WO2009127540A1 - Vorrichtung zum behandeln einer inneren oberfläche eines werkstücks - Google Patents

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WO2009127540A1
WO2009127540A1 PCT/EP2009/054028 EP2009054028W WO2009127540A1 WO 2009127540 A1 WO2009127540 A1 WO 2009127540A1 EP 2009054028 W EP2009054028 W EP 2009054028W WO 2009127540 A1 WO2009127540 A1 WO 2009127540A1
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WO
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rotation
generating unit
axis
workpiece
radiation
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PCT/EP2009/054028
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Buske
Peter FÖRNSEL
Original Assignee
Plasmatreat Gmbh
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Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C16/045—Coating cavities or hollow spaces, e.g. interior of tubes; Infiltration of porous substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/513—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using plasma jets

Definitions

  • the invention relates to an apparatus for treating an inner surface of a workpiece, comprising a radiation, with at least one generating unit for generating the radiation, with a drive unit for rotating the at least one generating unit about an axis of rotation, wherein the at least one generating unit for discharging the generated radiation with a preferred direction is formed in the direction of the surface to be treated.
  • the invention relates to a method for treating an inner surface of a workpiece with a radiation, in particular with such a device.
  • Corona treatment of workpiece surfaces is known from the prior art, for example from EP 0 497 996 A1.
  • the operating principle is based on the fact that a corona discharge is generated in a known manner between two electrodes, which on the same side of the _ 9 _
  • the gas channel is ultimately deformed in the direction of the surface to be treated by way of a gas stream directed onto the surface to be treated, in which the spark channel is formed, such that the spark channel or individual sparks strike the surface of the workpiece to be treated.
  • the treatment of workpieces with considerable depressions is not or only insufficiently possible.
  • DE 195 32 412 C2 discloses a plasma jet generator with a nozzle. At the nozzle opening is an annular electrode. Coaxially reset from the nozzle opening into the nozzle, a pin electrode is arranged. By means of a high-frequency voltage generator, an arc discharge between the pin electrode and ring electrode is ignited. In operation, the plasma nozzle is flowed through by a working gas. The working gas is fluidized in the plasma nozzle by means of a twisting device.
  • the working gas is fluidized in the plasma nozzle by means of a twisting device.
  • Turbulence of the working gas in the nozzle causes the arc discharge along the vortex core coaxially in the nozzle from the pin electrode in the direction of the nozzle opening, where it then branches radially to the annular electrode.
  • the working gas is excited to a plasma jet separated from the arc discharge, which discharges from the nozzle opening with the remaining working gas.
  • Plasma beam provided at least one electrode pair in the side wall of the nozzle. It turns then an arc discharge from one side of the nozzle to the other side of the nozzle.
  • the arrangement of the electrodes of a pair of electrodes and thus also the arc discharge is aligned transversely to the working gas flowing from the gas inlet to the gas outlet. So it is neither a pin electrode nor a turbulence of the
  • Plasma nozzles and devices for corona treatment of the aforementioned types are used for example in the
  • Plasma pretreatment or corona treatment of workpieces if they are to be coated, painted or glued, to remove impurities from the surface and, especially for plastic workpieces, to modify the molecular structure so that the treated surface can be wetted with liquids such as adhesives, paints and the like. Furthermore, with a corresponding pretreatment, the weldability of electrically conductive workpieces that tend to form a surface layer that hinders the welding process can be improved.
  • the plasma pretreatment is carried out regularly at low temperatures.
  • plasma jets of the types described above can be used in the plasma coating of workpieces.
  • plasma coating it is necessary to supply a coating material or a precursor material to the plasma.
  • additive materials with advantageous effects can also be used in the plasma pretreatment of workpieces. These materials are supplied with the plasma jet of the surface to be processed and unfold there, the effect triggered by the plasma energy, desired effect, for example, they are deposited on the surface as a thin layer.
  • a high-frequency high voltage is applied to the electrodes in both types of plasma nozzles described above, which must be so high that a discharge from one electrode to the other electrode can penetrate through the working gas and thereby ionize the working gas along the discharge path.
  • a discharge path is selected that a working gas flowing at a certain speed is ionized by the discharge for a sufficient time to achieve a desired plasma intensity.
  • the devices for corona treatment are operated with an AC voltage.
  • the voltage is sufficiently high to generate the field strengths required for corona discharge.
  • the resulting sparks during corona discharge or the resulting ionized radiation can be addressed with the known devices readily on a flat or uneven surface.
  • the inner surface of a workpiece is not or at best treated insufficiently.
  • the present invention is based on the technical problem of proposing a device and a method of the aforementioned type with which an inner surface of a material with short exposure times of the radiation can be processed.
  • An arm for introducing the generating unit into an opening of the workpiece is particularly slim in comparison to
  • Nozzle unit and designed approximately rod-shaped.
  • the arm can also be formed as an extension, in particular in the form of a projection of the generating unit.
  • the arm is but designed so that the insertion of the
  • an inner surface is generally understood to mean the surface in recesses of the workpiece.
  • an inner surface is generally understood to mean the surface in recesses of the workpiece.
  • Recesses understood not mere unevenness of the workpiece surface, but surfaces that are offset from the outer surface into the material interior.
  • the surface of the workpiece formed by openings, bores, holes, blind holes, blind holes and undercuts is considered, but in particular the inner surfaces of a cylinder of an internal combustion engine, for example Motor vehicles, such as automobiles.
  • the opening of the workpiece can preferably be regarded as a boundary between the inner and outer surface. If an opening is not formed by the recess, the recess also does not form an inner surface. The surface of the recess is then part of the outer surface of the workpiece.
  • the invention has thus recognized that the critical inner surfaces can be better treated by the erfmdungsgelaute device when the device has an arm with which the generating unit of the radiation can be introduced not only in the vicinity of the workpiece, but in an opening of the workpiece , which may be formed by the transition between the outer surface and the inner surface.
  • the device can then, for example, "dive" an opening of the workpiece with the generating unit m and treat the inner surface located therebehind closely with a corresponding high-energy radiation. It is not, as usual, the generating unit about to generate a
  • Corona radiation or plasma radiation positioned at a distance from the workpiece and moved relative to the workpiece over its surface.
  • the generating unit is rotated about an axis of rotation in order to achieve with the high-energy radiation, a larger part of the inner surface of the workpiece directly.
  • inner surfaces can be intensively treated with the radiation that is clearly opposite the outer surface are inclined outside the opening in the surface of the tool, as is the case in boreholes, such as cylinder bores of an engine block.
  • the workpiece could be around the
  • the angle between the preferred direction and the axis of rotation may preferably be 25 ° to 90 °, in particular approximately 45 ° to 90 °. This in many cases enables a satisfactory treatment of the surface with the radiation in the form of, for example, plasma radiation or ionized radiation as a result of a corona discharge.
  • the generating unit can thus also during the treatment of a workpiece depending on the workpiece geometry to be considered with respect to the arm, preferably steplessly, are pivoted back and / or forth.
  • the radiation such as a plasma radiation or ionized radiation due to a corona discharge, always be directed substantially perpendicular to the surface to be treated, regardless of whether it is an inner or an outer surface or whether it is a wall area or a Floor area of a blind hole is.
  • the corresponding surfaces can then be treated equally efficiently.
  • the axis of rotation is thereby varied in an angular range, preferably from 0 ° to 90 °, to the preferred direction of the emitted high-energy beam.
  • a two-stage ausgestaltetes method can be used.
  • first step with at least a first generating unit the bottom of the blind hole can be processed.
  • a rotating generating unit is used. It is also not mandatory that this generating unit on an arm for introducing the generating unit into the workpiece through the opening of the
  • the preferred direction of the at least one, for example, first generating unit is then aligned substantially perpendicular to the bottom of the blind hole or the blind bore.
  • the remaining areas of the inner surface of the blind hole or the blind bore are treated in an example preceding or following second step with a device which, unlike the other device according to the invention is trained. It is conceivable that the one device processes in one operation the outer surface of the workpiece and the inner surface of the workpiece in the region of the bottom of the blind hole or blind hole.
  • the at least one generating unit it is not possible, when blanking out its orientation relative to the blind hole or blind hole, to detect whether a part of the outer or inner surface is being treated.
  • a drive unit is provided for rotating the arm about an axis of rotation, which is an additional drive unit or the drive unit for rotating the generating unit.
  • a rotation of the generating unit is brought about, for example, via a rotation of the arm.
  • an adjusting device may be provided, which allows to vary the penetration depth of the at least one generating unit during the surface treatment.
  • the generating unit is then introduced stepwise or continuously into the workpiece to be treated and / or pulled out of this. Meanwhile, the inner surface is annularly or helically treated due to the rotation of the generating unit.
  • the generating unit does not have to be adapted to the penetration depth into the workpiece which also improves the flexibility of both the device and the method.
  • the inner surface of the workpiece is treated with a plasma jet formed as a plasma jet.
  • the plasma jet is generated by a generating unit in the manner of a nozzle unit.
  • the nozzle unit has for this purpose at least one nozzle interior.
  • the nozzle unit includes a gas inlet for flowing a working gas into the nozzle interior, and a gas outlet for discharging the working gas in a preferential direction toward the surface of the workpiece.
  • the exiting working gas has been changed during the passage through the nozzle interior such that the effluent from the gas outlet working gas is the plasma jet.
  • the nozzle unit is rotated about the respective axis of rotation.
  • a plasma jet is understood to mean a beam of a reactive medium which, in addition to neutral, excited atoms or molecules, also has ionized atoms or molecules.
  • the excited or ionized particles cause a strong interaction on the surface to be treated, which leads to a surface pretreatment.
  • the plasma jet is preferably generated according to the invention via an arc discharge between at least two electrodes of the nozzle unit.
  • the plasma jet is preferably transferred to the surface without transfer of discharge sparks, ie potential-free, in order to achieve a targeted plasma treatment of the surface.
  • a combined treatment is desired in which both the plasma jet and discharge sparks are interacting with the surface, this may be provided by a corresponding design or operation of the nozzle assembly.
  • this combined effect of plasma jet and discharge sparks on the surface to be treated can be accepted in order to realize small dimensions of the nozzle unit, so that also inaccessible areas of the inner surface treated can be. In other words, if necessary, a potential can be transmitted with the radiation if this is desired or accepted for other reasons.
  • arc discharge is understood in the context of the present application phenomenologically as an arc.
  • the voltage applied to the electrodes for plasma generation is not a continuous DC voltage. Rather, the plasma is generated with a high-frequency voltage, in particular with a high-frequency alternating voltage.
  • the frequency of the applied voltage is selected to be so high that an observer can not visually detect any difference to discharges generated by continuous discharges on the basis of the luminous phenomena of the discharge, in the present application a simplification is referred to as an arc discharge.
  • the frequency is preferably in a range of 10 kHz to 100 kHz. Deviations from this range of values are possible.
  • the amplitude of the voltage, measured peak-to-peak, is approximately 1 kV to 40 kV. But even with these values, there may be deviations up or down.
  • working gas for plasma generation comprises suitable one-component gases, for example nitrogen, as well as multicomponent gas mixtures, for example air, forming gas, CO 2 , Acethylene / N2 mixture or other gas mixtures suitable for plasma generation.
  • suitable one-component gases for example nitrogen
  • multicomponent gas mixtures for example air, forming gas, CO 2 , Acethylene / N2 mixture or other gas mixtures suitable for plasma generation.
  • the at least one nozzle unit can already be used with a distance of the gas outlet to the inner surface to be treated of less than 30 mm, preferably less than 20 mm, in particular less than 10 mm, for a satisfactory surface treatment. Then inner surfaces in confined spaces can be optimally treated with the plasma jet.
  • the distance to the respective inner surface to be treated is kept constant, preferably during a complete rotation about the axis of rotation.
  • the axis of rotation is preferably aligned concentrically with a center line of the recess forming the inner surface. This is particularly appropriate in connection with the treatment of rotationally symmetrical bores, such as cylinder bores of an engine block.
  • the dimensions of the device are not too great.
  • the nozzle unit must still fit into the opening of the workpiece and, moreover, should still be rotatable there. Consequently, in a further embodiment, the nozzle unit has a maximum extent in a direction perpendicular to the axis of rotation of approximately 80 mm, preferably 40 mm. It is further preferred if the maximum dimension of the nozzle unit, regardless of which direction, maximum 80 mm, preferably 40 mm.
  • the at least one nozzle unit allows a treatment of the respective surface over a wide range of the treatment distance between gas outlet and surface to be treated, so that without a change of the device nevertheless a cylinder or the like with a
  • the maximum extent of the nozzle unit in a direction perpendicular to the axis of rotation is greater than the distance of the gas outlet of the nozzle unit from the axis of rotation in a direction perpendicular to the axis of rotation.
  • the aforementioned maximum dimension is about twice as large as the aforementioned distance from the axis of rotation.
  • Nozzle unit also be placed in particularly small openings of the workpiece in relation to the dimensions of the nozzle unit.
  • the nozzle unit then preferably has approximately the same dimension in the direction of the gas outlet as in the opposite direction with respect to the axis of rotation.
  • the gas inlet and the gas outlet of the at least one nozzle unit lie in a line that essentially coincides with the preferred direction. This allows the
  • Plasma radiation are used as energy efficient as possible.
  • at least one feeding device for at least indirectly supplying a working material, in particular coating material or precursor material, to the nozzle interior of the at least one nozzle unit is provided in the device or method. This allows different types of treatment of the surface of the workpiece.
  • the supply device at least one material can be supplied to the working gas and / or the plasma jet.
