DVS 2312-2011 Guidelines for thermal spraying of plastics.pdf

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1、DVS, Ausschuss fr Technik, Arbeitsgruppe Thermische Beschichtungsverfahren“Nachdruck und Kopie,auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des HerausgebersDVS DEUTSCHER VERBANDFR SCHWEISSEN UNDVERWANDTE VERFAHREN E.V.Bezug: DVS Media GmbH, Postfach 10 19 65, 40010 Dsseldorf, Telefon (02 11) 15 91- 0, Tel

2、efax (02 11) 15 91- 150Diese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahrener Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zur Beachtung empfohlen. Der Anwender muss jeweils prfen, wie weit der Inhalt auf seinen speziellen Fall anwendbar und o

3、b die ihm vorliegende Fassung noch gltig ist. Eine Haftung des DVS und derjenigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.Inhalt:1 Allgemeines2 Anwendungstechnische Ausfhrungen2.1 Herstellungstechniken und Aufbau der Faserverbundwerk-stoffe (FVK)2.2 Spritzgerechtes Konstruieren3

4、 Werkstoffbeschreibungen3.1 Dauergebrauchstemperaturen typischer Kunststoffe3.2 Spritzzusatzwerkstoffe4 Oberflchenanforderungen4.1 Oberflchenbeschaffenheit im Ausgangszustand4.2 Oberflchenvorbereitung4.3 Haftvermittelnde Zwischenschichten4.3.1 Gelcoat4.3.2 Thermisch gespritzte Zwischenschichten4.3.3

5、 Physikalisch, chemisch aufgetragene Zwischenschichten4.3.4 Beschichtungsgerechte Grundwerkstoffe5 Thermisches Spritzen 5.1 Spritzverfahren5.2 Prozessfhrung6 Nachbearbeitung6.1 Drehen6.2 Schleifen6.3 Hobeln, Frsen, Bohren und sonstige Bearbeitungs-verfahren7 Anwendungsbeispiele7.1 Typische Einsatzge

6、biete7.2 Entwicklungstrends8 Schrifttum1 AllgemeinesDieses Merkblatt gibt Hinweise zur Herstellung und Nachbearbei-tung thermisch gespritzter Schichten auf Bauteilen aus Kunst-stoffen.Aufgrund der im Allgemeinen sehr schlechten Wrmebestndig-keit von Kunststoffen und der relativ geringen Haftfestigke

7、it der Spritzschichten im Vergleich zu Schichten auf konventionellen metallischen Substraten sind die in DIN EN 13507, DIN EN ISO 14924, DIN EN 15520 und Merkblatt DVS 2301 sowie DVS 2311 angefhrten Bemerkungen auf den Bereich der Beschichtung vonKunststoffen auszuweiten und zu ergnzen.Dies umfasst

8、sowohl Angaben zur Herstellung bzw. zum Aufbau von Faserverbundwerkstoffen als auch zur zulssigen Temperatur-belastung gebruchlicher Matrixsysteme. Darber hinaus werden Hinweise auf Mglichkeiten zur Steigerung der Haftfestigkeit ther-misch gespritzter Schichten und zur Nachbearbeitung durch span-abh

9、ebende Verfahren gegeben.Aufgrund der Vielzahl kommerziell verfgbarer Kunststoffe und dem breiten Spektrum von Materialeigenschaften knnen in diesemMerkblatt nur die gebruchlichsten Polymerarten bercksichtigt werden. Zahlreiche Hinweise sind jedoch auch auf andere Kunst-stoffarten bertragbar. In ent

10、sprechenden Fllen sollte durch den Anwender eine detaillierte Einzelfallbetrachtung erfolgen.2 Anwendungstechnische AusfhrungenAufgrund der spezifischen Werkstoffeigenschaften von Kunst-stoffen sollte der Wrmeeintrag ins Bauteil deutlich niedriger ge-halten werden als bei Metallsubstraten. Darber hi

11、naus weisen Kunststoffe gegenber metallischen und keramischen Schicht-werkstoffen zumeist stark unterschiedliche thermische Ausdeh-nungskoeffizienten auf, was zu einem ungnstigen Eigenspan-nungszustand und Haftungsproblemen fhren kann. Dieser Aspektmuss bei der Werkstoffauswahl, beim Schichtaufbau u

12、nd der Tem-peraturfhrung besondere Beachtung finden. Negative Effekte knnen durch die Herstellung mehrlagiger Schichtsysteme bzw. gradierter Schichtstrukturen, hohe Brennervorschubgeschwindig-keiten und eine intensive Bauteilkhlung minimiert werden. Beim Beschichten von faserverstrkten Kunststoffen

