WO2022258654A1 - Vorrichtung zum erzeugen eines atmosphärischen plasmastrahls zur behandlung einer oberfläche eines werkstücks - Google Patents

Vorrichtung zum erzeugen eines atmosphärischen plasmastrahls zur behandlung einer oberfläche eines werkstücks Download PDF

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WO2022258654A1
WO2022258654A1 PCT/EP2022/065479 EP2022065479W WO2022258654A1 WO 2022258654 A1 WO2022258654 A1 WO 2022258654A1 EP 2022065479 W EP2022065479 W EP 2022065479W WO 2022258654 A1 WO2022258654 A1 WO 2022258654A1
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nozzle
axis
plasma
nozzle opening
rotation
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PCT/EP2022/065479
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Christian Buske
Magnus Buske
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Plasmatreat Gmbh
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    • H05H1/3478—Geometrical details

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating an atmospheric plasma jet for treating a surface of a workpiece with a plasma nozzle that is set up to generate an atmospheric plasma jet, the plasma nozzle having a nozzle arrangement with a nozzle opening for letting out a plasma jet to be generated in the plasma nozzle and wherein the nozzle arrangement is rotatable about an axis of rotation.
  • the invention also relates to a method for treating a surface of a workpiece using such a device.
  • a treatment of a surface with a plasma jet is understood to mean, in particular, a surface pretreatment by which the surface energy can be changed and better wettability of the surface with fluids can be achieved.
  • the treatment of the surface can also be understood as a surface coating, in that a surface coating is achieved by adding at least one precursor to the plasma jet through a chemical reaction taking place in the plasma jet and/or on the surface of the workpiece, with at least part of the chemical products being separated becomes.
  • a surface treatment can also mean cleaning, disinfecting or sterilizing the surface.
  • a device for generating an atmospheric plasma jet for treating the surface of a workpiece with a plasma jet rotating about an axis is known from EP 1 067829 B1.
  • This device has a tubular housing, which has an axis A, and an inner electrode which is arranged inside the housing and which preferably runs parallel to the axis A or which is arranged in particular in the axis A.
  • An electrical voltage is applied to the inner electrode, which creates an electrical discharge that generates a plasma through interaction with the working gas flowing inside the housing.
  • the plasma is transported further together with the working gas.
  • the device has a nozzle arrangement having a nozzle opening for letting out a plasma jet to be generated in the housing, the nozzle arrangement preferably being arranged at the end of the discharge path, being grounded and channeling the outflowing gas and plasma jet.
  • the direction of the nozzle opening runs at an angle to the axis A, it being possible for the direction of the nozzle opening to be assumed to be parallel to the central direction of the exiting plasma jet.
  • a channel runs in an arc within the nozzle arrangement in order to deflect the gas and plasma jets starting from the interior of the housing.
  • the nozzle arrangement is relatively rotatable about the axis A, the nozzle arrangement being designed either to be rotatable relative to the housing and the inner electrode or to be non-rotatably connected to the housing while the housing rotates relative to the inner electrode.
  • the nozzle arrangement or the nozzle arrangement and the housing are driven by a motor for the rotary movement.
  • a system for treating a surface with atmospheric plasma is known from EP 0 986939 B1 and has two devices for generating an atmospheric plasma jet, each of the two devices having a tubular housing which has an axis A or A', one inside of the housing and a nozzle arrangement having a nozzle opening for the discharge of a plasma jet to be generated in the housing, the two devices being connected to one another so as to be rotatable about a common axis B, and a drive being provided for generating a rotational movement of the devices about the axis (B).
  • both devices or systems described above it is possible to produce a relatively wide treatment track by moving the rotating plasma jets along the surface of the workpiece to be processed. Therefore, these techniques are used in many ways.
  • FIGS. 1a-b shows the treatment track of a plasma jet of a device described above, with the trajectory (line) representing the impact point of the maximum plasma intensity.
  • the device is moved in the y-direction, ie upwards in FIG. 1, in order to continuously apply the rotating plasma jet over a strip with an approximate width dx and to treat the surface with plasma.
  • the direction of movement (y) has the effect that the outer areas of the treatment track (dx) in the area of the dashed lines are treated more intensively with the plasma than is the case for the central areas of the treatment track.
  • the surface is only insufficiently plasma-treated and, moreover, not sufficiently plasma-treated in regular strips.
  • the speed of movement of the device relative to the surface must be regularly slowed down in order to reach saturation even in the central areas of the treatment track to reach the plasma treatment. The application of the device is thus restricted.
  • WO 2017/097694 A1 proposes a device for generating an atmospheric plasma jet with a rotating
  • Nozzle assembly and a shield surrounding the nozzle assembly which affects the intensity of the interaction of the plasma jet to be generated with the surface of the workpiece.
  • the shielding already makes it possible to achieve a very good leveling out of the plasma jet for surface treatment.
  • contact of the plasma jet with the shield can lead to an attenuation of the plasma jet.
  • the present invention is therefore based on the technical problem of further developing the device and system mentioned at the outset and the method for treating the surface of a workpiece in such a way that the disadvantages mentioned are at least partially eliminated and that a more uniform treatment of the surface is achieved.
  • This object is in a device for generating an atmospheric plasma jet for treating a surface of a workpiece with a
  • Plasma nozzle that is set up to generate an atmospheric plasma jet, the plasma nozzle having a nozzle arrangement with a nozzle opening for letting out a plasma jet to be generated in the plasma nozzle, the nozzle arrangement being rotatable about an axis of rotation, solved according to the invention in that the nozzle opening has a cross section with a has a shape deviating from a circular shape.
  • the nozzle opening has a cross section with a shape deviating from a circular shape, so that the intensity in the center of a treatment track caused by the plasma jet on a surface is increased.
  • the cross-sectional shape of the nozzle opening has an influence on the intensity distribution Treatment track can be taken, so that in particular an equalization of the treatment intensity across the width of the treatment track can be achieved. Furthermore, it was recognized that in this way an equalization can be achieved without any significant weakening of the plasma jet.
  • the plasma nozzle is set up to generate an atmospheric plasma jet.
  • the plasma nozzle can in particular have at least two electrodes, for example an inner electrode arranged in the housing and a counter-electrode, which can be formed by the housing itself, for example.
  • the plasma nozzle can in particular have a working gas inlet, through which the working gas can be introduced into the plasma nozzle, so that it flows through the plasma nozzle in a region between the electrodes.
  • the plasma nozzle also has a nozzle arrangement with a nozzle opening for letting out a plasma jet to be generated in the plasma nozzle.
  • the nozzle opening can in particular be arranged at an end of the housing opposite a working gas inlet.
  • the nozzle arrangement is rotatable about an axis of rotation.
  • the nozzle arrangement can be designed to be rotatable relative to the remaining part of the plasma nozzle.
  • the nozzle arrangement it is also conceivable for the nozzle arrangement to be designed to be rotatable together with another part of the plasma nozzle or together with the entire plasma nozzle.
  • the nozzle arrangement can be designed in particular to be non-rotatable with the plasma nozzle or the rotating part thereof.
  • the plasma nozzle can have a housing with a housing axis, the axis of rotation running parallel to the housing axis or coinciding with it.
  • the housing axis can, for example, run in the direction of the main extension direction of the housing.
  • the housing may be tubular, with the housing axis running in the direction of extension of the tubular housing. It is conceivable, for example, that two plasma nozzles are provided with a respective nozzle opening, which rotate about a common axis of rotation, which runs parallel to the housing axis of a housing of one of the plasma nozzles, in particular in the middle between the two plasma nozzles.
  • the nozzle opening has a cross section with a shape deviating from a circular shape.
  • the nozzle opening has a cross section that tapers in a radial direction with respect to the axis of rotation. In this way, an asymmetric cross-section of the nozzle opening is achieved, whose
  • Cross-section tapers in one radial direction and expands in the opposite radial direction.
  • the nozzle opening can preferably have a cross section that has a greater extent in the radial direction in relation to the axis of rotation than transversely thereto. In this way an asymmetric cross-section of the nozzle opening is achieved in relation to its aspect ratio.
  • such a cross-sectional shape of the nozzle opening made it possible to increase the treatment intensity in the middle area of the treatment track.
  • This effect is illustrated in FIG. 1c by the intensity profile which, in contrast to FIG. 1b, assumes a flat or only slightly wavy form of a plateau. If treatment tracks lying next to each other are applied to the surface so that they overlap in such a way that the intensity of the plateau is reached in the overlapping areas, then the surface as a whole is treated more evenly by the plasma jet.
  • This equalization is in particular already without further deflection of the plasma jet after exiting the Reached nozzle opening, whereby an energy loss of the plasma jet, such as by deflection on a shield, is avoided.
