AT514555A4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines Plasmastrahls (2) unter Atmosphärendruck zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken (18), mit einer Zuleitung (8) für das plasmafähige Medium (5), einer Einrichtung (3) zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums (5) mittels eines zwischen einer Kathode (19) und einer als Düse (21) ausgebildeten Anode (20) periodisch gezündeten Lichtbogens (22). Zur Erzielung eines hochwirksamen Plasmastrahls (2) auch bei relativ niedrigen Temperaturen des Plasmastrahls (2) ist vor der Einrichtung (3) zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums (5) eine Heizeinrichtung (23) zur Vorwärmung des plasmafähigen Mediums (5) angeordnet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasma¬strahls unter Atmosphärendruck zur Oberflächenbehandlung vonWerkstücken, wobei der Plasmastrahl durch elektrische Anregungeines plasmafähigen Mediums mittels eines zwischen einer Kathodeund einer als Düse ausgebildeten Anode periodisch gezündetenLichtbogens erzeugt wird, und der Plasmastrahl durch die Düse inRichtung der zu behandelnden Oberfläche gerichtet wird.
Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugungeines Plasmastrahls unter Atmosphärendruck zur Oberflächenbe¬handlung von Werkstücken, mit einer Zuleitung für das plasmafä¬hige Medium, einer Einrichtung zur elektrischen Anregung desplasmafähigen Mediums mittels eines zwischen einer Kathode undeiner als Düse ausgebildeten Anode periodisch gezündeten Licht¬bogens .
Unter einem Plasma versteht man ein Gas, welches freie Ladungs¬träger enthält, weshalb auch von elektrisch leitenden Gasen ge¬sprochen wird. Plasmen können je nach Druck und Temperaturverschiedenartig verwendet werden, beispielsweise bei Gasentla¬dungslampen, bei der Materialabscheidung, zur Analyse, aber auchzur Bearbeitung von Werkstücken und zur Desinfektion von Gegen¬ständen, Körperteilen oder Wunden. Hinsichtlich des Druckes desPlasmagases wird zwischen Niederdruckplasmen, Normaldruckplasmenbzw. Atmosphärendruckplasmen und Hochdruckplasmen unterschieden.Die gegenständliche Erfindung ist maßgeblich auf die Erzeugungvon Plasmastrahlen unter Atmosphärendruck bei relativ niedrigerTemperatur gerichtet und hauptsächlich für Anwendungen zur Be¬handlung von Oberflächen von Werkstücken oder dergleichen ge¬dacht. Die Behandlung von Oberflächen von Werkstücken mitPlasmen in Niederdruckkammern ist ein bereits gut etabliertesund bekanntes Verfahren, welches schon seit vielen Jahren indus¬triell eingesetzt wird. Niederdruckplasmen zeichnen sich durcheine gute Spaltgängigkeit und hohe Wirksamkeit aus. Sie eignensich gut für die Behandlung von Kleinteilen und auch von Schütt¬gut. Nachteilig sind neben hohen Investitionskosten die erfor¬derliche Prozesszeit zum Abpumpen der Plasmakammern und diefehlende Möglichkeit einer sogenannten Inline-Durchführung derPlasmabehandlung. Auch die Behandlung von größeren Bauteilenwird durch die dafür notwendigen großen Vakuumkammern bei Nie- derdruckplasmen rasch unwirtschaftlich.
Anwendungen von Atmosphärendruckplasmen beschränkten sich vor¬erst nur auf sogenannte thermische Plasmen, welche bei Plasma¬temperaturen von einigen 1000 °C hauptsächlich fürSchmelzprozesse (wie z.B. Schweißen, Löten, Schneiden, etc.)eingesetzt wurden. Neuere Entwicklungen ermöglichen nun auch dieRealisierung von sogenannten nicht-thermischen Atmosphärendruck¬plasmen, welche auch Anwendungen bei niedrigen Plasmatemperatu¬ren von einigen 10 °C bis zu einigen 100 °C ermöglichen. Somiterschließen sich neue interessante Anwendungsgebiete für dieOberflächenbehandlung mittels Atmosphärendruckplasmen, wie z.B.das Reinigen und Aktivieren von Materialien oder das Beschichtenmittels Plasmapolimerisation bis hin zu medizinischen Anwendun¬gen, wie das Desinfizieren offener Wunden.
