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Die Erfindung betrifft eine Maske zum Aufsetzen auf einen Motorblock während eines thermischen Beschichtungsvorgangs nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Die thermische Beschichtung von Motorblöcken, insbesondere ihren Zylinderbohrungen, ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Sie kann beispielsweise in Form einer Plasmabeschichtung oder insbesondere in Form eines Lichtbogendrahtspritzens ausgeführt werden. Hierdurch können beispielsweise eisenhaltige Legierungen auf die Oberfläche einer Zylinderbohrung in einem Motorblock oder Kurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung aufgebracht werden, um so die Reibungs- und Verschleißeigenschaften zu optimieren.
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Um zu verhindern, dass unerwünschte Bereiche des Motorblocks mit der thermischen Beschichtung versehen werden, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik Masken zur Abdeckung der Bereiche, welche nicht beschichtet werden sollen, bekannt. Beispielsweise beschreibt die
EP 1 886 737 A1 eine Maske, welche am kurbelwellenseitigen Ende von Zylinderbohrungen angebracht werden kann und eine Beschichtung des Gehäuses für die Kurbelwelle verhindert. Die Maske ist dabei zylindrisch ausgeführt oder hat eine im Wesentlichen zylindrische Öffnung, welche sich gegebenenfalls noch erweitern oder verengen kann. Vergleichbare Masken mit weiteren Effekten wie einem umlaufenden Hohlraum, welcher für die hier vorliegende Sache jedoch von untergeordneter Bedeutung ist, sind beispielsweise auch in der
DE 10 2008 028 960 A1 , der
DE 10 2008 028 962 A1 sowie der
DE 10 2008 028 964 A1 beschrieben, welche den gattungsgemäßen Stand der Technik bilden. Diese Masken dienen zur Abdeckung der Fläche, in deren Bereich der Motorblock mit dem späteren Zylinderkopf verbunden wird, und bewahren diese Fläche vor Overspray.
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Diese Aufbauten befinden sich bereits im praktischen Einsatz, insbesondere in Kombination mit dem Lichtbogendrahtspritzen als eine Art von thermischer Beschichtung, bei welchem in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einer Stickstoffatmosphäre, in einem Lichtbogen das Beschichtungsmaterial aufgeschmolzen und von einem Gasstrom des Schutzgases zu der zu beschichtenden Oberfläche gefördert wird. Das Beschichtungswerkzeug, welches auch als Lanze oder Sprühlanze bezeichnet wird, wird dabei in die Zylinderbohrung eingeführt und während der Beschichtung rotiert, um so die Beschichtung beispielsweise in mehreren axial verlaufenden Streifen oder in axial aufeinander folgenden Ringen bzw. einer Spirale auf das Innere der Oberfläche der Zylinderbohrung aufzutragen.
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In der Praxis hat sich nun gezeigt, dass insbesondere die auf dem Zylinderkopf zugewandten Seite einer Zylinderbohrung liegende Maske großen Einfluss auf die Qualität der Beschichtung hat. Aufgrund der Tatsache, dass die Maske eine Eintrittsöffnung für das Werkzeug zur thermischen Beschichtung aufweisen muss, ist es so, dass die Schutzatmosphäre im Bereich der Maske häufig nicht oder nicht in der gewünschten Qualität vorliegt, sodass es beispielsweise zu einer Oxidation von einzelnen aufgespritzten Partikeln kommen kann, was die Qualität der Beschichtung nachteilig beeinflusst. In der Praxis kann dies auch dazu führen, dass die Beschichtung in dem der Maske weiter zugewandten Bereich andere Eigenschaften als in einem weiter von der Maske abgewandten Bereich aufweist.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Maske gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben und damit insbesondere die genannten Probleme zu reduzieren oder zu lösen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Maske mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Maske ist es so, dass im Bereich der Eintrittsöffnung für das Werkzeug eine Abdeckung angeordnet ist, welche eine Durchtrittsöffnung für das Werkzeug aufweist, deren Querschnitt kleiner als der Querschnitt der Eintrittsöffnung ist. Über die Abdeckung wird die Eintrittsöffnung in die zylindrische innere Öffnung der Maske also verkleinert. Hierdurch wird sichergestellt, dass einerseits das Werkzeug noch durch die Maske in die Zylinderbohrung eintauchen kann und dass andererseits der Freiraum zwischen dem Rand der Maske um die Eintrittsöffnung und dem Werkzeug entsprechend reduziert wird. Hierdurch wird eine Beeinflussung der thermischen Beschichtung durch die Gasatmosphäre der Umgebung, welche außerhalb der Zylinderbohrung vorliegt, verringert, da die in der Umgebung typischerweise vorliegende Luft bzw. der in ihr enthaltene Sauerstoff nicht mehr in dem Maße in den Bereich der thermischen Beschichtung gelangen kann, wie bei den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik. Eine einfache Abdeckung zur Reduzierung des offenen Durchmessers reicht also bereits aus, um einen entsprechenden Effekt zu erzielen und den Sauerstoffgehalt im Bereich der Beschichtung selbst deutlich zu reduzieren. Dadurch wird die Oxidation von Bestandteilen des beispielsweise beim Lichtbogendrahtspritzen schmelzflüssigen Beschichtungswerkstoffs verhindert. Die Beschichtung wird homogener und gleichmäßiger.
