WO2020126543A1 - Device and method for treating a workpiece surface using an atmospheric plasma beam - Google Patents

Device and method for treating a workpiece surface using an atmospheric plasma beam Download PDF

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WO2020126543A1
WO2020126543A1 PCT/EP2019/083963 EP2019083963W WO2020126543A1 WO 2020126543 A1 WO2020126543 A1 WO 2020126543A1 EP 2019083963 W EP2019083963 W EP 2019083963W WO 2020126543 A1 WO2020126543 A1 WO 2020126543A1
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plasma
nozzle
contact surface
nozzle opening
plasma jet
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PCT/EP2019/083963
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Syed Salman ASAD
Christian Buske
Matthias HERLTH
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Plasmatreat Gmbh
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    • H05H2245/00Applications of plasma devices
    • H05H2245/40Surface treatments

Definitions

  • the present invention relates to a device for treating a
  • atmospheric plasma jet is set up, the plasma nozzle
  • the invention further relates to a method for treating a
  • nozzle arrangements are known from the prior art, through which a plasma jet generated in the plasma nozzle can be guided in order to influence its direction, shape or spatial distribution.
  • EP 1 236 380 A1 discloses a nozzle arrangement with which the plasma jet is widely fanned out.
  • DE 10 2016 125 699 discloses a nozzle arrangement with which the plasma jet can be divided into a plurality of partial jets, with which a larger area of a surface can be applied.
  • Such nozzle arrangements can be formed in one piece with the plasma nozzle or as an attachment for a plasma nozzle, the attachment emerging from the plasma nozzle being introduced directly into the nozzle arrangement.
  • nozzle arrangements are angled with respect to the plasma nozzle axis
  • Nozzle opening is known, so that the plasma jet emerges obliquely from the plasma nozzle.
  • a larger area of the surface to be treated can be applied. If such a rotating plasma nozzle is moved along a workpiece surface, a relatively wide one can be used in this way
  • Treatment track are generated. However, with this type of treatment, there are differences in the intensity of the plasma treatment Workpiece surface This effect is described in detail in DE 10 2015 121 252 A1. In order to counteract this effect, it is proposed in DE 10 2015 121 252 A1 to additionally provide a shield surrounding the nozzle arrangement which interacts with the plasma jet and makes it more uniform.
  • previous measures for influencing the shape, direction or distribution of the plasma jet are essentially based on suitably shaping and aligning the channel or the nozzle opening leading to the nozzle opening.
  • This has the disadvantage that the nozzle arrangements can be designed to be structurally complex, depending on the planned influencing, the type or the degree of influencing cannot be changed or can only be changed in a complex manner, and the plasma jet can generate quite a lot of energy due to prolonged contact with walls of the nozzle arrangement loses.
  • the technical problem underlying the following invention is to provide an alternative possibility for influencing the shape, direction and / or distribution of the plasma beam, which reduces the problems described above as possible.
  • This object is achieved according to the invention in a device for treating a workpiece surface with a plasma nozzle which is set up to generate an atmospheric plasma jet, the plasma nozzle having a nozzle opening from which an atmospheric plasma jet emerges during operation, in that in the region of the nozzle opening Deflector with a convexly curved
  • Contact surface is positioned such that the plasma jet during operation of the
  • Plasma nozzle interacts with the contact surface of the deflecting element, in particular grazes it.
  • Plasma jets can be influenced by the plasma jet with a convex curved contact surface of a deflecting element is brought into interaction. Depending on the curvature of the contact surface, a deflection of the
  • Plasma beams observed in a direction away from the contact surface or towards the contact surface In this way, in particular the original beam direction of the plasma beam can be changed.
  • the device described can be used to spatially model the plasma jet during or after it flows out of the nozzle opening or to influence its direction, which makes it possible, for example, to achieve a desired intensity distribution of the plasma jet on a surface.
  • deflection element has various advantages over influencing or changing the direction of the plasma jet by means of a curved nozzle channel.
  • a deflection element with a convexly curved contact surface is typically structurally simpler to manufacture and can be arranged more flexibly in order to achieve the desired deflection of the plasma jet. Furthermore, such a deflection element enables a more compact construction of the plasma nozzle. As a result, the device can be better used to treat areas of a workpiece surface that are difficult to access, for example niches or areas under overhangs, with a plasma jet.
  • the plasma jet only has a short distance and preferably only at the edge with respect to its cross-section with the convex curved contact surface of the deflecting element interacts, in particular it only grazes. This results in significantly less energy loss of the plasma beam than, for example, a plasma beam deflection through a channel or a
  • Reflector element for example in the form of a shield. Therefore, at
  • a more intensive surface treatment can be achieved using the above-mentioned device with the same plasma power.
  • the deflection element can be permanently connected to the plasma nozzle
  • the deflection element can also be removably attached to the plasma nozzle, which enables the deflection element to be exchanged and / or aligned.
  • the deflection element can be positioned such that it continuously interacts with a plasma jet emerging from the nozzle opening.
  • the deflection element can also be positioned in such a way that it interacts temporarily with the plasma jet, in particular if the nozzle opening moves relative to the deflection element. For example, it is conceivable that the nozzle opening rotates and that
  • Deflection element is positioned such that the plasma jet emerging from the nozzle opening only deflects the deflection element at certain positions
  • Nozzle opening grazes. In this way, the plasma jet can be influenced depending on the position of the nozzle opening.
  • the plasma beam used can be influenced in a targeted manner, for example, be made more even.
  • the plasma jet in particular its spatial distribution and thus its intensity, it can also be achieved to direct the plasma jet precisely onto certain areas of a workpiece surface or the
  • a treatment of the workpiece surface is furthermore also understood to mean a surface coating, in particular in that a surface coating is achieved by adding at least one precursor to the plasma jet by means of a chemical reaction taking place in the plasma jet and / or on the workpiece surface, at least some of the chemical products
  • Treatment of a workpiece surface also includes cleaning, disinfection or sterilization of the
  • the deflection element consists of an electrically insulating material, in particular glass or ceramic. It has been found that the energy loss of the plasma beam can be reduced in this way through the interaction with the deflection element.
  • glass or ceramic in particular, have good robustness or inertness with regard to the influence of a plasma jet. Glass or ceramics are also heat-resistant.
  • Deflection element can be made entirely of an electrically insulating material such as Example, glass or ceramic, or alternatively be coated with such a material.
  • the deflection element is rod-shaped, in particular in the form of a cylinder or polygonal rod.
  • the deflection element can have, for example, the shape of a cylinder, tube, square rod, hexagonal rod or another rod shape in which a convexly curved contact surface is provided. In the case of a cylindrical or tubular rod, the entire
  • Outer surface is convexly curved, so that each section of the outer surface as
  • Contact surface can be used.
  • one edge forms a convexly curved contact surface, typically with a very small one
  • Coolant can be flowed through.
  • the deflection element extends transversely to the direction of the nozzle opening.
  • the direction of the nozzle opening is understood to mean the direction of the last section of the inner channel of the plasma nozzle to the nozzle opening, which specifies the direction of the plasma jet emerging from the nozzle opening if it were not influenced by the deflection element.
  • the deflection element extends transversely to this direction. In this way, a strong deflection of the plasma beam could be achieved.
  • the deflection element is designed to be adjustable in order to change the positioning of the deflection element in relation to the nozzle opening. In this way, the deflection element can influence the plasma beam
  • the size of the convexly curved contact surface of the deflection element, which interacts with the plasma beam during operation, can be influenced in this way.
  • Plasma jet interacting contact area significantly influences the type and intensity of the deflection of the plasma jet.
  • the deflection angle, ie the Angle between the direction of the nozzle opening and the deflected plasma jet depends on the position of the deflecting element relative to the nozzle opening.
  • the contact surface has a radius of curvature of at most 2 mm. It has been found that a plasma jet at
  • Radius of curvature of at most 2 mm is bent away from the contact surface.
  • a contact surface with a radius of curvature of at most 2 mm can be achieved, for example, by using a cylindrical deflection element with a diameter of at most 4 mm (i.e. with a radius of at most 2 mm).
  • the contact surface has a radius of curvature of more than 2 mm. It has been found that a plasma jet at
  • Radius of curvature of more than 2 mm is bent towards the contact surface.
  • a contact surface with a radius of curvature of more than 2 mm can be achieved, for example, by using a cylindrical deflection element with a diameter of at most 4 mm (i.e. with a radius of more than 2 mm).
  • a further deflection element with a convexly curved contact surface is positioned in the region of the nozzle opening in such a way that the plasma jet interacts with the contact surface of the further deflection element during operation of the plasma nozzle, in particular grazes it.
  • the plasma beam can be influenced from different sides, thereby influencing the direction and / or in a more targeted manner the shape of the plasma jet or the treatment effected on the surface can be achieved.
  • the contact surface of the deflecting element and the further deflecting element can have the same radius of curvature or different ones
  • Deflector positioned on opposite sides of the nozzle opening.
  • the plasma jet then emerges between the two deflection elements during operation.
  • the plasma beam can be influenced on two opposite sides. This is advantageous, for example, if the device is moved relative to a workpiece surface to be treated.
  • the plasma jet When using deflection elements that bend the plasma jet in the direction of their respective contact surfaces, the plasma jet can be expanded in one plane. When using deflection elements that bend the plasma beam away from their respective contact surfaces, the plasma beam can be focused in one plane.
  • the deflection element and the further deflection element can, for example, be aligned parallel to one another.
  • Deflection element positioned at the nozzle opening such that the
  • the direction of extension of the deflecting element and the direction of extension of the further deflecting element run at an angle to one another, preferably at a right angle.
  • This arrangement of the deflection elements makes it possible to further influence the plasma beam. For example, if the device is moved relative to a workpiece surface to be treated, this can be done, for example an influence on the plasma beam by the deflection elements both in
  • the contact surface of the deflection element and the contact surface of the further deflection element have different curvatures. As previously described, different curvatures of contact surfaces cause different deflections of a plasma beam
  • the plasma beam can be flexibly influenced by using deflection elements with contact surfaces of different curvature.
  • deflection elements with contact surfaces of different curvature.
  • Plasma beam can be expanded in one level and focused in another level.
  • the plasma nozzle has a nozzle head which rotates around an axis of rotation during operation, the nozzle head having the nozzle opening.
  • the plasma jet can be distributed over a larger area.
  • the one or more deflection elements can be positioned in such a way that their contact surfaces interact continuously or temporarily with the plasma jet.
  • the plasma nozzle can, for example, be set up so that the nozzle head rotates during operation at a rotational speed in the range from 1000 to 5600 revolutions per minute.
  • Rotation speeds result in a more homogeneous distribution of the plasma jet on a surface, for example a workpiece surface.
  • the direction of the nozzle opening runs at an angle to the axis of rotation, and the deflection element is positioned such that the plasma jet at least temporarily when the nozzle head is rotated fully about the axis of rotation,
  • Rotation position of the nozzle head emerges in different spatial directions.
  • a deflecting element with a convexly curved contact surface is positioned in the region of the nozzle opening in such a way that the plasma jet interacts at least temporarily with the contact surface of the deflecting element when the nozzle head rotates fully around the axis of rotation.
  • the plasma beam is deflected at least temporarily, the direction of deflection being dependent on the radius of curvature of the contact surface, as described above. In this way, the plasma jet can be dependent on the
  • Plasma jet is balanced.
  • the deflection element can be positioned such that the plasma jet emerging from the rotating plasma nozzle only then coincides with the
  • Contact surface of the deflection element interacts when the plasma jet is directed in the corresponding spatial direction of the deflection element.
  • the nozzle opening of the nozzle head is arranged eccentrically to the axis of rotation. In this way, the
  • Treatment trace of the plasma jet on the surface to be treated can be further enlarged.
  • the deflection element is positioned in a rotationally fixed manner on the nozzle head.
  • the deflecting element also rotates when the nozzle head rotates, the direction in which the plasma jet is deflected by the deflecting element also rotates. In this way, the same effect can be achieved as with a nozzle opening running at an angle to the axis of rotation.
  • the use of the deflection element has the advantage that the contact of the plasma beam with the
  • the angular direction of the plasma jet can be achieved with a nozzle opening running in the direction of the plasma nozzle.
  • the deflecting element has the advantage that the nozzle head can be made more compact than with a nozzle opening running at an angle to the axis of rotation, so that areas of a workpiece that are difficult to access can be better reached with the nozzle head.
  • the rotationally fixed positioning of the deflecting element is preferably adjustable in such a way that the contact surface can be positioned further to or away from the nozzle opening. In this way, the deflection angle can be adjusted as required. Additionally or alternatively, the rotationally fixed positioning of the deflection element is preferably adjustable in such a way that the angle of the convex contact surface to the nozzle opening can be adjusted. In this way, the deflection angle can also be influenced.
  • the plasma beam can be influenced in the plane of the direction of movement, for example expanded, focused or evened out.
  • the workpiece surface is usually scanned in paths with the plasma jet. This happens either by a process of the plasma nozzle, by a process of the workpiece or by a combined process of the plasma nozzle and workpiece.
  • the direction of the relative movement resulting from this method is referred to below as the direction of movement.
  • the intensity profile of a plasma jet across its cross section can result in differences in the intensity of the plasma treatment on the workpiece surface, in particular transverse to the direction of movement.
  • differences in the intensity of the plasma treatment can occur, particularly both in and across the direction of movement.
  • the superimposition of the rotation of the nozzle head and the movement between the plasma nozzle and the workpiece surface results in a spiral trajectory of the plasma jet on the workpiece surface in the treatment track. This leads to an increase in treatment intensity, particularly at the edges of the treatment track (i.e. across the treatment direction).
  • the plasma jet can be in the plane of the
  • Direction of movement can be influenced so that a more homogeneous treatment is achieved.
  • the radius of curvature of the contact surfaces is preferably dimensioned such that the plasma beam is bent toward the respective deflection element.
  • the radius of curvature of the contact surface of such a deflection element is at most 2 mm.
  • the plasma jet in the plane transverse to the direction of movement can be influenced so that a more homogeneous treatment is achieved.
  • the radius of curvature of the contact surfaces is preferably dimensioned such that the plasma beam is bent away from the respective deflection element. In this way, the plasma beam is bent towards the center at the edges of the treatment track, so that the intensity maxima at the edge are reduced.
  • the radius of curvature of the contact surface is such
  • two deflection elements are positioned on the side of the nozzle opening in and against the direction of movement and two further deflection elements are positioned on the sides of the nozzle opening transversely to the direction of movement.