  • the nozzle opening has a cross section that tapers in a radial direction relative to the axis of rotation
  • the cross section preferably tapers in the radial direction toward the axis of rotation.
  • the cross-section of the nozzle opening becomes smaller from the outside in towards the axis of rotation.
  • the nozzle opening has a cross section with a radial extent relative to the axis of rotation, the centroid of the cross section being at a radial distance from the center point of the radial extent.
  • the radial distance is preferably at least 5%, more preferably at least 10% of the radial extent.
  • xs XM+Dx, where XM is the center point of the extension of the nozzle opening in the radial x-direction and Dx is a radial distance that preferably at least 5%, more preferably at least 10% of the radial extent of the nozzle opening.
  • the nozzle opening has a cross-section which is greater in the radial direction relative to the axis of rotation than transversely thereto, preferably by a factor of at least 1.5, more preferably by a factor of at least 1.8, particularly preferably by a factor of at least 2, in particular by a factor of at least 3.
  • a cross-sectional shape also made it possible to achieve a more uniform surface treatment.
  • the nozzle opening preferably has a cross-section which, in the radial direction relative to the axis of rotation, extends by a maximum of a factor of 25, more preferably a maximum of a factor of 15, particularly preferably a maximum of a factor of 10 has than transverse to it.
  • the nozzle opening is arranged eccentrically to the axis of rotation. In this way, as the nozzle assembly rotates, a continuous impact on a central area of a surface beneath the nozzle assembly and thus overtreatment or damage thereto is prevented.
  • the nozzle opening is particularly preferably arranged completely outside the axis of rotation.
  • the cross-section of the nozzle opening is rectangular or elliptical. Such a cross-sectional shape can be produced easily in terms of production technology, as a result of which the production costs for the device can be reduced.
  • a rectangular cross-section of the nozzle opening is in particular oriented in such a way that the longer side edges run essentially parallel to a radial direction and the shorter side edges run essentially transversely thereto.
  • An elliptical cross section of the nozzle opening is in particular like this oriented such that the major cross-sectional axis is substantially parallel to a radial direction and the minor cross-sectional axis is substantially transverse thereto. In this way, a good leveling out of a surface treatment with the plasma jet can be achieved.
  • the cross section of the nozzle opening is drop-shaped or trapezoidal.
  • a cross-sectional shape has shown a very good leveling effect on the plasma treatment of a surface.
  • the narrower end of the teardrop-shaped or trapezoidal cross-section of the nozzle opening is arranged closer to the axis of rotation than the wider end.
  • the cross-section of the nozzle opening has a cross-sectional area of at most 50 mm 2 , preferably at most 30 mm 2 , in particular at most 20 mm 2 . This ensures that the pressure of the plasma jet is maintained and that the plasma jet remains sufficiently intense and directed for a targeted treatment.
  • the direction of the nozzle opening runs at an angle in the range of 0 and 45° to the axis of rotation. Under the direction of
  • Nozzle opening is understood in particular to mean the direction of extension of the nozzle channel leading to the nozzle opening in the area of the nozzle opening.
  • the direction of the nozzle opening runs at an angle of at least 1°, preferably at least 5°, to the axis of rotation. In this way, the treatment track can be widened so that a larger area of a surface can be treated at the same time.
  • the device has a rotary drive which is set up to rotate the nozzle arrangement about the axis of rotation. In this way, the rotation of the nozzle arrangement can be controlled in a targeted manner, preferably with a definable rotation frequency.
  • the rotation frequency is preferably in the range of 100 to 4000 rpm, more preferably 1000 to 3000 rpm.
  • the rotary drive can be set up to rotate the nozzle arrangement about the axis of rotation relative to the remaining part of the plasma nozzle. Furthermore, the rotary drive can be set up to rotate part of the plasma nozzle or the entire plasma nozzle together with the nozzle arrangement about the axis of rotation.
  • the plasma nozzle is set up to generate the atmospheric plasma jet by means of an arc-like discharge in a working gas, the arc-like discharge being generated by applying a high-frequency high voltage between electrodes.
  • a plasma jet can be generated that can be focused well and is also well suited for plasma treatment of a surface.
  • a plasma jet generated in this way has a relatively low temperature, so that damage to the surface can be prevented.
  • the high-frequency high voltage for generating a high-frequency arc-like discharge can, for example, have a voltage strength in the range of 1-100 kV, preferably 1-50 kV, more preferably 1-10 kV, and a frequency of 1-300 kHz, in particular 1-100 kHz. preferably 10 - 100 kHz, more preferably 10 - 50 kHz.
  • the above object is also achieved by a method for treating a surface of a workpiece with the device described above or an embodiment thereof, in which the nozzle arrangement is rotated about the axis of rotation, in which the plasma nozzle is an atmospheric Plasma jet is generated so that it emerges from the nozzle opening, and in which the plasma jet is directed onto the surface to be treated.
  • the plasma nozzle is preferably moved over the surface to be treated and/or the surface to be treated is moved along the plasma nozzle. In this way, a larger surface can be treated. In addition, the superimposed movement of the rotating plasma jet with the method over the surface achieves a further improved equalization of the treatment.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of the device for generating a plasma jet
  • 5 shows a third exemplary embodiment of the device for generating a plasma jet
  • 6 shows a fourth exemplary embodiment of the device for generating a
  • FIG. 7a-b shows a fifth exemplary embodiment of the device for generating a plasma jet.
  • the device 2 shown in FIG. 2 and known from EP 1067 829 B1 has a plasma nozzle 3 set up for generating a plasma jet with a tubular housing 10 which, in its upper region in the drawing, widens in diameter and can be rotated with the aid of a bearing 12 is mounted on a fixed support tube 14.
  • the upper part of a nozzle channel 16 is formed inside the housing 10 and leads from the open end of the support tube 14 or from the working gas inlet into the plasma nozzle 3 to a nozzle opening 18 .
  • An electrically insulating ceramic tube 20 is inserted into the support tube 14 .
  • Working gas for example air
  • Working gas is fed through the support tube 14 and the ceramic tube 20 into the nozzle channel 16 .
  • the working gas With the aid of a twisting device 22 inserted into the ceramic tube 20, the working gas is wired in such a way that it flows turbulently through the nozzle channel 16 in the direction of the nozzle opening 18, as is symbolized in the drawing by a helical arrow.
  • a vortex core is thus created in the nozzle channel 16 and runs along the axis A of the housing 10 .
  • a pin-shaped inner electrode 24 is mounted on the twisting device 22 , which protrudes coaxially into the upper part of the nozzle channel 16 and to which a high-frequency high voltage is applied with the aid of a high-voltage generator 26 .
  • the high-frequency high voltage can have a voltage strength in the range of 1-100 kV, preferably 1-50 kV, more preferably 1-10 kV, and a frequency of 1-300 kHz, especially 1-100 kHz, preferably 10-100 kHz, more preferably 10 - 50 kHz.
  • the high-frequency high voltage can be a high-frequency AC voltage, but also a pulsed DC voltage or a superimposition of both voltage forms.
  • the metal housing 10 is grounded via the bearing 12 and the support tube 14 and serves as a counter-electrode so that an electrical discharge can be generated between the inner electrode 24 and the housing 10 .
  • the inner electrode 24 arranged inside the housing 10 is preferably aligned parallel to the axis A, in particular the inner electrode 24 is arranged in the axis A.
  • the nozzle opening 18 of the nozzle channel is formed by a nozzle arrangement 30 made of metal, which is screwed into a threaded bore 32 of the housing 10 and in which a narrowing towards the nozzle opening 18 and arcuate and running obliquely with respect to the axis A channel 34 is formed, the forms the lower part of the nozzle channel 16 up to the nozzle opening 18.
  • the plasma jet 28 emerging from the nozzle opening 18 forms an angle with the axis A of the housing, which is approximately 45° in the example shown. By changing the nozzle assembly 30, this angle can be varied as needed.
  • the nozzle arrangement 30 is thus arranged at the end of the discharge path of the high-frequency arc discharge and via the metallic contact with the housing 10 grounded.
  • the nozzle arrangement 30 thus channels the outflowing gas and plasma jet, the direction of the nozzle opening 18 being at a predetermined angle to the axis A. Since the nozzle arrangement 30 is non-rotatably connected to the housing 10 and since the housing 10 in turn is rotatably fastened with respect to the support tube 14 via the bearing 12, the nozzle arrangement 30 can rotate relatively about the axis A. The axis of rotation therefore coincides with the axis A of the housing in this configuration.
  • a toothed wheel 36 is arranged on the enlarged upper part of the housing 10 and is drivingly connected, for example via a toothed belt or pinion 37, to a rotary drive 38, such as a motor.
  • an arc discharge is generated between the inner electrode 24 and the housing 10 due to the high frequency of the voltage.
