AT514555B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls - Google Patents

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

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls unter Atmosphä¬rendruck zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken, wobei der Plasmastrahl durch elektri¬sche Anregung eines plasmafähigen Mediums mittels eines zwischen einer Kathode und einerals Düse ausgebildeten Anode periodisch gezündeten Lichtbogens erzeugt wird, und der Plas¬mastrahl durch die Düse in Richtung der zu behandelnden Oberfläche gerichtet wird.

[0002] Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls unterAtmosphärendruck zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken, mit einer Zuleitung für dasplasmafähige Medium, einer Einrichtung zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Medi¬ums mittels eines zwischen einer Kathode und einer als Düse ausgebildeten Anode periodischgezündeten Lichtbogens.

[0003] Unter einem Plasma versteht man ein Gas, welches freie Ladungsträger enthält, wes¬halb auch von elektrisch leitenden Gasen gesprochen wird. Plasmen können je nach Druck undTemperatur verschiedenartig verwendet werden, beispielsweise bei Gasentladungslampen, beider Materialabscheidung, zur Analyse, aber auch zur Bearbeitung von Werkstücken und zurDesinfektion von Gegenständen, Körperteilen oder Wunden. Hinsichtlich des Druckes desPlasmagases wird zwischen Niederdruckplasmen, Normaldruckplasmen bzw. Atmosphären¬druckplasmen und Hochdruckplasmen unterschieden. Die gegenständliche Erfindung ist ma߬geblich auf die Erzeugung von Plasmastrahlen unter Atmosphärendruck bei relativ niedrigerTemperatur gerichtet und hauptsächlich für Anwendungen zur Behandlung von Oberflächenvon Werkstücken oder dergleichen gedacht. Die Behandlung von Oberflächen von Werkstückenmit Plasmen in Niederdruckkammern ist ein bereits gut etabliertes und bekanntes Verfahren,welches schon seit vielen Jahren industriell eingesetzt wird. Niederdruckplasmen zeichnen sichdurch eine gute Spaltgängigkeit und hohe Wirksamkeit aus. Sie eignen sich gut für die Behand¬lung von Kleinteilen und auch von Schüttgut. Nachteilig sind neben hohen Investitionskosten dieerforderliche Prozesszeit zum Abpumpen der Plasmakammern und die fehlende Möglichkeiteiner sogenannten Inline-Durchführung der Plasmabehandlung. Auch die Behandlung vongrößeren Bauteilen wird durch die dafür notwendigen großen Vakuumkammern bei Nieder¬druckplasmen rasch unwirtschaftlich.

[0004] Anwendungen von Atmosphärendruckplasmen beschränkten sich vorerst nur auf soge¬nannte thermische Plasmen, welche bei Plasmatemperaturen von einigen 1000 °C hauptsäch¬lich für Schmelzprozesse (wie z.B. Schweißen, Löten, Schneiden, etc.) eingesetzt wurden.Neuere Entwicklungen ermöglichen nun auch die Realisierung von sogenannten nicht-thermi¬schen Atmosphärendruckplasmen, welche auch Anwendungen bei niedrigen Plasmatemperatu¬ren von einigen 10 ‘C bis zu einigen 100 °C ermöglichen. Somit erschließen sich neue interes¬sante Anwendungsgebiete für die Oberflächenbehandlung mittels Atmosphärendruckplasmen,wie z.B. das Reinigen und Aktivieren von Materialien oder das Beschichten mittels Plasmapoli-merisation bis hin zu medizinischen Anwendungen, wie das Desinfizieren offener Wunden.

[0005] Zur Erzeugung eines Atmosphärendruckplasmas wird üblicherweise ein spezielles Gasverwendet (z.B. aufbereitete Luft, N2, Helium, Argon), welches in einem Plasmabrenner durchZuführen elektrischer Energie in den Plasmazustand gebracht wird. Dieses Plasma wird übereine Düse auf die zu behandelnde Oberfläche geblasen, während der Plasmabrenner mit defi¬niertem Abstand und Geschwindigkeit über das Werkstück bewegt wird. Dabei kommt es zuWechselwirkungen des Plasmas mit der Umgebungsluft (Quenching, Einmischen der Luftmole¬küle durch turbulente Strömungen) und zu Wechselwirkungen mit der zu behandelnden Ober¬fläche. Der wohl überzeugendste Vorteil dieses Konzepts ist die Inline-Fähigkeit und die darausresultierende einfache Integrierbarkeit des Prozesses in bestehende Produktionsketten. Ein¬schränkungen ergeben sich bei der Behandlung von Schüttgut und Kleinteilen, sofern sichdiese nicht in ausreichendem Maße vor dem Plasmabrenner platzieren lassen. Auch ist dieoxidierende Wirkung dieser Plasmen bei manchen Anwendungen unerwünscht.

