DE102012014537A1

DE102012014537A1 - Verfahren zur Glättung einer beschädigten Außenoberfläche und Atmosphären-Plasma -Einrichtung dafür

Info

Publication number: DE102012014537A1
Application number: DE201210014537
Authority: DE
Inventors: Jean Meyer
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesamt fuer Ausruestung Informationstechnik und Nutzung der Bundeswehr
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesamt fuer Ausruestung Informationstechnik und Nutzung der Bundeswehr
Priority date: 2012-07-21
Filing date: 2012-07-21
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2032-07-22
Also published as: DE102012014537B4

Abstract

Vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Glättung einer beschädigten Außenoberfläche und eine Atmosphären-Plasma-Einrichtung hierfür. Die Außenoberfläche ist eine Außenschicht eines thermoplastischen Polymers eines Bauteils mit optischen Eigenschaften und das thermoplastische Polymer (21) weist eine Fließtemperatur und eine Glasübergangstemperatur auf. Die Außenoberfläche (20) wird derart erhitzt, dass die Temperatur der Außenoberfläche (20) kleiner der Fließtemperatur und größer der Glasübergangstempertaur des thermoplastischen Polymers (21) ist. Die Erhitzung erfolgt mittels einer Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10), die eine Einspann-Vorrichtung (11) zur Befestigung des Bauteils mit optischen Eigenschaften (23) und eine Atmosphären-Plasma-Vorrichtung (12) umfasst. Die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung (12) weist eine Plasma-Düse (13) zur Generierung eines Plasma-Strahls (14) mittels eines Ionisationsgases (15) auf, wobei die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung (12) mit dem Plasma-Strahl (14) und die Einspann-Vorrichtung (11) mit dem thermoplastischen Polymer (21) mit vorbestimmten Bearbeitungsparametern relativ zueinander bewegt werden. Die Behandlung mittels der Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) erfolgt ohne Reaktionsgas.

Description

Beim Umgang mit thermoplastischen Kunststoffen kommt es unvermeidbar infolge von Reibung und Verschleiß zum lokalen Abtrag der Materialaußenoberfläche, der in Form von Kratzern oder Kratzerschleiern in Erscheinung tritt. Im Einzelnen handelt es sich hierbei um mikroskopische Vertiefungen in der Oberfläche des Materials.
Kratzerbeschädigungen gelten aufgrund Ihres milchig-trüben Erscheinungsbildes als unästhetisch und stellen somit optische Mängel dar. Neben der ästhetischen Wertminderung können Kratzerschädigungen darüber hinaus auch zu einer Minderung des anwendungsbezogenen Nutzens führen. Dies betrifft vor allem Bauteile in optisch anspruchsvollen Bereichen, wie z. B. Gläser und Linsen. Abhängig von den Anforderungen an die optische Güte, können Kratzerbeschädigungen in diesen Fällen sogar einen Wechsel der betroffenen Bauteile erforderlich machen.
Neben dem Austausch der Bauteile stehen für die Beseitigung von Kratzerbeschädigungen mehrere Reparaturverfahren zur Verfügung. Grundsätzlich sind abtragende Verfahren wie z. B. Schleifen und Polieren, auffüllende bzw. auftragende Verfahren und glättende Verfahren z. B. thermisch glättende Verfahren bekannt.
Aus der US 6,877,341 B1 ist ein Verfahren zur Glättung einer beschädigten Außenoberfläche bekannt, wobei die Außenoberfläche eine Außenschicht eines transparenten oder lichtdurchlässigen Materials wie z. B. Glas ist und eine Fließtemperatur aufweist. Die Außenoberfläche wird derart erhitzt, dass die Temperatur der Außenoberfläche größer der Fließtemperatur des beschädigten Materials ist. Die Erhitzung erfolgt mittels einer linearen Wärmequelle. Die Wärmequelle weist eine Brenner-Düse zur Generierung eines linearen Strahles eines brennenden Brennstoffgemisches auf, wobei die Brenner-Düse mit einem vorbestimmten Abstand zur Außenoberfläche und einer vorbestimmten Geschwindigkeit über die Außenoberfläche bewegt wird. Die Wärmemenge wird über weitere Bearbeitungsparameter gesteuert wie die Auswahl des Brennstoffgemisches, die Kontrolle des Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnisses, die Kontrolle der Flussrate des Brennstoffs und die Kontrolle der Neigung der Außenoberfläche zur Flamme. Weiterhin ist beschrieben, dass die relativ dünne und im Wesentlichen lineare Flamme fortschreitend über eine Bandbreite mindestens eines lokalen Bereichs der Außenschicht der Außenoberfläche angewandt wird. Dabei soll ein möglichst dünner Flammenstrahl erzeugt werden um eine lineare Wärmequelle zu produzieren, die das Volumen an geschmolzenem Glas möglichst gering hält und somit Formveränderungen im internen Spannungsbild minimiert. Als Brennstoff dient beispielsweise Propan oder Acetylen. Der lineare Strahl des brennenden Sauerstoff-Brennstoffgemisches wird mit einem Zerstreuungs-Brenner aus einer Vielzahl von Gasauslassröhrchen erreicht.