  • Radii of curvature of the contact surfaces of the deflection elements on the sides in and against the direction of movement are preferably greater than the radii of curvature of the contact surfaces of the deflection elements on the sides transverse to the direction of movement.
  • Fig. La-b a first embodiment of the device for treating a
  • FIG. 4a-c another embodiment of the device and a
  • Fig. 7 is a plasma nozzle with angled nozzle opening
  • Fig. 8 shows another embodiment of the device for treating a
  • FIGS. 1 a and 1 b show a first exemplary embodiment of the device 2 with a plasma nozzle 4, which is set up for generating an atmospheric plasma jet 6.
  • the plasma nozzle 4 has a nozzle opening 8 from which the
  • a deflection element 10 with a convexly curved contact surface 12 is adjustably mounted in the region of the nozzle opening 8.
  • the deflection element 10 can be connected to the plasma nozzle directly or via a holding element (not shown).
  • the deflection element 10 is designed in the form of a cylindrical rod.
  • the convexly curved contact surface 12 is correspondingly formed by the surface of the rod 10.
  • the direction of extension of the deflecting element 10 extends into the plane of the paper and the material of the deflecting element consists of an electrically insulating material, in particular glass or ceramic.
  • the deflection element has a radius of curvature of at most 2 mm.
  • the deflection element 10 is arranged laterally offset from the plasma beam 6, so that the contact surface 12 and the plasma beam 6 do not interact with one another.
  • the plasma jet 6 leaves the nozzle opening 8 in the direction of the nozzle opening 8.
  • the deflection element 10 is positioned displaced to the left, so that the plasma jet 6 grazes the contact surface 12. It was found that deflection away from the deflection element 10 takes place when the convexly curved contact surface 12 of the deflection element 10 has a radius of curvature of at most 2 mm.
  • Deflection element 10 the edge of a polygonal rod analogous to Fig. Lb with the
  • Plasma beam 6 is brought into interaction.
  • the edge of the polygonal bar corresponds to a contact surface 12 with a very small radius of curvature of at most 2 mm.
  • FIGS. 1a to 1b show a second exemplary embodiment of a device 2 'according to the invention, a deflection element 10 "having a larger radius of curvature of the convexly curved contact surface 12 being used compared to FIGS. 1a to 1b.
  • the radius of curvature is now more than 2 mm.
  • 2a offers a similar image to FIG. La, since there is no interaction between the plasma jet 6 and the contact surface 12.
  • FIG. 2b shows how the plasma jet 6 interacts with the contact surface 12, the contact surface 12 having a radius of curvature of more than 2 mm. It was found that in this case the plasma beam 6 lies around the deflection element 10 ", i.e. there is a deflection of the plasma beam 6 in the direction of the
  • the plasma jet 6 can be positioned by positioning a suitable deflection element with a convexly curved contact surface in the region of the
  • 3a to 3c show a further exemplary embodiment of a device 2 "and an exemplary embodiment of the method for treating a workpiece surface 18 with the device 2".
  • the plasma nozzle 4 ′ (only shown in sections) of the device 2 ′′ has a nozzle head 16 rotating during operation about an axis of rotation 14, the nozzle head 16 having the nozzle opening 8
  • Nozzle opening 8 extends at an angle to the axis of rotation 14, so that the plasma jet exits the nozzle opening 8 obliquely with respect to the axis of rotation 14.
  • the device has a deflection element 10 and a further deflection element 10 ', the two deflection elements 10, 10' each being convexly curved Have contact surfaces 12 whose radius of curvature is at most 2 mm.
  • the two deflection elements 10, 10' each being convexly curved Have contact surfaces 12 whose radius of curvature is at most 2 mm.
  • Relative movement (direction of movement) is represented by arrow 20.
  • the rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 interacts with the contact surface 12 of the further deflecting element 10 'and is deflected by the latter.
  • the deflection takes place away from the deflection element into the center of the circle described by the rotation about the axis of rotation 14.
  • the rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 does not interact with any of the deflection elements 10, 10 '.
  • the plasma jet 6 emerging obliquely from the nozzle head strikes without being deflected by deflection elements
  • the rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 interacts with that of the contact surface 12 of the deflecting element 10 and is deflected by the latter.
  • the deflection again takes place away from the deflection element into the center of the circle described by the rotation about the axis of rotation 14.
  • the deflection elements 10 and 10 ′ of the device 2 ′′ shown in FIGS. 3a-c thus direct the plasma beam 6 into the center at the edges of the treatment track on the workpiece surface 18 the intensity maximum occurring on the treatment track is reduced and the
  • 4a-c show a further exemplary embodiment of a device and a further exemplary embodiment of the method for treating a
  • the device 2 ′′ has a structure like the device 2 ′′ from FIGS. 3a-c, but using deflection elements 10 ′′ and 10 ′′ ′ whose convexly curved contact surfaces 12 have larger radii of curvature.
  • the deflection elements 10 ′′, 10 ′ ′′ are aligned transversely to the direction of movement 20.
  • the rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 interacts with and is deflected by the contact surface 12 of the further deflecting element 10 ′′.
  • the deflection takes place in the direction of the deflecting element, out of the center of the circle described by the rotation about the axis of rotation 14 .
  • 4b further shows a second snapshot of the method in which the rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 does not interact with any of the deflection elements 10 ", 10 '".
  • the plasma jet 6 emerging obliquely from the nozzle head 16 strikes the workpiece surface 18 without being deflected by deflection elements.
  • the rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 interacts with the contact surface 12 of the deflecting element 10 ′′ and is deflected by the latter.
  • the plasma beam 6 is thus deflected out of the center in the plane of the direction of movement 20 and thereby widened by the deflection elements 10 "and 10"'of the device 2'"shown in FIGS. 4a-c. In this way, it is possible
  • FIGS. 3a-c Another exemplary embodiment, not shown, is achieved by combining the devices 2 "from FIGS. 3a-c and 2" from FIGS. 4a-c.
  • Such a device has two deflection elements 10, 10 'with contact surfaces with a smaller one
  • Plasma treatment can be achieved transversely and in the direction of movement.
  • Nozzle head 16 and the relative movement 20 (in FIG. 5a in the y direction) between device 2 "or 2 '" and workpiece surface 18.
  • the trajectory (line) represents the point of impact of the maximum plasma intensity.
  • the spiral trajectory results in a relatively wide treatment track on the
  • Workpiece surface 18 leads to the effect that the outer areas of the treatment track in the area of the dashed lines are treated more intensively with the plasma than is the case for the central areas of the treatment track.
  • the rotating plasma jet 6 is deflected inwards by the deflecting elements 10, 10 'at the edges of the treatment track, so that a more uniform plasma treatment along the
  • Treatment track is reached. This is represented in FIG. 5c by the intensity profile which, in contrast to FIG. 5b, assumes a flat or only slightly wavy shape of a plateau. If treatment traces lying next to one another are then brought overlapping onto the workpiece surface 18 in such a way that the
  • Deflection elements 10 ′′, 10 ′′ ′ can be achieved, which widen the plasma jet or its trace on the workpiece surface during one revolution of the nozzle head 16.
  • FIGS. 3a-c The apparatus 2 "shown in FIGS. 3a-c was used for the experiments, which in addition to the deflection elements 10 and 10 '(transverse to the direction of movement) also the deflection elements 10" and 10' "shown in FIGS. 4a-c (in / contrary to
  • This device was then used to treat the surface of a first PE sample along a treatment track. Furthermore, the surface of a second PE sample was treated along a treatment track, the deflection elements 10, 10 ', 10 "and 10"' being removed before the treatment of the second PE sample.
  • Treatment parameters for the two PE samples were otherwise the same.
  • Treatment trace (position +11), which determines the contact angle between the activated PE surface and the water.
  • the lower graph shows the measured contact angles in degrees (°) for the respective measuring positions (from -11 to 11), whereby the solid lines of the first PE sample (with
  • Deflection elements 10, 10 ', 10 ", 10'" and the dashed lines correspond to the second PE sample (without deflection elements).
  • the upper graph also shows the percentage deviation of the contact angle from the mean in percent (%).
  • Workpiece surface 18 with the deflection elements 10, 10 ', 10 ", 10'” is less than the percentage deviation of the contact angle after plasma treatment of the workpiece surface without deflection elements.
  • 7 shows a rotating plasma nozzle with a nozzle opening which is inclined with respect to the axis of rotation 14, as is known, for example, from EP 1 236 380 A1.
  • the plasma jet 6 emerges at an angle from the nozzle opening 8 of a nozzle head 16 rotating about an axis of rotation 14.
  • the plasma nozzle 4 ′′ shown in FIG. 7 can, for example, be used as the plasma nozzle 4 ′ in the exemplary embodiments according to FIGS. 3a-c and 4a-c.
  • the plasma jet 6 describes a circle on one
  • the device 3 has a plasma nozzle 4 ′′ ′′ with a deflecting element 11 that rotates as well
  • Deflection element has a convexly curved contact surface 12 which is positioned on the nozzle head 16 in such a way that the one emerging from the nozzle opening 8
  • Plasma jet 6 interacts with the contact surface 12, in particular grazes it.
  • the deflecting element 11 is preferably mounted so that it can be adjusted such that the angle of the deflecting element 11 to the nozzle opening 8 (arrow 22) can be varied, preferably in a range of at least 45 °, in particular at least 75 °, and / or the position in the direction of the nozzle opening 8 (arrow 24) is variable.
  • the contact surface 12 has a small radius of curvature of less than 2 mm, so that the plasma beam 6 is bent away from the deflection element 11.
  • the plasma beam 6 would instead be bent in the direction of the deflection element 11.
  • the deflection element 11 can accordingly achieve an effect similar to that with an oblique nozzle opening.
  • the plasma jet 6 describes a similar circular movement on a workpiece surface 18 (not shown) as in FIG. 7.
  • the plasma nozzle 4 ′ ′′ shown in FIG. 8 can be used as a plasma nozzle 4 'can be used for the exemplary embodiments according to FIGS. 3a-c and 4a-c.
  • the device 3 from FIG. 8 has the advantage that the nozzle opening runs along the axis of the plasma nozzle, so that
  • the device 3 from FIG. 8 can be made very compact, so that workpiece surfaces that are difficult to access can be treated more easily.

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Abstract

The invention relates to a device (2, 2', 2", 2"', 3) for treating a workpiece surface (18), comprising a plasma nozzle (4, 4', 4", 4'") which is designed to generate an atmospheric plasma beam (6), said plasma nozzle (4, 4', 4", 4'") having a nozzle opening (8) from which an atmospheric plasma beam (6) exits during operation. A deflecting element (10, 10', 10", 10"', 11) with a convexly curved contact surface (12) is positioned in the region of the nozzle opening (8) such that the plasma beam (6) interacts with the contact surface (12) of the deflecting element (10, 10', 10", 10"', 11) when the plasma nozzle (4, 4', 4", 4"') is being operated, in particular the plasma beam strikes the contact surface. The invention additionally relates to a method for treating a workpiece surface (18) using such a device (2, 2', 2", 2"', 3).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung einer Werkstückoberfläche mit einem atmosphärischen Plasmastrahl Device and method for treating a workpiece surface with an atmospheric plasma jet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung einer The present invention relates to a device for treating a
Werkstückoberfläche, mit einer Plasmadüse, die zur Erzeugung eines Workpiece surface, with a plasma nozzle, which is used to generate a
atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse eine atmospheric plasma jet is set up, the plasma nozzle
Düsenöffnung aufweist, aus der im Betrieb ein atmosphärischer Plasmastrahl austritt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung einer Has nozzle opening from which an atmospheric plasma jet emerges during operation. The invention further relates to a method for treating a
Werkstückoberfläche mit einer solchen Vorrichtung. Workpiece surface with such a device.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Düsenanordnungen bekannt, durch die ein in der Plasmadüse erzeugter Plasmastrahl geleitet werden kann, um dessen Richtung, Form oder räumliche Verteilung zu beeinflussen. So ist zum Beispiel aus der EP 1 236 380 Al eine Düsenanordnung bekannt, mit der der Plasmastrahl breit aufgefächert wird. Weiterhin ist aus der DE 10 2016 125 699 eine Düsenanordnung bekannt, mit der der Plasmastrahl in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgeteilt werden kann, mit denen eine größerer Bereich einer Oberfläche beaufschlagt werden kann. Derartige Düsenanordnungen können einteilig mit der Plasmadüse oder als Aufsatz für eine Plasmadüse ausgebildet sein, wobei der aus der Plasmadüse austretende Aufsatz direkt in die Düsenanordnung eingeleitet wird. Various nozzle arrangements are known from the prior art, through which a plasma jet generated in the plasma nozzle can be guided in order to influence its direction, shape or spatial distribution. For example, EP 1 236 380 A1 discloses a nozzle arrangement with which the plasma jet is widely fanned out. Furthermore, DE 10 2016 125 699 discloses a nozzle arrangement with which the plasma jet can be divided into a plurality of partial jets, with which a larger area of a surface can be applied. Such nozzle arrangements can be formed in one piece with the plasma nozzle or as an attachment for a plasma nozzle, the attachment emerging from the plasma nozzle being introduced directly into the nozzle arrangement.
Weiter sind zum Beispiel aus EP 1 067 829 Al und der DE 10 2015 121 252 Al Düsenanordnungen mit gegenüber der Plasmadüsenachse abgewinkelter Furthermore, from EP 1 067 829 A1 and DE 10 2015 121 252 A1, for example, nozzle arrangements are angled with respect to the plasma nozzle axis
Düsenöffnung bekannt, so dass der Plasmastrahl schräg aus der Plasmadüse austritt. Durch Rotation der Plasmadüse kann ein größerer Bereich der zu behandelnden Oberfläche beaufschlagt werden. Wird eine solche rotierende Plasmadüse entlang einer Werkstückoberfläche bewegt, kann auf diese Weise eine relativ breite Nozzle opening is known, so that the plasma jet emerges obliquely from the plasma nozzle. By rotating the plasma nozzle, a larger area of the surface to be treated can be applied. If such a rotating plasma nozzle is moved along a workpiece surface, a relatively wide one can be used in this way
Behandlungsspur erzeugt werden. Allerdings ergeben sich bei einer solchen Art der Behandlung Unterschiede in der Intensität der Plasmabehandlung auf Werkstückoberfläche ln der DE 10 2015 121 252 Al wird dieser Effekt im Einzelnen beschrieben. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird in der DE 10 2015 121 252 Al vorgeschlagen, zusätzlich eine die Düsenanordnung umgebende Abschirmung vorzusehen, die mit dem Plasmastrahl wechselwirkt und diesen vergleichmäßigt. Treatment track are generated. However, with this type of treatment, there are differences in the intensity of the plasma treatment Workpiece surface This effect is described in detail in DE 10 2015 121 252 A1. In order to counteract this effect, it is proposed in DE 10 2015 121 252 A1 to additionally provide a shield surrounding the nozzle arrangement which interacts with the plasma jet and makes it more uniform.