  • the arc of this high-frequency arc discharge is carried along by the wired inflowing working gas and channeled in the core of the turbulent gas flow, so that the arc then runs almost in a straight line from the tip of the inner electrode 24 along the axis A and only in the area of the lower end of the housing 10 or in the area of the channel 34 radially onto the housing wall or onto the wall of the
  • Nozzle assembly 30 branches. In this way, a plasma jet 28 is generated, which exits through the nozzle opening 18 .
  • arc and "arc discharge” are used here as a phenomenological description of the discharge, since the discharge occurs in the form of an arc.
  • the term “arc” is also used elsewhere as a form of discharge in DC voltage discharges with essentially constant voltage values. In the present case, however, it is a high-frequency discharge in the form of an arc, ie a high-frequency arc discharge.
  • the housing 10 rotates at a high speed about the axis A, so that the plasma jet 28 describes a cone envelope that sweeps over the surface of a workpiece, which is not shown, to be machined.
  • the device 2 or the plasma nozzle 3 is then moved along the surface of the workpiece or, conversely, the workpiece is moved along the device 2 or plasma nozzle 3, a relatively uniform treatment of the surface of the workpiece is achieved on a strip whose Width corresponds to the diameter of the cone described by the plasma jet 28 on the workpiece surface.
  • the width of the pretreated area can be influenced by varying the distance between the nozzle arrangement 30 and the workpiece.
  • An intensive effect of the plasma on the workpiece surface is achieved by the plasma jet 28 striking the workpiece surface at an angle and being itself wired.
  • the direction of twist of the plasma jet can be in the same direction or in the opposite direction to the direction of rotation of the housing 10 .
  • the intensity of the plasma treatment by the rotating plasma jet 28 depends on the distance between the nozzle opening 18 and the surface and on the angle at which the plasma jet 28 hits the surface to be treated. In addition, the intensity of the plasma treatment depends on the traversing speed of the plasma nozzle 3 or the nozzle arrangement 30 relative to the surface of the workpiece.
  • 3a and 3b show a first exemplary embodiment of the device disclosed here.
  • 3a shows a schematic cross-sectional view of the device 42.
  • the device 42 has a similar structure to the device 2 from FIG.
  • the device 42 differs from the device 2 by a different nozzle arrangement 44 of the plasma nozzle 3.
  • the nozzle arrangement 44 is screwed into a threaded bore 32 of the housing 10.
  • the nozzle arrangement 44 has a nozzle channel 46 with a nozzle opening 48 from which the plasma jet 28 exits during operation.
  • the nozzle channel 46 tapers towards the nozzle opening 18 and is formed obliquely with respect to the axis A. In this way, the plasma jet 28 emerging from the nozzle opening 18 forms an angle with the axis A of the housing, which is approximately 30° in the example shown.
  • the axis A simultaneously designates the housing axis of the housing 10 and the axis of rotation which coincides therewith and about which the nozzle arrangement 44 can be rotated.
  • FIG. 3b shows a view of the nozzle arrangement 44 with the nozzle opening 48 from below.
  • the nozzle orifice 48 has a rectangular cross-section, the long sides of which run parallel to a radial direction R, so that the cross-section has a greater extent in the radial direction with respect to the axis than transversely thereto, preferably by a factor of at least 1.5, more preferably at least 2. It was found that the intensity of the plasma treatment during rotation of the nozzle arrangement 44 can be shifted more in the inner area to the axis A, so that the lower intensity occurring in the prior art in the middle of the Treatment track (s. Fig. Lb) is compensated and a more uniform intensity as shown in Fig. 1c results.
  • the nozzle opening can also have an elliptical cross section, for example. 4 shows another embodiment of the device.
  • the device 42' has a basic structure like the device 42 from FIG. 3a and differs therefrom only by a differently shaped nozzle opening 48' and a correspondingly adapted nozzle channel.
  • FIG. 4 shows the cross section of the nozzle opening 48' in a view of the device 42' from below corresponding to FIG. 3b.
  • the nozzle orifice 48' has a trapezoidal cross-section with the narrower end located closer to the axis than the wider end, so that the cross-section of the nozzle orifice 48' tapers in the radial direction toward the axis A.
  • the centroid S has a radial distance D x from the center point XM of the radial extent E r of the nozzle opening 48'.
  • Intensity in the middle of the treatment track (s. Fig. Lb) can also be compensated in this way and a more uniform intensity results as shown in Fig. Lc.
  • the nozzle opening can also have a drop-shaped cross section, for example.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the device.
  • the device 42" has a basic structure like the device 42 from FIG. 3a and differs from it only by a differently shaped nozzle opening 48" and a correspondingly adapted nozzle channel.
  • FIG. 5 shows the cross section of the nozzle opening 48" from below in a view of the device 42" corresponding to FIG. 3b.
  • the nozzle opening 48" has a trapezoidal cross section like the nozzle opening 48', which also, as in the case of the nozzle opening 48, has a greater extent in the radial direction R in relation to the axis A than transversely thereto.
  • the device 42'" has a basic structure like the device 42 from FIG. 3a and differs from it only by a differently shaped nozzle opening 48'" and a correspondingly adapted nozzle channel.
  • FIG. 6 shows the cross section of the nozzle opening 48'" in a view of the device 42''" from below corresponding to FIG. 3b.
  • the nozzle opening 48''" has a teardrop-shaped cross section, which tapers in a radial direction in the direction of the axis A.
  • the cross section has a greater extent in the radial direction R in relation to the axis A than transversely thereto With such a cross section, a more uniform intensity can also be achieved when treating a surface.
  • Figures 7a-b show a further exemplary embodiment of the device.
  • Figure 7a shows a schematic side view.
  • Figure 7b shows a view from below.
  • the device 52 has two plasma nozzles 53, 53' for generating a respective atmospheric plasma jet 28.
  • the plasma nozzles 53, 53' are connected to one another in a rotationally fixed manner and can be rotated about a common axis of rotation B by means of a drive provided (arrow 54).
  • the housing axes A', A" of the tubular housing 10 of the plasma nozzles 53, 53' In this exemplary embodiment, the axis of rotation B and the housing axes A′, A′′ therefore fall apart.
  • the plasma nozzles 53, 53' have a similar structure and a similar mode of operation to the plasma nozzle 3 from FIGS. 3a-b.
  • the plasma nozzles 53, 53' differ from the plasma nozzle 3 in that the housing 10 is not designed to be rotatable relative to the support tube 14, in particular no bearing 12 is provided. Rather, the housing 10 and support tube 14 can be designed in one piece as a continuous housing.
  • the pinion 37 and rotary drive 38 shown in FIG. 3a are also missing in the plasma nozzles 53 and 53' shown run essentially parallel to the housing axes A′, A′′ or to the axis of rotation B, or alternatively—similar to FIG. 3a—at an angle thereto.
  • the nozzle openings 58, 58' each have a trapezoidal cross section, the respective narrower end of which is arranged closer to the axis of rotation B than its respective wider end, so that the cross section of the nozzle openings 58, 58' increases in the radial direction R or R' tapers towards the axis of rotation B.
  • the nozzle openings 58, 58' can also have a different cross section, for example a cross section as shown in FIG. 3b or in FIG.
  • the circular orifice of device V had a diameter of 4 mm.
  • the droplet-shaped nozzle opening of device E had a length of 10 mm in the radial direction, a width transverse to the radial direction of 4 mm in the radially outer area and a width transverse to the radial direction of 1.5 mm in the radial inner area.
  • the direction of the nozzle opening ran at an angle of 11° to axis A.
  • the devices V and E were each with air (75 l / min.) As the working gas and a high-frequency high voltage of about 5 kV at a frequency of 23 kHz operated.
  • the rotational frequency of the nozzle arrangements about the axis A was about 2800 revolutions per minute.
  • Devices were each moved at a feed rate of 30 m/min over the surface of the test cards to be treated.
