DE102011018704A1 - Apparatus and method for coating rotating surfaces - Google Patents
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Abstract
Das Beschichten von Oberflächen mit Freistrahlen ist mit Overspray verbunden und benötigt eine komplexe Bewegung mehrerer Einzeldüsen. Um die Beschichtung einfacher durchzuführen, werden die Beschichtungsdüsen auf einem gemeinsamen Träger angeordnet, mit einer am Rand umlaufenden Absaugung umgeben. Auf dem Träger installierte Wärmequellen gleichen den beim Beschichtungsprozess auftretende Wärmeverlust aus. Die in verschiedenen Ausführungen und Abwandlungen vorgestellte Erfindung eignet sich besonders zum Beschichten von flachen, rotierenden Objekten durch ein partikelbeladenes atmosphärisches Plasma.Coating surfaces with free jets is associated with overspray and requires a complex movement of several individual nozzles. In order to carry out the coating more easily, the coating nozzles are arranged on a common carrier, surrounded by a suction device running around the edge. Heat sources installed on the carrier compensate for the heat loss that occurs during the coating process. The invention presented in various designs and modifications is particularly suitable for coating flat, rotating objects with a particle-laden atmospheric plasma.
Description
Vorrichtung und Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, bei denen ein partikelbeladener Plasma-Gasstrom auf ein rotierendes Substrat trifft und der vom Substrat abgelenkte Gasstrom in Absaugungen gelangt.Apparatus and method for coating surfaces in which a particle-laden plasma gas stream strikes a rotating substrate and the gas stream deflected from the substrate passes into suction devices.
Nach dem Stand der Technik wird das Beschichten von Substraten wird in vielen Anwendungen durchgeführt. Die Substrate sind dabei oft rund und im Wesentlichen flach oder mit im Verhältnis zur den ebenen Abmaßen mit geringem Höhenprofil ausgebildet. Die dabei hergestellten oder veredelten Produkte sind vielfältig, wie die folgende beispielhafte aber sich nicht darauf beschränkende Aufzählung zeigt: CDs, DVDs, optische Gläser, optische Reflektoren, medizinische Implantate, Wafer, Teller, Kühlkörper oder auch Leistungshalbleiter.According to the state of the art, the coating of substrates is carried out in many applications. The substrates are often round and substantially flat or formed in relation to the flat dimensions with a low height profile. The products produced or refined there are many, as the following example but not limiting list: CDs, DVDs, optical glasses, optical reflectors, medical implants, wafers, plates, heat sink or power semiconductors.
Die Oberflächen werden zur Herstellung dicker Schichten lackiert oder zum Erzielen geringerer Schichtstärken gedruckt, für extrem dünne Schichten bedampft oder in Vakuumverfahren aus dem Plasma oder der Gasphase auf der Oberfläche abgeschieden. Der Vorteil des Plasma-Beschichtungsverfahrens im Vakuum ist die Herstellung von Materialkombinationen in dünnen Schichten, die mit Bedampfen, Drucken oder Lackieren oder anderen äquivalenten Verfahren nicht hergestellt werden können.The surfaces are painted to produce thicker layers or printed to achieve lower layer thicknesses, vapor deposited for extremely thin layers or deposited on the surface in vacuum processes from the plasma or gas phase. The advantage of the plasma coating process in vacuum is the production of material combinations in thin layers which can not be produced by vapor deposition, printing or painting or other equivalent processes.
Für den Übergangsbereich ist generell das Beschichten mit atmosphärischem Plasma entwickelt worden. Dabei wird in einem Gasstrom durch elektrische Entladungen ein Plasma-Zustand erzeugt, dem Partikel beigemischt und dadurch angeregt werden. Der so beigemischte Partikelmassenstrom ist konstant eingestellt und kann im Sinne einer Regelbarkeit lediglich ausgeschaltet werden. Ein Zuschalten ist nur mit Unterbrechung möglich, da das Plasma nur nach einer endlichen Zeit wieder gezündet werden kann.For the transition region, coating with atmospheric plasma has generally been developed. In this case, a plasma state is generated in a gas stream by electrical discharges, the particles are admixed and thereby excited. The particulate mass flow thus mixed is set constant and can only be switched off in the sense of controllability. A connection is only possible with interruption, since the plasma can be ignited only after a finite time.
Der partikelbeladene Plasma-Gasstrom tritt durch eine Düse aus, und strömt als Prallströmung gegen die zu beschichtende Oberfläche. Die in dem Plasma-Gasstrom fein verteilten Partikel aus Metall, Keramik oder anderen Stoffen sind so hoch angeregt, dass ein Anhaften auf Oberflächen wie beim Plasma-Beschichtungsverfahren im Vakuum möglich ist, wobei Schichtstärken wie beim Bedampfen, Drucken, Lackieren oder bei galvanischen Überzügen erreicht werden.The particle-laden plasma gas stream exits through a nozzle and flows as an impact flow against the surface to be coated. The finely divided in the plasma gas stream of particles of metal, ceramics or other materials are so highly excited that adhesion to surfaces as in the plasma coating process in a vacuum is possible, with layer thicknesses such as vapor deposition, printing, painting or galvanic coatings achieved become.
Die zur Beschichtung verwendeten Düsen für den partikelbeladenen atmosphärischen Plasma-Gasstrom sind im Verhältnis Düsenquerfläche zur Beschichtungsfläche des Substrats sehr klein. Eine Relativbewegung der Düse zur Oberfläche wird daher eingesetzt, um die Oberfläche zum Beispiel zeilenförmig zu überstreichen. Bei einfachen, rechteckigen Oberflächen ist dieses Verfahren einfach und auch mit mehreren Düsen effizient gelöst.The particle-laden atmospheric plasma gas stream nozzles used for the coating are very small in the ratio of the nozzle transverse area to the coating surface of the substrate. A relative movement of the nozzle to the surface is therefore used to sweep the surface, for example, in a line. For simple, rectangular surfaces, this process is simple and efficiently solved even with multiple nozzles.