  • the supply can be active, for example by injection, or passive, for example by using a
  • the at least one material may be in the supply in the solid, liquid and / or gaseous state. Suitable materials may be those suitable for coating or plasma polymerization. It can also be, for example, a precursor material, ie a multicomponent material, in which the several components only join together in the plasma jet to form the actually desired material, for example a product of a chemical reaction. As another application, it can be stated that water vapor is added to the nozzle unit, wherein the water of the vapor in the plasma jet is converted to oxygen and hydrogen.
  • the at least one supply device can be arranged on the device for generating a plasma jet so that the supply of the at least one material takes place in the region of the gas inlet.
  • the supply can also take place in the region in which the arc discharge manifests. It is also possible to make the supply in the area of the gas outlet or outside of the housing. It is crucial that the at least one material comes into contact with the plasma jet.
  • Nozzle interior are provided. Thereby, a larger surface or a given surface can be treated more intensively for the same available time.
  • Nozzle units each have a gas outlet for the outlet of the plasma jet from the nozzle interior, wherein the effluent from the gas outlets plasma jets all have a different preferred direction. In this case, different areas of the surface of the workpiece are treated at any given time by the nozzle units provided.
  • the nozzle unit for generating a plasma jet is preferably substantially in the form of a hollow cylinder educated.
  • the at least two electrodes can be integrated transversely to the flow direction of the working gas diametrically spaced from each other in the side wall of the housing.
  • the gas inlet and the gas outlet can be arranged at a distance from each other at the opposite end faces of the hollow cylinder.
  • the device has at least one voltage supply which is connected to the at least two electrodes.
  • Power supplies with which a high-frequency voltage, in particular a high-frequency AC voltage, can be generated are particularly preferred.
  • High-frequency voltages in particular high-frequency alternating voltages, are preferably used in the production of a non-thermal plasma. Since the amount of voltage amplitude at a high-frequency voltage at regular intervals a certain for
  • This periodic firing and extinguishing of the discharge causes only a small portion of the energy bound in the discharge to be converted into heat.
  • the high-frequency voltage can thus also be considered as an AC voltage superimposed with a constant DC voltage be formed to a pulsed DC voltage.
  • An essential aspect of the high-frequency voltage is nevertheless the high frequency, but not the polarity of the voltage values.
  • a plasma jet produced by the above-described apparatuses and methods can be used in the stripping of surfaces of a workpiece.
  • a layer of organic material for example a lacquer layer
  • the organic material preferably at low temperatures, pyrolyzed and / or sublimated. But it is also possible to remove inorganic layers with such a plasma jet.
  • a plasma jet produced by the above-described apparatuses and methods can also be used to pretreat the surfaces of workpieces.
  • the adhesive properties and / or the wettability of the surface of a workpiece can be improved, in particular the surface can be activated.
  • the pretreatment with such a plasma jet may also be used to improve the weldability of a workpiece, particularly an oxide / hydroxide layered metal piece or piece of metal alloy.
  • the generated radiation is an ionized radiation, preferably a corona discharge, which is intended to be a radiation in the sense of the invention.
  • the generating unit in this case comprises at least one electrode, which is preferably acted upon by an alternating voltage. If necessary, this at least one electrode can interact with the workpiece as, in particular grounded, counterelectrode.
  • a corona discharge is generated in the space between the generating unit and the surface to be treated of the workpiece.
  • the intermediate space preferably has a narrow width of, for example, less than 5 mm, in particular less than 3 mm.
  • the corona discharge radiates homogeneously with respect to its direction, for example, from a planar structure of the
  • Electrode radiates, or approximately from a curved structure m radiates different directions, the preferred direction is to be considered differently.
  • the preferred direction is to be considered differently.
  • the corona radiation is to be regarded as a series of individual radiations each having a m approximately representative, in particular averaged, preferred direction.
  • the preferred direction represents a theoretical direction, which is based on the shape of the electrode and the formation of the generating unit for a person skilled in the art without further ado than the intended direction of the corona discharge results.
  • the current direction is irrelevant and the preferred direction for a positive corona or a negative corona is always defined by the electrode to the surface to be treated.
  • a generating unit generating a corona discharge When using a generating unit generating a corona discharge, the latter, in particular its at least one electrode, is brought into a small distance from the surface to be treated, with very small treatment distances between the at least one electrode and the surface being relatively uncritical.
  • the maximum treatment distance is strong of the
  • Operating parameters of the device in particular the field strength and thus of the voltage applied to the at least one electrode voltage and frequency depending.
  • variations in the dimension of the workpiece are for devices having a given generating unit to produce a workpiece
  • the at least one electrode may be designed rod-shaped, cylindrical, tubular, disc-shaped or annular for optimum adaptation to the inner surface of the workpiece to be treated.
  • the at least two generating sections may optionally be distributed over the circumference and / or over the length of the at least one electrode.
  • the distribution along the electrode length is particularly expedient, while in disk-shaped, annular, tubular and / or cylindrical electrodes, the distribution of the
  • a star-shaped electrode may be provided at the star-shaped ends
  • a working material of the aforementioned type can also be supplied, in which case the working material is introduced into the intermediate space between the generating device, in particular the at least one electrode, and the surface of the workpiece.
  • At least one generating unit is provided for generating a corona discharge with at least two electrodes.
  • a larger surface or a given surface can be treated more intensively for the same available time.
  • ionized radiation can then be emitted in another preferred direction, wherein both preferred directions are preferably inclined with respect to the axis of rotation of the generating unit comprising at least two electrodes.
  • two rod-shaped electrodes may be arranged distributed at equal distances to the axis of rotation and more preferably evenly on the circumference of an imaginary cylinder arranged concentrically with the axis of rotation.
  • both electrodes are then equidistant from the surface and each electrode results in a treatment of another part of the inner surface.
  • the electrode may also be cylindrical, tubular or annular. Then, preferably over the entire circumference of the electrode, a direction towards the electrode over its directed corona discharge or radiation over the entire circumference or over 360 ° distributed preferred directions over the entire circumference of the surrounding surface of the workpiece.
  • the device has at least one voltage supply which applies to the at least one electrode a high voltage in the form of an alternating voltage. Which requirements are placed on this power supply, results in a particular case in a conventional manner.
  • a reactive medium such as high-energy radiation
  • the plasma as a reactive medium has a high reactivity due to high electron excitation, but may still have a non-thermal property.
  • the high reactivity can be used, for example, for cleaning or for disinfecting the surface.
  • the germs present on the surface to be processed are at least partially, preferably predominantly, killed due to the electron reactivity.
  • a non-thermal property of the plasma while the thermal stress of the surface is kept low. This opens up applications for the plasma jet, for example in the medical or food technology sector.
  • FIG. 1 shows a nozzle unit of a first embodiment of the device according to the invention in a schematic section
  • Fig. 2 is a nozzle unit of a second embodiment of the device according to the invention in a schematic
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the invention
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of the invention
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment of the invention
  • Fig. 7 shows a sixth embodiment of the device according to the invention using a Electrode for generating a corona discharge in a schematic side view
  • FIG 9 shows a sixth embodiment of the device according to the invention using an electrode for generating a corona discharge in a schematic plan view from above.
  • Fig. 1 shows schematically a part of a first embodiment of the device 1 according to the invention for the treatment of a workpiece surface O with a plasma jet P.
  • a nozzle unit 2 which encloses a nozzle interior 3.
  • a gas inlet 4 On one side of the nozzle unit, a gas inlet 4 and on the opposite side, a gas outlet 5 is arranged.
  • the flow cross section of the gas inlet 4 is narrowed in comparison to the flow cross section of the nozzle interior 3.
  • the gas outlet 5 is formed in this example in one piece with the nozzle unit 2 through a central circular bore in the gas inlet 4 facing away from the end of the nozzle unit 2.
  • two electrodes 6, 7 are provided, spaced apart from one another, assigned to the nozzle interior 3.
  • the two electrodes 6, 7 are electrically connected to a voltage supply 8, with which a high-frequency voltage, in particular a high-frequency AC voltage, is generated can be.
  • the flow cross-section of the nozzle interior 3 tapers from the region in which the two electrodes 6, 7 are arranged to the region of the gas outlet 5 in that the side wall of the nozzle unit 2 is bent in this section.
  • a working gas for example air
  • the gas inlet 4 a working gas, for example air
  • a high-frequency electrical voltage is applied by means of the voltage supply 8, the frequency in particular comprising approximately values of the order of 1 kHz to 100 kHz, while the voltage values, measured peak-to-peak, of the order of magnitude approximately 0, 5 kV to 30 kV.
  • the voltage ensures that an arc 9 is formed in the working gas between the electrodes 6, 7, along which the working gas is at least partially ionized and thus excited into a plasma.
  • the ionized part of the working gas which has the lowest electrical resistance in the working gas, is deformed in the direction of the gas outlet 5, so that a correspondingly deformed arc 9 is formed.
  • the plasma formed along the arc 9 is then guided out of the gas outlet 5 in the preferred direction V by the flow of the working gas in the form of a jet, that is to say as a directed and focused plasma jet P.
  • a jet that is to say as a directed and focused plasma jet P.
  • the preferred direction V represents, as it were, a flow direction averaged over the flow cross section at the gas outlet 5, since the plasma jet P naturally expands after the gas outlet and thus has locally different flow direction components.
  • a total of four electrodes could also be integrated in the side wall of the nozzle unit 2.
  • Two diametrically spaced electrodes then each form a pair of electrodes.
  • the pairs of electrodes are arranged so that the connecting lines between the pairs of electrodes are perpendicular to each other.
  • two independent, in particular gleichgetaktete, power supplies are then provided, which are electrically connected to one pair of electrodes.
  • the nozzle unit 2 shown in FIG. 1 is mounted on an arm 10 which is narrow in comparison to the nozzle unit 2.
  • the arm 10 corresponds in the illustrated embodiment at the same time the supply line 11 of
  • the arm 10 can rotate about a drive device, not shown in FIG be offset about its axis of rotation 12, which corresponds to the center axis of the supply line 11. Since the arm 10 is rigidly connected to the nozzle unit 2, the rotation of the arm 10 causes the nozzle unit 2 to rotate about an axis of rotation 13 identical to the axis of rotation 12.
  • the preferred direction V of the plasma jet P flowing out of the gas outlet 5 is substantially rectangular aligned with the axis of rotation 13 of the nozzle unit 2.
  • the nozzle unit 2 can be easily introduced into small openings of the workpiece W due to the design of the arm 10 to there to treat the inner surface O of the workpiece W with the plasma jet P.
  • the nozzle unit 2 is rotated about the rotation axis 13, so that the inner surface O can be treated in a circle with the plasma jet P.
  • workpiece W is an internal combustion engine of an automobile, wherein the nozzle unit 2 is inserted into a cylinder of the internal combustion engine. In this way, the inner surface O of the cylinder is circularly treated with the plasma jet P.
  • the nozzle unit 2 rotates about the axis of rotation 13, the nozzle unit 2 is moved over the arm 10 along the entire depth of the cylinder to be treated with the plasma jet over its entire depth.
  • the arm 10 is connected approximately centrally to the longitudinal extent of the nozzle unit 2 with the nozzle unit 2, to which the supply channel 11 is guided for the working gas U-shaped around the nozzle interior 3 around.
  • the extent of the nozzle unit 2 in the drawing plane from the rotation axis 13 to the gas outlet 5 is approximately
  • the distance from the gas outlet 5 to the rear side 14 of the nozzle unit 2 measures approximately 40 mm in the case of the illustrated nozzle unit 2.
  • the nozzle unit 2 is formed such that the treatment of the inner surface O of the workpiece W with a treatment distance of less than 20 mm is readily feasible. With the device 1 shown in Fig. 1 can be treated in the result easily cylinder with an inner diameter of down to 50 mm.
  • the nozzle unit 20 shown in FIG. 2 has a nozzle tube 21 made of metal, which tapers conically to a gas outlet 22 and includes a nozzle interior 23.
  • the end wall 24 of the nozzle interior 23 has a ring of gas inlets obliquely set in the circumferential direction 25 in order to spin the working gas.
  • the nozzle interior 23 is therefore flowed through by the working gas in the form of a vortex 26, the core of which runs on the longitudinal axis of the nozzle interior 23.
  • a plasma jet P of a relatively cool atmospheric plasma exiting the gas outlet in a preferred direction V is directed approximately at right angles to the surface O of the workpiece W to be treated.
  • a channel 32 for supplying working gas to the nozzle interior 23 connects, which is approximately at right angles to
  • Due to the connection of the channel 32 at the rear end of the nozzle unit 20 corresponds to the minimum inner diameter of a bore which can still be machined with the nozzle unit 20 shown in FIG. 2, about twice the length of the nozzle unit 20 in the drawing plane plus twice the minimum machining distance to the surface of the workpiece.
  • Both the nozzle unit 2, 20 illustrated in FIG. 1 and in FIG. 2 can be supplied to the working gas via a feed device, not shown in detail, in the form of a coating material, for example in the form of a coating material.
  • the processing material will then come into intimate contact with the working gas in the nozzle interior 3.23.
  • Fig. 3 is another embodiment of the
  • nozzle unit 41 for treating an inner surface O with a plasma jet P shown.
  • nozzle unit 41 may be about a nozzle unit according to the acting principle shown in FIG. 1 or FIG. 2.
  • the nozzle unit 41 is lowered on a long arm 42 into a blind bore 43 and treated there with the plasma jet P there provided the inner surface O of the workpiece W.
  • the plasma jet P occurs from a gas outlet 44 with a preferred direction V perpendicular to the surface to be treated O out.
  • the arm in the device 40 shown in FIG. 3 is pivotally connected to the nozzle unit 41.
  • the angle of the nozzle unit 41 to the arm 42 and thus also the angle of the preferred direction V of the outflowing plasma jet P to the axis of rotation 47 of the nozzle unit 41 can be adjusted as needed.
  • Adjustment range is approximately 0 ° to 90 ° in the illustrated embodiment.