  • the surface energies of the test cards were measured in each case, namely in the middle of the respective treatment track and at the edge of the respective treatment track.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (42, 42', 42", 42"', 52) zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls (28) zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer Plasmadüse (3, 53, 53'), die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls (28) eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse (3, 53, 53') eine Düsenanordnung (44) mit einer Düsenöffnung (48, 48', 48", 48'", 58, 58') zum Auslassen eines in der Plasmadüse (3) zu erzeugenden Plasmastrahls (28) aufweist, wobei die Düsenanordnung (44) um eine Achse (A, B) drehbar ist und wobei die Düsenöffnung (48, 48', 48", 48'", 53, 53') einen Querschnitt mit einer von einer Kreisform abweichenden Form aufweist.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstücks
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer Plasmadüse, die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse eine Düsenanordnung mit einer Düsenöffnung zum Auslassen eines in der Plasmadüse zu erzeugenden Plasmastrahls aufweist und wobei die Düsenanordnung um eine Drehachse drehbar ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer solchen Vorrichtung.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird unter einer Behandlung einer Oberfläche mit einem Plasmastrahl insbesondere eine Oberflächenvorbehandlung verstanden, durch die die Oberflächenenergie verändert und eine bessere Benetzbarkeit der Oberfläche mit Fluiden erreicht werden kann. Als Behandlung der Oberfläche kann zudem auch eine Oberflächenbeschichtung verstanden werden, indem durch Zugabe von mindestens einem Precursor in den Plasmastrahl eine Oberflächenbeschichtung durch eine im Plasmastrahl und/oder auf der Oberfläche des Werkstücks stattfindende chemische Reaktion erreicht wird, wobei zumindest ein Teil der chemischen Produkte abgeschieden wird. Des Weiteren kann eine Oberflächenbehandlung auch eine Reinigung, Desinfizierung oder Sterilisierung der Oberfläche bedeuten.
Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks mit einem um eine Achse rotierenden Plasmastrahl ist aus der EP 1 067829 Bl bekannt. Diese Vorrichtung weist auf ein rohrförmiges Gehäuse, das eine Achse A aufweist, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Innenelektrode, die vorzugsweise parallel zur Achse A verläuft bzw. die insbesondere in der Achse A angeordnet ist. Während des Betriebs der Vorrichtung wird eine elektrische Spannung an die Innenelektrode angelegt, durch die eine elektrische Entladung entsteht, die durch Wechselwirkung mit dem innerhalb des Gehäuses strömenden Arbeitsgas ein Plasma erzeugt. Zusammen mit dem Arbeitsgas wird das Plasma weiter transportiert.
Weiterhin weist die Vorrichtung eine eine Düsenöffnung aufweisende Düsenanordnung zum Auslassen eines im Gehäuse zu erzeugenden Plasmastrahls auf, wobei die Düsenanordnung bevorzugt am Ende der Entladungsstrecke angeordnet ist, geerdet ist und den ausströmenden Gas- und Plasmastrahl kanalisiert. Die Richtung der Düsenöffnung verläuft dabei unter einem Winkel zur Achse A, wobei die Richtung der Düsenöffnung parallel zur mittleren Richtung des austretenden Plasmastrahls angenommen werden kann. Dazu verläuft ein Kanal innerhalb der Düsenanordnung bogenförmig, um ausgehend vom Inneren des Gehäuses den Gas- und Plasmastrahl abzulenken. Schließlich ist die Düsenanordnung relativ um die Achse A drehbar, wobei die Düsenanordnung entweder drehbar gegenüber dem Gehäuse und der Innenelektrode ausgebildet ist oder drehfest mit Gehäuse verbunden ist, während sich das Gehäuse relativ zur Innenelektrode dreht. Für die Drehbewegung sind die Düsenanordnung bzw. die Düsenanordnung und das Gehäuse über einen Motor angetrieben.
Eine Anlage zur Behandlung einer Oberfläche mit atmosphärischem Plasma ist aus der EP 0 986939 Bl bekannt und weist auf zwei Vorrichtungen zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls, wobei jede der beiden Vorrichtungen aufweist ein rohrförmiges Gehäuse, das eine Achse A bzw. A' aufweist, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Innenelektrode und eine eine Düsenöffnung aufweisende Düsenanordnung zum Auslassen eines im Gehäuse zu erzeugenden Plasmastrahls, wobei die beiden Vorrichtungen um eine gemeinsame Achse B drehbar miteinander verbunden sind und wobei ein Antrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung der Vorrichtungen um die Achse (B) vorgesehen ist. Mit beiden zuvor beschriebenen Vorrichtungen bzw. Anlagen ist es möglich, durch ein Bewegen der rotierenden Plasmastrahlen entlang der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks eine relativ breite Behandlungsspur zu erzeugen. Daher werden diese Techniken vielfältig angewendet.
Auch wenn mehrere Spuren von Plasmabehandlung der Oberfläche parallel und sich teilweise überlappend dazu führen, dass größere Flächen plasmabehandelt werden können, ergeben sich quer zur Bewegungsrichtung der Vorrichtung bzw. der Anlage Unterschiede in der Intensität der Plasmabehandlung auf der Oberfläche. Dieser Effekt wird anhand der Fig. la-b näher erläutert. ln Fig. la ist die Behandlungsspur eines Plasmastrahls einer oben beschriebenen Vorrichtung dargestellt, wobei die Trajektorie (Linie) den Auftreffpunkt der maximalen Plasmaintensität darstellt. Die Vorrichtung wird in y-Richtung, also in Fig. 1 nach oben bewegt, um fortlaufend den rotierenden Plasmastrahl über einen Streifen mit einer ungefähren Breite dx zur Anwendung zu bringen und die Oberfläche mit Plasma zu behandeln. Durch die Bewegungsrichtung (y) kommt es zu dem Effekt, dass die äußeren Bereiche der Behandlungsspur (dx) im Bereich der gestrichelten Linien intensiver mit dem Plasma behandelt werden, als es für die mittleren Bereiche der Behandlungsspur der Fall ist.
Das führt zu der in Fig. lb dargestellten Intensitätsverteilung, die zwei Maxi a aufweist, die in den äußeren Bereichen der Behandlungsspur, angedeutet mit den gestrichelten Linien, auftreten. Dazwischen kommt es nur zu einer merklich geringeren Intensität der Plasmabehandlung, so dass in der Mitte der Behandlungsspur ein Intensitätsminimum entsteht.
Aus diesem Grund wird die Oberfläche nur ungenügend und zudem in regelmäßigen Streifen nicht ausreichend plasmabehandelt. Somit muss regelmäßig die Geschwindigkeit der Bewegung der Vorrichtung relativ zur Oberfläche verlangsamt werden, um auch in den mittleren Bereichen der Behandlungsspur in eine Sättigung der Plasmabehandlung zu gelangen. Die Anwendung der Vorrichtung ist somit eingeschränkt.
Um dieses Problem zu beheben, schlägt die WO 2017/097694 Al eine Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls mit einer drehenden
Düsenanordnung sowie einer die Düsenanordnung umgebenden Abschirmung vor, die die Intensität der Wechselwirkung des zu erzeugenden Plasmastrahls mit der Oberfläche des Werkstücks beeinflusst. Durch die Abschirmung lässt sich bereits eine recht gute Vergleichmäßigung des Plasmastrahls für eine Oberflächenbehandlung erreichen. Jedoch kann der Kontakt des Plasmastrahls mit der Abschirmung zu einer Abschwächung des Plasmastrahls führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung und Anlage sowie das Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks derart weiterzubilden, dass die genannten Nachteile zumindest teilweise behoben werden und dass eine gleichmäßigere Behandlung der Oberfläche erreicht wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstücks, mit einer
Plasmadüse, die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse eine Düsenanordnung mit einer Düsenöffnung zum Auslassen eines in der Plasmadüse zu erzeugenden Plasmastrahls aufweist, wobei die Düsenanordnung um eine Drehachse drehbar ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Düsenöffnung einen Querschnitt mit einer von einer Kreisform abweichenden Form aufweist. Vorzugsweise weist die Düsenöffnung einen Querschnitt mit einer von einer Kreisform abweichenden Form auf, sodass die Intensität in der Mitte einer von dem Plasmastrahl auf einer Oberfläche bewirkten Behandlungsspur erhöht wird. Es wurde festgestellt, dass sich bei einer rotierenden Düsenanordnung über die Querschnittsform der Düsenöffnung Einfluss auf die Intensitätsverteilung der Behandlungsspur nehmen lässt, so dass sich insbesondere eine Vergleichmäßigung der Behandlungsintensität über die Breite der Behandlungsspur erreichen lässt. Weiterhin wurde erkannt, dass auf diese Weise eine Vergleichmäßigung ohne nennenswerte Abschwächung des Plasmastrahls erreicht werden kann.
Die Plasmadüse ist zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet. Zu diesem Zweck kann die Plasmadüse insbesondere mindestens zwei Elektroden aufweisen, beispielsweise eine im Gehäuse angeordnete Innenelektrode sowie eine Gegenelektrode, die zum Beispiel durch das Gehäuse selbst gebildet werden kann. Weiterhin kann die Plasmadüse insbesondere einen Arbeitsgaseinlass aufweisen, durch den Arbeitsgas in die Plasmadüse eingeleitet werden kann, so dass dieses die Plasmadüse in einem Bereich zwischen den Elektroden durchströmt.
