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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Plasmagenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs.
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Aus dem Stand der Technik sind Plasmageneratoren mit einer stift- oder stabförmigen Kathode und einer die Kathode ringförmig umgebenden Anode bekannt. Zwischen Kathode und Anode bildet sich ein Lichtbogen aus, durch den ein zwischen Anode und Kathode strömendes Gas ionisiert und aufgeheizt wird. Dabei entsteht ein gerichteter Plasmastrahl, der auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet wird. Hierzu ist die Anode häufig als Austrittsdüse für den Plasmastrahl ausgebildet.
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Als nachteilig erweist sich bei diesen bekannten Plasmageneratoren, daß der gerichtete Plasmastrahl einen geringen Durchmesser aufweist und die Bearbeitung des Werkstücks auf diesen geringen Bereich begrenzt ist. Die Bearbeitung von Werkstücken mit großer axialer Ausdehnung ist mit derartigen bekannten Plasmageneratoren nahezu unmöglich. Darüberhinaus muß im Bereich des Plasmas ein Unterdruck erzeugt werden, um die für das Plasma geeigneten Bedingungen zu schaffen. Hierzu sind spezielle Kammern notwendig, welche Anode und Kathode umgeben und das zu bearbeitende Werkstück in seiner Größe zusätzlich begrenzen.
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Aus der
DE 29 13 464 C3 ist ein Plasmabrenner mit einer stabförmigen Kathode und einer konzentrisch dazu angeordneten rotationssymmetrischen Anode bekannt. Dabei weist die Kathode eine durchgehenden Innenbohrung auf, durch die ein Teil eines zu erwärmenden Gases eingeführt wird. Dies führt zu einer Lokalisierung des kathodenseitigen Plasmabogenansatzes an der ringförmigen Kante der Kathode. Dies erweist sich als nachteilig bei der Bearbeitung von Werkstücken, welche durch die Öffnung in der Kathode hindurchgeführt werden. Zur Bearbeitung der nach außen weisenden Oberfläche der Werkstücke ist eine heiße Zone des Plasmas an der ringförmigen Kante der Kathode ungeeignet.
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Aus der
US 4,904,866 A ist ein Verfahren zum Härten von Photoresists oder Polymer-Filmen auf Substraten mittels eines gepulsten Elektronenstrahls bekannt, wobei der Elektronenstrahl durch Glimmentladung erzeugt wird. Zwar erlaubt das Verfahren eine Bearbeitung von flächigen Substraten jedoch ist eine Bearbeitung von Werkstücken mit großer axialer Ausdehnung nicht möglich.
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Aus der
US 5,298,714 A ist ein Plasmabrenner zur Behandlung von Gasen und/oder Teilchen und zur Abscheidung von Teilchen auf einem Substrat bekannt. Dabei weist der Plasmabrenner zwei konzentrische Elektroden auf. Das Gas wird durch einen Kanal zugeführt, der koaxial zur zentralen Elektrode verläuft. Durch den Kanal wird das Gas in die heiße Zone des Plasmas eingeleitet. Der Kanal dient jedoch nicht dem Zuführen eines zu bearbeitenden Werkstücks, welches eine große axiale Ausdehnung aufweist. Der Plasmabrenner ist nicht geeignet um Werkstücke mit großer axialer Ausdehnung zu bearbeiten.
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Aus der
DE 42 11 167 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen thermischen Oberflächenbehandlung stab- bzw. strangförmiger Materialien mit metallischer Oberfläche mittels eines zwischen einer Ringelektrode und dem Strang erzeugten Lichtbogens bekannt. Die Vorrichtung ist mit einer der Ringelektrode benachbarten Magnetspule zur Erzeugung einer Umlaufbewegung des Lichtbogens um den Strang ausgestattet. Ferner weist die Vorrichtung Führungselemente zum zentrierten Führen des Strangs durch die Ringelektrode und die Magnetspule auf. Die Vorrichtung eignet sich damit nur zum Bearbeiten von metallischen Bauteilen.
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Aus der
FR 2 514 223 A1 ist ein Plasmagenerator für Anwendungen in der Metallurgie und zum Schmelzen von Keramik bekannt. Zwar sind die Anode und die Kathode innen hohl ausgebildet, wobei die Bohrung der Anode und die Bohrung der Kathode dieselbe Achse aufweisen, jedoch können durch die Bohrungen keine Bauteile mit großer axialer Ausdehnung zugeführt werden, so dass der Plasmagenerator nicht zur Bearbeitung entsprechender Bauteile geeignet ist.
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Aus der
AT 292 868 B sind ein Verfahren zum Betrieb eines Plasmabrenners und ein Plasmabrenner bekannt, bei dem durch eine rohrförmige Kohleelektrode ein Feststoff in Pulverform eingeführt wird. Zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und einer Düse bildet sich ein Lichtbogen aus. In dem Lichtbogen geht der Feststoff in den gasförmigen Zustand über. Das Plasma tritt durch die Düse aus und bildet vor der Düse einen Plasmakegel.
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Die Erfindung und ihre Vorteile
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Demgegenüber hat der erfindungsgemäße Plasmagenerator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil, daß die Kathode ring- oder rohrförmig ausgebildet ist und in axialer Richtung nach beiden Seiten offen ist. Dadurch bildet sich in dem Plasmagenerator eine ringförmige Plasmaströmung aus, durch die das Werkstück zur Bearbeitung hindurchgeführt werden kann. Die Öffnung der Kathode auf beiden Seiten ermöglicht, daß die Werkstücke durch die Kathode hindurchgeführt und in die Plasmaströmung eingeführt werden können.
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Auf diese Weise können Werkstücke mit großer axialer Ausdehnung bearbeitet werden. Hierzu zählen z. B. Drähte, Kabel oder Stangen. Die Werkstücke werden zur Bearbeitung durch die in der Kathode vorgesehene Öffnung hindurchgeschoben. Bei einer kontinuierlichen Bewegung des Werkstücks findet eine Bearbeitung im Durchlaufverfahren statt. Auf diese Weise können auf dem gesamten Umfang des Werkstücks homogene Beschichtungen mittels Plasmaspritzen oder Plasma-CVD aufgebracht werden. Darüberhinaus ist eine Reinigung oder sonstige Oberflächenbehandlung der Werkstücke möglich. Ferner können mit dem erfindungsgemäßen Plasmagenerator Verunreinigungen oder Gifte komplett verbrannt werden. Es besteht die Möglichkeit, den Plasmagenerator direkt in Schadstoff führende Leitungen zu integrieren. Der mit zwei ringförmigen Elektroden ausgestattete Plasmagenerator findet damit sowohl in der Oberflächentechnik als auch in der Müll und Schadstoffbehandlung Anwendung.
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Ferner ist in der Anode ein ringförmiger Kanal für die Zuführung eines Gases vorgesehen, welcher auf der der Kathode zugewandten Seite eine Abrißkante zur Erzeugung einer Überschallströmung, insbesondere einer Prandtl-Meyer-Eckenströmung, aufweist. Diese unterstützt einerseits die ringförmige Verteilung des Plasmas und sorgt aufgrund der schnellen Strömung im Bereich zwischen Anode und Kathode für die Erzeugung eines Unterdrucks. Dieser ist ausreichend, um die für die Bearbeitung durch das Plasma notwendigen Bedingungen einer diffusen Entladung und eines ringförmigen Plasmastrahls zu schaffen, so daß je nach Anwendung auf eine die beiden Elektroden umgebende Kammer zur Evakuierung verzichtet werden kann. Damit ist eine Plasmabearbeitung ohne aufwendige Vakuumeinrichtung möglich. Damit ist eine Bearbeitung von Werkstücken, beispielsweise das Aufbringen homogener Beschichtungen mittels Plasmaspritzen oder Plasma-CVD, im Durchlaufverfahren möglich. Über den Kanal können sowohl ein zur Erzeugung des Plasmas notwendiges Arbeitsgas, als auch weitere zusätzliche Gase zugeführt werden.
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Um Werkstücke an ihrer Oberfläche bearbeiten zu können, muß der Plasmastrahl in azimutaler Richtung und damit senkrecht zur Achse der Anode und der Kathode konstant sein. Nur auf diese Weise kann eine homogene Oberflächenbehandlung garantiert werden. Die Bogenentladung des Plasmagenerators muß daher diffus sein und über den gesamten Umfang der Kathode stattfinden. Dies führt zu einer koaxial zur Achse der Elektroden homogenen ringförmigen Verteilung des Plasmastrahls. Diese ändert sich lediglich in Richtung des Radius und in Richtung der Achse. Da die Austrittsarbeit temperaturabhängig ist, erfordert eine derartige Verteilung entsprechend hohe Temperaturen der Kathode von mehr als 2000°C. Bekannte Plasmageneratoren, wie beispielsweise Huels-Generatoren, bei welchen lediglich eine auf einen oder mehrere Brennflecke konzentrierte Entladung stattfindet, eignen sich daher nicht für die Bearbeitung von Oberflächen sondern nur für die Erzeugung heißer Luftströmungen. Außerdem bewirkt der brennfleckenartige Ansatz eine starke Kathodenerosion, die einen Einsatz für Beschichtungen unmöglich macht.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Öffnung der Kathode einstellbar. Auf diese Weise lassen sich Werkstücke mit unterschiedlichen Durchmessern mit Hilfe des erfindungsgemäßen Plasmagenerators bearbeiten. Die in der Kathode vorgesehene Öffnung kann jeweils an das zu bearbeitende Werkstück angepaßt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Wandstärke der Kathode in achsialer Richtung zur Anode hin ab. Diese Form unterstützt die Ausbildung eines für die Beschichtung geeigneten Lichtbogens zwischen Anode und Kathode.