  • the angle during the operation of the device 40 can be changed automatically. In this way, about the bottom portion B of the blind bore 43 can also be treated in a suitable manner.
  • Fig. 4 is a plan view of an apparatus 60 for treating an inner surface O of a workpiece W with a plasma jet P, P 'in a plan view from above, which has been admitted on an arm 61 in a cylinder bore of an engine block of an internal combustion engine , The arm 61 simultaneously represents the conduit for the supply of working gas to the two nozzle units 62 of the device. Furthermore, along the arm 61, two conductors for powering the electrodes of the two nozzle units are guided, which are not shown in detail.
  • the nozzle units 62 are separate nozzle units 62, each with its own nozzle interior, in each of which a plasma jet P, P 'emerging in each case in a preferred direction V, V from the nozzle interior in the direction of the inner surface O of the workpiece W to be processed is produced ,
  • the nozzle units 62 the operating principle of which may coincide with the nozzle units illustrated in FIGS. 1 and 2, are arranged parallel to one another, the arm 61 engaging substantially centrally on this parallel arrangement of the nozzle units 62 and substantially along the center line of the cylinder runs.
  • the preferential directions V, V of the plasma jets P, P 'generated by the two nozzle units 62 are aligned parallel to each other and face in opposite directions.
  • the preferred directions V, V of the plasma jets P, P 1 of both nozzle units 62 are in the illustrated
  • Embodiment perpendicular to the common axis of rotation 63 of the two nozzle units 62, via the arm 61 by means of a not shown in detail drive unit are rotated.
  • FIG. 5 shows an apparatus 80 for treating the inner surface O of a workpiece W with ionized radiation I due to a corona discharge.
  • the workpiece W has a blind bore S. This may be, for example, the cylinder head of an internal combustion engine. It could also be a through hole in the bore, wherein the workpiece is for example a part of the engine block and the bore is used to accommodate a cylinder.
  • the device 80 has two interconnected electrodes 81, 82, which are arranged close to the inner surface O of the workpiece W to be treated.
  • the two electrodes 81, 82 are surrounded by electrical insulation 83 and connected to a voltage supply 84, which provides a sufficiently high alternating voltage, so that a corona discharge is formed between the electrodes 81, 82 and the surface to be treated 0 and ionized radiation I referred to as.
  • the ionized radiation I has in each case a preferred direction V ", V", which points from the electrodes 81, 82 in the radial direction to the inner surface O of the grounded workpiece W to be treated, and at right angles is aligned with the inner surface O.
  • the preferred directions of the two electrodes 81,82 are in the illustrated arrangement on a common straight line. This may also be different for another electrode arrangement.
  • a suction device 88 is provided which the aspiration of the atmosphere in the gap between the electrodes 81,82 and the surface to be treated 0 and thus the suction of the surface O removed residues serves.
  • the suction device 88 may also be in the workpiece W plunge.
  • the suction device 88 has an annular circumferential suction opening 89, so that the
  • Absaugincardi 88 does not have to rotate with the electrodes 81,82. But this would also be conceivable.
  • the generating unit has a disc-shaped electrode 91 whose diameter is slightly smaller than the diameter of the blind bore S into which the electrode 91 is inserted.
  • the electrode 91 has an insulation 92 which forms with the inner surface O a substantially uniform gap with a width of a few millimeters.
  • the disc-shaped electrode 91 is set in rotation about a rotation axis 93 which passes through the center of the electrode 91, to which a drive means 94 acts on an arm 95, at which the electrode 91 in the Blind hole S is introduced.
  • the penetration depth of the disc-shaped electrode 91 during the surface treatment can be varied in order to reach all points of the inner surface O with the ionized radiation I.
  • the ionized radiation I is directed in radial preferred directions V '' 'perpendicular to the inner surface O of the workpiece W.
  • a suction device 96 is also provided, which is introduced together with the electrode 91 in the blind bore and maintains a constant distance from the electrode 91.
  • the suction device 96 also has a circumferential Suction 97 on. But other suction can basically also provided a.
  • the power supply 98 of the embodiment shown in FIG. 7 does not differ from the power supply 84 of the embodiment shown in FIG.
  • the disk-shaped electrode 91 is shown in a plan view according to the sectional plane VIII-VIII from FIG. 7, a corona discharge being shown running along the entire gap, without individual discharge channels being shown.
  • the corona discharge can also be formed only in sections in the gap, wherein change the sections in which a corona discharge takes place in rapid change.
  • the disc-shaped electrode 91 four through openings 99 are provided in the illustrated embodiment, can flow through the air or other gas or gas mixture in the blind bore S, which then via the suction device 96 back out of the gap between the insulation 92 of the electrode 91 and the inner surface O of the blind bore S is sucked.
  • a continuous air flow or the like can be maintained.
  • FIG. 9 shows an alternative to the disk-shaped electrode 101.
  • This is star-shaped with four free ends 102.
  • clearly more free ends of the star-shaped electrode can also be provided.
  • each one of them is specifically created the corona discharge provided at the free ends 102 generating portions 103, so that optionally a targeted surface treatment can be performed.
  • through-bores for the subsequent flow of air or another gas or gas mixture can also be dispensed with.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1,20,40,60,80,90) zum Behandeln einer inneren Oberfläche (O) eines Werkstücks (W), mit einer Strahlung (P, P', I), mit wenigstens einer Erzeugungseinheit (2,20,41,62) zum Erzeugen der Strahlung (P, P', I), mit einer Antriebseinheit (45,86,94) zum Drehen der wenigstens einen Erzeugungseinheit (2,20,41,62) um eine Drehachse (13,34,47,63,87,93), wobei die wenigstens eine Erzeugungseinheit (2,20,41,62) zum Abgeben der erzeugten Strahlung (P, P', I) mit einer Vorzugsrichtung (V, V', V'', V''', V'''') in Richtung der zu behandelnden Oberfläche (O) ausgebildet ist. Damit eine innere Oberfläche eines Werkstoffs mit kurzen Einwirkzeiten der Strahlung bearbeitet werden kann, ist vorgesehen, dass ein mit der wenigstens einen Erzeugungseinheit (2,20,41,62) verbundener Arm (10,22,42,61,85,95) zum Einbringen der Erzeugungseinheit (2,20,41,62) in das Werkstück (W) vorgesehen ist und dass die Drehachse (13,34,47,63,87,93) und die Vorzugsrichtung (V, V', V'', V''', V'''') gegeneinander geneigt sind.

Description

Vorrichtung zum Behandeln einer inneren Oberfläche eines
Werkstücks
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln einer inneren Oberfläche eines Werkstücks, mit einer Strahlung, mit wenigstens einer Erzeugungseinheit zum Erzeugen der Strahlung, mit einer Antriebseinheit zum Drehen der wenigstens einen Erzeugungseinheit um eine Drehachse, wobei die wenigstens eine Erzeugungseinheit zum Abgeben der erzeugten Strahlung mit einer Vorzugsrichtung in Richtung der zu behandelnden Oberfläche ausgebildet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Behandeln einer inneren Oberfläche eines Werkstücks mit einer Strahlung, insbesondere mit einer solchen Vorrichtung .
Vorrichtungen zum Behandeln einer Oberfläche der genannten Art mit einer Plasmastrahlung oder einer Koronaentladung sind bereits aus vielen Anwendungen bekannt. Bei diesen Anwendungen werden aber insbesondere äußere Oberflächen behandelt. Auch innere Oberflächen können mit der bekannten Vorrichtung unter Anwendung der bekannten Verfahren behandelt werden. Das
Ergebnis der Behandlung ist jedoch nicht zufriedenstellend oder die benötigte Dauer der Behandlung ist unverhältnismäßig lange .
Eine Vorrichtung für eine gleichmäßige, intensive
Koronabehandlung von Werkstückoberflächen ist aus dem Stand der Technik, etwa aus der EP 0 497 996 Al, bekannt. Das Funktionsprinzip beruht dabei darauf, dass eine Koronaentladung auf bekannte Weise zwischen zwei Elektroden erzeugt wird, die sich auf der gleichen Seite der zu _ 9 _
behandelnden Oberfläche befinden. Über einen auf die zu behandelnde Oberfläche gerichteten Gasstrom, in dem sich der Funkenkanal ausbildet, wird der Funkenkanal letztlich derart in Richtung der zu behandelnden Oberfläche deformiert, dass der Funkenkanal bzw. einzelne Funken auf die Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks treffen. Im Gegensatz zu ebenen Oberflächen ist die Behandlung von Werkstücken mit erheblichen Vertiefungen nicht oder nur unzureichend möglich.
Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls, sogenannte Plasmadüsen, sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 195 32 412 C2 einen Plasmastrahlgenerator mit einer Düse. An der Düsenöffnung befindet sich eine ringförmige Elektrode. Koaxial von der Düsenöffnung in die Düse zurückgesetzt ist eine Stiftelektrode angeordnet. Mittels eines Hochfrequenz-Spannungsgenerators wird eine Bogenentladung zwischen Stiftelektrode und Ringelektrode gezündet. Im Betrieb wird die Plasmadüse von einem Arbeitsgas durchströmt. Das Arbeitsgas wird in der Plasmadüse mittels einer Drallvorrichtung verwirbelt. Die
Verwirbelung des Arbeitsgases in der Düse sorgt dafür, dass die Bogenentladung entlang des Wirbelkerns koaxial in der Düse von der Stiftelektrode in Richtung der Düsenöffnung geführt wird, wo sie sich dann auf die ringförmige Elektrode radial verzweigt. Durch die Bogenentladung wird das Arbeitsgas zu einem von der Bogenentladung getrennten Plasmastrahl angeregt, der mit dem verbleibenden Arbeitsgas aus der Düsenöffnung austritt .
Bei anderen Vorrichtungen dieser Art ist zum Erzeugen eines
Plasmastrahls wenigstens ein Elektrodenpaar in der Seitenwand der Düse vorgesehen. Es stellt sich dann eine Bogenentladung von einer Seite der Düse zur anderen Seite der Düse ein. Die Anordnung der Elektroden eines Elektrodenpaars und damit auch die Bogenentladung ist quer zu dem vom Gaseinlass zum Gasauslass strömenden Arbeitsgas ausgerichtet. Es ist also weder eine Stiftelektrode noch eine Verwirbelung des
Arbeitsgases beim Durchströmen der Düse erforderlich. Es muss lediglich dafür Sorge getragen werden, dass die Bogenentladung zwischen den beiden Elektroden des wenigstens einen Elektrodenpaars im vom Arbeitsgas durchströmten Querschnitt vorgesehen ist.
Mit einem einzigen Plasmastrahl einer Plasmadüse der zuvor beschriebenen Arten kann aufgrund des geringen Durchmessers des Plasmastrahls nur ein kleiner Bereich eines Werkstücks auf einmal behandelt werden, so dass das Werkstück meist streifenweise behandelt wird. Um breitere Streifen der WerkstoffOberfläche mit einer Plasmadüse behandeln zu können, werden bedarfsweise andere Plasmadüsen parallel und exzentrisch zu einer Drehachse positioniert, so dass sich durch die Drehung der Plasmadüsen quasi ein Plasmastrahl mit größerem Durchmesser ergibt, der senkrecht auf die zu behandelnde WerkstoffOberfläche gerichtet wird. Alternativ werden mehrere Plasmadüsen in einer Reihe nebeneinander angeordnet. Die Plasmadüsen können auch in mehreren Reihen nebeneinander angeordnet werden, wobei die Plasmadüsen der benachbarten Reihen gegeneinander auf Lücke gesetzt werden, um eine gleichmäßige Plasmabehandlung zu gewährleisten.
Plasmadüsen und Vorrichtungen zur Koronabehandlung der zuvor genannten Arten finden beispielsweise Verwendung bei der
Plasmavorbehandlung bzw. Koronabehandlung von Werkstücken, wenn diese beschichtet, lackiert oder geklebt werden sollen, um Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen und, insbesondere bei Werkstücken aus Kunststoff, die Molekülstruktur so zu verändern, dass die behandelte Oberfläche mit Flüssigkeiten, wie Kleber, Lacken und dergleichen, benetzt werden kann. Weiterhin kann mit einer entsprechenden Vorbehandlung die Schweißbarkeit von elektrisch leitfähigen, zur Bildung einer den Schweißprozess behindernden Oberflächenschicht neigenden Werkstücken verbessert werden. Die Plasmavorbehandlung wird dabei regelmäßig bei niedrigen Temperaturen durchgeführt.
Darüber hinaus können Plasmadüsen der vorstehend beschriebenen Arten bei der Plasmabeschichtung von Werkstücken verwendet werden. Bei der Plasmabeschichtung ist es erforderlich, dem Plasma ein Beschichtungsmaterial bzw. ein Precursormaterial zuzuführen. Additive Materialien mit vorteilhaften Effekten können jedoch auch bei der Plasmavorbehandlung von Werkstücken zur Anwendung kommen. Diese Materialien werden mit dem Plasmastrahl der zu bearbeitenden Oberfläche zugeführt und entfalten dort die durch die Plasmaenergie ausgelöste, gewünschte Wirkung, beispielsweise werden sie auf der Oberfläche als dünne Schicht abgeschieden.
Zur Erzeugung des Plasmas wird bei beiden vorstehend beschriebenen Arten von Plasmadüsen an die Elektroden eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die so hoch sein muss, dass eine Entladung von einer Elektrode zur anderen Elektrode durch das Arbeitsgas durchschlagen kann und dabei das Arbeitsgas entlang der Entladungsstrecke ionisiert. Dabei wird in der Regel eine solche Entladungsstrecke gewählt, dass ein mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömendes Arbeitsgas durch die Entladung hinreichend lange ionisiert wird, um eine gewünschte Plasmaintensität zu erreichen.