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Ein besonderer Vorteil, welcher in Untersuchungen nachgewiesen werden konnte, ist der Einfluss der Oxidation einzelner Partikel auf die Haftfähigkeit der Beschichtung. So konnte gezeigt werden, dass bei der Verwendung einer Abdeckung zur Reduzierung des Sauerstoffgehalts im Bereich der Maske und der Zylinderbohrung eine um 100% höhere Schichthaftung erzielt werden konnte, was eine sehr entscheidende Verbesserung der Qualität und der Lebensdauer der Beschichtung darstellt.
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Die Abdeckung kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee insbesondere aus einem starren Material ausgebildet sein, wobei die Durchtrittsöffnung so ausgebildet ist, dass sie umlaufend um das eingebrachte Werkzeug einen Spalt lässt. Dieser Spalt stellt sicher, dass das Werkzeug gut in die Zylinderbohrung eintauchen und bei der Beschichtung entsprechend rotieren kann. Gleichzeitig wird durch den Spalt, welcher eine möglichst geringe Spaltbreite aufweisen sollte, eine gute Abschirmung des Aufbaus gegenüber der Atmosphäre erreicht. Insbesondere beim Lichtbogendrahtspritzen ist es dabei so, dass das Schutzgas, beispielsweise Stickstoff oder ein anderes Gemisch aus weitgehend inerten Gasen, zum Aufsprühen der schmelzflüssigen Beschichtung auf die Oberfläche genutzt wird. Prinzipbedingt stellt sich daher eine Atmosphäre mit diesem Schutz- und Transportgas um das Werkzeug herum ein. Bei der Verwendung einer Abdeckung, welche lediglich einen kleinen Spalt um das Werkzeug herum und zur Umgebung hin offen lässt, wird so ein Überdruck im Inneren der Zylinderbohrung und der Maske aufgrund des im Bereich des Werkzeugs ausströmenden Gases erreicht. Dieses verhindert das Eindringen von Luft bzw. ihrem Sauerstoff aus der Umgebung bereits sehr effizient, sodass sehr geringe Sauerstoffanteile in der Zylinderbohrung erzielt werden können, insbesondere Anteile von weniger als 1 Vol.-% an Sauerstoff. Dies lässt eine hohe Qualität der Beschichtung zu. Die Abdeckung selbst kann dabei als Blechteil ausgebildet sein oder ein solches aufweisen.