[0006] Durch die Wechselwirkung des Plasmastrahls mit der Oberfläche des Werkstücks wird diese aktiviert und/oder gereinigt. Die Reinigungswirkung beruht unter anderem auf mechani¬schen Prozessen aufgrund des Beschusses der Oberfläche mit angeregten Molekülen, Atomenund Ionen und auch auf chemischen Prozessen. Dabei reagieren die Verunreinigungen auf derOberfläche mit den angeregten Teilchen im Plasma zu gasförmigen Reaktionsprodukten, wel¬che schließlich durch den Gasstrom entfernt werden. Anwendungen dieses Prozesses findensich in der mikrofeinen Reinigung und dem Entfernen von Ölen, Fetten, Silikonen, Oxiden,Fasern oder dünnen Beschichtungen. Auch eine gezielte Veränderung der Oberflächenstruktur(z.B. Mikrostrukturierung) ist möglich.

[0007] Die aktivierende Wirkung des Plasmas wird durch chemische Oberflächenreaktionenerreicht. Abhängig vom Grundmaterial und der Zusammensetzung des Plasmas werden auf derOberfläche Radikalstellen oder chemisch aktive Gruppen (z.B. Hydroxyl- oder Carboxyl-Grup-pen) erzeugt. Diese bewirken eine Veränderung der Oberflächenenergie und in weiterer Folgeeine Veränderung der Oberflächeneigenschaften der behandelten Werkstücke. Somit lässt sichz.B. das Benetzungsverhalten von Materialien gezielt beeinflussen. Eine ursprünglich hydro¬phobe Oberfläche (wie z.B. Polypropylen) kann durch die Plasmaaktivierung in einen hydrophi¬len Zustand gebracht werden. Beide Effekte, die Bildung von chemisch aktiven Gruppen unddie Veränderung der Oberflächenenergie, können das Benetzungsverhalten, die Schichtbildungund die Haftfestigkeit von Beschichtungen drastisch verbessern.

[0008] Viele Anwendungen der soeben beschriebenen Prozesse finden sich in der Vorbehand¬lung von Materialien vor dem Bonden, Löten, Schweißen, Kleben, Lackieren, Bedrucken undBeschichten. Die Reinigung und Aktivierung von Materialien mittels Atmosphärendruckplasmaskann chemische Reinigungsprozesse und die Verwendung von Primern ersetzen. Der damitverbundene Entfall von Lösungsmitteln oder anderen Chemikalien macht die Plasmatechnolo¬gie sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch interessant.

[0009] Die EP 0 761 415 B9 betrifft beispielsweise ein Verfahren zur Erhöhung der Benetzbar¬keit der Oberfläche von Werkstücken unter Verwendung von Atmosphärendruckplasma, wobeidas Plasma über einen hochfrequent angeregten Lichtbogen erzeugt wird, der nicht aus derDüse des Plasmabrenners austritt.

[0010] Aus der EP 1 922 908 B1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserdampf-Plas¬mabrenners und ein Wasserdampf-Schneidgerät bekannt geworden, aus dem eine optimierteUmschaltung von einem übertragenen Modus in den nicht übertragenen Modus für ein optima¬les Bearbeitungsergebnis hervorgeht.

[0011] Die AT 510 012 B1 beschreibt einen Wasserdampf-Plasmabrenner mit einer Induktions¬heizung zum Verdampfen von Wasser oder anderer Flüssigkeiten als plasmafähiges Medium.Der darin beschriebene Wasserdampf-Plasmabrenner kann beispielsweise zum Schneiden vonWerkstücken eingesetzt werden.

[0012] Nachteilig bei bisherigen Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Plasmastrah¬len ist, dass bei hoher Aktivierung des Plasmas auch eine Erhöhung der Plasmatemperatur dieFolge ist, weshalb sich speziell aktivierte Plasmen aufgrund ihrer Temperatur nicht für alleAnwendungen, beispielsweise Oberflächenvorbehandlung von empfindlichen Werkstücken,eignen.