Dieses Verfahren dient vorwiegend der Glättung durch Vandalismus beschädigter Oberflächen im öffentlichen Verkehrswesen. Es eignet sich vorwiegend zur Behandlung größerer Flächen, welche durch sogenannte Scratchitties beschädigt sind. Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist, das der Wärmeeintrag und daraus resultierende thermische Diffusionsvorgänge auch angrenzende Bauteile, wie beispielsweise Dichtungen oder Fassungen stark erwärmt. Insbesondere für kleinere Bauteile hoher optischer Güte sind thermische Diffusionsvorgänge nachteilig, da ggf. ein Ausbau des Bauteils erforderlich ist. Zudem ist der Wärmeeintrag auch in innen liegende, oberflächenferne Bereiche unterhalb der Außenschicht zu hoch, was bei Bauteilen mit angrenzenden Objekten, welche thermisch weniger oder gar nicht belastbar sind, zu einer Beschädigung führen kann. Bei gereckten Polymeren bewirkt ein Aufheizen des Materials im oberflächenfernen Bereich eine Restrukturierung der Polymerketten, wodurch die mittels Recken erzielte Verfestigung des Materials verloren geht. Im Einzelnen richten sich die Polymerketten in dem Material durch die Erwärmung in beliebiger Richtung neu aus sodass sich die physikalischen Eigenschaften gegenüber dem ursprünglichen, gereckten Material verändern.
Aus der US 4,684,535 ist ein Verfahren zur Glättung einer beschädigten Außenoberfläche bekannt, wobei die Außenoberfläche eine Außenschicht eines Polymers ist und eine Fließtemperatur aufweist. Die Außenoberfläche wird derart erhitzt, dass die Temperatur der Außenoberfläche größer der Fließtemperatur ist. Die Erhitzung erfolgt mittels einer Plasma-Einrichtung, die eine Proben-Kammer und eine Radio-Frequenz(RF)-Plasma-Vorrichtung umfasst. Die RF-Plasma-Vorrichtung weist eine Spule zur Generierung eines Plasmas auf, wobei die Spule mit einem RF-Generator verbunden ist und die Proben-Kammer umgibt. Als Ionisationsgas wird zunächst ein Argon-Wasserstoff-Gemisch verwendet und im nachfolgenden Schritt reines Argon. Die Proben-Kammer und die RF-Plasma-Vorrichtung sind ortsfest. Es wird beschrieben, dass das beschädigte Polymer zur Behandlung in die Proben-Kammer gelegt wird, wobei es sich hierbei um eine Vakuum-Kammer handelt. Dieses Verfahren bezieht sich auf die Behandlung beschädigter optischer Körper und beschreibt, dass die Behandlung mittels RF-Plasma lediglich die Außenoberfläche erhitzt und somit keine unerwünschten Deformationen der Körper bewirkt. Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass eine Vakuum-Proben-Kammer bzw. eine gasdicht Proben-Kammer zur Behandlung einer beschädigten Oberfläche benötigt wird, womit sich dieses Verfahren auf Grund der Einschränkungen bezüglich der Größe des Probenkörpers nur für bestimmte relativ kleine Bauteile eignet. Darüber hinaus ist dieses Verfahren relativ zeitintensiv, da zwei Behandlungsschritte erforderlich sind. Zum anderen werden Wasserstoff und Argon als Ionisationsgase benötigt, wodurch das Verfahren wirtschaftlich unvorteilhaft ist.
Nachteilig ist zudem, dass die Behandlung am gesamten Körper des Polymers in der Proben-Kammer exklusive der Auflagefläche erfolgt und somit nicht ausschließlich auf einen flächigen Bereich der Außenoberfläche begrenzt werden kann. Somit ist ggf. der Ausbau des beschädigten optischen Körpers aus einem Gesamtbauteil oder die Trennung zu angrenzenden thermisch nicht belastbaren Bauteilen erforderlich.
Aus der US 7,591,957 B2 ist ein Verfahren zur Glättung einer beschädigten Außenoberfläche bekannt, wobei die Außenoberfläche eine Außenschicht einer Optik, eines Halbleiters oder einer elektrischen Komponente wie beispielsweise eines Wafers, hier im Folgenden Probe genannt, ist. Die Außenoberfläche wird behandelt. Die Behandlung erfolgt mittels einer Plasma-Einrichtung, die eine Einspann-Vorrichtung zur Befestigung der Probe und eine Plasma-Vorrichtung umfasst. Die Plasma-Vorrichtung weist einen Plasma-Brenner zur Generierung eines reaktiven induktiv gekoppelten Plasma-Strahls mittels Ionisationsgas, Hilfsgas und Reaktionsgas auf, wobei die Plasma-Vorrichtung mit dem Plasma-Strahl und die Einspann-Vorrichtung relativ zueinander bewegt werden. Die Behandlung erfolgt demzufolge mit Reaktionsgas und Hilfsgas.