Wie die zuvor beschriebenen Beispiele zeigen, basieren bisherige Maßnahmen zur Beeinflussung der Form, Richtung bzw. Verteilung des Plasmastrahls im Wesentlichen darauf, den zur Düsenöffnung führenden Kanal bzw. die Düsenöffnung geeignet zu formen und auszurichten. Dies hat den Nachteil, dass die Düsenanordnungen abhängig von der geplanten Beeinflussung konstruktiv komplex gestaltet sein können, die Art bzw. der Grad der Beeinflussung nicht oder nur in aufwändiger Weise verändert werden kann und der Plasmastrahl durch einen längeren Kontakt mit Wandungen der Düsenanordnung recht viel Energie verliert. As the examples described above show, previous measures for influencing the shape, direction or distribution of the plasma jet are essentially based on suitably shaping and aligning the channel or the nozzle opening leading to the nozzle opening. This has the disadvantage that the nozzle arrangements can be designed to be structurally complex, depending on the planned influencing, the type or the degree of influencing cannot be changed or can only be changed in a complex manner, and the plasma jet can generate quite a lot of energy due to prolonged contact with walls of the nozzle arrangement loses.
Vor diesem Hintergrund liegt der folgenden Erfindung die technische Aufgabe zugrunde, eine alternative Möglichkeit zur Beeinflussung der Form, Richtung und/oder Verteilung des Plasmastrahls bereitzustellen, die die zuvor beschriebenen Probleme möglichst reduziert. Against this background, the technical problem underlying the following invention is to provide an alternative possibility for influencing the shape, direction and / or distribution of the plasma beam, which reduces the problems described above as possible.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Behandlung einer Werkstückoberfläche, mit einer Plasmadüse, die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse eine Düsenöffnung aufweist, aus der im Betrieb ein atmosphärischer Plasmastrahl austritt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich der Düsenöffnung ein Ablenkelement mit einer konvex gekrümmten This object is achieved according to the invention in a device for treating a workpiece surface with a plasma nozzle which is set up to generate an atmospheric plasma jet, the plasma nozzle having a nozzle opening from which an atmospheric plasma jet emerges during operation, in that in the region of the nozzle opening Deflector with a convexly curved
Kontaktfläche derart positioniert ist, dass der Plasmastrahl beim Betrieb der Contact surface is positioned such that the plasma jet during operation of the
Plasmadüse mit der Kontaktfläche des Ablenkelements wechselwirkt, insbesondere diese streift. Plasma nozzle interacts with the contact surface of the deflecting element, in particular grazes it.
Es wurde festgestellt, dass sich die Form, die Richtung und/oder die räumliche Verteilung des im Betrieb aus der Plasmadüse austretenden atmosphärischen It was found that the shape, the direction and / or the spatial distribution of the atmospheric emerging from the plasma nozzle during operation
Plasmastrahls beeinflussen lässt, indem der Plasmastrahl mit einer konvex gekrümmten Kontaktfläche eines Ablenkelements in Wechselwirkung gebracht wird. Abhängig von der Krümmung der Kontaktfläche wurde eine Ablenkung des Plasma jets can be influenced by the plasma jet with a convex curved contact surface of a deflecting element is brought into interaction. Depending on the curvature of the contact surface, a deflection of the
Plasmastrahls in eine Richtung von der Kontaktfläche weg oder zur Kontaktfläche hin beobachtet. Auf diese Weise kann insbesondere die ursprüngliche Strahlrichtung des Plasmastrahls geändert wird. Plasma beams observed in a direction away from the contact surface or towards the contact surface. In this way, in particular the original beam direction of the plasma beam can be changed.
Damit es zu dieser Wechselwirkung kommt, ragt ein Teil der konvex gekrümmten Kontaktfläche des Ablenkelements in den im Betrieb aus der Düsenöffnung austretenden Plasmastrahl hinein. Die der Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis liegt insbesondere darin, dass konvex gekrümmte Kontaktflächen einen Plasmastrahl ablenken. Daher kann die beschriebene Vorrichtung dazu verwendet werden, den Plasmastrahls beim oder nach dem Ausströmen aus der Düsenöffnung räumlich zu modellieren bzw. dessen Richtung zu beeinflussen, was es zum Beispiel ermöglicht eine gewünschte Intensitätsverteilung des Plasmastrahls auf einer Oberfläche zu erreichen. In order for this interaction to occur, part of the convexly curved contact surface of the deflecting element projects into the plasma jet emerging from the nozzle opening during operation. The knowledge on which the invention is based is, in particular, that convexly curved contact surfaces deflect a plasma beam. Therefore, the device described can be used to spatially model the plasma jet during or after it flows out of the nozzle opening or to influence its direction, which makes it possible, for example, to achieve a desired intensity distribution of the plasma jet on a surface.
Gegenüber der Beeinflussung bzw. einer Richtungsänderung des Plasmastrahls mittels eines gekrümmten Düsenkanals hat die Verwendung eines Ablenkelements verschiedene Vorteile. The use of a deflection element has various advantages over influencing or changing the direction of the plasma jet by means of a curved nozzle channel.
Anders als ein gekrümmter Düsenkanal ist ein Ablenkelement mit einer konvex gekrümmten Kontaktfläche typischerweise konstruktiv einfacher herzustellen und kann zur Erreichung der gewünschten Ablenkung des Plasmastrahls flexibler angeordnet werden. Weiterhin ermöglicht ein solches Ablenkelement einen kompakteren Aufbau der Plasmadüse. Dadurch kann die Vorrichtung besser dazu eingesetzt werden, um schwer zugängliche Bereiche einer Werkstückoberfläche, beispielsweise Nischen oder Bereiche unter Überhängen, mit einem Plasmastrahl zu behandeln. In contrast to a curved nozzle channel, a deflection element with a convexly curved contact surface is typically structurally simpler to manufacture and can be arranged more flexibly in order to achieve the desired deflection of the plasma jet. Furthermore, such a deflection element enables a more compact construction of the plasma nozzle. As a result, the device can be better used to treat areas of a workpiece surface that are difficult to access, for example niches or areas under overhangs, with a plasma jet.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass der Plasmastrahl nur über eine kurze Strecke und vorzugsweise nur am Rand in Bezug auf seinen Querschnitt mit der konvex gekrümmte Kontaktfläche des Ablenkelements wechselwirkt, insbesondere diese lediglich streift. Dies hat deutlich weniger Energieverlust des Plasmastrahls zur Folge als beispielsweise eine Plasmastrahlablenkung durch einen Kanal oder ein Another advantage is that the plasma jet only has a short distance and preferably only at the edge with respect to its cross-section with the convex curved contact surface of the deflecting element interacts, in particular it only grazes. This results in significantly less energy loss of the plasma beam than, for example, a plasma beam deflection through a channel or a
Reflektorelement zum Beispiel in Form einer Abschirmung. Daher kann bei Reflector element, for example in the form of a shield. Therefore, at
Verwendung der oben genannten Vorrichtung bei gleicher Plasmaleistung eine intensivere Oberflächenbehandlung erreicht werden. A more intensive surface treatment can be achieved using the above-mentioned device with the same plasma power.
Das Ablenkelement kann dauerhaft mit der Plasmadüse verbunden sein, The deflection element can be permanently connected to the plasma nozzle,
beispielsweise verklebt. Alternativ kann das Ablenkelement auch abnehmbar an der Plasmadüse angebracht sein, was einen Austausch und/oder eine Ausrichtung des Ablenkelements ermöglicht. for example glued. Alternatively, the deflection element can also be removably attached to the plasma nozzle, which enables the deflection element to be exchanged and / or aligned.
Das Ablenkelement kann derart positioniert sein, dass es durchgehend mit einem aus der Düsenöffnung austretenden Plasmastrahl wechselwirkt. Alternativ kann das Ablenkelement auch derart positioniert sein, dass es zeitweise mit dem Plasmastrahl wechselwirkt, insbesondere wenn sich die Düsenöffnung relativ zum Ablenkelement bewegt. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Düsenöffnung rotiert und das The deflection element can be positioned such that it continuously interacts with a plasma jet emerging from the nozzle opening. Alternatively, the deflection element can also be positioned in such a way that it interacts temporarily with the plasma jet, in particular if the nozzle opening moves relative to the deflection element. For example, it is conceivable that the nozzle opening rotates and that
Ablenkelement derart positioniert ist, dass der aus der Düsenöffnung austretende Plasmastrahl das Ablenkelement lediglich bei bestimmten Positionen der Deflection element is positioned such that the plasma jet emerging from the nozzle opening only deflects the deflection element at certain positions
Düsenöffnung streift. Auf diese Weise kann die Beeinflussung des Plasmastrahls abhängig von der Position der Düsenöffnung erfolgen. Nozzle opening grazes. In this way, the plasma jet can be influenced depending on the position of the nozzle opening.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein The above object is further achieved according to the invention by a
Verfahren zur Behandlung einer Werkstückoberfläche mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung, bei dem mit der Plasmadüse ein atmosphärischer Plasmastrahl erzeugt wird, der aus der Düsenöffnung der Plasmadüse austritt, wobei der Plasmastrahl mit der Kontaktfläche des Ablenkelements wechselwirkt, insbesondere diese streift, und bei dem der Plasmastrahl auf die zu behandelnde Werkstückoberfläche gerichtet wird. Method for treating a workpiece surface with the device described above, in which an atmospheric plasma jet is generated with the plasma nozzle and emerges from the nozzle opening of the plasma nozzle, the plasma jet interacting with, in particular grazing, the contact surface of the deflecting element, and using the plasma jet the workpiece surface to be treated is straightened.
Durch das oben genannte Verfahren kann der zur Behandlung der Through the above procedure, the treatment of the
Werkstückoberfläche verwendete Plasmastrahl gezielt beeinflusst werden, beispielsweise vergleichmäßigt werden. Aufgrund der beschriebenen Modellierbarkeit des Plasmastrahls, insbesondere seiner räumlichen Verteilung und damit seiner Intensität kann zudem erreicht werden, den Plasmastrahl punktgenau auf bestimmte Bereiche einer Werkstückoberfläche zu richten oder die The plasma beam used can be influenced in a targeted manner, for example, be made more even. On the basis of the described modeling ability of the plasma jet, in particular its spatial distribution and thus its intensity, it can also be achieved to direct the plasma jet precisely onto certain areas of a workpiece surface or the
Plasmabehandlung der Werkstückoberfläche zu homogenisieren. Homogenize plasma treatment of the workpiece surface.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird unter einer Behandlung einer Within the scope of this description, a treatment of a
Werkstückoberfläche mit einem Plasmastrahl insbesondere eine Workpiece surface with a plasma jet in particular one
Oberflächenvorbehandlung verstanden, durch die die Oberflächenspannung verändert und eine bessere Benetzbarkeit der Werkstückoberfläche mit Fluiden erreicht wird. Unter einer Behandlung der Werkstückoberfläche wird weiterhin auch eine Oberflächenbeschichtung verstanden, insbesondere indem durch Zugabe von mindestens einem Precursor in den Plasmastrahl eine Oberflächenbeschichtung durch eine im Plasmastrahl und/oder auf der Werkstückoberfläche stattfindende chemische Reaktion erreicht wird, wobei zumindest ein Teil der chemischen Produkte Understanding surface pretreatment, by means of which the surface tension is changed and better wettability of the workpiece surface with fluids is achieved. A treatment of the workpiece surface is furthermore also understood to mean a surface coating, in particular in that a surface coating is achieved by adding at least one precursor to the plasma jet by means of a chemical reaction taking place in the plasma jet and / or on the workpiece surface, at least some of the chemical products
abgeschieden wird. Unter einer Behandlung einer Werkstückoberfläche wird weiterhin auch eine Reinigung, Desinfizierung oder Sterilisierung der is deposited. Treatment of a workpiece surface also includes cleaning, disinfection or sterilization of the
Werkstückoberfläche verstanden. Workpiece surface understood.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens beschrieben, wobei die einzelnen Ausführungsformen jeweils unabhängig voneinander für die Vorrichtung und das Verfahren gelten. Darüber hinaus sind die Ausführungsformen untereinander kombinierbar. Various embodiments of the device and of the method are described below, the individual embodiments applying to the device and the method independently of one another. In addition, the embodiments can be combined with one another.
Bei einer Ausführungsform besteht das Ablenkelement aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus Glas oder Keramik. Es wurde festgestellt, dass auf diese Weise der Energieverlust des Plasmastrahls durch die Wechselwirkung mit dem Ablenkelement reduziert werden kann. Darüber hinaus weisen insbesondere Glas oder Keramik eine gute Robustheit bzw. Inertheit gegenüber dem Einfluss eines Plasmastrahls auf. Glas oder Keramik sind darüber hinaus hitzebeständig. Das In one embodiment, the deflection element consists of an electrically insulating material, in particular glass or ceramic. It has been found that the energy loss of the plasma beam can be reduced in this way through the interaction with the deflection element. In addition, glass or ceramic, in particular, have good robustness or inertness with regard to the influence of a plasma jet. Glass or ceramics are also heat-resistant. The
Ablenkelement kann vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material, wie zum Beispiel Glas oder Keramik, bestehen oder alternativ mit einem solchen Material beschichtet sein. Deflection element can be made entirely of an electrically insulating material such as Example, glass or ceramic, or alternatively be coated with such a material.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Ablenkelement stabförmig ausgebildet, insbesondere in Form eines Zylinders oder Mehrkantstabs. Das Ablenkelement kann beispielsweise die Form eines Zylinders, Rohres, Vierkantstabs, Sechskantstabs oder eine andere Stabform aufweisen, bei der eine konvex gekrümmte Kontaktfläche vorgesehen ist. Bei einem Zylinder- bzw. rohrförmigen Stab ist die gesamte In a further embodiment, the deflection element is rod-shaped, in particular in the form of a cylinder or polygonal rod. The deflection element can have, for example, the shape of a cylinder, tube, square rod, hexagonal rod or another rod shape in which a convexly curved contact surface is provided. In the case of a cylindrical or tubular rod, the entire
Außenfläche konvex gekrümmt, so dass jeder Abschnitt der Außenfläche als Outer surface is convexly curved, so that each section of the outer surface as
Kontaktfläche eingesetzt werden kann. Bei einem Mehrkantstab bildet eine Kante eine konvex gekrümmte Kontaktfläche, typischerweise mit sehr kleinem Contact surface can be used. In the case of a polygonal rod, one edge forms a convexly curved contact surface, typically with a very small one
Krümmungsradius. Es sind sowohl Massiv- als auch Hohlstäbe denkbar, wobei sich Hohlstäbe einfacher kühlen lassen, indem zum Beispiel ihr Inneres von einem Radius of curvature. Both solid and hollow bars are conceivable, whereby hollow bars can be cooled more easily, for example, by the inside of one
Kühlmedium durchströmt werden kann. Coolant can be flowed through.
