ES2224644T3 - Dispositivo para el tratamiento de superficies con plasma. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un dispositivo de tratamiento de superficies con plasma. Este dispositivo se caracteriza por una cabeza de rotación (10) que tiene al menos una boquilla de plasma (14) excéntrica dispuesta para la producción de un chorro de plasma (18) dirigido paralelamente al eje de rotación.

Description

Dispositivo para el tratamiento de superficies con plasma.

La invención se refiere a un dispositivo para el tratamiento de superficies con plasma. En particular la invención se ocupa del tratamiento previo de superficies de materia artificial por lo cual se posibilita la aplicación de materia adhesiva, colores de impresión y similares sobre la superficie de materia artificial. Tal tratamiento previo es necesario ya que las superficies de materia artificial no son humedecibles con fluidos en una situación normal y por tanto no aceptan los colores de impresión o la materia adhesiva. Por el tratamiento previo la estructura de la superficie se modifica de tal forma, que hace posible humedecer la superficie para fluidos con una tensión de superficie relativamente grande. La tensión de superficie de los fluidos, con los cuales se puede aún humedecer la superficie, representa una medida para la calidad del tratamiento previo.

Un procedimiento probado para el tratamiento previo de superficies de materia artificial se basa en el principio de la descarga de corona. Con este procedimiento se pasa la materia artificial a tratar entre dos electrodos recubiertos de modo usual con un material cerámico, en los cuales hay una alta tensión con una frecuencia elevada, de modo que una descarga de corona tiene lugar a través del material artificial. Este procedimiento se adapta sin embargo solo para piezas de trabajo relativamente delgadas con superficies lisas, a modo de ejemplo para láminas de materia artificial.

En la DE 195 32 412 A se describe un dispositivo para el tratamiento previo de superficies con la ayuda de un rayo de plasma. Por una formación particular de la tobera de plasma se alcanza un rayo de plasma comparativamente más frío, pero de reactividad elevada, que tiene aproximadamente la forma y las dimensiones de una llama de una vela, y por tanto también permite el tratamiento previo de piezas de perfil con un relieve profundo. Por la alta reactividad del rayo de plasma es suficiente un tratamiento muy corto, de modo que la pieza de trabajo se puede pasar por el rayo de plasma con una velocidad elevada. Por motivo de la temperatura baja del rayo de plasma, es también posible el tratamiento previo de materias artificiales sensibles al calor. Como no es necesario un electrodo contrario en la parte posterior de la pieza de trabajo, se pueden tratar previamente sin problemas también las superficies de piezas de trabajo de tipo cubo de un espesor cualquiera, cuerpos huecos y similares. Para un tratamiento igualado de superficies grandes se ha propuesto en la publicación mencionada una batería de varias toberas de plasma colocadas de modo desplazado. En este caso sin embargo se requiere un gasto relativamente elevado en dispositivos.

Es una tarea de la invención el indicar un dispositivo para el tratamiento con plasma de superficies, que permite un tratamiento previo rápido y eficiente de grandes superficies con un gasto en dispositivos reducido.

Se soluciona esta tarea con las características indicadas en la reivindicación 1.

El dispositivo de acuerdo con la invención presenta un cabezal de rotación, que lleva al menos una tobera de plasma colocada de modo excéntrico para la generación de un rayo de plasma dirigido en paralelo al eje de rotación.

Cuando se mueve la pieza de trabajo en relación con el cabezal de rotación que gira con un número de revoluciones elevado, el rayo de plasma cubre una zona de la superficie de la pieza de trabajo en forma de raya, cuyo ancho corresponde al diámetro del círculo descrito con la rotación de la tobera de plasma. De esta forma se puede tratar previamente de modo racional una superficie relativamente grande.

Con ello no es perjudicial que la intensidad del tratamiento previo en la banda recubierta no esté completamente uniforme. Los parámetros de tratamiento, en particular el número de revoluciones del cabezal de rotación y la velocidad de traslación de la pieza de trabajo en relación con el cabezal de rotación se pueden elegir siempre dentro de unos rangos amplios, de forma que en la banda tratada se alcanza en todas partes una humedad suficiente de la pieza de trabajo y por otra parte no se llega a daños térmicos del material en las zonas tratadas de modo más intensivo.