Das physikalische Prinzip dieser Behandlung basiert auf einem reaktiven Ätzprozess der Oberfläche und somit auf einem abtragenden Verfahren. Hierbei reagiert das Reaktionsgas mit dem Plasma zu einem Zwischenprodukt. Das Zwischenprodukt reagiert anschließend wiederum mit der Außenoberfläche zu einem gasförmigen Stoff, der als Abgas aus der Anlage geleitet wird. Bei einem derartigen Verfahren wird durch die Entfernung von nano- bis micrometer Bereichen aus der Außenoberfläche die Außenoberfläche chemisch verändert, wodurch sich Änderungen der physikalischen Eigenschaften ergeben. Von Nachteil ist, dass die Behandlung nicht ohne Materialverlust und somit nicht unendlich oft wiederholbar ist. Zudem ist eine Absaugung der gasförmigen Zwischenprodukte und der nicht umgesetzten, giftigen Reaktionsgase erforderlich. Darüber hinaus ist die Beschaffung der Reaktionsgase mit hohem Kostenaufwand verbunden und der Prozess entsprechend kostenintensiv. Des Weiteren sind die Prozessparameter sehr genau zu steuern für ein gleichmäßiges Resultat. Die Gasströme und Anordnung der Gasauslässe sind derart zu wählen, dass möglichst geringe Turbulenzen vorhanden sind, um gleichmäßige Reaktionsbedingungen zu schaffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein kostengünstiges und möglichst einfaches Verfahren zur Glättung einer Außenoberfläche eines thermoplastischen Polymers zu schaffen, welches hohen Material- und Qualitätsanforderungen gerecht wird und beliebig oft wiederholbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 9 gelöst.
Bei dem Verfahren bzw. mit der Atmosphären-Plasma-Einrichtung zur Glättung einer beschädigten Außenoberfläche, ist die Außenoberfläche eine Außenschicht eines thermoplastischen Polymers eines Bauteils mit optischen Eigenschaften und das thermoplastische Polymer weist eine Fließtemperatur und eine Glasübergangstemperatur auf. Die Außenoberfläche wird derart erhitzt, dass die Temperatur der Außenoberfläche kleiner der Fließtemperatur und größer der Glasübergangstemperaaur des thermoplastischen Polymers ist. Sowohl amorphe thermoplastische Polymere als auch teilkristalline und kristalline thermoplastische Polymere weisen einen Bereich auf, in dem sie plastisch fließbar, jedoch nicht schmelzflüssig sind. Bei teilkristallinen bzw. kristallinen Thermoplasten ist dieser Temperaturbereich oberhalb der Glastemperatur zwischen der Kristallitschmelztemperatur und der Schmelztemperatur. Bei amorphen Thermoplasten ist der plastisch fließbare Bereich oberhalb der Glastemperatur, wobei zunächst ein thermoelastischer und anschließend der plastisch fließbare Temperaturbereich erreicht wird, der in den schmelzflüssigen Temperaturbereich oberhalb der Fließtemperatur übergeht. Mit Fließtemperatur ist hier demnach die Schmelztemperatur von teilkristallinen und kristallinen thermoplastischen Polymeren definiert und der Temperaturbereich von amorphen thermoplastischen Polymeren, bei dem der plastisch fließbare Zustand in einen schmelzflüssigen Zustand übergeht. Durch das Erhitzen der Außenoberfläche unterhalb der Fließtemperatur und oberhalb der Glastemperatur werden die Polymerketten des thermoplastischen Polymers zunehmend beweglicher. Im plastisch fließbaren Temperaturbereich bewirkt die Beweglichkeit der Polymerketten auf Grund der vorherrschenden Oberflächenspannung durch Molekularbewegung eine selbstinduzierte Glättung. Bei Vorhandensein von Beschädigungen ist die Geometrie der Außenoberfläche im Bezug auf die Oberflächenspannung energetisch unvorteilhaft, so dass eine Glättung durch thermischen Eintrag und damit einhergehender Molekularbewegung selbst induziert wird. Dabei wird das thermoplastische Polymer jedoch nur im oberflächennahen Bereich in der Außenschicht auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt, während die Temperatur im darunter liegenden Bereich nur geringfügig ansteigt und die Glasübergangstemperatur nicht überschreitet. Im Vergleich zu den bekannten Verfahren hat dies den Vorteil, dass in dem unter der Oberfläche liegenden Material keine thermisch induzierte Restrukturierung stattfindet und die ursprünglichen physikalischen Eigenschaften des Materials somit erhalten