[0013] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eineVorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls unter Atmosphärendruck zur Oberflächenbe¬handlung von Werkstücken oder dergleichen zu schaffen, durch welche ein hoher Aktivierungs¬grad des Plasmas auch bei relativ niedrigen Temperaturen des Plasmas ermöglicht wird, umauch Anwendungen bei empfindlichen Werkstücken oder sogar Teilen des menschlichen odertierischen Körpers zu ermöglichen. Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen sollenvermieden oder zumindest reduziert werden.

[0014] Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe in verfahrensmäßiger Hinsicht dadurch,dass das plasmafähige Medium vor der elektrischen Anregung mittels des Lichtbogens in einerHeizeinrichtung vorgewärmt wird. Durch die Trennung der thermischen Anregung des plasma- fähigen Mediums von der üblichen elektrischen Anregung mittels des Lichtbogens kann eineunabhängige Einstellung der Plasmaleistung und der Plasmatemperatur erzielt werden. Durchdie zusätzliche Vorwärmung des plasmafähigen Mediums vor der elektrischen Anregung mittelsdes Lichtbogens kann auch bei niedrigen Plasmatemperaturen (sogenannten kalten Plasmen)eine hohe Plasmaleistung bzw. Plasmaaktivierung erzielt werden. Kern der vorliegenden Erfin¬dung ist die Vorwärmung des plasmafähigen Mediums, was sowohl Einflüsse auf den Prozessder Plasmaerzeugung als auch auf den Prozess der Oberflächenbehandlung der Werkstückeoder dergleichen hat. Ziel bei der Erzeugung eines Plasmas zur Oberflächenbehandlung vonWerkstücken oder dergleichen ist die Generation möglichst vieler chemisch aktiver Spezies. Fürdie Erzeugung chemisch aktiver Spezies (z.B. Radikale oder Ionen) muss eine gewisse Mengean Energie aufgebracht werden. Durch Erhitzen der plasmafähigen Medien wird ein Teil dieserEnergie bereits auf thermischem Wege zur Verfügung gestellt. Die für die Erzeugung des Plas¬mas notwendige elektrische Energie reduziert sich dadurch. Dies hat positive Einflüsse auf dasZündverhalten des Plasmas zur Folge und gibt somit auch mehr Spielraum für die Geometriedes Plasmabrenners. Auch kann etwaige überschüssige elektrische Energie für die Erzeugungzusätzlicher chemisch aktiver Spezies verwendet werden. Die Vorbehandlung von Werkstückenmit Atmosphärendruckplasmen beruht zu einem großen Teil auf chemischen Oberflächenreak¬tionen. Die dabei interessanten Absorptions- und Desorptionsvorgänge sind mitunter stark vonder Temperatur abhängig. Für jede Anwendung gibt es einen idealen Temperaturbereich umdie Wirkung der Plasmavorbehandlung zu erhöhen. Gleichzeitig sollte die Plasmatemperaturnicht zu hoch werden, um auch thermisch sensible Oberflächen bearbeiten zu können. Dievorliegende Erfindung dient dazu, die Plasmatemperatur gezielt und getrennt von der Aktivie¬rung des Plasmas optimal einstellen zu können. Durch das Vonwärmen des plasmafähigenMediums kann man die Prozesstemperaturen also unabhängig von den Parametern zur Plas¬maerzeugung optimieren und dadurch die Wirkung der Oberflächenvorbehandlung des Atmo¬sphärendruckplasmas erhöhen. Dazu zählen beispielsweise höhere Aktivierungs- und Reini¬gungseffekte, höhere Prozessgeschwindigkeiten, geringere Sensibilität hinsichtlich des Proben¬abstands und Ähnliches. Zusätzlich kann durch die Möglichkeit des Verdampfens von flüssigenplasmafähigen Medien eine neue Plasmachemie zur Verfügung gestellt werden.

[0015] Vorteilhafter Weise wird das plasmafähige Medium auf eine Temperatur von 5 °C bis300 °C vorgewärmt und entsprechend der jeweiligen Anwendung auf diese Temperatur gere¬gelt. Dieser Temperaturbereich des Plasmastrahls lässt eine Anwendung bei vielen Materialienbis hin zu Teilen des menschlichen oder tierischen Körpers zu.

