VERFAHREN ZUM KALTGASSPRITZEN MIT MASKE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Trägerbauteils durch Kaltgasspritzen. Bei diesem Verfahren wird vor dem Beschichten eine Maske auf das Trägerbauteil aufgelegt und in dem Bereich einer Maskenöffnung dieser Maske ein Material auf das Trägerbauteil aufgetragen, wobei das Material die Maskenöffnung vollständig ausfüllt.

[0002] Das Kaltgasspritzen ist ein an sich bekanntes Verfahren, bei dem für die Beschichtung vorgesehene Partikel mittels einer konvergent-divergenten Düse vorzugsweise auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden, damit diese aufgrund ihrer eingeprägten kinetischen Energie auf der zu beschichtenden Oberfläche haften bleiben. Hierbei wird die kinetische Energie der Teilchen genutzt, welche zu einer plastischen Verformung derselben führt, wobei die Beschichtungspartikel beim Auftreffen lediglich an ihrer Oberfläche aufgeschmolzen werden. Deshalb wird dieses Verfahren im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfahren als Kaltgasspritzen bezeichnet, weil es bei vergleichsweise tiefen Temperaturen durchgeführt wird, bei denen die Beschichtungspartikel im Wesentlichen festbleiben. Vorzugsweise wird zum Kaltgasspritzen, welches auch als kinetisches Spritzen bezeichnet wird, eine Kaltgasspritzanlage verwendet, die eine Gasheizeinrichtung zum Erhitzen eines Gases aufweist. An die Gasheizeinrichtung wird eine Stagnationskammer angeschlossen, die ausgangsseitig mit der konvergent-divergenten Düse, vorzugsweise einer Lavaldüse verbunden wird. Konvergent-divergente Düsen weisen einen zusammenlaufenden Teilabschnitt sowie einen sich aufweitenden Teilabschnitt auf, die durch einen Düsenhals verbunden sind. Die konvergent-divergente Düse erzeugt ausgangsseitig einen Pulverstrahl in Form eines Gasstroms mit darin befindlichen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise Überschallgeschwindigkeit.

[0003] Ein Verfahren der eingangs angegebenen Art ist aus dem Stand der Technik bekannt. Gemäß der DE 10 2004 058 806 A1 ist beispielsweise vorgesehen, dass auf einem Kühlkörper mindestens eine strukturierte, elektrisch isolierende Schicht und eine strukturierte, elektrisch leitende Schicht ausgebildet werden kann. Hierzu werden Masken verwendet, deren Öffnungen entsprechend der Strukturierung gestaltet sind. Die strukturierten Schichten dienen als Schaltungsstrukturen, die zu diesem Zweck elektrischen Anforderungen wie beispielsweise einem bestimmten Leiterquerschnitt genügen müssen. Die Schichten können in mehreren Schichtebenen übereinanderliegen.

[0004] Aus D.-Y. Kim et al., "Cold Spray Deposition of Copper Electrodes on Silicon and Glass Substrates", Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 22, October 2013 ist bekannt, dass die Herstellung von Leiterbahnen mittels Kaltgasspritzen mit Hilfe von auf dem Substrat aufliegenden Masken allerdings das Problem aufwirft, dass die hierzu notwendigen Masken Maskenöffnungen von geringer Breite aufweisen. Das Verhältnis zwischen der Breite der Maskenöffnungen und der Maskendicke führt hierbei zu Strömungsverhältnissen des Kaltgasstrahls in der Maskenöffnung, die eine Abscheidung der Partikel erschweren. An den Maskenwänden bildet sich nämlich eine Rückströmung, die zu einem dreieckigen Querschnitt des abgeschiedenen Materials führt, wobei die Spitze dieses Querschnitts in der Mitte der Maskenöffnung liegt und dem Kaltgasstrahl zugewandt ist. An den Wänden der Maskenöffnung selbst bleibt kein Material haften. Wichtig für die Erzeugung von Leiterbahnen ist, dass der Querschnitt der Leiterbahn zur Übertragung des geforderten elektrischen Stroms geeignet ist - die erzeugte Querschnittsform spielt im Vergleich hierzu eine untergeordnete Bedeutung.

[0005] Um die für die Abscheidung beispielsweise rechteckiger Querschnitte ungünstigen Strömungsbedingungen in der Maskenöffnung zu vermeiden, wird gemäß K.-R. Ernst et al., "Anwendungsvielfalt des Kaltgasspritzens", Tagungsband der Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V., Druck: Gerdfried Wolfertstetter, Gilching 2012 vorgeschlagen, dass man die Maske für das Kaltgasspritzen nicht auf das Trägerbauteil auflegen muss, sondern diese in einer gewissen Entfernung zum Trägerbauteil fixieren kann. Diese Maßnahme bewirkt jedoch, dass bei steigendem Maskenabstand vom Trägerbauteil die Flanken der gespritzten Flächen immer weiter auslaufen. Der Querschnitt der in den Maskenöffnungen hergestellten Strukturen ist damit ebenfalls nicht rechteckig, sondern näherungsweise trapezförmig.