Zur Erzeugung eines Atmosphärendruckplasmas wird üblicherweiseein spezielles Gas verwendet (z.B. aufbereitete Luft, N2, Helium,Argon) , welches in einem Plasmabrenner durch Zuführen elektri¬scher Energie in den Plasmazustand gebracht wird. Dieses Plasmawird über eine Düse auf die zu behandelnde Oberfläche geblasen,während der Plasmabrenner mit definiertem Abstand und Geschwin¬digkeit über das Werkstück bewegt wird. Dabei kommt es zu Wech¬selwirkungen des Plasmas mit der Umgebungsluft (Quenching,Einmischen der Luftmoleküle durch turbulente Strömungen) und zuWechselwirkungen mit der zu behandelnden Oberfläche. Der wohlüberzeugendste Vorteil dieses Konzepts ist die Inline-Fähigkeitund die daraus resultierende einfache Integrierbarkeit des Pro¬zesses in bestehende Produktionsketten. Einschränkungen ergebensich bei der Behandlung von Schüttgut und Kleinteilen, sofernsich diese nicht in ausreichendem Maße vor dem Plasmabrennerplatzieren lassen. Auch ist die oxidierende Wirkung dieser Plas¬men bei manchen Anwendungen unerwünscht.
Durch die Wechselwirkung des Plasmastrahls mit der Oberflächedes Werkstücks wird diese aktiviert und/oder gereinigt. Die Rei¬nigungswirkung beruht unter anderem auf mechanischen Prozessenaufgrund des Beschusses der Oberfläche mit angeregten Molekülen,Atomen und Ionen und auch auf chemischen Prozessen. Dabei rea¬gieren die Verunreinigungen auf der Oberfläche mit den angereg- ten Teilchen im Plasma zu gasförmigen Reaktionsprodukten, welcheschließlich durch den Gasstrom entfernt werden. Anwendungen die¬ses Prozesses finden sich in der mikrofeinen Reinigung und demEntfernen von Ölen, Fetten, Silikonen, Oxiden, Fasern oder dün¬nen Beschichtungen. Auch eine gezielte Veränderung der Oberflä¬chenstruktur (z.B. Mikrostrukturierung) ist möglich.
Die aktivierende Wirkung des Plasmas wird durch chemische Ober¬flächenreaktionen erreicht. Abhängig vom Grundmaterial und derZusammensetzung des Plasmas werden auf der Oberfläche Radikal¬stellen oder chemisch aktive Gruppen (z.B. Hydroxyl- oder Car-boxyl-Gruppen) erzeugt. Diese bewirken eine Veränderung derOberflächenenergie und in weiterer Folge eine Veränderung derOberflächeneigenschaften der behandelten Werkstücke. Somit lässtsich z.B. das Benetzungsverhalten von Materialien gezielt beein¬flussen. Eine ursprünglich hydrophobe Oberfläche (wie z.B. Poly¬propylen) kann durch die Plasmaaktivierung in einen hydrophilenZustand gebracht werden. Beide Effekte, die Bildung von chemischaktiven Gruppen und die Veränderung der Oberflächenenergie, kön¬nen das Benetzungsverhalten, die Schichtbildung und die Haftfes¬tigkeit von Beschichtungen drastisch verbessern.
Viele Anwendungen der soeben beschriebenen Prozesse finden sichin der Vorbehandlung von Materialien vor dem Bonden, Löten,Schweißen, Kleben, Lackieren, Bedrucken und Beschichten. DieReinigung und Aktivierung von Materialien mittels Atmosphären¬druckplasmas kann chemische Reinigungsprozesse und die Verwen¬dung von Primern ersetzen. Der damit verbundene Entfall vonLösungsmitteln oder anderen Chemikalien macht die Plasmatechno¬logie sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch interessant.
Die EP 0 761 415 B9 betrifft beispielsweise ein Verfahren zurErhöhung der Benetzbarkeit der Oberfläche von Werkstücken unterVerwendung von Atmosphärendruckplasma, wobei das Plasma übereinen hochfrequent angeregten Lichtbogen erzeugt wird, der nichtaus der Düse des Plasmabrenners austritt.
Aus der EP 1 922 908 Bl ist ein Verfahren zum Betreiben einesWasserdampf-Plasmabrenners und ein Wasserdampf-Schneidgerät be¬kannt geworden, aus dem eine optimierte Umschaltung von einem übertragenen Modus in den nicht übertragenen Modus für ein opti¬males Bearbeitungsergebnis hervorgeht.
Die AT 510 012 Bl beschreibt einen Wasserdampf-Plasmabrenner miteiner Induktionsheizung zum Verdampfen von Wasser oder andererFlüssigkeiten als plasmafähiges Medium. Der darin beschriebeneWasserdampf-Plasmabrenner kann beispielsweise zum Schneiden vonWerkstücken eingesetzt werden.
