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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenbeschichtung auf einem Grundmaterial, wobei das Grundmaterial eine Oberfläche aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Maschine, wobei die Maschine zur Beschichtung von Oberflächen eingerichtet ist.
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Beschichtungen auf Oberflächen von Bauteilen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, um die Oberflächeneigenschaften eines Grundmaterials zu verbessern oder besonderen Erfordernissen anzupassen. Der Vorbereitung der Oberfläche vor einem Beschichtungsvorgang kommt hierbei besondere Bedeutung zu, da die Haftung der Beschichtung maßgeblich von der Oberfläche bzw. deren Vorbereitung und Vorbehandlung abhängt. Die Oberfläche sollte für eine optimale Haftung sehr sauber, d.h. frei von jeglicher Kontamination, sowie frei von Fremdkörpereinschlüssen sein und eine bestimmte Rauheit aufweisen.
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Ein übliches Verfahren zur Vorbehandlung ist Raustrahlen. Die Oberfläche wird mit einem Strahlmittel, z.B. Korund, bestrahlt, welches mögliche Kontaminationen bzw. Verunreinigungen auf der Oberfläche abträgt und eine gleichmäßige Rauheit erzeugt. Das Strahlgut kann hierbei allerdings selbst zu einer Kontamination der Oberfläche durch Einschlüsse von Strahlmittel führen. Weiterhin ergibt sich beim Raustrahlen verfahrensbedingt eine gewisse Streuung, so dass Flächen eines Bauteils, welche unbearbeitet gelassen werden sollen, vorher abgeklebt werden müssen. Dies führt zu einer aufwendigen Vorbereitung vor der Vorbehandlung. Beim Raustrahlen ist es weiterhin nachteilig, dass das Strahlgut wieder entfernt werden muss und die Umgebung mit Stäuben belastet wird, welche abgesaugt und gefiltert werden müssen.
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Als Alternative zum Raustrahlen sind beispielsweise Verfahren zum Reinigen und Aufrauen mittels Laserstrahl bekannt. Ein derartiges Verfahren ist aus der
EP 1 854 903 A1 bekannt, wobei der Laserstrahl dazu eingesetzt wird, die Oberfläche zu reinigen und aufzurauen. Diese wird durch einen Materialabtrag durch den Laserstrahl erreicht, wie der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen ist.
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Ein Materialabtrag ist allerdings unerwünscht, weil dieser die Wandstärken bei regelmäßiger Beschichtung, insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen, wie sie im Flugzeugbau häufig zu finden sind, langfristig reduziert. Weiterhin können durch den Materialabtrag Eigenspannungen in den Bauteilen zu Verzug führen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Maschine zur Herstellung einer Oberflächenbeschichtung anzugeben, welche die oben genannten Nachteile überkommt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenbeschichtung auf einem Grundmaterial vorgeschlagen, wobei das Grundmaterial eine Oberfläche aufweist. Erfindungsgemäß wird in einem ersten Verfahrensschritt die Oberfläche mit einem mittels eines Strahlerzeugers erzeugten energiereichen Strahl an einer Vielzahl von Einzelbereichen auf der Oberfläche bestrahlt, wobei das Grundmaterial in den Einzelbereichen kurzzeitig ablationsfrei erwärmt wird, wobei das Grundmaterial in den Einzelbereichen oberflächennah umgeschmolzen wird. In einem zweiten Verfahrensschritt wird auf die Oberfläche eine Beschichtung aufgebracht.
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Die lokale Bestrahlung der Oberflächen erfolgt vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt nur an einem Einzelbereich, welcher vorzugsweise kleiner als 1 mm2 ist. Das Grundmaterial wird durch die Einwirkung des energiereichen Strahls oberflächennah erwärmt, wobei die Erwärmung mit hohen Heizraten erfolgt. Das Grundmaterial wird in Abhängigkeit seiner Materialeigenschaften derart erwärmt, dass im Einwirkbereich des energiereichen Strahls das Grundmaterial unterhalb der Ablationsschwelle erwärmt wird. Hierdurch wird ein Abtrag von Grundmaterial verhindert, wodurch die eigentliche Wandstärke von Bauteilen auch bei mehrfacher Anwendung erhalten bleibt. Zudem wird die Bildung von Stäuben als Folge von Ablation oder Verdampfung verhindert, wodurch die umgebende Atmosphäre weniger belastet wird. Das Grundmaterial wird daher nur umgeschmolzen und nicht abgetragen, wodurch sich eine dampffreie und staubfreie Vorbehandlung ergeben kann.