[0016] Das plasmafähige Medium kann induktiv oder mittels Widerstandsheizelementen oderStrahlungsheizelementen vorgewärmt werden.

[0017] Bei einer induktiven Heizung kann der Wärmeübergangswiderstand begrenzt bzw. ver¬ringert werden.

[0018] Wenn der Lichtbogen zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums periodischmit einer Pulsdauer kleiner 20 ps gezündet wird, kann eine optimale elektrische Anregungerzielt werden. Durch die relativ kleine Pulsdauer kann die resultierende Temperatur des Plas¬mas gering gehalten werden. Je nach Anforderung kann die Anregungsfrequenz beispielsweiseim Bereich zwischen 10 kHz und 100 kHz liegen.

[0019] Die Temperatur des aus der Düse in Richtung der zu behandelnden Oberfläche gerich¬teten Plasmastrahls wird vorzugsweise zwischen 10 °C bis 500 °C geregelt. Durch die Tempe¬raturregelung kann sichergestellt werden, dass die zu behandelnden Oberflächen nicht über¬hitzt und das Werkstück oder dergleichen nicht zerstört wird.

[0020] Als plasmafähiges Medium kann ein Gas, eine Mischung verschiedener Gase, eineFlüssigkeit, eine Mischung verschiedener Flüssigkeiten oder auch eine Mischung eines odermehrerer Gase(s) mit einer oder mehreren Flüssigkeit(en) verwendet werden. Die verwendetenGase und/oder Flüssigkeiten können gezielt auf die jeweilige Anwendung abgestellt werden undoptimal auf das Material des zu behandelnden Werkstücks abgestimmt werden.

[0021] Bei Verwendung einer oder mehrerer Flüssigkeiten als plasmafähiges Medium wirddiese Flüssigkeit vorzugsweise vor der elektrischen Anregung mittels des Lichtbogens ver¬dampft. Die Heizeinrichtung zum Verdampfen des flüssigen plasmafähigen Mediums kannbeispielsweise durch eine Induktionsheizung gebildet werden, wie sie in der AT 510 012 B1beschrieben wird.

[0022] Die als plasmafähiges Medium verwendete Flüssigkeit kann nach dem Verdampfen miteinem Gas gemischt werden. Somit kann eine oder können mehrere Flüssigkeiten nach demVerdampfen mit einem oder verschiedenen Gasen gemischt werden, um bestimmte Eigen¬schaften des Plasmas für bestimmte Anwendungen erzielen zu können.

[0023] Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch eine oben genannte Vorrichtungzur Erzeugung eines Plasmastrahls, wobei vor der Einrichtung zur elektrischen Anregung desplasmafähigen Mediums eine Heizeinrichtung zur Vorwärmung des plasmafähigen Mediumsangeordnet ist. Zu den dadurch erzielbaren Vorteilen wird auf die obige Beschreibung desVerfahrens zur Erzeugung eines Plasmastrahls verwiesen.

[0024] Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise zur Vorwärmung des plasmafähigen Mediums auf5 °C bis 300 °C und zur Regelung auf die jeweilige Temperatur entsprechend der jeweiligenAnwendung ausgebildet.

[0025] Die Heizeinrichtung zur Vorwärmung des plasmafähigen Mediums kann durch eineInduktionsheizeinrichtung, ein Widerstandsheizelement oder ein Strahlungsheizelement gebil¬det sein.

[0026] Die Einrichtung zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums kann durcheinen Generator zur Erzeugung hochfrequenter Strompulse mit einer Dauer kleiner 20 ps aus¬gebildet sein.

[0027] Wenn eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Temperatur des aus der Düse zur zubehandelnden Oberfläche gerichteten Plasmastrahls zwischen 10 °C und 500 °C vorgesehenist, kann die jeweils gewünschte Temperatur des Plasmastrahls sicher in dem jeweiligen Zielbe¬reich gehalten werden.

[0028] Die Zuleitung für das plasmafähige Medium kann durch zumindest eine Gasleitungund/oder zumindest eine Flüssigkeitsleitung gebildet sein.

[0029] Zwischen der Heizeinrichtung zur Vorwärmung des plasmafähigen Mediums und derEinrichtung zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums kann eine Kammer zurMischung des vorgewärmten plasmafähigen Mediums mit einem weiteren plasmafähigen Medi¬um angeordnet sein.

