Kaltgasspritzanlage mit einstellbarem Partikelstrahl

Die Erfindung betrifft eine Kaltgasspritzanlage zum Erzeugen eines einstellbaren Partikelstrahls und ein Verfahren zum Steuern einer solchen Kaltgasspritzanlage.

Kaltgasspritzen (im Englischen: „Cold Spray") ist ein Verfah ren, bei dem ein Werkstoff in Pulverform mit sehr hoher Ge schwindigkeit auf ein Trägermaterial (Substrat) aufgebracht wird. Dazu wird ein auf mehrere hundert Grad aufgeheiztes Prozessgas (z. B. Stickstoff) durch Expansion in einer Lava- ldüse auf sehr hohe Geschwindigkeit, d. h. Überschallge schwindigkeit, beschleunigt und anschließend die Pulverparti kel in den Gasstrahl injiziert. Die injizierten Pulverparti kel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleu nigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzver fahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bilden.

Aufgrund der thermischen Trägheit von Cold Spray-Anlagen kön nen die Strömungsparameter des Gasstrahls, der die Partikel beschleunigt, nicht abrupt geändert werden. Weiterhin ist es unzweckmäßig, den oder die Pulverförderer abrupt aus- und wieder anzuschalten, weil sie aufgrund der Länge der Leitun gen eine Weile brauchen, bis die Förderung danach wieder gleichmäßig läuft. Pulverförderer werden im Folgenden auch als Zuführeinrichtung bezeichnet und dienen zum Zuführen ei nes Partikelstroms (Pulverstrom). Die Qualität des aufgebau ten Materials hängt aber maßgeblich von einer gleichmäßigen Förderung ab. Mit anderen Worten soll die Anlage möglichst einen möglichst gleichmäßigen Partikelstrahl erzeugen (sprit zen).

Beim Beschichten von Komponenten oder additiver Fertigung auf Komponenten durch Kaltgasspritzen führt die mangelnde Steuer- barkeit des Partikelstrahls bzw. mangelnde Dynamik der Para meter des Partikelstrahls zu Problemen, z. B. dass an einigen Orten zu viel Material abgeschieden wird, unter anderem dort, wo wegen kinematischer Begrenzungen die Spritzdüse langsamer bewegt werden muss als für die aktuelle Pulvertörderrate pas send wäre.

Es ist Aufgabe der Erfindung den Partikelstrahl einer Kalt gasspritzanlage während des laufenden Betriebs gezielt zu steuern, insbesondere kurzfristig zu deaktivieren.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kaltgasspritzanlage, wie sie in Anspruch 1 angegeben ist. Die Kaltgasspritzanlage zum Erzeugen eines einstellbaren Partikelstrahls weist dazu eine Düse auf, wobei im Betrieb der Kaltgasspritzanlage aus der Düse der Partikelstrahl austritt. Der Partikelstrahl umfasst dabei Partikel, die auf dem zu beschichtenden Substrat abge schieden werden sollen und ein Treibgas. Die Kaltgasspritzan lage weist weiterhin eine Zuführeinrichtung zum Zuführen ei nes Partikelstroms zur Düse auf. Der Partikelstrom ist dabei ein Strom aus Pulverpartikeln sein, der der Düse zur Verfü gung gestellt wird und in der Düse auf Überschallgeschwindig keit beschleunigt wird. Der Partikelstrom hat dementsprechend eine Geschwindigkeit deutlich unterhalb der Schallgeschwin digkeit. Der Partikelstrom ist als ein Partikel-Gas-Gemisch ausgebildet und es handelt sich dabei um eine Zweiphasenströ mung aus Fördergas mit festen Partikeln darin.

Die Kaltgasspritzanlage weist weiterhin ein oder mehrere Ak toren auf, wobei die Aktoren so ausgebildet sind, dass der Partikelstrom und/oder der Partikelstrahl im laufenden Be trieb zeitweise verringert werden kann. Insbesondere kann der Partikelstrom und/oder der Strahl auch kurzfristig unterbro chen werden. In anderen Worten können die Aktoren so ange steuert werden, dass aus der Düse zeitweise keine oder zumin dest nur wenige Partikel austreten. Dies kann vorteilhaft da zu genutzt werden, komplexe Strukturen mittels des Kalt gasspritzverfahrens zu erstellen. Weiterhin hat dies den gro- ßen Vorteil, dass Pulver, das nicht zum Aufbau einer Struktur verwendet wird, nicht im Leerlauf verbraucht wird, sondern der Partikelstrom nur unterbrochen wird und damit Pulver ge spart werden kann. Die zeitweise Unterbrechung bzw. Verringe rung weisen dabei eine maximale Dauer von wenigen Sekunden auf, z. B. so lange bis eine Leerstelle in einer dreidimensi onalen Struktur von der Düse passiert wurde. Vorzugsweise ist die Unterbrechung höchstens 1 Sekunde, insbesondere höchstens 0,5 Sekunden.