Nachteilig bei bisherigen Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeu¬gung von Plasmastrahlen ist, dass bei hoher Aktivierung desPlasmas auch eine Erhöhung der Plasmatemperatur die Folge ist,weshalb sich speziell aktivierte Plasmen aufgrund ihrer Tempera¬tur nicht für alle Anwendungen, beispielsweise Oberflächenvorbe¬handlung von empfindlichen Werkstücken, eignen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einVerfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahlsunter Atmosphärendruck zur Oberflächenbehandlung von Werkstückenoder dergleichen zu schaffen, durch welche ein hoher Aktivie¬rungsgrad des Plasmas auch bei relativ niedrigen Temperaturendes Plasmas ermöglicht wird, um auch Anwendungen bei empfindli¬chen Werkstücken oder sogar Teilen des menschlichen oder tieri¬schen Körpers zu ermöglichen. Nachteile bekannter Verfahren undVorrichtungen sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe in verfahrensmäßigerHinsicht dadurch, dass das plasmafähige Medium vor der elektri¬schen Anregung mittels des Lichtbogens in einer Heizeinrichtungvorgewärmt wird. Durch die Trennung der thermischen Anregung desplasmafähigen Mediums von der üblichen elektrischen Anregungmittels des Lichtbogens kann eine unabhängige Einstellung derPlasmaleistung und der Plasmatemperatur erzielt werden. Durchdie zusätzliche Vorwärmung des plasmafähigen Mediums vor derelektrischen Anregung mittels des Lichtbogens kann auch beiniedrigen Plasmatemperaturen (sogenannten kalten Plasmen) einehohe Plasmaleistung bzw. Plasmaaktivierung erzielt werden. Kernder vorliegenden Erfindung ist die Vorwärmung des plasmafähigenMediums, was sowohl Einflüsse auf den Prozess der Plasmaerzeu¬gung als auch auf den Prozess der Oberflächenbehandlung der
Werkstücke oder dergleichen hat. Ziel bei der Erzeugung einesPlasmas zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken oder derglei¬chen ist die Generation möglichst vieler chemisch aktiver Spezi¬es. Für die Erzeugung chemisch aktiver Spezies (z.B. Radikaleoder Ionen) muss eine gewisse Menge an Energie aufgebracht wer¬den. Durch Erhitzen der plasmafähigen Medien wird ein Teil die¬ser Energie bereits auf thermischem Wege zur Verfügung gestellt.Die für die Erzeugung des Plasmas notwendige elektrische Energiereduziert sich dadurch. Dies hat positive Einflüsse auf dasZündverhalten des Plasmas zur Folge und gibt somit auch mehrSpielraum für die Geometrie des Plasmabrenners. Auch kann etwai¬ge überschüssige elektrische Energie für die Erzeugung zusätzli¬cher chemisch aktiver Spezies verwendet werden. DieVorbehandlung von Werkstücken mit Atmosphärendruckplasmen beruhtzu einem großen Teil auf chemischen Oberflächenreaktionen. Diedabei interessanten Absorptions- und Desorptionsvorgänge sindmitunter stark von der Temperatur abhängig. Für jede Anwendunggibt es einen idealen Temperaturbereich um die Wirkung der Plas¬mavorbehandlung zu erhöhen. Gleichzeitig sollte die Plasmatempe¬ratur nicht zu hoch werden, um auch thermisch sensibleOberflächen bearbeiten zu können. Die vorliegende Erfindungdient dazu, die Plasmatemperatur gezielt und getrennt von derAktivierung des Plasmas optimal einstellen zu können. Durch dasVorwärmen des plasmafähigen Mediums kann man die Prozesstempera¬turen also unabhängig von den Parametern zur Plasmaerzeugung op¬timieren und dadurch die Wirkung der Oberflächenvorbehandlungdes Atmosphärendruckplasmas erhöhen. Dazu zählen beispielsweisehöhere Aktivierungs- und Reinigungseffekte, höhere Prozessge¬schwindigkeiten, geringere Sensibilität hinsichtlich des Proben¬abstands und Ähnliches. Zusätzlich kann durch die Möglichkeitdes Verdampfens von flüssigen plasmafähigen Medien eine neuePlasmachemie zur Verfügung gestellt werden.