Por motivo del gran alcance del rayo de plasma, en sentido transversal la superficie tratada de la pieza de trabajo puede también ser abombada o perfilada. El dispositivo se adapta por tanto a modo de ejemplo también para el tratamiento previo de perfiles de ventanas o de marcos de puerta de materia artificial, de botellas, cubos y similares de materia artificial.

Como particularmente ventajoso se presenta con el dispositivo de acuerdo con la invención, el hecho de que por causa de la rotación del cabezal y del rayo de plasma, que gira con él se produce un arremolinamiento de un espacio elevado, con la consecuencia de que en el medio del arremolinamiento se forma una presión inferior. Esta presión inferior actúa de modo contrario a una desviación radial del rayo de plasma y absorve el rayo de plasma de un modo formal a la superficie de la pieza de trabajo, de modo que el rayo de plasma entra en un contacto íntimo con la superficie de la pieza de trabajo.

Otras realizaciones ventajosas de la invención se dan en las reivindicaciones subordinadas.

Dos o más toberas de plasma son preferentemente colocadas en unas distancias en ángulo regular con el cabezal de rotación, de modo que se trabaja con al menos dos rayos de plasma al mismo tiempo y se reduce el tiempo de tratamiento. Esta disposición tiene al mismo tiempo la ventaja de que el cabezal de rotación está equilibrado ampliamente por causa de la colocación simétrica de las toberas de plasma.

Debido al alto número de rotaciones del cabezal de rotación, que pueden ser, a modo de ejemplo de 1000 min^{-1} o más, se llega por ejemplo, por motivo de las fuerzas de Coriolis a un retorcimiento de los rayos de plasma emitidos por las toberas de plasma individuales. Preferentemente cada tobera de plasma presenta adicionalmente un dispositivo propio de torsión, que procura una estabilización y una concentración del rayo de plasma. La dirección de giro del cabezal de rotación en este caso se ha de adaptar al sentido de rotación de los dispositivos de torsión en las toberas de plasma individuales.

A continuación se aclara en mayor detalle un ejemplo de realización con la ayuda del dibujo.

Se muestra:

Figura 1: un corte axial a través de un cabezal de rotación;

Figura 2: una vista frontal del cabezal de rotación; y

Figura 3: un corte axial a través del dispositivo en su conjunto en el plano III-III de la figura 1.

En la figura 1 se ha representado un cabezal de rotación (10), que gira alrededor de su eje central que transcurre verticalmente en el dibujo y que está rodeado por un cilindro estacionario (12) que sirve como protección contra el contacto accidental. El cabezal de rotación (10) presenta dos toberas de plasma (14) que se encuentran enfrentadas diametralmente entre sí, que están mantenidas en un bloque distribuidor (16) en forma de anillo y que emiten rayos de plasma (18) dirigidos en paralelo al eje de rotación. Cuando el cabezal de rotación (10) se mueve en la dirección vertical al plano del dibujo de la figura 1 en relación con la superficie de una pieza de trabajo (20) y que además gira a un número de revoluciones elevado, entonces los rayos de plasma (18) cubren una banda relativamente igualada sobre la superficie de la pieza de trabajo, con un ancho (W) de por ejemplo 8 cm.

Las bocas (22) de las toberas de plasma (14) se encuentran en un plano común en una placa frontal (24), que se mantiene por dos puntales (26) que giran simultáneamente en el bloque distribuidor (16). Los dos puntales (26) se encuentran en un plano en ángulo recto al plano de las toberas de plasma (14) y están unidos entre sí en la placa frontal (24) por medio de un pasador (28).