Mit den Plasmadüsen der vorstehend genannten Arten können flächige Werkstücke ohne weiteres behandelt werden, wobei der Plasmastrahl senkrecht auf die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks gerichtet wird. Weist ein Werkstück jedoch größere Vertiefungen auf, kann die innere Oberfläche dieser Vertiefungen auch mit den in Reihe geschalteten Plasmadüsen nicht in geeigneter Weise erreicht werden. Dies lässt sich teilweise durch längere Einwirkzeiten des Plasmastrahls ausgleichen, was allerdings geringe Durchsätze zur Folge hat.
Auch die Vorrichtungen zur Koronabehandlung werden mit einer Wechselspannung betrieben. Die Spannung ist dabei ausreichend hoch, um die für eine Koronaentladung erforderlichen Feldstärken zu erzeugen. Die bei der Koronaentladung entstehenden Funken bzw. die dabei entstehende ionisierte Strahlung kann mit den bekannten Vorrichtungen ohne weiteres auf eine ebene oder unebene Oberfläche gerichtet werden. Die innere Oberfläche eines Werkstücks wird jedoch nicht oder allenfalls unzureichend behandelt.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren jeweils der vorgenannten Art vorzuschlagen, mit denen auch eine innere Oberfläche eines Werkstoffs mit kurzen Einwirkzeiten der Strahlung bearbeitet werden kann.
Dieses technische Problem ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass ein mit der wenigstens einen Erzeugungseinheit verbundener Arm zum Einbringen der Erzeugungseinheit in das Werkstück vorgesehen ist und dass die Drehachse und die Vorzugsrichtung gegeneinander geneigt sind.
Das technische Problem ist zudem durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gemäß Anspruch 23 gelöst, bei dem wenigstens eine mit einem Arm verbundene Erzeugungseinheit an dem Arm in das Werkstück eingebracht wird, bei dem die wenigstens eine Erzeugungseinheit mittels einer Antriebseinheit um eine Drehachse gedreht wird, bei dem die wenigstens eine Erzeugungseinheit die Strahlung in einer zur Drehachse geneigten Vorzugsrichtung an die Oberfläche abgibt.
Ein Arm zum Einbringen der Erzeugungseinheit in eine Öffnung des Werkstücks ist insbesondere schlank im Vergleich zur
Düseneinheit und etwa stabförmig ausgebildet. Prinzipiell sind aber auch andere Ausgestaltungen des Arms möglich. So kann der Arm auch als Fortsatz, insbesondere in Form eines Vorsprungs der Erzeugungseinheit, ausgebildet sein. Jedenfalls ist der Arm aber so ausgebildet, dass er das Einführen der
Erzeugungseinheit in die Öffnung des Werkstücks ermöglicht.
Unter einer inneren Oberfläche versteht man im Zusammenhang mit der Erfindung ganz allgemein die Oberfläche in Vertiefungen des Werkstücks. Dabei werden unter den
Vertiefungen nicht bloße Unebenheiten der Werkstückoberfläche, sondern Oberflächen verstanden, die von der äußeren Oberfläche in das Werkstoffinnere abgesetzt sind. Insbesondere kommt dabei die von Öffnungen, Bohrungen, Löchern, Sacklöchern, Sackbohrungen und Hinterschneidungen gebildete Oberfläche des Werkstücks in Betracht, insbesondere aber die Innenflächen eines Zylinders eines Verbrennungsmotors, etwa für Kraftfahrzeuge, wie Automobile. Dabei kann die Öffnung des Werkstucks vorzugsweise als Grenze zwischen innerer und äußerer Oberflache angesehen werden. Wird durch die Vertiefung nicht auch eine Öffnung gebildet, bildet die Vertiefung auch keine innere Oberflache. Die Oberflache der Vertiefung ist dann Teil der äußeren Oberflache des Werkstucks.
Die Erfindung hat also erkannt, dass die kritischen inneren Oberflachen durch die erfmdungsgemaße Vorrichtung besser behandelt werden können, wenn die Vorrichtung einen Arm aufweist, mit dem die Erzeugungseinheit der Strahlung nicht nur in die Nahe des Werkstucks, sondern in eine Öffnung des Werkstucks eingebracht werden kann, welche durch den Übergang zwischen der äußeren Oberflache und der inneren Oberflache gebildet sein kann. Die Vorrichtung kann dann beispielsweise jedenfalls mit der Erzeugungseinheit m eine Öffnung des Werkstucks "eintauchen" und die dahinter vorhandene innere Oberflache aus der Nahe mit einer entsprechenden energiereichen Strahlung behandeln. Es wird also nicht, wie üblich, die Erzeugungseinheit etwa zur Erzeugung einer
Koronastrahlung oder einer Plasmastrahlung in einem Abstand vom Werkstuck positioniert und relativ zum Werkstuck über dessen Oberflache bewegt.
Ferner wird die Erzeugungseinheit um eine Drehachse gedreht, um mit der energiereichen Strahlung einen größeren Teil der inneren Oberflache des Werkstucks direkt zu erreichen. Dies wird insbesondere auch dadurch erreicht, dass die Vorzugsrichtung der erzeugten energiereichen Strahlung geneigt zu der Drehachse ausgerichtet ist. Auf diese Weise können auch innere Oberflachen intensiv mit der Strahlung behandelt werden, die deutlich gegenüber der äußeren Oberflache außerhalb der Öffnung in der Oberfläche des Werkzeugs geneigt sind, wie dies etwa in Bohrlöchern, wie Zylinderbohrungen eines Motorblocks, der Fall ist.
Alternativ könnte natürlich auch das Werkstück um die
Vorrichtung zum Behandeln der inneren Oberfläche gedreht werden, was jedoch wegen des höheren Aufwandes weniger bevorzugt ist.
Je nach Anwendung, kann der Winkel zwischen Vorzugsrichtung und Drehachse vorzugsweise 25° bis 90°, insbesondere etwa 45° bis 90°, betragen. Dies ermöglicht in vielen Fällen eine zufriedenstellende Behandlung der Oberfläche mit der Strahlung etwa in Form einer Plasmastrahlung oder einer ionisierten Strahlung infolge einer Koronaentladung.
Nach einer weiteren Lehre ist die Drehachse jedenfalls im Wesentlichen rechtwinklig zur Vorzugsrichtung der Strahlung angeordnet. Mit einer entsprechenden Vorrichtung lassen sich besonders gut von der äußeren Oberfläche des Werkstücks abgekoppelte Bohrungen oder Sacklöcher bearbeiten. In diesem Fall kann beispielsweise die Drehachse parallel zur Mittellinie einer Bohrung oder eines Lochs sein, insbesondere aber mit dieser zusammenfallen. In letzterem Fall ist die Behandlung der inneren Oberfläche besonders einfach und gleichmäßig möglich.
Damit die inneren Oberflächen, beispielsweise von Sackbohrungen, im Wandbereich und im Bodenbereich gleichmäßig behandelt werden können, kann es zweckmäßig sein, wenn die Vorzugsrichtung einen Winkel zur Drehachse der Erzeugungseinrichtung von etwa 45° aufweist. _ Q __
Besonders zweckmäßig ist es nicht nur aus Gründen der Flexibilität der Vorrichtung im Hinblick auf die Behandlung unterschiedlicher Werkstücke, wenn der Arm und die wenigstens eine Erzeugungseinheit gelenkig miteinander verbunden sind. Dies erlaubt einerseits eine optimale Einstellung der Vorrichtung. Andererseits kann die Erzeugungseinheit so auch während des Behandeins eines Werkstücks je nach der zu berücksichtigenden Werkstückgeometrie in Bezug auf den Arm, vorzugsweise stufenlos, hin und/oder her geschwenkt werden. So kann die Strahlung, wie beispielsweise eine Plasmastrahlung oder ionisierte Strahlung infolge einer Koronaentladung, immer im Wesentlichen senkrecht auf die zu behandelnde Oberfläche gerichtet werden, egal ob es sich um eine innere oder eine äußere Oberfläche handelt bzw. ob es sich um einen Wandbereich oder einen Bodenbereich eines Sacklochs handelt. Die entsprechenden Oberflächen können dann gleich effizient behandelt werden. Die Drehachse wird dabei in einem Winkelbereich, vorzugsweise von 0° bis 90°, zur Vorzugsrichtung des abgegebenen energiereichen Strahls variiert.
Damit ist auch die Behandlung der inneren Oberfläche eines Sacklochs oder einer Sackbohrung mit einer einzigen Vorrichtung möglich. Wenn beispielsweise der Bodenbereich eines Sacklochs oder einer Sackbohrung behandelt werden soll, wird die Vorzugsrichtung in eine Ausrichtung parallel zur Drehachse (Winkel = 0°) gebracht. Eine Drehung der wenigstens einen Erzeugungseinheit, kann bei Ausnutzung einer Koronaentladung dann weiterhin bevorzugt sein. Es kann auf die Drehung der Erzeugungseinheit, insbesondere bei Verwendung einer Plasmastrahlung bedarfsweise aber auch verzichtet werden. Der Nutzen einer Drehung der wenigstens einen Erzeugungseinheit ist dabei beispielsweise abhängig von der Lage der Drehachse in Bezug zur Erzeugungseinheit. Soll dagegen vorher oder nachher die übrige innere Oberfläche des Sacklochs oder der Sackbohrung behandelt werden, so wird die Vorzugsrichtung schräg zur Drehachse (Winkel ≠ 0°), insbesondere rechtwinklig zur Drehachse (Winkel = 90°), ausgerichtet .
Zur Behandlung der inneren Oberfläche eines Sacklochs oder einer Sackbohrung mit der energiereichen Strahlung, beispielsweise Plasmastrahlung oder ionisierten Strahlung infolge Koronaentladung, kann alternativ oder zusätzlich ein zweistufig ausgestaltetes Verfahren verwendet werden. Bei diesem Verfahren kann in einem beispielsweise ersten Schritt mit wenigstens einer ersten Erzeugungseinheit der Boden des Sacklochs bearbeitet werden. Dazu ist es nicht unbedingt erforderlich, dass eine rotierende Erzeugungseinheit verwendet wird. Es ist auch nicht zwingend erforderlich, dass diese Erzeugungseinheit an einem Arm zum Einführen der Erzeugungseinheit in das Werkstück durch die Öffnung des
Sacklochs oder der Sackbohrung befestigt ist, auch wenn dies durchaus, insbesondere bei Sackbohrungen oder Sacklöchern, deren Öffnungsquerschnitt klein im Vergleich zur Tiefe der Sackbohrung oder des Sacklochs ist, bevorzugt sein kann.
Die Vorzugsrichtung der wenigstens einen, beispielsweise ersten Erzeugungseinheit ist dann im Wesentlichen senkrecht zum Boden des Sacklochs oder der Sackbohrung ausgerichtet. Die übrigen Bereiche der inneren Oberfläche des Sacklochs oder der Sackbohrung werden in einem beispielsweise vorhergehenden oder nachfolgenden zweiten Schritt mit einer Vorrichtung behandelt, die im Unterschied zur anderen Vorrichtung erfindungsgemäß ausgebildet ist. Dabei ist es denkbar, dass die eine Vorrichtung in einem Arbeitsgang die äußere Oberfläche des Werkstücks und die innere Oberfläche des Werkstücks im Bereich des Bodens des Sachlochs oder der Sackbohrung bearbeitet. An dem Operationsmodus der wenigstens einen Erzeugungseinheit lässt sich bei Ausblendung ihrer Ausrichtung zum Sackloch oder zur Sackbohrung nicht erkennen, ob gerade ein Teil der äußeren oder inneren Oberfläche behandelt wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist eine Antriebseinheit zum Drehen des Arms um eine Rotationsachse vorgesehen, wobei es sich um eine zusätzliche Antriebseinheit oder um die Antriebseinheit zum Drehen der Erzeugungseinheit handelt. In diesem Fall wird beispielsweise über eine Rotation des Arms eine Drehung der Erzeugungseinheit herbeigeführt.
Dabei werden dann die Drehachse der Erzeugungseinheit und die Rotationsachse des Arms zusammenfallen. Beide Achsen können aber auch in einem Abstand zueinander und/oder in einem Winkel zueinander angeordnet sein.
Insbesondere zur Behandlung von inneren Oberflächen, die sich weit in das Werkstück hinein erstrecken, kann eine Verstelleinrichtung vorgesehen sein, welche es erlaubt, die Eindringtiefe der wenigstens einen Erzeugungseinheit während der Oberflächenbehandlung zu variieren. Die Erzeugungseinheit wird dann schrittweise oder kontinuierlich in das zu behandelnde Werkstück eingeführt und/oder aus diesem herausgezogen. Währenddessen wird die innere Oberfläche infolge der Drehung der Erzeugungseinheit ringförmig oder schraubenlinienförmig behandelt. Die Erzeugungseinheit muss also nicht an die Eindringtiefe ins Werkstück angepasst werden, was auch die Flexibilität sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens verbessert.