Der partikelbeladene atmosphärische Plasma-Gasstrom weist in den Anwendungen eine Austrittstemperatur aus der Plasma-Düse von 50°C bis 100°C auf. Damit ist das Verfahren geeignet, wärmeempfindliche Substrate wie Kunststoff-Folien besonders schonend zu beschichten.The particle-laden atmospheric plasma gas stream has an exit temperature from the plasma nozzle of 50 ° C to 100 ° C in the applications. Thus, the method is suitable to coat heat-sensitive substrates such as plastic films very gently.
Die Nachteile des Standes der Technik sind erheblich. Die im Plasma-Gasstrom enthaltenen Partikel lagern sich nicht vollständig an der Oberfläche ab, sondern werden als Overspray mit dem abströmenden Gasstrom aus der Beschichtungszone hinausgetragen. Dies führt zu Verschmutzungen der umliegenden Maschinenbauteile und in der Regel zu häufigen Reinigungsintervallen, in der Folge zur Minderung der Produktivität und damit zur Erhöhung der Produktionskosten.The disadvantages of the prior art are significant. The particles contained in the plasma gas stream are not completely deposited on the surface, but are carried out as overspray with the outflowing gas stream from the coating zone. This leads to contamination of the surrounding machine components and usually to frequent cleaning intervals, as a result, to reduce productivity and thus to increase production costs.
Die Beschichtung von runden Substraten ist bislang unzufriedenstellend gelöst, da beim zeilenweisen Abfahren jede Zeile in ihrer Länge einzeln gestellt werden muss, um den Nachteil eines zeitintensiven Überfahrens der außerhalb der Substratoberfläche liegenden Bereiche und dem damit verbundenen Overspray zu vermeiden.The coating of round substrates has so far been unsatisfactorily resolved, since in line-by-line scanning each line has to be individually adjusted in length in order to avoid the disadvantage of a time-consuming overrun of the regions outside the substrate surface and the associated overspray.
Die Beschichtungszeit für große Oberflächen wird durch den Einsatz von mehreren Düsen reduziert, wodurch der Ansteuerungsaufwand steigt und/oder ein unproduktives Überstreichen von außerhalb liegenden Flächen akzeptiert wird. Die Anschaffung komplexer Ansteuerungssyteme oder das Akzeptieren von verlängerten Beschichtungszeiten verteuert beides die Produktionskosten.The coating time for large surfaces is reduced by the use of multiple nozzles, which increases the driving effort and / or an unproductive sweeping over outside surfaces is accepted. The acquisition of complex control systems or the acceptance of extended coating times more expensive both the production costs.
Ein mit der Beschichtung verbundenes Problem ist das Behandeln heißer Substrate. Das gleichmäßige schnelle Erwärmen ist dabei eine Vorbedingung für eine kurze Taktzeit im Produktionsprozess. Die erforderliche Erwärmung ist daher ein Teil der Beschichtungsaufgabe.A problem associated with the coating is the treatment of hot substrates. The uniform rapid heating is a prerequisite for a short cycle time in the production process. The required heating is therefore part of the coating task.
Das Behandeln heißer Substrate mit einem atmosphärischen Plasma-Gasstrom führt zu einem konvektiven Abkühlen, ähnlich dem konvektiven Aufheizen bei kalten Substraten. In beiden Fällen ist eine Temperierung des Substrats möglich, die zur Homogenisierung flächig ausgeführt sind. Die bei heißen Substraten von der kalten Plasma-Düse bewirkte starke lokale Abkühlung kann so nur unzufriedenstellend ausgeglichen werden und führt zu Materialspannungen, die je nach Werkstoff des Substrats (Glas, Keramik oder andere) dessen Zerstörung als Folge hat. Zu dem Verlust durch Ausschuss kommt ein zusätzlicher Verlust durch Produktionsausfall zur Behebung der Störung hinzu. Treating hot substrates with an atmospheric plasma gas stream results in convective cooling, similar to convective heating on cold substrates. In both cases, a temperature of the substrate is possible, which are carried out flat for homogenization. The strong local cooling caused by the cold plasma nozzle in the case of hot substrates can only be compensated unsatisfactorily and leads to material stresses which, depending on the material of the substrate (glass, ceramic or other), result in its destruction. In addition to the loss due to waste, there is an additional loss due to loss of production to remedy the fault.
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, die Beschichtung von runden Substraten mit partikelbeladenem atmosphärischem Plasma-Gasstrom zu verbessern, mit dem Schwerpunkt, den Overspray zu vermeiden. Damit verbunden haben sie sich die Aufgabe gestellt, solchermaßen optimierte Düsen ohne komplexe Ansteuerung als eine Gruppe in minimaler Zeit über das Substrat zu führen.The inventors have set themselves the task of improving the coating of round substrates with particle-laden atmospheric plasma gas stream, with the focus on avoiding the overspray. Associated with this they have set themselves the task of guiding nozzles optimized in this way without complex activation as a group over the substrate in minimal time.
Zugleich haben sie sich die Aufgabe gestellt, die Behandlung heißer temperaturempfindlicher Produkte mit einem kalten Plasma-Gasstrom zu ermöglichen, ohne gleichzeitig eine unzulässige Abkühlung zu erzeugen. Letztere Teilaufgabe kommt allerdings seltener vor und ist zugleich in einer Form gelöst, die nicht nur auf das Beschichten, sondern allgemein auf atmosphärisches Plasma angewandt werden kann.At the same time, they have set themselves the task of enabling the treatment of hot temperature-sensitive products with a cold plasma gas stream, without at the same time generating an unacceptable cooling. However, the latter sub-task is less common and at the same time solved in a form that can be applied not only to coating but generally to atmospheric plasma.