13、ist weiterhin daraufzu achten, dass der Bearbeitungsprozess, einschlielich Vor- und Nachbehandlung nicht die Verbundstruktur (Faser-Matrix) schdigt. Die Bearbeitbarkeit hngt dabei wesentlich von der Matrix-zusammensetzung und dem Verstrkungsgrad ab. Aus diesem Grund sollten przise Informationen ber

14、das Substrat vorliegen und wenn mglich sollte bereits die Herstellung des Verbundwerk-stoffs auf die beschichtungsrelvanten Erfordernisse angepasst werden. 2.1 Herstellungstechniken und Aufbau der Faserverbund-werkstoffe (FVK)Typische Herstellungsverfahren, hufig verwendete Faser- und Matrixsysteme

15、sowie die Kurzbezeichnungen der Materialien sind in den nachfolgenden Tabellen 1 bis 4 zusammengefasst. Die Bilder 1 bis 3 zeigen Beispiele fr verschiedene Faserver-strkungsarten.Tabelle 1. Auswahl von Herstellverfahren fr FVK.Verfahren HalbzeugeInfusionsverfahrenResin Transfer Moulding(RTM)Fasergew

16、ebeGewebeFaserstrukturenAutoklaventechnikPrepreg (imprgniertes Fasergelege oder Gewebe)Presstechnik PrepregWickeltechnik Faser-RovingsLaminieren Gewebe, FlieseThermische Spritzschichten auf Bauteilen aus unverstrkten und faserverstrkten KunststoffenMrz 2015MerkblattDVS 2315Ersetzt Ausgabe Oktober 20

17、05B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 2 zu DVS 2315Tabelle 2. Typische Verstrkungsfasern fr FVK.Tabelle 3. Typische Matrixsysteme fr FVK.Tabelle 4. Kurzzeichen fr verstrkte Kunststoffe.Bild 2.

18、Querschliff von PEEK-Polymer mit 10% Kurzkohlefaserverstr-kung, 10% Grafit- und 10% PTFE-Zustzen.Bild 3. Querschliff von PEEK-Polymer mit 30% Kurzglasfaserverstrkung.Bild 1. Querschliff eines aus Kohlenstofffaser-Rovings hergestellten CFK-Laminates.Verstrkungsfasern HalbzeugeGlasRovingGewebeMattenKu

19、rzfaserKohlenstoffRovingGewebeMattenKurzfaserAramidRovingGewebeMatrixsysteme(Harze)Kurzzeichen / WerkstoffDuromereEP (Epoxid-Harz)UP (ungesttigtes Polyester-Harz)PF (Phenol-Formaldehyd)BMI (Bismaleinimide)PI (Polyimid)VE (Vinylester-Harz)ThermoplastePA (Polyamid)PC (Polycarbonat)PEEK (Polyetherether

20、keton)PEI (Polyetherimid)PESU (Polyethersulfon)PPS (Polyphenylensulfid)ElastomereSchaumstoffePolyurethanSilikonkautschukKurzzeichen WerkstoffAramid verstrkt mit Aramidfaser (Polyacrylamid, PTPA)BFK borfaserverstrkter KunststoffCFK kohlenstoffaserverstrkter KunststoffGFK glasfaserverstrkter Kunststof

21、fHF-CF verstrkt mit hochfesten Kohlenstoff-FasernHM-CF verstrkt mit Hochmodul-Kohlenstoff-Fasern100 mB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 3 zu DVS 23152.2 Spritzgerechtes KonstruierenHinweise fr

22、 das spritzgerechte Konstruieren sind der DIN EN 15520 zu entnehmen. Es ist darauf zu achten, dass tragende Bauteilquerschnitte mit zu beschichtenden Oberflchen trotz thermischem Energieeintrag eine ausreichende mechanische Stabilitt bieten.3 WerkstoffbeschreibungenPolymerwerkstoffe werden entsprech

23、end der DIN 7724 anhand des Temperaturverlaufes des Schubmoduls und des Zugverfor-mungsrests bei Raumtemperatur eingeteilt. Dabei werden das mechanische Verhalten im Gebrauchstemperaturbereich und der Schmelzbereich bercksichtigt.Die nachfolgend aufgefhrten Werkstoffe (Tabellen 5 bis 7) sind typisch

24、e Vertreter technisch relevanter Polymere und unterschei-den sich stark in ihren Dauergebrauchstemperaturen. Diese Temperatur (messbedingt gemittelt auf grere Bereiche des Bauteilvolumens) darf im Spritzprozess nicht berschritten wer-den. Trotz intensiver Bauteilkhlung kann es dennoch zu hohen lokal

25、en Temperaturspitzen kommen (Hot Spots“), beispielsweiseim Interfacebereich zwischen stark berhitzten, schmelzflssigen Spritzpartikeln und der Werkstckoberflche, was unter anderem auch auf die relativ schlechte Wrmeleitfhigkeit der Polymere zurckzufhren ist. Polymere, die eine kurzzeitige berhitzung