Bei einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich das Ablenkelement quer zur Richtung der Düsenöffnung. Unter der Richtung der Düsenöffnung wird die Richtung des letzten Abschnitts des Innenkanals der Plasmadüse zur Düsenöffnung verstanden, die die Richtung des aus der Düsenöffnung austretenden Plasmastrahls vorgibt, wenn dieser nicht durch das Ablenkelement beeinflusst würde. Bei der oben genannten Ausführungsform erstreckt sich das Ablenkelement quer zu dieser Richtung. Auf diese Weise konnte eine starke Ablenkung des Plasmastrahls erreicht werden. In a further embodiment, the deflection element extends transversely to the direction of the nozzle opening. The direction of the nozzle opening is understood to mean the direction of the last section of the inner channel of the plasma nozzle to the nozzle opening, which specifies the direction of the plasma jet emerging from the nozzle opening if it were not influenced by the deflection element. In the embodiment mentioned above, the deflection element extends transversely to this direction. In this way, a strong deflection of the plasma beam could be achieved.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Ablenkelement verstellbar ausgebildet, um die Positionierung des Ablenkelements zur Düsenöffnung zu verändern. Auf diese Weise kann die Beeinflussung des Plasmastrahls durch das Ablenkelement In a further embodiment, the deflection element is designed to be adjustable in order to change the positioning of the deflection element in relation to the nozzle opening. In this way, the deflection element can influence the plasma beam
bedarfsgemäß eingestellt werden. Insbesondere lässt sich auf diese Weise die Größe der konvex gekrümmten Kontaktfläche des Ablenkelements, der im Betrieb mit dem Plasmastrahl wechselwirkt, beeinflussen. Die Größe der im Betrieb mit dem be adjusted as required. In particular, the size of the convexly curved contact surface of the deflection element, which interacts with the plasma beam during operation, can be influenced in this way. The size of the in use with the
Plasmastrahl wechselwirkenden Kontaktfläche beeinflusst maßgeblich die Art und Intensität der Ablenkung des Plasmastrahls. Insbesondere der Ablenkwinkel, d.h. der Winkel zwischen der Richtung der Düsenöffnung und dem abgelenkten Plasmastrahl, ist von der Position des Ablenkelements zur Düsenöffnung abhängig. Plasma jet interacting contact area significantly influences the type and intensity of the deflection of the plasma jet. In particular the deflection angle, ie the Angle between the direction of the nozzle opening and the deflected plasma jet depends on the position of the deflecting element relative to the nozzle opening.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Kontaktfläche einen Krümmungsradius von höchstens 2 mm auf. Es hat sich herausgestellt, dass ein Plasmastrahl bei In a further embodiment, the contact surface has a radius of curvature of at most 2 mm. It has been found that a plasma jet at
Wechselwirkung mit einer konvex gekrümmten Kontaktfläche mit einem Interaction with a convexly curved contact surface with a
Krümmungsradus von höchstens 2 mm von der Kontaktfläche weggebogen wird. Eine Kontaktfläche mit einem Krümmungsradius von höchstens 2 mm kann beispielsweise durch Verwendung eines zylinderförmigen Ablenkelements mit einem Durchmesser von höchstens 4 mm (d.h. mit einem Radius von höchstens 2 mm) erreicht werden. Radius of curvature of at most 2 mm is bent away from the contact surface. A contact surface with a radius of curvature of at most 2 mm can be achieved, for example, by using a cylindrical deflection element with a diameter of at most 4 mm (i.e. with a radius of at most 2 mm).
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Kontaktfläche einen Krümmungsradius von mehr als 2 mm auf. Es hat sich herausgestellt, dass ein Plasmastrahl bei In a further embodiment, the contact surface has a radius of curvature of more than 2 mm. It has been found that a plasma jet at
Wechselwirkung mit einer konvex gekrümmten Kontaktfläche mit einem Interaction with a convexly curved contact surface with a
Krümmungsradius von mehr als 2 mm zur Kontaktfläche hingebogen wird. Eine Kontaktfläche mit einem Krümmungsradius von mehr als 2 mm kann beispielsweise durch Verwendung eines zylinderförmigen Ablenkelements mit einem Durchmesser von höchstens 4 mm (d.h. mit einem Radius von mehr als 2 mm) erreicht werden. Radius of curvature of more than 2 mm is bent towards the contact surface. A contact surface with a radius of curvature of more than 2 mm can be achieved, for example, by using a cylindrical deflection element with a diameter of at most 4 mm (i.e. with a radius of more than 2 mm).
Mit der den beiden vorhergehenden Ausführungsformen zu Grunde liegenden With the basis of the two previous embodiments
Erkenntnis ist es mit der beschriebenen Vorrichtung möglich, einen Plasmastrahl abhängig vom Krümmungsradius der Kontaktfläche eines Ablenkelements in die gewünschte Richtungen zu lenken. Dies lässt sich für eine Vielzahl von Anwendungen und Möglichkeiten nutzen. Knowledge is possible with the described device to steer a plasma beam in the desired directions depending on the radius of curvature of the contact surface of a deflecting element. This can be used for a variety of applications and possibilities.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist im Bereich der Düsenöffnung ein weiteres Ablenkelement mit einer konvex gekrümmter Kontaktfläche derart positioniert, dass der Plasmastrahl beim Betrieb der Plasmadüse mit der Kontaktfläche des weiteren Ablenkelements wechselwirkt, insbesondere diese streift. Durch die Verwendung mehrerer Ablenkelemente kann der Plasmastrahl von verschiedenen Seiten beeinflusst werden, wodurch eine gezieltere Beeinflussung der Richtung und/oder der Form des Plasmastrahls bzw. der bewirkten Behandlung auf der Oberfläche erreicht werden kann. Die Kontaktfläche des Ablenkelements und des weiteren Ablenkelements können den gleichen Krümmungsradius oder verschiedene In a further embodiment, a further deflection element with a convexly curved contact surface is positioned in the region of the nozzle opening in such a way that the plasma jet interacts with the contact surface of the further deflection element during operation of the plasma nozzle, in particular grazes it. By using several deflection elements, the plasma beam can be influenced from different sides, thereby influencing the direction and / or in a more targeted manner the shape of the plasma jet or the treatment effected on the surface can be achieved. The contact surface of the deflecting element and the further deflecting element can have the same radius of curvature or different ones
Krümmungsradien aufweisen. Weiterhin sind auch mehr als zwei Ablenkelemente denkbar. Have radii of curvature. Furthermore, more than two deflection elements are also conceivable.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind das Ablenkelement und das weitere In a further embodiment, the deflecting element and the other
Ablenkelement auf gegenüberliegenden Seiten der Düsenöffnung positioniert. Der Plasmastrahl tritt im Betrieb dann zwischen den beiden Ablenkelementen aus. Auf diese Weise kann der Plasmastrahl auf zwei gegenüberliegenen Seiten beeinflusst werden. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Vorrichtung relativ zu einer zu behandelnden Werkstückoberfläche bewegt wird. Durch entsprechende Ausrichtung der Bewegungsrichtung und dem Verlauf der Ablenkelemente kann damit eine Beeinflussung des Plasmastrahls durch die Ablenkelemente entweder in Deflector positioned on opposite sides of the nozzle opening. The plasma jet then emerges between the two deflection elements during operation. In this way, the plasma beam can be influenced on two opposite sides. This is advantageous, for example, if the device is moved relative to a workpiece surface to be treated. By appropriately aligning the direction of movement and the course of the deflection elements, an influencing of the plasma beam by the deflection elements can thus either
Bewegungsrichtung oder quer dazu erreicht werden. Direction of movement or across it can be achieved.
Bei Verwendung von Ablenkelementen, die den Plasmastrahl in Richtung deren jeweiliger Kontaktflächen biegen, lässt sich der Plasmatrahl in einer Ebene aufweiten. Bei Verwendung von Ablenkelementen, die den Plasmastrahl von deren jeweiligen Kontaktflächen wegbiegen, lässt sich der Plasmatrahl in einer Ebene fokussieren. Das Ablenkelement und das weitere Ablenkelement können beispielsweise parallel zueinander ausgerichtet sein. When using deflection elements that bend the plasma jet in the direction of their respective contact surfaces, the plasma jet can be expanded in one plane. When using deflection elements that bend the plasma beam away from their respective contact surfaces, the plasma beam can be focused in one plane. The deflection element and the further deflection element can, for example, be aligned parallel to one another.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind das Ablenkelement und das weitere In a further embodiment, the deflecting element and the other
Ablenkelement derart an der Düsenöffnung positioniert, dass die Deflection element positioned at the nozzle opening such that the
Erstreckungsrichtung des Ablenkelements und die Erstreckungsrichtung des weiteren Ablenkelements in einem Winkel zueinander verlaufen, vorzugsweise in rechtem Winkel. Diese Anordnung der Ablenkelemente ermöglicht es, weitere Beeinflussungen des Plasmastrahls zu realisieren. Wird die Vorrichtung zum Beispiel relativ zu einer zu behandelnden Werkstückoberfläche bewegt, so kann auf diese Weise zum Beispiel eine Beeinflussung des Plasmastrahls durch die Ablenkelemente sowohl in The direction of extension of the deflecting element and the direction of extension of the further deflecting element run at an angle to one another, preferably at a right angle. This arrangement of the deflection elements makes it possible to further influence the plasma beam. For example, if the device is moved relative to a workpiece surface to be treated, this can be done, for example an influence on the plasma beam by the deflection elements both in
Bewegungsrichtung als auch quer dazu erreicht werden. Direction of movement as well as transverse to it can be achieved.
Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die Kontaktfläche des Ablenkelements und die Kontaktfläche des weiteren Ablenkelements unterschiedliche Krümmungen auf. Wie vorhergehend beschrieben, bewirken unterschiedliche Krümmungen von Kontaktflächen unterschiedliche Ablenkungen eines Plasmastrahls bei In a further embodiment, the contact surface of the deflection element and the contact surface of the further deflection element have different curvatures. As previously described, different curvatures of contact surfaces cause different deflections of a plasma beam
Wechselwirkung des Plasmastrahls mit den jeweiligen Kontaktflächen. Durch die Verwendung von Ablenkelementen mit Kontaktflächen unterschiedlicher Krümmung kann der Plasmastrahl flexibel beeinflusst werden. Beispielsweise kann der Interaction of the plasma jet with the respective contact surfaces. The plasma beam can be flexibly influenced by using deflection elements with contact surfaces of different curvature. For example, the
Plasmastrahl in einer Ebene aufgeweitet und in einer anderen Ebene fokussiert werden. Plasma beam can be expanded in one level and focused in another level.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Plasmadüse einen im Betrieb um eine Rotationsachse rotierenden Düsenkopf auf, wobei der Düsenkopf die Düsenöffnung aufweist. Auf diese Weise kann der Plasmastrahl über eine größere Fläche verteilt werden. Die ein oder mehreren Ablenkelemente können so positioniert sein, dass deren Kontaktflächen durchgehend oder zeitweise, mit dem Plasmastrahl wechselwirken. Die Plasmadüse kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, dass der Düsenkopf im Betrieb mit einer Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 1000 bis 5600 Umdrehungen pro Minute rotiert. Die Verwendung hoher In a further embodiment, the plasma nozzle has a nozzle head which rotates around an axis of rotation during operation, the nozzle head having the nozzle opening. In this way, the plasma jet can be distributed over a larger area. The one or more deflection elements can be positioned in such a way that their contact surfaces interact continuously or temporarily with the plasma jet. The plasma nozzle can, for example, be set up so that the nozzle head rotates during operation at a rotational speed in the range from 1000 to 5600 revolutions per minute. The use of high
Rotationsgeschwindigkeiten hat eine homogenere Verteilung des Plasmastrahls auf einer Fläche, beispielsweise einer Werkstückoberfläche zur Folge. Rotation speeds result in a more homogeneous distribution of the plasma jet on a surface, for example a workpiece surface.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung mit rotierendem Düsenkopf verläuft die Richtung der Düsenöffnung unter einem Winkel zur Rotationsachse, und das Ablenkelement ist derart positioniert, dass der Plasmastrahl bei einer vollen Umdrehung des Düsenkopfs um die Rotationsachse zumindest zeitweise, In a further embodiment of the device with a rotating nozzle head, the direction of the nozzle opening runs at an angle to the axis of rotation, and the deflection element is positioned such that the plasma jet at least temporarily when the nozzle head is rotated fully about the axis of rotation,
vorzugsweise lediglich zeitweise, mit der Kontaktfläche des Ablenkelements wechselwirkt. Da die Richtung der Düsenöffnung unter einem Winkel zur preferably only intermittently interacts with the contact surface of the deflecting element. Since the direction of the nozzle opening is at an angle to
Rotationsachse verläuft, tritt der Plasmastrahl im Betrieb unter diesem Winkel aus der Düsenöffnung aus. In Kombination mit einer Rotation des Düsenkopfes um die Rotationsachse führt dies zu einem Plasmastrahl, der je nach momentaner The axis of rotation runs, the plasma jet emerges at this angle during operation the nozzle opening. In combination with a rotation of the nozzle head around the axis of rotation, this leads to a plasma jet which, depending on the current one
Rotationsstellung des Düsenkopfes in unterschiedliche Raumrichtungen austritt. Rotation position of the nozzle head emerges in different spatial directions.