Erfindungsgemäß ist zumindest einer der Aktoren als ein Ven til ausgebildet. Das Ventil ist dabei zwischen der Zuführein richtung und der Düse angeordnet. Mit dem Ventil kann der Partikelstrom von der Zuführeinrichtung zur Düse kurzfristig unterbrochen oder verringert werden. Das Ventil kann dabei so ausgebildet sein, dass ein Fördergasstrom, also der Parti kelstrom mit seinem Fördergas, zurück in die Zuführeinrich tung geleitet wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Kaltgasspritzanlage ein System aufweist, bei dem die Zu führeinrichtung mit einem Fördergasstrom unter demselben Druck steht. Eine Steuereinrichtung, die den Fördergasstrom steuert, kann auf diese Art und Weise bestehen bleiben, da diese wegen des gleichen Gegendrucks erst verspätet mitbe kommt, dass das Ventil geschlossen ist und somit erst später gegenregelt bzw. gegensteuert. In diesem Fall sollte das Ven til regelmäßig geöffnet werden, damit der Druck in der Zu führeinrichtung, zum Beispiel dem Pulverförderer, nicht zu groß wird.

In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest einer der Ak toren der Zuführeinrichtung nachgeschaltet. Dies kann so rea lisiert werden, dass der Aktor so angeordnet ist, dass der Düse durch die Zuführeinrichtung kein Partikelstrom mehr zu geführt werden kann. Der Aktor hat vorzugsweise eine deutlich höhere Dynamik als die Zuführeinrichtung, deren Hauptaufgabe es ist, einen möglichst konstanten Partikelstrom zur Verfü gung zu stellen. Unter Ausnutzen der höheren Dynamik des Ak tors kann der Partikelstrom feingranularer eingestellt wer- den.

In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest einer der Ak toren als ein Ventil ausgebildet, das so angeordnet ist, dass der Partikelstrom zurück in die Zuführeinrichtung geleitet wird. Insbesondere wird der Partikelstrom mit seinem Förder gas zurück in die Zuführeinrichtung geleitet. Vorteilhaft ist es, wenn der Partikelstrom in einen unter Druck stehenden Pulverbehälter geführt wird. Das Ventil kann als ein Kugel ventil realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist, dass so bestehende Anlagen erweitert werden können.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgasspritzan lage zumindest einen Puffer zum temporären Puffern des Parti kelstroms auf. Der Puffer kann dabei so ausgestaltet sein, dass ein Partikelstrom bzw. der Fördergasstrom mit den Parti keln, wenn möglich unter Beibehaltung desselben Druckniveaus, gepuffert wird. Hierbei sind beispielsweise Ausdehnungsgefäße oder Druckausgleichsbehälter verwendbar.

