DE19532412A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächen-Vorbehandlung von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächen-Vor­ behandlung von Werkstücken mittels elektrischer Entladung.

Wenn Werkstückoberflächen beschichtet, lackiert oder geklebt werden sol­ len, ist häufig eine Vorbehandlung erforderlich, durch die Verunreinigungen von der Oberfläche entfernt werden und dadurch die - insbesondere bei Werkstücken aus Kunststoff - die Molekülstruktur so verändert wird, daß die Oberfläche mit Flüssigkeiten wie Kleber, Lacken und dergleichen benetzt werden kann.

Ein bekanntes Verfahren zur Vorbehandlung von Kunststoffolien besteht dar­ in, daß man eine Korona-Entladung auf die Folienoberfläche einwirken läßt. Zu diesem Zweck wird die Folie durch einen schmalen Spalt zwischen den Korona-Elektroden hindurchgeführt. Dieses Verfahren ist jedoch nur bei rela­ tiv dünnen Folien anwendbar. Außerdem kann es zu einer unerwünschten Vorbehandlung der Rückseite der Folie kommen, beispielsweise wenn sich zwischen der rückseitigen Elektrode und der Folie eine Luftblase befindet, in der eine weitere Entladung stattfindet.

Zum Vorbehandeln der Oberfläche von dickeren Folien oder massiven Werk­ stücken wird in DE 43 25 939 C1 eine Korona-Düse beschrieben, bei der zwi­ schen den Elektroden ein oszillierend oder umlaufend geführter Luftstrom austritt, so daß man eine flächige Entladungszone erhält, in der die zu behan­ delnde Oberfläche des Werkstücks mit den Korona-Entladungsbüscheln über­ strichen werden kann. Diese Korona-Düse eignet sich jedoch nicht für die Vorhandlung von Werkstücken, die ein verhältnismäßig tiefes Relief aufwei­ sen, da Innenecken, tiefe Nuten und dergleichen mit der flächig ausgedehn­ ten Entladungszone dieser Düse nicht oder nur schwer zu erreichen sind. Au­ ßerdem besitzt diese bekannte Korona-Düse eine verhältnismäßig aufwendige und sperrige Konstruktion, da für die Erzeugung des oszillierenden bzw. um­ laufenden Luftstroms ein Motorantrieb erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Vorhandlung von Werkstück­ oberflächen mittels elektrischer Entladung anzugeben, das sich auch bei Werkstückoberflächen mit einem relativ komplizierten Relief anwenden läßt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß Pa­ tentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 4.

Erfindungsgemäß wird durch Plasmaentladung unter Zufuhr eines Arbeitsga­ ses ein gebündelter Strahl eines reaktiven Mediums erzeugt, und die zu be­ handelnde Oberfläche wird dem so erzeugten Strahl ausgesetzt.

Das Verfahren eignet sich zur Behandlung sowohl von leitenden als auch von nichtleitenden Werkstücken, insbesondere von Werkstücken aus Kunststoff. Weiterhin hat sich gezeigt, daß sich auf die oben beschriebene Weise ein Strahl erzeugen läßt, der einerseits chemisch so aktiv ist, daß eine wirksame Oberflächen-Vorbehandlung erreicht wird, andererseits jedoch eine so nie­ drige Temperatur besitzen kann, daß auch empfindliche Oberflächen nicht beschädigt werden.

Weiter Vorteile des Verfahrens bestehen darin, daß eine praktisch ozonfreie Vorbehandlung durchgeführt werden kann und sich eine unerwünschte Vor­ behandlung der Rückseite zuverlässig ausschließen läßt. Bei nichtleitenden Werkstücken wird auch eine unerwünschte Oberflächenaufladung vermieden.