[0006] Gemäß der EP 860 516 A2 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Trägerbauteil durch Kaltgasspritzen beschichtet wird. Vor dem Beschichten wird eine Maske auf das Trägerbauteil aufgelegt und in dem Bereich einer Maskenöffnung dieser Maske ein Material durch Kaltgasspritzen auf das Trägerbauteil aufgetragen. Das Material füll die Maskenöffnung vollständig aus, wobei die Maske nach dem Herstellen der Schicht entfernt werden kann.

[0007] Gemäß der US 2007/154641 ist beschrieben, dass eine Maske bei einem Verfahren zum Kaltgasspritzen zur Anwendung kommen kann. Die Maske ist so geformt und die Verfahrensparameter des Kaltgasspritzens so gewählt, dass eine Abscheidung auch im Schattenbereich der Maske möglich ist. Hierdurch lassen sich Hinterschneidungen mit Material ausfüllen.

[0008] Gemäß der US 2010/230086 A1 ist beschrieben, dass ein Verfahren zum Kaltgasspritzen mit einer Maske verwendet werden kann, die einen gewissen Abstand vom Substrat aufweist. Ein Teil des Materials wird dabei auf der Maske aufgetragen, wodurch ein Auftrag auf das Substrat außerhalb der Maskenöffnung verhindert oder zumindest vermindert wird.

[0009] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Kaltgasspritzen derart zu verbessern, dass sich ein Beschichtungsergebnis herstellen lässt, bei dem die Geometrie der Flanken mit vergleichsweise hoher Genauigkeit gefertigt werden kann.

[0010] Diese Aufgabe wird durch das eingangs angegebene Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem Verfahrensschritt nach dem Auftragen des Materials (welches sich damit in der Maskenöffnung befindet und evtl. ebenfalls auf den Rändern der Maskenöffnung abgeschieden wurde) ein abtragendes Verfahren durchgeführt wird, bei dem das aufgetragene Material, welches sich oberhalb des Niveaus der (dem Kaltgasstrahl zugewandten) Oberseite der Maske befindet, abgetragen wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird erfindungsgemäß auf die Oberseite der Maske eine weitere Maske aufgelegt und in dem Bereich einer Maskenöffnung dieser Maske ein Material auf das bereits aufgetragene Material aufgetragen (dieses Material kann dieselbe Zusammensetzung haben, wie das vorher aufgebrachte Material oder sich in seiner Zusammensetzung unterscheiden). Durch das Abtragen des Materials im vorhergehenden Verfahrensschritt lässt sich die weitere Maske auf die hierdurch eingeebnete Fläche der vorhergehenden Maske auflegen. Auch im Bereich der Maskenöffnung entsteht eine ebene Fläche, die genau in der Ebene der Oberfläche der bereits ausgefüllten Maske liegt. Daher kann auch die weitere aufgelegte Maske wieder vollständig mit dem Material ausgefüllt werden.

[0011] Die beiden letztgenannten Verfahrensschritte können so oft durchgeführt werden, bis das aufgetragene Material die erforderliche (d. h. konstruktiv vorgegebene) Dicke auf dem Trägerbauteil erreicht hat. Damit ist das Beschichten beendet und die Masken können entfernt werden, wobei das Beschichtungsergebnis auf dem Trägerbauteil zurückbleibt. Der wesentliche Vorteil in der Verwendung mehrerer Masken liegt darin, dass unabhängig von der Dicke des Beschichtungsergebnisses die Dicke der Masken nur nach Gesichtspunkten einer strömungsdynamisch günstigen Ausfüllung durch das Material gestaltet werden können. Mit anderen Worten werden mehrere Masken übereinandergelegt, um die erforderliche Dicke des Beschichtungsergebnisses herzustellen. Jede der Masken wird hierbei einzeln ausgefüllt, wobei die vollständige Ausfüllung durch die Wahl der Maskendicke sichergestellt wird. Durch das anschließende Abtragen des überschüssigen Materials wird weiterhin sichergestellt, dass die benachbarten Masken genügend eng aneinander liegen, damit eine ungestörte Ausbildung des entsprechenden Teilbereichs der Beschichtungsstruktur entstehen kann. Durch die vollständige Ausfüllung der jeweiligen Masken entstehen vorteilhaft Flanken der erzeugten Schichtlagen, die direkt an den Wänden der Maskenöffnungen anliegen. Hiermit sind vorteilhaft also auch Strukturen durch Kaltgasspritzen herstellbar, deren seitliche Begrenzungen genau senkrecht zu der Oberfläche des Trägerbauteils verlaufen. Insbesondere lassen sich damit auch säulenartige Strukturen herstellen, wenn die Maskenöffnungen der benachbarten Masken jeweils vollständig übereinanderliegen.