bleiben. Die Erhitzung der Außenoberfläche erfolgt mittels einer Atmosphären-Plasma-Einrichtung, die eine Einspann-Vorrichtung zur Befestigung des Bauteils mit optischen Eigenschaften und eine Atmosphären-Plasma-Vorrichtung umfasst. Die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung weist eine Plasma-Düse zur Generierung eines Plasma-Strahls mittels eines Ionisationsgases auf, wobei die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung mit dem Plasma-Strahl und die Einspann-Vorrichtung mit dem thermoplastischen Polymer mit vorbestimmten Bearbeitungsparametern relativ zueinander bewegt werden. Die Verwendung einer Atmosphären-Plasma-Einrichtung hat den Vorteil, dass eine sehr kurze und lokale thermische Einwirkung erzielt werden kann. Durch den mehrere tausend Grad Celsius heißen Plasma-Strahl wird lediglich die Außenoberfläche des zu behandelnden Materials erhitzt ohne einen Temperatureintrag in tiefer liegende Bereiche des Materials. Damit bleibt die molekulare Struktur des Materials unterhalb der Außenoberfläche unverändert. Der Materialkörper des Bauteils mit optischen Eigenschaften heizt sich nicht auf. Insbesondere bei gereckten Polymer-Werkstoffen bietet das den Vorteil, dass die Polymerketten unidirektional ausgerichtet bzw. gestreckt bleiben und so die durch das Recken hervorgerufene Verfestigung erhalten bleibt. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass ein Ausbau eines Bauteils mit optischen Eigenschaften nicht erforderlich ist und die Behandlung der Außenoberfläche in der Systemumgebung erfolgen kann, z. B. inklusive Einfassungen, Dichtungen etc. Zudem können Außenoberflächen von Substraten auch geglättet werden, wenn das Trägermaterial des Substrates zum Beispiel thermisch empfindlich oder gar unstabil ist, wie beispielsweise funktionale Komponenten bei Displays. Eine Atmosphären-Plasma-Einrichtung hat dabei den Vorteil, dass die Behandlung keine Vakuumkammer erfordert, sondern die Durchführung bei Atmosphären-Druck erfolgen kann, so dass das Verfahren kostengünstig realisierbar ist. Die vorbestimmten Bearbeitungsparameter sind ein vorbestimmter Abstand der Plasma-Düse zur Außenoberfläche, eine vorbestimmte Geschwindigkeit der Relativbewegung und vorbestimmte Richtungen der Relativbewegungen. Mit diesen Parametern sind einfache Einstellungen gegeben, die es ermöglichen das Verfahren auf eine Vielzahl von thermoplastischen Polymeren zu adaptieren. Weiterhin erfolgt die Erhitzung mittels der Atmosphären-Plasma-Einrichtung ohne Reaktionsgas. Dieses ist nicht notwendig, da die Glättung der beschädigten Außenoberfläche durch thermische Einwirkung selbstinduziert erfolgt. Die makromolekulare Struktur in dem darunter liegenden Material bleibt dabei erhalten.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Ionisationsgas Luft. Die Verwendung von Luft bietet den Vorteil, dass sie an jedem Ort verfügbar ist und mit Hilfe eines Kompressors in Form von Druck-Luft kostengünstig in großen Mengen bereitgestellt werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Ionisationsgas Stickstoff. Stickstoff hat den Vorteil, dass es ein ungiftiges Schutzgas Gas ist, dass kostengünstig in Form von Druckgas bezogen werden kann. Im Vergleich zum Betrieb mit Luft, bietet Stickstoff zudem den Vorteil, dass während der Plasma-Behandlung kein bzw. nur eine geringe Menge an Ozon entsteht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Einspann-Vorrichtung ortsfest und die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung beweglich. Das hat insbesondere den Vorteil, dass keine Beschleunigungskräfte auf die erhitzte und somit erweichte, plastisch fließbare Außenoberfläche wirken und somit einer Verformung durch diese Beschleunigungskräfte vorgebeugt wird. Damit bleibt die makroskopische Gestalt der Außenoberfläche und somit auch die optische Güte des Bauteils mit optischen Eigenschaften erhalten. Die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung kann die Außenoberfläche abfahren, so dass jede Beschädigung mit dem Plasma-Strahl erreichbar ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Behandlung in vorbestimmter Richtung quer zur lateralen Ausdehnung einer