Vorteilhafter Weise wird das plasmafähige Medium auf eine Tempe¬ratur von 5 °C bis 300 °C vorgewärmt und entsprechend der jewei¬ligen Anwendung auf diese Temperatur geregelt. DieserTemperaturbereich des Plasmastrahls lässt eine Anwendung beivielen Materialien bis hin zu Teilen des menschlichen oder tie¬rischen Körpers zu.
Das plasmafähige Medium kann induktiv oder mittels Widerstands¬heizelementen oder Strahlungsheizelementen vorgewärmt werden.
Bei einer induktiven Heizung kann der Wärmeübergangswiderstandbegrenzt bzw. verringert werden.
Wenn der Lichtbogen zur elektrischen Anregung des plasmafähigenMediums periodisch mit einer Pulsdauer kleiner 20 ys gezündetwird, kann eine optimale elektrische Anregung erzielt werden.Durch die relativ kleine Pulsdauer kann die resultierende Tempe¬ratur des Plasmas gering gehalten werden. Je nach Anforderungkann die Anregungsfrequenz beispielsweise im Bereich zwischen 10kHz und 100 kHz liegen.
Die Temperatur des aus der Düse in Richtung der zu behandelndenOberfläche gerichteten Plasmastrahls wird vorzugsweise zwischen10 °C bis 500 °C geregelt. Durch die Temperaturregelung kann si¬chergestellt werden, dass die zu behandelnden Oberflächen nichtüberhitzt und das Werkstück oder dergleichen nicht zerstört wird.
Als plasmafähiges Medium kann ein Gas, eine Mischung verschiede¬ner Gase, eine Flüssigkeit, eine Mischung verschiedener Flüssig¬keiten oder auch eine Mischung eines oder mehrerer Gase(s) miteiner oder mehreren Flüssigkeit(en) verwendet werden. Die ver¬wendeten Gase und/oder Flüssigkeiten können gezielt auf die je¬weilige Anwendung abgestellt werden und optimal auf das Materialdes zu behandelnden Werkstücks abgestimmt werden.
Bei Verwendung einer oder mehrerer Flüssigkeiten als plasmafähi¬ges Medium wird diese Flüssigkeit vorzugsweise vor der elektri¬schen Anregung mittels des Lichtbogens verdampft. DieHeizeinrichtung zum Verdampfen des flüssigen plasmafähigen Medi¬ums kann beispielsweise durch eine Induktionsheizung gebildetwerden, wie sie in der AT 510 012 Bl beschrieben wird.
Die als plasmafähiges Medium verwendete Flüssigkeit kann nachdem Verdampfen mit einem Gas gemischt werden. Somit kann eineoder können mehrere Flüssigkeiten nach dem Verdampfen mit einemoder verschiedenen Gasen gemischt werden, um bestimmte Eigen¬schaften des Plasmas für bestimmte Anwendungen erzielen zu kön¬nen .
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch eine obengenannte Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls, wobeivor der Einrichtung zur elektrischen Anregung des plasmafähigenMediums eine Heizeinrichtung zur Vorwärmung des plasmafähigenMediums angeordnet ist. Zu den dadurch erzielbaren Vorteilenwird auf die obige Beschreibung des Verfahrens zur Erzeugung ei¬nes Plasmastrahls verwiesen.
Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise zur Vorwärmung des plasma¬fähigen Mediums auf 5 °C bis 300 °C und zur Regelung auf die je¬weilige Temperatur entsprechend der jeweiligen Anwendungausgebildet.
Die Heizeinrichtung zur Vorwärmung des plasmafähigen Mediumskann durch eine Induktionsheizeinrichtung, ein Widerstandsheiz¬element oder ein Strahlungsheizelement gebildet sein.
Die Einrichtung zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Me¬diums kann durch einen Generator zur Erzeugung hochfrequenterStrompulse mit einer Dauer kleiner 20 ys ausgebildet sein.
Wenn eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Temperatur desaus der Düse zur zu behandelnden Oberfläche gerichteten Plasma¬strahls zwischen 10 °C und 500 °C vorgesehen ist, kann die je¬weils gewünschte Temperatur des Plasmastrahls sicher in demjeweiligen Zielbereich gehalten werden.
Die Zuleitung für das plasmafähige Medium kann durch zumindesteine Gasleitung und/oder zumindest eine Flüssigkeitsleitung ge¬bildet sein.