[0030] Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.Darin zeigen: [0031] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma¬ strahls; [0032] Fig. 2 den Aufbau einer Ausführungsform eines Plasmabrenners in geschnittener Dar¬ stellung; und [0033] Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls.

[0034] In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung eines Plasmastrahls 2 gezeigt. Die Vor¬richtung 1 umfasst eine Einrichtung 3 zur elektrischen Anregung eines in einem Behälter 4vorgesehenen plasmafähigen Mediums 5. Die Einrichtung 3 zur elektrischen Anregung desplasmafähigen Mediums 5 ist mit einer Steuervorrichtung 6 verbunden. Der Plasmabrenner 7wird über eine Zuleitung 8 mit der Steuervorrichtung 6 verbunden, so dass der Plasmabrenner 7mit dem im Behälter 4 angeordneten plasmafähigen Medium 5 versorgt werden kann. Die Ver¬sorgung des Plasmabrenners 6 mit elektrischer Energie von der Einrichtung 3 erfolgt über dieLeitungen 9 und 10.

[0035] Zum Kühlen des Plasmabrenners 7 kann dieser über einen Kühlkreislauf 11 allenfallsunter Zwischenschaltung eines Strömungswächters 12 mit einem eigenen Flüssigkeitsbehälter13 oder dem Behälter 4 verbunden sein. Bei Inbetriebnahme des Plasmabrenners 7 kann derKühlkreislauf 11 von der Steuervorrichtung 6 gestartet und somit eine Kühlung des Plasmab¬renners 7 über den Kühlkreislauf 11 erreicht werden. Zur Bildung des Kühlkreislaufs 11 wird derPlasmabrenner 7 über Kühlleitungen 14, 15 mit dem Flüssigkeitsbehälter 13 oder dem Behälter4 verbunden. Der Kühlkreislauf 11 kann auch direkt über die Flüssigkeitsversorgung des Plas¬mabrenners 7 vom Behälter 4 über die Versorgungsleitung 7 gebildet werden, wodurch nur eineeinzige Flüssigkeitsversorgung zum Plasmabrenner 7 benötigt wird.

[0036] Weiters kann eine Eingabe- und/oder Anzeigevorrichtung 16 vorgesehen sein, überwelche die unterschiedlichsten Parameter bzw. Betriebsarten der Vorrichtung 1 eingestellt undangezeigt werden können. Die über die Eingabe- und/oder Anzeigevorrichtung 16 eingestelltenParameter werden an die Steuervorrichtung 6 weitergeleitet, welche die einzelnen Komponen¬ten der Vorrichtung 1 entsprechend ansteuert.

[0037] Der Plasmabrenner 7 kann zumindest ein Bedienelement 17 aufweisen, über welchesder Benutzer der Steuervorrichtung 6 vom Plasmabrenner 7 aus mitteilen kann, dass eineBearbeitung durchgeführt werden soll. Des Weiteren können an der Eingabe- und/oder Ausga¬bevorrichtung 16 beispielsweise Voreinstellungen getroffen werden. Selbstverständlich könnenweitere Bedienelemente am Plasmabrenner 7 angeordnet sein, über die ein oder mehrereBetriebsparameter der Vorrichtung 1 vom Plasmabrenner 7 aus eingestellt werden können.Hierzu können diese Bedienelemente 17 direkt über Leitungen oder über ein Bussystem mit derSteuervorrichtung 6 verbunden sein. Das Bedienelement 17 kann auch eine Anzeigevorrich¬tung, beispielsweise eine LCD-Anzeige, beinhalten, so dass dem Benutzer am Plasmabrenner7 entsprechende Einstellungen, Parameter oder Informationen angezeigt werden können.

[0038] Die Steuervorrichtung 6 aktiviert nach dem Betätigen des Bedienelements 17 die einzel¬nen für das Plasmabearbeitungsverfahren benötigten Komponenten. Beispielsweise werdenzuerst eine Pumpe (nicht dargestellt) sowie die Einrichtung 3 angesteuert, wodurch eine Ver¬sorgung des Plasmabrenners 7 mit dem plasmafähigen Medium 5 sowie elektrischer Energieeingeleitet wird. Anschließend aktiviert die Steuervorrichtung 6 den Kühlkreislauf 11, so dasseine Kühlung des Plasmabrenners 7 ermöglicht wird. Durch die Versorgung des Plasmabren¬ners 7 mit dem plasmafähigen Medium 5 und elektrischer Energie wird im Plasmabrenner 7 dasplasmafähige Medium 5 in den Plasmastrahl 2 umgewandelt, welcher zur Behandlung derOberfläche eines Werkstücks 18 oder dergleichen verwendet werden kann.