Beschädigung, z. B. einer länglichen Kratzbeschädigung in der Außenoberfläche. Das bedeutet, dass die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung und die Einspann-Vorrichtung derart relativ zueinander bewegt werden, dass der Plasma-Strahl stets quer über eine Beschädigung und somit quer zu einer Fehlstelle im Material bewegt wird und nicht entlang der Ausdehnungsrichtung einer Beschädigung. Eine Erweichung der Außenoberfläche der Bereiche unmittelbar an einer Beschädigung führt zum schrittweisen Auffüllen der Fehlstelle mit einer maximal möglichen Polymermenge aus der direkten Umgebung. In Folge der vorherrschenden Oberflächenspannung gleitet das Material der Außenoberfläche der direkten Umgebung zum Abbau der Oberflächenspannung in die Vertiefung von Beschädigungen. Somit sind weniger Behandlungswiederholungen erforderlich und die Glättung tieferer Beschädigungen durch Nutzung des umliegenden Außenoberflächen-Materials möglich.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Atmosphären-Plasma-Einrichtung eine Sensoreinrichtung mit einem Sensorelement auf, wobei mit dem Sensorelement die Ausrichtung von Beschädigungen erkennbar sind und mit der Sensoreinrichtung ein Steuersignal zur Vorgabe der Richtung der Relativbewegung quer zu einer Beschädigung der Außenoberfläche erzeugbar ist. Dies hat den Vorteil, dass das zu behandelnde Bauteil mit optischen Eigenschaften und dessen Außenoberfläche unabhängig von Beschädigungen in der Einspann-Vorrichtung befestigt werden kann. Der Sensor, der die Ausrichtung von Beschädigungen erfasst, ermöglicht die optimale Erhitzung zur Glättung der Außenoberfläche, da die Richtung der Relativbewegung des Plasma-Strahls über die Außenoberfläche optimal und vollautomatisch auf die Beschädigung ausgelegt ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, steuert ein elektronisches Steuergerät die Atmosphären-Plasma-Einrichtung mit vorbestimmten Bearbeitungsparametern derart, dass die vorbestimmten Bearbeitungsparameter aus einer computergestützten Datenbank erhalten werden, welche Fließtemperaturen und Glasübergangstemperaturen und damit korrespondierende Bearbeitungsparameter von thermoplastischen Polymeren enthält. Dies ermöglicht ein automatisiertes Bearbeitungsverfahren, bei dem lediglich die Eingabe oder Analyse der thermoplastischen Außenoberfläche vorangestellt werden muss. Die Bearbeitungsparameter werden dann entsprechend der materialspezifsichen und in der Datenbank hinterlegten Fließ- und Glasübergangstemperaturen mittels Steuergerät an die Atmosphären-Plasma-Einrichtung übermittelt, so dass eine Glättung ohne zeitliche Verzögerungen durch manuelle Eingabe der Bearbeitungsparameter erfolgen kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand von Prinzipzeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Atmosphären-Plasma-Einrichtung bei der Glättung einer Außenoberfläche und
2 eine Außenoberfläche mit und ohne angewandtem Verfahren zur Glättung.
Allgemeine Ausbildung einer Atmosphären-Plasma-Einrichtung
Die 1 zeigt eine Atmosphären-Plasma-Einrichtung 10 und eine beschädigte Außenoberfläche 20, wobei die Außenoberfläche 20 eine Außenschicht eines thermoplastischen Polymers 21 eines Bauteils mit optischen Eigenschaften 23 ist und das thermoplastische Polymer eine Fließtemperatur und eine Glasübergangstemperatur aufweist. Die Atmosphären-Plasma-Einrichtung 10 umfasst eine Einspann-Vorrichtung 11 zur Befestigung des Bauteils mit optischen Eigenschaften 23 und eine Atmosphären-Plasma-Vorrichtung 12. Die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung 12 weist eine Plasma-Düse 13 zur Generierung eines Plasma-Strahls 14 mittels eines Ionisationsgases 15 auf, wobei die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung 12 mit dem Plasma-Strahl 14 und die Einspann-Vorrichtung 11 mit dem thermoplastischen Polymer 21 mit vorbestimmten Bearbeitungsparametern relativ zueinander beweglich sind. Die einstellbaren Bearbeitungsparameter sind hierbei

– ein vorbestimmter Abstand d 30 der Plasma-Düse zur Außenoberfläche,
– eine vorbestimmte Geschwindigkeit v 31 der Relativbewegung und
– vorbestimmte Richtungen r 32 der Relativbewegungen.