Im Übrigen ist es zweckmäßig, wenn eine Absaugeinrichtung zur Absaugung eines Gases aus einem Zwischenraum zwischen der Erzeugungseinheit und der zu behandelnden Oberfläche des Werkstücks vorgesehen ist. An der zu behandelnden Oberfläche anhaftende, zu entfernende Materialien können so über den Gasstrom entfernt werden. Dies ist insbesondere bei Verwendung einer Koronaentladung zur Oberflächenbehandlung bevorzugt, weil dann in der Erzeugungseinheit kein Gastrom erzeugt wird. Allerdings kann auch zusätzlich zu einer Plasmastrahlung noch eine Absaugung vorgesehen sein, um das Abführen von von der Oberfläche entfernten Substanzen zu verbessern.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Lehre wird die innere Oberfläche des Werkstücks mit einer als Plasmastrahl ausgebildeten Plasmastrahlung behandelt. Der Plasmastrahl wird durch eine Erzeugungseinheit in Art einer Düseneinheit erzeugt. Die Düseneinheit weist dazu wenigstens einen Düseninnenraum auf. Ferner umfasst die Düseneinheit einen Gaseinlass zum Einströmen von einem Arbeitsgas in den Düseninnenraum sowie einen Gasauslass zum Auslass des Arbeitsgases in einer Vorzugsrichtung in Richtung auf die Oberfläche des Werkstücks. Das austretende Arbeitsgas ist dabei beim Durchtritt durch den Düseninnenraum derart verändert worden, dass das aus dem Gasauslass ausströmende Arbeitsgas den Plasmastrahl darstellt. Ferner wird bei dieser Ausgestaltung der Lehre über die Antriebseinheit die Düseneinheit um die jeweilige Drehachse gedreht. Unter einem Plasmastrahl wird ein Strahl eines reaktiven Mediums verstanden, der neben neutralen, angeregten Atomen bzw. Molekülen auch ionisierte Atome oder Moleküle aufweist. Die angeregten bzw. ionisierten Teilchen rufen eine starke Wechselwirkung auf der zu behandelnden Oberfläche hervor, wodurch es zu einer Oberflächenvorbehandlung kommt. Der Plasmastrahl wird erfindungsgemäß vorzugsweise über eine Bogenentladung zwischen wenigstens zwei Elektroden der Düseneinheit erzeugt.
Dabei wird der Plasmastrahl bevorzugt ohne Übertragung von Entladungsfunken, also potentialfrei, auf die Oberfläche übertragen, um eine gezielte Plasmabehandlung der Oberfläche zu erreichen. Wenn eine kombinierte Behandlung erwünscht ist, bei der sowohl der Plasmastrahl als auch Entladungsfunken mit der Oberfläche zur Wechselwirkung gebracht werden, kann dies durch eine entsprechende Ausgestaltung oder Betriebsweise der Düseneinheit vorgesehen sein. Ferner kann diese kombinierte Einwirkung von Plasmastrahl und Entladungsfunken auf die zu behandelnde Oberfläche auch dann, wenn sie weniger erwünscht ist als eine reine Plasmastrahlung, in Kauf genommen werden, um kleine Abmessungen der Düseneinheit realisieren zu können, so dass auch unzugängliche Bereiche der inneren Oberfläche behandelt werden können. Mit anderen Worten kann also bedarfsweise mit der Strahlung ein Potential mit übertragen werden, wenn dies gewünscht oder aus anderen Gründen in Kauf genommen wird.
Der Begriff Bogenentladung wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung phänomenologisch als Lichtbogen verstanden. Dies bedeutet, dass die zur Plasmaerzeugung an die Elektroden angelegte Spannung keine kontinuierliche Gleichspannung ist. Vielmehr wird das Plasma mit einer hochfrequenten Spannung, insbesondere mit einer hochfrequenten Wechselspannung, erzeugt. Da jedoch dabei die Frequenz der angelegten Spannung so hoch gewählt wird, dass ein Betrachter an Hand der Leuchterscheinungen der Entladung visuell keinen Unterschied zu mit kontinuierlichen Gleichspannungen erzeugten Entladungen feststellen kann, wird in der vorliegenden Anmeldung vereinfachend von einer Bogenentladung gesprochen.
Unter einer an die Elektroden der Düseneinheit zur Erzeugung des Plasmastrahls angelegten hochfrequenten Spannung wird beispielsweise eine Wechselspannung mit Polarisationswechseln oder eine gepulste Gleichspannung mit Spannungswerten nur einer Polarität, bei der die Spannungswerte zwischen zwei Werten wechseln, verstanden. Letztlich ist eine gepulste
Gleichspannung eine mit einem konstanten Gleichspannungsanteil überlagerte Wechselspannung. Die Frequenz liegt bevorzugt in einem Bereich von 10 kHz bis 100 kHz. Abweichungen von diesem Wertebereich sind jedoch möglich. Die Amplitude der Spannung, gemessen Spitze-zu-Spitze, beträgt dabei ungefähr 1 kV bis 40 kV. Aber auch bei diesen Werten kann es Abweichungen nach oben oder unten geben.
Bei der Verwendung des Arbeitsgases in der Düseneinheit ist es besonders zweckmäßig, wenn der Arm von der Zuführleitung des
Arbeitsgases gebildet wird, so dass kein separates Bauteil zur Bildung des Arms von Nöten ist.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung umfasst der Begriff Arbeitsgas zur Plasmaerzeugung geeignete einkomponentige Gase, beispielsweise Stickstoff, als auch mehrkomponentige Gasmischungen, beispielsweise Luft, Formiergas, CO2, Acethylen/N2 Gemisch oder andere beliebige zur Plasmaerzeugung geeignete Gasmischungen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Düseneinheit bereits mit einem Abstand des Gasauslasses zur zu behandelnden inneren Oberfläche von weniger als 30 mm, vorzugsweise weniger als 20 mm, insbesondere weniger als 10 mm, zu einer befriedigenden Oberflächenbehandlung eingesetzt werden kann. Dann können auch innere Oberflächen in räumlich beengten Bereichen optimal mit dem Plasmastrahl behandelt werden. Zudem wird der Abstand zur jeweils zu behandelnden inneren Oberfläche, vorzugsweise während einer vollständigen Drehung um die Drehachse, konstant gehalten. Mit anderen Worten wird die Drehachse vorzugsweise konzentrisch zu einer Mittellinie der die innere Oberfläche bildenden Vertiefung ausgerichtet. Dies bietet sich insbesondere im Zusammenhang mit der Behandlung rotationssymmetrischer Bohrungen, wie Zylinderbohrungen eines Motorblocks, an.
Damit mit der Vorrichtung auch verhältnismäßig schmale Vertiefungen, wie etwa die Innenseiten eines Zylinders eines Verbrennungsmotors, beispielsweise für ein Automobil, behandelt werden können, ist es bevorzugt, wenn die Abmessungen der Vorrichtung, insbesondere der Düseneinheit, nicht zu groß sind. Jedenfalls muss die Düseneinheit noch in die Öffnung des Werkstücks hineinpassen und dort zudem noch drehbar sein. Die Düseneinheit weist folglich bei einer weiteren Ausgestaltung eine maximale Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Drehachse von etwa 80 mm, vorzugsweise 40 mm, auf. Weiter bevorzugt ist es, wenn die maximale Abmessung der Düseneinheit, unabhängig in welcher Richtung, maximal 80 mm, vorzugsweise 40 mm, beträgt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Zylinder oder dergleichen mit einem Innendurchmesser mit einem Minimalwert bis hinunter zu 90 mm, insbesondere bis hinunter zu 50 mm, mit dem Plasmastrahl ohne weiteres behandelt werden können. Weiter vorzugsweise erlaubt die wenigstens eine Düseneinheit eine Behandlung der jeweiligen Oberfläche über einen weiten Bereich des Behandlungsabstands zwischen Gasauslass und zu behandelnder Oberfläche, so dass ohne eine Veränderung der Vorrichtung gleichwohl auch ein Zylinder oder dergleichen mit einem
Innendurchmesser von etwa 150 mm, vorzugsweise etwa 250 mm, behandelt werden kann.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die maximale Ausdehnung der Düseneinheit in einer Richtung senkrecht zur Drehachse größer ist als der Abstand des Gasauslasses der Düseneinheit von der Drehachse in einer Richtung senkrecht zur Drehachse. Vorzugsweise ist die vorgenannte maximale Abmessung etwa doppelt so groß wie der vorgenannte Abstand von der Drehachse. Dann kann die
Düseneinheit auch noch in besonders kleine Öffnungen des Werkstücks in Bezug zu den Abmessungen der Düseneinheit eingebracht werden. Die Düseneinheit hat dann vorzugsweise in Richtung des Gasauslasses die in etwa gleiche Abmessung wie in die entgegen gesetzte Richtung jeweils in Bezug zur Drehachse.
Bei einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Gaseinlass und der Gasauslass der wenigstens einen Düseneinheit auf einer im Wesentlichen mit der Vorzugsrichtung zusammenfallenden Linie liegen. Dadurch kann die
Plasmastrahlung möglichst energieeffizient eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich ist vorrichtungsmäßig oder verfahrensmäßig wenigstens eine Zuführvorrichtung zum wenigstens indirekten Zuführen von einem Arbeitsmaterial, insbesondere Beschichtungsmaterial oder Precursormaterial, zum Düseninnenraum der wenigstens einen Düseneinheit vorgesehen. Dadurch werden unterschiedliche Arten der Behandlung der Oberfläche des Werkstücks ermöglicht. Mit der Zuführungsvorrichtung kann mindestens ein Material dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl zugeführt werden. Die Zuführung kann dabei aktiv, beispielsweise durch Einspritzen, oder passiv, beispielsweise durch Nutzung eines
Kapillareffekts und Verdunstung, erfolgen. Das mindestens eine Material kann sich bei der Zuführung im festen, flüssigen und/oder gasförmigen Zustand befinden. Als Materialien können solche in Betracht kommen, die zur Beschichtung oder zur Plasmapolymerisation geeignet sind. Es kann sich beispielsweise auch um ein Precursormaterial handeln, also ein mehrkomponentiges Material, bei dem die mehreren Komponenten sich erst im Plasmastrahl miteinander zu dem eigentlich gewünschten Material, beispielsweise einem Produkt einer chemischen Reaktion, verbinden. Als weitere Anwendung kann angegeben werden, dass der Düseneinheit Wasserdampf zugesetzt wird, wobei das Wasser des Dampfes im Plasmastrahl zu Sauerstoff und Wasserstoff umgewandelt wird.
Die mindestens eine Zuführungsvorrichtung kann an der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls so angeordnet sein, dass die Zuführung des mindestens einen Materials im Bereich des Gaseinlasses erfolgt. Die Zuführung kann aber auch in dem Bereich, in dem sich die Bogenentladung manifestiert, erfolgen. Möglich ist auch, die Zuführung im Bereich des Gasauslasses oder auch außerhalb des Gehäuses vorzunehmen. Entscheidend ist, dass das mindestens eine Material mit dem Plasmastrahl in Berührung kommt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Düseneinheiten mit jeweils einem
Düseninnenraum vorgesehen sind. Dadurch kann bei gleicher zur Verfügung stehender Zeit eine größere Oberfläche oder eine gegebene Oberfläche intensiver behandelt werden.
In diesem Zusammenhang können die wenigstens zwei
Düseneinheiten jeweils einen Gasauslass zum Austritt des Plasmastrahls aus dem Düseninnenraum aufweisen, wobei die aus den Gasauslässen ausströmenden Plasmastrahlen alle eine unterschiedliche Vorzugsrichtung aufweisen. In diesem Fall werden zu einem bestimmten Zeitpunkt durch die vorgesehenen Düseneinheiten jeweils unterschiedliche Bereiche der Oberfläche des Werkstücks behandelt.
Jedoch können, insbesondere bei der Verwendung von zwei Düseneinheiten, die Vorzugsrichtungen der Plasmastrahlen parallel zueinander ausgerichtet sein. Dies führt zu einer quasi Verbreiterung des Plasmastrahls, wenn die Plasmastrahlen zur gleichen Seite aus den Gasauslässen austreten. Bei einer alternativen Ausgestaltung sind die Vorzugsrichtungen, insbesondere von zwei Düseneinheiten, ebenfalls parallel aber zu entgegen gesetzten Seiten ausgerichtet. Auf diese Weise kann also immer ein vorderer und ein rückwärtiger Bereich der Oberfläche, etwa in einer Bohrung des Werkstücks, gleichzeitig behandelt werden.
Die Düseneinheit zur Erzeugung eines Plasmastrahls ist vorzugsweise im Wesentlichen in der Form eines Hohlzylinders ausgebildet. In dieser Ausgestaltung können die mindestens zwei Elektroden quer zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases diametral voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses integriert sein. Weiterhin können der Gaseinlass und der Gasauslass voneinander beabstandet an den einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Hohlzylinders angeordnet sein .
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls weist die Vorrichtung mindestens eine Spannungsversorgung auf, die mit den mindestens zwei Elektroden verbunden ist. Besonders bevorzugt sind Spannungsversorgungen, mit denen sich eine hochfrequente Spannung, insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung, erzeugen lässt.
Hochfrequente Spannungen, insbesondere hochfrequente Wechselspannungen, werden vorzugsweise bei der Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas eingesetzt. Da der Betrag der Spannungsamplitude bei einer hochfrequenten Spannung in regelmäßigen Zeitabständen einen bestimmten zur
Entladungserzeugung notwendigen Wert unterschreitet, verlischt die Entladung, bis dann nachfolgend der Betrag der Spannungsamplitude den bestimmten zur Entladungserzeugung notwendigen Wert wieder überschreitet und sich somit wieder eine Entladung ausbildet. Durch dieses regelmäßige Zünden und Verlöschen der Entladung wird bewirkt, dass nur ein geringer Teil der in der Entladung gebundenen Energie in Wärme umgewandelt werden kann. Somit wird der Temperaturanstieg des Arbeitsgases und ebenso des Plasmas begrenzt. Die hochfrequente Spannung kann somit auch als eine mit einer konstanten Gleichspannung überlagerte Wechselspannung bis hin zu einer gepulsten Gleichspannung ausgebildet sein. Ein wesentlicher Aspekt der hochfrequenten Spannung ist dennoch die hohe Frequenz, nicht dagegen die Polarität der Spannungswerte .