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Neben der reinen Verwendung einer Durchtrittsöffnung in dem starren Material der Abdeckung kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee auch vorgesehen sein, dass die Abdeckung ein elastisches Material im Bereich der Durchtrittsöffnung aufweist. Ein solches elastisches Material im Bereich der Durchtrittsöffnung kann dabei beispielsweise mit einem Blechteil zu seiner Halterung, welches ebenfalls Teil der Abdeckung ist, kombiniert werden. Das elastische Material kann dann den bei der oben beschriebenen Ausführungsvariante verbleibenden Spalt in seinen Abmessungen weiter reduzieren oder, je nach Einsatz des Materials, auch gänzlich verschließen, ohne dabei die Bewegungsfähigkeit des Werkzeugs zu beeinträchtigen.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann das elastische Material dabei in Form einer Bürste ausgebildet sein. Eine solche Bürste, welche das typischerweise rotationssymmetrische Werkzeug umgibt, kann erlauben, dass dieses sehr einfach und effizient in die Maske und die darunterliegende Zylinderbohrung eingeführt und in dieser verfahren und gedreht werden kann. Gleichzeitig verhindert das elastische Material in Form der Bürste bei an dem Werkzeug anliegenden Bürstenhaaren das Eindringen der weiteren Atmosphäre in den Bereich der Maske und stellt, insbesondere in Kombination mit einem leichten Überdruck des Schutzgases im Bereich der Zylinderbohrung und der zylindrischen Öffnung der Maske, eine sehr gute Atmosphäre für die thermische Beschichtung zur Verfügung, welche weitgehend frei von Sauerstoff bleibt. Vergleichbares gilt auch für den ergänzend oder alternativen Einsatz von elastischen Lamellen, welche aus verschiedenen Materialien realisiert werden können, unter anderem aus Blechstreifen oder dergleichen, sodass der Übergang von der Bürste zu den Lamellen weitgehend fließend ist.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es vorgesehen sein, dass die Lamellen aus einem Elastomer, z.B. Gummi, ausgebildet sind, und so in Form von einer oder mehreren über den Umfang verteilten oder einer über den Umfang mehrfach geschlitzten Lamelle eine sehr gute Abdichtung der zylindrischen Öffnung in der Maske gegenüber der Umgebung auch bei eingefahrenem Werkzeug sicherstellen. Dabei wird die Beweglichkeit des Werkzeugs quasi nicht nachteilig beeinträchtigen.
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Diese verschiedenen Arten von Abdeckungen erlauben nun, wie oben bereits erwähnt, eine sehr gute Qualität der Beschichtung, da sie Strömungseffekte der Gase in und aus der Maske weitgehend unterbinden, und da sie, insbesondere bei Verwendung von elastischen Materialien, das Innere der Maske gegenüber der Umgebung zuverlässig abdichten, um so bei bestehender Schutzgasatmosphäre, und insbesondere bei bestehender Schutzgasatmosphäre mit Überdruck, das Eindringen von Sauerstoff zu vermeiden.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei so, dass die Abdeckung lose aufgelegt ausgebildet ist, und mittels eines Greifers zur Positionierung der Maske fixiert wird. Die Abdeckung kann also auf eine herkömmliche Maske, wie sie beispielsweise aus den drei gattungsgemäßen eingangs beschriebenen Schriften bekannt ist, einfach aufgelegt werden. Sie kann im einfachsten Fall aus einem Blechring bestehen oder beispielsweise aus einem Blechring mit einer daran angebrachten Gummilamelle um die Durchtrittsöffnung. Die Abdeckung kann dann nach dem Auflegen auf die Maske mit dem Greifer, welcher in der Serienproduktion die Maske von Zylinderbohrung zu Zylinderbohrung bewegt und während des Beschichtungsvorgangs dort hält, mit festgehalten werden, sodass bestehende Produktionseinrichtungen einfach und effizient mit einer solchen Abdeckung nachgerüstet werden können.
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Selbstverständlich kann die Abdeckung auch bei der Konstruktion der Maske bereits in diese entsprechend integriert sein, sie kann beispielsweise einteilig mit dem Material der Maske ausgeführt sein, oder in Teilen durch das Material der Maske selbst realisiert sein, und dann beispielsweise durch das Einbringen einer Gummilamelle oder Bürste um die eigentliche Durchtrittsöffnung entsprechend ergänzt werden.