[0012] Allgemein müssen sich die Maskenöffnungen benachbarter Masken zumindest in Teilbereichen überschneiden, damit das Beschichtungsergebnis einteilig ausgebildet ist. Selbstverständlich können auf den Trägerbauteil mehrere solcher Beschichtungsergebnisse erzeugt werden, welche sich gegenseitig nicht berühren. Wenn die aufeinanderfolgenden Masken deckungsgleiche Maskenöffnungen oder sich verkleinernde, vollständig übereinanderliegende Maskenöffnungen aufweisen, ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass die Masken nach Abschluss der Beschichtung besonders einfach von dem Bauteil entfernt werden können. Diese können dann nämlich einfach nach oben (also senkrecht vom Trägerbauteil weg) abgehoben werden, da sich bei den hergestellten Beschichtungsergebnissen keine Hinterschneidungen ausgebildet haben.

[0013] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das auf dem Material gebildete Beschichtungsergebnis von dem Trägerbauteil abgetrennt wird. Das Beschichtungsergebnis stellt vorteilhaft somit selbst ein Bauteil dar, welches nach der Abtrennung von dem Trägerbauteil seiner Verwendung zugeführt werden kann. Das Trägerbauteil selbst ist somit nur als Bauplattform für das Beschichtungsergebnis zu verstehen.

[0014] Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren daher als generatives Herstellungsverfahren für Bauteile genutzt werden. Zur Vorbereitung eines solchen Verfahrens kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen werden, dass die Gestalt der Maskenöffnungen unter Berücksichtigung der Maskendicke für ein Bauteil dadurch bestimmt wird, dass die Geometrie dieses Bauteils rechnerisch in übereinanderliegende Scheiben zerlegt wird. Die hierfür üblichen Rechenverfahren sind allgemein bekannt und basieren vorzugsweise auf CAD-Modellen der zu fertigenden Bauteile. Die berechneten Scheiben des Bauteils ergeben bei der genannten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens genau das Volumen der Maskenöffnungen. Bei der Bestimmung der Dicke der Scheiben ist somit zu berücksichtigen, welche Dicke die Masken haben sollen.

[0015] Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren selbstverständlich auch dazu genutzt werden, um ein Bauteil mit einer strukturierten Schicht zu versehen. Dieses Bauteil, welches beispielsweise in einer Maschine zum Einsatz kommen kann, stellt bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens das Trägerbauteil dar. Das Beschichtungsergebnis ist in diesem Falle die zu erzeugende strukturierte Schicht auf dem Trägerbauteil.

[0016] Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Masken eine Dicke von höchstens 1 mm hat. Masken mit einer Dicke von 1 mm haben sich als guter Kompromiss erwiesen, um auch feinere Strukturen mit der geforderten Genauigkeit herstellen zu können. Allerdings ist es nicht unbedingt notwendig, dass alle Masken eine Dicke von höchstens 1 mm haben. Teilbereiche des Beschichtungsergebnisses, welche gesehen in Ausbreitungsrichtung des Kaltgasstrahls größere Querschnittsflächen aufweisen, können auch mit größeren Maskenöffnungen hergestellt werden. In diesem Fall sind auch größere Maskendicken realisierbar, so dass insgesamt Verfahrensschritte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingespart werden können. Hierdurch steigt vorteilhaft die Wirtschaftlichkeit bei der Anwendung des Verfahrens.

[0017] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bei Verwendung von dickeren Masken kann vorgesehen werden, dass zumindest eine der Masken in mehreren Schritten ausgefüllt wird. Dabei wird nach den jeweiligen Schritten des Auftragens des Materials ein abtragendes Verfahren durchgeführt, bei dem das aufgetragene Material, welches sich oberhalb des Niveaus der Oberseite der Maske befindet, abgetragen wird. Hierbei kann es sich um Unebenheiten in sich ausbildenden Schichtergebnissen handeln, die bereits über die Ebene der Oberseite der Maske hinausragen. Außerdem kann es sich hierbei um Ablagerungen von Partikeln des Materials handeln, welche sich an den Maskenrändern auf der Oberseite der Maske ausgebildet haben. Diese können bei fortschreitendem Wachstum einen negativen Einfluss auf die Ausbildung des Schichtergebnisses erlangen, weswegen es vorteilhaft sein kann, diese zwischendurch beim Ausfüllen der Maske immer wieder zu entfernen.

[0018] Die genannten Ablagerungen bilden sich auch bei der Verwendung von dünnen Masken mit Maskenöffnungen geringer Breite aus. Durch die geringe Dicke der Maske wirkt sich deren Wachstum jedoch während der Ausfüllung der Maskenöffnungen vergleichsweise geringer Tiefe nicht aus. Es reicht daher, diese Ablagerungen nach dem vollständigen Ausfüllen der Maskenöffnung mit dem Material zu beseitigen, damit die nachfolgende Maske auf eine ebene Unterlage gelegt werden kann, die durch die bearbeitete Oberfläche der Maske und des abgeschiedenen Materials gebildet werden kann.