Ein Plasmastrahl, der durch die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren erzeugt wurde, kann beispielsweise bei der Entschichtung von Oberflächen eines Werkstücks verwendet werden. Beispielsweise kann mit einem solchen Plasmastrahl eine Schicht aus organischem Material, beispielsweise eine Lackschicht, von einer Oberfläche eines Werkstücks entfernt werden. Dabei wird der organische Stoff, vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen, pyrolysiert und/oder sublimiert. Es ist aber auch möglich, anorganische Schichten mit einem solchen Plasmastrahl zu entfernen.
Weiterhin kann ein Plasmastrahl, der durch die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren erzeugt wurde, auch zur Vorbehandlung der Oberflächen von Werkstücken verwendet werden. Beispielsweise können die Klebeeigenschaften und/oder die Benetzbarkeit der Oberfläche eines Werkstücks verbessert werden, insbesondere kann die Oberfläche aktiviert werden. Die Vorbehandlung mit solch einem Plasmastrahl kann auch verwendet werden, um die Verschweißbarkeit eines Werkstücks, insbesondere eines mit einer Oxidschicht/Hydroxidschicht versehenen Metallstücks oder Metalllegierungsstücks, zu verbessern.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Lehre handelt es sich bei der erzeugten Strahlung um eine ionisierte Strahlung, vorzugsweise eine Koronaentladung, bei der es sich um eine Strahlung im Sinne der Erfindung handeln soll. Man geht hier davon aus, dass die Strahlung von der Erzeugungseinheit in Richtung der zu behandelnden Oberflache, und zwar in einer Vorzugsrichtung, gerichtet ist. Die Erzeugungseinheit umfasst dabei wenigstens eine Elektrode, die vorzugsweise mit einer Wechselspannung beaufschlagt ist. Diese wenigstens eine Elektrode kann bedarfsweise mit dem Werkstuck als, insbesondere geerdete, Gegenelektrode zusammenwirken. In federn Fall wird aber eine Koronaentladung im Zwischenraum zwischen der Erzeugungseinheit und der zu behandelnden Oberflache des Werkstucks erzeugt. Der Zwischenraum hat vorzugsweise eine geringe Breite von beispielsweise weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 3 mm.
Je nachdem ob die Koronaentladung homogen hinsichtlich ihrer Richtung abstrahlt, etwa von einer ebenen Struktur der
Elektrode abstrahlt, oder etwa von einer gekrümmten Struktur m unterschiedliche Richtungen abstrahlt, ist die Vorzugsrichtung unterschiedlich anzusehen. Im ersten Fall gibt es eine einzige gemittelte Vorzugsrichtung, die im Wesentlichen identisch mit den lokal zu ermittelnden Richtungen der Strahlung ist. Im zweiten Fall ist die Koronastrahlung als eine Reihe von Einzelstrahlungen mit jeweils einer m etwa repräsentativen, insbesondere gemittelten, Vorzugsrichtung anzusehen.
Im Zusammenhang mit der Vorzugsrichtung ist bei der Verwendung einer Koronaentladung zur Erzeugung einer ionisierten Strahlung anders als bei Verwendung einer Plasmastrahlung zu beachten, dass die Vorzugsrichtung eine theoretische Richtung darstellt, die sich j edocn anhand der Form der Elektrode und der Ausbildung der Erzeugungseinheit für den Fachmann ohne weiteres als die beabsichtigte Richtung der Koronaentladung ergibt. Dabei ist die Stromrichtung unerheblich und die Vorzugsrichtung für eine positive Korona oder eine negative Korona immer von der Elektrode zur zu behandelnden Oberfläche definiert .
Dadurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Richtung der Koronaentladung bzw. der ionisierten Strahlung in der praktischen Anwendung neben der verwendeten Vorrichtung immer auch von der Ausgestaltung der zu reinigenden Oberfläche in Bezug zur jeweiligen Elektrode abhängt. Die Merkmale der
Vorrichtung sind durch die Definition der Vorzugsrichtung aber unabhängig von der praktischen Verwendung zu beurteilen.
Bei der Verwendung einer eine Koronaentladung erzeugenden Erzeugungseinheit wird diese, insbesondere deren wenigstens eine Elektrode, in einen geringen Abstand zu der zu behandelnden Oberfläche gebracht, wobei sehr geringe Behandlungsabstände zwischen der wenigstens einen Elektrode und der Oberfläche relativ unkritisch sind. Der maximale Behandlungsabstand ist dagegen stark von den
Betriebsparametern der Vorrichtung, insbesondere von der Feldstärke und somit von der an die wenigstens einen Elektrode angelegten Spannung und Frequenz, abhängig. Grundsätzlich sind Variationen der Abmessung des Werkstücks für Vorrichtungen mit einer gegebenen Erzeugungseinheit zur Erzeugung einer
Koronaentladung deutlich kritischer als dies für Vorrichtungen mit einer Düseneinheit der Fall ist. Auch ist bei der Verwendung von Koronaentladung stärker darauf zu achten, dass der Behandlungsabstand während einer vollen Umdrehung nicht zu stark schwankt. Die wenigstens eine Elektrode kann zur optimalen Anpassung an die zu behandelnde innere Oberfläche des Werkstücks stabförmig, zylindrisch, rohrförmig, scheibenförmig oder ringförmig ausgebildet sein.
Um eine großflächigere Behandlung der zu behandelnden inneren Oberfläche des Werkstücks zu erreichen, kann die Zahl der verwendeten Elektroden erhöht und/oder wenigstens eine Elektrode verwendet werden, die eine Mehrzahl von separaten Erzeugungsabschnitten zum Erzeugen einer Koronaentladung aufweist. Koronaentladungen können also von wenigsten zwei unterschiedlichen Stellen einer Elektrode ausgehen und zur inneren Oberfläche des Werkstücks gerichtet sein, wobei die Erzeugungsabschnitte vorzugsweise gegenüber den angrenzenden Abschnitten der Elektrode vorstehen oder eine abweichende
Isolierung aufweisen, so dass sich die Erzeugungsabschnitte besonders zur Ausbildung von Koronaentladungen eignen.
Dabei können die wenigstens zwei Erzeugungsabschnitte wahlweise über den Umfang und/oder über die Länge der wenigstens einen Elektrode verteilt angeordnet sein. Bei stabförmigen Elektroden ist die Verteilung entlang der Elektrodenlänge besonders zweckmäßig, während bei scheibenförmigen, ringförmigen, rohrförmigen und/oder zylindrischen Elektroden die Verteilung der
Erzeugungsabschnitte entlang des Umfangs besondere Vorteile hat.
In diesem Zusammenhang kann auch eine sternförmige Elektrode vorgesehen sein, an deren sternförmigen Enden sich
Koronaentladungen ausbilden können. Da sich die sternförmige Elektrode bei der Oberflächenbehandlung dreht, wird dennoch eine gleichmäßig über den Umfang verteilte Behandlung der Oberfläche erzielt.
Unter Verwendung einer Erzeugungseinheit zur Erzeugung einer Koronaentladung kann ebenfalls ein Arbeitsmaterial der zuvor genannten Art zugeführt werden, wobei dann das Arbeitsmaterial in den Zwischenraum zwischen der Erzeugungseinrichtung, insbesondere der wenigstens einen Elektrode, und der Oberfläche des Werkstücks eingebracht wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Erzeugungseinheit zur Erzeugung einer Koronaentladung mit wenigstens zwei Elektroden vorgesehen ist. Dadurch kann bei gleicher zur Verfügung stehender Zeit eine größere Oberfläche oder eine gegebene Oberfläche intensiver behandelt werden. Von beiden Elektroden kann dann eine ionisierte Strahlung in eine andere Vorzugsrichtung abgegeben werden, wobei beide Vorzugsrichtungen vorzugsweise geneigt gegenüber der Drehachse der die wenigstens zwei Elektroden umfassenden Erzeugungseinheit sind.
Beispielsweise können zwei stabförmige Elektroden mit gleichen Abständen zur Drehachse und weiter vorzugsweise gleichmäßig auf dem Umfang eines konzentrisch mit der Drehachse angeordneten, gedachten Zylinders verteilt angeordnet sein. Bei der Behandlung einer konzentrischen Bohrung haben beide Elektroden dann den gleichen Abstand zur Oberfläche und jede Elektrode führt zu einer Behandlung eines anderen Teils der inneren Oberfläche. Alternativ kann die Elektrode aber auch zylindrisch, rohrförmig oder ringförmig ausgebildet sein. Dann ergibt sich vorzugsweise über den gesamten Umfang der Elektrode eine in Richtung zur die Elektrode über ihren gesamten Umfang umgebenden Oberfläche des Werkstücks gerichtete Koronaentladung bzw. eine Strahlung mit über den gesamten Umfang bzw. über 360° verteilten Vorzugsrichtungen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erzeugung einer Koronaentladung weist die Vorrichtung mindestens eine Spannungsversorgung auf, die an die wenigstens eine Elektrode eine Hochspannung in Form einer Wechselspannung anlegt. Welche Anforderungen an diese Spannungsversorgung gestellt werden, ergibt sich im Einzelfall in an sich bekannter Weise.
Eine weitere mögliche Anwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen ist die Reinigung, Desinfizierung oder auch Sterilisation von Oberflächen entweder mit der Koronaentladung oder dem Plasmastrahl. Durch die Anwendung eines solchen Plasmastrahls oder eine Koronaentladung wird ein reaktives Medium, etwa eine energiereiche Strahlung, mit der Oberfläche in Berührung gebracht. Das Plasma als reaktives Medium weist eine hohe Reaktivität aufgrund hoher Elektronenanregung auf, kann aber trotzdem auch eine nicht-thermische Eigenschaft haben. Die hohe Reaktivität kann beispielsweise zur Reinigung oder auch zur Entkeimung der Oberfläche genutzt werden. Bei der Behandlung mit einem Plasmastrahl werden die auf der zu bearbeitenden Oberfläche vorhandenen Keime auf Grund der Elektronenreaktivität zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend, abgetötet. Bei einer nichtthermischen Eigenschaft des Plasmas wird dabei gleichzeitig die thermische Beanspruchung der Oberfläche gering gehalten. Somit eröffnen sich Anwendungen für den Plasmastrahl beispielsweise im medizinischen oder lebensmitteltechnischen Bereich. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Düseneinheit eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Schnittansieht,
Fig. 2 eine Düseneinheit eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer
Schnittansieht,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung unter Verwendung einer Düseneinheit in schematischer Seitenansicht,
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung unter Verwendung einer Düseneinheit in schematischer Draufsicht von oben,
Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung unter Verwendung zweier Elektroden zur
Erzeugung einer Koronaentladung in schematischer
Seitenansicht,
Fig. 6 das Ausführungsbeispiel aus Fig. 5 in einer schematischen Schnittansicht gemäß der Ebene VI-VI aus Fig. 5,
Fig. 7 ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung einer Elektrode zur Erzeugung einer Koronaentladung in schematischer Seitenansicht,
Fig. 8 das Ausführungsbeispiel aus Fig. 5 in einer schematischen Schnittansicht gemäß der Ebene VIII-
VIII aus Fig. 5 und
Fig. 9 ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung einer Elektrode zur Erzeugung einer Koronaentladung in einer Schematischen Draufsicht von oben.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Behandlung einer Werkstückoberfläche O mit einem Plasmastrahl P. In dem Detail der Fig. 1 ist eine Düseneinheit 2 dargestellt, die einen Düseninnenraum 3 umschließt. An einer Seite der Düseneinheit ist ein Gaseinlass 4 und an der gegenüberliegenden Seite ein Gasauslass 5 angeordnet. Der Strömungsquerschnitt des Gaseinlasses 4 ist im Vergleich zum Strömungsquerschnitt des Düseninnenraums 3 verengt. Der Gasauslass 5 ist in diesem Beispiel einstückig mit der Düseneinheit 2 durch eine mittige kreisrunde Bohrung in der dem Gaseinlass 4 abgewandten Stirnseite der Düseneinheit 2 ausgebildet. In dem Bereich der Seitenwand der Düseneinheit 2 zwischen dem Gaseinlass 4 und dem Gasauslass 5 sind dem Düseninnenraum 3 zugeordnet zwei Elektroden 6,7 diametral voneinander beabstandet vorgesehen.
Die beiden Elektroden 6,7 sind mit einer Spannungsversorgung 8 elektrisch verbunden, mit der eine hochfrequente Spannung, insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung, erzeugt werden kann. Der Strömungsquerschnitt des Düseninnenraums 3 verjüngt sich von dem Bereich, in dem die beiden Elektroden 6,7 angeordnet sind, bis zu dem Bereich des Gasauslasses 5 dadurch, dass die Seitenwand der Düseneinheit 2 in diesem Abschnitt gebogen ausgebildet ist. Ferner ist der
Strömungsquerschnitt im Gasauslass 5 im Vergleich zum Strömungsquerschnitt im Gaseinlass 4 reduziert.
Im Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Düseneinheit wird ein Arbeitsgas, beispielsweise Luft, durch den Gaseinlass 4 in die Düseneinheit 2 eingeleitet, durchströmt den Düseninnenraum 3 weitgehend parallel zu dessen Mittelachse und tritt dann fokussiert durch den Gasauslass 5 in einer Vorzugsrichtung V ebenfalls parallel zur Mittelache des Düseninnenraums 3 aus.
