EP3387886B1 - Vorrichtung zum erzeugen eines atmosphärischen plasmastrahls und verfahren zur behandlung der oberfläche eines werkstücks - Google Patents

Vorrichtung zum erzeugen eines atmosphärischen plasmastrahls und verfahren zur behandlung der oberfläche eines werkstücks Download PDF

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EP3387886B1
EP3387886B1 EP16805832.9A EP16805832A EP3387886B1 EP 3387886 B1 EP3387886 B1 EP 3387886B1 EP 16805832 A EP16805832 A EP 16805832A EP 3387886 B1 EP3387886 B1 EP 3387886B1
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EP
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shield
axis
plasma jet
workpiece
nozzle
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Christian Buske
Stefan Knipper
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Plasmatreat GmbH
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Publication date
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    • H05H1/3478—Geometrical details

Definitions

  • the invention relates to an apparatus for generating an atmospheric plasma jet for treating the surface of a workpiece with a plasma jet rotating about an axis, which generates a wide treatment track when moving over the surface.
  • the invention further relates to a system having at least one plasma apparatus, which rotates about an axis and thereby generates at least one plasma jet to each other in a circular motion over the surface. A movement of the at least one plasma jet over the surface also leads to a broad treatment track.
  • the invention also relates to a method for treating the surface of a workpiece using such a device or such an arrangement.
  • a treatment of a surface with a plasma jet is understood in particular to mean a surface pretreatment by which the surface tension is changed and a better wettability of the surface with fluids is achieved.
  • a surface treatment can also be understood as a surface coating in that a surface coating is achieved by addition of at least one precursor into the plasma jet by a chemical reaction taking place in the plasma jet and / or on the surface of the workpiece, wherein at least part of the chemical products are deposited become.
  • surface treatment may also mean cleaning, disinfecting or sterilizing the surface.
  • a device for producing an atmospheric plasma jet for treating the surface of a workpiece with a plasma jet rotating about an axis is known from US Pat EP 1 067 829 B1 known.
  • This device has a tubular housing having an axis A, one within the housing arranged inner electrode, which preferably runs parallel to the axis A or which is arranged in particular in the axis A.
  • an electrical voltage is applied to the inner electrode, through which an electrical discharge is produced, which generates a plasma by interacting with the working gas flowing inside the housing. together with the working gas, the plasma is transported on.
  • the device has a nozzle arrangement having a nozzle arrangement for discharging a plasma jet to be generated in the housing, wherein the nozzle arrangement is preferably arranged at the end of the discharge path, is grounded and channels the outflowing gas and plasma jet.
  • the direction of the nozzle opening extends at an angle to the axis A, wherein the direction of the nozzle opening can be assumed parallel to the mean direction of the exiting plasma jet and, for example, can be defined parallel to the normal of the opening.
  • a channel extends arcuately within the nozzle assembly to deflect starting from the interior of the housing, the gas and plasma jet.
  • the nozzle assembly is rotatable relative to the axis A, wherein the nozzle assembly is either rotatable relative to the housing and the inner electrode or rotatably connected to housing, while the housing rotates relative to the inner electrode.
  • the nozzle arrangement or the nozzle arrangement and the housing are driven by a motor.
  • US2015 / 0303034 A1 discloses a device according to the preamble of claim 1.
  • US Pat EP 0 986 939 B1 Another system for treating an atmospheric plasma surface is known from US Pat EP 0 986 939 B1 known and comprises two devices for generating an atmospheric plasma jet, wherein each of the two devices comprises a tubular housing having an axis A and A ', an inner electrode disposed within the housing and a nozzle arrangement having a nozzle opening for discharging a in the housing generating plasma jet, wherein the two devices about a common axis B rotatable with each other and wherein a drive for generating a rotational movement of the devices about the axis (B) is provided.
  • Fig. 1a the treatment trace of a plasma jet of a device described above is shown, wherein the trajectory (line) represents the point of impact of the maximum plasma intensity.
  • the device is in y-direction, ie in Fig. 1 moved upward to continuously apply the rotating plasma jet over a strip having an approximate width dx and to treat the surface with plasma.
  • the direction of movement (y) has the effect that the outer regions of the treatment track (dx) in the area of the dashed lines are treated more intensively with the plasma than is the case for the middle regions of the treatment track.
  • Fig. 1b represented intensity distribution having two maxima, which occur in the outer regions of the treatment track, indicated by the dashed lines. In between, there is only a noticeably lower intensity of the plasma treatment, so that an intensity minimum occurs in the middle of the treatment track.
  • the surface is insufficient and also not sufficiently plasma-treated in regular stripes.
  • the speed of movement of the device relative to the surface must regularly be slowed down in order to achieve saturation of the plasma treatment even in the central regions of the treatment track. The application of the device is thus limited.
  • the present invention is therefore based on the technical problem of developing the device and system mentioned above and the method for treating the surface of a workpiece such that the disadvantages mentioned are at least partially resolved and that a more uniform treatment of the surface is achieved.
  • a device for producing an atmospheric plasma jet for treating the surface of a workpiece of the type mentioned above in that a shield surrounds the nozzle arrangement and in that the shielding for changing the intensity of the interaction of the plasma jet to be generated is provided with the surface of the workpiece as a function of the angle of rotation of the nozzle relative to the axis A.
  • the described shield has the function of influencing the rotating plasma jet as a function of the angular position in such a way that the intensity of the plasma jet has an azimuthally varying distribution on the surface of the workpiece.
  • the intensity of the plasma treatment generally depends on the duration of the application, the distance of the surface from the nozzle opening and / or the angle of incidence of the plasma jet on the surface under otherwise constant conditions. If the shield now influences one or more of these parameters in an azimuthally varying manner, the intensity of the plasma treatment of the surface may have an azimuthal distribution.
  • the device is characterized in that the shield is formed in the azimuthal direction only over a partial section. Due to the fact that the shielding is only partially present, the plasma jet is shielded only over a part of a rotation, thus influenced, and has little or no influence over a further part of the rotation. Thus, an azimuthal intensity distribution can be adjusted by the configuration of the shield itself.
  • the above-explained shield is formed in the azimuthal direction symmetrical to the axis A via two sections.
  • a symmetrical intensity distribution of a plasma treatment is achieved, which can be advantageously used in particular when moving the device relative to the surface.
  • the axial length of the shield varies in the azimuthal direction.
  • the shield projects differently in the axial direction and influences the plasma jet differently depending on the length.
  • the obliquely incident plasma jet is at least partially reflected by the inside of the shield and thus deflected inwards. There, therefore, the intensity of the plasma treatment is changed by the deflection of the plasma jet and the plasma treatment is intensified in the interior of the shield or in the interior of the area enclosed by the rotating plasma jet space.
  • the length of the shield may vary in steps.
  • the shield acts on the incident plasma jet over a first portion with the full length and not or only slightly over a second portion, because in the second portion of the shield is made shorter.
  • two equally long first sections and two equally short second sections of the shield are provided.
  • An embodiment in stages leads to an abrupt change of the plasma intensity in the azimuthal direction, which is suitable in particular for static applications to produce a specific pattern on the surface.
  • the length of the shield can vary continuously, in particular in the form of a sinusoidal function.
  • This embodiment has the advantage that the shielding and thus the change in the intensity of the plasma treatment in the azimuthal direction can not be varied abruptly in stages but in the form of a constantly changing function. The resulting distribution of plasma intensity then results in a more uniform treatment of the surface of the workpiece during movement of the device relative to a surface.
  • a further embodiment of the device according to the invention is that the inner surface of the shield occupies azimuthally varying angles to the axis A.
  • the degree of deflection of the plasma jet is azimuthally changed by the shield.
  • the inner surface of the shield for example, at one point occupy an angle of 90 ° to the surface to be treated, while at another point, possibly offset by a rotation of 90 ° thereto, the inner surface inclined at an angle of 70 ° outwards is.
  • the change in the angle of the inner surface can be changed in steps or continuously.
  • the inner surface of the shield has an angle of 90 °, while at 90 ° and 270 ° an angle of the inner surface of 70 ° is present.
  • the angle of the inner surface can be directed both inwards and outwards. Depending on the application, therefore, a more or less strong deflection of the plasma jet can be selected.
  • the azimuthal change of the angle of the inner surface of the shield can also be combined with an azimuthal variation of the length of the shield in the axial direction described above.
  • a further preferred embodiment of the described apparatus for producing an atmospheric plasma jet for the treatment of the surface of a workpiece has a shield which is adjustable in its position relative to the nozzle arrangement, in particular in the direction of the axis A and / or in the radial direction.
  • the entire shield can be designed to be displaceable in the axial direction.
  • the strength and also the azimuthal effective range of the shield can be adjusted in this way.
  • the portion of the shield that influences the plasma jet acts over a larger azimuthal range. If, on the other hand, the lower edge of the shield is arranged less far away from the nozzle arrangement, then the strength of the interaction and possibly the azimuthal effective range of the shield is lower.
  • the shield may have at least two, preferably a plurality of shielding elements, which are designed to be adjustable independently of one another.
  • the shielding elements can be adjustable in the radial direction and / or in the axial direction. This embodiment makes possible a greater variability of the setting of the azimuthal intensity distribution of the plasma jet. If each shield element is individually adjustable in position, then the azimuthal distribution can be adjusted individually. In particular, in special applications, the device can thus be used variable.
  • a heating device for heating the shielding may be provided.
  • This heating has the advantage that the plasma jet impinging on the shield transmits heat energy to the shield to a lesser extent and thus works lossless.
  • the shield may be heated to a temperature higher than the temperature of the plasma jet so that the plasma jet may be further supplied with thermal energy by the shield.
  • a heating device can be designed as a thermal radiator in the form of an outer heating jacket or by an electric heater integrated in the shield.
  • the heater can also be used in rotationally symmetrical shields.
  • a method of treating the surface of a workpiece wherein a plasma jet rotating about the axis A is produced by means of an apparatus producing an atmospheric plasma jet having an axis A and a nozzle arrangement rotating relatively about the axis A. in which the device is moved with the rotating plasma jet along the surface to be treated and in which the intensity of the interaction of the plasma jet with the surface of the workpiece is changed by means of a shielding in dependence on the rotation angle of the nozzle relative to the axis A.
  • the uniformity of the action of the plasma jet relative to the direction of movement across the surface can be improved when the device produces a treatment track.
  • a more uniform plasma treatment along the treatment track is achieved.
  • Fig. 1c represented by the intensity profile that unlike Fig. 1b a flat, or only slightly wavy form of a plateau occupies. If adjacent treatment traces are then brought onto the surface in such overlapping manner that the intensity of the plateau is summed up in the overlap areas, then the surface is more uniformly treated by the plasma jet than has hitherto been possible in the prior art.
  • the design of the shield may be formed in carrying out the method in the various embodiments described above for the device, without these being explained again here. This results in the same advantages described.
  • a system for treating an atmospheric plasma surface with at least one device for producing an atmospheric plasma jet wherein the at least one device comprises a tubular housing having an axis A or A ', one within the internal electrode arranged in the housing and a nozzle arrangement having a nozzle opening for discharging a plasma jet to be generated in the housing, the at least one device being rotatable about an optionally common axis B and a drive for generating a rotational movement of the at least one device about the axis B is provided.