[0039] Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform eines Plasmabrenners 7 in geschnittenerDarstellung. Demgemäß umfasst der Plasmabrenner 7 zumindest eine Zuleitung 8 für dasplasmafähige Medium 5 (nicht dargestellt), eine Kathode 19 und eine als Düse 21 ausgebildeteAnode 20. Selbstverständlich können Kathode 19 und Anode 20 auch umgekehrt eingesetztwerden. Zwischen der Kathode 19 und der Anode 20 wird periodisch ein Lichtbogen 22 gezün¬det, welcher das über die Zuleitungen 8 zugeführte plasmafähige Medium 5 elektrisch anregt.Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine Heizeinrichtung 23 zur Vorwärmung des plasmafähigenMediums 5 angeordnet, welche im dargestellten Beispiel als Induktionsheizung 24 ausgebildetist, welche um die gewindeförmig angeordnete Leitung für das plasmafähige Medium 5 ange¬ordnet ist. Zusätzlich kann eine Heizeinrichtung zum Verdampfen eines flüssigen, plasmafähi¬gen Mediums 5 vorgesehen sein (nicht dargestellt), nach welcher allenfalls eine Kammer 27 zurMischung mehrerer plasmafähiger Medien 5 vorgesehen ist. Die Mischung plasmafähiger Medi¬en 5 wird dann in den Brennraum 28, in welchem der Lichtbogen 22 periodisch gezündet wird,geleitet, wo der Plasmastrahl 2 erzeugt und aus der Düse 21 in Richtung des zu behandelndenWerkstücks 18 oder dergleichen getrieben wird. Der Abstand zwischen Kathode 19 und Anode20 ist gegenüber herkömmlichen Plasmabrennern 7 größer ausgebildet. Durch spezielle Gestal¬tung dieses Abstands, aber auch des Brennraums 28 zwischen Kathode 19 und Anode 20 undGestaltung der Düse 21 kann die Verwirbelung des plasmafähigen Mediums 5 und in der Folgedie Breite des Plasmastrahls 2 eingestellt und an den jeweiligen Anwendungsfall gezielt ange¬passt werden. Aufgrund der größeren Distanz zwischen Kathode 19 und Anode 20 ist es von

Vorteil, wenn die Zündung des Lichtbogens 22 mit einer höheren Frequenz, üblicherweise imBereich zwischen 10 kHz und 100 kHz gezündet wird. Da der Lichtbogen 22 nicht aus der Düse21 austritt, können mit dem Plasmastrahl 2 auch Werkstücke 18 aus elektrisch nicht leitfähigemMaterial, beispielsweise Kunststoffe bis hin zu biologischen Geweben, behandelt werden.

[0040] Fig. 3 zeigt schließlich ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung einesPlasmastrahls 2 gemäß der vorliegenden Patentanmeldung. Die Vorrichtung 1 umfasst den inFig. 2 beschriebenen Plasmabrenner 7, einen oder mehrere Behälter 4 für ein gasförmiges oderflüssiges plasmafähiges Medium 5 und eine Einrichtung 3 zur elektrischen Anregung des plas¬mafähigen Mediums 5 im Plasmabrenner 7. Vorteilhafterweise wird eine Regelungseinrichtung25 zur Regelung der Temperatur des Plasmastrahls 2 vorgesehen, indem die Temperatur miteinem geeigneten Temperatursensor 26 an einer geeigneten Stelle gemessen wird und je nachgemessener Temperatur die Einrichtung 3 zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Medi¬ums 5 oder die Zuleitungen 8 für das plasmafähige Medium 5 entsprechend beeinflusst werden.Die Temperaturmessung des Plasmastrahls 2 kann - wie in Fig. 3 dargestellt - indirekt im Be¬reich der Heizeinrichtung 23 oder auch direkt im Bereich der Düse 21 (nicht dargestellt) erfol¬gen. Die für bestimmte Oberflächenbehandlungen notwendigen Temperaturen des Plasma¬strahls 2 können in entsprechenden Tabellen oder Datenbanken 29 enthalten sein.

