DE102005011887A1 - Verfahren zum Reinigen von Oberflächen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Oberflächen (6) mittels Atmosphärenplasmas oder Grobvakuumplasmas. Zur Verbesserung der Wirkung wird die Oberfläche (6) gleichzeitig mechanisch beansprucht, zum Beispiel durch Bürsten.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Oberflächen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die Behandlung von Oberflächen in einem Reaktor im Niederdruckplasma hat in den letzten Jahren stark an Bedeutung zugenommen. Das Reinigen mit einem solchen Plasma ist beispielsweise aus der FR 2 839 664 , der EP 343 038 A1 oder der US 6,033,587 bekannt. Der Nachteil dieser Technologie ist, dass die Behandlung in einem, wenn auch grobem, Vakuum stattfinden muss. Dies hat dazu beigetragen, dass verstärkt Behandlungsmöglichkeiten mit Plasmen unter Atmosphärendruck (AD-Plasma) gesucht wurden.
• Im Ergebnis dieser Entwicklungen wurden mehrere Produkte (Brenner) industriereif entwickelt und eingesetzt. Beispiele sind die Plasmaanlagen "Mikrowellen Plasma System 300 und 800" der PVA TePla AG, Asslar (im Internet: www.pvatepla.com). Aus der US 5,938,854 sind weitere Verfahren zum Reinigen unter Atmosphärenplasma bekannt. Aus der DE 103 11 552 A1 ist ein Verfahren zum gleichzeitigen Reinigen unter Plasma und unter Vibration bekannt. Im praktischen Einsatz der o.g. Geräte hat sich gezeigt, dass die Behandlungsgeschwindigkeit dieser Geräte bei Aufgaben wie dem Entlacken, dem Abtragen von dickeren Oxidschichten oder anderen Verunreinigungen sehr langsam ist. Das gilt auch für andere Aufgaben, wie z.B. die Vorbereitung von großen Flächen vor einer Verklebung. Der gezielte Einsatz von Prozessgasen ist eine der bekannten Möglichkeiten, um die Effektivität der AD-Plasmabehandlung zu erhöhen. So wird in der DE 103 11 552 A1 vorgeschlagen, Sauerstoff oder Ozon mit zu verwenden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Effektivität einer AD-Plasmareinigung sowohl in der Quantität als auch in der Qualität zu erhöhen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstände von Unteransprüchen. Erfindungsgemäß wird also die Oberfläche gleichzeitig zur AD-Plasmabehandlung mechanisch beansprucht. Dies erfolgt in der Nähe der Plasmaflamme und führt dazu, dass die Behandlungsgeschwindigkeit deutlich erhöht wird. Die Behandlungstiefe wird vergrößert und die Rauheit der behandelten Oberfläche verkleinert. Kern der Erfindung ist die praktisch gleichzeitige Behandlung der Oberfläche durch das AD-Plasma und eine mechanische Beanspruchung. Die mechanische Beanspruchung, vorzugsweise ein Bürsten, führt dazu, dass die Oberfläche zusätzlich mechanisch angeregt wird, die reale Oberfläche also vergrößert wird und die Reaktionsprodukte von der Oberfläche entfernt werden. Somit werden ständig frische und reaktionsfreudige Flächen geschaffen, wodurch die Behandlungsgeschwindigkeit steigt und die Behandlungstiefe zunimmt.
• Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich besonders Bürsten oder andere Reinigungsgeräte mit Borsten, die sich gleichzeitig mit der Plasmaflamme über die zu behandelnde Oberfläche bewegen. Die Borsten können aus Stahl, Kupfer, Kunststoff oder einem anderen Werkstoff sein. Da die Borsten genau so wie das Gerätegehäuse auf Erdpotential liegen, können auch Metalle verwendet werden, ohne dass ein Kurzschluss droht. Die Plasmaerzeugung erfolgt im Geräteinneren durch direkten, gesteuerten Durchschlag oder eine Barriereentladung. Die Flamme selbst ist annähernd potentialfrei. Die Bürsten können flache Bandbürsten sein, besonders bevorzugt sind rotierende Bürsten, die sich um die Plasmaflamme herum bewegen. Ebenso sind Vibrationen oder schwingende Bewegungen möglich. Die Bewegung des Plasmageräts über die Oberfläche kann von Hand oder aber auch maschinell erfolgen. So kann das gesamte AD-Plasmagerät in kleinen Kreisen auf der Werkstoffoberfläche händisch bewegt werden, wodurch es dann zu den oben beschriebnen Reinigungsprozessen kommt. Die Vorschubgeschwindigkeit des Gerätes kann dann auf ca. 10 cm/min und mehr (je nach Verschmutzungsart und -quantität) gesteigert werden. Das Plasmagerät kann auch maschinell die Oberfläche abfahren. Statt der Bewegung des Plasmageräts ist selbstverständlich auch eine Bewegung der zu reinigenden Oberfläche bei feststehendem Gerät möglich.
• Als unterstützende Gase können alle für das Atmosphärendruckplasmareinigen bekannten Gase eingesetzt werden. Je nach Aufgabe werden reduzierend oder oxidierend wirkende Prozessgase ausgewählt. In der Regel wird ein Edelgas oder Stickstoff als Trägergas verwendet, dem dann das eigentliche Prozessgas beigemischt wird.
• Bei reduzierender Wirkung ist es meist Wasserstoff, jedoch kommen in Spezialfällen auch gasförmige Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Propan oder Butan zum Einsatz. Die Anteile dieser Gasarten am Gesamtgemisch liegen meist unter 5%, können aber unter Berücksichtigung spezieller Anlagentechniken (Durchführen in inertisierten, brandgeschützten Räumen, Absaugung) bis 100% betragen.