  • the system is characterized in that the direction of the nozzle opening of the at least one device extends at an angle to the axis A or A ', that the nozzle arrangement of the at least one device is rotatable relative to the axis A or A', that in each case a drive for generating a rotational movement of the nozzle arrangement of the at least one device about the respective axis A or A 'is provided, that the at least one device at an angle to the axis B is aligned and that the drive for generating a rotational movement of the at least one device and the drive for generating a rotational movement of the nozzle assembly of the at least one device are synchronized with each other such that during a rotation of the at least one device about the common axis B, the nozzle assembly of the at least one Device performs two revolutions around the respective axis A and A '.
  • the system has been generally described with at least one device. Preference is given to a system with two devices, whereby systems with three or more devices are possible. In the following, the invention will be described primarily with reference to an installation with two devices, but this is not intended to limit the invention to two devices.
  • the plasma jet angle is between the two extreme values.
  • the intensity of the plasma treatment of the surface is varied in the azimuthal direction due to the different plasma jet angle and additionally by the associated greater distance of the nozzle assemblies to the surface of the workpiece.
  • the angle of the nozzle openings to the respective axis A or A ' is substantially coincident with the angle of the devices to the axis B.
  • a vertical alignment of the respective plasma jet is achieved.
  • the rotational movement of the nozzle assemblies is transmitted via a planetary gear by the rotational movement of the devices about the axis B.
  • a synchronous movement is achieved purely mechanically.
  • a synchronous electronic control of individual motors is possible without a planetary gear is then necessary.
  • a method for treating the surface of a workpiece wherein at least one rotating plasma jet is generated by means of a previously described system in which the system is moved with the at least one rotating plasma jet along the surface to be treated and in which the at least one plasma jet is directed in two first angular positions of 0 ° or 180 ° of the rotational movement about the axis B at a steep, preferably perpendicular angle to the surface of the workpiece and wherein the at least one plasma jet in two second angular positions of 90 ° or 270 ° of the rotational movement about the axis B in a flat, preferably at an angle of twice the angle of the nozzle openings relative to the axes A and A ', is directed to the surface of the workpiece.
  • the system is moved substantially in the direction of one of the two first angular positions 0 ° or 180 ° of the rotational movement about the axis B along the surface.
  • the process is carried out with a system with two devices.
  • Known device 2 for generating a plasma jet has a tubular housing 10, which is enlarged in diameter in its upper part in the drawing and mounted rotatably on a fixed support tube 14 by means of a bearing 12. Inside the housing 10, a nozzle channel 16 is formed, which leads from the open end of the support tube 14 to a nozzle opening 18.
  • an electrically insulating ceramic tube 20 is inserted in the support tube 14.
  • a working gas for example air
  • the working gas is supplied through the support tube 14 and the ceramic tube 20 into the nozzle channel 16.
  • the working gas is twisted so that it flows in a vortex-like manner through the nozzle channel 16 to the nozzle opening 18, as in the drawing by a helical arrow is symbolized.
  • the nozzle channel 16 thus creates a vortex core which extends along the axis A of the housing 10.
  • a pin-shaped inner electrode 24 is mounted, which protrudes coaxially into the nozzle channel 16 and to which by means of a high voltage generator 26, a high-frequency high voltage is applied.
  • a high-frequency high voltage is typically understood to mean a voltage of 1 to 100 kV, in particular 1 to 50 kV, preferably 5 to 50 kV, at a frequency of 1 to 100 kHz, in particular 10 to 100 kHz, preferably 10 to 50 kHz.
  • the high-frequency high voltage can be a high-frequency AC voltage, but also a pulsed DC voltage or an overlay of both voltage forms.
  • the metal housing 10 is grounded through the bearing 12 and the support tube 14 and serves as a counter electrode, so that an electric discharge between the inner electrode 24 and the housing 10 can be generated.
  • the inner electrode 24 arranged within the housing 10 is preferably aligned parallel to axis A, in particular the inner electrode 24 is arranged in the axis A.
  • the nozzle opening 18 of the nozzle channel is formed by a nozzle assembly 30 made of metal, which is screwed into a threaded bore 32 of the housing 10 and in which a tapered to the nozzle opening 18 and arcuate and obliquely with respect to the axis A extending channel 34 is formed.
  • the plasma jet 28 emerging from the nozzle opening 18 forms an angle with the axis A of the housing, which angle is approximately 45 ° in the example shown.
  • this angle can be varied as needed.
  • the nozzle arrangement 30 is thus arranged at the end of the discharge path of the high-frequency arc discharge and via the metallic contact with the housing 10 grounded.
  • the nozzle arrangement 30 thus channels the outflowing gas and plasma jet, wherein the direction of the nozzle opening 18 extends at a predetermined angle to the axis A. In this case, one can define the direction of the nozzle opening 18 parallel to the normal of the nozzle opening 18.
  • a gear 36 is arranged, which is in driving connection with a motor, not shown, for example via a toothed belt or a pinion.
  • an arc discharge between the inner electrode 24 and the housing 10 is generated due to the high frequency of the voltage.
  • the arc of this high-frequency arc discharge is entrained by the vortexed working gas and channeled in the core of the vortex-shaped gas flow, so that the arc then almost straight from the tip of the inner electrode 24 along the axis A and extends only in the region of the lower end of the housing 10 or in the region of the channel 34 branches radially on the housing wall or on the wall of the nozzle assembly 30. In this way, a plasma jet 28 is generated, which exits through the nozzle opening 18.
  • arc and "arc discharge” are used herein as a phenomenological description of the discharge, since the discharge occurs in the form of an arc.
  • arc is otherwise used as a discharge form in DC discharges with substantially constant voltage values. In the present case, however, it is a high-frequency discharge in the form of an arc, ie a high-frequency arc discharge.
  • the housing 10 rotates at high speed about the axis A, so that the plasma jet 28 describes a conical surface, which sweeps over the surface to be machined of a workpiece, not shown. Then, as the device 2 is moved along the surface of the workpiece, or vice versa, the workpiece is moved along the device 2, a relatively uniform treatment of the surface of the workpiece on a strip is achieved, the width of which is equal to the diameter of the cone described by the plasma jet 28 on the workpiece surface corresponds. By varying the distance between the mouthpiece 30 and the workpiece, the width of the pretreated area can be influenced.
  • the beam 28, which in turn is twisted has an intensive effect of the plasma on the workpiece surface.
  • the twist direction of the plasma jet can be in the same direction or in opposite directions to the direction of rotation of the housing 10.
  • the intensity of the plasma treatment by the rotating plasma jet 28 depends on the one hand on the distance of the nozzle opening 18 to the surface and on the other hand on the angle of incidence of the plasma jet 28 on the surface to be treated.
  • Fig. 3a to 3c show a first embodiment of a device 4 according to the invention with a device 2 having a same structure, as previously with reference to Fig. 1 has been described.
  • a shield 40 is provided which surrounds the nozzle arrangement 30.
  • the shape of the shield 40 has in the lower edge of the nozzle assembly 30 downwardly projecting portion on a cylindrical inner surface 42 which has sections 44 stages.
  • the shield 40 forms in the azimuthal direction portions 46 with a greater axial length and portions 48 with a smaller axial length.
  • the shield 40 varies the intensity of the interaction of the plasma jet 28 with the surface of the workpiece as a function of the angle of rotation of the nozzle assembly 30 relative to the axis A.
  • Fig. 3a shows the plasma jet 28 hits one of the longer portions 46 of the shield 40, so that the plasma jet 28 is deflected or reflected inwards.
  • Fig. 3b shows the lower portion of the device 4 according to the invention in a 90 ° relative to in Fig. 3a position shown.
  • the plasma jet 28 is directed to one of the shortened portions 48 and can emerge from the nozzle assembly 30 with almost no interaction with the shield.
  • the shield 40 and the arrangement of the sections 46 and 48 are formed in the azimuthal direction symmetrical to the axis A.
  • the structure of the shield is also in Fig. 3c to recognize in a view of the device 2 from below.
  • the plasma jet 28 is influenced to a greater extent in dependence on the angle of the inner surface 42 in the region of the longer section 46 than in the region of the shorter section 48. This results in a varying intensity in the azimuthal direction of the interaction of the plasma jet 28 with the surface of the workpiece.
  • the shield 40 is formed so that it surrounds the nozzle assembly 30 over the entire circumference, in each case two shorter portions 46 and two longer portions 48 are provided.
  • the shield is formed in the azimuthal direction only over a partial section or two partial sections.
  • Fig. 4a to 4c show a further embodiment of a device 6 according to the invention with a device 2.
  • the nozzle assembly 30 is rotatable relative to a stationary housing 10.
  • the housing 10 is tapered conically at its outlet end and forms an axial / radial bearing for a flared upstream part of the nozzle assembly 30.
  • the bearing is formed in the example shown as a magnetic bearing 38.
  • the nozzle assembly 30 is characterized by the dynamic pressure of the outflowing air against the conical Bearing surface of the housing 10 is pressed, but is held by the magnetic bearing 38 without contact in the housing so that it forms a narrow gap with a width of only about 0.1 to 0.2 mm with the housing over its entire circumference.
  • the grounding of the mouthpiece 30 is carried out by sparkover across this gap.
  • the nozzle opening 18 As a rotary drive for the nozzle assembly 30, the nozzle opening 18, which is not aligned in the exact radial direction, but has a tangential component, so that an aerodynamic drive through the partially tangentially emerging air together with the plasma jet 28 is formed.
  • the aerodynamic drive may also be effected by blades or ribs (not shown) arranged in the interior of the nozzle arrangement 30, which are acted upon by the air flowing in a spiral manner through the channel 34.
  • This embodiment of the bearing and the drive has the advantage that the rotary drive is structurally simplified and the moment of inertia of the rotating masses is limited to a minimum.
  • Fig. 4 In contrast to Fig. 3 is the embodiment according to Fig. 4 formed such that the variation of the length of the shield 40 is not in stages, but steadily at least partially in a curved shape, in particular in the form of a sinusoidal function. This results in continuous and thus smoother transitions between the longer sections 46 and the shorter sections 48 and thus a more uniform variation of the intensity of the plasma jet 28 on the surface to be treated.
  • the device is shown with a rotation angle of the nozzle assembly 30, wherein the plasma jet 28 impinges on one of the longer portions 46 and thus is reflected and deflected.
  • the intensity of the plasma jet 28 is distributed more strongly to the inner space surrounded by the shield 40.
  • Fig. 4b shows the device with a 90 ° to the in Fig. 4a In this position, the plasma jet 28 is directed in the direction of one of the shorter sections 48 and is therefore not or only insignificantly influenced by the shield 40.
  • Fig. 4c shows the device 2 in a view from below, resulting in the symmetrical structure of the shield.
  • the plasma jet 28 is influenced to a greater extent in dependence on the angle of the inner surface 42 in the region of the longer section 46 than in the region of the shorter section 48.
  • an azimuthally varying intensity of the interaction of the plasma jet 28 with the surface of the workpiece results.