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Die Beschichtung der Oberfläche erfolgt vorzugsweise durch eine thermische Beschichtung, welche z.B. in einem thermischen Spritzverfahren aufgebracht werden kann. Die aufgebrachten Beschichtungen können bspw. Verschleißschutzschichten, Wärmedämmschichten und/oder Korrosionsschutzschichten sein.
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Das Verfahren ermöglicht generell höhere Haftzugfestigkeiten und verbesserte Reproduzierbarkeit und Prozessstabilität als die bekannten Verfahren.
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Insbesondere ermöglicht das Verfahren qualitativ hochwertige Beschichtungen mit hohen Haftzugfestigkeiten ohne vorheriges mechanisches Aufrauen der Oberfläche. Hierdurch kann dieser Verfahrensschritt weggelassen und Strahl- und Verschleißmittel sowie deren Entsorgung eingespart werden. Ergänzend kann eine mechanische Vorbehandlung jedoch weiterhin durchgeführt werden.
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Das Umschmelzen ermöglicht die Erzielung von Oberflächen verschiedener mittlerer Rauheit, z.B. zwischen 2 µm bis 4 µm oder mittlere Rauheiten im Bereich zwischen 1 µm bis 100 µm.
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Vorzugsweise wird die Oberfläche des Grundmaterials orthogonal mit einer Toleranz von 25° mit energiereicher Strahlung bestrahlt.
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Die vorzugsweise orthogonale Bestrahlung ermöglicht eine homogene Oberfläche ohne Vorzugsorientierung und eine homogene Verteilung des umgeschmolzenen Materials, was eine gleichmäßige Haftung begünstigt. Insbesondere führt eine im Wesentlichen senkrechte Strahlführung zu einer vorbereiteten Oberfläche, welche frei von Hinterschneidungen sein kann.
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Vorzugsweise wird in dem ersten Verfahrensschritt eine regelmäßige Struktur auf der Oberfläche des Grundmaterials erzeugt. Hierdurch kann eine homogene Struktur für eine Haftung ohne Vorzugsrichtung erreicht werden.
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In vorteilhaften Ausführungsformen wird der energiereiche Strahl in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz gepulst. Es hat sich gezeigt, dass in diesem Frequenzbereich das Verfahren vorteilhaft angewendet werden kann. Weiterhin kann das Verfahren besonders vorteilhaft in einem Frequenzbereich zwischen 30 kHz und 80 kHz genutzt werden.
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Weiterhin beträgt die mittlere Strahlleistung in bevorzugten Ausführungsformen zwischen 5 W bis 30 W. Weiterhin ist vorzugsweise eine Strahlleistung von 8 W bis 13 W bei einem gepulsten energiereichen Strahl mit einer Pulsfrequenz zwischen 30 kHz und 80 kHz für die Vorbehandlung der Oberfläche vorteilhaft.
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Vorzugsweise ist der energiereiche Strahl ein Laserstrahl. In alternativen Ausführungsformen kann der energiereiche Strahl ein Elektronenstrahl sein. Ein Laserstrahl ist hierbei vorteilhaft, da dieser in der gleichen Atmosphäre genutzt werden kann wie ein thermisches Spritzverfahren, wodurch die Rüstzeiten zwischen Vorbehandlung und Beschichtung gering gehalten werden können. Der Strahlerzeuger ist in bevorzugten Ausführungsformen eine Laserquelle, weiterhin bevorzugt ein Festkörperlaser. In alternativen Ausführungsformen kann der Strahlerzeuger eine Elektronenstrahlquelle sein.
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Vorzugsweise weist der Laserstrahl eine Wellenlänge im Nahinfrarotbereich, vorzugsweise im Bereich von 780 nm bis 1400 nm, weiter vorzugsweise im Bereich von 900 nm bis 1300 nm, noch weiter vorzugsweise zwischen von 1000 nm bis 1200 nm auf, bspw. 1060 nm bis 1070 nm. Dieser Wellenlängenbereich hat sich in Versuchen bewährt und ermöglicht hohe Haftzugfestigkeiten der nachfolgenden Beschichtungen.
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Vorzugsweise ist zwischen der Durchführung des ersten Verfahrensschritts und des zweiten Verfahrensschritts eine Unterbrechung von weniger als 2 h, vorzugsweise weniger als 45 min, weiterhin vorzugsweise weniger als 5 min vorgesehen. Generell ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt eine möglichst kurze Zeitspanne liegt. Das beschriebene Verfahren ermöglicht jedoch ein vergleichsweise weites Zeitfenster bei gleichbleibender Reproduzierbarkeit, so dass sich eine höhere Flexibilität bei der industriellen Umsetzung ergibt.