Ein Generator zur Erzeugung des Strahls wird durch eine rohrförmige Düse aus elektrisch isolierendem Material gebildet, die von dem Arbeitsgas durch­ strömt wird. Die Mündung der Düse ist von einer Ringelektrode umgeben, und im Inneren der Düse ist eine Stiftelektrode angebracht, deren Spitze ge­ genüber der Mündung der Düse axial zurückversetzt ist. Der Plasmabogen ver­ läuft somit von der Spitze der Stiftelektrode im wesentlichen in Axialrich­ tung des Düsenrohres, also parallel zur Strömung des Arbeitsgases, zu der Ringelektrode. Auf diese Weise läßt sich vor der Mündung der Düse ein in­ tensiver, gerichteter und relativ scharf gebündelter Strahl erzeugen, der eine wirksame und gleichmäßige Vorbehandlung auch schwer zugänglicher Werk­ stückoberflächen gestattet. Durch geeignete Wahl des Abstands zwischen der Spitze der Stiftelektrode und der Mündung des Düsenrohres läßt sich die Bündelung des Strahls nach Bedarf einstellen.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Düsenrohr besteht bevorzugt aus Keramikmaterial und ist am äußeren Umfang mit einem elektrisch leitenden Mantel umgeben, der elektrisch mit der Ringelektrode verbunden oder in einem Stück mit dieser ausgebildet ist und sich am entgegengesetzten Ende bis etwa in Höhe der Spitze der Stifte­ lektrode erstreckt. In diesem Fall kann bereits mit relativ niedriger Span­ nung durch das Keramikmaterial hindurch eine Korona-Entladung erzeugt werden, durch die die Bogenentladung gezündet wird. Zum Einschalten des Strahls braucht somit nur die Betriebsspannung hochgeregelt zu werden, und es ist keine wesentlich erhöhte Zündspannung erforderlich.

Das Arbeitsgas - beispielsweise Luft oder Argon - wird vorzugsweise in Höhe der Stiftelektrode so in das Düsenrohr eingeleitet, daß es drallförmig durch das Düsenrohr strömt. In dem Düsenrohr bildet sich dann ein einheitlicher Wirbel, dessen Wirbelkern den Lichtbogen kanalisiert. Selbst bei nicht genau koaxialer Ausrichtung der Stiftelektrode in dem Düsenrohr erhält man so ei­ nen sehr stabilen Lichtbogen, der sich in Form eines einzigen scharf begrenz­ ten Astes längs der Achse des Düsenrohres von der Spitze der Stiftelektrode bis etwa zur Mündung des Düsenrohres erstreckt und sich erst dann in meh­ rere Teiläste auffächert, die radial zur Ringelektrode führen. Der Punkt, an dem sich der Lichtbogen in die Teiläste auffächert, bildet eine nahezu punkt­ förmige Quelle für den reaktiven Strahl. Die "Fokussierung" und Divergenz des Strahls lassen sich in diesem Fall auch durch Variieren des Arbeits­ gas-Durchsatzes beeinflussen, ohne daß die geometrische Konfiguration des Ge­ nerators geändert werden muß.

Wenn ein Arbeitsgas mit geeigneten Zusätzen verwendet wird, läßt sich der Generator auch zum "Plasma-Beschichten" von Oberflächen einsetzen.

An die Elektrode wird bevorzugt eine Hochfrequenz-Wechselspannung in der Größenordnung von 10 bis 30 kV angelegt, der zur Stabilisierung der Entla­ dung eine kleine Gleichspannungskomponente überlagert sein kann. Ein zur Erzeugung dieser Wechselspannung geeigneter, einfach regelbarer HF-Gene­ rator wird in DE 42 35 766 C1 beschrieben. Vorzugsweise ist die Ringelek­ trode geerdet, so daß Unfälle oder Beschädigungen elektrisch leitender Werkstücke durch unerwünschte Entladungen vermieden werden können.

Durch den gleichfalls geerdeten Mantel wird eine Abschirmung des Entla­ dungsprozesses gegen äußere Störeinflüsse sowie eine hohe elektromagneti­ sche Verträglichkeit (EMV) der Vorrichtung erreicht.

Gemaß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mehrere in ei­ ner Reihe oder in mehreren Reihen auf Lücke versetzt angeordnete Strahlge­ neratoren in einen gemeinsamen Arbeitskopf integriert, so daß flächig ausge­ dehnte Werkstücke auf rationelle Weise gleichmäßig vorbehandelt werden können. Die Ringelektroden werden in diesem Fall durch einen sämtlichen Generatoren gemeinsamen elektrisch leitenden Block gebildet, in den die einzelnen Düsenrohre eingebettet sind. Die Anordnung der einzelnen Genera­ toren kann dabei so kompakt sein, daß die Querschnitte der einzelnen Plas­ mastrahlen sich in Höhe der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche in der Richtung quer zur Relativbewegung von Arbeitskopf und Werkstück überlap­ pen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsge­ maßen Strahlgenerator; und

Fig. 2 eine Stirnansicht eines Arbeitskopfes mit mehreren Strahlgene­ ratoren.