  • Fig. 5a to c show a further preferred embodiment of an inventive device 8 for generating an atmospheric plasma jet for the treatment of the surface of a workpiece, which also has a device 2 and a shield 40.
  • the inner surface 42 of the shield 40 in the region of the distal edge 52 an azimuthally varying angle to the axis A, wherein the exiting plasma jet 28 impinges on the portion 52 which has an inner surface 42 extending parallel to the axis A substantially.
  • the plasma jet as previously described for the other embodiments, reflected and deflected so that the intensity of the plasma jet 28 is more directed to the interior of the shield 40.
  • Fig. 5b shows the device 8 in an angular position of the nozzle assembly 30, which is 90 ° relative to the in Fig. 5a shown, so that the inner surface 42 is directed in the region 52 to the outside.
  • the shield 40 thus expands the interior of the shield 40 in this angular position.
  • the plasma jet 28 emerging from the nozzle arrangement 30 strikes the area 52 of the shielding 40 only to a slight extent and therefore remains virtually uninfluenced.
  • Fig. 5c shows the device 8 described above in a view from below, in which the two different angular positions of Fig. 5a and 5b be illustrated. It should be clarified by the different forms of the plasma jet 28 that are shown that the plasma jet 28 is influenced differently in dependence on the angle of the inner surface 42 in the region of the lower region 52. This results in a varying intensity in the azimuthal direction of the interaction of the plasma jet 28 with the surface of the workpiece.
  • shields 40 in which either different lengths sections 46 and 48 or portions of the inner surface 42 are formed at different angles to the axis A.
  • embodiments are also possible within the scope of the invention in which sections of different length are combined with inner surfaces having different angles to the axis A.
  • the previously explained embodiments of the devices 4, 6 and 8 according to the invention produce a change in the azimuthal direction or variable intensity profile of the plasma treatment of a surface.
  • This intensity profile can, in the stationary state, that is, when the device 4, 6 or 8 is not moved relative to the surface to be treated, depending on the application certain positions of the surface are used.
  • a limited, for example, cross-shaped surface portion of the surface to be treated with plasma it is possible in the invention to form the shield 40 in the manner previously described so that below the shield 40, a corresponding pattern of the plasma treatment results, if the nozzle assembly 30 rotates about the axis 40.
  • a method according to the invention for treating the surface of a workpiece can also be carried out as follows.
  • a device 4, 6 or 8 producing an atmospheric plasma jet with an axis A and with a nozzle arrangement 30 rotating relative to the axis A, a plasma jet 28 rotating about the axis A is generated.
  • the device 4, 6 or 8 with the rotating plasma jet 28 is moved along the surface to be treated and by means of a shield 40 with sections 46 and 48 or 50 or 52, the intensity of the interaction of the plasma jet 28 with the surface of the workpiece in dependence Angle of rotation of the nozzle assembly 30 relative to the axis A changed.
  • a certain intensity profile in the plasma treatment of the surface can be adjusted, so that, for example, either a homogeneous as possible intensity profile is achieved or a known in the art profile, in particular strip profile in the intensity of the plasma treatment is enhanced.
  • the method described above is performed so that the rotating plasma jet 28 is shielded by the shield 40 along the direction of movement more than transversely to the direction of movement, in particular reflected or deflected inwards.
  • the plasma jet 28 is reflected by the shield 40 and deflected and thereby distributed within the volume surrounded by the shield 40, whereby the intensity of the plasma jet 28 per unit area is reduced overall.
  • the plasma jet 28 in the direction of movement in each case almost unhindered on the surface and can reach a higher intensity of the pretreatment per unit area. In this way, an intensity distribution according to Fig. 1c be achieved.
  • a heating device 60 is provided for heating the shield 40.
  • the heating device 60 is designed as an electrically heated cylinder, which heats the shield by means of its own temperature and heat radiation.
  • the heating element can also be used independently of an azimuthally varying shield for rotationally symmetrical shields.
  • the Fig. 6 shows an embodiment of an inventive apparatus 2 for generating an atmospheric plasma jet for the treatment of the surface of a workpiece, as for example in connection with Fig. 3 has been described.
  • the illustrated shield 40 therefore has an azimuthal configuration which allows varying the intensity of the interaction of the plasma jet 28 with the surface of the workpiece as a function of the angle of rotation of the nozzle assembly 30 relative to the axis A by a varying length.
  • the shield 40 is formed in position relative to the nozzle assembly 30 in the direction of the axis A adjustable.
  • Fig. 6a shows an arrangement of the shield 40 with axially advanced position, ie with a greater distance of the lower edge of the shield 40 to the nozzle assembly 30, as it is in Fig. 6b is shown.
  • the shield in Fig. 6b is retracted relative to the lower edge of the nozzle assembly 30 and therefore affects the emerging plasma jet 28 to a lesser extent than in position Fig. 6a ,
  • Fig. 7a and 7b show a further embodiment of an inventive device 2 for generating an atmospheric plasma jet for the treatment of the surface of a workpiece, as for example in connection with Fig. 3 has been described.
  • the illustrated shield 40 has at the lower end a plurality, but at least two shielding elements 40a and 40b, which are designed to be independently adjustable.
  • the shielding elements 40a and 40b can be adjusted both axially and radially along a direction running at an angle to the axis A direction.
  • the shielding elements 40a and 40b are arranged in guides (not shown) and can be fixed in one of several positions.
  • a specific azimuthal distribution of the influence of the plasma jet 28 can be set by the plurality of peripheral shielding elements 40a, 40b.
  • Fig. 8a shows a shield 40 of a further embodiment of an inventive apparatus 2 for generating an atmospheric plasma jet for the treatment of the surface of a workpiece, as basically in connection with Fig. 5 has been described.
  • the lower edge of the shield 40 is provided with a plurality of individual recesses 52 a of the distal edge 52.
  • Fig. 8b shows a partial cross section of the device 2, wherein the lower edge 52 with the recesses 52a form an azimuthally circulating pattern of sections with stronger and weaker influence of the plasma jet 28.
  • a plant 100 according to the invention for the treatment of a surface is shown with atmospheric plasma.
  • the plant 100 has two schematically illustrated devices 2 and 2 'for generating an atmospheric plasma jet 28 and 28', as they are known for example from the prior art and above with reference to Fig. 2 have been explained.
  • Each of the two devices 2, 2 ' has a tubular housing 10, 10' with an axis A or A ', an inner electrode (not shown) arranged inside the housing 10, 10' and a nozzle arrangement 30 having a nozzle opening 18, 18 ' , 30 'for discharging a plasma jet 28, 28' to be generated in the housing 10, 10 '.
  • Both devices 2, 2 ' are rotatably connected to each other about a common axis B via a frame 102, wherein in the frame a drive (not shown) for generating a rotational movement of the devices 2, 2' about the axis B is provided.
  • the compressed air connections and voltage connections are arranged in the frame 102 and not shown in detail.
  • the direction of the nozzle openings 18, 18 'in each case extends at an angle ⁇ , ⁇ ' to the axis A, A ', wherein the nozzle arrangement 30, 30' are rotatable relative to the axis A, A '.
  • a drive (not shown), as shown by the Fig. 2 has been explained, is provided for generating a rotational movement of the nozzle assemblies 30, 30 'about the respective axis A, A'.
  • the two devices 2, 2 'at an angle ⁇ , ⁇ ' aligned to the axis B such as Fig. 9a and 9b demonstrate.
  • the drive for generating a rotational movement of the devices 2, 2 'and the drives for generating a rotational movement of the nozzle assemblies 30, 30' are synchronized with each other such that during one revolution of the devices 2, 2 'about the common axis B of each of the nozzle assemblies 30th , 30 'performs two revolutions about the respective axis A, A'.
  • Fig. 9a and 9b illustrated that the angle ⁇ , ⁇ 'of the nozzle openings to the respective axis A and A' substantially coincides with the angle ⁇ , ⁇ 'of the devices 2, 2' to the axis B.
  • an angular arrangement is achieved in which in two azimuthally opposite angular positions of the devices 2, 2 ', the plasma jets 28, 28' are aligned substantially perpendicular to the surface (see Fig. 9a ), while in two angular positions rotated respectively by 90 ° and 270 ° thereto, the plasma jets 28, 28 'are oriented essentially flat at an angle of 2 * ⁇ , 2 * ⁇ ' to the surface (see FIG Fig. 9b ).
  • the intensity of the plasma treatment of the surface thus varies twofold between a maximum and a minimum intensity during a rotation of the devices 2, 2 'about the common axis B.
  • Another method for treating the surface of a workpiece can be carried out in a previously described system in which two rotating plasma jets are generated in which the system is moved with the rotating plasma jets along the surface to be treated and in which the plasma jets in two first angular positions °, 180 ° of the rotational movement about the axis B are directed at a steep, preferably perpendicular, angle to the surface of the workpiece (see Fig. 9a ) and in which the plasma jets are directed in two second angular positions 90 °, 270 ° of rotational movement about the axis B in a flat, preferably at an angle of twice the angle of the nozzle openings relative to the axes A, A ', on the surface of the workpiece be (see Fig. 9b ).
  • the method explained above can be carried out statically by treating only a partial area of the surface with the plasma jets 28, 28 '.
  • the system is moved substantially in the direction of one of the two first angular positions 0 °, 180 ° of the rotational movement about the axis B along the surface.
  • the system is moved substantially in the direction of one of the two first angular positions 0 °, 180 ° of the rotational movement about the axis B along the surface.
  • Fig. 10 Now shows an embodiment with only one device 2, in which the axis B extends substantially in the vicinity of the center of gravity of the device 2.
  • the device 2 performs a wobbling motion, which is generated by a drive, not shown.
  • the alignment of the single plasma jet 28 then performs an equal azimuthal directional distribution, as previously with reference to Fig. 6a and 6b has been explained for the devices 2 and 2 '.
  • the diameter of the area treated by the system with plasma is smaller.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks mit einem um eine Achse rotierenden Plasmastrahl, der bei einer Bewegung über die Oberfläche eine breite Behandlungsspur erzeugt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anlage mit mindestens einer Plasmavorrichtung, die um eine Achse rotiert und dabei mindestens einen Plasmastrahl zueinander in einer Kreisbewegung über die Oberfläche erzeugt. Bei einer Bewegung des mindestens einen Plasmastrahls über die Oberfläche kommt es ebenfalls zu einer breiten Behandlungsspur. Zudem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks unter Verwendung einer solchen Vorrichtung bzw. einer solchen Anordnung.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung wird unter einer Behandlung einer Oberfläche mit einem Plasmastrahl insbesondere eine Oberflächenvorbehandlung verstanden, durch die die Oberflächenspannung verändert und eine bessere Benetzbarkeit der Oberfläche mit Fluiden erreicht werden. Eine Behandlung der Oberfläche kann zudem auch eine Oberflächenbeschichtung verstanden werden, indem durch Zugabe von mindestens einem Precursor in den Plasmastrahl eine Oberflächenbeschichtung durch eine im Plasmastrahl und/oder auf der Oberfläche des Werkstücks stattfindenden chemische Reaktion erreicht wird, wobei zumindest ein Teil der chemischen Produkte abgeschieden werden. Des Weiteren kann eine Oberflächenbehandlung auch eine Reinigung, Desinfizierung oder Sterilisierung der Oberfläche bedeuten.
  • Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks mit einem um eine Achse rotierenden Plasmastrahl ist aus der EP 1 067 829 B1 bekannt. Diese Vorrichtung weist auf ein rohrförmiges Gehäuse, das eine Achse A aufweist, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Innenelektrode, die vorzugsweise parallel zur Achse A verläuft bzw. die insbesondere in der Achse A angeordnet ist. Während des Betriebs der Vorrichtung wird eine elektrische Spannung an die Innenelektrode angelegt, durch die eine elektrische Entladung entsteht, die durch Wechselwirkung mit dem innerhalb des Gehäuses strömenden Arbeitsgas ein Plasma erzeugt. zusammen mit dem Arbeitsgas wird das Plasma weiter transportiert.
  • Weiterhin weist die Vorrichtung eine eine Düsenöffnung aufweisende Düsenanordnung zum Auslassen eines im Gehäuse zu erzeugenden Plasmastrahls auf, wobei die Düsenanordnung bevorzugt am Ende der Entladungsstrecke angeordnet ist, geerdet ist und den ausströmenden Gas- und Plasmastrahl kanalisiert. Die Richtung der Düsenöffnung verläuft dabei unter einem Winkel zur Achse A, wobei die Richtung der Düsenöffnung parallel zur mittleren Richtung des austretenden Plasmastrahls angenommen werden kann und beispielsweise parallel zur Normalen der Öffnung definiert sein kann. Dazu verläuft ein Kanal innerhalb der Düsenanordnung bogenförmig, um ausgehend vom Inneren des Gehäuses den Gas- und Plasmastrahl abzulenken. Schließlich ist die Düsenanordnung relativ um die Achse A drehbar, wobei die Düsenanordnung entweder drehbar gegenüber dem Gehäuse und der Innenelektrode ausgebildet ist oder drehfest mit Gehäuse verbunden ist, während sich das Gehäuse relativ zur Innenelektrode dreht. Für die Drehbewegung sind die Düsenanordnung bzw. die Düsenanordnung und das Gehäuse über einen Motor angetrieben.
  • US2015/ 0303034 A1 offenbart eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine weitere Anlage zur Behandlung einer Oberfläche mit atmosphärischem Plasma ist aus der EP 0 986 939 B1 bekannt und weist auf zwei Vorrichtungen zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls, wobei jede der beiden Vorrichtungen aufweist ein rohrförmiges Gehäuse, das eine Achse A bzw. A' aufweist, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Innenelektrode und eine eine Düsenöffnung aufweisende Düsenanordnung zum Auslassen eines im Gehäuse zu erzeugenden Plasmastrahls, wobei die beiden Vorrichtungen um eine gemeinsame Achse B drehbar miteinander verbunden sind und wobei ein Antrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung der Vorrichtungen um die Achse (B) vorgesehen ist.
  • Mit beiden zuvor beschriebenen Vorrichtungen bzw. Anlagen ist es möglich, durch ein Bewegen der rotierenden Plasmastrahlen entlang der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks eine relativ breite Behandlungsspur zu erzeugen. Daher werden diese Techniken vielfältig angewendet.
  • Auch wenn mehrere Spuren von Plasmabehandlung der Oberfläche parallel und sich teilweise überlappend dazu führen, dass größere Flächen plasmabehandelt werden können, ergeben sich quer zur Bewegungsrichtung der Vorrichtung bzw. der Anlage Unterschiede in der Intensität der Plasmabehandlung auf der Oberfläche. Dieser Effekt wird anhand der Fig. 1 näher erläutert.
  • In Fig. 1a ist die Behandlungsspur eines Plasmastrahls einer oben beschriebenen Vorrichtung dargestellt, wobei die Trajektorie (Linie) den Auftreffpunkt der maximalen Plasmaintensität darstellt. Die Vorrichtung wird in y-Richtung, also in Fig. 1 nach oben bewegt, um fortlaufend den rotierenden Plasmastrahl über einen Streifen mit einer ungefähren Breite dx zur Anwendung zu bringen und die Oberfläche mit Plasma zu behandeln. Durch die Bewegungsrichtung (y) kommt es zu dem Effekt, dass die äußeren Bereiche der Behandlungsspur (dx) im Bereich der gestrichelten Linien intensiver mit dem Plasma behandelt werden, als es für die mittleren Bereiche der Behandlungsspur der Fall ist.
  • Das führt zu der in Fig. 1b dargestellten Intensitätsverteilung, die zwei Maxima aufweisen, die in den äußeren Bereichen der Behandlungsspur, angedeutet mit den gestrichelten Linien, auftreten. Dazwischen kommt es nur zu einer merklich geringeren Intensität der Plasmabehandlung, so dass in der Mitte der Behandlungsspur ein Intensitätsminimum entsteht.
  • Aus diesem Grund wird die Oberfläche nur ungenügend und zudem in regelmäßigen Streifen nicht ausreichend plasmabehandelt. Somit muss regelmäßig die Geschwindigkeit der Bewegung der Vorrichtung relativ zur Oberfläche verlangsamt werden, um auch in den mittleren Bereichen der Behandlungsspur in eine Sättigung der Plasmabehandlung zu gelangen. Die Anwendung der Vorrichtung ist somit eingeschränkt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, die eingangs genannten Vorrichtung und Anlage sowie das Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks derart weiterzubilden, dass die genannten Nachteile zumindest teilweise behoben werden und dass eine gleichmäßigere Behandlung der Oberfläche erreicht wird.
  • Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird erfindungsgemäß zunächst durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Abschirmung die Düsenanordnung umgibt und dass die Abschirmung für ein Verändern der Intensität der Wechselwirkung des zu erzeugenden Plasmastrahls mit der Oberfläche des Werkstücks in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Düse relativ zur Achse A vorgesehen ist.
  • Die beschriebene Abschirmung hat die Funktion, den rotierenden Plasmastrahl abhängig von der Winkelposition so zu beeinflussen, dass die Intensität des Plasmastrahls auf der Oberfläche des Werkstücks eine azimutal variierende Verteilung aufweist. Die Intensität der Plasmabehandlung hängt generell bei ansonsten konstanten Bedingungen von der Zeitdauer der Beaufschlagung, vom Abstand der Oberfläche von der Düsenöffnung und/oder vom Auftreffwinkel des Plasmastrahls auf die Oberfläche ab. Wenn die Abschirmung nun einen oder mehrere dieser Parameter in azimutal variierender Weise beeinflusst, so kann die Intensität der Plasmabehandlung der Oberfläche eine azimutale Verteilung aufweisen.
  • In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung in azimutaler Richtung nur über einen Teilabschnitt ausgebildet ist. Dadurch, dass die Abschirmung nur teilweise vorhanden ist, wird der Plasmastrahl nur über einen Teil einer Rotation abgeschirmt, also beeinflusst, und über einen weiteren Teil der Rotation nicht oder nur wenig beeinflusst. Somit kann eine azimutale Intensitätsverteilung durch die Ausgestaltung der Abschirmung selbst eingestellt werden.
  • Vorzugsweise ist die zuvor erläuterte Abschirmung in azimutaler Richtung symmetrisch zur Achse A über zwei Teilabschnitte ausgebildet. Somit wird eine symmetrische Intensitätsverteilung einer Plasmabehandlung erreicht, die insbesondere bei einem Bewegen der Vorrichtung relativ zu der Oberfläche vorteilhaft eingesetzt werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform der erläuterten Abschirmung variiert die axiale Länge der Abschirmung in azimutaler Richtung. Somit steht die Abschirmung unterschiedlich weit in axialer Richtung vor und beeinflusst in Abhängigkeit von der Länge den Plasmastrahl unterschiedlich stark. In den Abschnitten, in denen die Länge maximal ist, wird der schräg auftreffende Plasmastrahl von der Innenseite der Abschirmung zumindest teilweise reflektiert und somit nach innen umgelenkt. Dort wird also die Intensität der Plasmabehandlung durch das Umlenken des Plasmastrahls verändert und die Plasmabehandlung wird im Innenbereich der Abschirmung bzw. im Innenbereich des vom rotierenden Plasmastrahl umschlossenen Raumbereichs verstärkt.
  • Des Weiteren kann die Länge der Abschirmung in Stufen variieren. In diesem Fall wirkt die Abschirmung über einen ersten Abschnitt mit der vollen Länge auf den auftreffenden Plasmastrahl und über einen zweiten Abschnitt nicht oder nur wenig, weil in dem zweiten Abschnitt die Abschirmung kürzer ausgeführt ist. Bei einer symmetrischen Ausführung sind dann beispielsweise zwei gleich lange erste Abschnitte und zwei gleich kurze zweite Abschnitte der Abschirmung vorgesehen. Eine Ausgestaltung in Stufen führt zu einer abrupten Änderung der Plasmaintensität in azimutaler Richtung, die insbesondere bei statischen Anwendungen geeignet ist, ein spezifisches Muster auf der Oberfläche zu erzeugen.
  • Daneben kann die Länge der Abschirmung stetig, insbesondere in Form einer Sinusfunktion variieren. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Abschirmung und damit die Veränderung der Intensität der Plasmabehandlung azimutaler Richtung nicht abrupt in Stufen, sondern in Form einer sich stetig verändernden Funktion variiert werden kann. Die dadurch entstehende Verteilung der Plasmaintensität führt dann zu einer gleichmäßigeren Behandlung der Oberfläche des Werkstücks während einer Bewegung der Vorrichtung relativ zu einer Oberfläche.
  • Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Innenfläche der Abschirmung azimutal variierende Winkel zur Achse A einnimmt. Somit wird der Grad der Ablenkung des Plasmastrahls durch die Abschirmung azimutal verändert. So kann die Innenfläche der Abschirmung beispielsweise an einer Stelle ein Winkel von 90° zur zu behandelnden Oberfläche einnehmen, während an einer anderen Stelle, ggf. um eine Rotation von 90° versetzt dazu, die Innenfläche unter einem Winkel von 70° nach außen gerichtet geneigt ist. Auch hier kann die Veränderung des Winkels der Innenfläche in Stufen oder stetig verändert werden.
  • Somit kann ebenfalls eine in azimutaler Richtung symmetrische Ausbildung der Abschirmung erreicht werden, bei der, beispielsweise bei 0° und 180° in Richtung einer Bewegungsrichtung der Vorrichtung über die Oberfläche, die Innenfläche der Abschirmung einen Winkel von 90° aufweist, während bei 90° und 270° ein Winkel der Innenfläche von 70° vorliegt.
  • Grundsätzlich kann der Winkel der Innenfläche sowohl nach innen als auch nach außen gerichtet sein. Je nach Anwendung kann also eine mehr oder weniger starke Umlenkung des Plasmastrahls gewählt werden.
  • Die azimutale Änderung des Winkels der Innenfläche der Abschirmung kann im Übrigen auch mit einer zuvor beschriebenen azimutalen Variation der Länge der Abschirmung in axialer Richtung kombiniert werden.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der beschriebenen Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks weist eine Abschirmung auf, die in ihrer Position relativ zur Düsenanordnung, insbesondere in Richtung der Achse A und/oder in radialer Richtung, verstellbar ausgebildet ist.