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Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 9 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Es wird eine Maschine vorgeschlagen, wobei die Maschine zur Beschichtung von Oberflächen eingerichtet ist. Erfindungsgemäß umfasst die Maschine eine Beschichtungseinrichtung und einen Strahlerzeuger, wobei die Maschine dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
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Durch die Integration des Strahlerzeugers oder der Laserstrahlvorrichtung lässt sich die Oberflächenvorbehandlung in der gleichen Maschine und vorzugsweise in der gleichen Aufspannung des Werkstücks durchführen. Dies reduziert die Rüstvorgänge und verkürzt die Zeitspannen zwischen Vorbehandlung und Beschichtung. Die Beschichtung kann bspw. direkt nach dem Umschmelzen der Oberfläche erfolgen. Aufgrund der ablationsfreien Prozessführung kann die Vorbereitung der Oberfläche auch in direkter Nähe der Beschichtungseinrichtung erfolgen, ohne dass es zu Verschmutzung oder Kontamination kommt. Die Maschine ermöglicht somit eine Beschichtung von Bauteilen mit einer hohen Reproduzierbarkeit und Beschichtungsqualität, wobei die Maschine eine sehr saubere Anwendung des Verfahrens ermöglicht, wodurch der Aufwand für eine Reinigung der Maschine, eine Filterung der Abluft und eine Entsorgung von Materialien deutlich reduziert werden kann.
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Gegenüber Raustrahlanlagen wird der Wartungsaufwand erheblich reduziert. Es wird kein Strahlgut verbraucht und weiterhin ist der Verschleiß der Komponenten vergleichsweise gering. Die Entsorgung von Strahlgut kann ebenfalls entfallen. Daneben wird gegenüber einer üblichen Laservorbehandlung, welche zu einer Ablation oder Verdampfung von Oberflächenmaterial führt, die Umgebungsluft nicht durch fein verteilte Partikel oder kondensierte Dämpfe belastet, welche eine aufwendige Filterung und entsprechende Arbeitsschutzmaßnahmen erfordern.
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Vorzugsweise sind der Strahlerzeuger bzw. die Laserstrahlvorrichtung und die Beschichtungseinrichtung gemeinsam unter eine Schutzgasatmosphäre setzbar. Hierdurch können beide Verfahrensschritte vorteilhaft ohne Atmosphärenwechsel nacheinander durchgeführt werden. Dies verhindert nach dem Umschmelzen der Oberfläche eine Oxidation der behandelten Oberfläche, was die Beschichtungsqualität einer anschließenden Beschichtung verbessert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine regelmäßige Struktur einer vorbehandelten und umgeschmolzenen Oberfläche; und
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2 eine schematische Darstellung einer Maschine mit einer Beschichtungseinrichtung und einem Strahlerzeuger.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Oberfläche 3 eines Grundmaterials 2 dargestellt, welche im oberen linken Teil der Darstellung mit einem energiereichen Strahl, in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Laserstrahl, für eine nachfolgende thermische Beschichtung vorbehandelt wurde. Die Vorbehandlung verbessert die Oberfläche 3 dahingehend, dass für die spätere Beschichtung bessere Haftungseigenschaften erreicht werden können. Dies gelingt zum einen durch eine kontaminationsfreie Oberfläche 3 und zum anderen durch eine optimierte Rauheit der Oberfläche 3. Insbesondere die Kombination dieser beiden Eigenschaften führt zu hohen Beschichtungsqualitäten.
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In der Darstellung ist die Vielzahl von Einzelbereichen 4 zu erkennen, die jeweils lokal mittels des Laserstrahls erwärmt wurden. Das oberflächennahe Grundmaterial 2 wurde hierbei nicht abgetragen, sondern lediglich soweit erwärmt, dass lokal eine Schmelze erzeugt wurde. Demnach erfolgt kein Abtrag von Grundmaterial 2 aus dem Einzelbereich 4. Das geschmolzene Grundmaterial 2 ändert seine Gestalt entsprechend der vorherrschenden Oberflächeneffekte in seiner Umgebung und kühlt sich nach Ende des Energieeintrags, z.B. Ende des Laserpulses, vor allem durch Wärmeleitung in das umgebene Material sehr schnell ab. Das Grundmaterial 2 wird daher insgesamt in Oberflächennähe umgeschmolzen. Der Ablationsfreiheit steht es nicht entgegen, dass Kontaminationen oder Verunreinigungen, die sich noch auf dem Grundmaterial 2 befinden, während der Einwirkung des energiereichen Strahls verdampfen können.