Die Lösung der Aufgabe ist zum Teil überraschend einfach. Um den Overspray zu minimieren, ist die Strömungsführung durch spezielle Absaugstellen optimiert. Hierzu werden zwei Ausführungsformen vorgestellt. Um die Beschichtungszeit zu verkürzen sind mehrere Düsen auf einem gemeinsamen Träger im Einsatz. Der Träger wird so über das rotierende Substrat bewegt, dass alle Düsen ohne Reduktion ständig die Beschichtung mit Nenndurchsatz vornehmen. Damit ist die geringste mögliche Beschichtungszeit bei bezüglich Auftragsmenge und Geometrie gegebenen Düsen erreichbar. In einer weiterentwickelten Ausführungsform wird gleichzeitig mit allen Düsen beschichtet, wobei der Bereich im Zentrum von nur einer Düse beschichtet wird.The solution to the problem is sometimes surprisingly simple. In order to minimize the overspray, the flow guidance is optimized by special extraction points. For this purpose, two embodiments are presented. To shorten the coating time, several nozzles are used on a common carrier. The carrier is moved over the rotating substrate so that all nozzles without reduction constantly make the coating with nominal throughput. This achieves the lowest possible coating time with nozzles given in terms of application quantity and geometry. In a further developed embodiment, it is coated simultaneously with all the nozzles, with the area in the center being coated by only one nozzle.
Zur Verkürzung der Taktzeit in der Produktion ist die Vorwärmung für heiße Substrate in die Aufgabenstellung integriert worden, und mit einem speziellen Wärmestrahler in einem vorgelagerten Vorheiz- oder Erwärmungsprozess gelöst. Die während der Beschichtung durch den Plasma-Gasstrom abgekühlten Stellen werden mit Wärmestrahlern erwärmt. Das gleicht den konvektiven Energieverlust aus.To shorten the cycle time in production, the preheating for hot substrates has been integrated into the task, and solved with a special heat radiator in an upstream preheating or heating process. The cooled during the coating by the plasma gas stream locations are heated with heat radiators. This compensates for the convective loss of energy.
Die Lösung ist daher, dass der Plasma-Gasstrom als atmosphärischer Plasma-Gasstrom aus mehreren auf einem gemeinsamen Träger angeordneten Düsen austritt, der abgelenkte Gasstrom lokal an jeder Düse und gemeinsam am Rand des Trägers abgesaugt wird, und der Träger sich in einem konstanten Abstand zum Substrat kontrolliert über dessen gesamte Oberfläche bewegt. Zudem heizen Wärmestrahlungsquellen auf dem Träger das Substrat auf. Weiterhin wird die Plasma-Gasströmung durch eine eingeleitete Sekundärgasströmung behindert und stärker in die Absaugungen umgelenkt.The solution is therefore that the plasma gas stream exits as an atmospheric plasma gas stream from a plurality of arranged on a common carrier nozzles, the deflected gas stream is sucked locally at each nozzle and together at the edge of the carrier, and the carrier at a constant distance to Substrate controlled over its entire surface moves. In addition, heat radiation sources on the support heat the substrate. Furthermore, the plasma gas flow is hindered by an introduced secondary gas flow and deflected more strongly into the suction.
Substrat und Plasma-Gasstrom bewegen sich bei der Beschichtung relativ zueinander. Die offenbarte Erfindung ist auch für andere einzelne oder aufgeteilte Beschichtungsmassenströme anwendbar, wie Fluide über einen weiten Dichte und Viskositätsbereich sowie mit oder ohne dispergierten festen oder flüssigen Partikeln.Substrate and plasma gas flow move in the coating relative to each other. The disclosed invention is also applicable to other single or divided coating mass flows, such as wide density and viscosity range fluids, with or without dispersed solid or liquid particles.
Die Erfindung bietet vielfältige Vorteile.The invention offers many advantages.
Die direkte Absaugung des an jeder Plasma-Düse austretenden partikelbeladenen atmosphärischen Plasma-Gasstroms oder Freistrahls führt direkt zu einer starken Verringerung der Ausbreitung der partikelbeladenen Abströmung, und damit direkt zum reduzierten Overspray. Dieser Effekt wurde auch für eine alternative Strömungsführung gefunden, bei der der austretende partikelbeladene atmosphärische Plasma-Gasstrom oder Freistrahl von einem Spülgas umgeben wird, und der am Rand des Trägers abgesogen wird.The direct extraction of the particle-laden atmospheric plasma gas stream or free jet emerging at each plasma nozzle directly leads to a strong reduction in the spread of the particle-laden effluent, and thus directly to the reduced overspray. This effect has also been found for an alternative flow guide in which the exiting particle-laden atmospheric plasma gas stream or free jet is surrounded by a purge gas, and which is sucked off at the edge of the carrier.
Die Anordnung mehrer Düsen auf einem gemeinsamen Träger ist in mehrfacher weise vorteilhaft. Zum Ersten und am Offensichtlichsten ist nur noch ein Element statt vieler Einzeldüsen zu bewegen. Zum Zweiten ist durch geeignete Kombination von Düsenzahl, Anordnung und Partikelmassenstrom je Düse eine gezielte und vollständige Beschichtung in einem Arbeitsgang ermöglicht, ohne dass beschichtende Düsen Bereiche außerhalb der zu beschichtenden Fläche überstreichen. Zum Dritten führt die gemeinsame Anordnung zu einer Überlagerung der Abströmungen der einzelnen Düsen und Konzentration der Quellen des schädlichen Oversprays. Zum Vierten erweist sich eine um den Träger umlaufende Absaugung angeordnet, durch die mehr Gas abgesogen wird, als unterhalb des Trägers durch Düsen zuströmt, auch zur Reinhaltung des Arbeitsraums der Beschichtungsanlage als sehr nützlich.The arrangement of multiple nozzles on a common carrier is advantageous in many ways. For the first and most obvious, only one element needs to be moved instead of many individual nozzles. Secondly, by a suitable combination of nozzle number, arrangement and particle mass flow per nozzle, a targeted and complete coating in a single operation is made possible without coating nozzles covering areas outside the area to be coated. Third, the common arrangement leads to a superposition of the outflows of the individual nozzles and concentration of the sources of harmful overspray. Fourth, a circulating around the wearer suction proves to be more Gas is sucked as flows below the carrier through nozzles, also to keep the working space of the coating system is very useful.