  • Somit kann beispielsweise die gesamte Abschirmung in axialer Richtung verschiebbar ausgebildet sein. Die Stärke und auch der azimutale Wirkungsbereich der Abschirmung können in dieser Weise eingestellt werden. Je weiter der untere Rand der Abschirmung von der Düsenanordnung entfernt positioniert ist, desto stärker wird der austretende Plasmastrahl abgelenkt und beeinflusst. Ebenso wirkt bei einer stetig variierenden Länge der Abschirmung der den Plasmastrahl beeinflussende Abschnitt der Abschirmung über einen größeren azimutalen Bereich. Wird dagegen der untere Rand der Abschirmung weniger weit von der Düsenanordnung entfernt angeordnet, so ist die Stärke der Wechselwirkung und ggf. der azimutale Wirkungsbereich der Abschirmung geringer.
  • Des Weiteren kann die Abschirmung mindestens zwei, vorzugsweise mehrere Abschirmungselemente aufweisen, die unabhängig voneinander verstellbar ausgebildet sind. Dabei können die Abschirmungselemente in radialer Richtung und/oder in axialer Richtung verstellbar sein. Durch diese Ausgestaltung wird eine größere Variabilität der Einstellung der azimutalen Intensitätsverteilung des Plasmastrahls möglich. Wenn jedes Abschirmungselement individuell in seiner Position einstellbar ist, dann kann auch die azimutale Verteilung individuell eingestellt werden. Insbesondere bei speziellen Anwendungen kann die Vorrichtung somit variabler eingesetzt werden.
  • Des Weiteren kann - unabhängig von der azimutalen Variation der bisher beschriebenen Abschirmung - eine Heizvorrichtung zum Erwärmung der Abschirmung vorgesehen sein. Dieses Erwärmen hat den Vorteil, dass der auf die Abschirmung auftreffende Plasmastrahl in geringerem Umfang Wärmeenergie auf die Abschirmung überträgt und somit verlustfreier arbeitet. Gegebenenfalls kann die Abschirmung auf eine Temperatur höher als die Temperatur des Plasmastrahls erwärmt werden, so dass der Plasmastrahl durch die Abschirmung weiter mit thermischer Energie versorgt werden kann.
  • Eine Heizvorrichtung kann als thermischer Strahler in Form eines äußeren Heizmantels oder durch eine in der Abschirmung integrierte elektrische Heizung ausgebildet sein.
  • Jedenfalls kann die Heizvorrichtung auch bei rotationssymmetrischen Abschirmungen eingesetzt werden.
  • Das oben aufgezeigte technische Problem wird auch durch ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks gelöst, bei dem mittels einer einen atmosphärischen Plasmastrahl erzeugenden Vorrichtung mit einer Achse A und mit einer relativ um die Achse A rotierenden Düsenanordnung ein um die Achse A rotierender Plasmastrahl erzeugt wird, bei dem die Vorrichtung mit dem rotierenden Plasmastrahl entlang der zu behandelnden Oberfläche bewegt wird und bei dem mittels einer Abschirmung die Intensität der Wechselwirkung des Plasmastrahls mit der Oberfläche des Werkstücks in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Düse relativ zur Achse A verändert wird.
  • Durch die azimutale Veränderung der Intensität des Plasmastrahls kann die Gleichmäßigkeit derEinwirkung des Plasmastrahls relativ zur Bewegungsrichtung über die Oberfläche verbessert werden, wenn die Vorrichtung eine Behandlungsspur erzeugt.
  • Insbesondere dann, wenn der rotierende Plasmastrahl durch die Abschirmung längs der Bewegungsrichtung stärker als quer zur Bewegungsrichtung abgeschirmt, insbesondere nach innen reflektiert bzw. umgelenkt wird, wird eine gleichmäßigere Plasmabehandlung entlang der Behandlungsspur erreicht. Dieses wird in Fig. 1c durch das Intensitätsprofil dargestellt, das im Gegensatz zu Fig. 1b eine ebene, bzw. nur noch leicht wellige Form eines Plateaus einnimmt. Wenn nebeneinander liegende Behandlungsspuren dann so überlappend auf die Oberfläche gebracht werden, dass in den Überlappungsbereichen aufsummiert die Intensität des Plateaus erreicht wird, dann wir die Oberfläche insgesamt gleichmäßiger durch den Plasmastrahl behandelt, als es bisher im Stand der Technik möglich gewesen ist.
  • Die Ausbildung der Abschirmung kann bei der Durchführung des Verfahrens in den verschiedenen zuvor für die Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein, ohne dass diese hier nochmals erläutert werden. Es ergeben sich die gleichen beschriebenen Vorteile.
  • Das oben aufgezeigte technische Problem wird auch durch eine Anlage zur Behandlung einer Oberfläche mit atmosphärischem Plasma gelöst mit mindestens einer Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls, wobei die mindestens eine Vorrichtung aufweist ein rohrförmiges Gehäuse, das eine Achse A bzw. A' aufweist, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Innenelektrode und eine eine Düsenöffnung aufweisende Düsenanordnung zum Auslassen eines im Gehäuse zu erzeugenden Plasmastrahls, wobei die mindestens eine Vorrichtung um eine, gegebenenfalls gemeinsame, Achse B drehbar ist und wobei ein Antrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung der mindestens einen Vorrichtung um die Achse B vorgesehen ist. Die Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Düsenöffnung der mindestens eine Vorrichtung unter einem Winkel zur Achse A bzw. A' verläuft, dass die Düsenanordnung der mindestens eine Vorrichtung relativ um die Achse A bzw. A' drehbar ist, dass jeweils ein Antrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung der Düsenanordnung der mindestens eine Vorrichtung um die jeweilige Achse A bzw. A' vorgesehen ist, dass die mindestens eine Vorrichtung unter einem Winkel zur Achse B ausgerichtet ist und dass der Antrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung der mindestens einen Vorrichtung und der Antrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung der Düsenanordnung der mindestens eine Vorrichtung derart miteinander synchronisiert sind, dass während einer Umdrehung der mindestens einen Vorrichtung um die gemeinsame Achse B die Düsenanordnung der mindestens eine Vorrichtung zwei Umdrehungen um die jeweilige Achse A bzw. A' ausführt.
  • Zuvor wurde die Anlage allgemein mit mindestens einer Vorrichtung beschrieben. Bevorzugt ist dabei eine Anlage mit zwei Vorrichtungen, wobei auch Anlagen mit drei oder mehr Vorrichtungen möglich sind. Im Folgenden wird die Erfindung vorrangig anhand einer Anlage mit zwei Vorrichtungen beschrieben, jedoch soll das nicht die Erfindung auf zwei Vorrichtungen beschränken.
  • Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung der Anlage mit zwei Vorrichtungen weist während einer Umdrehung der beiden Vorrichtungen um die gemeinsame Achse B jeder der beiden Plasmastrahlen jeweils zwei Mal einen ersten Winkel, insbesondere einen steilen Winkel, vorzugsweise einen Winkel von 90° zur Oberfläche des Werkstücks, und zweimal einen zweiten Winkel, insbesondere einen maximal flachen Winkel von beispielsweise 70° zur Oberfläche auf. In den dazwischen eingenommenen Winkeln der beiden Vorrichtungen relativ zur Achse B liegt der Plasmastrahlwinkel zwischen den beiden Extremwerten. Somit wird aufgrund der unterschiedlichen Plasmastrahlwinkel und zusätzlich durch den damit verbundenen größeren Abstand der Düsenanordnungen zur Oberfläche des Werkstücks die Intensität der Plasmabehandlung der Oberfläche in azimutaler Richtung variiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform stimmt der Winkel der Düsenöffnungen zur jeweiligen Achse A bzw. A' im Wesentlichen mit dem Winkel der Vorrichtungen zur Achse B übereinstimmt. Somit wird in zwei Winkelstellungen der Vorrichtungen zur Achse B eine senkrechte Ausrichtung des jeweiligen Plasmastrahls erreicht.
  • In weiter bevorzugter Weise wird die Drehbewegung der Düsenanordnungen über ein Planetengetriebe durch die Drehbewegung der Vorrichtungen um die Achse B übertragen. Dadurch wird rein mechanisch eine synchrone Bewegung erreicht. Ebenso ist eine synchrone elektronische Ansteuerung von einzelnen Motoren möglich, ohne dass dann ein Planetengetriebe notwendig ist.
  • Des Weiteren wird das oben aufgezeigte technische Problem durch ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks gelöst, bei dem mittels einer zuvor beschriebenen Anlage mindestens ein rotierender Plasmastrahl erzeugt wird, bei dem die Anlage mit dem mindestens einen rotierenden Plasmastrahl entlang der zu behandelnden Oberfläche bewegt wird und bei dem der mindestens eine Plasmastrahl in zwei ersten Winkelstellungen von 0° bzw. 180° der Drehbewegung um die Achse B in einem steilen, vorzugsweise senkrechten, Winkel auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet wird und bei dem der mindestens eine Plasmastrahl in zwei zweiten Winkelstellungen von 90° bzw. 270° der Drehbewegung um die Achse B in einem flachen, vorzugsweise unter einem Winkel des Zweifachen des Winkels der Düsenöffnungen relativ zu den Achsen A bzw. A', auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet wird.
  • In bevorzugter Weise wird dabei die Anlage im Wesentlichen in Richtung einer der beiden ersten Winkelstellungen 0° bzw. 180° der Drehbewegung um die Achse B entlang der Oberfläche bewegt.
  • Somit wird die Plasmabehandlung in den Winkelstellungen 90° bzw. 270° durch die Schrägstellung des mindestens einen Plasmastrahls, bevorzugt der zwei Plasmastrahlen und den damit verbundenen größeren Abstand der Düsenöffnungen zur Oberfläche abgeschwächt, während die Plasmabehandlung in Bewegungsrichtung bei 0° bzw. 180° maximal eingestellt ist, da hier der mindestens eine Plasmastrahl unter einem steilen Winkel auf die Oberfläche trifft und zudem ein kürzerer Abstand zwischen der Düsenöffnung und der zu behandelnden Oberfläche vorliegt.
  • Bevorzugt wird das Verfahren mit einer Anlage mit zwei Vorrichtungen durchgeführt.
  • Auch bei diesem Verfahren wird eine deutlich gleichmäßigere Behandlung der Oberfläche erreicht, wie oben bereits anhand der Fig. 1c erläutert worden ist. Die dortigen Ausführungen und Vorteile gelten auch für das hier beschriebene Verfahren.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen
    • Fig. 1
    graphische Darstellungen zur Erläuterung der der Wirkungsweise im Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung,
    Fig. 2
    eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls,
    Fig. 3a-c
    ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls,
    Fig. 4a-c
    ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls,
    Fig. 5a-c
    ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls,
    Fig. 6a,b
    ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls,
    Fig. 7a,b
    ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls,
    Fig. 8
    ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls,
    Fig. 9a, b
    ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zum Erzeugen eines Plasmastrahls und
    Fig. 10a, b
    ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zum Erzeugen eines Plasmastrahls.
