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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen
(Plasmabehandlungsvorrichtung) mit mindestens einem elektrischen
Generator und mehreren Plasmaerzeugern.
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Bei
einem Plasma handelt es sich um ein zumindest teilionisiertes Gas.
Ein Atmosphärenplasma wird in einem Plasmaerzeuger (Plasmaquellen) üblicherweise
bei in bevorzugt trockener und ölfreier Luft erzeugt. Dabei
wird ein Luftstrom aus einem Druckluftanschluss unter einem Druck
von z. B. 5 bis 8 bar durch einen zwischen zwei Elektroden angeordneten Entladungsbereich
geführt. Die Elektroden können dabei als eine
als Zentralelektrode ausgebildete Innenelektrode innerhalb einer
düsenförmigen Außenelektrode ausgebildet
sein. Durch letztere Anordnung wird eine Plasmadüse ausgebildet.
Die Innenelektrode ist dabei üblicherweise an den Generator,
d. h. an die vom Generator zur Verfügung gestellte elektrische
Spannung, angeschlossen, d. h. sie bildet eine Hochspannungselektrode
aus, und die Außenelektrode ist auf Erdpotential gelegt.
Das Plasma wird in dem Entladungsbereich z. B. in einem Lichtbogen
erzeugt und der Luftstrom wird durch den Entladungsbereich zum Austritt
aus einer Düsenöffnung der jeweiligen Außenelektrode
geleitet. Der Luftstrom trägt die im Lichtbogen, d. h.
im Entladungsbereich, entstehenden Ionen und angeregten Gasteilchen
aus dem Entladungsbereich heraus, wodurch ein Plasmastrahl (Aktivgasstrahl)
entsteht. Die elektrischen Ladungen der in diesem Plasmastrahl enthaltenen Ionen
weisen im Wesentlichen keinen elektrischen Ladungsüberschuss
auf, so dass der Plasmastrahl gegenüber der Umgebung, d.
h. gegenüber Erdpotential, keine elektrische Spannung aufbaut,
also potentialfrei ist.
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Der
Generator ist dabei üblicherweise als Hochspannungsgenerator
ausgebildet und stellt eine elektrische Spannung von z. B. bis zu
10 Kilovolt (kV) zur Verfügung. Der Generator kann z. B.
als Energieversorgung einen Netzspannungsanschluss aufweisen.
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Ein
Plasma bietet sehr vielseitige Möglichkeiten, Oberflächen
von Werkstücken zu modifizieren. Dazu wird der mittels
einer Plasmadüse erzeugte Plasmastrahl auf die Oberfläche
des Werkstückes fokussiert. Zum Beispiel kann eine Feinreinigung
von verschmutzten Werkstücken, eine Plasmaaktivierung von
Oberflächen von Kunststoffteilen, eine Ätzung
SiOx-Schichten oder Silizium oder die Beschichtung von Kunststoffteilen
mit PTFE-ähnlichen Schichten durch Behandlung in einem
Plasma vorgenommen werden. Eine Oberflächenbehandlung mit
einem Plasma wird daher in den verschiedensten Bereichen eingesetzt,
wo es darauf ankommt, Materialien zu verbinden oder die Oberflächeneigenschaften
der Materialien gezielt zu verändern. Auch ein Zusammenschweißen
von Werkstücken ist mit einem Plasmastrahl durchführbar.
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Bekannte
Plasmabehandlungsvorrichtungen sind z. B. in den Druckschriften
DE 10145131 A1 ,
EP 1441578 A2 oder
DE 202004008285 U1 offenbart. Für
die Oberflächenbehandlung mit einem Plasma ist es sehr
vorteilhaft, einen möglichst breiten Plasmastrahl mittels
der Plasmabehandlungsvorrichtung zu erzeugen. Dazu wird in den genannten
Druckschriften z. B. vorgeschlagen, mehrere Plasmaerzeuger parallel
zueinander in einer Rasteranordnung zu betreiben. Pro Plasmaerzeuger
wird dabei, zu dessen Spannungsversorgung zur Erzeugung des Plasmas im
Entladungsbereich des Plasmaerzeugers, ein separater Generator benötigt
oder es wird ein Generator eingesetzt, der mehrere Ausgangstransformatoren/Symmetrierbauteile,
d. h. Spannungsausgänge, aufweist, wobei für jeden
Plasmaerzeuger ein Ausgangstransformator vorgesehen ist. Eine derartige Plasmabehandlungsvorrichtung
weist daher eine sehr aufwendige Spannungsversorgung auf.
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Auch
die
DE 19532412 A1 schlägt
eine derartige Rasteranordnung von Plasmaerzeugern, die an jeweils
einen Spannungsausgang jeweils eines Generators angeschlossen sind,
vor, wobei die Breite des mittels der Plasmaerzeuger erzeugten Plasmastrahls
durch Zu- und Abschalten einzelner Plasmaerzeuger nach Bedarf steuerbar
ist.
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Die
Druckschriften
EP 1067829
B1 und
EP 0986939
B1 offenbaren jeweils eine Anordnung mit Plasmaerzeugern,
die eine rotierende Plasmadüse aufweisen, um durch die
Rotation der Plasmadüse eine Verbreiterung des Plasmastrahls
zu erreichen. Durch die Rotation wird der Plasmastrahl jedoch inhomogen,
was die Qualität der Oberflächenbehandlung beeinträchtigt.
Die
EP 0986939 B1 schlägt
zur Lösung dieses Problems vor, mehrere rasterförmig angeordnete
Plasmadüsen rotierend parallel zu betreiben. Dadurch wird
jedoch wieder eine aufwendige Spannungsversorgung notwendig. Auch
die Kontaktierung der Plasmastrahler, d. h. der Hochspannungselektroden
der Plasmastrahler, mit den Generatoren ist bei der genannten Anordnung
aufwändig ausgeführt. Durch die dazu verwendeten
Symmetrierbauteile entsteht weiter eine Verlustleistung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasmabehandlungsvorrichtung
bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet,
wobei insbesondere ein möglichst breiter Plasmastrahl mit
geringem aparativen Aufwand erzeugbar sein soll.
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Diese
Aufgabe wird durch die Plasmabehandlungsvorrichtung des unabhängigen
Anspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche
stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung
von Oberflächen weist mindestens einen elektrischen Generator
und mehrere Plasmaerzeuger auf.
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Erfindungsgemäß sind
die Plasmaerzeuger zur Beaufschlagung mit elektrischer Spannung über Schalter
einer elektrischen Schaltvorrichtung einzeln und/oder in Teilgruppen
zu- und abschaltbar zusammen an einen einzelnen Spannungsausgang
des Generators angeschlossen. Es steht bevorzugt immer nur ein Plasmaerzeuger,
d. h. eine Plasmastrahldüse, unter Spannung.
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Die
Plasmaerzeuger sind dabei alle parallel geschaltet an den vom Generator
ausgebildeten einzelnen Spannungsausgang, z. B. einen Ausgangstransformator,
angeschlossen. Durch das Zu- und Abschalten der Plasmaerzeuger mittels
der Schalter wird der bei Betrieb der erfindungsgemäßen
Plasmabehandlungsvorrichtung durch den Generator fließende
elektrische Strom auf die Plasmaerzeuger zeitlich verteilt. D. h.
der gesamte elektrische Strom fließt in jeweils einem Zeitabschnitt,
in dem der jeweilige Plasmaerzeuger oder die jeweilige Teilgruppe zugeschaltet
ist, nur durch diesen Plasmaerzeuger, bzw. diese Teilgruppe. Durch
die Schaltvorrichtung wird also ein Plasmastromverteiler realisiert.
Wenn die Dauer, d. h. die Länge, der Zeitabschnitte kurz
genug gewählt ist, kann derart, bei entsprechender geometrischer
Anordnung der Plasmaerzeuger, ein quasi homogener, breiter Plasmastrahl
unter Verwendung von nur einem einzigen Generator mit einem einzigen
Spannungsausgang bereitgestellt werden. Als Generator kann dabei
ein handelsüblicher Hochspannungsgenerator mit einem einzigen
Hochspannungsausgang verwendet werden. Die Schalter können
prinzipiell beliebig ausgeführt sein. Es können
sowohl mechanische als auch elektrische und/oder elektronische Schalter,
wie z. B. Transistoren, Thyristoren, Thyratrons, Kommutatoren und/oder
rotierende Funkenstrecken, usw. verwendet werden.
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Bei
den Ausführungsformen der Schalter als mechanische Schalter,
wie z. B. Funkenstrecken, Kommutatoren, usw., können mehrere
cm lange Funken beim Zu- und Abschalten entstehen, die die Kontakte
der Schalter insbesondere durch Abbrand beschädigen können.
Um dies zu verhindern kann der Generator synchronisiert werden.
D. h. z. B. über eine Lichtschranke kann der Generator
derart gesteuert werden, dass er nur dann Energie abgibt, wenn dies
gewünscht ist.
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Bevorzugt
ist die Schaltvorrichtung eingerichtet, die einzelnen Plasmaerzeuger
und/oder die Teilgruppen der Plasmaerzeuger periodisch gemäß einer
Schaltfolge zu- und abzuschalten. Dadurch kann ein breiter Plasmastrahl
mit einer im zeitlichen Mittel gleichmäßigen räumlichen
Strahlintensität erzeugt werden.
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Besonders
bevorzugt weist die Schaltvorrichtung einen Stator und einen Rotor
auf, wobei jeweils ein fest an mindestens einen Plasmaerzeuger angeschlossener
Statorkontakt, der Schalter am Stator und ein jeweils zugehöriger
weiterer Kontakt als Rotorkontakt des Schalters am Rotor angeordnet
ist und wobei das periodische Zu- und Abschalten durch Rotation
des Rotors vornehmbar ist. Eine derartige Schaltvorrichtung ist
also gemäß einem mechanischen Zündverteiler,
wie bei Ottomotoren mit mehreren Zylindern gebräuchlich,
aufgebaut. Eine derartige Schaltvorrichtung ist sehr preisgünstig
unter Verwendung bekannter Aufbauprinzipien herstellbar. Letzteres
führt zu einem sehr robusten, zuverlässigen Betriebsverhalten
der Schaltvorrichtung.
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Die
Schalter können auch als elektronische Schalter ausgebildet
sein, wobei eine elektronische Steuerschaltung zur Steuerung des
periodischen Zu- und Abschaltens vorgesehen ist.
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Die
Plasmaerzeuger sind vorteilhaft als Atmosphärenplasmaquellen
ausgebildet. Dabei weisen die Atmosphärenplasmaquellen
bevorzugt jeweils eine bevorzugt als Zentralelektrode ausgebildete
Innenelektrode innerhalb einer düsenförmigen Außenelektrode
auf, zwischen denen bei Anschluss an den Generator durch Zuschaltung
der entsprechenden Atmosphärenplasmaquelle das Plasma in
jeweils einem Entladungsbereich erzeugt wird. Es ist dann eine Gaszuleitung
vorgesehen, die eingerichtet ist, einen Gasstrom durch den jeweiligen
Entladungsbereich zum Austritt aus einer Düsenöffnung
der jeweiligen Außenelektrode zu leiten. Derart ist auf
bewährte Weise ein Atmosphärenplasmastrahl erzeugbar.
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Wenn
die Plasmaerzeuger in einer Rasteranordnung innerhalb eines Plasmastrahlkopfes
angeordnet sind, kann der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erzeugte breite Plasmastrahl einfach und genau über eine
Werkstückoberfläche geführt werden.
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Die
erfindungsgemäße Plasmabehandlungsvorrichtung
eignet sich besonders gut zur Verwendung zur Plasmabehandlung einer
insbesondere schwer verklebbaren, bedruckbaren und/oder lackierbaren
Oberfläche eines Werkstückes, bevorzugt aus einem
Kunststoff mittels des Plasmastrahlkopfes oder zur Reinigung einer
Oberfläche eines Werkstückes aus Metall mittels
des Plasmastrahlkopfes. Prinzipiell können Werkstücke
aus allen denkbaren Materialien, z. B. Glas, Keramik, Kunststoff,
Holz, Metall, Lebensmittel, usw. mit der erfindungsgemäßen
Plasmabehandlungsvorrichtung behandelt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Die 1 zeigt
das Grundprinzip des Aufbaus einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen.
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Die 2 zeigen jeweils eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Plasmabehandlung
von Oberflächen mit einer Schaltvorrichtung gemäß einem
mechanischen Zündverteiler.
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Die 3 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen mit einer Schaltvorrichtung,
deren Schalter als elektronische Schalter ausgebildet sind.