In der Konsequenz wird aus dem restlichen Beschichtungsraum Gas unter den Träger gesogen und in die umlaufende Absaugung gelenkt. Daher werden die Abströmungen der einzelnen Düsen sicher erfasst und können nicht mehr als Overspray seitlich aus dem Träger herausströmen. Eine geeignete Kontur am Rand des zu beschichtenden Substrats unterstützt diesen Effekt.As a consequence, gas is sucked under the carrier from the remaining coating space and directed into the circulating suction. Therefore, the outflows of the individual nozzles are reliably detected and can no longer flow laterally out of the carrier as an overspray. A suitable contour on the edge of the substrate to be coated supports this effect.
Das Hauptproblem bei allen Beschichtungsvorgängen ist die homogene Schichtdicke. Diese ist durch diese Lösung ohne Overspray und zugleich in kürzester Zeit gewährleistet. Eine minimale Beschichtungsdauer ist durch den kontinuierlichen Einsatz aller Düsen auf dem Träger gegeben.The main problem with all coating processes is the homogeneous layer thickness. This is guaranteed by this solution without overspray and at the same time in no time. A minimum coating time is given by the continuous use of all nozzles on the carrier.
Ein weiterer positiver Effekt des gemeinsamen Trägers ist die Möglichkeit, IR-LEDs als Wärmestrahler einzusetzen. Diese gleichen den lokalen Wärmeverlust des Substrats durch die konvektive Kühlung des Plasmastrahls durch eine ebenso lokale Strahlungserwärmung aus.Another positive effect of the common carrier is the ability to use IR LEDs as heat radiators. These compensate for the local heat loss of the substrate by the convective cooling of the plasma jet by an equally local radiation heating.
Die grundlegende Vorwärmung von heißen Substraten, deren Temperatur im nachfolgenden Beschichtungsprozess ein wesentlicher Faktor ist, wird mit einem einfachen Linienstrahler in kostengünstiger und überraschend einfacher Bauform gelöst. Besonders vorteilhaft ist die gleichartige Auslegung der Heizflächen über dem Produkt.The basic preheating of hot substrates whose temperature is an essential factor in the subsequent coating process is achieved with a simple line source in a cost-effective and surprisingly simple design. Particularly advantageous is the similar design of the heating surfaces over the product.
Die Beschichtung der Mitten rotierender Substrate ist problematisch, auch wenn mehrere Elemente auf einem Träger eingesetzt werden. Eine weiterentwickelte Lösung ist daher die Beschichtung der Mitte mit einer kreisenden Düse, während alle anderen Düsen den Außenbereich beschichten. Durch diese einfache Lösung sind weiterhin alle Düsen kontinuierlich am Beschichten, und das Ziel der minimierten Beschichtungszeit wird mit einem äquivalenten Mittel erreicht.The coating of the centers of rotating substrates is problematic, even if several elements are used on a support. An advanced solution is therefore the coating of the center with a circular nozzle, while all other nozzles coat the outside area. By this simple solution, furthermore, all the nozzles are continuously coated, and the goal of the minimized coating time is achieved by an equivalent means.
Durch die Summe der Effekte verringert sich die Beschichtungsdauer zu alternativen Verfahren nach dem Stand der Technik signifikant. Wartezeiten durch Nacherhitzen fallen weg, sodass in Summe die Produktivität durch diese Maßnahmen deutlich angehoben wird.The sum of the effects significantly reduces the coating time to alternative prior art methods. Waiting times through reheating are eliminated, so that in total productivity is significantly increased by these measures.
Die Erfindung wird anhand von Figuren und Beschreibungen von Ausführungsbeispielen erläutert.The invention will be explained with reference to figures and descriptions of exemplary embodiments.
Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments
Weiterhin sind eine oder mehrere Zuluftöffnungen
Durch die Führung
In
In
Für die Absaugvolumenstrommengen haben sich vorteilhafte Werte ergeben, wenn die Absaugungen
Das Verfahren in seiner Grundform ist in
Der Träger
Das Substrat wird mit seiner Oberfläche bewegt
Erfindungsgemäß werden der oder die Freistrahlen auf die Oberfläche gelenkt
Durch das Lenken des oder der Freistrahlen auf die Oberfläche
In der weiteren Ausformung der Erfindung wird durch den Träger Sekundärgas zugeführt
In der dritten Ausbildung der Erfindung ist eine oder mehrere Strahlungsquellen enthalten. Diese werden von Sekundärgas umspült und so vor Verschmutzung und Überhitzung geschützt
Weitere Ausprägungen des Verfahrens sind in
In
In
In
Der Träger
Damit ist gezeigt, dass sowohl alle Düsen die ganze Beschichtungszeit über im Einsatz sind, was zu einem Minimum der Beschichtungsdauer führt, als auch der Träger
In
Ein anderer Anwendungsfall ist in
Mit dem Start des Vorgangs werden alle Düsen eingeschaltet, und der Träger
In
Diese Auslegung bewirkt, dass während der Beschichtungsphase alle Plasmadüsen
Die
Der Träger
Dieser erste Durchgang hat nun eine Grundbeschichtung der Beschichtungsfläche ergeben, die jedoch nicht gleichmäßig konstant bezüglich der Schichtdicke ist. Der zweite Bewegungsabschnitt gleicht dies nun in umgekehrter Bewegungsrichtung
Interessanterweise hat sich gezeigt, dass gerade das Umkehren dieses Vorgangs, also erst nur eine Düse im Einsatz, dann alle, bei bestimmten Materialkombinationen zu verbesserter Haftung führt. Eine umgekehrte Reihenfolge als zuvor beschrieben wird daher ebenfalls ausdrücklich beansprucht.Interestingly, it has been shown that it is precisely the reversal of this process, ie first only one nozzle in use, then all leads to improved adhesion for certain combinations of materials. An inverse order as previously described is therefore also expressly claimed.
Unter bestimmten Anlagenbedingungen kann es erforderlich sein, nicht nur zweimal die Beschichtungsfläche zu überfahren, sondern mehrmals. Dies wird ausdrücklich mit beansprucht.Under certain installation conditions, it may be necessary not to drive over the coating surface twice, but several times. This is expressly claimed.