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Wie erwähnt ist es dabei immer von Vorteil, wenn die Durchtrittsöffnung so ausgestaltet wird, dass sie, insbesondere unter Zuhilfenahme eines Überdrucks der Schutzgasatmosphäre im Inneren der Zylinderbohrung und der Maske, hilft das Eindringen von Luft aus der Umgebung ganz oder zumindest weitgehend zu verhindern.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maske ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Ausführung einer Maske gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Schnittdarstellung bei ihrer Verwendung;
- 2 die Maske mit einer ersten Ausführungsform der Abdeckung gemäß der Erfindung;
- 3 die Maske mit einer zweiter Ausführungsform der Abdeckung gemäß der Erfindung;
- 4 eine alternative Ausgestaltung der Maske mit der ersten Ausführungsform der Abdeckung gemäß der Erfindung; und
- 5 eine alternative Ausgestaltung der Maske mit der zweiten Ausführungsform der Abdeckung gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der
1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Maske
1 gemäß dem Stand der Technik zu erkennen. Der Aufbau orientiert sich dabei im Wesentlichen an der oben genannten gattungsgemäßen
DE 10 2008 028 960 A1 , wobei die analog der dort beschriebenen Maske ausgeführte Maske
1 in
1 als Blechteil ausgeführt ist. Die Maske
1 ist auf einen mit
2 bezeichneten Motorblock, von welchem lediglich ein Ausschnitt dargestellt ist, entsprechend aufgelegt. Sie ist oberhalb einer mit
3 bezeichneten Zylinderbohrung positioniert. Sie liegt mit einem Anlagebereich
12 auf dem Motorblock
2 um die Zylinderbohrung
3 herum auf. Ein in seiner Gesamtheit mit
4 bezeichnetes Werkzeug wird über eine nicht näher dargestellte Maschinerie durch die Maske
1 hindurch in das Innere der Zylinderbohrung
3 eingeführt, um die Oberfläche der Zylinderbohrung
3 mit einer thermischen Beschichtung durch Lichtbogendrahtspritzen (LDS) zu versehen. Das Werkzeug
4 durchdringt dabei die zylindrisch ausgeführte Maske
1 bzw. ihre zylindrische Innenöffnung
5, indem das Werkzeug
4 durch eine Eintrittsöffnung
6 in die Maske und von dort durch eine Austrittsöffnung
7 in die Zylinderbohrung
3 eingefahren wird. Die Beschichtung erfolgt dann in an sich bekannter Art und Weise, indem das Werkzeug
4 einerseits rotiert und anderseits in axialer Richtung a der Zylinderbohrung
3 auf und ab gefahren wird.
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Dieser Aufbau entspricht soweit dem Stand der Technik und ist dem Fachmann zumindest aus der genannten
DE 10 2008 028 960 A1 allgemein bekannt. Auf diese Art und Weise werden beispielsweise Motorblöcke
2 aus Aluminiumlegierungen mit einer Beschichtung auf der Basis von Eisenlegierungen oder anderen geeigneten Werkstoffen versehen, um die tribologischen Eigenschaften des Motorblocks
2 entsprechend zu verbessern und verschleißresistente Beschichtungen in der Zylinderbohrung
3 zu ermöglichen.
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Die Maske 1 selbst dient dabei zur Vermeidung von Overspray in dem Bereich um die Zylinderbohrung 3 herum, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beim später zusammengesetzten Motor die Grenze zwischen dem Motorblock 2 und einem hier nicht dargestellten Zylinderkopf ausbildet.
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In der Darstellung der 2 ist nun das Werkzeug 4 zusammen mit der Maske 1 nochmals dargestellt. Auch hier ist der Einsatz des Werkzeugs 4 bei der Beschichtung einer Zylinderbohrung 3 angedacht, wobei auf die Darstellung des Motorblocks 2 hier verzichtet worden ist. Der Aufbau muss jedoch analog zu dem in 1 dargestellten Aufbau verstanden werden.
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Die erfindungsgemäße Maske 1 ist gegenüber der Maske 1 aus dem Stand der Technik im Bereich der Eintrittsöffnung 6 verändert und weist im Bereich dieser Eintrittsöffnung 6 für das Werkzeug 4 eine hier mit 8 bezeichnete Abdeckung aus einem Ring, beispielsweise einem Blechring, auf. Dieser reduziert den Querschnitt der Eintrittsöffnung 6 auf einen sehr viel kleineren Querschnitt einer Durchtrittsöffnung 9, welche so ausgestaltet ist, dass um das Werkzeug 4 herum lediglich ein relativ kleiner Spalt 10 verbleibt, sodass das Werkzeug 4 durch die Maske 1 in die Zylinderbohrung 3 eintauchen und sich bei der thermischen Beschichtung durch das Werkzeug 4 entsprechend drehen kann. Durch die Reduzierung der Durchtrittsöffnung 9 im Vergleich zur Eintrittsöffnung 6 ist es bereits so, dass trotz des immer noch relativ großen Spalts 10 um das Werkzeug 4 eine deutliche Verbesserung in der Qualität der Beschichtung erreicht werden kann, insbesondere wenn sich innerhalb der Zylinderbohrung 3 und im Inneren der Maske 1, also in ihrer zylindrischen inneren Öffnung 5, eine unter Überdruck stehende Schutzgasatmosphäre aufbaut.