[0019] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle Masken, deren Maskenöffnungen zumindest in einer Richtung Breiten von höchstens 1 mm aufweisen, eine Dicke von höchstens 1 mm aufweisen. Alternativ kann auch vorgesehen werden, dass bei allen Masken ein Verhältnis zwischen Dicke der Maske und kleinster Breite der Maskenöffnung von höchstens 1 eingehalten wird. Hierbei handelt es sich um vorteilhafte Auslegungsregeln für die Masken, die der bereits genannten Ausbildung ungünstiger Strömungsverhältnisse in der Maskenöffnung und damit verbunden einer fehlerhaften Ausfüllung der Maskenöffnung mit dem Material entgegenwirken. Es sind die Qualitätsvorgaben des Beschichtungsergebnisses zu berücksichtigen. Konkret darf die Ausbildung von Poren bei dem auszubildenden Schichtergebnis einen festzulegenden Wert nicht überschreiten, damit das Schichtergebnis den Qualitätsanforderungen des Einzelfalls genügt.

[0020] Um in einem Anwendungsfall die Eignung einer gewählten Maskendicke überprüfen zu können, kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass die zulässige Dicke zumindest einer der Masken dadurch ermittelt wird, dass die Maske mit dem zu verarbeitenden Material vollständig ausgefüllt wird. Das aus dem aufgetragenen Material gebildete Beschichtungsergebnis wird anschließend daraufhin untersucht, ob eine geforderte Qualität erreicht wird. Hierbei muss die geforderte Qualität durch messbare Parameter beschrieben werden. Als Beispiel kann die Dichte des Beschichtungsergebnisses verwendet werden. Diese gibt Aufschluss über den Anteil an Poren im Beschichtungsergebnis. Auch die Porengröße selbst kann untersucht werden, da insbesondere im Wandbereich der Maskenöffnungen Poren gehäuft und/oder mit größerem Volumen auftreten können. Dies kann beispielsweise durch Herstellung von Schliffen überprüft werden.

[0021] Für die Untersuchungen können entweder Proben oder das zu erzeugende Beschichtungsergebnis selbst hergestellt werden. Sind die Qualitätsanforderungen bei dem Beschichtungsergebnis erfüllt, kann die Untersuchung mit einer Maske größerer Dicke wiederholt werden. Die Prüfung kann insofern mehrere Iterationsschritte enthalten. Alternativ kann das Verfahren allerdings auch angewendet werden, um die Eignung einer gewählten Maskendicke zu bestätigen, ohne eventuellen Spielraum in Richtung größerer Maskendicken durch weitere Iterationsschritte auszuschöpfen.

[0022] Vorteilhaft ist es, wenn die ermittelten geeigneten Dicken der Masken zusammen mit den Verfahrensparametern des Beschichtens in einer Datenbank gespeichert werden. Hierdurch wird in nachfolgenden Verfahren die Ermittlung der Maskendicke vereinfacht, da auf Erfahrungswissen zurückgegriffen werden kann. Dieses beinhaltet Informationen über die Geometrie der Maskenöffnungen und die Maskendicken sowie die verarbeiteten Materialien und an der Kaltgasspritzanlage eingestellten Beschichtungsparameter, wie Pulverförderrate, Pulverart sowie Gastemperatur, Gasdruck und Art des verwendeten Trägergases.

[0023] Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn mindestens eine Maske mehrteilig ausgeführt ist, wobei Trennfugen von der Außenkante der Maske zu den Maskenöffnungen verlaufen. Diese sind derart angeordnet, dass sich die Maskenteile parallel zu ihrer Oberfläche auseinanderziehen lassen. Dies hat den Vorteil, dass sich die Maskenteile besser von dem Beschichtungsergebnis trennen lassen. Insbesondere, wenn das Beschichtungsergebnis Hinterschneidungen aufweist, ist es nicht möglich, wie oben angegeben, die Masken vom Trägerbauteil nach oben abzuheben. Wenn allerdings zu den Seiten des Beschichtungsergebnisses genug Platz ist, können die Maskenteile zumindest bei geringen Hinterschneidungen sozusagen zur Seite gezogen werden und lösen sich dadurch von dem Beschichtungsergebnis.

[0024] Die Entfernung der Masken nach oben oder in Teilen zur Seite hat den großen Vorteil, dass diese für einen nachfolgenden Ablauf des Verfahrens wieder verwendet werden können. Außerdem ist das Entfernen der Masken in kurzer Zeit möglich, so dass vorteilhaft Produktionszeit eingespart wird. Sollte allerdings eine Entfernung der Masken im Ganzen oder in Teilen nicht möglich sein, besteht auch die Möglichkeit, diese zu zerstören. Sind diese beispielsweise aus einem unedleren Material gefertigt, als das Beschichtungsergebnis, lassen diese sich chemisch oder elektrochemisch auflösen.

[0025] Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen

Figur 1 bis 7

ausgewählte Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer säulenartigen Struktur schematisch geschnitten,

Figur 8 bis 15

ausgewählte Verfahrensschritte eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Bauteils mit Hinterschneidungen schematisch geschnitten,

Figur 16

die Aufsicht auf eine Maske mit Trennfuge und

Figur 17

ein Ausführungsbeispiel eines möglichen Bauteils in dreidimensionaler Ansicht.

[0026] Die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können allgemein wie folgt dargestellt werden. Die Vorbereitung des Verfahrens besteht aus der Herstellung der Masken, wobei die Maskendicke der einzelnen Masken vorher bestimmt wird.