• Oxidierende Beimengungen sind beispielsweise Sauerstoff, Kohlendioxid und für Spezialaufgaben Tetrafluorkohlenstoff (CF4). Auch hier sind die Anteile am Gesamtgemisch in weiten Bereichen variabel.
• Gute Ergebnisse bei der Entfernung von Oxidschichten von Kupfer wurden beispielsweise mit einem Formiergas N₂/H₂ im Verhältnis 95/5 erzielt. Bei 100 Watt Leistung des Brenners, einer Erregerfrequenz von 13,6 MHz und einem Gasdurchsatz von 30 l pro min liegt die Flammentemperatur bei rund 150 °C. Die Flammenlänge beträgt rund 10 mm. Durch die die Flamme umgebende Bürste wird die Plasmawirkung u. a. auch konzentriert und in der Wirkungstiefe bebessert. Was zu einer weiteren, verbesserten Wirkung der erfindungsgemäßen Kombination Plasma/mechanische Wirkung führt.
• Ein Betreiben der Erfindung im leichten Unterdruck (Grobvakuum) und damit in einem Rezipienten, z.B. bei 600 mbar, ist ebenfalls möglich, obwohl dadurch ein Teil der geräteseitigen Vorteile der Erfindung verloren geht. Der Vorteil ist jedoch auch hier eine größere Wirkungstiefe des Plasmas.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand von drei Ausführungsbeispielen, welche anhand einer Zeichnung näher erläutert werden.
• Die einzige Figur zeigt ein AD-Plasmagerät 1 mit einer Austrittsdüse 5 und einer Flamme 2 über einem Werkstück 4, hier einer Kupferplatte, deren Oberfläche 6 von einer Kupferoxidschicht befreit werden soll. Erfindungsgemäß ist an der Austrittsdüse 5 ein Haltering 3 vorgesehen, in dem Stahlborsten 7, 8 gefasst sind. Beim Betrieb rotiert der Haltering 3 um die Zentralachse des AD-Plasmageräts 1 und schafft so stets frische Oberfläche für die Plasmaflamme 2. Die Entfernung der Oxidschicht kann dadurch wesentlich schneller, nahezu mit dem doppelten Wert, nämlich 20 mm pro min, erfolgen.
• Das zweite Beispiel betrifft das Entlacken von Antiquitäten. Das in der Figur gezeigte AD-Plasmagerät 1 mit der Austrittsdüse 5 und der Flamme 2 wird mit 200 l/min eines Prozessgases, bestehend aus 80 % Argon und 20 % Sauerstoff gespeist und nach Zündung der Flamme 2 in geringen Abstand mit schwingender Bewegung per Hand über die Oberfläche 6 einer Holzfigur geführt, deren Lackierung schonend entfernt werden soll. Durch die kombinierte, plasmachemisch – mechanische Wirkung erfolgt die Entlackung schnell und schonender.
• Im dritten Beispiel wurde eine Messingfolie vor der Verzinnung im Lotbad durch die erfindungsgemäße Technik vorteilhaft behandelt. Fertigungstechnisch bedingt ist die Folienoberfläche mit einer leichten Oxidhaut und Resten organischer Fertigungsmittel verunreinigt. Bisher wurde die aufgerollte Folie, 400 mm breit, 0,5 mm dick, kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min abgrollt, mit Waschlauge unter Verwendung von Hilfsmitteln wie rotierenden Walzen gereinigt, gefluxt, im Tauchverfahren verzinnt, abgekühlt und wieder aufgerollt. Versuche, das Reinigen mit einen Atmosphärenplasma mit herkömmlicher Technik durchzuführen, sind an der hohen Folientransportgeschwindigkeit und dem nicht ausreichenden Behandlungsergebnis gescheitert. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dazu gehörigen Technik konnte das Problem gelöst werden. Es wird ebenfalls wieder das in der Figur dargestellte AD-Plasmagerät 1 verwendet, jedoch werden bis zu 10 Geräte 1 gleichzeitig eingesetzt und schwingend in Arbeitsposition bewegt. Das Prozessgas ist ein Gemisch aus 10% Wasserstoff, 1% CF4 und dem Rest Argon. Hilfreich kann hier sein, dass das Prozessgas mit Wasser angefeuchtet wird.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren fällt die aufwendige und umweltbelastende Nassbehandlung weg. Die Behandlung spart u. a. einen großen Teil des bisher eingesetzten Flussmittels.

Claims (11)

1. Verfahren zum Reinigen von Oberflächen (6) mittels Atmosphärenplasmas, oder Grobvakuumplasmas, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (6) gleichzeitig mechanisch beansprucht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Beanspruchung ein Bürsten, Kratzen oder Schaben ist
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine rotierende Rundbürste verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Flachbürste verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Plasmagas ein reduzierend wirkendes Gas oder Gasgemisch verwendet wird, bevorzugt eine Mischung aus N₂ und H₂, besonders bevorzugt Formiergas (N₂ zu H₂ = 95/5).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Plasmagas ein oxidierend wirkendes Gas oder Gasgemisch verwendet wird, bevorzugt eine Mischung aus N₂, und/oder Ar mit Sauerstoff, CF₄ oder CO₂, besonders bevorzugt ein Argon- Sauerstoffgemisch (z.B. Ar zu O₂ = 80/20).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Drücke im Bereich von 500 mbar bis 1 bar.
8. Vorrichtung zum Reinigen von Oberflächen (6) mittels Atmosphärenplasmas oder Grobvakuumplasmas, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bürst-, Kratz – oder Schabelement vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bürstelement um die Flamme (2) rotiert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bürstelement um die Flamme (2) schwingende Bewegungen ausführt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bürstelement um die Flamme (2) Längs- und/oder Querbewegungen ausführt.