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist für das zu bearbeitende Werkstück eine Anordnungsvorrichtung vorgesehen, welche das Werkstück durch die Öffnung der Kathode hindurchführt. Die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück dabei weitertransportiert wird, hängt jeweils von der für die Bearbeitung notwendige Zeit ab. Durch die Anordnungsvorrichtung ist außerdem gewährleistet, daß das zu bearbeitende Werkstück stets entlang der Symmetrieachse der koaxial zueinander angeordneten Anode und Kathode transportiert wird. Dies ist für die homogene Bearbeitung des Werkstücks von großer Bedeutung.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kammer vorgesehen, welche die Anode und die Kathode umgibt, und die eine Schleuse zum Zuführen des Werkstücks aufweist. Die Kammer kann auf einen bestimmten Druck evakuiert werden, um im Bereich der Kathode und Anode die für das Plasma geeigneten Bedingungen zu schaffen. Um zu verhindern, daß zum Zuführen des zu bearbeitenden Werkstücks die Kammer belüftet werden muß, ist für das Werkstück eine Schleuse vorgesehen. Diese Schleuse erlaubt ein Einführen des zu bearbeitenden Werkstückes entlang der gemeinsamen Symmetrieachse von Anode und Kathode. Sobald das Werkstück in die für die Bearbeitung notwendige Position gebracht ist, wird das Plasma gezündet. Aufgrund der Geometrie der Elektroden bildet sich über den Umfang des Werkstücks eine homogene ringförmige Plasmaströmung aus. Durch Zugabe von Spritzpulver oder anderen geeigneten Reaktionspartnern kann beispielsweise auf dem Bauteil eine Plasma-CVD-Beschichtung aufgebracht werden. Dabei kommt es an der Oberfläche des Werkstücks durch chemische Reaktion der im Plasma befindlichen angeregten Elemente zur Abscheidung von Hartstoffschichten. Bei einer Reinigung kommt es zum Abtrag von störenden Schichten an der Werkstückoberfläche, beispielsweise durch Reduktion von Oxidschichten bei Zugabe von Wasserstoff.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine weitere Schleuse zum Abtransportieren des Werkstücks vorgesehen. Eine derartige Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Bearbeiten von Werkstücken, deren axiale Ausdehnung größer ist als die Länge der Kammer. Dies gilt beispielsweise für Drähte, Kabel oder Stangen. Zur Bearbeitung wird das betreffende Werkstück kontinuierlich durch die Kammer geführt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können über den Kanal auch Pulver oder Flüssigkeiten zugeführt werden. Diese dienen zur Erzeugung beispielsweise einer Plasma-CVD-Beschichtung auf dem zu bearbeitenden Werkstück. Dabei kommt es durch die Reaktion im Plasma zu einer Abscheidung von Hartstoffschichten auf dem Werkstück. Zum Einbringen von Pulver oder Flüssigkeiten in das Plasma können außerdem im weiteren Verlauf des Plasmastrahls zusätzliche Kanäle in der Anode vorgesehen sein.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasmagenerators dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
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1 Plasmagenerator im Querschnitt.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt einen Plasmagenerator mit einer ringförmigen Anode 1 und einer koaxial dazu angeordneten ebenfalls ringförmigen Kathode 2. Die Anode besteht dabei aus Kupfer, während die Kathode aus mit Thorium dotiertem Wolfram gefertigt ist. In der Anode ist ein ringförmiger Kanal 3 für die Zuführung von Gasen, Pulver oder Flüssigkeiten vorgesehen. Dieser Kanal ist auf der der Kathode zugewandten Seite verengt und weist eine Abrißkante 4 auf. Durch die Querschnittseinschnürung wird ein lokaler Druckabfall und eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit verursacht. Die spezielle Formung der Kante 4 trägt außerdem zu einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit ohne Ausbildung von Wirbeln bei.
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Die Kathode 2 weist in Richtung der Symmetrieachse 5 der Anordnung eine im Querschnitt kreisrunde Öffnung 6 auf. Durch diese Öffnung kann ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Werkstück in das zwischen Anode und Kathode gebildete Plasma eingeführt werden. Eine Begrenzung hinsichtlich der Ausdehnung des Werkstücks entlang der Symmetrieachse 5 der Anordnung besteht nicht. Das Werkstück muß lediglich einen kleineren Querschnitt als die Öffnung 6 der Kathode 2 aufweisen. Die Kathode läuft in ihrem Querschnitt in Richtung der Anode spitz zu. Diese Formung unterstützt die Ausbildung eines Lichtbogens zwischen Anode und Kathode, welcher das durch den Kanal 3 einströmende Gas zur Erzeugung eines Plasmas ionisiert. Durch den Kanal 3 können neben Gasen auch Pulver oder Flüssigkeiten in das Plasma eingeleitet werden.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anode
- 2
- Kathode
- 3
- Kanal
- 4
- Abrißkante
- 5
- Symmetrieachse
- 6
- Öffnung