[0041] Mit dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung einesPlasmastrahls 2 unter Atmosphärendruck können auch bei niedrigen Temperaturen Oberflä¬chen von Werkstücken 18 oder dergleichen geeignet behandelt werden und insbesondereOberflächen von Werkstücken 18 vor dem Lackieren, vor dem Schweißen, vor einem Klebenoder dergleichen mit dem Plasmastrahl 2 vorbehandelt werden. Durch die Vorwärmung desplasmafähigen Mediums 5 kann eine getrennte Einstellung der elektrischen und thermischenAnregung des Plasmas erfolgen.

[0042] Beispiel: [0043] Für die Vorbehandlung von Aluminium für eine nachfolgende Schweiß-, Klebe- oderLackieranwendung kann es von Vorteil sein, die Oberfläche dahingehend zu konditionieren,dass die Benetzbarkeit und die Haftfähigkeit der Aluminiumoberfläche gesteigert werden. Einegute Möglichkeit zur messtechnischen Erfassung von Veränderungen der Oberfläche stellt dieKontaktwinkelmessung dar. Unter anderem kann mit dieser Messung die Oberflächenspannungvon Festkörpern vor und nach erfolgter Behandlung mit Atmosphärendruckplasma analysiertwerden. Eine Erhöhung der Oberflächenspannung ist dabei immer ein sehr guter Indikator,dass sich die Benetzbarkeit und die Haftfähigkeit verbessert haben. Das in diesem Beispielverwendete Aluminium weist im unbehandelten Zustand eine Oberflächenspannung von32 mN/m auf.

[0044] Führt man nun eine Behandlung der Oberfläche mit Atmosphärendruckplasmen durch,kann die Oberflächenspannung deutlich erhöht werden.

[0045] In diesem Beispiel wird ein Atmosphärendruckplasmabrenner mit einer integriertenInduktionsheizung 24 als Heizeinrichtung 23 verwendet. Der Durchmesser der Austrittsöffnungder Düse 21 kann in einem Bereich zwischen 1 mm und 6 mm variiert werden, der Abstand derKathode 19 zur Anode 20 beträgt mindestens 1 cm und der Innendurchmesser des Brennraums28 beträgt im Wesentlichen 1 cm. Die Heizleistung der Induktionsheizung 24 kann stufenlos von0 W bis 500 W geregelt werden. Für die Temperaturregelung ist ein Temperatursensor 26 imBereich der Heizeinrichtung 23 vorgesehen. Das plasmafähige Medium 5 wird über eine Zulei¬tung 8 dem Plasmabrenner 7 zugeführt und kann in der Heizeinrichtung 23 erhitzt werden.Druck und Durchfluss des zugeführten plasmafähigen Mediums 5 wird dabei so geregelt, dassein Durchfluss im Bereich von 20 Liter gasförmigen plasmafähigen Mediums 5 pro Minute inden Brennraum 28 gewährleistet ist. Um die Einströmung des plasmafähigen Mediums 5 in denBrennraum 28 in einer für die Plasmaerzeugung geeigneten Weise durchführen zu können,besteht der Einlass aus mehreren Einströmöffnungen, welche so angeordnet sind, dass imBrennraum 28 ein Strömungswirbel erzeugt werden kann. Für die Plasmaerzeugung werdenpositive Hochspannungspulse mit einer Frequenz von 20 kHz und einer maximalen Span¬ nungsamplitude von 20 kV verwendet. Für die Behandlung des Aluminiumwerkstückes wird derPlasmabrenner mit einem definierten Abstand von 3,5 mm und einer definierten Geschwindig¬keit von 50 cm/min über die Materialoberfläche geführt.

[0046] Verwendet man nun in einem ersten Versuch aufbereitete Luft als plasmafähiges Medi¬um 5, ohne die Heizeinrichtung 23 einzuschalten, kann eine gewöhnliche Behandlung mit At¬mosphärendruckplasma durchgeführt werden. Die Oberflächenspannung des Aluminiums kanndadurch auf 55 mN/m gesteigert werden. Durch Einschalten der Heizeinrichtung 23 und Erhö¬hung der Temperatur des plasmafähigen Mediums 5 kann dieser Wert nun weiter gesteigertwerden. Regelt man die Temperatur der Luft vor der Plasmaerzeugung auf einen Wert von 200O, kann damit die Oberflächenspannung des Aluminiums auf 65 mN/m erhöht werden. Nochinteressanter wird es, wenn man auch die Plasmachemie verändert. Durch die Verwendung vonWasser als Ausgangsmedium und eine geeignete Regelung der Heizeinrichtung 23 kann manWasserdampf mit einer Temperatur von 200 °C als plasmafähiges Medium 5 zur Verfügungstellen. Mit einem aus diesem Medium erzeugten Atmosphärendruckplasma kann man dieOberflächenspannung von Aluminium nun auf 72 mN/m erhöhen. Die angegebenen Zahlenwer¬te dienen nur zur Verdeutlichung dieser beispielhaften Anwendung und sind nicht einschrän¬kend zu verstehen.