[0027] Das Verfahren beginnt mit dem Auflegen der ersten Maske auf das Trägerbauteil und Ausfüllen durch Kaltgasspritzen mit dem zu spritzenden Material. Anschließend wird überschüssiges Material von dem in Entstehung befindlichen Beschichtungsergebnis und der Oberseite der Maske abgetragen. Dann wird die nächste Maske aufgelegt und wieder durch Kaltgasspritzen ausgefüllt. Hierbei stellt die Dicke der Maske sicher, dass auf der von ihr freigelassenen Oberfläche (des Trägerbauteils oder der vorhergehenden Ablagerung des Materials) unmittelbar nach dem Auflegen eine Spritzlage bis zu den Maskenrändern hin defektfrei abgeschieden werden kann. Nach einem erneuten Abtragen überschüssigen Materials kann nachgesehen werden, ob die Maskenlöcher vollständig ausgefüllt sind. Mit anderen Worten ist zu ermitteln, ob die gespritzte Oberfläche innerhalb der Maskenöffnung nach dem Abtragen überall mit der Maskenoberfläche fluchtet. Dies kann beispielsweise auch durch ein automatisches optisches Inspektionsverfahren gewährleistet werden. Wenn dies nicht der Fall ist, kann ein weiteres Kaltgasspritzen und Überfräsen durchgeführt werden, bevor die nächste Maske aufgelegt wird. Erst wenn das Beschichtungsergebnis befriedigend ist, d.h. alle Maskenlöcher vollständig ausgefüllt sind, wird die nächste Maske aufgelegt, wenn die Struktur noch nicht fertig ist. Nach dem Ausfüllen der letzten Maske und dem Abtragen überschüssigen Materials ist die Frage einer Fertigstellung des Beschichtungsergebnisses zu bejahen.

[0028] In Figur 1 ist zu erkennen, wie auf ein Trägerbauteil 11 eine erste Maske 12 aufgelegt wurde. Diese weist eine Maskenöffnung 13 auf, die in dem Verfahrensschritt gemäß Figur 1 gerade durch ein Material 14 ausgefüllt wird. Dies erfolgt durch ein nicht näher dargestelltes Kaltgasspritzverfahren. In Figur 1 ist lediglich eine konvergent-divergente Spritzdüse 15 dargestellt, die Teil der nicht dargestellten Kaltgasspritzanlage ist. Mit der Spritzdüse 15 wird ein Partikelstrahl 16 auf das Trägerbauteil 11 gerichtet, wobei sowohl die Maskenöffnung 13 als auch die Oberfläche 18 der Maske 12 an den Rändern der Maskenöffnung 13 mit Schichtablagerungen des Materials 14 versehen wird.

[0029] In Figur 2 ist zu erkennen, dass mittels eines Fräskopfes 19 das überschüssige Material gemäß Figur 1 abgetragen wurde. Hierzu wird der Fräskopf 19 in Pfeilrichtung über die Oberfläche 18 bewegt, wobei in Figur 2 auch zu erkennen ist, dass die Maskenöffnung 13 vollständig mit dem Material 14 ausgefüllt ist.

[0030] In Figur 3 sind die nächsten beiden Prozessschritte dargestellt. Eine weitere Maske 12a wird auf die erste Maske 12 aufgelegt, wobei die Maskenöffnung 13 dieser Maske 12a mit derjenigen von Maske 12 genau fluchtet. Mittels der Spritzdüse 15 wird wieder Material abgeschieden, bis die Maskenöffnung 13 wieder vollständig aufgefüllt ist.

[0031] In Figur 4 ist zu sehen, dass das überschüssige Material mittels des Fräskopfes 19 wieder entfernt wurde (analog zu dem in Figur 2 dargestellten Verfahrensschritt).

[0032] In Figur 5 ist zu erkennen, dass analog zu Figur 3 zwei weitere Verfahrensschritte durchgeführt wurden, denen gemäß zunächst eine Maske 12b aufgelegt wurde und diese mittels der hier nicht dargestellten Spritzdüse 15 mit Material 14 ausgefüllt wurde. Der Fräskopf 19 ist nun gerade dabei, überschüssiges Material 14 von der Oberfläche 18 der Maske 12b zu entfernen. Auch die Maskenöffnung 13 der weiteren Maske 12b ist deckungsgleich mit den beiden vorhergehenden.

[0033] Gemäß Figur 6 ist zu erkennen, dass das Material 14 nun alle drei Maskenöffnungen 13 ausfüllt. Das Bauteil ist nun fertiggestellt, weswegen die Masken 12, 12a, 12b entsprechend der eingezeichneten Pfeile nach oben abgenommen werden können. Dies ist leicht möglich, da das Material 14 eine säulenartige Struktur mit senkrechten Seiten (in Form eines Prismas) aufweist.

[0034] Der Figur 7 ist zu entnehmen, dass das Material 14 als Schicht 20 auf dem Trägerbauteil 11 verbleibt. Das Trägerbauteil kann nun seiner Funktion zugeführt werden. Ein mögliches Trägerbauteil ist beispielsweise in Figur 17 dargestellt. Es könnte ein Werkzeug zum Prägen eines Symbols darstellen. Das Trägerbauteil 11 stellt hierbei eine Fläche zur Verfügung, auf der die zu prägenden Symbole als Schicht 20 aufgebaut sind.