Zwischen der Heizeinrichtung zur Vorwärmung des plasmafähigenMediums und der Einrichtung zur elektrischen Anregung des plas¬mafähigen Mediums kann eine Kammer zur Mischung des vorgewärmtenplasmafähigen Mediums mit einem weiteren plasmafähigen Mediumangeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnun¬gen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Er¬zeugung eines Plasmastrahls;
Fig. 2 den Aufbau einer Ausführungsform eines Plasmabrenners ingeschnittener Darstellung; und
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erzeugung einesPlasmastrahls.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung eines Plasma¬strahls 2 gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Einrichtung 3zur elektrischen Anregung eines in einem Behälter 4 vorgesehenenplasmafähigen Mediums 5. Die Einrichtung 3 zur elektrischen Anre¬gung des plasmafähigen Mediums 5 ist mit einer Steuervorrichtung 6 verbunden. Der Plasmabrenner 7 wird über eine Zuleitung 8 mitder Steuervorrichtung 6 verbunden, so dass der Plasmabrenner 7mit dem im Behälter 4 angeordneten plasmafähigen Medium 5 ver¬sorgt werden kann. Die Versorgung des Plasmabrenners 6 mit elek¬trischer Energie von der Einrichtung 3 erfolgt über die Leitungen9 und 10.
Zum Kühlen des Plasmabrenners 7 kann dieser über einen Kühl¬kreislauf 11 allenfalls unter Zwischenschaltung eines Strömungs¬wächters 12 mit einem eigenen Flüssigkeitsbehälter 13 oder demBehälter 4 verbunden sein. Bei Inbetriebnahme des Plasmabrenners 7 kann der Kühlkreislauf 11 von der Steuervorrichtung 6 gestar¬tet und somit eine Kühlung des Plasmabrenners 7 über den Kühl¬kreislauf 11 erreicht werden. Zur Bildung des Kühlkreislaufs 11wird der Plasmabrenner 7 über Kühlleitungen 14, 15 mit dem Flüs¬sigkeitsbehälter 13 oder dem Behälter 4 verbunden. Der Kühl¬kreislauf 11 kann auch direkt über die Flüssigkeitsversorgungdes Plasmabrenners 7 vom Behälter 4 über die Versorgungsleitung7 gebildet werden, wodurch nur eine einzige Flüssigkeitsversor¬gung zum Plasmabrenner 7 benötigt wird.
Weiters kann eine Eingabe- und/oder Anzeigevorrichtung 16 vorge¬sehen sein, über welche die unterschiedlichsten Parameter bzw.Betriebsarten der Vorrichtung 1 eingestellt und angezeigt werdenkönnen. Die über die Eingabe- und/oder Anzeigevorrichtung 16eingestellten Parameter werden an die Steuervorrichtung 6 wei¬tergeleitet, welche die einzelnen Komponenten der Vorrichtung 1 entsprechend ansteuert.
Der Plasmabrenner 7 kann zumindest ein Bedienelement 17 aufwei¬sen, über welches der Benutzer der Steuervorrichtung 6 vom Plas¬mabrenner 7 aus mitteilen kann, dass eine Bearbeitungdurchgeführt werden soll. Des Weiteren können an der Eingabe-und/oder Ausgabevorrichtung 16 beispielsweise Voreinstellungengetroffen werden. Selbstverständlich können weitere Bedienele¬mente am Plasmabrenner 7 angeordnet sein, über die ein oder meh¬rere Betriebsparameter der Vorrichtung 1 vom Plasmabrenner 7 auseingestellt werden können. Hierzu können diese Bedienelemente 17direkt über Leitungen oder über ein Bussystem mit der Steuervor¬richtung 6 verbunden sein. Das Bedienelement 17 kann auch eineAnzeigevorrichtung, beispielsweise eine LCD-Anzeige, beinhalten,so dass dem Benutzer am Plasmabrenner 7 entsprechende Einstel¬lungen, Parameter oder Informationen angezeigt werden können.
Die Steuervorrichtung 6 aktiviert nach dem Betätigen des Be¬dienelements 17 die einzelnen für das Plasmabearbeitungsverfah¬ren benötigten Komponenten. Beispielsweise werden zuerst einePumpe (nicht dargestellt) sowie die Einrichtung 3 angesteuert,wodurch eine Versorgung des Plasmabrenners 7 mit dem plasmafähi¬gen Medium 5 sowie elektrischer Energie eingeleitet wird. An¬schließend aktiviert die Steuervorrichtung 6 den Kühlkreislauf11, so dass eine Kühlung des Plasmabrenners 7 ermöglicht wird.Durch die Versorgung des Plasmabrenners 7 mit dem plasmafähigenMedium 5 und elektrischer Energie wird im Plasmabrenner 7 dasplasmafähige Medium 5 in den Plasmastrahl 2 umgewandelt, welcherzur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks 18 oder derglei¬chen verwendet werden kann.
Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform eines Plasmabren¬ners 7 in geschnittener Darstellung. Demgemäß umfasst der Plas¬mabrenner 7 zumindest eine Zuleitung 8 für das plasmafähigeMedium 5 (nicht dargestellt) , eine Kathode 19 und eine als Düse21 ausgebildete Anode 20. Selbstverständlich können Kathode 19und Anode 20 auch umgekehrt eingesetzt werden. Zwischen der Ka¬thode 19 und der Anode 20 wird periodisch ein Lichtbogen 22 ge¬zündet, welcher das über die Zuleitungen 8 zugeführteplasmafähige Medium 5 elektrisch anregt. Erfindungsgemäß ist zu¬ sätzlich eine Heizeinrichtung 23 zur Vorwärmung des plasmafähi¬gen Mediums 5 angeordnet, welche im dargestellten Beispiel alsInduktionsheizung 24 ausgebildet ist, welche um die gewindeför¬mig angeordnete Leitung für das plasmafähige Medium 5 angeordnetist. Zusätzlich kann eine Heizeinrichtung zum Verdampfen einesflüssigen, plasmafähigen Mediums 5 vorgesehen sein (nicht darge¬stellt) , nach welcher allenfalls eine Kammer 27 zur Mischungmehrerer plasmafähiger Medien 5 vorgesehen ist. Die Mischungplasmafähiger Medien 5 wird dann in den Brennraum 28, in welchemder Lichtbogen 22 periodisch gezündet wird, geleitet, wo derPlasmastrahl 2 erzeugt und aus der Düse 21 in Richtung des zubehandelnden Werkstücks 18 oder dergleichen getrieben wird. DerAbstand zwischen Kathode 19 und Anode 20 ist gegenüber herkömm¬lichen Plasmabrennern 7 größer ausgebildet. Durch spezielle Ge¬staltung dieses Abstands, aber auch des Brennraums 28 zwischenKathode 19 und Anode 20 und Gestaltung der Düse 21 kann die Ver¬wirbelung des plasmafähigen Mediums 5 und in der Folge die Brei¬te des Plasmastrahls 2 eingestellt und an den jeweiligenAnwendungsfall gezielt angepasst werden. Aufgrund der größerenDistanz zwischen Kathode 19 und Anode 20 ist es von Vorteil,wenn die Zündung des Lichtbogens 22 mit einer höheren Frequenz,üblicherweise im Bereich zwischen 10 kHz und 100 kHz gezündetwird. Da der Lichtbogen 22 nicht aus der Düse 21 austritt, kön¬nen mit dem Plasmastrahl 2 auch Werkstücke 18 aus elektrischnicht leitfähigem Material, beispielsweise Kunststoffe bis hinzu biologischen Geweben, behandelt werden.
Fig. 3 zeigt schließlich ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1zur Erzeugung eines Plasmastrahls 2 gemäß der vorliegenden Pa¬tentanmeldung. Die Vorrichtung 1 umfasst den in Fig. 2 beschrie¬benen Plasmabrenner 7, einen oder mehrere Behälter 4 für eingasförmiges oder flüssiges plasmafähiges Medium 5 und eine Ein¬richtung 3 zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums 5im Plasmabrenner 7. Vorteilhafterweise wird eine Regelungsein¬richtung 25 zur Regelung der Temperatur des Plasmastrahls 2 vor¬gesehen, indem die Temperatur mit einem geeignetenTemperatursensor 26 an einer geeigneten Stelle gemessen wird undje nach gemessener Temperatur die Einrichtung 3 zur elektrischenAnregung des plasmafähigen Mediums 5 oder die Zuleitungen 8 fürdas plasmafähige Medium 5 entsprechend beeinflusst werden. Die
Temperaturmessung des Plasmastrahls 2 kann - wie in Fig. 3 dar¬gestellt - indirekt im Bereich der Heizeinrichtung 23 oder auchdirekt im Bereich der Düse 21 (nicht dargestellt) erfolgen. Diefür bestimmte Oberflächenbehandlungen notwendigen Temperaturendes Plasmastrahls 2 können in entsprechenden Tabellen oder Da¬tenbanken 29 enthalten sein.
Mit dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Vorrichtungzur Erzeugung eines Plasmastrahls 2 unter Atmosphärendruck kön¬nen auch bei niedrigen Temperaturen Oberflächen von Werkstücken18 oder dergleichen geeignet behandelt werden und insbesondereOberflächen von Werkstücken 18 vor dem Lackieren, vor demSchweißen, vor einem Kleben oder dergleichen mit dem Plasma¬strahl 2 vorbehandelt werden. Durch die Vorwärmung des plasmafä-higen Mediums 5 kann eine getrennte Einstellung der elektrischenund thermischen Anregung des Plasmas erfolgen.