Claims (19)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls (2) unter Atmosphärendruck zur Oberflä¬chenbehandlung von Werkstücken (18), wobei der Plasmastrahl (2) durch elektrische An¬regung eines plasmafähigen Mediums (5) mittels eines zwischen einer Kathode (19) undeiner als Düse (21) ausgebildeten Anode (20) periodisch gezündeten Lichtbogens (22) er¬zeugt wird, und der Plasmastrahl (2) durch die Düse (21) in Richtung der zu behandelndenOberfläche gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das plasmafähige Medium (5)vor der elektrischen Anregung mittels des Lichtbogens (22) in einer Heizeinrichtung (23)vorgewärmt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das plasmafähige Medium(5) auf eine Temperatur von 5 °C bis 300 °C vorgewärmt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das plasmafähigeMedium (5) induktiv vorgewärmt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das plasmafähigeMedium (5) mittels Widerstandsheizelementen oder Strahlungsheizelementen vorgewärmtwird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Licht¬bogen (22) zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums (5) periodisch mit einerPulsdauer kleiner 20 ps gezündet wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempe¬ratur des aus der Düse (21) in Richtung der zu behandelnden Oberfläche gerichtetenPlasmastrahls (2) zwischen 10 °C bis 500 °C geregelt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als plasma¬fähiges Medium (5) ein Gas verwendet wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als plasma¬fähiges Medium (5) eine Flüssigkeit verwendet wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die als plasmafähiges Medi¬um (5) verwendete Flüssigkeit vor der elektrischen Anregung mittels des Lichtbogens (22)verdampft wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die als plasmafähiges Medi¬um (5) verwendete Flüssigkeit nach dem Verdampfen mit einem Gas gemischt wird.
11. 11. Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines Plasmastrahls (2) unter Atmosphärendruck zur Ober¬flächenbehandlung von Werkstücken (18), mit einer Zuleitung (8) für das plasmafähigeMedium (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), dadurch gekennzeichnet, dass vor der Ein¬richtung (3) zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums (5) eine Heizeinrich¬tung (23) zur Vorwärmung des plasmafähigen Mediums (5) angeordnet ist.
12. 12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung(23) zur Vorwärmung des plasmafähigen Mediums (5) auf 5 °C bis 300 Ό ausgebildet ist.
13. 13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizein¬richtung (23) zur Vorwärmung des plasmafähigen Mediums (5) durch eine Induktionsheiz¬einrichtung (24) gebildet ist.
14. 14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizein¬richtung (23) zur Vorwärmung des plasmafähigen Mediums (5) durch ein Widerstandsheiz¬element oder ein Strahlungsheizelement gebildet ist.
15. 15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieEinrichtung (3) zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums (5) durch einenGenerator zur Erzeugung hochfrequenter Strompulse mit einer Dauer kleiner 20 ps ausge¬bildet ist.
16. 16. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eineRegelungseinrichtung (25) zur Regelung der Temperatur des aus der Düse (21) zur zu be¬handelnden Oberfläche gerichteten Plasmastrahls (2) zwischen 10 °C und 500 °C vorge¬sehen ist.
17. 17. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dieZuleitung (8) für das plasmafähige Medium (5) durch eine Gasleitung gebildet ist.
18. 18. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dieZuleitung (8) für das plasmafähige Medium (5) durch eine Flüssigkeitsleitung gebildet ist.
19. 19. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dasszwischen der Heizeinrichtung (23) zur Vorwärmung des plasmafähigen Mediums (5) undder Einrichtung (3) zur elektrischen Anregung des plasmafähigen Mediums (5) eine Kam¬mer (27) zur Mischung des vorgewärmten plasmafähigen Mediums (5) mit einem weiterenplasmafähigen Mediums (5) angeordnet ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen