DE4218196A1 - Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mittels Niederdruckplasma - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mittels Niederdruckplasma.

Die Oberflächenbehandlung von Bauteilen mittels Niederdruckplasma erfolgt in be­ kannten Plasmapolymerisationsanlagen, die eine Plasma-/Prozeßkammer aufweisen, in dem der Vorgang der Plasmapolymerisation stattfindet und die zu behandelnden Teile während der Prozeßführung sich befinden. Bei einer solchen Prozeßkammer handelt es sich um einen Unterdruckbehälter, in dem während des Verfahrens Unterdruck herrscht. Die zu behandelnden Teile müssen zu diesem Behälter gebracht werden, um bearbeitet zu werden. Eine partielle Bearbeitung von Bereichen einer Oberfläche ist bei dieser Art von Prozeßkammern nicht möglich. Es muß immer die gesamte Oberfläche des in dem Unterdruckbehälter befindlichen Bauteiles oberflächenbehandelt bzw. -beschichtet wer­ den. Dies ist nachteilig. Darüber hinaus verläuft der Prozeß einer solchen Oberflächen­ behandlung diskontinuierlich, d. h. daß die Teile in den Behälter eingelegt werden müssen, der Vorgang der Plasmapolymerisation oder der Plasmabehandlung muß eingeleitet werden, anschließend nach Beendigung der Behandlung muß der Vorgang der Plasma­ bildung beendet werden und die Teile aus dem Behälter herausgenommen. Ein konti­ nuierlicher Prozeß kann nur bei Oberflächenbehandlung von Folien oder Fasern durch­ geführt werden, wobei entsprechende Schleusen benutzt werden, damit der vorgege­ bene Druck in dem Unterdruckbehälter erhalten bleibt. Es ist nachteilig, daß das Verfahren der Plasmapolymerisation aufgrund der Diskontinuität in einen Produktions­ prozeß nicht bzw. nur schlecht eingebunden werden kann; außerdem ist das Verfahren so nicht für Reparaturzwecke geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mittels Niederdruckplasma so auszugestalten, daß eine lokale Behandlung von ausgesuchten Bauteilbereichen möglich ist und daß darüber hinaus der Einsatz der Vorrichtung an verschiedenen Stellen ermöglicht wird.

Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteran­ sprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar. Ein Verfahren zur Durchführung einer Oberflächenbehandlung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den Ansprü­ chen 14 und 15 angegeben.

Die Ausgestaltung der Vorrichtung derart, daß der Unterdruckbehälter an seiner einen Seite offen ist und daß diese Öffnung durch den zu behandelnden Bereich des Bauteiles während des Behandlungsprozesses vakuumdicht verschlossen ist, ist erreicht, daß die Plasmabehandlung nur in einem partiellen Bereich der Bauteiloberfläche stattfinden kann. Handelt es sich z. B. um die Vorbereitung einer Stelle einer Auto- oder Flugzeugka­ rosserie für einen anschließenden Klebevorgang, so kann gezielt der Plasmaunter­ druckbehälter auf diese Stelle aufgesetzt werden und nur in diesem Bereich findet die Plasmabehandlung statt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß der vakuumdichte Ab­ schluß zwischen dem Unterdruckbehälter und dem in der Oberfläche des zu behandeln­ den Teiles durch den Prozeßunterdruck geschieht. Wird in dem Behälter der Druck ver­ mindert zwecks Schaffung eines Vakuums, so wird automatisch der Behälter bzw. die Oberfläche des Bauteiles an die Prozeßkammer "angesaugt". Die Unterkante des Be­ hälters, entlang welcher dieser auf die zu behandelnde Oberfläche aufgesetzt wird ist vorteilhafterweise mit einer Vakuumdichtung versehen.

Der Behälter weist einen Absaugspalt auf, durch den der notwendige Unterdruck herge­ stellt wird. Der Spalt erstreckt sich vorteilhafterweise über den gesamten Umfang des Unterdruckbehälters. Dadurch ist eine annähernd konstante Verteilung des erzeugten Plasmas in der Prozeßkammer gewährleistet.

Der Unterdruckbehälter weist eine solche Form auf, daß er glockenartig auf das zu behandelnde Bauteil aufgesetzt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mindestens die Mantelwände des Behälters doppelt ausgeführt. Diese doppelwandige Ausführungsform des Behälters erlaubt in einfacher Weise die Größenverstellung des Absaugspaltes. Der Unterdruckbehälter wird mit seiner äußeren Mantelwand auf die Oberfläche des Bauteiles aufgesetzt, die innere Wand bildet zwischen ihrer Unterkante und der Oberfläche des zu behandelnden Bau­ teiles den Absaugspalt. Je nach Länge der inneren Wand können unterschiedliche Spaltgrößen eingestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 kann der Unterdruckbehälter auch einen doppelten Boden aufweisen.

Der Innenbehälter besteht vorteilhafterweise aus einem nicht leitenden Material, z. B. aus Glas.

In einer Ausführungsform nach Anspruch 11 ist vorgesehen, daß der Unterdruckbehälter aus drei ineinander geschobenen Behältern besteht, wobei die Mantelwand des Außen­ behälters und die Mantelwand des mittleren Behälters zwischen sich eine Vakuum­ schleuse bilden und die äußere Wand des Außenbehälters die Wand ist, mit der die Pro­ zeßkammer auf die Oberfläche des Bauteiles aufgesetzt wird. Diese Ausgestaltung ist dann wichtig, wenn kontinuierliche Oberflächenbehandlung erfolgen soll. Das Vakuum muß beim Versetzen der Prozeßkammer von einer Stelle zu einer anderen nicht abge­ schaltet werden, da der zwischen der äußeren und der mittleren Wandung befindliche Hohlraum eine Schleuse für das Vakuum bildet.

Das Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mittels der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung verläuft so, daß der Unterdruckbehälter auf den zu behandelnden Bereich der Bauteiloberfläche aufgesetzt wird, so daß die äußere Wandung mit der Va­ kuumdichtung auf der Oberfläche des Bauteiles aufliegt und die innere Wandung den Absaugspalt bildet. Wird nun ein Unterdruck durch Absaugen erzeugt, so entsteht ein va­ kuumdichter Abschluß zwischen dem Bauteil und dem Unterdruckbehälter. Nach der Durchführung des Plasmabehandlungsprozesses wird durch Druckerhöhung die vaku­ umdichte Verbindung zwischen den beiden Teilen aufgehoben und das behandelte Bauteil entnommen. Bei einer dreiwandigen Ausführungsform der Prozeßkammer ist es möglich, mehrere Bereiche der Oberfläche eines Bauteiles zu behandeln, ohne daß das Vakuum abgeschaltet wird. Durch die Anordnung der dritten Wand entsteht zwischen dieser und der mittleren Wand eine Vakuumschleuse, wodurch ein vakuumdichter Ab­ schluß der äußersten Wand zu der Bauteiloberfläche nicht notwendig ist und somit das Verschieben der Prozeßkammer ermöglicht wird.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Unterdruckbehälters in doppelwandiger Ausführung;

Fig. 2 eine andere Form eines doppelwandigen Unterdruckbehälters;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Unterdruckbehälters in einer dreiwandigen Ausführungsform.

Der Unterdruckbehälter, der die eigentliche Prozeßkammer für den Vorgang der Plas­ mabehandlung bildet, besteht aus einem inneren Behälter 1 und einem äußeren Behälter 2. Der Innenraum des inneren Behälters 3 bildet den Raum der Plasmaentladung. In die­ sen Raum werden die Prozeßgase 4 eingebracht. Zwischen der Ummantelung des inneren Behälters 1 und des äußeren Behälters 2 ist ein Hohlraum 5 gebildet, von dem die Gase abgesaugt werden und wodurch ein Vakuum bzw. ein Unterdruck im Innen­ raum 3 gebildet wird. Die Ummantelung des äußeren Behälters 2 ist an ihrer Unterseite längs der Aufsetzkante auf die zu behandelnde Oberfläche mit einer Vakuumdichtung 6 versehen. Im Falle einer hochfrequenten Anregung, z. B. im Falle einer Mikrowellenanre­ gung, ist die Dichtung 6 zusätzlich als Hochfrequenzdichtung 7 ausgeführt. Vorteilhaf­ terweise sind an der unteren Kante des äußeren Behälters 2 beide Dichtungen eingebaut, damit der Behälter wahlweise für beide Anregungsarten einsetzbar ist. Die Steuerung des Druckes im Innenraum 3 des inneren Behälters 1 kann im einfachsten Fall über die Menge der eingebrachten Prozeßgase reguliert werden. Es kann aber auch eine Drucksonde 8 vorgesehen werden, um so die Steuerung des Druckes über eine Drosselklappe 9 in einer Absaugleitung 10 zu ermöglichen. Geschieht die Druckregelung auf die so geschilderte Weise, so ist auch eine reproduzierbare Steuerung des plasmapolymeren Verfahrens möglich. Es sind alle Arten der Energieeinkopplung möglich: resistive, kapazitive, induktive und die Mikrowelleneinkopplung. Bei einer Gleichstromenergieeinkopplung ist vorgesehen, daß an dem der zu behandelnden Oberfläche abgewandten Ende des Druckbehälters eine Elektrode 11 angeordnet ist. Im einfachsten Falle kann diese Elektrode durch den Behälterboden 12 gebildet sein. Als Gegenelektrode dient das zu behandelnde Bauteil 13, wobei dieses leitend sein muß. Der Absaugspalt 14 ist zwischen der Oberfläche des zu behandelnden Bauteils 13 und der Unterkante der Mantelwand des inneren Behälters 1 gebildet. Je nach Erstreckung der Wand des inneren Behälters 1 kann die Größe des Absaugspaltes variiert werden. Der Absaugspalt erstreckt sich vorteilhafterweise über den gesamten Umfang des Unterdruckbehälters.