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Die
Darstellungen der Zeichnungen zeigen den erfindungsgemäßen
Gegenstand stark schematisiert und sind nicht maßstäblich
zu verstehen. Die einzelnen Bestandteile des erfindungsgemäßen
Gegenstandes sind so dargestellt, dass ihr Aufbau gut gezeigt werden
kann.
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In 1 ist
das Grundprinzip des Aufbaus einer erfindungsgemäßen
Plasmabehandlungsvorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen
dargestellt. Die Plasmabehandlungsvorrichtung weist einen als Hochspannungsquelle
ausgebildeten elektrischen Generator 1 und mehrere Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 auf.
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Die
Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 sind
als Atmosphärenplasmastrahler ausgebildet. Die Atmosphärenplasmastrahler
weisen jeweils eine als Zentralelektrode ausgebildete Innenelektrode 8 innerhalb
jeweils einer düsenförmigen Außenelektrode 9 auf.
Die Innenelektrode 8 ist jeweils über einen elektrischen Isolator 10 von
der jeweiligen Außenelektrode 9 elektrisch isoliert
in der entsprechenden Außenelektrode 9 montiert.
Zwischen jeder Innenelektrode 8 und der zugehörigen
Außenelektrode 9 kann bei Zuschaltung des Anschlusses
des entsprechenden Atmosphärenplasmastrahlers an einen
Spannungsausgang des Generators 1, d. h. an die vom Generator 1 erzeugte elektrische
Spannung, das Plasma in jeweils einem Entladungsbereich 12 erzeugt
werden. Die Außenelektrode 9 ist dabei auf Erdpotential
gelegt. Die vom Generator 1 erzeugte elektrische Spannung
wird also an die Innenelektrode 8 angelegt.
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An
den Atmosphärenplasmastrahlern ist jeweils eine Gaszuleitung 15 vorgesehen,
die eingerichtet ist, einen Gasstrom durch den jeweiligen Entladungsbereich 12 zum
Austritt aus einer Düsenöffnung der jeweiligen
Außenelektrode 9 zu leiten, was zum Austritt eines
Plasmastrahls 17 aus der entsprechenden Düsenöffnung
führt. Die Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 sind
in einer Rasteranordnung innerhalb eines Plasmastrahlkopfes 20 angeordnet.
Die Gaszuleitungen 15 sind dabei an einen einzigen Gasanschluss 22,
z. B. eine Druckluftversorgung, angeschlossen. Üblicherweise
können der Gasanschluss 22 und die elektrischen
Leitungen 23 zum Anschluss der Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 an
die vom Generator 1 erzeugte elektrische Spannung in einem
einzigen flexiblen Versorgungsrohr geführt sein. Der Generator 1 kann
zusammen mit einer Steuerung des Gasstromes in den Gaszuleitungen 15 (Gassteuerungsblock) in
einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
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Die
Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 sind
zu deren Beaufschlagung mit der vom Generator 1 gelieferten elektrischen
Spannung über Schalter 33, 34, 35, 36 einer
elektrischen Schaltvorrichtung 40 einzeln zu- und abschaltbar
an den Generator 1 angeschlossen. Dabei ist die Schaltvorrichtung 40 eingerichtet,
die einzelnen Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 periodisch
gemäß einer Schaltfolge zu- und abzuschalten,
was durch einen geschlungenen Pfeil in der Figur symbolisiert ist.
Die Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6,
d. h. die Innenelektroden 8 der Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6,
sind also im Prinzip parallel geschaltet an einen einzelnen, d.
h. in der Figur an den einzigen Spannungsausgang des Generator 1 angeschlossen,
wobei jedoch an jeder elektrischen Zuleitung 23 vom Generator 1 zu
den Plasmaerzeugern 3, 4, 5, 6 einer
der Schalter 33, 34, 35, 36 zwischengeschaltet
ist. In der Darstellung der Figur ist gerade der zweite Schalter 34 geschlossen,
so dass im zugehörigen Plasmaerzeuger 4 zwischen
dessen Innen- und Außenelektrode ein Plasma gezündet
wird.