26、 ver-kraften bzw. in diesem Zusammenhang eine erhhte Schadens-toleranz aufweisen, sind daher besonders gut fr das Beschichtengeeignet. Dies gilt in der Regel fr thermoplastische Polymere, die lokal aufschmelzen und danach wieder erstarren. Kunststoffe die sich bei thermischer berlastung zersetzen, b

27、ieten an den entsprechenden Stellen keine ausreichende Haftung fr Spritz-schichten.3.1 Dauergebrauchstemperaturen typischer Kunststoffe Nachfolgend sind Richtwerte fr Dauergebrauchstemperaturen typischer Kunststoffe zusammengefasst. Fr genauere und ver-bindliche Informationen zum vorliegenden Kunsts

28、toff sind die Herstellerangaben heranzuziehen.Tabelle 5. Hochtemperatur-Thermoplaste (Dauergebrauchstemperatur 140oC).Tabelle 6. Technische Kunststoffe (Dauergebrauchstemperatur bis ca. 140oC).* DuromereTabelle 7. Standard-Kunststoffe (Dauergebrauchstemperatur bis ca. 90oC).3.2 Spritzzusatzwerkstoff

29、eFr das Beschichten von Kunststoffen sind Reinmetalle, Legie-rungen, Cermets, Keramiken und Materialmischungen geeignet. Eine bersicht ber pulverfrmige Zustze liefert die DIN EN 1274Thermisches Spritzen Pulver Zusammensetzung, technischeLieferbedingungen“. Darber hinaus finden sich in der DIN EN ISO

30、14919 Informationen zu drahtfrmigen Zustzen, Stben und Schnren. In seltenen Fllen werden auch thermoplastische Kunst-stoffe aufgebracht, beispielsweise als Haftvermittler oder als Repa-raturauftrag (unverstrkt oder kurzfaserverstrkt). Hinweise zum Kunststoffflammspritzen finden sich im Merkblatt DVS

31、 2312.4 Oberflchenanforderungen4.1 Oberflchenbeschaffenheit im AusgangszustandKunststoffe weisen in Abhngigkeit vom Herstellverfahren stark unterschiedliche Oberflchen auf, welche nur in wenigen Fllen ohne Vorbehandlung mittels thermischem Spritzen beschichtet werden knnen. Die Oberflchen knnen beis

32、pielsweise mit nicht erkennbaren Trennmittelresten oder anderen Hilfsstoffen behaf-tet sein. Daher sollte im Zweifelsfall immer Rcksprache mit dem Hersteller des Produkts erfolgen. Bei FVK sollte grundstzlich Rcksprache mit dem Hersteller gehalten werden, da eine falscheVorbehandlung zu irreparablen

33、 Schden am Werkstoff fhren kann. Fr eine verlssliche Oberflchenbewertung sollten die spe-zifischen Werkstoffkennwerte vorliegen.Kurzzeichen WerkstoffDauergebrauchs-temperatur in oCPBI Polybismaleinimid 190PEK Polyetherketon 300PEEK Polyetheretherketon 260PTFE Polytetrafluorethylen 280PPS Polyphenyle

34、nsulfid 210PAI Polyamidimid 260PESU Polyethersulfon 200PI Polyimide 260PVDF Polyvinylidenfluorid 180PEI Polyetherimid 170PSU Polysulfon 160Kurzzeichen WerkstoffDauergebrauchs-temperatur in oCPC Polycarbonat 135EP* Epoxid-Harz 130UP*ungesttigtes Polyester Harz140PF* Phenol-Formaldehyd 140 SI* Silikon

35、-Kunststoff 180PA 66 Polyamid 120PA 11 Polyamid 120POM Polyoxymethylen 120PA 6 Polyamid 110PET Polyethylenterephthalat 110PE Polyethylen 100PBT Polybutylenterephthalat 125VE* Vinylester-Harz 120PUR Polyurethan 100Kurzzeichen WerkstoffDauergebrauchs-temperatur in oCABS Acrylnitril-Butadien- Kunststof

36、f85AN Styrol-Acrylnitril- Kunststoff85DPE Polyethylen niedriger Dichte80HDPE Polyethylen mit hoher Dichte75PS Polystyrol 70PVC Polyvinylchlorid 60B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 4 zu DVS 23

37、154.2 OberflchenvorbereitungZur Oberflchenvorbehandlung sind die im Merkblatt DVS 2311 genannten Verfahren und Strategien geeignet. Im Gegensatz zur Strahlbehandlung von Metallbauteilen sollte bei polymeren Grund-werkstoffen mit weniger aggressiven Strahlparametern, insbe-sondere mit geringen Strahl