Die Erhitzung mittels der Atmosphären-Plasma-Einrichtung 10 erfolgt ohne Reaktionsgas. Die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung 12 wird mit Hilfe von zwei koaxial angeordneten und Ionisationsgas 15 durchströmten Elektroden 16 betrieben, zwischen denen der Plasma-Strahl 14 in Form eines Lichtbogens gezündet wird. Der Lichtbogen wird durch die Ionisationsgasströmung mitgerissen und aus der koaxialen Anordnung durch die Plasma-Düse 13 nach außen getragen. Als Ionisationsgas 15 wird hierbei Luft verwendet. Alternativ kann als Ionisationsgas 15 Stickstoff verwendet werden. Die Bearbeitungsparameter sind abhängig von dem zu glättenden thermoplastischen Polymer 21 des Bauteils mit optischen Eigenschaften 23, das heißt von den jeweiligen Materialkennwerten und von der Beschädigung 22 der Außenoberfläche 20. Dabei sind die Bearbeitungsparameter stets in Verbindung mit konstanten Atmosphären-Plasma-Einrichtungs-Kenndaten zu betrachten, wie beispielsweise die Leistung, die Ionisationsgasstromrate, dem Düsendurchmesser und des verwendeten Ionisationsgases. Mit zunehmendem vorbestimmten Abstand d 30 der Plasma-Düse 13 von der Außenoberfläche 20 sinkt die an der Außenoberfläche 20 auftretende Temperatur und der Glättungseffekt nimmt ab. Mit sinkendem vorbestimmten Abstand d 30 der Plasma-Düse 13 von der Außenoberfläche 20 nimmt die auftretende Temperatur zu, so dass die Gefahr besteht, dass sich das Polymer zersetzt. Die Geschwindigkeit v 31 gibt die Verweilzeit und somit die Einwirkdauer des Plasma-Strahls 13 auf der Außenoberfläche 20 vor. Bei zu langer lokaler Verweilzeit des Plasma-Strahls 13 ist der Wärmeeintrag zu hoch und es besteht ebenfalls die Gefahr der Zersetzung. Die vorbestimmte Richtung r 32 gibt den Weg des Plasma-Strahls 13 auf der Außenoberfläche 20 vor und somit die Bereiche des Bauteils mit optischen Eigenschaften 22, die dem Verfahren zur Glättung unterzogen werden sollen. Eine erfindungsgemäße Verwendung der Atmosphären-Plasma-Einrichtung 10 erzielt bei gleichmäßiger Bearbeitung durch einen gleichbleibenden Abstand d 30, eine gleichbleibende Geschwindigkeit v 31 und einem orthogonal zur Außenoberfläche 20 angeordneten Plasma-Strahl 13 einen ebenmäßigen Glättungseffekt. Die Atmosphären-Plasma-Einrichtung 10 ist weiterhin derart ausgebildet, dass die Außenoberfläche 20 derart erhitzt wird, dass die Temperatur der Außenoberfläche 20 kleiner der Fließtemperatur und größer der Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Bauteils 21 ist.
Die Atmosphären-Plasma-Einrichtung 10 wird über ein computergestütztes, elektronisches Steuergerät gesteuert. Hier sind die Bearbeitungsparameter zuvor einzugeben. Die vorbestimmten Bearbeitungsparameter sind aber auch aus einer computergestützten Datenbank erhaltbar, welche entsprechende Fließtemperaturen und Glasübergangstemperaturen von thermoplastischen Polymeren 21 enthält. Zu jedem thermoplastischen Polymer 21 schlägt die Datenbank korrespondierende Bearbeitungsparameter vor, derart, dass das die Außenoberfläche 20 des zu glättenden Bauteils mit optischen Eigenschaften 23 kleiner der Fließtemperatur und größer der Glasübergangstemperatur erhitzt wird.
Ausführungsbeispiel des Verfahrens an Hand einer beispielhaften Glättung
Die 2 zeigt die Außenoberfläche 20 einer Außenschicht eines thermoplastischen Polymers 21 eines Bauteils mit optischen Eigenschaften 23. Dabei zeigt 2 als Bauteil mit optischen Eigenschaften 23 eine Platte aus Polymethylmethacrylat (PMMA), wie sie als Verglasung von Luftfahrzeugen verwendet wird im Querschnitt jedoch mit einer geringeren Materialstärke von 3 mm. Die Außenoberfläche 20 weist eine Beschädigung 22 auf. Die Beschädigung 22 wurde mit Schleifwolle durch unidirektionales Zerkratzen hervorgerufen. In einem weiteren, hier nicht dargestellten Fall wurde die Beschädigung mit Hilfe des in DIN 52348 beschriebenen Sandrieseltests durchgeführt. Die mittels Sandrieseltest erzeugten Beschädigungen 22 zeichnen sich durch lokale Vertiefungen und Abplatzungen aus, während die Beschädigung 22 mittels Schleifwolle längliche Vertiefungen in der Außenoberfläche 20 wie in 2 dargestellt aufweist. Die Außenoberfläche 20 wird derart erhitzt, dass die Temperatur der Außenoberfläche 20 größer der Glasübergangstemperatur von 105°C und kleiner 233°C ist. Dieser Wert wurde ermittelt enstprechend der mittels DIN EN ISO 306 ermittelten Vicat-Erweichungstemperatur B 50 von 103°C plus 130 K und liegt unterhalb des Temperaturbereichs in dem das Material schmelzflüssig ist. Die Erhitzung erfolgt mittels einer Atmosphären-Plasma-Einrichtung 10, in diesem Fall dem Plasmatreat 400 der Firma PLASMATREAT, die eine Einspann-Vorrichtung 11 zur Befestigung der PMMA-Platte und eine Atmosphären-Plasma-Vorrichtung 12 umfasst. Die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung 12 weist eine Plasma-Düse 13 zur Generierung eines Plasma-Strahls 14 mittels eines Ionisationsgases 15 auf. Die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung 12 wird mit vorbestimmten Bearbeitungsparametern mit dem Plasma-Strahl 14 über die Außenoberfläche 20 bewegt. Dabei wird die Außenoberfläche 20 diskontinuierlich abgerastert. Die Bearbeitungsparameter sind ein Abstand d 30 von 8,00 mm, eine Geschwindigkeit v 31 von 50 m/s. Dabei wird die Plasma-Düse 13 in einer Schrittweite von 1 mm auf der Außenoberfläche 20 quer zur Beschädigung 22 abgefahren. Die Behandlung wird linienweise über die gesamte Außenoberfläche 20 fortgeführt. Eine nachfolgende Untersuchung mit dem Lichtmikroskop zeigt eine deutliche Einebnung der Beschädigung 22 wie in 2 B zu sehen ist. Die Wiederholung des Verfahrens führt zur vollständigen Glättung der Außenoberfläche 20 des Bauteils mit optischen Eigenschaften 23, was in 2 C dargestellt ist. Es sind keine Beschädigungen mehr vorhanden und das Bauteil mit optischen Eigenschaften 23 hat seinen Urzustand eingenommen.
Unter Beschädigungen 22 von Außenoberflächen 20 sind Schäden beispielsweise in Form von Kratzern zu verstehen. Bereits bei sehr geringer Tiefe beeinflussen diese die optischen Eigenschaften und somit die Qualität von Außenoberflächen 20 stark, sowohl in ästhetischer als auch anwendungsbezogener Hinsicht, beispielsweise durch Verschlechterung des Transmissions- oder Reflexionsgrades bei Bauteilen mit optischen Eigenschaften 23 wie Linsen, Displays, Kunststoffverglasungen wie Reklametafeln oder ähnlichem. Die maximal behandelbare bzw. glättbare Kratzertiefe ist jedoch auf 18 μm begrenzt. Bei tieferen Beschädigungen 22 kann zwar die Transparenz der geschädigten Bauteile wiederhergestellt werden, jedoch ist keine gänzliche Einebnung der Außenoberfläche 20 erreichbar, so dass an der Außenoberfläche 20 unerwünschte Lichtbrechungen und Linseneffekte auftreten. Als Außenoberfläche 20 ist sowohl eine Außenschicht, das heißt eine außen liegende Oberfläche eines einzigen Materialkörpers zu verstehen, als auch eine Außenschicht eines Substrates auf einem beliebigen Trägermaterial. Dabei ist der Materialkörper oder das Substrat ein thermoplastisches Polymer 21. Thermoplastische Polymere 21 zeigen sowohl eine Glasübergangstemperatur als auch eine Fließtemperatur. Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn das Bauteil mit optischen Eigenschaften 23 eine Fließtemperatur aufweist, die mindest 20 K, vorteilhafter Weise 50 K, besonders vorteilhafter Weise 100 bis 200 K größer ist als die Glasübergangstemperatur, da eine Erweichung erzielt werden kann ohne dass das thermoplastische Polymer geschmolzen wird.
Bezugszeichenliste

10: Atmosphären-Plasma-Einrichtung
11: Einspann-Vorrichtung
12: Atmosphären-Plasma-Vorrichtung
13: Plasma-Düse
14: Plasma-Strahl
15: Ionisationsgas
16: Elektroden
20: Außenoberfläche
21: Thermoplastisches Polymer
22: Beschädigung
23: Bauteil mit optischen Eigenschaften
30: Vorbestimmter Abstand d
31: Vorbestimmte Geschwindigkeit v
32: Vorbestimmte Richtung r

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6877341 B1 [0004]
US 4684535 [0006]
US 7591957 B2 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 52348 [0025]
DIN EN ISO 306 [0025]

Claims

Verfahren zur Glättung einer beschädigten Außenoberfläche (20), wobei die Außenoberfläche (20) eine Außenschicht eines thermoplastischen Polymers (21) eines Bauteils mit optischen Eigenschaften (23) ist und das thermoplastische Polymer (21) eine Fließtemperatur und eine Glasübergangstemperatur aufweist, mit folgenden Merkmalen: a. die Außenoberfläche (20) wird derart erhitzt, dass die Temperatur der Außenoberfläche (20) kleiner der Fließtemperatur und größer der Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Polymers (21) ist, b. die Erhitzung erfolgt mittels einer Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10), die eine Einspann-Vorrichtung (11) zur Befestigung des Bauteils mit optischen Eigenschaften (23) und eine Atmosphären-Plasma-Vorrichtung (12) umfasst, c. die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung (12) weist eine Plasma-Düse (13) zur Generierung eines Plasma-Strahls (14) mittels eines Ionisationsgases (15) auf, wobei die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung (12) mit dem Plasma-Strahl (14) und die Einspann-Vorrichtung (11) mit dem thermoplastischen Polymer (21) mit vorbestimmten Bearbeitungsparametern relativ zueinander bewegt werden und die Bearbeitungsparameter – ein vorbestimmter Abstand (30) der Plasma-Düse (13) zur Außenoberfläche (20), – eine vorbestimmte Geschwindigkeit (31) der Relativbewegung und – vorbestimmte Richtungen (32) der Relativbewegungen sind, d. die Behandlung mittels der Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) erfolgt ohne Reaktionsgas.