Der in Fig. 1 gezeigte Strahlgenerator 10 besitzt ein topfförmiges Gehäuse 12 aus Kunststoff, das seitlich mit einem Anschluß 14 zur Zufuhr eines Ar­ beitsgases versehen ist. In der Öffnung des Gehäuses 12 ist koaxial ein Dü­ senrohr 14 aus Keramik gehalten. Im Inneren des Gehäuses 12 ist mittig ei­ ne Stiftelektrode 18 aus Kupfer angeordnet, deren Spitze in das Düsenrohr 16 hineinragt. Der äußere Umfang des Düsenrohres ist außerhalb des Gehäu­ ses 12 von einem Mantel 20 aus elektrisch leitendem Material umgeben, der am freien Ende des Düsenrohres 16 eine Ringelektrode 22 bildet. Die Ring­ elektrode 22 begrenzt eine Düsenöffnung 24, deren Durchmesser etwas klei­ ner ist als der Innendurchmesser des Düsenrohres 16, so am Auslaß des Dü­ senrohres eine gewisse Einschnürung erreicht wird.

Der Mantel 20 und damit die Ringelektrode 22 sind geerdet, und zwischen dieser Ringelektrode und der Stiftelektrode 18 wird mit Hilfe eines Hochfre­ quenzgenerators 26 eine Wechselspannung mit einer Frequenz in der Grö­ ßenordnung von 20 kHz angelegt, deren Spannung regelbar ist und während des Betriebs des Strahlgenerators etwa in der Größenordnung von 5 bis 30 kV liegt.

Der Anschluß 14 für das Arbeitsgas ist exzentrisch in bezug auf das Gehäuse 12 angeordnet, so daß das zugeführte Arbeitsgas drallförmig durch das Dü­ senrohr 16 strömt, wie durch den Pfeil 28 in Fig. 1 angedeutet wird. Unter­ stützt durch die Einschnürung am Auslaß des Düsenrohres bildet sich ein sta­ biler Gaswirbel, dessen Wirbelkern sich längs der Achse des Düsenrohres er­ streckt.

Der elektrisch leitende Mantel 20 erstreckt sich am gehäuseseitigen Ende etwa bis in Höhe der Spitze der Stiftelektrode 18. Beim Hochregeln der Spannung kommt es an der Spitze der Stiftelektrode 18 zunächst zu einer Korona-Entladung. Die bläulich leuchtenden Entladungsbüschel erstrecken sich radial auf die Wand des Düsenrohres 16, und der Transport der Ladungs­ träger zum Mantel 20 erfolgt durch das Keramikmaterial des Düsenrohres 16 hindurch. Diese Korona-Entladung liefert die notwendigen Ionen, durch die bei steigender Spannung eine Bogenentladung von der Stiftelektrode 18 zur Ringelektrode 22 gezündet wird. Bei Verwendung von Luft als Arbeitsgas ent­ steht ein weiß-blau leuchtender Lichtbogen 30, der sich von der Spitze der Stiftelektrode 18 aus in einen scharf begrenzten dünnen Kanal längs der Ach­ se des Düsenrohres 16 bis etwa in die Mitte der Austrittsöffnung 24 er­ streckt. Erst dort teilt sich der Lichtbogen in mehrere Teiläste 32 auf, die radial zur Ringelektrode 22 führen. Der Punkt, an dem sich der axiale Licht­ bogen 30 in die einzelnen Teiläste 32 verzweigt, bildet zugleich den Ur­ sprung einer bei Verwendung von Luft als Arbeitsgas schwach goldfarben leuchtenden "Flamme", die vorläufig als Plasmastrahl 34 gedeutet wird.

Dieser Plasmastrahl 34 wird zur Vorbehandlung von Oberflächen genutzt. Im gezeigten Beispiel dient der Plasmastrahl zur Vorbehandlung der Oberfläche eines Werkstücks 36 aus Kunststoff im Bereich einer Nut 38. Man erkannt, daß der Plasmastrahl 34 in die Nut 38 eindringt, so daß auch der ansonsten schwer zugängliche Grund der Nut wirksam vorbehandelt werden kann.