Zusätzlich ist ein Ablenkelement mit einer konvex gekrümmten Kontaktfläche derart im Bereich der Düsenöffnung positioniert, dass der Plasmastrahl bei einer vollen Rotationsumdrehung des Düsenkopfs um die Rotationsachse zumindest zeitweise mit der Kontaktfläche des Ablenkelements wechselwirkt. Aufgrund dieser In addition, a deflecting element with a convexly curved contact surface is positioned in the region of the nozzle opening in such a way that the plasma jet interacts at least temporarily with the contact surface of the deflecting element when the nozzle head rotates fully around the axis of rotation. Based on these
Wechselwirkung wird der Plasmastrahl zumindest zeitweise abgelenkt, wobei die Ablenkrichtung wie oben beschrieben vom Krümmungsradius der Kontaktfläche abhängt. Auf diese Weise lässt sich der Plasmastrahl abhängig von der Interaction, the plasma beam is deflected at least temporarily, the direction of deflection being dependent on the radius of curvature of the contact surface, as described above. In this way, the plasma jet can be dependent on the
Rotationsstellung des Düsenkopfs beeinflussen. Dies ermöglicht es zum Beispiel, die Plasmabehandlung einer Oberfläche zu vergleichmäßigen, indem das bei einem rotierenden Plasmadüsenkopf auftretende Intensitätsminium des Plasmas in der Mitte der kreisförmigen Plasmaspur durch entsprechende Ablenkung des Affect the rotational position of the nozzle head. This makes it possible, for example, to even out the plasma treatment of a surface by reducing the intensity of the plasma occurring in a rotating plasma nozzle head in the center of the circular plasma track by correspondingly deflecting the
Plasmastrahls ausgeglichen wird. Plasma jet is balanced.
Insbesondere kann das Ablenkelement so positioniert sein, dass der aus der rotierenden Plasmadüse austretende Plasmastrahl lediglich dann mit der In particular, the deflection element can be positioned such that the plasma jet emerging from the rotating plasma nozzle only then coincides with the
Kontaktfläche des Ablenkelements wechselwirkt, wenn der Plasmastrahl in die entsprechende Raumrichtung des Ablenkelements gerichtet ist. Contact surface of the deflection element interacts when the plasma jet is directed in the corresponding spatial direction of the deflection element.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Düsenöffnung des Düsenkopfes exzentrisch zur Rotationsachse angeordnet. Auf diese Weise kann die In a further embodiment, the nozzle opening of the nozzle head is arranged eccentrically to the axis of rotation. In this way, the
Behandlungsspur des Plasmastrahl auf der zu behandelnden Oberfläche weiter vergrößert werden. Treatment trace of the plasma jet on the surface to be treated can be further enlarged.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Ablenkelement drehfest am Düsenkopf positioniert. Bei einer drehfesten Positionierung des Ablenkelements am Düsenkopf findet bei Wechselwirkung zwischen der Kontaktfläche des Ablenkelements und dem Plasmastrahl eine kontinuierliche, d.h. ständige Ablenkung des Plasmastrahls statt. Da das Ablenkelement bei einer Rotation des Düsenkopfes mitdreht, dreht sich auch die Richtung, in der der Plasmastrahl durch das Ablenkelement abgelenkt wird. Auf diese Weise kann derselbe Effekt erreicht werden, wie bei einer unter einem Winkel zur Rotationsachse verlaufenden Düsenöffnung. Demgegenüber hat die Verwendung des Ablenkelements den Vorteil, dass der Kontakt des Plasmastrahls mit der In a further embodiment, the deflection element is positioned in a rotationally fixed manner on the nozzle head. In the case of a rotationally fixed positioning of the deflection element on the nozzle head, there is a continuous, ie constant, deflection of the plasma beam upon interaction between the contact surface of the deflection element and the plasma jet. There the deflecting element also rotates when the nozzle head rotates, the direction in which the plasma jet is deflected by the deflecting element also rotates. In this way, the same effect can be achieved as with a nozzle opening running at an angle to the axis of rotation. In contrast, the use of the deflection element has the advantage that the contact of the plasma beam with the
Kanalwandung der Plasmadüse und damit der Energieverlust reduziert wird. Channel wall of the plasma nozzle and thus the energy loss is reduced.
Insbesondere kann die winklige Richtung des Plasmastrahls mit einer in Richtung der Plasmadüse verlaufenden Düsenöffnung erreicht werden. Weiterhin hat die In particular, the angular direction of the plasma jet can be achieved with a nozzle opening running in the direction of the plasma nozzle. Furthermore, the
Verwendung des Ablenkelements den Vorteil, dass der Düsenkopf kompakter ausgebildet werden kann als mit einer unter einem Winkel zur Rotationsachse verlaufenden Düsenöffnung, so dass mit dem Düsenkopf schwer zugängliche Bereiche eines Werkstücks besser erreicht werden können. Use of the deflecting element has the advantage that the nozzle head can be made more compact than with a nozzle opening running at an angle to the axis of rotation, so that areas of a workpiece that are difficult to access can be better reached with the nozzle head.
Die drehfeste Positionierung des Ablenkelements ist vorzugsweise derart verstellbar, dass die Kontaktfläche weiter zur Düsenöffnung bzw. davon weg positioniert werden kann. Auf diese Weise kann der Ablenkwinkel bedarfsgemäß eingestellt werden. Zusätzlich oder alternativ ist die drehfeste Positionierung des Ablenkelements vorzugsweise derart verstellbar, dass der Winkel der konvexen Kontaktfläche zur Düsenöffnung eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann ebenfalls Einfluss auf den Ablenkwinkel genommen werden. The rotationally fixed positioning of the deflecting element is preferably adjustable in such a way that the contact surface can be positioned further to or away from the nozzle opening. In this way, the deflection angle can be adjusted as required. Additionally or alternatively, the rotationally fixed positioning of the deflection element is preferably adjustable in such a way that the angle of the convex contact surface to the nozzle opening can be adjusted. In this way, the deflection angle can also be influenced.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Plasmadüse und die In one embodiment of the method, the plasma nozzle and the
Werkstückoberfläche in einer Bewegungsrichtung relativ zueinander bewegt und das Ablenkelement ist auf der Seite der Düsenöffnung in oder entgegen der Workpiece surface moved in a direction of movement relative to each other and the deflecting element is on the side of the nozzle opening in or against the
Bewegungsrichtung positioniert. Auf diese Weise kann der Plasmastrahl in der Ebene der Bewegungsrichtung beeinflusst werden, beispielsweise aufgeweitet, fokussiert oder vergleichmäßigt werden. Positioned in the direction of movement. In this way, the plasma beam can be influenced in the plane of the direction of movement, for example expanded, focused or evened out.
Bei der Behandlung einer Werkstückoberfläche wird in der Regel ein flächiger Teil der Werkstückoberfläche behandelt. Zu diesem Zweck wird die zu behandelnde When treating a workpiece surface, a flat part of the workpiece surface is usually treated. For this purpose, the one to be treated
Werkstückoberfläche mit dem Plasmastrahl in der Regel in Bahnen abgerastert. Dies geschieht entweder durch ein Verfahren der Plasmadüse, durch ein Verfahren des Werkstücks oder durch ein kombiniertes Verfahren von Plasmadüse und Werkstück. Die Richtung der aus diesem Verfahren resultierenden Relativbewegung wird im Folgenden als Bewegungsrichtung bezeichnet. The workpiece surface is usually scanned in paths with the plasma jet. This happens either by a process of the plasma nozzle, by a process of the workpiece or by a combined process of the plasma nozzle and workpiece. The direction of the relative movement resulting from this method is referred to below as the direction of movement.
Bei der Behandlung von Werkstückoberflächen mit einem Plasmastrahl können sich durch das Intensitätsprofil eines Plasmastrahls über seinen Querschnitt Unterschiede in der Intensität der Plasmabehandlung auf der Werkstückoberfläche ergeben, insbesondere quer zur Bewegungsrichtung. Bei Plasmabehandlungen mit rotierenden Düsenköpfen können Unterschiede in der Intensität der Plasmabehandlung insbesondere sowohl in als auch quer zur Bewegungsrichtung auftreten. Durch die Überlagerung der Rotation des Düsenkopfes und der Bewegung zwischen Plasmadüse und Werkstückoberfläche kommt es in der Behandlungsspur zu einer spiralförmigen Trajektorie des Plasmastrahls auf der Werkstückoberfläche. Dies führt insbesondere an den Rändern der Behandlungsspur (d.h. quer zur Behandlungsrichtung) zu einer Erhöhung der Behandlungsintensität. Weiterhin treten innerhalb der When treating workpiece surfaces with a plasma jet, the intensity profile of a plasma jet across its cross section can result in differences in the intensity of the plasma treatment on the workpiece surface, in particular transverse to the direction of movement. In plasma treatments with rotating nozzle heads, differences in the intensity of the plasma treatment can occur, particularly both in and across the direction of movement. The superimposition of the rotation of the nozzle head and the movement between the plasma nozzle and the workpiece surface results in a spiral trajectory of the plasma jet on the workpiece surface in the treatment track. This leads to an increase in treatment intensity, particularly at the edges of the treatment track (i.e. across the treatment direction). Continue to occur within the
Behandlungsspur Intensitätsminima zwischen den einzelnen Spiralen der Trajektorie auf. Diese Effekte führen zu Inhomogenitäten der Plasmabehandlung auf der Treatment track intensity minima between the individual spirals of the trajectory. These effects lead to inhomogeneities of the plasma treatment on the
Werkstückoberfläche. Workpiece surface.
Zum Erreichen einer verbesserten Homogenität der Plasmabehandlung auf der Werkstückoberfläche hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, ein In order to achieve an improved homogeneity of the plasma treatment on the workpiece surface, it has proven to be particularly advantageous
Ablenkelement auf der Seite der Düsenöffnung in Bewegungsrichtung und/oder ein Ablenkelement auf der Seite der Düsenöffnung entgegen der Bewegungsrichtung zu positionieren. Auf diese Weise kann der Plasmastrahl in der Ebene der To position the deflection element on the side of the nozzle opening in the direction of movement and / or a deflection element on the side of the nozzle opening in the opposite direction of movement. In this way, the plasma jet can be in the plane of the
Bewegungsrichtung so beeinflusst werden, dass eine homogenere Behandlung erreicht wird. Insbesondere kann der Plasmastrahl in der Ebene der Direction of movement can be influenced so that a more homogeneous treatment is achieved. In particular, the plasma jet in the plane of the
Bewegungsrichtung aufgeweitet werden, so dass ausgeprägten Intensitätsminima zwischen den einzelnen Spiralen der Trajektorie entgegengewirkt wird. Zu diesem Zweck ist der Krümmungsradius der Kontaktflächen vorzugsweise so bemessen, dass der Plasmastrahl zum jeweiligen Ablenkelement hingebogen wird. Insbesondere beträgt der Krümmungsradius der Kontaktfläche eines solchen Ablenkelements höchstens 2 mm. Movement direction are expanded so that pronounced intensity minima between the individual spirals of the trajectory is counteracted. For this purpose, the radius of curvature of the contact surfaces is preferably dimensioned such that the plasma beam is bent toward the respective deflection element. In particular the radius of curvature of the contact surface of such a deflection element is at most 2 mm.
Zum Erreichen einer verbesserten Homogenität der Plasmabehandlung auf der Werkstückoberfläche hat sich weiterhin als besonders vorteilhaft erwiesen, auf ein oder zwei Seiten der Düsenöffnung quer zur Bewegungsrichtung ein Ablenkelement zu positionieren. Auf diese Weise kann der Plasmastrahl in der Ebene quer zur Bewegungsrichtung so beeinflusst werden, dass eine homogenere Behandlung erreicht wird. Insbesondere kann der Plasmastrahl in der Ebene quer zur To achieve an improved homogeneity of the plasma treatment on the workpiece surface, it has also proven to be particularly advantageous to position a deflection element on one or two sides of the nozzle opening transversely to the direction of movement. In this way, the plasma jet in the plane transverse to the direction of movement can be influenced so that a more homogeneous treatment is achieved. In particular, the plasma jet in the plane transverse to
Bewegungsrichtung zur Mitte der Behandlungsspur abgelenkt werden, so dass Intensitätsmaxima am Rand der Behandlungsspur reduziert werden können. Zu diesem Zweck ist der Krümmungsradius der Kontaktflächen vorzugsweise so bemessen, dass der Plasmastrahl vom jeweiligen Ablenkelement weggebogen wird. Auf diese Weise wird der Plasmastrahl an den Rändern der Behandlungsspur zur Mitte gebogen, so dass die Intensitätsmaxima am Rand reduziert werden. Direction of movement to the center of the treatment track are deflected so that intensity maxima at the edge of the treatment track can be reduced. For this purpose, the radius of curvature of the contact surfaces is preferably dimensioned such that the plasma beam is bent away from the respective deflection element. In this way, the plasma beam is bent towards the center at the edges of the treatment track, so that the intensity maxima at the edge are reduced.
Insbesondere beträgt der Krümmungsradius der Kontaktfläche eines solchen In particular, the radius of curvature of the contact surface is such
Ablenkelements mehr als 2 mm. Deflection elements more than 2 mm.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die beiden zuletzt beschriebenen Ausführungsformen kombiniert. Zu diesem Zweck werden In a further embodiment of the method, the two last-described embodiments are combined. For this purpose
vorzugsweise zwei Ablenkelemente auf der Seite der Düsenöffnung in und entgegen der Bewegungsrichtung positioniert und zwei weitere Ablenkelemente werden auf den Seiten der Düsenöffnung quer zur Bewegungsrichtung positioniert. Die preferably two deflection elements are positioned on the side of the nozzle opening in and against the direction of movement and two further deflection elements are positioned on the sides of the nozzle opening transversely to the direction of movement. The
Krümmungsradien der Kontaktflächen der Ablenkelemente auf den Seiten in und entgegen der Bewegungsrichtung sind vorzugsweise größer als die Krümmungsradien der Kontaktflächen der Ablenkelemente auf den Seiten quer zur Bewegungsrichtung. Radii of curvature of the contact surfaces of the deflection elements on the sides in and against the direction of movement are preferably greater than the radii of curvature of the contact surfaces of the deflection elements on the sides transverse to the direction of movement.
Weitere Merkmale und Vorteile der Vorrichtung sowie des Verfahrens zur Other features and advantages of the device and the method for
Behandlung einer Werkstückoberfläche mit einer solchen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen Treatment of a workpiece surface with such a device result from the following description of exemplary embodiments, reference being made to the attached drawing. Show in the drawing
Fig. la-b ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Behandlung einer Fig. La-b a first embodiment of the device for treating a
Werkstückoberfläche, Workpiece surface,
Fig. 2a-b ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Behandlung einer 2a-b a second embodiment of the device for treating a
Werkstückoberfläche, Workpiece surface,
Fig. 3a-c ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und ein 3a-c another embodiment of the device and a
Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Behandlung einer Werkstückoberfläche, Embodiment of the method for treating a workpiece surface,
Fig. 4a-c ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und ein Fig. 4a-c another embodiment of the device and a
Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Behandlung einer Werkstückoberfläche, Embodiment of the method for treating a workpiece surface,
Fig. 5a-c Darstellung der Behandlungspur und Intensitätsprofile bei rotierendem Fig. 5a-c representation of the treatment track and intensity profiles with rotating
Düsenkopf, Nozzle head,
Fig. 6 Versuchsergebnisse von Kontaktwinkelmessungen, 6 test results of contact angle measurements,
Fig. 7 eine Plasmadüse mit schräger Düsenöffnung und Fig. 7 is a plasma nozzle with angled nozzle opening and
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Behandlung einer Fig. 8 shows another embodiment of the device for treating a
Werkstückoberfläche. Workpiece surface.