Cada tobera de plasma (14) presenta un alojamiento de metal (30), esencialmente cilíndrico, en disminución hacia la boca, que forma un canal de arremolinado (32) cónicamente en disminución hacia la boca (22). La boca (22) de la tobera de plasma está aún claramente estrechada en relación con la sección transversal interior del canal de arremolinado (32). El final del alojamiento (30) en dirección hacia abajo está unido de modo fijo con una pieza de unión (34) de metal, que está introducida en el bloque distribuidor (16). En la pieza de unión (34) y el final anexo del alojamiento (30) está fijado de modo coaxial un tubo de cerámica (36), que recoge un anillo en espiral (38) eléctricamente aislado en relación con la pieza de unión (34) y el alojamiento (30). El anillo en espiral (38) forma un electrodo en forma de espiga (40), que está introducido en el canal de arremolinado (32) y está rodeado por una corona de aberturas en espiral (42). En la pieza de unión (34) y en el bloque distribuidor (16) hay formados unos canales de gas (44), sobre los cuales se suministra el gas de trabajo a las toberas de plasma. Además las piezas de unión (34) y el bloque distribuidor (16) contienen canales de cable (46) para cables de alta tensión no indicados, con los cuales se coloca una tensión en los anillos en espiral (36) y los electrodos en forma de espiga (40) unidos con ellos.

Durante la operación del dispositivo se aporta aire a presión como gas de trabajo sobre los canales de gas (44). El aire a presión fluye a través de las aberturas en espiral (42) del anillo en espiral (38) y por ello se retuerce, de modo que fluye en forma de remolino a través del canal de arremolinado (32) hacia la boca (22) de la tobera de plasma. En el electrodo en forma de espiga (40) se aplica una tensión alternativa de algunos kV con una frecuencia de por ejemplo 20 kHz, mientras que el alojamiento (30) de la tobera de plasma está conectado a tierra sobre el anillo distribuidor (16). Con la conexión de la tensión, debido a la alta frecuencia se llega a una descarga de corona entre el anillo en espiral (38) y el tubo de cerámica (36) que funciona como dieléctrico. Por esta descarga de corona se enciende una descarga de chispas entre el electrodo en forma de espiga (40) y el alojamiento (30). La chispa de descarga se extiende sin embargo, no radialmente desde el electrodo en forma de espiga (40) a la pared del alojamiento (30) que lo rodea, sino que se arranca junto con el flujo de gas en forma de espiral y se canaliza en el núcleo del remolino de gas, de modo que se extiende en línea recta desde el electrodo en forma de espiga (40) sobre el eje central del canal de arremolinado (32) hasta la boca (22) y solo allí se desvía radialmente sobre el borde de la boca. Esto lleva a la formación deseada de un rayo de plasma (18) altamente reactivo y bien concentrado, sin embargo comparativamente frío que se arrima además por motivo de su torsión a la superficie de la pieza de trabajo (20).

En la figura 2 se ha representado la colocación de los canales de gas (44) en el bloque distribuidor (16). Los canales de gas se forman por un sistema de taladros que se cruzan entre sí, que están cerrados en los finales exteriores por tapones (48) y que unen un canal de entrada axial (50) con la tobera de plasma (14) correspondiente.

Como se puede ver en la figura 3, el bloque distribuidor (16) está fijado en el final engrosado de un eje (52), que está alojado de modo giratorio en un alojamiento de soporte (54). El alojamiento de soporte (54) presenta una conexión de aire a presión (56), que lleva a una cámara de presión (58) recorrido por el eje (52). La cámara de presión (58) está bien estancada por una formación estanca a la presión del soporte para el eje (52). El eje (52) presenta dos canales de gas axiales colocados de modo excéntrico (60), que están en contacto con la cámara de presión (58) en un final, y en el final contrario pasan a uno de los canales axiales (50) antes mencionados del bloque distribuidor (16). De esta forma se suministra aire a presión a las toberas de plasma (14) del cabezal de rotación (10) sobre la conexión de aire a presión (56).

El eje (52) lleva dentro de la cámara de presión (58) un anillo colector (62), que está en contacto con un contacto deslizante (64). Sobre este contacto deslizante se asegura una conexión a tierra fiable del eje (52) y del bloque distribuidor (16) así como del alojamiento (30) de las toberas de plasma (14) unido con ello.