Beispiel: Für die Vorbehandlung von Aluminium für eine nachfolgendeSchweiß-, Klebe- oder Lackieranwendung kann es von Vorteil sein,die Oberfläche dahingehend zu konditionieren, dass die Benetz¬barkeit und die Haftfähigkeit der Aluminiumoberfläche gesteigertwerden. Eine gute Möglichkeit zur messtechnischen Erfassung vonVeränderungen der Oberfläche stellt die Kontaktwinkelmessungdar. Unter anderem kann mit dieser Messung die Oberflächenspan¬nung von Festkörpern vor und nach erfolgter Behandlung mit Atmo¬sphärendruckplasma analysiert werden. Eine Erhöhung derOberflächenspannung ist dabei immer ein sehr guter Indikator,dass sich die Benetzbarkeit und die Haftfähigkeit verbessert ha¬ben. Das in diesem Beispiel verwendete Aluminium weist im unbe¬handelten Zustand eine Oberflächenspannung von 32 mN/m auf. Führt man nun eine Behandlung der Oberfläche mit Atmosphären¬druckplasmen durch, kann die Oberflächenspannung deutlich erhöhtwerden.
In diesem Beispiel wird ein Atmosphärendruckplasmabrenner miteiner integrierten Induktionsheizung 24 als Heizeinrichtung 23verwendet. Der Durchmesser der Austrittsöffnung der Düse 21 kannin einem Bereich zwischen 1 mm und 6 mm variiert werden, der Ab¬stand der Kathode 19 zur Anode 20 beträgt mindestens 1 cm und der Innendurchmesser des Brennraums 28 beträgt im Wesentlichen 1cm. Die Heizleistung der Induktionsheizung 24 kann stufenlos von0 W bis 500 W geregelt werden. Für die Temperaturregelung istein Temperatursensor 26 im Bereich der Heizeinrichtung 23 vorge¬sehen. Das plasmafähige Medium 5 wird über eine Zuleitung 8 demPlasmabrenner 7 zugeführt und kann in der Heizeinrichtung 23 er¬hitzt werden. Druck und Durchfluss des zugeführten plasmafähigenMediums 5 wird dabei so geregelt, dass ein Durchfluss im Bereichvon 20 Liter gasförmigen plasmafähigen Mediums 5 pro Minute inden Brennraum 28 gewährleistet ist. Um die Einströmung des plas¬mafähigen Mediums 5 in den Brennraum 28 in einer für die Plas¬maerzeugung geeigneten Weise durchführen zu können, besteht derEinlass aus mehreren Einströmöffnungen, welche so angeordnetsind, dass im Brennraum 28 ein Strömungswirbel erzeugt werdenkann. Für die Plasmaerzeugung werden positive Hochspannungspulsemit einer Frequenz von 20 kHz und einer maximalen Spannungsam¬plitude von 20 kV verwendet. Für die Behandlung des Aluminium¬werkstückes wird der Plasmabrenner mit einem definierten Abstandvon 3,5 mm und einer definierten Geschwindigkeit von 50 cm/minüber die Materialoberfläche geführt.
Verwendet man nun in einem ersten Versuch aufbereitete Luft alsplasmafähiges Medium 5, ohne die Heizeinrichtung 23 einzuschal¬ten, kann eine gewöhnliche Behandlung mit Atmosphärendruckplasmadurchgeführt werden. Die Oberflächenspannung des Aluminiums kanndadurch auf 55 mN/m gesteigert werden. Durch Einschalten derHeizeinrichtung 23 und Erhöhung der Temperatur des plasmafähigenMediums 5 kann dieser Wert nun weiter gesteigert werden. Regeltman die Temperatur der Luft vor der Plasmaerzeugung auf einenWert von 200 °C, kann damit die Oberflächenspannung des Alumini¬ums auf 65 mN/m erhöht werden. Noch interessanter wird es, wennman auch die Plasmachemie verändert. Durch die Verwendung vonWasser als Ausgangsmedium und eine geeignete Regelung derHeizeinrichtung 23 kann man Wasserdampf mit einer Temperatur von200 °C als plasmafähiges Medium 5 zur Verfügung stellen. Mit ei¬nem aus diesem Medium erzeugten Atmosphärendruckplasma kann mandie Oberflächenspannung von Aluminium nun auf 72 mN/m erhöhen.Die angegebenen Zahlenwerte dienen nur zur Verdeutlichung dieserbeispielhaften Anwendung und sind nicht einschränkend zu verste¬hen .