In der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele werden einander entsprechende Bauteile zum Teil mit gleichen Bezugszeichen versehen, auch wenn die Bauteile bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen in ihrer Dimension oder Form Unterschiede aufweisen können. Fig. la und lb zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 2 mit einer Plasmadüse 4, die zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls 6 eingerichtet ist. Die Plasmadüse 4 weist eine Düsenöffnung 8 auf, aus der im Betrieb der In the following description of various exemplary embodiments, components that correspond to one another are partially provided with the same reference numerals, even if the components in the various exemplary embodiments can have differences in their dimensions or shape. FIGS. 1 a and 1 b show a first exemplary embodiment of the device 2 with a plasma nozzle 4, which is set up for generating an atmospheric plasma jet 6. The plasma nozzle 4 has a nozzle opening 8 from which the
Plasmastrahl 6 austritt. Im Bereich der Düsenöffnung 8 ist ein Ablenkelement 10 mit einer konvex gekrümmten Kontaktfläche 12 verstellbar angebracht. Beispielsweise kann das Ablenkelement 10 direkt oder über ein Halteelement (nicht dargestellt) mit der Plasmadüse verbunden sein. Das Ablenkelement 10 ist im vorliegenden Beispiel in Form eines zylindrischen Stabs ausgebildet. Die konvex gekrümmte Kontaktfläche 12 wird entsprechend von der Oberfläche des Stabes 10 gebildet. Die Plasma jet 6 emerges. A deflection element 10 with a convexly curved contact surface 12 is adjustably mounted in the region of the nozzle opening 8. For example, the deflection element 10 can be connected to the plasma nozzle directly or via a holding element (not shown). In the present example, the deflection element 10 is designed in the form of a cylindrical rod. The convexly curved contact surface 12 is correspondingly formed by the surface of the rod 10. The
Erstreckungsrichtung des Ablenkelements 10 verläuft in die Papierebene hinein und das Material des Ablenkelements besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere Glas oder Keramik. Das Ablenkelement weist im vorliegenden Beispiel einen Krümmungsradius von höchstens 2 mm auf. The direction of extension of the deflecting element 10 extends into the plane of the paper and the material of the deflecting element consists of an electrically insulating material, in particular glass or ceramic. In the present example, the deflection element has a radius of curvature of at most 2 mm.
Im Vergleich zwischen Fig. la und lb ist der Effekt der Ablenkung durch die In the comparison between Fig. La and lb is the effect of the distraction by
Wechselwirkung von Plasmastrahl 6 und Kontaktfläche 12 erkennbar ln Fig. la ist das Ablenkelement 10 seitlich versetzt vom Plasmastrahl 6 angeordnet, so dass die Kontaktfläche 12 und der Plasmastrahl 6 nicht miteinander wechselwirken. Der Plasmastrahl 6 verlässt die Düsenöffnung 8 in Richtung der Düsenöffnung 8. ln Fig. lb ist das Ablenkelement 10 nach links verschoben positioniert, so dass der Plasmastrahl 6 die Kontaktfläche 12 streift. Es wurde festgestellt, dass dadurch eine Ablenkung von dem Ablenkelements 10 weg stattfindet, wenn die konvex gekrümmte Kontaktfläche 12 des Ablenkelements 10 einen Krümmungsradius von höchstes 2 mm aufweist. Interaction of plasma beam 6 and contact surface 12 can be seen in FIG. 1 a, the deflection element 10 is arranged laterally offset from the plasma beam 6, so that the contact surface 12 and the plasma beam 6 do not interact with one another. The plasma jet 6 leaves the nozzle opening 8 in the direction of the nozzle opening 8. In FIG. 1b, the deflection element 10 is positioned displaced to the left, so that the plasma jet 6 grazes the contact surface 12. It was found that deflection away from the deflection element 10 takes place when the convexly curved contact surface 12 of the deflection element 10 has a radius of curvature of at most 2 mm.
Ein ähnlicher Effekt ließe sich erzielen, wenn anstelle des zylindrischen A similar effect could be achieved if instead of the cylindrical one
Ablenkelements 10 die Kante eines Mehrkantstabes analog zu Fig. lb mit dem Deflection element 10 the edge of a polygonal rod analogous to Fig. Lb with the
Plasmastrahl 6 in Wechselwirkung gebracht wird. Die Kante des Mehrkantstabes entspricht einer Kontaktfläche 12 mit einem sehr kleinen Krümmungsradius von höchstens 2 mm. Plasma beam 6 is brought into interaction. The edge of the polygonal bar corresponds to a contact surface 12 with a very small radius of curvature of at most 2 mm.
Fig. 2a bis 2b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2‘, wobei gegenüber den Fig. la bis lb ein Ablenkelement 10" mit einem größeren Krümmungsradius der konvex gekrümmten Kontaktfläche 12 verwendet wurde. Der Krümmungsradius beträgt nun mehr als 2 mm. Fig. 2a bietet ein ähnliches Bild wie Fig. la, da keine Wechselwirkung zwischen Plasmastrahl 6 und Kontaktfläche 12 stattfindet. 2a to 2b show a second exemplary embodiment of a device 2 'according to the invention, a deflection element 10 "having a larger radius of curvature of the convexly curved contact surface 12 being used compared to FIGS. 1a to 1b. The radius of curvature is now more than 2 mm. 2a offers a similar image to FIG. La, since there is no interaction between the plasma jet 6 and the contact surface 12.
Fig. 2b zeigt, wie der Plasmastrahl 6 mit der Kontaktfläche 12 wechselwirkt, wobei die Kontaktfläche 12 einen Krümmungsradius von mehr als 2 mm aufweist. Es wurde festgestellt, dass sich der Plasmastrahl 6 in diesem Fall um das Ablenkelement 10" herum legt, d.h. es findet eine Ablenkung des Plasmastrahls 6 in Richtung des 2b shows how the plasma jet 6 interacts with the contact surface 12, the contact surface 12 having a radius of curvature of more than 2 mm. It was found that in this case the plasma beam 6 lies around the deflection element 10 ", i.e. there is a deflection of the plasma beam 6 in the direction of the
Ablenkelements 10" statt. Deflection elements 10 "instead.
Auf diese Weise lässt sich der Plasmastrahl 6 durch Positionierung eines geeigneten Ablenkelements mit einer konvex gekrümmten Kontaktfläche im Bereich der In this way, the plasma jet 6 can be positioned by positioning a suitable deflection element with a convexly curved contact surface in the region of the
Düsenöffnung 8 in gewünschter Weise beeinflussen, insbesondere ablenken. Influence the nozzle opening 8 in the desired manner, in particular deflect it.
Die Fig. 3a bis 3c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 2" und ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Behandlung einer Werkstückoberfläche 18 mit der Vorrichtung 2". Die Plasmadüse 4' (nur ausschnittsweise gezeigt) der Vorrichtung 2" weist einen im Betrieb um eine Rotationsachse 14 rotierenden Düsenkopf 16 auf, wobei der Düsenkopf 16 die Düsenöffnung 8 aufweist. Die 3a to 3c show a further exemplary embodiment of a device 2 "and an exemplary embodiment of the method for treating a workpiece surface 18 with the device 2". The plasma nozzle 4 ′ (only shown in sections) of the device 2 ″ has a nozzle head 16 rotating during operation about an axis of rotation 14, the nozzle head 16 having the nozzle opening 8
Düsenöffnung 8 verläuft unter einem Winkel zur Rotationsachse 14, so dass der Plasmastrahl in Bezug auf die Rotationsachse 14 schräg aus der Düsenöffnung 8 austritt. Nozzle opening 8 extends at an angle to the axis of rotation 14, so that the plasma jet exits the nozzle opening 8 obliquely with respect to the axis of rotation 14.
Weiter weist die Vorrichtung ein Ablenkelement 10 und ein weiteres Ablenkelement 10' auf, wobei die beiden Ablenkelemente 10, 10' jeweils konvex gekrümmte Kontaktflächen 12 aufweisen, deren Krümmungsradius höchstens 2 mm beträgt. Im Betrieb wechselwirkt - abhängig von der Rotationsposition des Düsenkopfs 16 - zeitweise jeweils eine der Kontaktflächen 12 der Ablenkelemente 10, 10’ mit dem Plasmastrahl 6. Es findet weiter eine Relativbewegung zwischen der Vorrichtung 2" und einer zu behandelnden Werkstückoberfläche 18 statt. Die Richtung der Furthermore, the device has a deflection element 10 and a further deflection element 10 ', the two deflection elements 10, 10' each being convexly curved Have contact surfaces 12 whose radius of curvature is at most 2 mm. During operation - depending on the rotational position of the nozzle head 16 - one of the contact surfaces 12 of the deflecting elements 10, 10 'interacts with the plasma jet 6 at times. There is also a relative movement between the device 2 "and a workpiece surface 18 to be treated. The direction of the
Relativbewegung (Bewegungsrichtung) ist durch den Pfeil 20 dargestellt. Die Relative movement (direction of movement) is represented by arrow 20. The
Erstreckungsrichtungen der Ablenkelemente 10, 10' sind parallel zur Extending directions of the deflection elements 10, 10 'are parallel to
Bewegungsrichtung angeordnet. Direction of movement arranged.
Fig. 3a zeigt eine erste Momentaufnahme des Verfahrens, bei dem die 3a shows a first snapshot of the method in which the
Rotationsstellung des Düsenkopfes 16 derart ist, dass der Plasmastrahl 6 mit der Kontaktfläche 12 des weiteren Ablenkelements 10' wechselwirkt und durch diese abgelenkt wird. Die Ablenkung erfolgt von dem Ablenkelement weg ins Zentrum des durch die Rotation um die Rotationsachse 14 beschriebenen Kreises. The rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 interacts with the contact surface 12 of the further deflecting element 10 'and is deflected by the latter. The deflection takes place away from the deflection element into the center of the circle described by the rotation about the axis of rotation 14.
Fig. 3b zeigt eine zweite Momentaufnahme des Verfahrens, bei dem die 3b shows a second snapshot of the method in which the
Rotationsstellung des Düsenkopfes 16 derart ist, dass der Plasmastrahl 6 mit keinem der Ablenkelemente 10, 10' wechselwirkt. Der schräg aus dem Düsenkopf austretende Plasmastrahl 6 trifft ohne eine Ablenkung durch Ablenkelemente auf die The rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 does not interact with any of the deflection elements 10, 10 '. The plasma jet 6 emerging obliquely from the nozzle head strikes without being deflected by deflection elements
Werkstückoberfläche 18. Workpiece surface 18.
Fig. 3c zeigt eine dritte Momentaufnahme des Verfahrens, bei dem die 3c shows a third snapshot of the method in which the
Rotationsstellung des Düsenkopfes 16 derart ist, dass der Plasmastrahl 6 mit dem der Kontaktfläche 12 des Ablenkelements 10 wechselwirkt und durch diese abgelenkt wird. Die Ablenkung erfolgt wiederum von dem Ablenkelement weg ins Zentrum des durch die Rotation um die Rotationsachse 14 beschriebenen Kreises. The rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 interacts with that of the contact surface 12 of the deflecting element 10 and is deflected by the latter. The deflection again takes place away from the deflection element into the center of the circle described by the rotation about the axis of rotation 14.
Durch die Ablenkelemente 10 und 10' der in Fig. 3a-c gezeigten Vorrichtung 2" wird der Plasmastrahl 6 damit jeweils an den Rändern der Behandlungsspur auf der Werkstückoberfläche 18 ins Zentrum gelenkt. Dadurch können die an den Rändern der Behandlungsspur auftretenden Intensitätsmaxima reduziert und die The deflection elements 10 and 10 ′ of the device 2 ″ shown in FIGS. 3a-c thus direct the plasma beam 6 into the center at the edges of the treatment track on the workpiece surface 18 the intensity maximum occurring on the treatment track is reduced and the
Oberflächenbehandlung homogenisiert werden. Surface treatment can be homogenized.
Die Fig. 4a-c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung und ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Behandlung einer 4a-c show a further exemplary embodiment of a device and a further exemplary embodiment of the method for treating a
Werkstückoberfläche 18 mit der Vorrichtung 2. Die Vorrichtung 2‘" weist einen Aufbau auf wie die Vorrichtung 2" aus Fig. 3a-c, wobei jedoch Ablenkelemente 10" und 10"' verwendet wurden, deren konvex gekrümmten Kontaktflächen 12 größere Krümmungsradien aufweisen. Die Krümmungsradien der Ablenkelemente 10" und 10"' betragen mehr als 2 mm. Weiterhin sind die Ablenkelemente 10", 10'" quer zur Bewegungsrichtung 20 ausgerichtet. Workpiece surface 18 with the device 2. The device 2 ″ ”has a structure like the device 2 ″ from FIGS. 3a-c, but using deflection elements 10 ″ and 10 ″ ′ whose convexly curved contact surfaces 12 have larger radii of curvature. The radii of curvature of the deflection elements 10 "and 10" 'are more than 2 mm. Furthermore, the deflection elements 10 ″, 10 ′ ″ are aligned transversely to the direction of movement 20.
Fig. 4a zeigt eine erste Momentaufnahme des Verfahrens, bei dem die 4a shows a first snapshot of the method in which the
Rotationsstellung des Düsenkopfes 16 derart ist, dass der Plasmastrahl 6 mit der Kontaktfläche 12 des weiteren Ablenkelements 10'" wechselwirkt und durch diese abgelenkt wird. Die Ablenkung erfolgt in Richtung des Ablenkelements, aus dem Zentrum des durch die Rotation um die Rotationsachse 14 beschriebenen Kreises heraus. The rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 interacts with and is deflected by the contact surface 12 of the further deflecting element 10 ″. The deflection takes place in the direction of the deflecting element, out of the center of the circle described by the rotation about the axis of rotation 14 .