Eine besonders bevorzugte Ausführung ist in
Es ist offensichtlich, dass keine der Düsen dabei den Bereich der Beschichtungsfläche verlässt, sodass die resultierende Beschichtungszeit das mathematisch erreichbare Minimum darstellt.It is obvious that none of the nozzles leaves the area of the coating surface, so that the resulting coating time represents the mathematically achievable minimum.
In dieser Ausführung sind alle drei einzeln beanspruchte Erfindungsgedanken erkennbar. Zum Ersten die besondere Unterstützung des Beschichtungsprozesses durch die IR- und/oder UV-Strahlung bei dem Plasma-Beschichtungsprozess, zum Zweiten die spezielle Bauform des Trägers mit Plasmadüsen, optionalen Sekundärgasdüsen und mehrfachen Absaugungen und zum Dritten die minimierte Beschichtungszeit durch den kontinuierlichen Einsatz aller Düsen.In this embodiment, all three individually claimed inventive concept can be seen. First, the special support of the coating process by the IR and / or UV radiation in the plasma coating process, the second, the special design of the carrier with plasma nozzles, optional secondary gas nozzles and multiple suction and third, the minimized coating time by the continuous use of all nozzles ,
Diese Eigenschaft kann hervorragend genutzt werden, um bei Beschichtungen Effekte zu erzielen, die anderweitig nicht oder nur schwer möglich sind. Gerade die Kombination individueller Plasma-Düsen in einem Beschichtungsprozess bietet weiterführende Möglichkeiten.This property can be used excellently to achieve effects in coatings that are otherwise difficult or impossible. Especially the combination of individual plasma nozzles in a coating process offers further possibilities.
Der Vorteil dieser Anordnung ist die zusätzliche Unterstützung der Strömungsumlenkung des partikelbeladenen Plasma-Gasstroms
Der Nutzen ist neben der Verkleinerung des partikelhaltigen Bereichs im Beschichtungsraum
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung wird in
Alle Beschichtungsdüsen
Die Beschichtung erfolgt gemäß der folgenden erfinderischen Beschreibung:
Bis auf eine Beschichtungsdüsen
Except for a
Eine Beschichtungsdüse
Für den Weg vom Außenradius
Für eine vergleichmäßigende Beschichtung hat sich ein mehrfaches Wiederholen dieses Vorgangs innerhalb des Radius
Eine weitere bevorzugte Variante ist das Starten und Enden der kreisenden Düse im Zentrum. Dabei ist eine bevorzugte Variante eine Parkposition mit größerem Abstand zum Substrat als während des Beschichtungsvorgangs. Gerade die abgestimmte Kombination von Zuschalten, Absenken, Kreisen und radialer Bewegung (sowie zum Ende in mit Kreisen, radialer Bewegung, Heben und Abschalten) ergibt eine besonders homogene Beschichtung im Zentrum des Substrates.Another preferred variant is the starting and ending of the circular nozzle in the center. In this case, a preferred variant is a parking position with a greater distance to the substrate than during the coating process. Especially the coordinated combination of switching, lowering, circling and radial movement (as well as the end in with circles, radial movement, lifting and switching off) results in a particularly homogeneous coating in the center of the substrate.
Dieser technischen Lehre liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Erzeugung einer Schichtstärke bei einer Beschichtung mit Beschichtungsdüsen mit konstantem, nicht regelbarem Massenstrom die erzeugte Schichtstärke reziprok proportional zur Geschwindigkeit am Ort der Beschichtung zwischen Beschichtungsdüse
Ist eine bestimmte Beschichtungsstärke mit einem Durchgang zu erreichen, ist damit eine bestimmte Geschwindigkeit verbunden. In dem Bereich
Innerhalb des Bereichs
Der Übergangsbereich von
Zur Erzeugung der Kreisbewegung wird eine Vorrichtung vorgestellt, bei der die Beschichtungsdüse auf einem rotierenden Träger mit Exzenterführung angeordnet ist. Die Rotation in der erforderlichen Frequenz führt der Träger aus. Der Exzenter verschiebt die Beschichtungsdüse entlang des Radius. Eine dreh-gelagerte Durchführung am Exzenter entkoppelt die Beschichtungsdüse von Drehungen um die eigene Längsachse, so dass die Leitungszuführungen nur kreisförmig geführt werden, sich aber nicht verdrehen. Eine mit diesen Merkmalen ausgeführte Vorrichtung ermöglicht eine präzise Beschichtung eines darunter mit konstanter Frequenz rotierenden Substrates.To generate the circular motion, a device is presented in which the coating nozzle is arranged on a rotating carrier with eccentric guide. The rotation at the required frequency is performed by the wearer. The eccentric shifts the coating nozzle along the radius. A rotatably mounted feedthrough on the eccentric decouples the coating nozzle from rotations about its own longitudinal axis, so that the line feeds are only guided in a circular manner, but do not rotate. A device designed with these features allows precise coating of a substrate rotating at a constant frequency below it.
Es ist vorteilhaft, die Kreisbewegung der Düse entgegen der Rotationsrichtung des Substrates auszuführen, da die Relativgeschwindigkeit so mit einer geringeren Kreisbewegungsfrequenz erreicht wird, als bei gleichsinniger Rotation. Die gleichsinnige Rotation wird jedoch auch als spezielle Variante mit beansprucht.It is advantageous to carry out the circular movement of the nozzle counter to the direction of rotation of the substrate, since the relative speed is thus achieved with a lower circular movement frequency, as in the same direction rotation. The same direction rotation is also claimed as a special variant with.
Der erfinderische Grundgedanke ist die Kombination von der radial linear zum Zentrum abnehmende Verweilzeit und der Mindest-Relativgeschwindigkeit zwischen Beschichtungsdüse und Substratoberfläche. Daraus lassen sich durch Verändern von zuvor konstant benannten Größen wie Beschichtungsmassenstrom oder Frequenz des Substrates viele verschiedene Ableitungen herstellen, deren konkrete Ausführungen in Vorrichtungen hiermit ebenfalls beansprucht werden.The inventive idea is the combination of the residence time decreasing radially linear to the center and the minimum relative speed between the coating nozzle and the substrate surface. From this it is possible to produce many different derivatives by changing quantities which have previously been given a constant name, such as the coating mass flow rate or the frequency of the substrate, the specific embodiments of which are likewise claimed in devices.