In einer anderen Form des Unterdruckbehälters ist vorgesehen, daß nur die Mantel­ wände bzw. die Mantelwand doppelt ausgeführt ist, wodurch der innere Behälter 1 und der äußere Behälter 2 einen gemeinsamen Behälterboden 12 aufweisen. Die Mantel­ wände des Behälters 1 weisen an ihren, dem Bauteil zugewandten Enden Zylinder 15 auf, welche derart längs dieser verschoben werden können (z. B. über O-Ringe 22), daß die Größe des Absaugspaltes 14 verändert werden kann. Sind die Zylinder 15 aus einem leitenden Material, z. B. Metall ausgeführt, so bilden sie gleichzeitig eine Elektrode. Die Gegenelektrode 16 kann z. B. an dem Behälterboden 12 angeordnet sein und eine stabförmige Form aufweisen. Die Mantelwände des Innenbehälters 1 sollten hingegen aus einem nichtleitenden Material ausgeführt sein, wie z. B. Glas oder Teflon. Für den Fall der Ausführung der Zylinder 15 als Elektroden und bei Gleichstromeinspeisung kann trotzdem ein Bauteil aus einem nichtleitenden Werkstoff behandelt werden, z. B. aus Kunststoff.

In Fig. 3 ist ein Unterdruckbehälter dargestellt, welcher aus einem Innenbehälter 1, einem Außenbehälter 2 und einem Mittelbehälter 16 besteht. Zwischen der Mantelwand des Außenbehälters 2 und des Mittelbehälters 16 ist ein Hohlraum 17 gebildet, in dem ein Vorvakuum entsteht. Dieser Raum bildet eine Schleuse für das Vakuum, welche Ausfüh­ rungsform eine kontinuierliche Plasmaoberflächenbehandlung ermöglicht. Der Hohlraum 17 wird gesondert abgesaugt. Auf der Mantelwand des äußeren Behälters 2 wird ein Ab­ standshalter 18, z. B. ein Kugellager eingesetzt, damit die gesamte Prozeßkammer konti­ nuierlich an verschiedenen Stellen der zu behandelnden Oberfläche des Bauteiles 13 eingesetzt werden kann. Der Spalt 19 zwischen der Mantelwand des mittleren Behälters 16 und der Oberfläche des Bauteiles 13 ist sehr schmal, wodurch das im Innenraum 3 gebildete Vakuum erhalten bleibt.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mittels Niederdruckplasma mit einem Unterdruckbehälter, insbesondere einem zylinderförmigen Unterdruck­ behälter mit einer Mantelwand und zwei Böden, einer Vakuumpumpe und min­ destens einer Elektrode oder Mikrowellen-Einspeisung, dadurch gekennzeich­ net, daß der Unterdruckbehälter im Bodenbereich an seiner einen Seite offen ist und daß diese Öffnung durch den zu behandelnden Bereich des Bauteiles (13) während des Behandlungsprozesses vakuumdicht verschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vakuumdichte Abschluß der Öffnung durch den Prozeßunterdruck erreicht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Unterkante der Mantelwand des äußeren Behälters (2) Vakuumdichtungen und/oder Hochfrequenzdichtungen (6) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Unterdruckbehälter einen sich über seinen gesamten Umfang erstreckenden Absaugspalt (14) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mantelwände des Unterdruckbehälters doppelt ausgeführt sind und durch eine Mantelwand eines Innenbehälters (1) und eines Außenbehälters (2) gebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß auch der Boden des Unterdruckbehälters doppel­ wandig ausgeführt ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, der Unterdruckbehälter glockenartig auf das zu behan­ delnde Bauteil (13) aufgesetzt wird.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absaugspalt (14) zwischen der Oberfläche des zu behandelnden Bauteiles (13) und der Unterkante der Mantelwand des in­ neren Behälters (1) gebildet wird.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Absaugspaltes (14) veränderbar ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gleichstromeinkopplung die eine Elektrode (11) an dem dem Bauteil (13) abgewandten Ende des Unterdruckbehälters angeordnet ist und daß die zweite Elektrode (13) durch das Bauteil (13) selbst gebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Absaugspaltes (14) durch an der Mantelwand des inneren Behälters (1) angeordnete Zylinder (15) einstellbar ist, und daß die Zylinder (15) gleichzeitig eine Elektrode bilden.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (1) aus einem nichtleitenden Material besteht.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruckbehälter aus einem Innenbehälter (1) einem Außenbehälter (2) und einem Mittelbehälter (16) besteht, wobei die Mantelwände des mittleren Behälters (16) und des äußeren Behälters (2) zwi­ schen sich einen Hohlraum (17) bilden, welcher als Vakuumschleuse dient.

14. Verfahren zur Plasmabehandlung von Bauteilen mit der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung auf den zu behandelnden Bereich eines Bauteiles (13) aufgesetzt wird und in dem Innen­ raum (3) des Behälters Unterdruck/Vakuum erzeugt wird, wodurch ein vakuum­ dichter Abschluß zwischen dem Bauteil (13) und der Mantelwand des äußeren Behälters (2) entsteht, der Plasmabehandlungsprozeß durchgeführt und an­ schließend durch Aufheben des Vakuums die Verbindung zwischen dem Bauteil (13) und dem Unterdruckbehälter aufgehoben wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung über verschiedenen Stellen der Bauteiloberfläche (13) bewegt werden kann ohne Aufheben des Vakuums.