Verfahren nach dem Anspruch 1, bei dem das Ionisationsgas (15) Luft ist.
Verfahren nach dem Anspruch 1, bei dem das Ionisationsgas (15) Stickstoff ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei dem die Einspann-Vorrichtung (11) ortsfest ist und die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung (12) bewegt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei dem die vorbestimmte Richtung (32) quer zu einer Beschädigung (22) der Außenoberfläche (20) erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei dem ein elektronisches Steuergerät die Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) mit vorbestimmten Bearbeitungsparametern derart steuert, dass die vorbestimmten Bearbeitungsparameter aus einer computergestützten Datenbank erhalten werden, welche Fließtemperaturen und Glasübergangstemperaturen und damit korrespondierende Bearbeitungsparameter von thermoplastischen Polymeren (21) enthält.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei dem die beschädigte Außenoberfläche Polymethylmethacrylat ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei dem die beschädigte Außenoberfläche Polycarbonat ist.
Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) zur Glättung einer beschädigten Außenoberfläche (20), wobei die Außenoberfläche (20) eine Außenschicht eines thermoplastischen Polymers (21) eines Bauteils mit optischen Eigenschaften (23) ist und das thermoplastische Polymer (21) eine Fließtemperatur und eine Glasübergangstemperatur aufweist, mit folgenden Merkmalen: a. die Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) ist derart ausgebildet, dass die Außenoberfläche (20) derart erhitzt wird, dass die Temperatur der Außenoberfläche (20) kleiner der Fließtemperatur und größer der Glasübergangstempertaur des thermoplastischen Polymers (21) ist, b. die Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) umfasst eine Einspann-Vorrichtung (11) zur Befestigung des Bauteils mit optischen Eigenschaften (23) und eine Atmosphären-Plasma-Vorrichtung (12), c. die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung (12) weist eine Plasma-Düse (13) zur Generierung eines Plasma-Strahls (14) mittels eines Ionisationsgases (15) auf, wobei die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung (12) mit dem Plasma-Strahl (14) und die Einspann-Vorrichtung (11) mit dem thermoplastischen Polymer (21) mit vorbestimmten Bearbeitungsparametern relativ zueinander beweglich sind und die Bearbeitungsparameter – ein vorbestimmter Abstand (30) der Plasma-Düse (13) zur Außenoberfläche (20), – eine vorbestimmte Geschwindigkeit (31) der Relativbewegung und – vorbestimmte Richtungen (32) der Relativbewegungen sind, d. die Erhitzung mittels der Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) erfolgt ohne Reaktionsgas.
Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) nach dem Anspruch 9, bei der das Ionisationsgas (15) Luft ist.
Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) nach dem Anspruch 9, bei der das Ionisationsgas (15) Stickstoff ist.
Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) nach den Ansprüchen 9 bis 11, bei der die Einspann-Vorrichtung (11) ortsfest ist und die Atmosphären-Plasma-Vorrichtung (12) beweglich ist.
Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) nach den Ansprüchen 9 bis 12, welche eine Sensoreinrichtung mit einem Sensorelement aufweist, wobei mit dem Sensorelement die Ausrichtung von Beschädigungen (22) erkennbar sind und mit der Sensoreinrichtung ein Steuersignal zur Vorgabe der Richtung (32) der Relativbewegung quer zu einer Beschädigung (22) der Außenoberfläche (20) erzeugbar ist.
Atmosphären-Plasma-Einrichtung (10) nach den Ansprüchen 9 bis 13, welche mit einem elektronischen Steuergerät mit vorbestimmten Bearbeitungsparametern steuerbar ist, derart dass die vorbestimmten Bearbeitungsparameter aus einer computergestützten Datenbank erhaltbar sind, welche Fließtemperaturen und Glasübergangstemperaturen und damit korrespondierende Bearbeitungsparameter von thermoplastischen Polymeren (21) enthält.