[0035] In den Figuren 8 bis 15 ist ein Verfahren dargestellt, bei dem das Beschichtungsergebnis ein Bauteil 21 ergibt (vergleiche Figur 15). Das Verfahren läuft im Wesentlichen wie dasjenige gemäß den Figuren 1 bis 7 ab und wird hier nur hinsichtlich seiner Unterschiede noch einmal näher erläutert.

[0036] Die Verfahrensschritte gemäß Figur 8 und Figur 9 verlaufen analog zu den Verfahrensschritten gemäß Figur 1 und Figur 2.

[0037] Gemäß Figur 10 wird im Unterschied zu Figur 3 eine weitere Maske 12d aufgelegt, deren Maskenöffnung 13 größer ist als diejenige der Maske 12. Hierdurch entsteht in dem Material eine Hinterschneidung 22, die in den Figuren 14 und 15 besser zu erkennen ist. Das Abtragen des Materials gemäß Figur 11 erfolgt analog zu Figur 4.

[0038] Figur 12 unterscheidet sich von Figur 5 wieder darin, dass die weitere Maske 12e mit einer größeren Maskenöffnung 13 ausgestattet ist, als die Maske 12d. Insgesamt weist das Beschichtungsergebnis aus dem Material 14, welches man in Figur 13 erkennen kann, daher die Form eines Pilzes auf. Dies erschwert die Entfernung der Masken 12, 12d, 12e. Haben diese senkrecht zur Zeichenebene eine nicht näher dargestellte Trennfuge, so dass diese zweiteilig ausgeführt sind (vergleiche Figur 16), können die jeweiligen Maskenhälften gemäß Figur 13 in Richtung der beiden angedeuteten Pfeile parallel zur Oberfläche des Trägerbauteils 11 abgezogen werden.

[0039] Allerdings kann das Beschichtungsergebnis aus dem Material 14 auch eine Geometrie haben, die ein seitliches Abziehen der Maskenteile nicht ermöglicht. In diesem Fall ist in Figur 14 dargestellt, wie die Masken 12, 12a, 12b in einem elektrochemischen Bad 25 auch aufgelöst werden können, wobei die Masken in Figur 14 nicht mehr zu erkennen sind, da diese bereits aufgelöst sind. In einem nachfolgenden, nicht näher dargestellten Schritt kann das so entstandene Bauteil 21 beispielsweise durch Drahterodieren von dem Trägerbauteil 11 entfernt werden, welches bei dieser Verfahrensvariante lediglich als Bauplattform dient. Das fertige Bauteil 21 ist in Figur 15 als Seitenansicht dargestellt.

[0040] Figur 16 zeigt eine Maske 12f, die zweiteilig aufgebaut ist. Diese könnte beispielsweise für ein in Figur 13 angedeutetes Verfahren dienen. Die Maske 12f weist zwei Halbmasken 23 auf, die durch eine Trennfuge 24 teilbar sind. Ein Bauteil, welches in der Maskenöffnung 13 hergestellt wurde, stört ein Entfernen der Maske auch dann nicht, wenn darüber liegende Masken aufgrund größerer oder überlappender Maskenöffnungen Hinterschneidungen in dem herzustellenden Bauteil ausbilden. Voraussetzung ist aber, dass die Hinterschneidungen nicht zu groß sind (das heißt, die "Hinterschneidungssprünge" von Maske zu Maske), wenn dies zu einem Abscheiden von Material auf einer die Hinterschneidung abbildenden Maske führt. Hierdurch kommt nämlich eine Haftung der Maske am Beschichtungsergebnis zustande, die durch die Abziehkraft der Maske überwunden werden muss.

Ansprüche

1. Verfahren zum Beschichten eines Trägerbauteils (11) durch Kaltgasspritzen, bei dem vor dem Beschichten eine Maske (12) auf das Trägerbauteil (11) aufgelegt wird und in dem Bereich einer Maskenöffnung (13) dieser Maske (12) ein Material (14) auf das Trägerbauteil (11) aufgetragen wird, wobei das Material (14) die Maskenöffnung (13) vollständig ausfüllt,
dadurch gekennzeichnet,
dass

• in einem Verfahrensschritt nach dem Auftragen des Materials (14) ein abtragendes Verfahren durchgeführt wird, bei dem das aufgetragene Material (14), welches sich oberhalb des Niveaus der Oberseite der Maske (12) befindet, abgetragen wird und sich eine ebene Fläche im Bereich der Maskenöffnung (13) und auf der Maske (12) ausbildet,

• in einem weiteren Verfahrensschritt auf die Oberseite der Maske eine weitere Maske (12a,12b,12c,12d) aufgelegt wird und in dem Bereich einer Maskenöffnung (13) dieser Maske (12a, 12b, 12c, 12d) ein Material (14) auf das bereits aufgetragene Material (14) aufgetragen wird,

wobei die beiden vorgenannten Verfahrensschritte so oft durchgeführt werden, bis das aufgetragene Material (14) die erforderliche Dicke auf dem Trägerbauteil (11) erreicht hat und dass nach Beendigung des Beschichtens die Masken entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das aus dem aufgetragenen Material (14) gebildete Beschichtungsergebnis von dem Trägerbauteil (11) abgetrennt wird.

