DE102013017298A1

DE102013017298A1 - Verfahren zur Herstellung eines vollständig oder teilweise emaillierten Bauteils

Info

Publication number: DE102013017298A1
Application number: DE201310017298
Authority: DE
Inventors: Bernd Maryniak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2015-04-23
Also published as: US20160265118A1; WO2015055822A1; CN105793470A; JP6561050B2; KR102045431B1; JP2016540116A; KR20160113579A; EP3058117A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise emaillierten Bauteils soll mit besonders gering gehaltenem energetischen Aufwand und gering gehaltener Umweltbelastung eine besonders hohe Produktqualität ermöglichen. Dazu wird erfindungsgemäß ein ein Emailpulver tragender Trägerkörper induktiv erhitzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise emaillierten Bauteils.
Beim Emaillieren handelt es sich um einen technologisch vergleichsweise aufwändigen Prozess, der im Ergebnis einen hochbelastbaren, chemisch neutralen, korrosionsbeständigen, hoch isolierenden und hygienisch hochwertigen Verbundwerkstoff liefert. Es gibt viele Anwendungsfälle, in denen emaillierte Oberflächen besondere Vorteile aufweisen, auch im Hinblick auf eine Langzeitbeständigkeit.
Emaillierte Bauteile werden üblicherweise hergestellt, indem man auf einen geeignet gewählten Trägerkörper nach geeigneten Vorbehandlungen Emailschlicker oder Emailpulver aufbringt und bei Temperaturen im Bereich von etwa 800 bis 900 Grad einbrennt. Hierzu stehen eine Vielzahl von Verfahren zur Verfügung. Gegenwärtig erfolgt ein Emaillierprozess in der Regel dergestalt, dass nach einer Reinigung, Vortrocknung und optionaler Vorerwärmung des Trägerkörpers und anschließendem Substratauftrag (insbesondere von Silikaten) – alles teilweise in mehreren Stufen – auf die jeweilige üblicherweise metallische Oberfläche des Trägerkörpers – vorzugsweise Stahl bzw. Grauguß – durch Wärmestrahlung auf die so vorbereitete Oberfläche diese mit dem Substrat oder Emailpulver erwärmt wird, bis die Schmelztemperatur des Emailpulvers oder Emailschlickers erreicht ist, und das „aufgeschmolzene” Substrat oder Emailpulver bei ca. 820°C eine innige Verbindung mit dem Trägermaterial eingeht.
Zwar liefert ein derartiger Emaillierprozess im Ergebnis ein hochwertiges, vielseitig einsetzbares Produkt. Andererseits ist eine derartige Herstellung aber vergleichsweise einergieaufwändig und ressourcenintensiv. Insbesondere ist der Aufschmelz- und Einbrennprozess energetisch besonders aufwändig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise emaillierten Bauteils anzugeben, das mit besonders gering gehaltenem energetischen Aufwand und gering gehaltener Umweltbelastung eine besonders hohe Produktqualität ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein Emailpulver tragender Trägerkörper induktiv erhitzt wird.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine hohe Produktqualität sichergestellt werden kann, indem die grundsätzlichen für den Emaillierprozess erheblichen Parameter, insbesondere die lokalen Umwandlungstemperaturen beim „Aufschmelzen” des Emailpulvers oder Substratmaterials auf den Trägerkörper, zuverlässig eingehalten werden. Unter gezielter Einhaltung dieser Randbedingung kann der erforderliche Energiebedarf – und mit diesem auch die damit einhergehende Umweltbelastung und Inanspruchnahme von Ressourcen – besonders gering gehalten werden, indem in der Art einer Fokussierung die Energieapplizierung bei der Umwandlung oder dem Schmelzprozess auf einen lokalen Raumbereich begrenzt und eingeschränkt wird, in dem der angestrebte Umwandlungsprozess auch tatsächlich stattfinden soll. Unter gezielter Abkehr von den üblichen Verfahren, bei denen der das Emailpulver tragende Trägerkörper in einem Ofen global und damit in seinem vollen Volumen erhitzt und aufgeheizt wird, ist somit nunmehr eine lokal begrenzte, fokussierte Aufheizung eines begrenzten Raumbereichs des Trägerkörpers vorgesehen, auf den die vorgesehene Materialumwandlung begrenzt sein soll. Auf besonders einfache Weise ist dies erreichbar durch eine lokale Erhitzung des Trägerkörpers durch induktive Beheizung.
Die für den Emaillierprozess erforderliche Wärme wird somit nicht über ein Drittmedium auf die Substratoberfläche und dann durch diese an die Grenzfläche von Trägermaterial und Substrat aufgebracht. Stattdessen wird der relevante Raumbereich, insbesondere an der Grenze von Trägerkörper und Substrat oder Emailpulver, direkt und unmittelbar induktiv erhitzt. Beim Schichtbildungsprozess der Emaillierschicht (Einbrennen/Härten) führt dies dazu, dass diese direkt und wachsend vom Träger aus zur Oberfläche hin und nicht – wie in üblichen Verfahren – von der Oberfläche aus zum Trägerkörper hin aufgebaut wird.