Die Plasmadüse weist weiter eine Düsenanordnung mit einer Düsenöffnung zum Auslassen eines in der Plasmadüse zu erzeugenden Plasmastrahls auf. Die Düsenöffnung kann insbesondere an einem einem Arbeitsgaseinlass gegenüberliegenden Ende des Gehäuses angeordnet sein.
Die Düsenanordnung ist um eine Drehachse drehbar. Beispielsweise kann die Düsenanordnung relativ zum übrigen Teil der Plasmadüse drehbar ausgebildet ist. Es ist aber auch denkbar, dass die Düsenanordnung zusammen mit einem anderen Teil der Plasmadüse oder zusammen mit der gesamten Plasmadüse drehbar ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann die Düsenanordnung insbesondere drehfest mit der Plasmadüse oder dem mitdrehenden Teil davon ausgebildet sein.
Beispielsweise kann die Plasmadüse ein Gehäuse mit einer Gehäuseachse aufweisen, wobei die Drehachse parallel zu der Gehäuseachse verläuft oder mit dieser zusammenfällt. Die Gehäuseachse kann beispielsweise in Richtung der Haupterstreckungsrichtung des Gehäuses verlaufen. Zum Beispiel kann das Gehäuse rohrförmig sein, wobei die Gehäuseachse in Erstreckungsrichtung des rohrförmigen Gehäuses verläuft. Es ist beispielsweise denkbar, dass zwei Plasmadüsen mit einer jeweiligen Düsenöffnung vorgesehen sind, die um eine gemeinsame Drehachse rotieren, die zum Beispiel parallel zu der Gehäuseachse eines Gehäuses einer der Plasmadüsen verläuft, insbesondere in der Mitte zwischen den zwei Plasmadüsen.
Die Düsenöffnung weist einen Querschnitt mit einer von einer Kreisform abweichenden Form auf. Vorzugsweise weist die Düsenöffnung einen Querschnitt auf, der sich in einer radialen Richtung bezogen auf die Drehachse verjüngt. Auf diese Weise wird ein asymmetrischer Querschnitt der Düsenöffnung erreicht, dessen
Querschnitt sich in der einen radialen Richtung verjüngt und in der entgegengesetzten radialen Richtung erweitert. Zusätzlich oder alternativ kann die Düsenöffnung vorzugsweise einen Querschnitt aufweisen, der in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse eine größere Erstreckung aufweist als quer dazu. Auf diese Weise wird ein asymmetrischer Querschnitt der Düsenöffnung in Bezug auf sein Seitenverhältnis erreicht.
Versuche haben gezeigt, dass der Plasmastrahl durch die zuvor beschriebenen Querschnittsformen der Düsenöffnung so beeinflusst wird, dass eine vergleichmäßigte Oberflächenbehandlung mit dem Plasmastrahl erreicht wird.
Beispielsweise konnte durch eine solche Querschnittsform der Düsenöffnung erreicht werden, dass die Behandlungsintensität im mittleren Bereich der Behandlungsspur erhöht wird. Dieser Effekt wird in Fig. lc durch das Intensitätsprofil illustriert, das im Gegensatz zu Fig. lb eine ebene, bzw. nur noch leicht wellige Form eines Plateaus einnimmt. Wenn nebeneinander liegende Behandlungsspuren dann so überlappend auf die Oberfläche gebracht werden, dass in den Überlappungsbereichen aufsummiert die Intensität des Plateaus erreicht wird, dann wir die Oberfläche insgesamt gleichmäßiger durch den Plasmastrahl behandelt. Diese Vergleichmäßigung wird insbesondere bereits ohne weitere Ablenkung des Plasmastrahls nach Austritt aus der Düsenöffnung erreicht, wodurch ein Energieverlust des Plasmastrahls, wie zum Beispiel durch die Ablenkung an einer Abschirmung, vermieden wird.
Weist die Düsenöffnung einen Querschnitt auf, der sich in einer radialen Richtung bezogen auf die Drehachse verjüngt, so verjüngt sich der Querschnitt vorzugsweise in radialer Richtung zur Drehachse hin. Auf diese Weise wird der Querschnitt der Düsenöffnung von außen nach innen zur Drehachse kleiner. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass sich durch eine solche Ausgestaltung des Querschnitts eine Erhöhung der Plasmaintensität im Drehachsen-nahen Bereich erreichen lässt, wodurch die Plasmabehandlung vergleichmäßigt wird.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung beschrieben, wobei die einzelnen Ausführungsformen untereinander beliebig kombiniert werden können. Bei einer Ausführungsform weist die Düsenöffnung einen Querschnitt mit einer radialen Erstreckung bezogen auf die Drehachse auf, wobei der Flächenschwerpunkt des Querschnitts einen radialen Abstand zum Mittelpunkt der radialen Erstreckung aufweist. Der radiale Abstand beträgt vorzugsweise mindestens 5%, weiter bevorzugt mindestens 10% der radialen Erstreckung. Durch eine derartige Querschnittsform konnte eine vergleichmäßigte Oberflächenbehandlung erreicht werden.
Der Flächenschwerpunkt S = (xs, ys) des Querschnitts Q der Düsenöffnung mit Flächeninhalt F kann beispielsweise durch Integration über die Fläche des Querschnitts Q mittels folgender Formeln bestimmt werden, wobei: und
Figure imgf000008_0001
ys = jQ ydF(x,y),
Wird beispielsweise die x-Richtung in radialer Richtung in Bezug auf die Drehachse gewählt, so gilt vorzugsweise: xs = XM + Dx, wobei XM der Mittelpunkt der Erstreckung der Düsenöffnung in radialer x-Richtung und Dx ein radialer Abstand ist, der vorzugsweise mindestens 5%, weiter bevorzugt mindestens 10% der radialen Erstreckung der Düsenöffnung beträgt.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Düsenöffnung einen Querschnitt auf, der in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse eine größere Erstreckung aufweist als quer dazu, vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 1,5, weiter bevorzugt um einen Faktor von mindestens 1,8, besonders bevorzugt um einen Faktor von mindestens 2, insbesondere um einen Faktor von mindestens 3. Durch eine derartige Querschnittsform konnte ebenfalls eine vergleichmäßigte Oberflächenbehandlung erreicht werden.
Um eine ausreichende Querschnittsfläche der Düsenöffnung zu erreichen, weist die Düsenöffnung vorzugsweise einen Querschnitt auf, der in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse eine maximal um den Faktor 25, weiter bevorzugt maximal um den Faktor 15, besonders bevorzugt maximal um den Faktor 10, größere Erstreckung aufweist als quer dazu.
Bei einer Ausführungsform ist die Düsenöffnung exzentrisch zur Drehachse angeordnet. Auf diese Weise wird bei Drehung der Düsenanordnung eine kontinuierliche Beaufschlagung eines zentralen Bereichs einer Oberfläche unter der Düsenanordnung und somit deren Überbehandlung oder Beschädigung verhindert. Besonders bevorzugt ist die Düsenöffnung zu diesem Zweck vollständig außerhalb der Drehachse angeordnet. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Querschnitt der Düsenöffnung rechteckig oder ellipsenförmig. Eine solche Querschnittsform lässt sich produktionstechnisch einfach herstellen, wodurch sich die Herstellungskosten für die Vorrichtung senken lassen. Ein rechteckiger Querschnitt der Düsenöffnung ist insbesondere so ausgerichtet, dass die längeren Seitenkanten im Wesentlichen parallel zu einer radialen Richtung und die kürzeren Seitenkanten im Wesentlichen quer dazu verlaufen. Ein ellipsenförmiger Querschnitt der Düsenöffnung ist insbesondere so ausgerichtet, dass die größere Querschnittsachse im Wesentlichen parallel zu einer radialen Richtung und die kleinere Querschnittsachse im Wesentlichen quer dazu verlaufen. Auf diese Weise kann eine gute Vergleichmäßigung einer Oberflächenbehandlung mit dem Plasmastrahl erzielt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Querschnitt der Düsenöffnung tropfenförmig oder trapezförmig. Eine solche Querschnittsform hat in Versuchen eine sehr gute vergleichmäßigende Wirkung auf die Plasmabehandlung einer Oberfläche gezeigt. Das schmalere Ende des tropfenförmigen oder trapezförmigen Querschnitts der Düsenöffnung ist insbesondere näher an der Drehachse angeordnet als das breitere Ende.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Querschnitt der Düsenöffnung eine Querschnittsfläche von maximal 50 mm2, vorzugsweise maximal 30 mm2, insbesondere maximal 20 mm2, auf. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Druck des Plasmastrahls aufrecht erhalten bleibt und der Plasmastrahl auf diese Weise für eine gezielte Behandlung ausreichend intensiv und gerichtet bleibt.
