DE19532412A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächen-Vorbehandlung von Werkstücken - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächen-Vorbehandlung von WerkstückenInfo
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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.
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Owner name: PLASMATREAT GMBH, 33803 STEINHAGEN, DE |
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