  • In der nachfolgenden Beschreibung der verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele werden gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen, auch wenn die Bauteile bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen in ihrer Dimension oder Form Unterschiede aufweisen können.
  • Bevor auf ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eingegangen wird, soll zunächst eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Plasmadüsenanordnung anhand der Fig. 2 erläutert werden.
  • Die in Fig. 2 gezeigte und aus der EP 1 067 829 B1 bekannte Vorrichtung 2 zum Erzeugen eines Plasmastrahls weist ein rohrförmiges Gehäuse 10 auf, das in seinem in der Zeichnung oberen Bereich im Durchmesser erweitert und mit Hilfe eines Lagers 12 drehbar auf einem festen Tragrohr 14 gelagert ist. Im Inneren des Gehäuses 10 wird ein Düsenkanal 16 gebildet, der vom offenen Ende des Tragrohres 14 bis hin zu einer Düsenöffnung 18 führt.
  • In das Tragrohr 14 ist ein elektrisch isolierendes Keramikrohr 20 eingesetzt. Ein Arbeitsgas, beispielsweise Luft, wird durch das Tragrohr 14 und das Keramikrohr 20 in den Düsenkanal 16 zugeführt. Mit Hilfe einer in das Keramikrohr 20 eingesetzten Dralleinrichtung 22 wird das Arbeitsgas so verdrallt, dass es wirbelförmig durch den Düsenkanal 16 zur Düsenöffnung 18 strömt, wie in der Zeichnung durch einen schraubenförmigen Pfeil symbolisiert wird. In dem Düsenkanal 16 entsteht so ein Wirbelkern, der längs der Achse A des Gehäuses 10 verläuft.
  • An der Dralleinrichtung 22 ist eine stiftförmige Innenelektrode 24 montiert, die koaxial in den Düsenkanal 16 ragt und an die mit Hilfe eines Hochspannungsgenerators 26 eine hochfrequente Hochspannung angelegt wird. Unter einer hochfrequenten Hochspannung wird typischerweise eine Spannung von 1 bis 100 kV, insbesondere 1 bis 50 kV, bevorzugt 5 bis 50 kV, bei einer Frequenz von 1 bis 100 kHz, insbesondere 10 bis 100 kHz, bevorzugt 10 bis 50 kHz verstanden. Die hochfrequente Hochspannung kann eine hochfrequente Wechselspannung, aber auch eine gepulste Gleichspannung oder eine Überlagerung beider Spannungsformen sein.
  • Das aus Metall bestehende Gehäuse 10 ist über das Lager 12 und das Tragrohr 14 geerdet und dient als Gegenelektrode, so dass eine elektrische Entladung zwischen der Innenelektrode 24 und dem Gehäuse 10 erzeugt werden kann.
  • Die innerhalb des Gehäuses 10 angeordneten Innenelektrode 24 ist vorzugsweise parallel zu Achse A ausgerichtet, insbesondere ist die Innenelektrode 24 in der Achse A angeordnet.
  • Die Düsenöffnung 18 des Düsenkanals wird durch eine Düsenanordnung 30 aus Metall gebildet, das in eine Gewindebohrung 32 des Gehäuses 10 eingeschraubt ist und in dem ein sich zur Düsenöffnung 18 verjüngender und bogenförmiger und schräg in Bezug auf die Achse A verlaufender Kanal 34 ausgebildet ist. Auf diese Weise bildet der aus der Düsenöffnung 18 austretende Plasmastrahl 28 mit der Achse A des Gehäuses einen Winkel, der im gezeigten Beispiel etwa 45° beträgt. Durch Auswechseln der Düsenanordnung 30 kann dieser Winkel nach Bedarf variiert werden.
  • Die Düsenanordnung 30 ist somit am Ende der Entladungsstrecke der hochfrequenten Bogenentladung angeordnet und über den metallischen Kontakt mit dem Gehäuse 10 geerdet. Die Düsenanordnung 30 kanalisiert somit den ausströmenden Gas- und Plasmastrahl, wobei die Richtung der Düsenöffnung 18 unter einem vorgegebenen Winkel zur Achse A verläuft. Dabei kann man die Richtung der Düsenöffnung 18 parallel zur Normalen der Düsenöffnung 18 definieren.
  • Da die Düsenanordnung 30 mit dem Gehäuse 10 drehfest verbunden ist und da das Gehäuse 10 wiederum über das Lager 12 gegenüber dem Tragrohr 14 drehbar befestigt ist, kann die Düsenanordnung 30 relativ um die Achse A rotieren. Auf dem erweiterten oberen Teil des Gehäuses 10 ist ein Zahnrad 36 angeordnet, das beispielsweise über einen Zahnriemen oder ein Ritzel mit einem nicht gezeigten Motor in Antriebsverbindung steht.
  • Während des Betriebs der Vorrichtung 2 durch die hochfrequenten Hochspannung wird aufgrund der hohen Frequenz der Spannung eine Bogenentladung zwischen der Innenelektrode 24 und dem Gehäuse 10 erzeugt. Der Lichtbogen dieser hochfrequenten Bogenentladung wird durch das verdrallt einströmende Arbeitsgas mitgenommen und im Kern der wirbelförmigen Gasströmung kanalisiert, so dass der Lichtbogen dann nahezu gradlinig von der Spitze der Innenelektrode 24 längs der Achse A verläuft und sich erst im Bereich des unteren Endes des Gehäuses 10 oder im Bereich des Kanals 34 radial auf die Gehäusewand bzw. auf die Wand der Düsenanordnung 30 verzweigt. Auf diese Weise wird ein Plasmastrahl 28 erzeugt, der durch die Düsenöffnung 18 austritt.
  • Die Begriffe "Lichtbogen" bzw. "Bogenentladung" werden vorliegend als phänomenologische Beschreibung der Entladung verwendet, da die Entladung in Form eines Lichtbogens auftritt. Der Begriff "Lichtbogen" wird anderweitig auch als Entladungsform bei Gleichspannungsentladungen mit im Wesentlichen konstanten Spannungswerten verwendet. Vorliegend handelt es sich jedoch um eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens, also um eine hochfrequente Bogenentladung.
  • Im Betrieb rotiert das Gehäuse 10 mit hoher Drehzahl um die Achse A, so dass der Plasmastrahl 28 einen Kegelmantel beschreibt, der die zu bearbeitende Oberfläche eines nicht gezeigten Werkstücks überstreicht. Wenn dann die Vorrichtung 2 an der Oberfläche des Werkstücks entlang bewegt wird oder umgekehrt das Werkstück an die Vorrichtung 2 entlang bewegt wird, so wird eine relativ gleichmäßige Behandlung der Oberfläche des Werkstücks auf einem Streifen erreicht, dessen Breite dem Durchmesser des vom Plasmastrahl 28 beschriebenen Kegels auf der Werkstückoberfläche entspricht. Durch Variieren des Abstands zwischen dem Mundstück 30 und dem Werkstück lässt sich die Breite des vorbehandelten Bereiches beeinflussen. Durch den schräg auf die Werkstückoberfläche auftreffenden Plasm die astrahl 28, der seinerseits verdrallt ist, wird eine intensive Einwirkung des Plasmas auf die Werkstückoberfläche erreicht. Die Drallrichtung des Plasmastrahls kann dabei gleichsinnig oder gegensinnig zur Rotationsrichtung des Gehäuses 10 sein.
  • Die Intensität der Plasmabehandlung durch den rotierenden Plasmastrahl 28 hängt einerseits vom Abstand der Düsenöffnung 18 zur Oberfläche und andererseits vom Auftreffwinkel des Plasmastrahls 28 auf der zu behandelnden Oberfläche ab.
  • Fig. 3a bis 3c zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 mit einer Vorrichtung 2 mit einem gleichen Aufbau, wie er zuvor anhand von Fig. 1 beschrieben worden ist. Erfindungsgemäß ist eine Abschirmung 40 vorgesehen, die die Düsenanordnung 30 umgibt. Die Form der Abschirmung 40 weist in dem den unteren Rand der Düsenanordnung 30 nach unten überragenden Abschnitt eine zylindrische Innenfläche 42 auf, die abschnittsweise Stufen 44 aufweist. Somit bildet die Abschirmung 40 in azimutaler Richtung Abschnitte 46 mit einer größeren axialen Länge und Abschnitte 48 mit einer geringeren axialen Länge auf. Somit verändert die Abschirmung 40 die Intensität der Wechselwirkung des Plasmastrahls 28 mit der Oberfläche des Werkstücks in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Düsenanordnung 30 relativ zur Achse A.
  • Wie in Fig. 3a gezeigt ist, trifft der Plasmastrahl 28 auf einen der längeren Abschnitte 46 der Abschirmung 40, so dass der Plasmastrahl 28 nach innen umgelenkt bzw. reflektiert wird. In Fig. 3b zeigt den unteren Abschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 in einer um 90° gegenüber der in Fig. 3a dargestellten Position. Hierbei ist der Plasmastrahl 28 auf einen der verkürzten Abschnitte 48 gerichtet und kann nahezu ohne Wechselwirkung mit der Abschirmung aus der Düsenanordnung 30 austreten. Die Abschirmung 40 bzw. die Anordnung der Abschnitte 46 und 48 sind in azimutaler Richtung symmetrisch zur Achse A ausgebildet ist.
  • Der Aufbau der Abschirmung ist auch in Fig. 3c in einer Ansicht der Vorrichtung 2 von unten zu erkennen. Durch die unterschiedlichen dargestellten Formen des Plasmastrahls 28 soll verdeutlicht werden, dass der Plasmastrahl 28 in Abhängigkeit von dem Winkel der Innenfläche 42 im Bereich des längeren Abschnittes 46 stärker beeinflusst wird, als es im Bereich des kürzeren Abschnittes 48 der Fall ist. Somit ergibt sich eine in azimutaler Richtung variierende Intensität der Wechselwirkung des Plasmastrahls 28 mit der Oberfläche des Werkstücks.
  • Wie in Fig. 3a bis 3c dargestellt ist die Abschirmung 40 so ausgebildet, dass diese die Düsenanordnung 30 über den gesamten Umfang umgibt, wobei jeweils zwei kürzere Abschnitte 46 und zwei längere Abschnitte 48 vorgesehen sind. Nicht dargestellt in der Fig. 3 ist eine Ausführungsform, bei der die Abschirmung in azimutaler Richtung nur über einen Teilabschnitt bzw. zwei Teilabschnitte ausgebildet ist.
  • Fig. 4a bis 4c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 6 mit einer Vorrichtung 2. Im Unterschied zu den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Düsenanordnung 30 relativ zu einem stationären Gehäuse 10 drehbar. Das Gehäuse 10 ist hier an seinem auslassseitigen Ende konisch verjüngt und bildet ein Axial/ Radial-Lager für einen konisch erweiterten stromaufwärtigen Teil der Düsenanordnung 30. Das Lager ist im gezeigten Beispiel als Magnetlager 38 ausgebildet. Die Düsenanordnung 30 wird durch den dynamischen Druck der ausströmenden Luft gegen die konische Lagerfläche des Gehäuses 10 angedrückt, wird jedoch durch das Magnetlager 38 berührungsfrei in dem Gehäuse gehalten, so dass es auf seinem gesamten Umfang einen schmalen Spalt mit einer Breite von nur etwa 0,1 bis 0,2 mm mit dem Gehäuse bildet. Die Erdung des Mundstücks 30 erfolgt durch Funkenüberschlag über diesen Spalt hinweg.