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Da bei der Beschichtung mittels Lichtbogendrahtspritzen das aufgeschmolzene Beschichtungsmaterial mittels des Schutzgases auf die zu beschichtende Oberfläche gespritzt wird, stellt sich diese Schutzgasatmosphäre typischerweise immer ein. Das Schutz- und Transportgas, beispielsweise Stickstoff, reichert sich im Inneren der Zylinderbohrung 3 und in der inneren zylindrischen Öffnung 5 der Maske 1 an. Durch den Überdruck wird trotz des hier noch relativ großen Spalts 10 das Eindringen von Umgebungsluft in das Innere 5 der Maske 1 und der Zylinderbohrung 3 deutlich reduziert. Eine Reduzierung des Sauerstoffgehalts auf weniger als 1 Vol.-% an Sauerstoff hat jedoch bereits eine sehr viel höhere Anhaftung der Beschichtung und einen homogeneren Aufbau des Beschichtungsmaterials zur Folge, weil die Oxidation von einzelnen Bestandteilen des schmelzflüssig aufgetragenen Beschichtungsmaterials bereits deutlich reduziert wird.
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Eine weitere Verbesserung zeigt der Aufbau in 3. Die Abdeckung 8 umfasst im Bereich der Durchtrittsöffnung 9 hier ein elastisches Material in Form von beispielsweise aus einem Elastomer, wie Gummi, ausgebildeten Lamellen 11, welche als eine oder mehrere Dichtlippen um den Umfang der Durchtrittsöffnung 9 herum an dem Werkzeug 4 zur Anlage kommen und damit den Spalt 10 gemäß 2 auf einen Null-Spalt reduzieren können, sodass die innere zylindrische Öffnung 5 der Maske 1 zuverlässig gegenüber der Atmosphäre in der Umgebung des hier dargestellten Aufbaus abgedichtet werden kann. Anstelle einer oder mehrerer um den Umfang verteilt angeordneter Lamellen 11 oder auch in Axialrichtung a der Durchtrittsöffnung 9 hintereinander angeordneten Lamellen kann auch eine Reihe von Bürsten und/oder andersartigen elastischen Lamellen, beispielsweise aus Metall, eingesetzt werden, um die Öffnung um das Werkzeug 4 herum im Bereich der Durchtrittsöffnung 9 soweit zu reduzieren, dass im Idealfall, und insbesondere bei einer Schutzgasatmosphäre im Inneren der Zylinderbohrung 3 und in der inneren Öffnung 5 der Maske 1, das Eindringen von Sauerstoff gänzlich verhindert wird.
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In den Darstellungen der 4 und 5 sind die Aufbauten analog zu den Darstellungen in den 2 und 3 nochmals gezeigt. Die Abdeckung 8 ist dabei in der Darstellung der 4 wieder aus einem starren Material ausgebildet, sodass ein Spalt 10 um das Werkzeug 4 verbleibt, während sie in der Darstellung der 5 mit elastischen Lamellen 11 ausgebildet ist, um den Spalt 10 entsprechend abzudichten. Ansonsten unterscheidet sich der Einsatz der Abdeckung 8 hier insbesondere durch den Aufbau der eigentlichen Maske 1, welche direkt zur Integration bzw. Aufnahme der Abdeckung 8, welche auch einteilig mit der Maske 1 ausgeführt sein kann, aufgebaut ist. Anders als bei den Darstellungen in den 2 und 3, welche im Wesentlichen als Nachrüstung der bestehenden Maskenformen 1 zu verstehen sind, ist die Maske 1 hier also unmittelbar an die Integration der Abdichtung, sei es aus starrem Material oder mit elastischem Aufbau, ausgeführt. Der erzielte Effekt ist ansonsten derselbe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1886737 A1 [0003]
- DE 102008028960 A1 [0003, 0020, 0021]
- DE 102008028962 A1 [0003]
- DE 102008028964 A1 [0003]