Bei einer weiteren Ausführungsform verläuft die Richtung der Düsenöffnung unter einem Winkel im Bereich von 0 und 45° zur Drehachse. Unter der Richtung der
Düsenöffnung wird insbesondere die Erstreckungsrichtung des zu der Düsenöffnung führenden Düsenkanals im Bereich der Düsenöffnung verstanden. Durch die Begrenzung des Winkels der Düsenöffnungsrichtung auf max. 45° wird eine insgesamt intensivere Beaufschlagung der zu behandelnden Oberfläche erreicht.
Bei einer weiteren Ausführungsformverläuft die Richtung der Düsenöffnung unter einem Winkel von mindestens 1°, vorzugsweise mindestens 5°, zur Drehachse verläuft. Auf diese Weise lässt sich die Behandlungsspur verbreitern, so dass gleichzeitig ein größerer Bereich einer Oberfläche behandelt werden kann. Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Drehantrieb auf, der dazu eingerichtet ist, die Düsenanordnung um die Drehachse zu drehen. Auf diese Weise kann die Drehung der Düsenanordnung gezielt gesteuert werden, vorzugsweise mit einer vorgebbaren Rotationsfrequenz. Die Rotationsfrequenz liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 4000 Umdrehungen pro Minute, weiter bevorzugt, 1000 bis 3000 Umdrehungen pro Minute. Der Drehantrieb kann dazu eingerichtet sein, die Düsenanordnung relativ zum übrigen Teil der Plasmadüse um die Drehachse zu drehen. Weiterhin kann der Drehantrieb dazu eingerichtet sein, einen Teil der Plasmadüse oder die gesamte Plasmadüse gemeinsam mit der Düsenanordnung um die Drehachse zu drehen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Plasmadüse dazu eingerichtet, den atmosphärischen Plasmastrahl mittels einer bogenartigen Entladung in einem Arbeitsgas zu erzeugen, wobei die bogenartige Entladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt wird. Auf diese Weise kann ein Plasmastrahl erzeugt werden, der sich gut fokussieren lässt und sich zudem gut für eine Plasmabehandlung einer Oberfläche eignet. Insbesondere weist ein derart erzeugter Plasmastrahl eine verhältnismäßig geringe Temperatur auf, so dass eine Beschädigung der Oberfläche verhindert werden kann.
Die hochfrequente Hochspannung zur Erzeugung einer hochfrequenten bogenartigen Entladung kann zum Beispiel eine Spannungsstärke im Bereich von 1 - 100 kV, vorzugsweise 1 - 50 kV, weiter bevorzugt 1 - 10 kV, und eine Frequenz von 1 - 300 kHz, insbesondere 1 - 100 kHz, vorzugsweise 10 - 100 kHz, weiter bevorzugt 10 - 50 kHz, aufweisen.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstücks mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung oder einer Ausführungsform davon, bei dem die Düsenanordnung um die Drehachse gedreht wird, bei dem mit der Plasmadüse ein atmosphärischer Plasmastrahl erzeugt wird, so dass dieser aus der Düsenöffnung austritt, und bei dem der Plasmastrahl auf die zu behandelnde Oberfläche gerichtet wird.
Vorzugsweise wird die Plasmadüse über die zu behandelnde Oberfläche verfahren und/oder die zu behandelnde Oberfläche wird an der Plasmadüse entlang verfahren. Auf diese Weise kann eine größere Oberfläche behandelt werden. Zudem wird durch die dadurch erreichte überlagerte Bewegung des rotierenden Plasmastrahls mit dem Verfahren über die Oberfläche eine weiter verbesserte Vergleichmäßigung der Behandlung erzielt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.
In der Zeichnung zeigen
Fig. la-c graphische Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der
Plasmabehandlung im Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Vorrichtung aus dem Stand der Technik,
Fig. 3a-b ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls, Fig 6 ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Erzeugen eines
Plasmastrahls und
Fig. 7a-b ein fünftes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls.
In der nachfolgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele werden gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen, auch wenn die Bauteile bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen in ihrer Dimension oder Form Unterschiede aufweisen können.
Bevor auf ein erstes Ausführungsbeispiel der hier beschriebenen Vorrichtung eingegangen wird, sollen zunächst der prinzipielle Aufbau und das Funktionsprinzip einer für die hier beschriebenen Vorrichtung geeigneten Plasmadüse anhand der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung aus dem Stand der Technik erläutert werden.
Die in Fig. 2 gezeigte und aus der EP 1067 829 Bl bekannte Vorrichtung 2 weist eine zum Erzeugen eines Plasmastrahls eingerichtete Plasmadüse 3 mit einem rohrförmigen Gehäuse 10 auf, das in seinem in der Zeichnung oberen Bereich im Durchmesser erweitert und mit Hilfe eines Lagers 12 drehbar auf einem festen Tragrohr 14 gelagert ist. Im Inneren des Gehäuses 10 wird der obere Teil eines Düsenkanals 16 gebildet, der vom offenen Ende des Tragrohres 14 bzw. vom Arbeitsgaseinlass in die Plasmadüse 3 bis hin zu einer Düsenöffnung 18 führt. In das Tragrohr 14 ist ein elektrisch isolierendes Keramikrohr 20 eingesetzt. Ein
Arbeitsgas, beispielsweise Luft, wird durch das Tragrohr 14 und das Keramikrohr 20 in den Düsenkanal 16 zugeführt. Mit Hilfe einer in das Keramikrohr 20 eingesetzten Dralleinrichtung 22 wird das Arbeitsgas so verdraht, dass es wirbelförmig durch den Düsenkanal 16 in Richtung Düsenöffnung 18 strömt, wie in der Zeichnung durch einen schraubenförmigen Pfeil symbolisiert wird. In dem Düsenkanal 16 entsteht so ein Wirbelkern, der längs der Achse A des Gehäuses 10 verläuft. An der Dralleinrichtung 22 ist eine stiftförmige Innenelektrode 24 montiert, die koaxial in den oberen Teil des Düsenkanals 16 ragt und an die mit Hilfe eines Hochspannungsgenerators 26 eine hochfrequente Hochspannung angelegt wird. Die hochfrequente Hochspannung kann eine Spannungsstärke im Bereich von 1 - 100 kV, vorzugsweise 1 - 50 kV, weiter bevorzugt 1 - 10 kV, und eine Frequenz von 1 - 300 kHz, insbesondere 1 - 100 kHz, vorzugsweise 10 - 100 kHz, weiter bevorzugt 10 - 50 kHz, aufweisen. Die hochfrequente Hochspannung kann eine hochfrequente Wechselspannung, aber auch eine gepulste Gleichspannung oder eine Überlagerung beider Spannungsformen sein.
Das aus Metall bestehende Gehäuse 10 ist über das Lager 12 und das Tragrohr 14 geerdet und dient als Gegenelektrode, so dass eine elektrische Entladung zwischen der Innenelektrode 24 und dem Gehäuse 10 erzeugt werden kann.
Die innerhalb des Gehäuses 10 angeordnete Innenelektrode 24 ist vorzugsweise parallel zu Achse A ausgerichtet, insbesondere ist die Innenelektrode 24 in der Achse A angeordnet.
Die Düsenöffnung 18 des Düsenkanals wird durch eine Düsenanordnung 30 aus Metall gebildet, das in eine Gewindebohrung 32 des Gehäuses 10 eingeschraubt ist und in dem ein sich zur Düsenöffnung 18 verjüngender und bogenförmiger und schräg in Bezug auf die Achse A verlaufender Kanal 34 ausgebildet ist, der den unteren Teil des Düsenkanals 16 bis zur Düsenöffnung 18 bildet. Auf diese Weise bildet der aus der Düsenöffnung 18 austretende Plasmastrahl 28 mit der Achse A des Gehäuses einen Winkel, der im gezeigten Beispiel etwa 45° beträgt. Durch Auswechseln der Düsenanordnung 30 kann dieser Winkel nach Bedarf variiert werden.
Die Düsenanordnung 30 ist somit am Ende der Entladungsstrecke der hochfrequenten Bogenentladung angeordnet und über den metallischen Kontakt mit dem Gehäuse 10 geerdet. Die Düsenanordnung 30 kanalisiert somit den ausströmenden Gas- und Plasmastrahl, wobei die Richtung der Düsenöffnung 18 unter einem vorgegebenen Winkel zur Achse A verläuft. Da die Düsenanordnung 30 mit dem Gehäuse 10 drehfest verbunden ist und da das Gehäuse 10 wiederum über das Lager 12 gegenüber dem Tragrohr 14 drehbar befestigt ist, kann die Düsenanordnung 30 relativ um die Achse A rotieren. Die Drehachse fällt bei dieser Ausgestaltung demnach mit der Gehäuseachse A zusammen. Auf dem erweiterten oberen Teil des Gehäuses 10 ist ein Zahnrad 36 angeordnet, das beispielsweise über einen Zahnriemen oder ein Ritzel 37 mit einem Drehantrieb 38, wie zum Beispiel einem Motor, in Antriebsverbindung steht.