Fig. 4b zeigt weiter eine zweite Momentaufnahme des Verfahrens, bei dem die Rotationsstellung des Düsenkopfes 16 derart ist, dass der Plasmastrahl 6 mit keinem der Ablenkelemente 10", 10'" wechselwirkt. Der schräg aus dem Düsenkopf 16 austretende Plasmastrahl 6 trifft ohne eine Ablenkung durch Ablenkelemente auf die Werkstückoberfläche 18. 4b further shows a second snapshot of the method in which the rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 does not interact with any of the deflection elements 10 ", 10 '". The plasma jet 6 emerging obliquely from the nozzle head 16 strikes the workpiece surface 18 without being deflected by deflection elements.
Fig. 4c zeigt eine dritte Momentaufnahme des Verfahrens, bei dem die 4c shows a third snapshot of the method in which the
Rotationsstellung des Düsenkopfes 16 derart ist, dass der Plasmastrahl 6 mit der Kontaktfläche 12 des Ablenkelements 10" wechselwirkt und durch diese abgelenkt wird. Die Ablenkung erfolgt wiederum in Richtung des Ablenkelements, aus dem Zentrum des durch die Rotation um die Rotationsachse 14 beschriebenen Kreises heraus. Durch die Ablenkelemente 10" und 10"' der in Fig. 4a-c gezeigten Vorrichtung 2'" wird der Plasmastrahl 6 damit in der Ebene der Bewegungsrichtung 20 aus dem Zentrum heraus abgelenkt und dadurch aufgeweitet. Auf diese Weise können The rotational position of the nozzle head 16 is such that the plasma jet 6 interacts with the contact surface 12 of the deflecting element 10 ″ and is deflected by the latter. The plasma beam 6 is thus deflected out of the center in the plane of the direction of movement 20 and thereby widened by the deflection elements 10 "and 10"'of the device 2'"shown in FIGS. 4a-c. In this way, it is possible
Intensitätsminima in den Bereichen zwischen den vom Plasmastrahl in der Intensity minima in the areas between those of the plasma beam in the
Behandlungsspur durchfahrenen Spiralen auf der Werkstückoberfläche 18 Traces of treatment traversed by spirals on the workpiece surface 18
ausgeglichen bzw. verhindert und die Oberflächenbehandlung homogenisiert werden. balanced or prevented and the surface treatment are homogenized.
Ein weiteres, nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel wird durch Kombination der Vorrichtungen 2" aus Fig. 3a-c und 2‘" aus Fig. 4a-c erreicht. Eine solche Vorrichtung weist zwei Ablenkelemente 10, 10' mit Kontaktflächen mit kleinerem Another exemplary embodiment, not shown, is achieved by combining the devices 2 "from FIGS. 3a-c and 2" from FIGS. 4a-c. Such a device has two deflection elements 10, 10 'with contact surfaces with a smaller one
Krümmungsradius auf den Seiten der Düsenöffnung quer zur Bewegungsrichtung 20 und zwei weitere Ablenkelemente 10", 10'" mit Kontaktflächen mit größerem Radius of curvature on the sides of the nozzle opening transverse to the direction of movement 20 and two further deflection elements 10 ", 10 '" with contact surfaces with a larger one
Krümmungsradius auf den Seiten der Düsenöffnung 8 in und gegen der Radius of curvature on the sides of the nozzle opening 8 in and against the
Bewegungsrichtung 20 auf. Auf diese Weise kann eine Homogenisierung der Direction of movement 20 on. In this way, homogenization of the
Plasmabehandlung quer und in Bewegungsrichtung erreicht werden. Plasma treatment can be achieved transversely and in the direction of movement.
Fig. 5a zeigt schematisch die spiralförmige Trajektorie des Plasmastrahls 6 auf der Werkstückoberfläche 18, die sich durch die Überlagerung der Rotation des 5a schematically shows the spiral trajectory of the plasma jet 6 on the workpiece surface 18, which is characterized by the superimposition of the rotation of the
Düsenkopfs 16 und der Relativbewegung 20 (in Fig. 5a in y-Richtung) zwischen Vorrichtung 2" bzw. 2'" und Werkstückoberfläche 18 ergibt. Die Trajektorie (Linie) stellt den Auftreffpunkt der maximalen Plasmaintensität dar. Durch die spiralförmige Trajektorie ergibt sich eine relativ breite Behandlungsspur auf der Nozzle head 16 and the relative movement 20 (in FIG. 5a in the y direction) between device 2 "or 2 '" and workpiece surface 18. The trajectory (line) represents the point of impact of the maximum plasma intensity. The spiral trajectory results in a relatively wide treatment track on the
Werkstückoberfläche 18. Durch die Bewegungsrichtung (y) kommt es zu dem Effekt, dass die äußeren Bereiche der Behandlungsspur im Bereich der gestrichelten Linien intensiver mit dem Plasma behandelt werden, als es für die mittleren Bereiche der Behandlungsspur der Fall ist. Workpiece surface 18. The direction of movement (y) leads to the effect that the outer areas of the treatment track in the area of the dashed lines are treated more intensively with the plasma than is the case for the central areas of the treatment track.
Das führt zu der in Fig. 5b dargestellten Intensitätsverteilung, die zwei Maxima aufweisen, die in den äußeren Bereichen der Behandlungsspur, angedeutet mit den gestrichelten Linien, auftreten. Dazwischen kommt es nur zu einer merklich geringeren Intensität der Plasmabehandlung, so dass in der Mitte der Behandlungsspur ein Intensitätsminimum entsteht. This leads to the intensity distribution shown in FIG. 5b, which have two maxima which occur in the outer regions of the treatment track, indicated by the dashed lines. In between there is only one noticeable lower intensity of the plasma treatment, so that an intensity minimum arises in the middle of the treatment lane.
Bei einer Vorrichtung 2" gemäß Fig. 3a-c wird der rotierende Plasmastrahl 6 durch die Ablenkelemente 10, 10' an den Rändern der Behandlungsspur nach innen abgelenkt, so dass eine gleichmäßigere Plasmabehandlung entlang der In a device 2 "according to FIGS. 3a-c, the rotating plasma jet 6 is deflected inwards by the deflecting elements 10, 10 'at the edges of the treatment track, so that a more uniform plasma treatment along the
Behandlungsspur erreicht wird. Dieses wird in Fig. 5c durch das Intensitätsprofil dargestellt, das im Gegensatz zu Fig. 5b eine ebene, bzw. nur noch leicht wellige Form eines Plateaus einnimmt. Wenn nebeneinander liegende Behandlungsspuren dann so überlappend auf die Werkstückoberfläche 18 gebracht werden, dass in den Treatment track is reached. This is represented in FIG. 5c by the intensity profile which, in contrast to FIG. 5b, assumes a flat or only slightly wavy shape of a plateau. If treatment traces lying next to one another are then brought overlapping onto the workpiece surface 18 in such a way that the
Überlappungsbereichen aufsummiert die Intensität des Plateaus erreicht wird, dann wird die Werkstückoberfläche 18 insgesamt gleichmäßiger durch den Plasmastrahl 6 behandelt, als es bisher im Stand der Technik möglich gewesen ist. Dies kann vorliegend insbesondere auch durch das Vorsehen der in Fig. 4a-c gezeigten Summed up overlap areas, the intensity of the plateau is reached, then the workpiece surface 18 is treated more uniformly by the plasma jet 6 than was previously possible in the prior art. In the present case, this can in particular also be provided by providing those shown in FIGS. 4a-c
Ablenkelemente 10", 10"' erreicht werden, die den Plasmastrahl bzw. dessen Spur auf der Werkstückoberfläche bei einer Umdrehung des Düsenkopfs 16 verbreitern. Deflection elements 10 ″, 10 ″ ′ can be achieved, which widen the plasma jet or its trace on the workpiece surface during one revolution of the nozzle head 16.
Um die Homogenisierung der Plasmabehandlung bei Verwendung einer Vorrichtung mit Ablenkelementen 10, 10' aus Fig. 3 und Ablenkelementen 10", 10'" aus Fig. 4 zu untersuchen, wurden Versuche mit Kontaktwinkelmessungen durchgeführt. Derartige Kontaktwinkelmessungen erlauben eine Aussage über die Stärke und die In order to investigate the homogenization of the plasma treatment when using a device with deflection elements 10, 10 'from FIG. 3 and deflection elements 10 ", 10'" from FIG. 4, tests with contact angle measurements were carried out. Such contact angle measurements allow a statement about the strength and the
Homogenität der Plasmabehandlung. Bei der Kontaktwinkelmessung werden Homogeneity of the plasma treatment. When measuring the contact angle
(Wasser-)Tropfen auf die behandelte Werkstückoberfläche 18 gegeben und der Kontaktwinkel des Tropfens zur Werkstückoberfläche 18 gemessen. Je kleiner der gemessene Kontaktwinkel ist, desto stärker ist die am Ort des Tropfens erfolgte Plasmabehandlung. (Water) drops placed on the treated workpiece surface 18 and the contact angle of the drop to the workpiece surface 18 measured. The smaller the measured contact angle, the stronger the plasma treatment at the drop location.
Für die Versuche wurde die in Fig. 3a-c gezeigte Vorrichtung 2" verwendet, die zusätzlich zu den Ablenkelementen 10 und 10' (quer zur Bewegungsrichtung) noch die in Fig. 4a-c gezeigten Ablenkelemente 10" und 10'" (in/entgegen der The apparatus 2 "shown in FIGS. 3a-c was used for the experiments, which in addition to the deflection elements 10 and 10 '(transverse to the direction of movement) also the deflection elements 10" and 10' "shown in FIGS. 4a-c (in / contrary to
Bewegungsrichtung) aufwies. Mit dieser Vorrichtung wurde dann die Oberfläche einer ersten PE-Probe entlang einer Behandlungsspur behandelt. Weiterhin wurde die Oberfläche einer zweiten PE- Probe entlang einer Behandlungsspur behandelt, wobei die Ablenkelemente 10, 10', 10" und 10"' vor der Behandlung der zweiten PE-Probe entfernt wurden. Die Direction of movement). This device was then used to treat the surface of a first PE sample along a treatment track. Furthermore, the surface of a second PE sample was treated along a treatment track, the deflection elements 10, 10 ', 10 "and 10"' being removed before the treatment of the second PE sample. The
Behandlungsparameter für die beiden PE-Proben (insbesondere Abstand zwischen Plasmadüse 4 und Werkstückoberfläche 18 sowie deren Relativgeschwindigkeit zueinander, Plasmaenergie, Rotationsgeschwindigkeit des Düsenkopfes 16, usw.) waren ansonsten gleich. Treatment parameters for the two PE samples (in particular the distance between the plasma nozzle 4 and the workpiece surface 18 and their relative speed to one another, plasma energy, rotational speed of the nozzle head 16, etc.) were otherwise the same.
Anschließend wurden die Oberflächen beider PE-Proben mit Wasser benetzt und mittels eines Kamerasystems an jeweils 23 Punkten entlang einer Diagonalen über die gesamte Behandlungsspur, d.h. vom linken Rand der Behandlungsspur (Position -11) über das Zentrum der Behandlungsspur (Position 0) zum rechten Rand der The surfaces of both PE samples were then wetted with water and, using a camera system, at 23 points each along a diagonal across the entire treatment track, i.e. from the left edge of the treatment track (position -11) over the center of the treatment track (position 0) to the right edge of the
Behandlungsspur (Position +11), der Kontaktwinkel zwischen der aktivierten PE- Oberfläche und dem Wasser bestimmt. Treatment trace (position +11), which determines the contact angle between the activated PE surface and the water.
Fig. 6 zeigt eine Ergebnisübersicht dieser Kontaktwinkelmessungen. Der untere Graph zeigt die gemessenen Kontaktwinkel in Grad (°) für die jeweiligen Messpositionen (von -11 bis 11), wobei die durchgezogenen Linien der ersten PE-Probe (mit 6 shows an overview of the results of these contact angle measurements. The lower graph shows the measured contact angles in degrees (°) for the respective measuring positions (from -11 to 11), whereby the solid lines of the first PE sample (with
Ablenkelementen 10, 10', 10", 10'") und die gestrichelten Linien der zweiten PE-Probe (ohne Ablenkelemente) entsprechen. Der obere Graph zeigt darüber hinaus noch die prozentuale Abweichung der Kontaktwinkel zum Mittelwert in Prozent (%). Deflection elements 10, 10 ', 10 ", 10'") and the dashed lines correspond to the second PE sample (without deflection elements). The upper graph also shows the percentage deviation of the contact angle from the mean in percent (%).
Aus Fig. 6 ist ersichtlich, dass die Plasmabehandlung bei der verwendeten Vorrichtung mit den Ablenkelementen 10, 10', 10" und 10'" homogener erfolgte. Die prozentuale Abweichung der Kontaktwinkel nach einer Plasmabehandlung der It can be seen from FIG. 6 that the plasma treatment in the device used with the deflection elements 10, 10 ', 10 "and 10" "was carried out more homogeneously. The percentage deviation of the contact angle after a plasma treatment of the
Werkstückoberfläche 18 mit den Ablenkelement 10, 10', 10", 10'" ist geringer als die prozentuale Abweichung der Kontaktwinkel nach einer Plasmabehandlung der Werkstückoberfläche ohne Ablenkelemente. Fig. 7 zeigt eine rotierende Plasmadüse mit gegenüber der Rotationsachse 14 schräg verlaufenden Düsenöffnung, wie sie zum Beispiel aus der EP 1 236 380 Al bekannt ist. Der Plasmastrahl 6 tritt unter einem Winkel aus der Düsenöffnung 8 eines um eine Rotationsachse 14 rotierenden Düsenkopfes 16 aus. Die in Fig. 7 gezeigte Plasmadüse 4" kann beispielsweise als Plasmadüse 4' in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3a-c und 4a-c verwendet werden. Bei einer Rotation des Düsenkopfes 16 um die Rotationsachse 14 beschreibt der Plasmastrahl 6 einen Kreis auf einer Workpiece surface 18 with the deflection elements 10, 10 ', 10 ", 10'" is less than the percentage deviation of the contact angle after plasma treatment of the workpiece surface without deflection elements. 7 shows a rotating plasma nozzle with a nozzle opening which is inclined with respect to the axis of rotation 14, as is known, for example, from EP 1 236 380 A1. The plasma jet 6 emerges at an angle from the nozzle opening 8 of a nozzle head 16 rotating about an axis of rotation 14. The plasma nozzle 4 ″ shown in FIG. 7 can, for example, be used as the plasma nozzle 4 ′ in the exemplary embodiments according to FIGS. 3a-c and 4a-c. When the nozzle head 16 rotates about the axis of rotation 14, the plasma jet 6 describes a circle on one
Werkstückoberfläche 18 bzw., bei zusätzlicher Relativbewegung zur Workpiece surface 18 or, with additional relative movement to
Werkstückoberfläche, eine spiralförmige Trajektorie (s. Fig. 5a). Workpiece surface, a spiral trajectory (see Fig. 5a).