In
Das Substrat, welches aufgewärmt wird, ist im Material nicht beschränkt. Es Kann sowohl aus einem gut leitenden Material wie Metall als auch einem thermischen Nichtleiter wie Keramik bestehen. Es hat sich gezeigt, dass die erfinderische Wärmestrahlungsquelle gleichermaßen effizient aufheizt.The substrate to be warmed up is not limited in material. It can consist of both a highly conductive material such as metal and a thermal dielectric such as ceramics. It has been found that the inventive heat radiation source heats up equally efficiently.
Die Strahlungsflächen des Wärmestrahlers
Als Maß der Homogenität wird die maximale Temperaturdifferenz der bestrahlten Substratoberfläche verwendet. Die sich einstellende Homogenität liegt unter 8 K, bei geeigneter Abstandseinstellung sogar unter 3 K.As a measure of homogeneity, the maximum temperature difference of the irradiated substrate surface is used. The resulting homogeneity is below 8 K, with a suitable distance setting even less than 3 K.
In einer speziellen Ausführung bleibt die Strahlungsintensität nicht über den gesamten Aufheizzeitraum konstant, sondern wird moduliert. Dabei wird im letzten Teil der Aufheizphase die Leistung der Strahlungsflächen reduziert, und so eine Homogenität kleiner 0,5 K erreicht. Weitere vorteilhafte Modulationen der Strahlungsintensität werden mit beansprucht, insbesondere gepulste Ansteuerungen mit wechselnder Frequenz und/oder Amplitude.In a specific embodiment, the radiation intensity does not remain constant over the entire heating period, but is modulated. In the last part of the heating phase, the power of the radiant surfaces is reduced, thus achieving a homogeneity of less than 0.5 K. Further advantageous modulations of the radiation intensity are claimed, in particular pulsed drives with alternating frequency and / or amplitude.
Zur Auslegung von linienförmigen Strahlungselementen ist folgende Formel aus den Versuchsergebnissen und numerischer Simulation verifiziert worden: For the design of linear radiation elements, the following formula has been verified from the test results and numerical simulation:
Die Länge eines jeden Strahlerelementes Li (
Als Bauform für dieses Erwärmungsverfahren ist ein Zwillingsrohrstrahler
Eine andere Bauform des Wärmestrahlers besteht aus mehreren Linienstrahlern aus Einzelrohren mit einem oder mehreren Strahlungselement je Rohr. Eine weitere Gruppe von unterschiedlichen Bauformen besteht aus mehreren aneinandergereihten Punktstrahlern, wie zum Beispiel Infrarot-LED's oder Lichtleiter-Enden von einem Laser. Naheliegend ist auch die Ausführung als Flächenstrahler mit der Form ähnlich eines Kreissegmentes. Auch diese Lösungen mit Ihren Ausführungen werden beansprucht.Another design of the heat radiator consists of several line radiators of individual tubes with one or more radiating element per tube. Another group of different designs consists of several juxtaposed spotlights, such as infrared LEDs or fiber optic ends of a laser. Also obvious is the design as a surface radiator with the shape similar to a circle segment. These solutions with their versions are claimed.
In
Die Beschreibung nach
Bei der optionalen Vorwärmung
Das Beschichtungsverfahren
Mit einer Vorrichtung, wie in
Eine Erweiterung des Verfahrens mit Strahlungsquellen wie in
Eine weitere Ausführung ist die Anordnung der Düsen auf mehreren Trägern
Die weiteren Beispiele sind nicht mit Figuren beschrieben.The other examples are not described with figures.
Bei der Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Rotationsrichtung
Die Verwendung von Spülgasdüsen
Die Ausführung der Strahlungsquellen
In einer ebenfalls erfindungsgemäß beanspruchten Variante des Verfahrens wird das Sekundärgas
Eine weitere nicht dargestellte Ausführungsform bezieht sich auf die Bewegung des Trägers und der Anordnung der Düsen darauf. Die Spur der Düsen auf der Substratoberfläche liegt hierbei im innern fast oder ganz aufeinander, nach außen hin ist jede Spur einer jeden Düse eine Spirale, die mehr und mehr neben den andern liegt. Durch diese Anordnung wird ohne Kreuzung der Spuren eine gleichmäßige Beschichtung hergestellt.Another embodiment not shown relates to the movement of the carrier and the arrangement of the nozzles thereon. The trace of the nozzles on the substrate surface lies in the interior almost or completely on each other outwards, every trace of each nozzle is a spiral, which is more and more adjacent to the other. By this arrangement, a uniform coating is produced without crossing the tracks.
Bezüglich der Ausführung der ersten Absaugungen um die Düsen herum und einer Flächigen Absaugung sind auch Mischformen möglich, die ebenfalls beansprucht in den Erfindungsgedanken eingeschlossen sind.With regard to the execution of the first suction around the nozzles and a surface suction also mixed forms are possible, which are also claimed included in the inventive concept.
Eine Variante mit großem Anwendungsbereich ist das Behandeln von temperaturempfindlichem Material, welches durch den Plasma-Gasstrom unzulässig erwärmt wird. Durch geeignete Temperierung, hier Kühlung, des Sekundärgases aus den Spülgasdüsen wird das Substrat direkt nach dem Beschichten wieder abgekühlt. Diese Anordnung ist sehr effizient und wird nicht für die Anwendung mit atmosphärischem Plasma sondern allgemein für alle Beschichtungsvorgänge mit im Gasstrom dispergierten Partikeln beansprucht.A variant with a wide range of applications is the treatment of temperature-sensitive material, which is heated by the plasma gas flow inadmissible. By suitable temperature, here cooling, the secondary gas from the purge gas nozzles, the substrate is cooled again immediately after coating. This arrangement is very efficient and is not claimed for use with atmospheric plasma but generally for all coating operations with particles dispersed in the gas stream.