In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest einer der Ak toren so ausgebildet, in einer ersten Stellung den Parti kelstrom der Düse zuzuführen und in einer zweiten Stellung den Partikelstrom in einen Puffer zu leiten. Es ist möglich, dass nicht nur zwei diskrete Stellungen existieren, sondern auch Zwischenstellungen, in denen zumindest Teile des Parti kelstroms in den Puffer geleitet werden. Dazu könnten ent sprechende Ventile vorgesehen sein. Der Vorteil an einer Lö sung mit einem entsprechenden Aktor und einem Puffer ist, dass sich so bestehende Anlagen nachrüsten lassen, da Drucksprünge durch den Puffer vermieden werden können.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgasspritzan lage eine Steuervorrichtung auf, die zum Einstellen einer Förderrate der Zuführeinrichtung in Abhängigkeit von zumin dest einem Zustand eines der Aktoren ausgebildet ist. Dies hat den großen Vorteil, dass der Aktor nicht den vollen Par tikelstrom handhaben muss, sondern zumindest eine Verringe- rung des Partikelstroms vorgesehen werden kann. Wenn die Zu führeinrichtung nun so eingestellt wird, dass die Stellvor gänge eine ausreichende Dynamik aufweisen, um einen möglichst kontinuierlichen Partikelstrahl zu gewährleisten, so kann in Kombination mit den Aktoren eine sehr hohe Dynamik der Parti kelmenge des Partikelstrahls erreicht werden.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgasspritzan lage zumindest eine Steuervorrichtung auf, die zum Einstellen einer Förderrate der Zuführeinrichtung in Abhängigkeit von zumindest einer Verfahrgeschwindigkeit der Düse ausgebildet ist. Die Fördergeschwindigkeit der Zuführeinrichtung ist da bei ein Maß für die Anzahl der Partikel, die die Förderein richtung pro Zeiteinheit fördert. Somit kann der Parti kelstrom direkt beeinflusst werden. Da dies aber in der Regel nicht dynamisch genug geschehen kann, um kurzfristige Verrin gerungen bzw. Unterbrechungen des Partikelstrahls zu reali sieren, kann zusätzlich die Verfahrgeschwindigkeit der Düse beeinflusst werden. Bei gleichbleibendem Partikelstrom und steigender Verfahrgeschwindigkeit sinkt die Anzahl der Parti kel, die an einem Ort auf dem Substrat abgeschieden werden. Wenn nun die Verfahrgeschwindigkeit gesteigert wird und die Förderrate gleichzeitig gesenkt wird, so kann ein Effekt er zielt werden, der einem kurzfristigen Verringern bzw. Unter brechen des Partikelstroms bzw. des Partikelstrahls nahe kommt. Besonders vorteilhaft kann die Steuereinrichtung so wohl die Förderrate in Abhängigkeit eines Zustands eines Ak tors sowie der Verfahrgeschwindigkeit der Düse ausgebildet sein.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgasspritzan lage Partikelleitungen auf, die als Puffer ausgebildet sind. Wenn nur kurzfristige Unterbrechungen des Partikelstroms vor gesehen sind, so können Partikelleitungen unverändert verwen det werden. Wenn längerfristige Unterbrechungen und damit einhergehende Pufferung von höheren Drücken vorgesehen sind, so können etwas stärker ausgestaltete Partikelleitungen ver- wendet werden. Bestehende Systeme können auf diese Weise ein fach und vorteilhaft erweitert werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest einer der Ak toren so ausgestaltet, dass eine Verfahrgeschwindigkeit der Düse abhängig von der zeitweisen Verringerung insbesondere Unterbrechung des Partikelstrahls und/oder des Partikelstroms einstellbar ist. So kann beispielsweise ein Roboterarm vorge sehen sein, der die Verfahrgeschwindigkeit der Düse dement sprechend einstellt. Insbesondere in Kombination mit weiteren Aktoren ist dies von großem Vorteil.

In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest einer der Ak toren als mechanisches Element ausgebildet, das den Partikel strahl nach Austritt aus der Düse blockiert und/oder umlenkt. Derartige mechanische Elemente können zum Beispiel als eine Art Blende, die geöffnet und geschlossen werden kann, ausge bildet sein. Ergänzend und/oder alternativ kann das mechani sche Element als ein trommel- bzw. zylinderförmiges Element ausgebildet sein, das Kanäle aufweist, die den Strahl durch lassen und Kanäle aufweist, die den Strahl zum Beispiel zur Seite hin wegleiten, ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass eine sehr hohe Dynamik erreicht werden kann und garan tiert werden kann, dass keinerlei Partikel auf das zu be schichtende Substrat treffen. Dies kann insbesondere bei be sonders empfindlichen Teilen des Substrats, die auf keinen Fall vom Partikelstrahl getroffen werden dürfen, von Vorteil sein.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Steuern einer Kaltgasspritzanlage gelöst, die gemäß einer erfindungs gemäßen Anlage wie vorstehend ausgebildet ist. Zum Betreiben der Kaltgasspritzanlage wird zumindest ein Aktor im laufenden Betrieb zum zumindest zeitweisen Verringern, insbesondere zum zumindest zeitweisen Unterbrechen des Partikelstroms und/oder des Partikelstrahls angesteuert. In einer weiteren Ausführungsform wird zumindest einer der Aktoren abhängig von einer Verfahrgeschwindigkeit der Düse angesteuert. Dies ermöglicht eine genaue Anpassung des Parti kelstrahls bzw. der Menge der auf dem Substrat ankommenden Partikel durch Anpassen der Verfahrgeschwindigkeit.