3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein Teil der Masken (12, 12a, 12b, 12c, 12d) eine Dicke von höchstens 1 mm hat.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass alle Masken (12, 12a, 12b, 12c, 12d), deren Maskenöffnungen (13) zumindest in einer Richtung Breiten von höchstens 1 mm aufweisen, eine Dicke von höchstens 1 mm aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei allen Masken (12, 12a, 12b, 12c, 12d) ein Verhältnis zwischen Dicke der Maske und kleinster Breite der Maskenöffnung (13) von höchstens 1 eingehalten wird.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass aufeinanderfolgende Masken (12, 12a, 12b) deckungsgleiche Maskenöffnungen (13) oder sich verkleinernde, vollständig übereinanderliegende Maskenöffnungen (13) aufweisen.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine Maske (12f) mehrteilig ausgeführt ist, wobei Trennfugen (24) von der Außenkante der Maske zu den Maskenöffnungen verlaufen, derart, dass sich die Maskenteile (23) parallel zu ihrer Oberseite auseinander ziehen lassen.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Masken (12, 12a, 12b, 12c, 12d) in mehreren Schritten ausgefüllt wird, wobei nach den jeweiligen Schritten des Auftragens des Materials (14) ein abtragendes Verfahren durchgeführt wird, bei dem das aufgetragene Material (14), welches sich oberhalb des Niveaus der Oberseite der Maske befindet, abgetragen wird.

9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zulässige Dicke zumindest einer der Masken (12, 12a, 12b, 12c, 12d) dadurch ermittelt wird, dass die Maske mit dem zu verarbeitenden Material (14) vollständig ausgefüllt wird und das aus dem aufgetragenen Material (14) gebildete Beschichtungsergebnis daraufhin untersucht wird, ob eine geforderte Qualität erreicht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ermittelte, geeignete Dicke der Masken (12, 12a, 12b, 12c, 12d) zusammen mit den Verfahrensparametern des Beschichtens in einer Datenbank gespeichert wird.

11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gestalt der Maskenöffnungen (13) unter Berücksichtigung der Maskendicke für ein Bauteil (21) dadurch bestimmt wird, dass die Geometrie des Bauteils (21) rechnerisch in übereinanderliegende Scheiben, die das Volumen der Maskenöffnungen (13) bestimmen, zerlegt wird.

Claims

1. Method for coating a carrier component (11) by means of cold gas dynamic spraying, in which a mask (12) is laid upon the carrier component (11) before the coating and in the region of an opening (13) of this mask (12) a material (14) is deposited on the carrier component (11), wherein the material (14) completely fills up the mask opening (13),
characterized in that

• in one method step, after deposition of the material (14), a removal process is carried out, in which the deposited material (14), which is located above the level of the upper side of the mask (12), is removed and a flat surface is formed in the region of the mask opening (13) and on the mask (12),

• in a further method step an additional mask (12a, 12b, 12c, 12d) is laid upon the upper side of the mask and in the region of an opening (13) of this additional mask (12a, 12b, 12c, 12d) a material (14) is deposited upon the already deposited material (14),

wherein the two aforesaid method steps are carried out until the deposited material (14) has achieved the required thickness on the carrier component (11) and in that after completion of the coating the masks are removed.

2. Method according to Claim 1,
characterized in that
the coating effect which is formed from the deposited material (14) is separated from the carrier component (11).

3. Method according to either of the preceding claims,
characterized in that
at least some of the masks (12, 12a, 12b, 12c, 12d) have a thickness of at most 1 mm.

4. Method according to Claim 3,
characterized in that
all the masks (12, 12a, 12b, 12c, 12d), the openings (13) of which have widths of at most 1 mm at least in one direction, have a thickness of at most 1 mm.

5. Method according to Claims 1 to 3,
characterized in that
in the case of all the masks (12, 12a, 12b, 12c, 12d), a ratio of at most 1 is maintained between thickness of the mask and smallest width of the mask opening (13).

6. Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
consecutive masks (12, 12a, 12b) have congruent openings (13) or openings (13) which lie completely one on top of the other and reduce in size.

7. Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
at least one mask (12f) is constructed in a multiplicity of parts, wherein parting lines (24) extend from the outer edge of the mask to the mask openings in such a way that the mask parts (23) can be pulled apart parallel to their upper side.

8. Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
at least one of the masks (12, 12a, 12b, 12c, 12d) is filled up in a plurality of steps, wherein after the respective steps of depositing the material (14) a removal process is carried out, in which the deposited material (14), which is located above the level of the upper side of the mask, is removed.

9. Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the permissible thickness of at least one of the masks (12, 12a, 12b, 12c, 12d) is determined by the mask being completely filled up with the material (14) which is to be machined and by the coating effect which is formed from the deposited material (14) being subsequently tested as to whether a required quality is achieved.