Eine weitere nützliche Anwendung der Erfindungsgedanken ist die Verwendung der auf einem gemeinsamen Träger
Die offenbarte Erfindung geht in ihrer Anwendung über den speziellen Fall des Plasma-Gasstrom hinaus, und umfasst Fluide über einen weiten Dichte und Viskositätsbereich sowie mit oder ohne dispergierten festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln. Der so definierte Beschichtungsmassenstrom ist ein Fluid mit einer Dichte von 0,01 kg/m3 bis zu 5000 kg/m3. Die Verfahrensschritte 21 bis 23 nach
Die offenbarte Erfindung ist auch für andere Zwecke als der Beschichtung einsetzbar, insbesondere wenn keine Partikel zugemischt werden. Diese Anwendungen werden ebenfalls beansprucht und werden beispielsweise zum Aktivieren, Reinigen, Sterilisieren und allgemein dem Behandeln von Oberflächen eingesetzt.The disclosed invention is also applicable to purposes other than the coating, especially when no particles are mixed. These applications are also claimed and used, for example, for activating, cleaning, sterilizing and generally treating surfaces.
Durch eine geeignete Bewegung des Trägers
Die Anwendung des offenbarten Verfahrens und der Vorrichtung ist nicht auf Substrate mit einer ebenen, flachen und runden Geometrie beschränkt. Objekte, die mit im Verhältnis zur den ebenen Abmaßen mit geringem Höhenprofil ausgebildet sind, wie zum Beispiel optische Linsen oder Spiegel, gedruckte Schaltungen oder bestückte Platinen, werden ebenfalls in den Schutzbereich hineingenommen.The application of the disclosed method and apparatus is not limited to substrates having a flat, flat and round geometry. Objects which are formed with respect to the flat dimensions with a low height profile, such as optical lenses or mirrors, printed circuits or printed circuit boards are also included in the scope.
Zusammenfassend ist eine Erfindung offenbart, die beim Einsatz von atmosphärischem Plasma mehrere Vorzüge aufweist. Diese ergeben sich, wenn die Plasmadüsen auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Zum einen wird der Overspray reduziert, weil die Strömung gezielt in Absaugungen gelenkt wird. Dies wird neben speziell angeordnete Absaugungen auch durch weitere Sekundärluft erreicht.In summary, an invention is disclosed which has several advantages in the use of atmospheric plasma. These arise when the plasma nozzles are arranged on a common carrier. On the one hand, the overspray is reduced because the flow is specifically directed into suction systems. This is achieved in addition to specially arranged suction also by other secondary air.
Ein weiterer sich daraus ergebende Vorteil ist der Einsatz von Strahlungsquellen wie IR-LEDs. Diese werden durch die Sekundärströmung nicht nur vor der Verschmutzung geschützt, sondern auch noch gekühlt. Strahlungsquellen in geeigneter Form werden zur Vorwärmung des Substrates verwendet, um die Taktzeit vom Produktionsprozess zu beschleunigen.Another resulting advantage is the use of radiation sources such as IR LEDs. These are not only protected from contamination by the secondary flow, but also cooled. Radiation sources in a suitable form are used to preheat the substrate to accelerate the cycle time from the production process.
Der dritte eigenständige Vorteil ist die besondere Führung des Trägers über das Substrat. Durch die gezeigten Anordnungen von Düsen und Bewegungsabläufen ist die minimale Beschichtungszeit für diese und auch weitere Beschichtungsaufgaben realisiert. Gerade das Anordnen mehrerer Düsen mit unterschiedlichen Beschichtungsstoffen gibt weite Freiheitsgrade und Bewegungsabläufe.The third independent advantage is the special guidance of the carrier over the substrate. By the arrangements of nozzles and movements shown, the minimum coating time for these and other coating tasks is realized. Just the arrangement of several nozzles with different coating materials are wide degrees of freedom and motion sequences.
Diese erfinderischen Gedanken bieten bereits einzeln einen großen Vorteil und werden auch so als einzeln und eigenständig sowohl als Verfahren als auch als Vorrichtung beansprucht. Die aus diesen Erfindungen resultierenden vielfältigen Kombinationen werden ebenfalls als Verfahren und Vorrichtung beansprucht.These inventive ideas already provide a great advantage individually and are claimed as well as individually and independently both as a method and as a device. The various combinations resulting from these inventions are also claimed as methods and apparatus.