In einer weiteren Ausführungsform wird zumindest ein Aktor abhängig von einer Förderrate der Zuführeinrichtung angesteu ert. Dies hat den großen Vorteil, dass über die Förderrate auch gleichzeitig der Aktor angesteuert werden kann und somit der Förderratencontroller zum Ansteuern eines Aktors benutzt werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Förderrate der Zu führeinrichtung abhängig von einem Zustand von zumindest ei nem Aktor angesteuert. So ist beispielsweise vorstellbar, dass bei einem Versperren oder Drosseln des Weges des Parti kelstroms durch einen Aktor parallel die Förderrate der Zu führeinrichtung gedrosselt wird und diese dementsprechend be vor der Aktor wieder öffnet, wieder erhöht wird, sodass Drucksprünge im System vermieden werden können und eine mög lichst gleichmäßige Partikelförderung für einen möglichst gleichmäßigen Partikelstrahl zur Verfügung gestellt werden kann.

An dieser Stelle sei anzumerken, dass die verschiedenen Ver fahren untereinander kombinierbar sind und sich ergänzen kön nen. Auch die verschiedenen genannten Aktoren können unterei nander kombiniert werden, um so ein besonders dynamisches und gut steuerbares System zu erhalten, um Alternativen der An steuerung zu erhalten und/oder um Reserven beim Ansteuern der Kaltgasspritzanlage zu ermöglichen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen:

FIG 1 eine Kaltgasspritzanlage, FIG 2 eine weitere Kaltgasspritzanlage,

FIG 3 einen Aktor und

FIG 4 einen weiteren Aktor.

FIG 1 zeigt eine Kaltgasspritzanlage 100 mit einer Düse 110, aus der ein Partikelstrahl 50 austritt. Der Düse 110 wird über eine Gasleitung 12 aus einer Gasquelle 20 ein Treibgas unter Druck zugeführt. Weiterhin wird der Düse 110 über eine Partikelleitung 13A ein Partikelstrom 40 zugeführt. Eine Zu führeinrichtung 130 weist einen Partikelspeicher 131 auf und ist über eine Partikelleitung 13 mit einem Aktor 21 verbun den. Der Aktor 21 weist zwei Stellungen A und B auf. Der Ak tor 21 kann dabei beispielsweise als Ventil ausgebildet sein. In Stellung A wird der Partikelstrom 40 über die Partikellei tungen 13A unverändert zur Düse 110 geführt. In der Stellung B wird der Partikelstrom 40 über eine Partikelleitung 13B in einen Puffer 180 geleitet. In Stellung B wird also der Parti kelstrom 40 in Richtung der Düse 110 so verringert bzw. blo ckiert, dass der Partikelstrahl 50 eine geringere Anzahl oder keine Partikel mehr aufweist.

Beispielhaft weist die Kaltgasspritzanlage 100 eine Steuer vorrichtung CTRL auf. Die Steuervorrichtung CTRL ist dabei so ausgebildet und in die Anlage eingebunden, dass sie eine För derrate der Zuführreinrichtung 130 einstellen kann. Dies kann beispielsweise über eine Drehzahl eines Trommelförderers ge schehen. Weiterhin ist die Steuervorrichtung CTRL mit dem Ak tor 21 verbunden und kann den Aktor 21 ansteuern. Somit ist denkbar, dass die Steuervorrichtung CTRL den Aktor 21 oder die Zuführeinrichtung 130 getrennt voneinander ansteuert.

Dies kann in Fällen vorteilhaft sein, in denen nur eine ge ringfügige Anpassung des Partikelstrahls 50 notwendig ist. Weiterhin ist denkbar, dass die Steuervorrichtung CTRL den Aktor 21 und die Zuführeinrichtung 130 gemeinsam und aufei nander abgestimmt ansteuert.

Ergänzend können auch weitere Aktoren 22 und 23 vorgesehen werden, wie sie in den Figuren 2 und Figuren 3 gezeigt sind, diese können ebenso von der Steuervorrichtung CTRL angesteu ert werden.

FIG 2 zeigt eine Kaltgasspritzanlage 100 basierend auf der Ausführungsform aus FIG 1. Dabei wurde nach dem Puffer 180 eine weitere Partikelleitung 13C vorgesehen, die mit dem Par tikelspeicher 131 verbunden ist und somit das sich stauende Gas mit den ungenutzten Partikeln zurückführt. Da der Parti kelspeicher 131 auch unter Druck stehen kann, kann über die Partikelleitung 13C das dann unter annähernd demselben Druck stehende Fördergas mit den Partikeln in den Partikelspeicher 131 zurückgeführt werden. Der Puffer 180 kann auch entfallen und die Partikelleitung 13B und Partikelleitung 13C direkt miteinander verbunden werden. Dies ist bspw. bei ausreichen den Leitungslängen der Leitungen 13B und 13C und/oder gefor derten kurzen Unterbrechungszeiten der Fall. Die Leitungslän ge, ggf. in Verbindung mit dem Zusatzpuffer 180, bewirkt vor teilhaft bei hinreichend kurzen Unterbrechungsdauern, dass keine störenden Druckregelschwankungen im Pulverförderkreis- lauf angestoßen werden, mithin die Unterdrückung des Partike linjektion in die Düse vom Pulverfördersystem bzw. dessen Regler unbemerkt erfolgt.

FIG 3 zeigt einen Aktor 22, der in diesem Fall als eine Art Blende, zum Beispiel als ein rundes Blech mit ein oder mehre ren Aussparungen ausgestaltet ist. Durch Rotation mittels ei nes Drehantriebs 220 kann der Aktor 22 so verstellt werden, dass ein Partikelstrahl, der aus der Düse 110 austritt, nicht auf das Substrat trifft. Dabei ist zu erwähnen, dass die Zeichnung nur schematisch ist und die als mechanische Elemen te ausgebildeten Aktoren 22 auch deutlich kompakter reali siert werden können.

In FIG 4 ist ein ähnliches Konzept eines Aktors 23 zu sehen, der hier als Trommel ausgebildet ist und Umlenkkanäle 230 aufweist. Die Umlenkkanäle lenken den Partikelstrahl aus der Düse 110 aus dem Fokusbereich und haben somit ebenfalls den Effekt, dass der Partikelstrahl kurzzeitig unterbrochen wer- den kann. Als Alternative oder ergänzend zu den Umlenkkanälen 230 können in der Trommel bzw. in dem zylinderförmigen Aktor 23 auch Sacklöcher vorgesehen sein, die zum kurzfristigen Aufnehmen des Partikelstrahls und seiner Partikel ausgebildet sind.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Kaltgasspritzan lage (100) zum Erzeugen eines einstellbaren Partikelstrahls (50) und ein Verfahren zum Steuern einer solchen Kalt- gasspritzanlage (100). Um den Partikelstrahl (50) der Kalt gasspritzanlage (100) während des laufenden Betriebs gezielt zu steuern, insbesondere kurzfristig zu deaktivieren wird vorgeschlagen, dass die Kaltgasspritzanlage (100) eine Düse (110), aus der der Partikelstrahl (50) austritt, eine Zu- führeinrichtung (130) zum Zuführen eines Partikelstroms (40) zur Düse (110) und ein oder mehrere Aktoren (21, 22, 23) auf weist, die so ausgebildet sind, dass der Partikelstrom (40) und/oder der Partikelstrahl (50) im laufenden Betrieb zeit weise verringert, insbesondere zeitweise unterbrochen werden kann, wobei zumindest einer der Aktoren (21, 22, 23) als ein Ventil ausgebildet ist, das zwischen der Zuführeinrichtung (130) und der Düse (110) angeordnet ist.

BezugsZeichen :

Gasquelle 20

Gasleitung 12 Partikelleitungen 13, 13A, 13B, 13C Partikelström 40 Partikelstrahl 50 KaltgasSpritzanlage 100 Düse 110 Zuführeinrichtung 130 Partikelspeieher 131 Aktor 21, 22, 23 Antrieb 220 Umlenkkanal 230 Öffnung 240 erste Stellung A zweite Stellung B Puffer 180

Steuervorrichtung CTRL