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Die Vorrichtung 3 weist eine Plasmadüse 4‘" mit einem mitdrehenden Ablenkelement 11 auf. Das 8 shows a further exemplary embodiment of the device. The device 3 has a plasma nozzle 4 ″ ″ with a deflecting element 11 that rotates as well
Ablenkelement weist eine konvex gekrümmte Kontaktfläche 12 auf, die derart am Düsenkopf 16 positioniert ist, dass der aus der Düsenöffnung 8 austretenden Deflection element has a convexly curved contact surface 12 which is positioned on the nozzle head 16 in such a way that the one emerging from the nozzle opening 8
Plasmastrahl 6 mit der Kontaktfläche 12 wechselwirkt, insbesondere diese streift. Das Ablenkelement 11 ist vorzugsweise derart verstellbar angebracht, dass der Winkel des Ablenkelements 11 zur Düsenöffnung 8 (Pfeil 22) variierbar ist, vorzugsweise in einem Bereich von mindestens 45°, insbesondere mindestens 75°, und/oder die Position in Richtung Düsenöffnung 8 (Pfeil 24) variierbar ist. Plasma jet 6 interacts with the contact surface 12, in particular grazes it. The deflecting element 11 is preferably mounted so that it can be adjusted such that the angle of the deflecting element 11 to the nozzle opening 8 (arrow 22) can be varied, preferably in a range of at least 45 °, in particular at least 75 °, and / or the position in the direction of the nozzle opening 8 (arrow 24) is variable.
Die Kontaktfläche 12 weist einen geringen Krümmungsradius von weniger als 2 mm auf, so dass der Plasmastrahl 6 vom Ablenkelement 11 weggebogen wird. Bei The contact surface 12 has a small radius of curvature of less than 2 mm, so that the plasma beam 6 is bent away from the deflection element 11. At
Verwendung einer Kontaktfläche 12 mit einem Krümmungsradius von mehr als 2 mm würde der Plasmastrahl 6 stattdessen in Richtung des Ablenkelements 11 gebogen. Durch das Ablenkelement 11 kann demnach ein ähnlicher Effekt erreicht werden wie mit einer schrägen verlaufenen Düsenöffnung. Bei einer Rotation des Düsenkopfes 16 aus Fig. 8 um die Rotationsachse 14 beschreibt der Plasmastrahl 6 eine ähnliche kreisförmige Bewegung auf einer Werkstückoberfläche 18 (nicht gezeigt) wie in Fig. 7. Insbesondere kann die in Fig. 8 gezeigte Plasmadüse 4‘" als Plasmadüse 4' für die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 3a-c und 4a-c verwendet werden. Gegenüber der Plasmadüse 4" aus Fig. 7 hat die Vorrichtung 3 aus Fig. 8 den Vorteil, dass die Düsenöffnung entlang der Achse der Plasmadüse verläuft, so dass If a contact surface 12 with a radius of curvature of more than 2 mm were used, the plasma beam 6 would instead be bent in the direction of the deflection element 11. The deflection element 11 can accordingly achieve an effect similar to that with an oblique nozzle opening. When the nozzle head 16 from FIG. 8 rotates about the axis of rotation 14, the plasma jet 6 describes a similar circular movement on a workpiece surface 18 (not shown) as in FIG. 7. In particular, the plasma nozzle 4 ′ ″ shown in FIG. 8 can be used as a plasma nozzle 4 'can be used for the exemplary embodiments according to FIGS. 3a-c and 4a-c. Compared to the plasma nozzle 4 "from FIG. 7, the device 3 from FIG. 8 has the advantage that the nozzle opening runs along the axis of the plasma nozzle, so that
Energieverluste durch Kontakte des Plasmastrahls mit der Wandung, insbesondere einer schrägen Düsenöffnung wie in Fig. 7 weitgehend vermieden werden. Darüber hinaus kann die Vorrichtung 3 aus Fig. 8 sehr kompakt ausgestaltet werden, so dass schwer zugängliche Werkstückoberflächen einfacher behandelt werden können. Energy losses due to contacts of the plasma jet with the wall, in particular an oblique nozzle opening as in FIG. 7, are largely avoided. In addition, the device 3 from FIG. 8 can be made very compact, so that workpiece surfaces that are difficult to access can be treated more easily.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Vorrichtung (2, 2‘, 2", 2”’, 3) zur Behandlung einer Werkstückoberfläche (18), mit einer Plasmadüse (4, 4‘, 4", 4‘"), die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls (6) eingerichtet ist, 1. Device (2, 2 ', 2 ", 2"', 3) for treating a workpiece surface (18), with a plasma nozzle (4, 4 ', 4 ", 4'") which is used to generate an atmospheric plasma jet ( 6) is set up
wobei die Plasmadüse (4, 4’, 4”, 4’”) eine Düsenöffnung (8) aufweist, aus der im Betrieb ein atmosphärischer Plasmastrahl (6) austritt, wherein the plasma nozzle (4, 4 ’, 4”, 4 ’”) has a nozzle opening (8) from which an atmospheric plasma jet (6) emerges during operation,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass im Bereich der Düsenöffnung (8) ein Ablenkelement (10, 10’, 10”, 10’”, 11) mit einer konvex gekrümmten Kontaktfläche (12) derart positioniert ist, dass der Plasmastrahl (6) beim Betrieb der Plasmadüse (4, 4’, 4”, 4”’) mit der that in the area of the nozzle opening (8) a deflection element (10, 10 ', 10 ”, 10'”, 11) with a convexly curved contact surface (12) is positioned such that the plasma jet (6) during operation of the plasma nozzle (4, 4 ', 4 ”, 4”') with the
Kontaktfläche (12) des Ablenkelements (10, 10’, 10”, 10”’, 11) wechselwirkt, insbesondere diese streift. Contact surface (12) of the deflection element (10, 10 ’, 10”, 10 ”’, 11) interacts, especially this grazes.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2. Device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das Ablenkelement (10, 10’, 10”, 10”’, 11) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, insbesondere Glas oder Keramik. that the deflection element (10, 10 ″, 10 ”, 10” ’, 11) consists of an electrically insulating material, in particular glass or ceramic.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 3. Device according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das Ablenkelement (10, 10’, 10”, 10”’, 11) stabförmig ausgebildet ist, insbesondere in der Form eines Zylinders oder Mehrkantstabs. that the deflection element (10, 10 ’, 10”, 10 ”’, 11) is rod-shaped, in particular in the form of a cylinder or polygonal rod.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4. The device according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass sich das Ablenkelement (10, 10’, 10”, 10”’, 11) quer zur Richtung der Düsenöffnung (8) erstreckt. that the deflecting element (10, 10 ', 10 ”, 10”', 11) extends transversely to the direction of the nozzle opening (8).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Device according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkelement (10, 10’, 10”, 10’”, 11) verstellbar ausgebildet ist, um die Positionierung des Ablenkelements (10, 10’, 10”, 10”’, 11) zur Düsenöffnung (8) zu verändern. characterized in that the deflecting element (10, 10 ', 10 ”, 10'”, 11) is adjustable so that the positioning of the deflecting element (10, 10 ', 10 ”, 10”', 11) to the nozzle opening (8) to change.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. Device according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Kontaktfläche (12) einen Krümmungsradius von höchstens 2 mm aufweist. that the contact surface (12) has a radius of curvature of at most 2 mm.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 7. Device according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Kontaktfläche (12) einen Krümmungsradius von mehr als 2 mm aufweist. that the contact surface (12) has a radius of curvature of more than 2 mm.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 8. Device according to one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass im Bereich der Düsenöffnung (8) ein weiteres Ablenkelement (10, 10’, 10", 10"') mit einer konvex gekrümmten Kontaktfläche (12) derart positioniert ist, dass der Plasmastrahl (6) beim Betrieb der Plasmadüse (4, 4’, 4”, 4”’) mit der Kontaktfläche (12) des weiteren Ablenkelements (10, 10’, 10", 10"') that a further deflection element (10, 10 ', 10 ", 10"') with a convexly curved contact surface (12) is positioned in the area of the nozzle opening (8) such that the plasma jet (6) during operation of the plasma nozzle (4, 4 ', 4 ”, 4”') with the contact surface (12) of the further deflecting element (10, 10 ', 10 ", 10"')
wechselwirkt, insbesondere diese streift. interacts, especially this grazes.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9. The device according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das Ablenkelement (10, 10', 10", 10'") und das weitere Ablenkelement (10, 10', 10", 10'") auf gegenüberliegenden Seiten der Düsenöffnung (8) positioniert sind. that the deflecting element (10, 10 ', 10 ", 10'") and the further deflecting element (10, 10 ', 10 ", 10'") are positioned on opposite sides of the nozzle opening (8).
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, 10. The device according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das Ablenkelement (10, 10', 10", 10"') und das weitere Ablenkelement (10, 10', 10", 10'") derart an der Düsenöffnung (8) positioniert sind, dass die that the deflecting element (10, 10 ', 10 ", 10"') and the further deflecting element (10, 10 ', 10 ", 10'") are positioned on the nozzle opening (8) such that the
Erstreckungsrichtung des Ablenkelements (10, 10', 10", 10'") und die Extension direction of the deflecting element (10, 10 ', 10 ", 10'") and the
Erstreckungsrichtung des weiteren Ablenkelements (10, 10', 10", 10'") in einem Winkel zueinander verlaufen, vorzugsweise in rechtem Winkel. Direction of extension of the further deflection element (10, 10 ', 10 ", 10'") run at an angle to one another, preferably at a right angle.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, 11. The device according to one of claims 8 to 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (12) des Ablenkelements (10, 10', 10", 10'") und die Kontaktfläche (12) des weiteren Ablenkelements (10, 10', 10", 10'") unterschiedliche Krümmungen aufweisen. characterized in that the contact surface (12) of the deflection element (10, 10 ', 10 ", 10'") and the contact surface (12) of the further deflection element (10, 10 ', 10 ", 10'") have different curvatures.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 12. The device according to one of claims 1 to 11,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Plasmadüse (8) einen im Betrieb um eine Rotationsachse (14) rotierenden Düsenkopf (16) aufweist, wobei der Düsenkopf (16) die that the plasma nozzle (8) has a nozzle head (16) rotating during operation about an axis of rotation (14), the nozzle head (16) having the
Düsenöffnung (8) aufweist. Has nozzle opening (8).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, 13. The apparatus according to claim 12,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Richtung der Düsenöffnung (8) unter einem Winkel zur Rotationsachse (14) verläuft, und that the direction of the nozzle opening (8) is at an angle to the axis of rotation (14), and
dass das Ablenkelement (10, 10’, 10", 10"’, 11) derart positioniert ist, dass der Plasmastrahl (6) bei einer vollen Rotationsumdrehung des Düsenkopfs (16) um die Rotationsachse (14) zumindest zeitweise mit der Kontaktfläche (12) des Ablenkelements (10, 10’, 10", 10"’, 11) wechselwirkt. that the deflecting element (10, 10 ', 10 ", 10"', 11) is positioned such that the plasma jet (6) at least temporarily with the contact surface (12) during a full rotation of the nozzle head (16) about the axis of rotation (14) ) of the deflecting element (10, 10 ', 10 ", 10"', 11) interacts.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, 14. The apparatus of claim 12 or 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (8) des Düsenkopfes (16) exzentrisch zur Rotationsachse (14) angeordnet ist. characterized, that the nozzle opening (8) of the nozzle head (16) is arranged eccentrically to the axis of rotation (14).
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, 15. The apparatus according to claim 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkelement (11) drehfest am Düsenkopf (16) positioniert ist. characterized in that the deflecting element (11) is non-rotatably positioned on the nozzle head (16).
16. Verfahren zur Behandlung einer Werkstückoberfläche (18) mit einer Vorrichtung (2, 2‘, 2", 2’”, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, 16. A method for treating a workpiece surface (18) with a device (2, 2 ″, 2 ″, 2 ’”, 3) according to one of claims 1 to 15,
bei dem mit der Plasmadüse (4, 4’, 4”, 4’”) ein atmosphärischer Plasmastrahl (6) erzeugt wird, der aus der Düsenöffnung (8) der Plasmadüse (4, 4’, 4”, 4’”) austritt, wobei der Plasmastrahl (6) mit der Kontaktfläche (12) des in which the plasma nozzle (4, 4 ', 4 ”, 4'”) is used to generate an atmospheric plasma jet (6) which emerges from the nozzle opening (8) of the plasma nozzle (4, 4 ', 4 ”, 4'”) , wherein the plasma jet (6) with the contact surface (12) of the
Ablenkelements (10, 10’, 10”, 10’”, 11) wechselwirkt, insbesondere diese streift, und Deflection elements (10, 10 ’, 10”, 10 ’”, 11) interacts, in particular grazes, and
bei dem der Plasmastrahl (6) auf die zu behandelnde Werkstückoberfläche (18) gerichtet wird. in which the plasma jet (6) is directed onto the workpiece surface (18) to be treated.
17. Verfahren nach Anspruch 16, 17. The method according to claim 16,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Plasmadüse (4, 4’, 4”, 4”’) und die Werkstückoberfläche (18) in einer Bewegungsrichtung (20) relativ zueinander bewegt werden und that the plasma nozzle (4, 4 ″, 4 ”, 4” ’) and the workpiece surface (18) are moved relative to one another in one direction of movement (20) and
dass das Ablenkelement (10, 10’, 10”, 10”’, 11) auf der Seite der Düsenöffnung (8) in oder entgegen der Bewegungsrichtung positioniert ist. that the deflection element (10, 10 ’, 10”, 10 ”’, 11) is positioned on the side of the nozzle opening (8) in or against the direction of movement.
18. Verfahren nach Anspruch 16, 18. The method according to claim 16,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Plasmadüse (4, 4’, 4”, 4”’) und die Werkstückoberfläche (18) in einer Bewegungsrichtung (20) relativ zueinander bewegt werden und that the plasma nozzle (4, 4 ″, 4 ”, 4” ’) and the workpiece surface (18) are moved relative to one another in one direction of movement (20) and
dass das Ablenkelement (10, 10’, 10”, 10”’, 11) auf einer Seite der Düsenöffnung (8) quer zur Bewegungsrichtung positioniert ist. that the deflection element (10, 10 ’, 10”, 10 ”’, 11) is positioned on one side of the nozzle opening (8) transversely to the direction of movement.
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