Weiterhin sind in den Beschreibungen vielfältige Anwendungen und Ausführungen der Erfindungen mit deren Vorteilen beschrieben, die hiermit gleichfalls in den beanspruchten Schutzumfang einbezogen werden.Furthermore, the descriptions describe various applications and embodiments of the inventions with their advantages, which are hereby also included in the claimed scope.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Beschichtungsanlagecoating plant
- 22
- Arbeitsraumworking space
- 33
- Substrataufnahmesubstrate uptake
- 44
- Substratsubstratum
- 55
- Trägercarrier
- 66
- Führung vom TrägerGuidance from the carrier
- 77
- Absaugung im ArbeitsraumExtraction in the work area
- 88th
- Rotationsrichtung des SubstratsRotation direction of the substrate
- 99
- Zuluftöffnungair intake opening
- 1010
- Plasma-DüsePlasma nozzle
- 1111
- Absaugung um die Plasma-Düse herumExtraction around the plasma nozzle around
- 1212
- Absaugung um den Träger herumExtraction around the wearer
- 1313
- Plasma-GasstromPlasma gas flow
- 1414
- Beschichtungsraumcoating room
- 1515
-
Rand vom Träger
5 Edge of thecarrier 5 - 1616
- Spülgas-DüsePurge gas nozzle
- 1717
- Strahlungsquelleradiation source
- 1818
- Spülgas-DüsePurge gas nozzle
- 2020
- Träger bewegenMove carrier
- 2121
- Plasmagas zuführenAdd plasma gas
- 2222
- Plasma erzeugenCreate plasma
- 2323
- Partikel zumischenMix particles
- 2424
- Freistrahl auf Oberfläche lenkenSteer free jet on surface
- 2525
- Strömung umlenkenDivert flow
- 26 26
- Strömung eingrenzenNarrow the flow
- 2727
- Strömung absaugenAspirate the flow
- 2828
- Oberfläche bewegenMove surface
- 2929
- Oberfläche beschichtenCoat the surface
- 3030
- Substrat heizenHeat substrate
- 3131
- Sekundärgas zuführenFeed secondary gas
- 3232
- Strahlungsquelle schützenProtect radiation source
- 3333
- Oberfläche mit Strahlung heizenHeat surface with radiation
- 3434
- Freistrahl auf Oberfläche lenkenSteer free jet on surface
- 3535
- Strömung umlenkenDivert flow
- 3636
- Strömung absaugenAspirate the flow
- 3737
- Tertiärgas zuführenFeed in tertiary gas
- 3838
- Zum Rand des Trägers führenLead to the edge of the carrier
- 3939
- Strömung umlenkenDivert flow
- 4040
- Strömung absaugenAspirate the flow
- 4141
- Strömung absaugenAspirate the flow
- 4242
- Vorwärmenpreheat
- 4343
- Beschichtencoating
- 4444
- Substrat bestrahlenIrradiate substrate
- 5050
- Absaugöffnung, um die Plasmadüse angeordnetSuction opening arranged around the plasma nozzle
- 5151
- Absaugung um den Rand des Trägers umlaufendExtraction around the edge of the support
- 5252
- Absaugöffnung am Rand des TrägersSuction opening on the edge of the carrier
- 5555
- Beschichtungsflächecoating area
- 5656
- Innerer Rand der BeschichtungsflächeInner edge of the coating surface
- 5757
- Äußerer Rand der BeschichtungsflächeOuter edge of the coating surface
- 5858
- Plasma-Düse innenPlasma nozzle inside
- 5959
- Plasma-Düse außenPlasma nozzle outside
- 6060
- Bewegungsrichtungmovement direction
- 6161
- Radius-KoordinatenachseRadius coordinate axis
- 6262
- Beschichtungsdauercoating time
- 6363
- Beschichtungsmengecoating amount
- 6464
- Funktion der Plasma-Düsen (an/aus)Function of plasma nozzles (on / off)
- 6565
- Funktionsgraph der inneren DüseFunction graph of the inner nozzle
- 6666
- Funktionsgraph der äußeren DüseFunction graph of the outer nozzle
- 6767
- Beschichtungsmenge innere DüseCoating amount of inner nozzle
- 6868
- Beschichtungsmenge äußere DüseCoating amount of outer nozzle
- 7070
- Schwenkrichtungpan direction
- 7171
- Schwenkarm für den TrägerSwivel arm for the wearer
- 7272
- Drehrichtung TrägerDirection of rotation carrier
- 8080
- Beschichtungsdüse für InnenbereichCoating nozzle for indoor use
- 8181
- Beschichtungsdüse für AußenbereichCoating nozzle for outdoor use
- 8282
- Rotation des SubstratRotation of the substrate
- 8383
- Außenrand des Substrates, Durchmesser DOuter edge of the substrate, diameter D
- 8484
- Außenradiusouter radius
- 8585
-
Innerer Beschichtungsradius der Düsen
81 Inner coating radius of thenozzles 81 - 8686
- Radius InnenbereichRadius inside area
- 8787
- ZentralbereichCentral area
- 8888
- Radiale GeschwindigkeitskomponenteRadial speed component
- 8989
- Radiale GeschwindigkeitskomponenteRadial speed component
- 9090
- Radiale GeschwindigkeitskomponenteRadial speed component
- 9191
- Radiale GeschwindigkeitskomponenteRadial speed component
- 9292
- tangentiale Relativgeschwindigkeittangential relative velocity
- 100100
- WärmestrahlerRadiant heaters
- 101101
- Abstand Wärmestrahler – SubstratDistance heat radiator - substrate
- 102102
- ZwillingsrohrstrahlerTwin tube emitters
- 103103
-
Heizwendel 1, L1, i = 1
Heating coil 1, L1, i = 1 - 104104
-
Heizwendel 2, L2, i = 2
Heating coil 2, L2, i = 2 - 105105
-
Heizwendel 3, L3, i = 3
Heating coil 3, L3, i = 3 - 106106
-
Heizwendel 4, L4, i = 4
Heating coil 4, L4, i = 4 - 107107
- Quetschung, einseitige LeitungsdurchführungContusion, one-sided conduction
- 108108
- Anschlußleitunglead
Claims (36)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE201110018704 DE102011018704A1 (en) | 2010-04-27 | 2011-04-26 | Apparatus and method for coating rotating surfaces |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201010018531 DE102010018531A1 (en) | 2010-04-27 | 2010-04-27 | Device for coating surface area of e.g. round substrate, has nozzles arranged on carrier over round substrate, and extraction system fixed at position in working chamber, where plasma-gas stream i.e. atmospheric plasma, flows from nozzles |
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Publications (1)
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DE201010018531 Withdrawn DE102010018531A1 (en) | 2010-04-27 | 2010-04-27 | Device for coating surface area of e.g. round substrate, has nozzles arranged on carrier over round substrate, and extraction system fixed at position in working chamber, where plasma-gas stream i.e. atmospheric plasma, flows from nozzles |
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DE (2) | DE102010018531A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109701825A (en) * | 2019-02-20 | 2019-05-03 | 沈阳科晶自动化设备有限公司 | A kind of ultraviolet lamp whirler |
CN115254532A (en) * | 2021-08-26 | 2022-11-01 | 杨海杰 | Gluing method and device for plywood |
-
2010
- 2010-04-27 DE DE201010018531 patent/DE102010018531A1/en not_active Withdrawn
-
2011
- 2011-04-26 DE DE201110018704 patent/DE102011018704A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN109701825A (en) * | 2019-02-20 | 2019-05-03 | 沈阳科晶自动化设备有限公司 | A kind of ultraviolet lamp whirler |
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DE102010018531A1 (en) | 2011-10-27 |
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---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20141101 |