Zwischen den beiden Elektroden 6,7 wird mittels der Spannungsversorgung 8 eine hochfrequente elektrische Spannung angelegt, wobei die Frequenz insbesondere etwa Werte in der Größenordnung von 1 kHz bis 100 kHz umfasst, während die Spannungswerte, gemessen Spitze-zu-Spitze, größenordnungsmäßig etwa 0,5 kV bis 30 kV betragen. Die Spannung sorgt dafür, dass sich ein Lichtbogen 9 in dem Arbeitsgas zwischen den Elektroden 6,7 ausbildet, entlang dessen das Arbeitsgas zumindest teilweise ionisiert und somit zu einem Plasma angeregt wird. Durch den Fluss des Arbeitsgases entlang der Strömungsrichtung R durch die Düseneinheit 2 wird der ionisierte Teil des Arbeitsgases, der in dem Arbeitsgas den geringsten elektrischen Widerstand aufweist, in Richtung auf den Gasauslass 5 verformt, so dass sich ein entsprechend verformter Lichtbogen 9 ausbildet. Das entlang des Lichtbogens 9 gebildete Plasma wird dann durch den Fluss des Arbeitsgases strahlförmig, also als gerichteter und gebündelter Plasmastrahl P, aus dem Gasauslass 5 in der Vorzugsrichtung V herausgeführt. Wie sich aus dieser Darstellung ergibt, findet also eine Trennung vom stromführenden Lichtbogen 9 und vom potentialfreien Plasmastrahl P statt. Somit kann bei einer Oberflächenbehandlung eine direkte Beaufschlagung der Oberfläche O durch den Lichtbogen 9 vermieden werden.
Die Vorzugsrichtung V stellt quasi eine über den Strömungsquerschnitt am Gasauslass 5 gemittelte Strömungsrichtung dar, da sich der Plasmastrahl P nach dem Gasaustritt selbstverständlich aufweitet und damit lokal unterschiedliche Strömungsrichtungskomponenten aufweist.
Alternativ könnten auch insgesamt vier Elektroden in der Seitenwand der Düseneinheit 2 integriert sein. Zwei diametral voneinander beabstandete Elektroden bilden dann jeweils ein Elektrodenpaar. Die Elektrodenpaare sind dabei so angeordnet, dass die Verbindungslinien zwischen den Elektrodenpaaren senkrecht zueinander verlaufen. Weiterhin sind dann zwei unabhängige, insbesondere gleichgetaktete, Spannungsversorgungen vorgesehen, die mit je einem Elektrodenpaar elektrisch verbunden sind.
Die in der Fig. 1 dargestellte Düseneinheit 2 ist an einem Arm 10 montiert, der schmal im Vergleich zur Düseneinheit 2 ausgebildet ist. Der Arm 10 entspricht im dargestellten Ausführungsbeispiel gleichzeitig der Zuführleitung 11 von
Arbeitsgas zum Düseninnenraum 3. Der Arm 10 kann über eine in der Fig. 1 nicht dargestellte Antriebsvorrichtung in Rotation um seine Rotationsachse 12 versetzt werden, die der Mittelachse der Zuführleitung 11 entspricht. Da der Arm 10 starr mit der Düseneinheit 2 verbunden ist, führt die Rotation des Arms 10 zu einer Drehung der Düseneinheit 2 um eine mit der Rotationsachse 12 identische Drehachse 13. Dabei ist die Vorzugsrichtung V des aus dem Gasauslass 5 strömenden Plasmastrahls P im Wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse 13 der Düseneinheit 2 ausgerichtet.
Die Düseneinheit 2 kann wegen der Ausgestaltung des Arms 10 ohne weiteres auch in kleine Öffnungen des Werkstücks W eingebracht werden, um dort die innere Oberfläche O des Werkstücks W mit dem Plasmastrahl P zu behandeln. Dazu wird die Düseneinheit 2 um die Drehachse 13 in Drehung versetzt, so dass die innere Oberfläche O kreisförmig mit dem Plasmastrahl P behandelt werden kann. Bei dem in der Fig. 1 lediglich angedeuteten Werkstück W handelt es sich um einen Verbrennungsmotor eines Automobils, wobei die Düseneinheit 2 in einen Zylinder des Verbrennungsmotors eingeführt ist. Auf diese Weise wird die innere Oberfläche O des Zylinders kreisförmig mit dem Plasmastrahl P behandelt. Während sich die Düseneinheit 2 um die Drehachse 13 dreht, wird die Düseneinheit 2 über den Arm 10 entlang der gesamten Tiefe des Zylinders bewegt, damit dieser über dessen gesamte Tiefe mit dem Plasmastrahl behandelt wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Arm 10 in etwa zentral zur Längserstreckung der Düseneinheit 2 mit der Düseneinheit 2 verbunden, wozu der Zuführkanal 11 für das Arbeitsgas U-förmig um den Düseninnenraum 3 herum geführt ist. Dadurch ist die Ausdehnung der Düseneinheit 2 in der Zeichenebene von der Drehachse 13 bis zum Gasauslass 5 in etwa ebenso groß wie die Ausdehnung der Düseneinheit 2 von der Drehachse 13 zu der vom Gasauslass 5 abgewandten Rückseite 14 der Düseneinheit 2. Der Abstand vom Gasauslass 5 zur Rückseite 14 der Düseneinheit 2 misst bei der dargestellten Düseneinheit 2 etwa 40 mm. Ferner ist die Düseneinheit 2 derart ausgebildet, dass die Behandlung der inneren Oberfläche O des Werkstücks W mit einem Behandlungsabstand von weniger als 20 mm ohne weiteres durchführbar ist. Mit der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 1 können im Ergebnis ohne weiteres Zylinder mit einem inneren Durchmesser von bis hinunter zu 50 mm behandelt werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Düseneinheit 20 weist ein Düsenrohr 21 aus Metall auf, das sich konisch zu einem Gasauslass 22 verjüngt und einen Düseninnenraum 23 einschließt. Eine
Stirnwand 24 des Düseninnenraums 23 weist einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Gaseinlässen 25 auf, um das Arbeitsgas in Drall zu versetzen. Der Düseninnenraums 23 wird deshalb von dem Arbeitsgas in der Form eines Wirbels 26 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düseninnenraums 23 verläuft.
Von der Stirnwand 24 ragt mittig eine Elektrode 27 koaxial in den Düseninnenraum 23 hinein. Die Elektrode 27 wird durch einen Isolator 28 elektrisch gegenüber den übrigen Teilen der Düseneinheit 20 isoliert . Über einen isolierten Schaft 29 wird an die Elektrode 27 eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, die von einem Hochfrequenztransformator 30 erzeugt wird.
Die Spannung ist variabel regelbar und beträgt beispielsweise 500 V oder mehr, vorzugsweise 2 - 5 kV, insbesondere mehr als 5 kV. Die Frequenz liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,5 kHz bis 50 kHz, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 30 kHz, und ist vorzugsweise ebenfalls regelbar. Durch eine gezielte Variation der Frequenz und/oder der Amplitude der Spannung können die Eigenschaften des Plasmas beeinflusst werden .
Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in der Form einer Bogenentladung 31 erzeugt. Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird der Lichtbogen 31 im Wirbelkern auf der Mittelachse der Düseneinheit 20 kanalisiert, so dass sich der Lichtbogen 31 am Gasauslass 22 verzweigt und dort endet. Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 31 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem
Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so dass ein Plasmastrahl P eines verhältnismäßig kühlen atmosphärischen Plasmas aus dem Gasauslass in eine Vorzugsrichtung V austritt. Die Vorzugsrichtung V ist dabei etwa im rechten Winkel auf die zu behandelnde Oberfläche O des Werkstücks W gerichtet.
Auf der dem Düseninnenraum 23 abgewandten Seite der Stirnwand 24 schließt sich ein Kanal 32 zum Zuführen von Arbeitsgas zum Düseninnenraum 23 an, der etwa im rechten Winkel zur
Vorzugsrichtung V des austretenden Plasma verläuft. Mittig entlang dieses Kanals 32 ist der elektrisch leitende an die Elektrode angeschlossene Schaft 29 geführt. Damit bildet letztlich der Kanal einen Arm 33, an dem die Düseneinheit 20 befestigt ist und an dem die Düseneinheit 20 zudem in einer
Öffnung wie eine Bohrung eines Werkstücks eingestaucht werden kann, um dort die innere Oberfläche des Werkstücks mit dem Plasmastrahl P zu bearbeiten. Die Bohrung oder dergleichen wird über den gesamten Umfang mit dem Plasmastrahl P behandelt, indem die Düseneinheit um eine Drehachse 34 gedreht wird, die im Wesentlichen senkrecht zur Vorzugsrichtung V des aus dem Gasauslass 22 austretenden Plasmastrahls P ausgerichtet ist. Die Drehachse 34 wird dabei durch die Mittellinie des Arms 33 definiert, der über eine Antriebseinheit in Rotation versetzt wird, was infolge der starren Verbindung zwischen Arm 33 und Düseneinheit 20 zu einer Drehung der Düseneinheit 20 führt. Die Drehachse 34 der Düseneinheit 20 und die Rotationsachse 35 des Arms 33 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel folglich identisch.
Aufgrund der Verbindung des Kanals 32 am rückwärtigen Ende der Düseneinheit 20 entspricht der minimale Innendurchmesser einer Bohrung, die noch mit der in der Fig. 2 dargestellten Düseneinheit 20 bearbeitet werden kann, etwa dem Doppelten der Länge der Düseneinheit 20 in der Zeichenebene zuzüglich des Doppelten des minimalen Bearbeitungsabstands zur Oberfläche des Werkstücks.
Sowohl der in der Fig. 1 als auch der in der Fig. 2 dargestellten Düseneinheit 2,20 kann über eine nicht im Einzelnen dargestellte Zuführvorrichtung ein Arbeitsmaterial, etwa in Form eines Beschichtungsmaterials, dem Arbeitsgas zugeführt werden. Das Bearbeitungsmaterial wird dann im Düseninnenraum 3,23 mit dem Arbeitsgas in innigen Kontakt gelangen .
In der Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung 40 zum Behandeln einer inneren Oberfläche O mit einem Plasmastrahl P dargestellt. Bei der lediglich schematisch dargestellten Düseneinheit 41 kann es sich etwa um eine Düseneinheit nach dem in der Fig. 1 oder der Fig. 2 dargestellten Wirkprinzip handeln. Die Düseneinheit 41 ist an einem langen Arm 42 in eine Sackbohrung 43 hinabgelassen, und behandelt dort mit dem Plasmastrahl P die dort vorgesehene innere Oberfläche O des Werkstücks W. Der Plasmastrahl P tritt dabei aus einem Gasauslass 44 mit einer Vorzugsrichtung V senkrecht zur zu behandelnden Oberfläche O aus.
An einer der Düseneinheit 41 abgewandten Seite des Arms 42 ist eine elektrische Antriebseinheit 45 vorgesehen, welche den Arm 42 in Rotation versetzt, wobei die Rotationsachse 46 des Arms 42 und die Drehachse 47 der Düseneinheit 41 zusammenfallen. Alternativ wäre es jedoch auch möglich, dass die oder eine weitere Antriebseinheit direkt der Düseneinheit 41 zugeordnet ist und diese unabhängig von dem angeschlossenen Arm 42 in Drehung um eine Drehachse 47 versetzt.
Im Unterschied zu den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen 1 ist der Arm bei der in der Fig. 3 dargestellten Vorrichtung 40 gelenkig mit der Düseneinheit 41 verbunden. Damit kann der Winkel der Düseneinheit 41 zum Arm 42 und damit auch der Winkel der Vorzugsrichtung V des ausströmenden Plasmastrahls P zur Drehachse 47 der Düseneinheit 41 je nach Bedarf verstellt werden. Der
Verstellbereich beträgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 0° bis 90°. Zudem kann der Winkel während des Betriebs der Vorrichtung 40 automatisch verändert werden. Auf diese Weise kann etwa der Bodenbereich B der Sackbohrung 43 ebenfalls in geeigneter Weise behandelt werden. In der Fig. 4 ist eine Draufsicht auf eine Vorrichtung 60 zur Behandlung einer inneren Oberfläche O eines Werkstücks W mit einem Plasmastrahl P, P' in einer Draufsicht von oben dargestellt, die an einem Arm 61 in eine Zylinderbohrung eines Motorblocks eines Verbrennungsmotors hineingelassen worden ist. Der Arm 61 stellt dabei gleichzeitig die Leitung für die Zufuhr von Arbeitsgas zu den beiden Düseneinheiten 62 der Vorrichtung dar. Ferner sind entlang des Arms 61 auch zwei Leiter zur Spannungsversorgung der Elektroden der beiden Düseneinheiten geführt, die jedoch nicht im Einzelnen dargestellt sind.
Bei den Düseneinheiten 62 handelt es sich um separate Düseneinheiten 62 mit jeweils einem eigenen Düseninnenraum, in dem jeweils ein in jeweils einer Vorzugsrichtung V, V aus dem Düseninnenraum in Richtung der zu bearbeitenden inneren Oberfläche O des Werkstücks W austretender Plasmastrahl P, P' erzeugt wird. Aus Gründen des Platzbedarfs sind die Düseneinheiten 62, deren Wirkprinzip mit den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Düseneinheiten übereinstimmen kann, parallel zueinander angeordnet, wobei der Arm 61 im Wesentlichen zentral an dieser parallelen Anordnung der Düseneinheiten 62 angreift und im Wesentlichen entlang der Mittellinie des Zylinders verläuft.
Die Vorzugsrichtungen V, V der von den beiden Düseneinheiten 62 erzeugten Plasmastrahlen P, P' sind parallel zueinander ausgerichtet und weisen in entgegen gesetzte Richtungen. Die Vorzugsrichtungen V, V der Plasmastrahlen P, P1 beider Düseneinheiten 62 sind bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel rechtwinklig zur gemeinsamen Drehachse 63 der beiden Düseneinheiten 62, die über den Arm 61 mittels einer nicht im Einzelnen dargestellten Antriebseinheit in Drehung versetzt werden.
Die Zylinderbohrung hat dabei einen Durchmesser von 60 mm, während die Düseneinheiten in der Zeichnung jeweils nicht länger als 40 mm sind. Ein Behandlungsabstand von weniger als 10 mm reicht also aus für die Behandlung der inneren Oberfläche O der Zylinderbohrung.