En el alojamiento de soporte (54) se conecta en el lado contrario del cabezal de rotación (10) un alojamiento de conexión (66), que recoge dos contactos deslizantes aislados (68) para el suministro de alta tensión de las toberas de plasma (14). Una continuación del eje (52) que está introducido dentro del alojamiento de contacto (66), lleva un aislador (70) sobre el cual están colocados dos anillos colectores (72), que están en contacto con uno de los contactos deslizantes (68) del caso. Por el aislador (70), provisto con discos sobresalientes radialmente (74), se aíslan entre sí los anillos colectores (72) así como del eje (52) y del alojamiento de contacto (66). Además el aislador (70) presenta dos canales de cable axiales (76), que van desde uno de los anillos colectores (72) hasta el final frontal del aislador (70) que está colocado en un soporte del eje (52). Unas aberturas (78) formadas en este soporte unen los canales de cable (76) con un taladro central (80) del eje (52). El final contrario a este taladro central (80) está unido sobre unas aberturas radiales (82) con los canales de cable (46) indicados en la figura 1 del bloque distribuidor (16). De esta forma, es posible unir los anillos colectores (72) sobre los cables de alta tensión antes mencionados, de modo eléctrico con los anillos en espiral (38) y los electros en forma de espiga (40) de las toberas de plasma (14). Las conexiones eléctricas separadas para las dos toberas de plasma, permiten el suministro de la tensión de operación de cada tobera de plasma sobre una fuente de alta tensión propia. Esto es esencial, para que se pueda generar la tensión de encendido necesaria para el encendido de una tobera de plasma incluso cuando ya tiene lugar en la otra tobera de plasma la descarga de chispas.

Claims (8)

1. Dispositivo para el tratamiento de plasma de superficies, caracterizado por un cabezal de rotación (10), que lleva al menos una tobera de plasma (14) colocada de modo excéntrico para la generación de un rayo de plasma (18) dirigido en paralelo al eje de rotación.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que se colocan varias toberas de plasma (14) a unas distancias iguales en ángulo alrededor del eje de rotación.

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque cada tobera de plasma (14) presenta un dispositivo de torsión (38) para la generación de un rayo de plasma en espiral.

4. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque cada tobera de plasma (14) presenta un alojamiento (30) oblongo que sirve como electrodo conectado a tierra, que forma un canal de arremolinado oblongo (32) que recoge en un final el dispositivo de torsión (38) y un electrodo de alta tensión (40), y en el lado contrario está estrechado hacia una boca (22), y que el dispositivo de torsión (38) y el canal de arremolinado (32) están formados de tal forma que una chispa de descarga que parte del electrodo de alta tensión (40) se canaliza en el núcleo de arremolinado que transcurre a lo largo del eje central del canal de arremolinado (32) y solo se desvía en la boca (22) sobre el alojamiento (30).

5. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones previas, caracterizado porque la tobera de plasma (14) se puede operar con una tensión alterna de alta frecuencia.

6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la tobera de plasma (14) presenta un elemento dieléctrico (36) que separa los electrodos (30, 40) de las toberas de plasma entre sí y permite la generación de una descarga de corona como descarga de encendido.

7. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones previas, caracterizado por el hecho de que la tobera de plasma (14) se mantiene en un bloque distribuidor (16), que presenta unos canales de gas (44) y unos canales de cable (46), para el suministro de la tobera de plasma, con gas de operación y tensión de operación y está fijado al final de un eje (52), que transcurre a través de una cámara de presión (58) en la cual se suministra el gas de operación, así como a través de un alojamiento de contacto (66), y está provisto dentro del alojamiento de contacto de unos anillos colectores (72) y en los cuales están formados unos canales axiales de gas y de cable (60, 76, 80) para la unión con los canales correspondientes del bloque distribuidor (16).

8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el eje (52) está alojado en un alojamiento de soporte (54) que forma la cámara de presión (58) y está introducido libremente en el alojamiento de contacto (66), que está colocado en el lado contrario al cabezal de rotación (10) del alojamiento de soporte (54).