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In
den 2 ist jeweils eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Plasmabehandlung
von Oberflächen dargestellt. Die Schaltvorrichtungen 40 der
dargestellten Vorrichtungen weisen jeweils einen ortsfesten Stator 45 und
einen rotierbaren Rotor 46 auf, wobei jeweils ein Kontakt
der Schalter 33, 34, 35, 36,
mittels denen die einzelnen Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 periodisch
gemäß einer Schaltfolge zu- und abzuschalten sind,
am Rotor 46 als Rotorkontakt 50 und ein jeweils
zugehöriger zweiter Kontakt des jeweiligen Schalters 33, 34, 35, 36 am
Stator 45 als Statorkontakt 51 montiert sind.
Das Rotieren des Rotors 46 ist in den Figuren durch jeweils
einen gebogenen Pfeil symbolisiert. Der Aufbau der Schaltvorrichtung 40 der 2 entspricht also dem Aufbau eines mechanischen
Zündverteilers, wie er z. B. bei Ottomotoren mit mehreren Zylindern
eingesetzt wird. Jeder jeweilige Statorkontakt 51 ist fest
an den zugehörigen Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 angeschlossen.
Das periodische Zu- und Abschalten der Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 ist
durch Rotation des Rotors 46 vornehmbar. Die Schaltfolge der
aus jeweils einem Statorkontakt 51 und einem Rotorkontakt 50 ausgebildeten
Schalter 33, 34, 35, 36 ist
dabei durch die Geometrie der Anordnung der Kontakte festgelegt.
Der Rotor 46 ist dabei über einen an der Rotationsachse 52 des
Rotors 46 angeordneten Schleifkontakt 53 an den
Generator 1 angeschlossen. In der Ausführungsform
gemäß 2a sind
die Statorkontakte 51 der Schalter 33, 34, 35, 36 auf
einer einzigen Umfangslinie am Stator 45 angeordnet. Der
Rotor 46 ist dabei mit nur einem einzigen Rotorkontakt 50 als
Teil aller Schalter 33, 34, 35, 36 ausgeführt.
Dieser Rotorkontakt 50 bewirkt durch die Rotation des Rotors 46 das
Zu- und Abschalten der Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6.
Ein jeweiliger Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 ist
dann zugeschaltet, wenn der Rotorkontakt 50 bei seiner
Rotation die elektrische Verbindung mit dem zu dem Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 zugehörigen
Statorkontakt 51 schließt. In der 2a ist
gerade der in der Figur dritte Plasmaerzeuger 5 von links
zugeschaltet und die restlichen Plasmaerzeuger 3, 4, 6 sind
abgeschaltet.
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In
der Ausführungsform gemäß 2b sind die
Statorkontakte 51 in Richtung der Rotationsachse 52 des
Rotors 46 verteilt angeordnet. Deshalb weist jeder der
ausgebildeten Schalter 33, 34, 35, 36 auch einen
separaten Rotorkontakt 50 auf, wobei die Rotorkontakte 50 an
radial verschiedenen Positionen angeordnet sind. Auch hier wird
jeweils ein Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 durch
Rotation des Rotors 46 zugeschaltet, wenn durch den zugehörigen
Rotorkontakt 50 eine elektrische Verbindung zwischen Generator 1 und
Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 hergestellt
ist.
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In 3 ist
eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen dargestellt.
Die Schaltvorrichtung 40 dieser Plasmabehandlungsvorrichtung
weist Schalter 33, 34, 35, 36 auf,
die als elektronische Schalter ausgebildet sind. Es ist eine elektronische
Steuerschaltung 60 zur Steuerung des periodischen Zu- und Abzuschaltens
der Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 mittels
der Schalter 33, 34, 35, 36 vorgesehen.
Die Schalter 33, 34, 35, 36 sind
als Halbleiterbauelemente ausgeführt.
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Vorgeschlagen
wird eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen
mit mindestens einem elektrischen Generator 1 und mehreren
Plasmaerzeugern 3, 4, 5, 6.
Dabei sind die Plasmaerzeuger 3, 4, 5, 6 zur
Beaufschlagung mit elektrischer Spannung über Schalter 33, 34, 35, 36 einer
elektrischen Schaltvorrichtung 40 einzeln und/oder in Teilgruppen
zu- und abschaltbar zusammen an einen einzelnen Spannungsausgang
des Generators 1 angeschlossen.
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Die
Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend angegebenen
Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten
denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter
Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10145131
A1 [0005]
- - EP 1441578 A2 [0005]
- - DE 202004008285 U1 [0005]
- - DE 19532412 A1 [0006]
- - EP 1067829 B1 [0007]
- - EP 0986939 B1 [0007, 0007]