Die Verbindung der durch den Emaillierprozess entstehenden Thermoglasur mit dem metallischen Trägermaterial wird dadurch deutlich verbessert, da sich die Energie- oder Wärmedeposition von innen heraus entwickelt. Das ergibt eine deutlich verbesserte Verankerung der Emaillierschicht am Trägerkörper und eine neue Emaillierqualität. Insbesondere wird hierdurch die Haftung des Substrates oder Emailliermaterials am Trägermaterial weiter verbessert, und ein Abplatzen, insbesondere an Ecken oder Kanten, wird weiter reduziert.
Zudem können während des Schichtbildungs- oder des diesem nachfolgenden Aushärteprozesses ggf. noch vorhandene Luft- oder sonstige Feuchtigkeits- oder anderweitige Einschlüsse von der Grenzfläche des Trägerkörpers nach außen hin entweichen, weil die Oberfläche während des Schichtbildungsprozesses noch „offen” ist. Mögliche Probleme durch unerwünschte blasenartige Luft- oder Gaseinschlüsse werden minimiert.
Mit einem zweiten und/oder dritten Substrat- oder Materialauftrag können gezielt Konturen aufgebracht und mit der unteren Substratlage verschmolzen werden. Das kann z. Bsp. gezielt für Werbeanzeigen genutzt werden. Für Schriftzüge auf der unteren Lage kann z. Bsp. andersfarbiges/andersartiges Substrat aufgespritzt (z. Bsp Siebdruck/Schablonen) und durch Nachführen eines entsprechend gestalteten Induktors sofort aufgeschmolzen und ausgehärtet werden (ggf. weiterer Induktor). Durch geschickte Variation und Kombination sind der Kreativität und Vielfalt keine Grenzen gesetzt.
Im Vorfeld des eigentlichen Einbrennprozesses kann die induktive Erwärmung mit dem gleichen Induktor (geringerer Leistungseintrag oder kürzere Einwirkzeit) auch zum Vortrocknen bzw. zur Vorerwärmung für einen Substratauftrag genutzt werden, wodurch insbesondere eine verbesserte Haftung erreicht werden kann. Auch kann zwischen den einzelnen Reinigungsstufen induktiv getrocknet werden.
Die induktive Erwärmung bewirkt auch in diesen dem Einbrennen eigentlich vorgeschalteten Stufen erhebliche Reduzierungen der notwendigen Prozesszeiten und Prozeßverbesserungen und damit auch eine Verringerung des apparativen und prozesstechnischen Aufwands.
Die für ggf. noch notwendige Öfen vorzusehenden eigentlichen Flächen und Räume werden – eine gute Isolation der „Kammern” vorausgesetzt – deutlich reduziert. Dank Induktion kann sehr örtlich und gezielt erwärmt werden. Eine großräumige Erwärmung, wie bisher zwangsweise erforderlich, mit vielen energetischen Verlusten kann so vermieden werden. Das ist energetisch günstig und umweltfreundlich.
Durch die induktive Erwärmung des Trägerkörpers erfolgt diese lokal auf einen Raumbereich des Trägerkörpers begrenzt, so dass durch entsprechende Ansteuerung der Positionierung des Energieeintrags eine selektive, objektspezifische Prozessführung ermöglicht wird. Neben anderen Varianten ist dabei auch in der Art eines „Scannens” ein sequentielles Überstreichen der Oberflächenregionen des Trägerkörpers möglich. Je nach Teilegröße und deren Form kann großflächig der Gesamtkörper oder aber dieser auch in Abschnitten gescannt und erwärmt werden. Dabei kommt insbesondere die Wärmeleitung im Metall zur Wirkung, die aber auf einen lokalisierten „Einbrennherd” nur wenig Einfluss ausübt und eher vorteilhaft als störend wirkt und so eher einer Art Vor- bzw. Grunderwärmung entspricht.
Generell sind auch der Induktorgestaltung und -auslegung kaum Grenzen gesetzt. Bei einer allseitigen Emaillierung von Plattenmaterial bzw. Gefäßen (z. Bsp. emaillierte Behälter/Speicher) sind durchaus Ringinduktoren vorstellbar bzw. vorteilhaft. Bei sehr großen Flächenelementen kann auch von einer Seite mit einem „Flächeninduktor” die zu behandelnde Fläche mittels HF gescannt und so erwärmt werden.
Für kleinere Werbeträger oder für Schmuck ist u. U. eine Ringspule oder ein formierter Ringinduktor (eckig/oval o. ä.) vorteilhaft. Optimierungen dazu können durch Versuche ermittelt werden.
Größe und Beschaffenheit der zu emaillierenden Teile bestimmen auch entscheidend die Frequenzwahl für die induktive Erwärmung (MF oder HF), wobei in vielen Anwendungen sicher eine HF-Wahl günstig sein sollte, da hierbei gezielt die Grenzfläche zum Substrat angesprochen/erwärmt wird (Skineffekt).
Auch ist eine MF-Gesamterwärmung und ein Einbrennen auf der Gesamtoberfläche im ersten Schritt vorstellbar, dem ein zweiter Schritt mit anderem Substrat und einer HF-Induktion zu gestalterischen Zwecken folgen kann.
Der Prozessablauf und die Emaillierqualität werden aus aktueller Sicht besonders geprägt und beeinflußt durch:

– Material des Trägers und dessen Beschaffenheit
– Qualität des Emailliermaterials (Substrat)
– Umfang und Qualität der Vorbehandlungsschritte
– Aufbau/Eignung des Gesamtequipments
– Wahl des passenden Umrichters (Leistung, Frequenz)
– Design des Induktors
– Verfahrensparameter Induktion:
– Kopplungsabstand
– Leistung (kann auch gestuft werden!)
– Einwirkzeit/Erwärmungszeit
– bei Scanprozess Bewegungsablauf des Induktors (Geschwindigkeit, Richtung, oszillierend Kurve)

Generell ist es möglich, ein Emailierprogramm – angepaßt an das Objekt und die spezifischen Anforderungen – in weiten Grenzen variabel zu fahren und jedem Objektpunkt bestimmte Verfahrensparameter zuzuordnen. Daraus ergibt sich eine Vielzahl gestalterischer Möglichkeiten. Als besonders vorteilhaft werden dabei insbesondere angesehen:

– Die Induktorgestaltung kann anwendungsbezogen vielschichtig und in breiten Variationen vorgesehen sein, beispielsweise rund, flach für Scannen, ein- und mehrwindig nach Objektgröße und Anwendung, mäanderförmiger Flächeninduktor (größere ”Angriffsfläche”); objektangepasst auch halbrund, oval oder rechteckig ausgeführt
– Hinsichtlich Prozessablauf und Emaillierqualität sind grundsätzlich alle Metalle günstig, besonders bevorzugt solche mit guter induktiver Ankopplung (Eisen, Stahl, Legierungen); Kupfer Alu, Edelmetalle (Kunst!), Gold, Silber, Platin.
– Die Qualität des Emailliermaterials sollte gewählt werden im Hinblick auf: Zusammensetzung, Chemie, Korngößen, Vorbehandlung
– Eine besonders bevorzugte Vorbehandlung des Trägermaterials umfasst: Reinigen, Waschen, Trocknen, chem. Vorbehandlung, Entfetten

Die energetischen Vorteile sind sehr gut nachvollziehbar und können meßtechnisch im konkreten Anwendungsfall zweifelsfrei erfasst werden. Daraus resultiert unmittelbar die Umweltfreundlichkeit, denn starke Ofenerwärmung – wie auch immer – bedeutet hoher CO2-Ausstoß.

Drei Zahlenwerte in Gegenüberstellung verdeutlichen klar den hier aufgezeigten energetischen Vorteil:

Erwärmungsart	Leistungsübertragung in W/cm²
Konvektion (Molekularbew., Mitnahme)	0,5
Strahlung (Ofen, Widerstandserw.)	8
Induktionserwärmung
(im Teil selbst, ohne Übertragungsmedium)	30000

Es ist gut vorstellbar, dass gezielt unter der Erkenntnis der besonderen Eigenschaften und Vorteile emaillierter Oberflächen eingesetzte Elemente z. Bsp. bei großflächigen Tunnelauskleidungen bei sinkenden Herstellungskosten eine enorme Belebung bewirken, aber auch bei der Fertigung vieler Behälter (Trinkwasser, Medizin usw.) wird der sich positiv darstellende Zeit- und Kostenfaktor absatzfördernd auswirken.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines vollständig oder teilweise emaillierten Bauteils, bei dem ein Emailpulver tragender Trägerkörper induktiv erhitzt wird.