Claims (19)
- Patentansprüche : 1. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls (2) unter Atmo¬sphärendruck zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken (18), wo¬bei der Plasmastrahl (2) durch elektrische Anregung einesplasmafähigen Mediums (5) mittels eines zwischen einer Kathode(19) und einer als Düse (21) ausgebildeten Anode (20) periodischgezündeten Lichtbogens (22) erzeugt wird, und der Plasmastrahl(2) durch die Düse (21) in Richtung der zu behandelnden Oberflä¬che gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das plasmafähi¬ge Medium (5) vor der elektrischen Anregung mittels desLichtbogens (22) in einer Heizeinrichtung (23) vorgewärmt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dasplasmafähige Medium (5) auf eine Temperatur von 5 °C bis 300 °Cvorgewärmt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass das plasmafähige Medium (5) induktiv vorgewärmt wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass das plasmafähige Medium (5) mittels Widerstandsheizelemen¬ten oder Strahlungsheizelementen vorgewärmt wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn¬zeichnet, dass der Lichtbogen (22) zur elektrischen Anregung desplasmafähigen Mediums (5) periodisch mit einer Pulsdauer kleiner20 ps gezündet wird.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn¬zeichnet, dass die Temperatur des aus der Düse (21) in Richtungder zu behandelnden Oberfläche gerichteten Plasmastrahls (2)zwischen 10 °C bis 500 °C geregelt wird.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn¬zeichnet, dass als plasmafähiges Medium (5) ein Gas verwendetwird.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn¬zeichnet, dass als plasmafähiges Medium (5) eine Flüssigkeit verwendet wird.
- 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieals plasmafähiges Medium (5) verwendete Flüssigkeit vor derelektrischen Anregung mittels des Lichtbogens (22) verdampftwird.
- 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieals plasmafähiges Medium (5) verwendete Flüssigkeit nach demVerdampfen mit einem Gas gemischt wird.
- 11. Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines Plasmastrahls (2) unterAtmosphärendruck zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken (18),mit einer Zuleitung (8) für das plasmafähige Medium (5), einerEinrichtung (3) zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Me¬diums (5) mittels eines zwischen einer Kathode (19) und einerals Düse (21) ausgebildeten Anode (20) periodisch gezündetenLichtbogens (22), dadurch gekennzeichnet, dass vor der Einrich¬tung (3) zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums (5)eine Heizeinrichtung (23) zur Vorwärmung des plasmafähigen Medi¬ums (5) angeordnet ist.
- 12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass die Heizeinrichtung (23) zur Vorwärmung des plasmafähigenMediums (5) auf 5 °C bis 300 °C ausgebildet ist.
- 13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn¬zeichnet, dass die Heizeinrichtung (23) zur Vorwärmung des plas¬mafähigen Mediums (5) durch eine Induktionsheizeinrichtung (24)gebildet ist.
- 14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn¬zeichnet, dass die Heizeinrichtung (23) zur Vorwärmung des plas¬mafähigen Mediums (5) durch ein Widerstandsheizelement oder einStrahlungsheizelement gebildet ist.
- 15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurchgekennzeichnet, dass die Einrichtung (3) zur elektrischen Anre¬gung des plasmafähigen Mediums (5) durch einen Generator zur Er¬zeugung hochfrequenter Strompulse mit einer Dauer kleiner 20 ys ausgebildet ist.
- 16. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurchgekennzeichnet, dass eine Regelungseinrichtung (25) zur Regelungder Temperatur des aus der Düse (21) zur zu behandelnden Ober¬fläche gerichteten Plasmastrahls (2) zwischen 10 °C und 500 °Cvorgesehen ist.
- 17. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurchgekennzeichnet, dass die Zuleitung (8) für das plasmafähige Me¬dium (5) durch eine Gasleitung gebildet ist.
- 18. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurchgekennzeichnet, dass die Zuleitung (8) für das plasmafähige Me¬dium (5) durch eine Flüssigkeitsleitung gebildet ist.
- 19. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurchgekennzeichnet, dass zwischen der Heizeinrichtung (23) zur Vor¬wärmung des plasmafähigen Mediums (5) und der Einrichtung (3)zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums (5) eineKammer (27) zur Mischung des vorgewärmten plasmafähigen Mediums(5) mit einem weiteren plasmafähigen Mediums (5) angeordnet ist.
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