Ob es sich bei der hier als Plasmastrahl 34 bezeichneten "Flamme" tatsäch­ lich um ein Plasma im eigentlichen Sinne, d. h., um ein zumindest teilweise ionisiertes Medium handelt, ist nicht vollständig gesichert. Es wurde ver­ sucht, die elektrische Leitfähigkeit dieses Mediums nachzuweisen, indem die Enden zweier Leiter, von denen einer direkt und der andere über eine Glüh­ birne mit einer Batterie verbunden war, die Flamme gehalten wurden. Die Glühbirne leuchtete jedoch nur dann auf, wenn einer der Äste 32 des Licht­ bogens auf die Leiterenden übersprang und diese verband. Die Leitfähigkeit des Plasmastrahls 34 ist somit wesentlich geringer als die des Plasmas inner­ halb des Lichtbogens. Möglicherweise handelt es sich bei der "Flamme" nur um ein schwach ionisiertes Plasma oder um ein Medium, das lediglich freie Radikale oder angeregte Atome oder Moleküle enthält. Es konnte jedoch zweifelsfrei nachgewiesen werden, daß der Plasmastrahl 34 die gewünschte vorbehandelnde Wirkung auf die in den Strahl gebrachten Werkstückoberflä­ chen hat. Es wurden verschiedene Kunststoffoberflächen, die normalerweise nicht mit Wasser benetzbar sind, in den Plasmastrahl 34 gebracht und an­ schließend mit Wasser bestrichen. Die mit dem Plasmastrahl 34 behandelten Oberflächenbereiche konnten danach mit Wasser benetzt werden. Dieser Ef­ fekt läßt sich auch bei stark fluorierten Polymeren wie etwa PTFE beobach­ ten. Auch Metalloberflächen konnten mit Hilfe des Plasmastrahls 34 wirksam vorhandelt und beispielsweise von Silikonöl-Rückständen und dergleichen befreit werden. Bei Versuchen mit unedlen Metallen zeigte sich darüber hin­ aus, daß der Plasmastrahl 34 praktisch keine oxidierende Wirkung hat. Selbst bei der Behandlung von Aluminium kam es nicht zur Bildung einer Oxid­ schicht.

Die Temperatur des Plasmastrahls 34 ist relativ gering. Ähnlich wie bei einer Kerzenflamme kann man den Finger mit mäßiger Geschwindigkeit durch den Plasmastrahl bewegen, ohne daß es zu Verbrennungen kommt.

Das Düsenrohr 16 hat bei den bisher untersuchten Ausführungsbeispielen ei­ nen Innendurchmesser von etwa 8 mm, und der axiale Abstand zwischen der Spitze der Stiftelektrode 18 und der Düsenöffnung 24 beträgt etwa 55 mm. Der Innendurchmesser der Düsenöffnung 24 beträgt etwa 5 mm. Unter die­ sen Bedingungen erhält man einen Plasmastrahl 34, der eine Länge von etwa 30 mm sowie einen maximalen Durchmesser von etwa 5 mm besitzt. Durch Vergrößern des Abstands zwischen der Stiftelektrode und der Düsenöffnung 24 kann die Bündelung und damit die Reichweite des Plasmastrahls verbes­ sert werden. Auch die Einschnürung an der Düsenöffnung 24 scheint die Bündelung des Plasmastrahls zu begünstigen.

Wenn der Durchsatz des Arbeitsgases durch das Düsenrohr 16 vergrößert wird, verlagert sich der Ursprung des Plasmastrahls weiter nach außen, d. h., in Richtung auf das Werkstück, und die Flamme wird länger und schlanker. Gleichzeitig nimmt die in Fig. 1 erkennbare Auswärts-Krümmung der radia­ len Äste 32 des Lichtbogens zu. Wenn man andererseits die Strömung des Ar­ beitsgases drosselt oder ganz ab schaltet, weitet sich der axiale Lichtbogen 30 auf, bis er schließlich nahezu das gesamte Innere des Düsenrohres ausfüllt. Der Plasmastrahl 34 wird dabei kürzer, und sein Ursprung ist nicht mehr punktförmig, sondern flächig über den Querschnitt der Düsenöffnung 24 ver­ teilt. Bei mäßigem Gasdurchsatz erkennt man, daß der Lichtbogen 30 inner­ halb des Düsenrohres der drallförmigen Gasströmung folgt. Bei allmählicher Steigerung des Gasdurchsatzes wird der Lichtbogen 30 in Radialrichtung zu­ nehmend komprimiert und auf der Achse des Düsenrohres fixiert. Der Licht­ bogen 30 scheint demnach durch den Kern des Gaswirbels kanalisiert zu werden. Aufgrund dieses Effektes erhält man bei hinreichend hohem Gas­ durchsatz einen sehr stabilen Plasmastrahl 34, der von einem punktförmigen Ursprung dicht vor der Mitte der Austrittsöffnung 24 ausgeht. Durch geeigne­ te Wahl der Position des Werkstücks 35 in bezug auf den Strahlgenerator 10 lassen sich so der Ort und die Ausdehnung des behandelten Oberflächenbe­ reiches sowie die Intensität der Plasmabehandlung präzise steuern.