  • Als Drehantrieb für die Düsenanordnung 30 fungiert die Düsenöffnung 18, die nicht in exakt radialer Richtung ausgerichtet ist, sondern eine tangentiale Komponente aufweist, so dass ein aerodynamischer Antrieb durch die teilweise tangential austretende Luft zusammen mit dem Plasmastrahl 28 entsteht. Alternativ dazu kann der aerodynamische Antrieb auch durch im Inneren der Düsenanordnung 30 angeordnete Schaufeln oder Rippen (nicht dargestellt) erfolgen, die durch die drallförmig durch den Kanal 34 strömende Luft beaufschlagt werden.
  • Diese Ausführungsform der Lagerung und des Antriebs hat den Vorteil, dass der Drehantrieb konstruktiv vereinfacht wird und das Trägheitsmoment der rotierenden Massen auf ein Minimum begrenzt wird.
  • Im Unterschied zu Fig. 3 ist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 derart ausgebildet, dass die Variation der Länge der Abschirmung 40 nicht in Stufen, sondern stetig zumindest abschnittsweise in einer gekrümmten Form, insbesondere in Form einer Sinusfunktion erfolgt. Dadurch ergeben sich stetige und somit glattere Übergänge zwischen den längeren Abschnitten 46 und den kürzeren Abschnitten 48 und somit eine gleichmäßigere Variation der Intensität des Plasmastrahls 28 auf der zu behandelnden Oberfläche.
  • Des Weiteren ist in Fig. 4a zu erkennen, dass im Bereich der längeren Abschnitte 46 die Innenfläche 42 im Bereich der unteren Innenkante 50 nach innen ausgerichtet ist. Durch diese zusätzliche Maßnahme, die unabhängig von der Ausbildung der Abschnitte 46 und 48 in gestufte oder stetig variierende Form ist, wird der Effekt der Reflexion und der Umlenkung des Plasmastrahls 28 verstärkt.
  • In der Fig. 4a ist die Vorrichtung mit einem Drehwinkel der Düsenanordnung 30 dargestellt, bei der der Plasmastrahl 28 auf einen der längeren Abschnitte 46 auftrifft und somit reflektiert und umgelenkt wird. Dadurch wird die Intensität des Plasmastrahls 28 stärker auf den inneren, von der Abschirmung 40 umgebenen Raum verteilt.
  • Fig. 4b zeigt die Vorrichtung mit einer um 90° gegenüber der in Fig. 4a dargestellten Position getreten Düsenanordnung 30. In dieser Position ist der Plasmastrahl 28 in Richtung eines der kürzeren Abschnitte 48 gerichtet und wird daher nicht oder nur unwesentlich durch die Abschirmung 40 beeinflusst.
  • Fig. 4c zeigt die Vorrichtung 2 in einer Ansicht von unten, aus der sich der symmetrische Aufbau der Abschirmung ergibt. Durch die unterschiedlichen dargestellten Formen des Plasmastrahls 28 soll verdeutlicht werden, dass der Plasmastrahl 28 in Abhängigkeit von dem Winkel der Innenfläche 42 im Bereich des längeren Abschnittes 46 stärker beeinflusst wird, als es im Bereich des kürzeren Abschnittes 48 der Fall ist. Somit ergibt sich erneut eine in azimutaler Richtung variierende Intensität der Wechselwirkung des Plasmastrahls 28 mit der Oberfläche des Werkstücks.
  • Fig. 5a bis c zeigen ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 8 zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks, die ebenfalls eine Vorrichtung 2 und eine Abschirmung 40 aufweist.
  • Gemäß Fig. 5a weist die Innenfläche 42 der Abschirmung 40 im Bereich des distalen Randes 52 einen azimutal variierenden Winkel zur Achse A auf, wobei der austretende Plasmastrahl 28 auf den Abschnitt 52 auftrifft, der im Wesentlichen eine parallel zur Achse A verlaufender Innenfläche 42 aufweist. Somit wird der Plasmastrahl, wie es zuvor bereits für die anderen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, reflektiert und umgelenkt, so dass die Intensität des Plasmastrahls 28 stärker auf den Innenraum der Abschirmung 40 gelenkt wird.
  • Fig. 5b zeigt die Vorrichtung 8 in einer Winkelposition der Düsenanordnung 30, die um 90° gegenüber der in Fig. 5a dargestellten Position, so dass die Innenfläche 42 im Bereich 52 nach außen gerichtet ist. Die Abschirmung 40 erweitert somit den Innenraum der Abschirmung 40 in dieser Winkelposition. Bei der dargestellten Position trifft der aus der Düsenanordnung 30 austretende Plasmastrahl 28 nur in geringem Maß auf den Bereich 52 der Abschirmung 40 und bleibt daher nahezu unbeeinflusst.
  • Fig. 5c zeigt die zuvor beschriebene Vorrichtung 8 in einer Ansicht von unten, in der die beiden verschiedenen Winkelpositionen der Fig. 5a und 5b veranschaulicht werden. Durch die unterschiedlichen dargestellten Formen des Plasmastrahls 28 soll verdeutlicht werden, dass der Plasmastrahl 28 in Abhängigkeit von dem Winkel der Innenfläche 42 im Bereich des unteren Bereichs 52 unterschiedlich stark beeinflusst wird. Somit ergibt sich eine in azimutaler Richtung variierende Intensität der Wechselwirkung des Plasmastrahls 28 mit der Oberfläche des Werkstücks.
  • Zuvor wurden Ausführungsbeispiele mit Abschirmungen 40 erläutert, bei denen entweder unterschiedlich langer Abschnitte 46 und 48 oder Abschnitte der Innenfläche 42 mit unterschiedlichen Winkeln zur Achse A ausgebildet sind. Es sind aber auch Ausführungsbeispiele im Rahmen der Erfindung möglich, bei denen unterschiedlich lange Abschnitte mit Innenflächen mit unterschiedlichen Winkeln zur Achse A kombiniert werden.
  • Die bisher erläuterten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtungen 4, 6 und 8 erzeugen ein in azimutaler Richtung verändertes bzw. veränderbares Intensitätsprofil der Plasmabehandlung einer Oberfläche. Dieses Intensitätsprofil kann im stationären Zustand, also dann, wenn die Vorrichtung 4, 6 oder 8 nicht gegenüber der zu behandelnden Oberfläche bewegt wird, je nach Anwendung an bestimmten Positionen der Oberfläche zur Anwendung kommen. Wenn beispielsweise ein begrenzter, beispielsweise kreuzförmiger Flächenabschnitt der Oberfläche mit Plasma behandelt werden soll, so ist es im Rahmen der Erfindung möglich, die Abschirmung 40 in der zuvor beschriebenen Weise so auszubilden, dass sich unterhalb der Abschirmung 40 ein entsprechendes Muster der Plasmabehandlung ergibt, wenn die Düsenanordnung 30 um die Achse 40 rotiert.
  • Mit jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung 4, 6 oder 8 gemäß den Fig. 3 bis 5 kann aber auch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks wie folgt durchgeführt werden. Mittels einer einen atmosphärischen Plasmastrahl erzeugenden Vorrichtung 4, 6 oder 8 mit einer Achse A und mit einer relativ um die Achse A rotierenden Düsenanordnung 30 wird ein um die Achse A rotierender Plasmastrahl 28 erzeugt. Die Vorrichtung 4, 6 oder 8 mit dem rotierenden Plasmastrahl 28 wird entlang der zu behandelnden Oberfläche bewegt und mittels einer Abschirmung 40 mit Abschnitten 46 und 48 oder 50 oder 52, wird die Intensität der Wechselwirkung des Plasmastrahls 28 mit der Oberfläche des Werkstücks in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Düsenanordnung 30 relativ zur Achse A verändert.
  • Somit kann ein bestimmtes Intensitätsprofil bei der Plasmabehandlung der Oberfläche eingestellt werden, so dass beispielsweise entweder ein möglichst homogenes Intensitätsprofil erreicht wird oder ein im Stand der Technik bekanntes Profil, insbesondere Streifenprofil bei der Intensität der Plasmabehandlung verstärkt wird.
  • In bevorzugter Weise wird das zuvor beschriebene Verfahren so durchgeführt, dass der rotierende Plasmastrahl 28 durch die Abschirmung 40 längs der Bewegungsrichtung stärker als quer zur Bewegungsrichtung abgeschirmt, insbesondere nach innen reflektiert bzw. umgelenkt wird. Bezogen auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele bedeutet dieses, dass die Bewegungsrichtung in den Fig. 3a, 4a und 5a senkrecht zur Zeichenebene nach oben oder unten ausgerichtet ist. In den Fig. 3c, 4c und 5c verläuft diese Richtung horizontal nach rechts oder links. Durch dieses Verfahren wird in den Bereichen, in denen ansonsten ein unbeeinflusster Plasmastrahl 28 auf die Oberfläche treffen würde, eine weniger intensive Behandlung der Oberfläche erreicht. Denn der Plasmastrahl 28 wird von der Abschirmung 40 reflektiert und umgelenkt und dadurch innerhalb des von der Abschirmung 40 umgebenen Volumens verteilt, wodurch die Intensität des Plasmastrahls 28 pro Flächeneinheit insgesamt verringert wird. Dagegen tritt der Plasmastrahl 28 in Bewegungsrichtung jeweils nahezu ungehindert auf die Oberfläche und kann eine höhere Intensität der Vorbehandlung pro Flächeneinheit erreichen. In dieser Weise kann eine Intensitätsverteilung gemäß Fig. 1c erreicht werden.
  • Des Weiteren zeigen Fig. 5a und 5b, dass eine Heizvorrichtung 60 zum Erwärmen der Abschirmung 40 vorgesehen ist. Vorliegend ist die Heizvorrichtung 60 als elektrisch beheizter Zylinder ausgebildet, der mittels Eigentemperatur und Wärmestrahlung die Abschirmung aufwärmt. Somit wird ein Energieverlust des auf die Abschirmung auftreffenden Plasmastrahls 28 verringert oder gar minimiert. Ganz allgemein kann das Heizelement auch unabhängig von einer azimutal variierenden Abschirmung für rotationssymmetrische Abschirmungen eingesetzt werden.
  • Die Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks, wie sie beispielweise im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben worden ist. Die dargestellte Abschirmung 40 hat daher eine azimutale Ausgestaltung, die ein Verändern der Intensität der Wechselwirkung des Plasmastrahls 28 mit der Oberfläche des Werkstücks in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Düsenanordnung 30 relativ zur Achse A durch eine variierende Länge ermöglicht.