In der Fig. 5 ist eine Vorrichtung 80 zur Behandlung der inneren Oberfläche O eines Werkstücks W mit einer ionisierten Strahlung I infolge einer Koronaentladung dargestellt. Das Werkstück W weist eine Sackbohrung S auf. Dabei kann es sich beispielsweise um den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors handeln. Es könnte sich bei der Bohrung auch um eine durchgehende Bohrung handeln, wobei das Werkstück beispielsweise ein Teil des Motorblocks darstellt und die Bohrung der Aufnahme eines Zylinders dient.
Die Vorrichtung 80 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei miteinander verbundene Elektroden 81,82 auf, die nahe an der zu behandelnden inneren Oberfläche O des Werkstücks W angeordnet sind. Die beiden Elektroden 81,82 sind von einer elektrischen Isolierung 83 umgeben and an eine Spannungsversorgung 84 angeschlossen, die eine ausreichend hohe Wechselspannung bereitstellt, so dass sich zwischen den Elektroden 81,82 und der zu behandelnden Oberfläche 0 eine Koronaentladung ausbildet und als ionisierte Strahlung I bezeichnet wird. Die ionisierte Strahlung I weist jeweils eine Vorzugsrichtung V ' ' , V ' ' auf, die von den Elektroden 81,82 in radialer Richtung zur zu behandelnden, inneren Oberfläche O des geerdeten Werkstücks W weist und rechtwinklig zur inneren Oberfläche O ausgerichtet ist. Die Vorzugsrichtungen der beiden Elektroden 81,82 liegen in der dargestellten Anordnung auf einer gemeinsamen Gerade. Dies kann bei einer anderen Elektrodenanordnung auch anders sein.
Die Spannungsversorgung 84 der Elektroden 81,82 erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Arm 85, der das Einführen der Elektroden 81,82 in das Werkstück W ermöglicht. Diesem Arm 85 zugeordnet ist eine Antriebseinheit 86, die den Arm 85 in Drehung um eine Drehachse 87 versetzt, die durch die Längsachse des Arms 85 verläuft, so dass sich die Elektroden 81,82 entlang der inneren, umlaufenden Oberfläche O der Sackbohrung S bewegen, wie dies insbesondere in der Fig. 6 in einer Draufsicht dargestellt ist. In der dargestellten Ausführungsform sind die Elektroden stabförmig ausgebildet und erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Tiefe der Sackbohrung S. Dies erlaubt eine schnelle Oberflächenbehandlung.
Nicht im Einzelnen dargestellt ist eine Verstelleinrichtung, welche das Einführen der Elektroden 81,82 in die Sackbohrung S und das anschließende Herausziehen der Elektroden 81,82 aus der Sackbohrung S jeweils parallel zur Längserstreckung des Arms 85 erlauben.
Ferner ist im dargestellten Ausführungsbeispiel oberhalb der Elektroden 81,82 und außerhalb der Öffnung der Sackbohrung S eine Absaugeinrichtung 88 vorgesehen, die dem Absaugen der Atmosphäre im Spalt zwischen den Elektroden 81,82 und der zu behandelnden Oberfläche 0 und damit dem Absaugen von von der Oberfläche O entfernten Rückständen dient. Die Absaugeinrichtung 88 kann ebenfalls in das Werkstück W eintauchen. Die Absaugeinrichtung 88 hat eine ringförmig umlaufende Absaugöffnung 89, so dass sich die
Absaugeinrichtung 88 nicht mit den Elektroden 81,82 mitdrehen muss. Dies wäre aber ebenfalls denkbar.
Bei der in der Fig. 7 dargestellten Vorrichtung 90 zur Oberflächenbehandlung weist die Erzeugungseinheit eine scheibenförmige Elektrode 91 auf, deren Durchmesser geringfügig kleiner als der Durchmesser der Sackbohrung S, in die die Elektrode 91 eingeführt wird, ist. Die Elektrode 91 weist eine Isolierung 92 auf, die mit der inneren Oberfläche O einen im Wesentlichen gleichförmigen Spalt mit einer Breite von wenigen Millimetern bildet. Um eine gleichmäßige Behandlung der inneren Oberfläche 0 zu erreichen, wird die scheibenförmige Elektrode 91 in Drehung um eine Drehachse 93 versetzt, die durch den Mittelpunkt der Elektrode 91 verläuft, wozu eine Antriebseinrichtung 94 auf einen Arm 95 einwirkt, an dem die Elektrode 91 in die Sackbohrung S eingebracht wird. Über eine nicht im Einzelnen dargestellte Verstelleinrichtung, die ebenfalls vorzugsweise mit dem Arm 95 zusammenwirkt, kann die Eindringtiefe der scheibenförmigen Elektrode 91 während der Oberflächenbehandlung variiert werden, um alle Stellen der inneren Oberfläche O mit der ionisierten Strahlung I zu erreichen. Die ionisierte Strahlung I ist in radialen Vorzugsrichtungen V ' ' ' senkrecht auf die innere Oberfläche 0 des Werkstücks W gerichtet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ebenfalls eine Absaugeinrichtung 96 vorgesehen, die zusammen mit der Elektrode 91 in die Sackbohrung eingebracht wird und einen konstanten Abstand zur Elektrode 91 beibehält. Die Absaugeinrichtung 96 weist ebenfalls eine umlaufende Absaugöffnung 97 auf. Andere Absaugöffnungen können aber grundsätzlich ebenfalls vorgesehen ein.
Die Spannungsversorgung 98 des in der Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich nicht von der Spannungsversorgung 84 des in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiels .
In der Fig. 8 ist die scheibenförmige Elektrode 91 in einer Draufsicht gemäß der Schnittebene VIII-VIII aus Fig. 7 dargestellt, dabei ist eine Koronaentladung umlaufend entlang des gesamten Spalts dargestellt, ohne dass einzelne Entladungskanäle eingezeichnet sind. Die Koronaentladung kann auch nur abschnittsweise in dem Spalt ausgebildet sein, wobei sich die Abschnitte, in denen eine Koronaentladung stattfindet, in schnellem Wechsel ändern.
In der scheibenförmigen Elektrode 91 sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel vier durchgehende Öffnungen 99 vorgesehen, durch die Luft oder ein anderes Gas bzw. Gasgemisch in die Sackbohrung S nachströmen kann, das anschließend über die Absaugeinrichtung 96 wieder aus dem Spalt zwischen der Isolierung 92 der Elektrode 91 und der inneren Oberfläche O der Sackbohrung S abgesaugt wird. Es kann also ein kontinuierlicher Luftstrom oder dergleichen aufrechterhalten werden .
In Fig. 9 ist eine Alternative zu der scheibenförmigen Elektrode 101 dargestellt. Diese ist sternförmig mit vier freien Enden 102 ausgebildet. Es können aber ohne weiteres auch deutlich mehr freie Enden der sternförmigen Elektrode vorgesehen sein. Dabei entsteht im Betrieb gezielt jeweils an den an den freien Enden 102 vorgesehenen Erzeugungsabschnitten 103 eine Koronaentladung, so dass gegebenenfalls eine gezielte Oberflächenbehandlung durchgeführt werden kann. Bei der sternförmigen Elektrode 101 kann zudem auf Durchgangsbohrungen zum Nachströmen von Luft oder eines anderen Gases bzw. Gasgemisches verzichtet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1,20,40,60,80,90) zum Behandeln einer inneren Oberfläche (O) eines Werkstücks (W) , mit einer Strahlung (P, P1, I), mit wenigstens einer Erzeugungseinheit (2,20,41,62) zum Erzeugen der Strahlung CP P ' "H mit einer Antriebseinheit (45,86,94) zum Drehen der wenigstens einen Erzeugungseinheit (2,20,41,62) um eine Drehachse (13,34,47,63,87,93), - wobei die wenigstens eine Erzeugungseinheit (2,20,41,62) zum Abgeben der erzeugten Strahlung (P, P ',I) mit einer Vorzugsrichtung (V, V , V1 ' , V ' ' , V ' ' ' ) in Richtung der zu behandelnden Oberfläche (0) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, - dass ein mit der wenigstens einen Erzeugungseinheit (2,20,41,62) verbundener Arm (10,22,42,61,85,95) zum Einbringen der Erzeugungseinheit (2,20,41,62) in das Werkstück (W) vorgesehen ist und - dass die Drehachse (13,34,47,63,85,95) und die Vorzugsrichtung (V, V) gegeneinander geneigt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (13,34,47,63,97,93) und die Vorzugsrichtung (V, V , V ' , V ' ' , V ' ' ' ) in einem Winkel zwischen 25° und 90°, vorzugsweise zwischen 45° und 90°, insbesondere im Wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absaugeinrichtung (88,96) zur Absaugung eines Gases aus dem Zwischenraum zwischen der Elektrode (81,82,91,101) und der Oberflache (O) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zum Behandeln einer inneren Oberflache (O) eines Werkstucks (W) mit einem Plasmastrahl (P,P'), dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Erzeugungseinheit (2,20,41,62) wenigstens eine einen Dusenmnenraum (3,23) bildende
Dusenemheit (2,20,41,62) ist, dass die Antriebseinheit (45) zum Drehen der wenigstens einen Dusenemheit (2,20,41,62) um eine Drehachse
(13,34,47,63) vorgesehen ist, dass die wenigstens eine Dusenemheit (2,20,41,62) einen
Gaseinlass (4,25) zum Einströmen eines Arbeitsgases in den Dusenmnenraum (3,23) aufweist und - dass die wenigstens eine Dusenemheit (2,20,41,62) einen
Gasauslass (5,22,44) zum Austritt des Arbeitsgases aus dem Dusenmnenraum (3,23) m der Vorzugsrichtung (V, V) aufweist .
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dusenemheit (2,20,41,62) eine maximale Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Drehachse (13,34,47,63) von etwa 40 mm aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zufuhrvorrichtung zum wenigstens indirekten Zufuhren von einem Arbeitsmaterial, insbesondere Beschichtungsmaterial oder
Precursormaterial, zum Plasmastrahl vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass wenigstens zwei ]eweils einen Duseninnenraum aufweisende Duseneinheiten vorgesehen sind, dass die wenigstens zwei Duseneinheiten (62) jeweils einen Gasauslass zum Austritt des Plasmastrahls (P, P') aus dem Duseninnenraum in jeweils einer Vorzugsrichtung (V, V ) aufweist und dass die Vorzugsrichtungen (V, V) der wenigstens zwei Duseneinheiten (62) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, - dass die Strahlung eine ionisierte Strahlung (I) ist, dass die Erzeugungseinheit wenigstens eine an eine
Spannungsversorgung angeschlossene Elektrode (81,82,91,101) zur Erzeugung einer Koronaentladung in einem Zwischenraum zwischen der Erzeugungseinheit und der
Oberflache (O) aufweist.
9. Verfahren zum Behandeln einer inneren Oberflache (O) eines Werkstucks (W) mit einer Strahlung (P, P', I), insbesondere mit einer Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 8, bei dem wenigstens eine mit einem Arm (10,33,42,61,85,95) verbundene Erzeugungseinheit (2,20,41,62) an dem Arm
(10,33,42,61,85,95) in das Werkstuck (W) eingebracht wird, - bei dem die wenigstens eine Erzeugungseinheit
(2,20,41,62) mittels einer Antriebseinheit (45,86,94) um eine Drehachse (13,34,47,63,87,93) gedreht wird, bei dem die wenigstens eine Erzeugungseinheit
(2,20,41,62) die Strahlung (P, P', I) in einer zur Drehachse (13,34,47,63,87,93) geneigten Vorzugsrichtung
(V, V ,V ' , V ' ' , V ' ' ' ) an die Oberflache (O) abgibt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, zum Behandeln einer inneren Oberflache (O) eines Werkstucks (W) mit einem Plasmastrahl (P, P'), bei dem wenigstens eine mit einem Arm (10,33,42,61) verbundene, einen Duseninnenraum (3,23) bildende
Dusenemheit (2,20,41,62) an dem Arm in das Werkstuck (W) eingebracht wird, - bei dem die wenigstens eine Dusenemheit (2,20,41,62) mittels einer Antriebseinheit (45) um eine Drehachse
(13,34,47,63) gedreht wird, bei dem ein Arbeitsgas über einen Gasemlass (4,25) in den Duseninnenraum (23) einströmt und - bei dem das Arbeitsgas in einer zur Drehachse
(13,34,47,63) geneigten Vorzugsrichtung (V, V) aus einem
Gasauslass (5,22) ausströmt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Dusenemheit (2,20,41,62) um eine in einem
Winkel zwischen 25° und 90°, vorzugsweise zwischen 45° und 90°, insbesondere im Wesentlichen rechtwinklig zur Vorzugsrichtung (V, V) ausgerichteten Drehachse {13,34,47,63} gedreht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, bei dem die innere Oberflache (O) einer Bohrung mit einem Durchmesser von weniger als 150 mm, vorzugsweise etwa 50 mm, mit dem Plasmastrahl (P, P1) behandelt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem ein Arbeitsmaterial, insbesondere
Beschichtungsmateπal oder Precursormateπal, über wenigstens eine Zufuhrvorrichtung wenigstens indirekt dem Plasmastrahl zugeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10 bis 13, bei dem wenigstens zwei jeweils einen Duseninnenraum aufweisende Duseneinheiten um die Drehachse gedreht werden und bei dem aus den wenigstens zwei Duseneinheiten (62) Plasmastrahlen (P, P') mit parallelen Vorzugsrichtungen (V, V) austreten.
15. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Erzeugungseinheit mit wenigstens einer an eαne Spannungsversorgung angeschlossene Elektrode
(81,82,91,101) eine Koronaentladung in einem Zwischenraum zwischen der Erzeugungseinheit und der Oberflache (O) erzeugt .
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