Aufgrund der relativ großen Länge des Plasmastrahls 34 läßt sich der Abstand zwischen dem Werkstück und der Austrittsöffnung 24 des Plasmabrenners so groß wählen, daß eine Schädigung der Oberfläche durch unmittelbare Ein­ wirkung der Äste 32 des Lichtbogens vermieden wird. Ebenso wird bei elek­ trisch leitenden Werkstücken eine Übertragung des Lichtbogens auf das Werkstück vermieden.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, hat der Strahlgenerator 10 insgesamt relativ kleine radiale Abmessungen, so daß sich mehrere gleichartige Strahlgenera­ toren dicht gepackt in einen Arbeitskopf integrieren lassen, der für die Be­ handlung größerer Werkstückoberflächen geeignet ist. Ein Beispiel eines sol­ chen Arbeitskopfes 40 ist in Fig. 2 gezeigt. Anstelle des Mantels 20 in Fig. 1 ist hier ein einstückiger Metallblock 42 vorgesehen, in dem die Düsenöff­ nungen 24 der einzelnen Strahlgeneratoren ausgespart sind und der zugleich die zugehörigen Ringelektroden bildet. Die Düsenrohre 16 gemäß Fig. 1 sind - in Fig. 2 nicht erkennbar - in den Metallblock 42 eingelassen.

Die Düsenöffnungen 24 sind im gezeigten Beispiel in zwei parallelen Reihen auf Lücke versetzt und einander überlappend angeordnet. Wenn der Arbeits­ kopf 40 in Richtung des Pfeils A in Fig. 2 über die zu behandelnde Oberflä­ che eines ebenen Werkstücks bewegt wird, kann somit die Werkstückoberflä­ che mit einem weitgehend gleichmäßigen "Plasmavorhang" vorbehandelt werden, dessen Breite sich durch Zu- oder Abschalten einzelner Strahlgene­ ratoren nach Bedarf steuern läßt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Oberflächen-Vorbehandlung von Werkstücken (36) mittels elektrischer Entladung, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Plasmaent­ ladung unter Zufuhr eines Arbeitsgases einen gebündelten Strahl eines reakti­ ven Mediums (34) erzeugt und die zu behandelnde Oberfläche des Werk­ stücks (36) mit diesem Strahl überstreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Ar­ beitsgas unter Bildung eines Wirbels durch ein Düsenrohr (16) strömen läßt und den Lichtbogen (30) im Wirbelkern des Gaswirbels kanalisiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bogenentladung mit Hilfe einer Korona-Entladung zündet.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder zur Oberflächenbeschichtung, mit einem Strahlgenerator (10), der eine von ei­ nem Arbeitsgas durchströmte Ringelektrode (24) und eine koaxial zu der Ringelektrode angeordnete Stiftelektrode (18) aufweist, deren Spitze in Strömungsrichtung des Arbeitsgases axial gegenüber der Ringelektrode (24) zurückversetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stiftelektrode (18) mit Abstand von einem elektrisch isolierenden Düsenrohr (16) umgeben ist, das einen Strömungskanal für das Arbeitsgas bildet und an dessen Düsenöffnung (24) durch die Ringelektrode (22) eine Einschnürung gebildet wird, und daß der axiale Abstand zwischen der Spitze der Stiftelektrode (18) und der Ring­ elektrode (22) wenigstens das Zweifache, vorzugsweise mehr als das Vierfa­ che des Innendurchmessers des Düsenrohres (16) beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Dralleinrich­ tung, die eine wirbelförmige Strömung des Arbeitsgases durch das Düsenrohr (16) bewirkt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenrohr (16) aus Keramikmaterial besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Düsenrohr (16) außen von einem elektrisch leitenden Mantel (20) umgeben ist, der an einem Ende mit der Ringelektrode (24) verbunden ist und am entgegengesetzten Ende bis etwa in Höhe der Spitze der Stifte­ lektrode (18) reicht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Strahlgeneratoren mit dem in Anspruch 4 beschriebenen Aufbau mit in einer gemeinsamen Ebene liegenden Düsenöffnungen (24) in einer Reihe oder mehreren parallelen Reihen in einem gemeinsamen Ar­ beitskopf (40) angeordnet sind und daß dieser Arbeitskopf (40) einen Metall­ block (42) aufweist, der die Ringelektroden (22) sowie ggf. die die Düsenroh­ re (16) umgebenden Mäntel sämtlicher Strahlgeneratoren bildet.

9. Vorrichtung nach einem der Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlgeneratoren einzeln abschaltbar sind.