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Die Einzelbereiche 4 werden schrittweise erwärmt, so dass die gesamte Oberfläche 3, welche vorbehandelt werden soll, schrittweise umgeschmolzen wird. In vorteilhaften Ausführungsbeispielen korreliert die Erwärmung eines Einzelbereichs 4 mit einem Puls des Laserstrahls. Der Laserstrahl wird vorzugsweise gepulst betrieben, wobei der Laserstrahl kontinuierlich über die Oberfläche 3 verschwenkt werden kann, so dass sich eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Einzelbereichen 4 ergibt.
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Der energiereiche Strahl oder der Laserstrahl können vorzugsweise ein definiertes Muster auf der Oberfläche 3 abfahren, wodurch sich eine regelmäßige Struktur 5, wie in der 1 zu erkennen, auf der Oberfläche 3 ergibt.
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Die Einzelbereiche 4 weisen in vorteilhaften Ausführungsbeispielen einen mittleren Durchmesser kleiner als 100 µm auf. Der Strahldurchmesser des energiereichen Strahls ist in vorteilhaften Ausführungsbeispielen vergleichsweise stark fokussiert. Die oberflächennahe Erwärmung erfolgt vorzugsweise in den oberen 100 µm von der Oberfläche 3 des Grundmaterials 2 aus.
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In 2 ist ein mögliches vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Maschine 10 zur Beschichtung von Oberflächen 3 dargestellt. Die Maschine 10 umfasst einen Strahlerzeuger 12, welcher zur Durchführung der Vorbehandlung vorgesehen ist. Der Strahlerzeuger 12, in diesem Ausführungsbeispiel eine Laserquelle, ist hierbei auf einem Roboter 11 montiert, der die Laserstrahlvorrichtung 12 zur Vorbehandlung mehrerer Bauteile 14 positionieren kann. Die Laserquelle kann auch angrenzend zu dem Roboter 11 angeordnet sein, und der Laserstrahl kann von der Laserquelle über entsprechende Strahlführung zu dem Roboter 11 geleitet werden. Neben der Bewegung der Laserstrahlvorrichtung 12 durch einen Roboter 11 ist in vorteilhaften Ausführungsbeispielen der Laserstrahl zusätzlich optisch verschwenkbar. Der Roboter 11 kann insbesondere dazu eingesetzt werden, die Oberfläche 3 des Bauteils 14 rundum abdecken zu können. Zudem kann hierdurch erreicht werden, dass der Laserstrahl vornehmlich senkrecht auf die Oberfläche 3 eines Bauteils 14 auftrifft.
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Weiterhin ist in der 2 ein Roboter 11 dargestellt, welcher die Beschichtungseinrichtung 13 trägt. Die Beschichtungseinrichtung 13 kann somit robotergestützt an die Oberfläche 3 des Bauteils 14 herangeführt werden, wo der Roboter 11 die Beschichtungseinrichtung 13 in einem für den Prozess günstigen Abstand positionieren bzw. bewegen kann.
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Die Beschichtungseinrichtung 13 ist vorzugsweise zur thermischen Beschichtung eingerichtet. Die thermische Beschichtung kann die verschiedenen bekannten thermischen Beschichtungsverfahren umfassen, wie z.B. thermische Spritzverfahren, wie Plasmaspritzen oder Flammspritzen. Die aufgetragenen Beschichtungen können beispielsweise MCrAlY, NiCrAlY oder CoCrAlY umfassen.
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Die Maschine 10 ist in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel gekapselt, so dass die Vorbehandlung in einem ersten Verfahrensschritt und der Beschichtungsvorgang in einem zweiten Verfahren gemeinsam unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden können. Die gemeinsame Schutzgasatmosphäre ermöglicht kurze Zeiträume zwischen Vorbehandlung und Beschichtung, wobei das umgeschmolzene Grundmaterial 2 in der Zwischenzeit an einer Oxidation, z.B. an Luft, gehindert wird. Die Integration des Reinigungsvorgangs und des Beschichtungsvorgangs in eine gemeinsame Maschine 10 mit geschlossener Schutzgasatmosphäre wird durch das staub- und dampffreie Verfahren zur Vorbehandlung der Oberfläche 3 erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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