Während des Betriebs der Plasmadüse 3 durch die hochfrequente Hochspannung wird aufgrund der hohen Frequenz der Spannung eine Bogenentladung zwischen der Innenelektrode 24 und dem Gehäuse 10 erzeugt. Der Lichtbogen dieser hochfrequenten Bogenentladung wird durch das verdraht einströmende Arbeitsgas mitgenommen und im Kern der wirbelförmigen Gasströmung kanalisiert, so dass der Lichtbogen dann nahezu gradlinig von der Spitze der Innenelektrode 24 längs der Achse A verläuft und sich erst im Bereich des unteren Endes des Gehäuses 10 oder im Bereich des Kanals 34 radial auf die Gehäusewand bzw. auf die Wand der
Düsenanordnung 30 verzweigt. Auf diese Weise wird ein Plasmastrahl 28 erzeugt, der durch die Düsenöffnung 18 austritt.
Die Begriffe „Lichtbogen" bzw. „Bogenentladung" werden vorliegend als phänomenologische Beschreibung der Entladung verwendet, da die Entladung in Form eines Lichtbogens auftritt. Der Begriff „Lichtbogen" wird anderweitig auch als Entladungsform bei Gleichspannungsentladungen mit im Wesentlichen konstanten Spannungswerten verwendet. Vorliegend handelt es sich jedoch um eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens, also um eine hochfrequente Bogenentladung. Im Betrieb rotiert das Gehäuse 10 mit hoher Drehzahl um die Achse A, so dass der Plasmastrahl 28 einen Kegelmantel beschreibt, der die zu bearbeitende Oberfläche eines nicht gezeigten Werkstücks überstreicht. Wenn dann die Vorrichtung 2 bzw. die Plasmadüse 3 an der Oberfläche des Werkstücks entlang bewegt wird oder umgekehrt das Werkstück an die Vorrichtung 2 bzw. Plasmadüse 3 entlang bewegt wird, so wird eine relativ gleichmäßige Behandlung der Oberfläche des Werkstücks auf einem Streifen erreicht, dessen Breite dem Durchmesser des vom Plasmastrahl 28 beschriebenen Kegels auf der Werkstückoberfläche entspricht. Durch Variieren des Abstands zwischen der Düsenanordnung 30 und dem Werkstück lässt sich die Breite des vorbehandelten Bereiches beeinflussen. Durch den schräg auf die Werkstückoberfläche auftreffenden Plasmastrahl 28, der seinerseits verdraht ist, wird eine intensive Einwirkung des Plasmas auf die Werkstückoberfläche erreicht. Die Drallrichtung des Plasmastrahls kann dabei gleichsinnig oder gegensinnig zur Rotationsrichtung des Gehäuses 10 sein.
Die Intensität der Plasmabehandlung durch den rotierenden Plasmastrahl 28 hängt vom Abstand der Düsenöffnung 18 zur Oberfläche und vom Auftreffwinkel des Plasmastrahls 28 auf der zu behandelnden Oberfläche ab. Darüber hinaus hängt die Intensität der Plasmabehandlung von der Verfahrgeschwindigkeit der Plasmadüse 3 bzw. der Düsenanordnung 30 relativ zur Oberfläche des Werkstücks ab.
Fig. 3a und 3b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der hier offenbarten Vorrichtung. Fig. 3a zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung 42. Die Vorrichtung 42 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie die Vorrichtung 2 aus Fig. 2, wobei einander entsprechende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und insoweit auf die obige Beschreibung zur Vorrichtung 2 verwiesen wird.
Die Vorrichtung 42 unterscheidet sich von der Vorrichtung 2 durch eine andere Düsenanordnung 44 der Plasmadüse 3. Die Düsenanordnung 44 ist wie die Düsenanordnung 30 in eine Gewindebohrung 32 des Gehäuses 10 eingeschraubt. Die Düsenanordnung 44 weist einen Düsenkanal 46 mit einer Düsenöffnung 48 auf, aus der im Betrieb der Plasmastrahl 28 austritt. Der Düsenkanal 46 verjüngt sich zur Düsenöffnung 18 und ist schräg in Bezug auf die Achse A ausgebildet. Auf diese Weise bildet der aus der Düsenöffnung 18 austretende Plasmastrahl 28 mit der Achse A des Gehäuses einen Winkel, der im gezeigten Beispiel etwa 30° beträgt. Die Achse A bezeichnet bei diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig die Gehäuseachse des Gehäuses 10 und die damit zusammenfallende Drehachse, um die die Düsenanordnung 44 drehbar ist.
Fig. 3b zeigt eine Ansicht der Düsenanordnung 44 mit der Düsenöffnung 48 von unten. Wie Fig. 3b zeigt, weist die Düsenöffnung 48 einen rechteckigen Querschnitt auf, dessen lange Seiten parallel zu einer radialen Richtung R verlaufen, so dass der Querschnitt in radialer Richtung bezogen auf die Achse eine größere Erstreckung aufweist als quer dazu, vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 1,5, weiter bevorzugt von mindestens 2. Es wurde festgestellt, dass die Intensität der Plasmabehandlung bei Rotation der Düsenanordnung 44 stärker in den inneren Bereich zur Achse A verlagern lässt, so dass die beim Stand der Technik auftretende geringere Intensität in der Mitte der Behandlungsspur (s. Fig. lb) ausgeglichen wird und sich eine gleichmäßigere Intensität wie in Fig. 1c gezeigt ergibt. Anstelle einer Rechteckform wie in Fig. 4 kann die Düsenöffnung zum Beispiel auch einen elliptischen Querschnitt aufweisen. Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Die Vorrichtung 42' weist einen grundsätzlichen Aufbau auf wie die Vorrichtung 42 aus Fig. 3a und unterscheidet sich von dieser lediglich durch eine anders geformte Düsenöffnung 48' und einen entsprechend angepassten Düsenkanal. Fig. 4 zeigt in einer der Fig. 3b entsprechenden Ansicht der Vorrichtung 42' von unten den Querschnitt der Düsenöffnung 48'. Wie Fig. 4 zeigt, weist die Düsenöffnung 48' einen trapezförmigen Querschnitt auf, dessen schmaleres Ende näher an der Achse angeordnet ist als dessen breiteres Ende, so dass sich der Querschnitt der Düsenöffnung 48' in radiale Richtung zur Achse A hin verjüngt. Insbesondere weist dadurch der Flächenschwerpunkt S einen radialen Abstand Dx zum Mittelpunkt XM der radialen Erstreckung Er der Düsenöffnung 48' auf.
Es wurde festgestellt, dass die Intensität der Plasmabehandlung bei Rotation der Düsenanordnung 44 bei einer Verjüngung des Düsenöffnungsquerschnitts in Richtung der Achse A in diesem Bereich erhöht werden kann, vermutlich durch Strömungseffekte, so dass die beim Stand der Technik auftretende geringere
Intensität in der Mitte der Behandlungsspur (s. Fig. lb) auf diese Weise ebenfalls ausgeglichen werden kann und sich eine gleichmäßigere Intensität wie in Fig. lc gezeigt ergibt. Anstelle einer Trapezform wie in Fig. 4 kann die Düsenöffnung zum Beispiel auch einen tropfenförmigen Querschnitt aufweisen.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Die Vorrichtung 42“ weist einen grundsätzlichen Aufbau auf wie die Vorrichtung 42 aus Fig. 3a und unterscheidet sich von dieser lediglich durch eine anders geformte Düsenöffnung 48“ und einen entsprechend angepassten Düsenkanal. Fig. 5 zeigt in einer der Fig. 3b entsprechenden Ansicht der Vorrichtung 42“ von unten den Querschnitt der Düsenöffnung 48“.
Wie Fig. 5 zeigt, weist die Düsenöffnung 48" einen trapezförmigen Querschnitt wie die Düsenöffnung 48' auf, der zudem, wie bei der Düsenöffnung 48, in radialer Richtung R bezogen auf die Achse A eine größere Erstreckung aufweist als quer dazu. Auf diese Weise können die Effekte der Düsenöffnungsquerschnitte aus Fig. 3b und 4 miteinander kombiniert werden, so dass sich eine noch gleichmäßigere Intensität wie in Fig. lc gezeigt erreichen lässt. Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Die Vorrichtung 42‘" weist einen grundsätzlichen Aufbau auf wie die Vorrichtung 42 aus Fig. 3a und unterscheidet sich von dieser lediglich durch eine anders geformte Düsenöffnung 48‘" und einen entsprechend angepassten Düsenkanal. Fig. 6 zeigt in einer der Fig. 3b entsprechenden Ansicht der Vorrichtung 42'" von unten den Querschnitt der Düsenöffnung 48'".