38、drcken gearbeitet werden. Wie in Bild 4 exemplarisch zu erkennen ist, wird selbst bei Hochleis-tungspolymeren mit hoher Festigkeit bereits bei 2 bar Strahldruck eine ausreichend geeignete Aufrauung realisiert. Um Einschlssevon Partikeln in der Oberflche zu vermeiden, kann, je nach Werkstoffe und Str

39、ahlgut, ein Strahlwinkel bis zu 45 vorteilhaft sein. In einigen Fllen kann durch das Aufbringen von Zwischen-schichten die Haftung der Spritzschicht verbessert werden. Ent-sprechende Mglichkeiten werden nachfolgend beschrieben.Bild 4. 3D-profilometrische Aufnahme von PEEK-Polymer nach Strahl-behandl

40、ung mit Korund bei 2 bar Strahldruck, 45 Strahlwinkel, 200 mm Strahlabstand und 3 s Strahldauer.4.3 Haftvermittelnde ZwischenschichtenHaftvermittelnde Zwischenschichten ermglichen der thermisch gespritzten Deckschicht eine bessere Anbindung. Thermoplasti-sche Pufferschichten erlauben das Eindringen

41、heier Spritzpartikelin die Oberflche und somit eine formschlssige Verbindung. Zahlreiche, vorrangig wenig duktile Polymere (keine Elastomere) auf FVK ermglichen einen Raustrahlprozess und damit eine ge-wnschte Oberflchenvergrerung und -aktivierung. Zustzlich kann ber die Art bzw. den Aufbau der Zwis

42、chenschicht versucht werden, einen gnstigen Eigenspannungszustand herbeizufhren(kontinuierlicher bergang der Werkstoffeigenschaften). Empfind-liche Kunststoffsubstrate, insbesondere FVK werden durch Zwi-schenschichten (Gelcoat) gegen berkritische Beanspruchung beim Raustrahlen und thermischen Spritz

43、en geschtzt. Gelcoats lassen sich in vielen Fllen bereits bei der FVK-Herstellung reali-sieren. Fr das nachtrgliche Auftragen von Zwischenschichten knnen verschiedene Techniken genutzt werden, beispielsweise Tauchen, Pinseln, Sprhen, thermisches Spritzen, Aufdampfen, chemische Abscheidung, elektroly

44、tische Verfahren. Als Zwischen-schichtmaterialien eignen sich Metalle, Kunststoffe und Metall-Kunststoffmischungen.4.3.1 GelcoatJe nach Herstellungsverfahren des FVK werden Gelcoats als erste Lage (beispielsweise beim Laminieren) oder als letzte Lage auf das idealerweise noch nicht vollstndig ausgeh

45、rtete Bauteil aufgebracht. Diese unverstrkten, in seltenen Fllen auch mit Metall- bzw. Keramikpulver oder Kurzfasern verstrkten Kunst-stoffschichten weisen blicherweise eine Dicke zwischen 100 und300 m auf. Bei berma werden die geforderten Toleranzen durchmechanische Nachbehandlung eingestellt. Die

46、Schicht schtzt die Oberflche des Kunststoffgrundkrpers, insbesondere bei der Strahlvorbehandlung. Zudem verbessern sie je nach Werk-stoff die Wrmeleitfhigkeit, was zu einer geringeren Temperatur-empfindlichkeit des Substrates fhrt. Typische Gelcoats basieren auf Duromeren oder Thermoplasten. Gelcoat

47、-Polymere und Sub-stratkunststoff mssen chemisch vertrglich sein. Die aufgetra-genen Polymersysteme lassen sich mit bis zu ca. 40 Vol-% Spritzpulver, das auf das Material der thermischen Spritzschicht abgestimmt ist, anreichern, z. B. mit NiCr 80/20, Al oder Keramik. Dadurch kann bei metallischen We

48、rkstoffen eine teilweise Diffu-sionsanbindung des Spritzgutes bzw. ein verbesserter Eigen-spannungszustand des Verbundbauteils erreicht werden. Fr be-stimmte Belastungen, z. B. stark auf Druck bzw. auf Schub bean-spruchte Oberflchen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, feine Drhte bzw. Drahtgewebe

49、 (0,1 bis 0,35 mm Dicke) auf die Bauteil-oberflchen zu laminieren (siehe Abschnitt 4.3.4). Beispiele fr unterschiedliche Gelcoats sind in den Bildern 5 und 6 dargestellt.Bild 5. Querschliff eines metallpartikelverstrkten Gelcoats auf CFK-Grundmaterial mit drahtlichtbogengespritzter Decklage aus Eisenbasislegierung.Bild 6. Querschliff eines mehrlagigen Gelcoats mit Metall- und Kera