10. Method according to Claim 9,
characterized in that
the determined, suitable thickness of the masks (12, 12a, 12b, 12c, 12d) together with the method parameters of the coating are stored in a data bank.

11. Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the design of the mask openings(13), taking into consideration the mask thickness for a component, is determined by the geometry of the component (21) being broken down by computer calculation into disks lying one on top of the other, which determine the volume of the mask openings (13).

Revendications

1. Procédé de revêtement d'un élément ( 11 ) de support par projection de gaz froid, dans lequel, avant le revêtement, on met un masque ( 12 ) sur l'élément ( 11 ) de support et on dépose, dans la région d'une ouverture ( 13 ) de ce masque ( 12 ) de la matière ( 14 ) sur l'élément ( 11 ) de support, la matière ( 14 ) remplissant complètement l'ouverture ( 13 ) du masque,
caractérisé
en ce que

• dans un stade du procédé, on effectue, après le dépôt de la matière ( 14 ) un procédé d'enlèvement, dans lequel on enlève la matière ( 14 ) déposée, qui se trouve au-dessus du niveau du côté supérieur du masque ( 12 ) et il se constitue une surface plane dans la région de l'ouverture ( 13 ) du masque et sur le masque ( 12 ),

• dans un autre stade du procédé, on met, sur le côté supérieur du masque, un autre masque ( 12a, 12b, 12c, 12d ) et on dépose, dans la région d'une ouverture ( 13 ) de ce masque ( 12a, 12b, 12c, 12d ), une matière sur la matière ( 14 ) déjà déposée,

dans lequel on effectue les deux stades du procédé mentionnés ci-dessus aussi souvent qu'il le faut jusqu'à ce que la matière ( 14 ) déposée ait atteint l'épaisseur nécessaire sur l'élément ( 11 ) de support et en ce que, lorsque le revêtement est achevé, on retire les masques.

2. Procédé suivant la revendication 1,
caractérisé
en ce que l'on sépare de l'élément ( 1 ) de support le résultat du revêtement constitué de la matière ( 14 ) déposée.

3. Procédé suivant l'une des revendications précédentes,
caractérisé
en ce qu'au moins une partie des masques ( 12, 12a, 12b, 12c, 12d ) a une épaisseur d'au plus 1 mm.

4. Procédé suivant la revendication 3,
caractérisé
en ce que tous les masques ( 12, 12a, 12b, 12c, 12d ), dont les ouvertures ( 13 ) ont au moins, dans une direction, des largeurs d'au plus 1 mm, ont une épaisseur d'au plus 1 mm.

5. Procédé suivant la revendication 1 à 3,
caractérisé
en ce que, pour tous les masques ( 12, 12a, 12b, 12c, 12d ), on maintient un rapport entre l'épaisseur du masque et la largeur la plus petite de l'ouverture ( 13 ) du masque d'au plus 1.

6. Procédé suivant l'une des revendications précédentes,
caractérisé
en ce que des masques ( 12, 12a, 12b ) successifs ont des ouvertures ( 13 ) de masque en coïncidence ou des ouvertures ( 13 ) de masque complètement superposées se rapetissant.

7. Procédé suivant l'une des revendications précédentes,
caractérisé
en ce qu'au moins un masque ( 12f ) est en plusieurs parties, des joints ( 24 ) de séparation s'étendant du bord extérieur du masque aux ouvertures du masque, de manière à ce que les parties ( 23 ) du masque puissent se séparer l'une de l'autre, en les tirant parallèlement à leur côté supérieur.

8. Procédé suivant l'une des revendications précédentes,
caractérisé
en ce que l'on remplit au moins l'un des masques ( 12, 12a, 12b, 12c, 12d ) en plusieurs stades, dans lequel, après le stade respectif du dépôt de la matière ( 14 ), on effectue un procédé d'enlèvement dans lequel on enlève la matière ( 14 ) déposée, qui se trouve au-dessus du niveau du côté supérieur du masque.

9. Procédé suivant l'une des revendications précédentes,
caractérisé
en ce que l'on détermine l'épaisseur admissible au moins de l'un des masques ( 12, 12a, 12b, 12c, 12d ) en remplissant complètement le masque de la matière ( 14 ) à traiter et en ce que l'on étudie ensuite, à partir du résultat de revêtement formé de la matière ( 14 ) déposée, si l'on a obtenu une qualité exigée.

10. Procédé suivant la revendication 9,
caractérisé
en ce que l'on mémorise dans une base de données l'épaisseur appropriée déterminée des masques ( 12, 12a, 12b, 12c, 12d ) ensemble avec les paramètres de procédé du revêtement.

11. Procédé suivant l'une des revendications précédentes,
caractérisé
en ce que l'on détermine la conformation des ouvertures ( 13 ) du masque en tenant compte de l'épaisseur du masque pour un élément ( 21 ) en décomposant la géométrie de l'élément ( 21 ) par le calcul en des disques superposés, qui définissent le volume des ouvertures ( 13 ) du masque.

Zeichnung