Wie Fig. 6 zeigt, weist die Düsenöffnung 48'" einen tropfenförmigen Querschnitt auf, der sich in einer radialen Richtung in Richtung der Achse A verjüngt. Zudem weist der Querschnitt in radialer Richtung R bezogen auf die Achse A eine größere Erstreckung auf als quer dazu. Mit einem solchen Querschnitt lässt sich ebenfalls eine gleichmäßigere Intensität bei der Behandlung einer Oberfläche erreichen. Die Fig. 7a-b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Fig. 7a zeigt eine schematische Seitenansicht. Fig. 7b zeigt eine Ansicht von unten. Die Vorrichtung 52 weist zwei Plasmadüsen 53, 53' zur Erzeugung eines jeweiligen atmosphärischen Plasmastrahls 28 auf. Die Plasmadüsen 53, 53' sind drehfest miteinander verbunden und mittels eines vorgesehenen Antriebs (Pfeil 54) um eine gemeinsame Drehachse B drehbar. Die Drehachse B verläuft jeweils parallel zu den Gehäuseachsen A', A" der rohrförmigen Gehäuse 10 der Plasmadüsen 53, 53'. Bei diesem Ausführungsbeispiel fallen die Drehachse B und die Gehäuseachsen A', A" demnach auseinander.
Die Plasmadüsen 53, 53' weisen einen ähnlichen Aufbau und eine ähnliche Funktionsweise auf wie die Plasmadüse 3 aus Fig. 3a-b. Die Plasmadüsen 53, 53' unterscheiden sich dadurch von der Plasmadüse 3, dass das Gehäuse 10 gegenüber dem Tragrohr 14 nicht drehbar ausgestaltet ist, insbesondere kein Lager 12 vorgesehen ist. Vielmehr können Gehäuse 10 und Tragrohr 14 einteilig als durchgängiges Gehäuse ausgebildet sein. Entsprechend fehlt es bei den Plasmadüsen 53 und 53' auch an dem in Fig. 3a dargestellten Ritzel 37 und Drehantrieb 38. Darüber hinaus können die Düsenöffnungen 58, 58' der Plasmadüsen 53, 53' wie in Fig. 7a dargestellt im Wesentlichen parallel zu den Gehäuseachsen A', A" bzw. zur Drehachse B verlaufen oder alternativ - ähnlich zu Fig. 3a - in einem Winkel dazu.
Wie Fig. 7b zeigt, weisen die Düsenöffnungen 58, 58' jeweils einen trapezförmigen Querschnitt auf, dessen jeweiliges schmaleres Ende näher an der Drehachse B angeordnet ist als dessen jeweiliges breiteres Ende, so dass sich der Querschnitt der Düsenöffnungen 58, 58' in radialer Richtung R bzw. R' zur Drehachse B hin verjüngt. Alternativ können die Düsenöffnungen 58, 58' auch einen anderen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen Querschnitt, wie er in Fig. 3b oder in Fig. 6 dargestellt ist.
Es wurden Versuche durchgeführt, um die Wirkung des Düsenöffnungsquerschnitts auf die Gleichmäßigkeit der Plasmabehandlung zu untersuchen.
Bei diesen Versuchen wurde zum einen eine vorbekannte Vorrichtung entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung 2 mit einer kreisförmigen Düsenöffnung (Vorrichtung V] und zum anderen eine Vorrichtung entsprechend der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung 42'" mit einem Aufbau wie in Fig. 3a dargestellt und einer tropfenförmiger Düsenöffnung wie in Fig. 6 dargestellt (Vorrichtung E) verwendet.
Die kreisförmige Düsenöffnung der Vorrichtung V wies einen Durchmesser von 4 mm auf. Die tropfenförmige Düsenöffnung der Vorrichtung E wies in radialer Richtung eine Länge von 10 mm, im radial äußeren Bereich eine Breite quer zur radialen Richtung von 4 mm und im radial inneren Bereich eine Breite quer zur radialen Richtung von 1,5 mm auf. Die Richtung der Düsenöffnung verlief jeweils in einem Winkel von 11° zur Achse A.
Die Vorrichtungen V und E wurden jeweils mit Luft (751/min.) als Arbeitsgas sowie einer hochfrequenten Hochspannung von etwa 5 kV bei einer Frequenz von 23 kHz betrieben. Die Rotationsfrequenz der Düsenanordnungen um die Achse A betrug jeweils ca. 2800 Umdrehungen pro Minute.
Mit den Vorrichtungen V und E wurden jeweils Polyethylen-T estkarten, die eine anfängliche Oberflächenenergie so < 30 mN/m aufwiesen, behandelt, wobei die
Vorrichtungen jeweils mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 30 m/min über die zu behandelnde Oberfläche der Testkarten verfahren wurden.
Nach der Behandlung wurden jeweils die Oberflächenenergien der Testkarten gemessen, und zwar jeweils in der Mitte der jeweiligen Behandlungsspur und am Rand der jeweiligen Behandlungsspur.
Die Ergebnisse der Messungen der Oberflächenenergie s sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt:
Figure imgf000021_0001
Tabelle 1
Wie die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, variiert die Oberflächenenergie s über die Breite der Behandlungsspur bei der mit der mit der Vorrichtung E behandelten Testkarte erheblich weniger als bei der mit der Vorrichtung V behandelten Testkarte. Dies zeigt, dass durch die beschriebene Ausgestaltung der Düsenöffnung eine Vergleichmäßigung bei der Oberflächenbehandlung wie in Fig. lc dargestellt erreicht werden kann.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung (42, 42', 42", 42'", 52) zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls (28) zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer Plasmadüse (3, 53, 53'), die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls (28) eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse (3, 53, 53') eine Düsenanordnung (44) mit einer Düsenöffnung (48, 48', 48", 48'", 58, 58‘) zum Auslassen eines in der Plasmadüse (3) zu erzeugenden Plasmastrahls (28) aufweist und wobei die Düsenanordnung (44) um eine Drehachse (A, B) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (48, 48', 48“, 48'", 58, 58') einen Querschnitt mit einer von einer Kreisform abweichenden Form aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadüse (3; 53, 53') ein Gehäuse (10) mit einer Gehäuseachse (A, A', A") aufweist und die Drehachse (A, B) parallel zu der Gehäuseachse (A, A', A") verläuft oder mit dieser zusammenfällt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (48, 48‘, 48", 48'", 58, 58') einen Querschnitt aufweist, der sich in einer radialen Richtung bezogen auf die Drehachse (A, B) verjüngt und/oder der in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse (A, B) eine größere Erstreckung aufweist als quer dazu.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (48, 48', 48", 48'", 58, 58') exzentrisch zur Drehachse (A, B) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (48, 48', 48“, 48"', 58, 58') vollständig außerhalb der Drehachse (A, B) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Düsenöffnung (48, 48', 48", 48'", 58, 58') rechteckig oder ellipsenförmig ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Düsenöffnung (48, 48', 48", 48"', 58, 58') tropfenförmig oder trapezförmig ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Düsenöffnung (48, 48‘, 48",
48'", 58, 58') eine Querschnittsfläche von maximal 50 mm2, vorzugsweise maximal 30 mm2 aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Düsenöffnung (48, 48', 48", 48‘",
58, 58') unter einem Winkel im Bereich von 0 und 45° zur Drehachse (A, B) verläuft.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Düsenöffnung (48, 48‘, 48", 48'",
58, 58') unter einem Winkel von mindestens 1°, vorzugsweise mindestens 5°, zur Drehachse (A, B) verläuft.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (42, 42', 42", 42'", 52) einen Drehantrieb (38, 54) aufweist, der dazu eingerichtet ist, die Düsenanordnung (44) um die Drehachse (A, B) zu drehen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadüse (3, 53, 53‘) dazu eingerichtet ist, den atmosphärischen Plasmastrahl (28) mittels einer bogenartigen Entladung in einem Arbeitsgas zu erzeugen, wobei die bogenartige Entladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden (24, 10) erzeugt wird 13. Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer
Vorrichtung (42, 42', 42", 42"', 52) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Düsenanordnung (44) um die Drehachse (A, B) gedreht wird, bei dem mit der Plasmadüse (3, 53, 53') ein atmosphärischer Plasmastrahl (28) erzeugt wird, so dass dieser aus der Düsenöffnung (48, 8', 48'", 58, 58') austritt, und bei dem der Plasmastrahl (28) auf die zu behandelnde Oberfläche gerichtet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Plasmadüse (3, 53, 53') über die zu behandelnden Oberfläche verfahren wird und/oder die zu behandelnde Oberfläche an der Plasmadüse (3, 53, 53') entlang verfahren wird.
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