungsoptik als Lichtleiterkabel ausgebildet sein. Dies ist besonders robust und kostengünstig.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Eine Spritzvorrichtung 1 zum thermischen Spritzen weist einen Brenner 2 auf, der im Betrieb einen Heißgasstrahl 7 erzeugt. Dem Heißgasstrahl 7 werden aus einem Pulverrohr 3 mittels einem Pulverinjektionsstrahl 6 Spritz- und Zuschlagstoffe zugeführt. Dabei werden die Beschichtungswerkstoffe und die Zuschlagstoffe, wie in diesem Falle Polyester, mithilfe eines Trägergases in den Heißgasstrahl 7 injiziert.
Die in der Zeichnungsebene von oben nach unten verlaufende Pulverinjektionsstrahl 6 wird vom Heißgasstrahl 7 in eine im wesentlichen waagrecht verlaufenden Spritzstrahl umgelenkt.
Die Beschichtungs- und Zuschlagstoffe werden durch den Heißgasstrahl 7 auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und so auf einem zu bearbeitenden Substrat 4 aufgetragen bzw. aufgespritzt. Die Beschichtungs- und Zuschlagstoffe prallen mit hoher thermischer und kinetischer Energie auf dem Substrat 4 auf und bilden dort eine Beschichtung. Abhängig von den Spritzparametern bilden sich die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung aus.
Zur Online-Prozesskontrolle, d.h. zur Steuerung der Spritzparameter durch vermehrte oder verringerte Zugabe von Zuschlagstoffen, ist die Erfassung der Zuschlagstoffe sehr wichtig, da nur so eine Veränderung der Beschichtungsqualität rechtzeitig erkannt und ggf. gegengesteuert werden kann.
Hierzu ist eine Detektionseinrichtung 5 vorgesehen, die in Höhe des Pulverinjektionsstrahls 6, d.h. vor dem Eintritt des Partikelstrahls in den Heißgasstrahl 7 angeordnet ist. Die Detektionseinrichtung 5 weist dabei, wie aus
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist Polyester als Zuschlagstoff vorgesehen. Der Zuschlagstoff ist mit Rhodamin 6G als Fluoreszenzmarker markiert und emitiert nach Anregung durch die Laserlichtquelle 9 Licht mit einem Fluoreszenz-Emissionsmaximum von etwa 560 nm. Rhodamin 6G gibt Lichtenergie innerhalb weniger Nanosekunden nahezu vollständig ab und erzeugt ein leicht rotverschobenes Fluoreszenslicht. Zur Unterdrückung der elastischen Rayleigh-Streuung, der unelastische Raman-Streuung und der Autofluoreszenz, beispielsweise von Verunreinigungen, können geeignete Bandpassfilter verwendet werden.
Die Online-Prozesskontrolle erfolgt dann in einer (nicht gezeigten) Rechen- und Steuereinheit, welche die Ist-Daten des Spektrometers auswertet und mit den SollWerten vergleicht. Bei der quantitativen Auswertung des Anteils des Zuschlagstoffes am Pulverinjektionsstrahl kann dann in Echtzeit entschieden werden, dass dem Multikomponentenpulver mehr oder weniger Zuschlagstoff zugefügt wird.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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