  • Bei dem in Fig. 6a und b dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Abschirmung 40 in ihrer Position relativ zur Düsenanordnung 30 in Richtung der Achse A verstellbar ausgebildet. Fig. 6a zeigt eine Anordnung der Abschirmung 40 mit axial vorgeschobener Position, also mit einem größeren Abstand des unteren Randes der Abschirmung 40 zur Düsenanordnung 30, als es in Fig. 6b gezeigt ist. Die Abschirmung in Fig. 6b ist relativ zum unteren Rand der Düsenanordnung 30 zurückgezogen angeordnet und beeinflusst daher den austretenden Plasmastrahl 28 in geringerem Maß, als in der Position gemäß Fig. 6a.
  • Fig. 7a und 7b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks, wie sie beispielweise im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben worden ist. Die dargestellte Abschirmung 40 weist am unteren Ende mehrere, jedoch mindestens zwei Abschirmungselemente 40a und 40b auf, die unabhängig voneinander verstellbar ausgebildet sind. Die Abschirmungselemente 40a und 40b können dabei entlang einer im Winkel zur Achse A verlaufenden Richtung sowohl axial als auch radial verstellt werden. Dazu sind die Abschirmungselemente 40a und 40b in Führungen (nicht dargestellt) angeordnet und können in einer von mehreren Positionen fixiert werden. Durch die Mehrzahl von umfangseitigen Abschirmungselementen 40a, 40b kann somit eine spezifische azimutale Verteilung der Beeinflussung des Plasmastrahls 28 eingestellt werden.
  • Fig. 8a zeigt eine Abschirmung 40 eines weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks, wie sie grundsätzlich im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben worden ist. In der vorliegenden Ausgestaltung ist der untere Rand der Abschirmung 40 mit einer Mehrzahl von einzelnen Ausnehmungen 52a des distalen Rands 52 versehen.
  • Fig. 8b zeigt einen teilweisen Querschnitt der Vorrichtung 2, wobei der untere Rand 52 mit den Ausnehmungen 52a ein azimutal umlaufendes Muster von Abschnitten mit stärkerer und schwächerer Beeinflussung des Plasmastrahls 28 ausbilden. Durch geeignete Wahl der einzelnen Winkel γ und Höhen h der Ausnehmungen 52a kann eine spezifische Winkelverteilung der Intensität der Plasmabehandlung der Oberfläche erreicht werden.
  • In Fig. 9a und 9b ist eine erfindungsgemäße Anlage 100 zur Behandlung einer Oberfläche mit atmosphärischem Plasma dargestellt. Die Anlage 100 weist zwei schematisch dargestellte Vorrichtungen 2 und 2' zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls 28 und 28', wie sie beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt sind und oben anhand der Fig. 2 erläutert worden sind.
  • Jede der beiden Vorrichtungen 2, 2' weist ein rohrförmiges Gehäuse 10, 10' mit einer Achse A bzw. A', eine innerhalb des Gehäuses 10, 10' angeordnete Innenelektrode (nicht dargestellt) und eine eine Düsenöffnung 18, 18' aufweisende Düsenanordnung 30, 30' zum Auslassen eines im Gehäuse 10, 10' zu erzeugenden Plasmastrahls 28, 28' auf. Beide Vorrichtungen 2, 2' sind um eine gemeinsame Achse B drehbar miteinander über einen Rahmen 102 verbunden, wobei im Rahmen ein Antrieb (nicht dargestellt) zum Erzeugen einer Drehbewegung der Vorrichtungen 2, 2' um die Achse B vorgesehen ist. Die Druckluftanschlüsse und Spannungsanschlüsse sind im Rahmen 102 angeordnet und nicht im Detail dargestellt.
  • Die Richtung der Düsenöffnungen 18, 18' verläuft jeweils unter einem Winkel α, α' zur Achse A, A' verläuft, wobei die Düsenanordnung 30, 30' relativ um die Achse A, A' drehbar sind. Jeweils ein Antrieb (nicht dargestellt), wie er anhand der Fig. 2 erläutert worden ist, ist zum Erzeugen einer Drehbewegung der Düsenanordnungen 30, 30' um die jeweilige Achse A, A' vorgesehen.
  • Des Weiteren sind die beiden Vorrichtungen 2, 2' unter einem Winkel β, β' zur Achse B ausgerichtet, wie Fig. 9a und 9b zeigen. Der Antrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung der Vorrichtungen 2, 2' und die Antriebe zum Erzeugen einer Drehbewegung der Düsenanordnungen 30, 30' sind dabei derart miteinander synchronisiert, dass während einer Umdrehung der Vorrichtungen 2, 2' um die gemeinsame Achse B jede der Düsenanordnungen 30, 30' zwei Umdrehungen um die jeweilige Achse A, A' ausführt.
  • Dabei ist es bevorzugt und in Fig. 9a und 9b dargestellt, dass der Winkel α, α' der Düsenöffnungen zur jeweiligen Achse A bzw. A' im Wesentlichen mit dem Winkel β, β' der Vorrichtungen 2, 2' zur Achse B übereinstimmt. Dadurch wird eine Winkelanordnung erreicht, bei der in zwei azimutal gegenüberliegenden Winkelpositionen der Vorrichtungen 2, 2' die Plasmastrahlen 28, 28' im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet sind (siehe Fig. 9a), während in zwei jeweils um 90° bzw. 270° dazu gedrehten Winkelpositionen die Plasmastrahlen 28, 28' im Wesentlichen in einem Winkel von 2∗ α, 2∗α' zur Oberfläche, also flacher ausgerichtet sind (siehe Fig. 9b). Die Intensität der Plasmabehandlung der Oberfläche variiert also zweifach zwischen einer maximalen und einer minimalen Intensität während eines Umlaufs der Vorrichtungen 2, 2' um die gemeinsame Achse B.
  • Eine Möglichkeit, die Drehbewegung der Anlage miteinander zu synchronisieren, besteht darin, die Drehbewegung der Düsenanordnungen 30, 30' über ein im Rahmen 102 angeordnetes und nicht näher dargestelltes Planetengetriebe durch die Drehbewegung der Vorrichtungen 2, 2' um die Ache B übertragen wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die jeweiligen Antriebe elektronisch miteinander zu synchronisieren. In diesem Fall kann der mechanische Aufwand eines Planetengetriebes vermieden werden
  • Ein weiteres Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks kann einer zuvor beschriebenen Anlage durchgeführt werden, bei dem zwei rotierende Plasmastrahlen erzeugt werden, bei dem die Anlage mit den rotierenden Plasmastrahlen entlang der zu behandelnden Oberfläche bewegt wird und bei dem die Plasmastrahlen in zwei ersten Winkelstellungen 0°, 180° der Drehbewegung um die Achse B in einem steilen, vorzugsweise senkrechten, Winkel auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet werden (siehe Fig. 9a) und bei dem die Plasmastrahlen in zwei zweiten Winkelstellungen 90°, 270° der Drehbewegung um die Achse B in einem flachen, vorzugsweise unter einem Winkel des Zweifachen des Winkels der Düsenöffnungen relativ zu den Achsen A, A', auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet werden (siehe Fig. 9b).
  • Das zuvor erläuterte Verfahren kann statisch durchgeführt werden, indem nur ein Teilbereich der Oberfläche mit dem Plasmastrahlen 28, 28' behandelt wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Anlage im Wesentlichen in Richtung einer der beiden ersten Winkelstellungen 0°, 180° der Drehbewegung um die Achse B entlang der Oberfläche bewegt. Somit wird in Bewegungsrichtung gesehen dann, wenn die beiden Plasmastrahlen 28, 28 drauf eine Ausrichtung im Wesentlichen in Bewegungsrichtung aufweisen, die Oberfläche intensiver mit Plasma behandelt als in den Winkelpositionen, die quer zur Bewegungsrichtung eingenommen werden. Somit kann durch das beschriebene Verfahren und die beschriebene Anlage eine Intensitätsverteilung gemäß Fig. 1c erreicht werden.
  • Fig. 10 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel mit nur einer Vorrichtung 2, bei der die Achse B im Wesentlich in der Nähe des Schwerpunkts der Vorrichtung 2 verläuft. Bei der Drehung um die Achse B vollführt die Vorrichtung 2 eine Taumelbewegung, die durch einen nicht dargestellten Antrieb erzeugt wird. Die Ausrichtung des einzigen Plasmastrahls 28 vollführt dann eine gleiche azimutale Richtungsverteilung, wie sie zuvor anhand von Fig. 6a und 6b für die Vorrichtungen 2 und 2' erläutert worden ist. Im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 6 ist der Durchmesser des durch die Anlage mit Plasma behandelten Bereichs kleiner.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks,
    - mit einem rohrförmigen Gehäuse (10), das eine Achse (A) aufweist,
    - mit einer innerhalb des Gehäuses (10) angeordneten Innenelektrode (24),
    - mit einer eine Düsenöffnung (18) aufweisenden Düsenanordnung (30) zum Auslassen eines im Gehäuse (10) zu erzeugenden Plasmastrahls,
    - wobei die Richtung der Düsenöffnung (18) unter einem Winkel zur Achse (A) verläuft und
    - wobei die Düsenanordnung (30) relativ um die Achse (A) drehbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass eine Abschirmung (40) die Düsenanordnung (30) umgibt und
    - dass die Abschirmung (40) für ein Verändern der Intensität der Wechselwirkung des zu erzeugenden Plasmastrahls mit der Oberfläche des Werkstücks in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Düsenanordnung (30) relativ zur Achse (A) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abschirmung (40) in azimutaler Richtung nur über einen Teilabschnitt ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abschirmung (40) in azimutaler Richtung symmetrisch zur Achse (A) über zwei Teilabschnitte ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die axiale Länge der Abschirmung (40; 46, 48) in azimutaler Richtung variiert.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Variation der Länge der Abschirmung (40; 46, 48) in Stufen oder stetig, insbesondere in Form einer Sinusfunktion erfolgt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Innenfläche (42) der Abschirmung (40), zumindest im Bereich des distalen Randes (52), einen azimutal variierenden Winkel zur Achse (A) aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abschirmung (40) in ihrer Position relativ zur Düsenanordnung (30), insbesondere in Richtung der Achse (A) und/oder in radialer Richtung, verstellbar ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abschirmung (40) mindestens zwei Abschirmungselemente (40a, 40b) aufweist, die unabhängig voneinander verstellbar ausgebildet sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Heizvorrichtung (60) zum Erwärmen der Abschirmung (40) vorgesehen ist.
  10. Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks,
    - bei dem mittels einer einen atmosphärischen Plasmastrahl erzeugenden Vorrichtung mit einer Achse (A) und mit einer relativ um die Achse (A) rotierenden Düsenanordnung ein um die Achse (A) rotierender Plasmastrahl erzeugt wird,
    - bei dem die Vorrichtung mit dem rotierenden Plasmastrahl entlang der zu behandelnden Oberfläche bewegt wird und
    - bei dem mittels einer Abschirmung die Intensität der Wechselwirkung des Plasmastrahls mit der Oberfläche des Werkstücks in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Düse relativ zur Achse (A) verändert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    bei dem der rotierende Plasmastrahl durch die Abschirmung längs der Bewegungsrichtung stärker als quer zur Bewegungsrichtung abgeschirmt wird.
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