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Die
Erfindung betrifft eine Kurztaktniederdruckplasmaanlage zur Behandlung
einer Oberfläche eines Werkstückes in einem Niederdruckplasma, mit
einer bevorzugt mittels einer Vakuumpumpe zumindest teilevakuierbaren
Prozesskammer. Dabei ist eine Elektrode zur Erzeugung des Niederdruckplasmas
in der Prozesskammer, durch Einspeisung elektrischer und/oder elektromagnetischer
Energie in ein in der Prozesskammer vorhandenes Gas, vorgesehen.
Es ist ein elektrischer Generator vorgesehen, der zur Beaufschlagung
der Elektrode mit elektrischer Spannung eingerichtet ist.
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Bei
einem Niederdruckplasma handelt es sich um ein zumindest teilionisiertes
Gas, wobei der Druck des Gases üblicherweise zwischen einem
und tausend Pascal beträgt. Als Gas kann dabei z. B. ein Edelgas,
Sauerstoff, CF4 oder ein Gasgemisch eingesetzt werden.
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Ein
Niederdruckplasma bietet sehr vielseitige Möglichkeiten,
Oberflächen von Werkstücken zu modifizieren. Zum
Beispiel kann eine Feinreinigung von verschmutzten Werkstücken,
eine Plasmaaktivierung von Oberflächen von Kunststoffteilen,
eine Ätzung von Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Silizium
oder die Beschichtung von Kunststoffteilen mit PTFE-ähnlichen
Schichten zur Behandlung in einem Niederdruckplasma vorgenommen
werden. Eine Oberflächenbehandlung mit einem Niederdruckplasma
wird daher in den verschiedensten Bereichen eingesetzt, wo es darauf
ankommt, Materialien zu verbinden oder die Oberflächeneigenschaften
der Materialien gezielt zu verändern.
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Dabei
kommen üblicherweise Elektroden zum Einsatz. Die Elektroden
können mit Gleichstrom (DC), Wechselstrom (AC) oder Hochfrequenz
(HF) betrieben werden. Der Generator einer derartigen Niederdruckplasmaanlage
kann als Hochfrequenzgenerator ausgeführt sein. Derartige
Niederdruckplasmaanlagen sind beispielsweise in den Büchern mit
den ISBN Nummern 3-8169-1647-3 oder 3-609-68350-3 offenbart.
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Die
Generatoren bekannter Niederdruckplasmaanlagen sind derart ausgelegt,
dass der Generator die Elektrode derart mit elektrischer Spannung
beaufschlagt, dass eine Menge der eingespeisten Energie zwischen
0,1 und 100, bevorzugt 1 Kilojoule pro Liter des Volumens des zu
erzeugenden Niederdruckplasmas in das Gas eingespeist wird. Diese
Energie wird in einem Zeitraum von üblicherweise länger
als 10 Sekunden (Plasmabehandlungszeit) in das Gas eingespeist.
Das heißt, dass das Niederdruckplasma länger als
10 Sekunden aufrechterhalten wird und die Niederdruckplasmabehandlung der
Oberflächen entsprechend lange andauert. Eine typische
Niederdruckplasmaanlage weist beispielsweise eine Prozesskammer
mit einem Rauminhalt zur Erzeugung eines Volumens des zu erzeugenden Niederdruckplasmas
von 100 Litern auf. Die Plasmabehandlungszeit beträgt z.
B. 1000 Sekunden, wobei ein Generator mit einer Plasmageneratorleistung
von einhundert Watt eingesetzt wird. Der Generator liefert also
in zehn Minuten eine elektrische Energie von einer einhunderttausend
Joule, die in das Gas zur Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Niederdruckplasmas
eingespeist wird, um z. B. Oberflächen von Kunststoffteilen
zu aktivieren. Daraus ergibt sich eine Menge der eingespeisten Energie
von einem Kilojoule pro Liter des Volumens des zu erzeugenden Niederdruckplasmas.
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Insgesamt
ergibt sich zur Behandlung eines Werkstückes bei bekannten
Niederdruckplasmaanlagen eine Taktzeit von einer bis zu 30 Minuten.
Diese Taktzeit setzt sich aus der zur Teilevakuierung der Prozesskammer
durch Abpumpen der darin befindlichen Luft notwendigen Zeit, der
eigentlichen Plasmabehandlungszeit, und der notwendigen Zeit für
eine Wiederbelüftung der Prozesskammer zur Entnahme des
behandelten Werkstückes nach der Plasmabehandlungszeit
zusammen.
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Diese
langen Taktzeiten werden also auch durch die relativ lange Plasmabehandlungszeit
mit verursacht. Lange Taktzeiten sind jedoch nachteilig bei der
Herstellung von Werkstücken. Insbesondere bei einem In-line
Einsatz einer Niederdruckplasmaanlage bei der Herstellung von Werkstücken,
wie z. B. Handschuhkästen oder Stoßfängern
für die Automobilindustrie, sind derart lange Taktzeiten
sehr hinderlich. Unter In-line Einsatz wird dabei der Einsatz einer
Niederdruckplasmaanlage direkt in einer automatisierten Produktionsabfolge
verstanden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Niederdruckplasmaanlage
bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet,
wobei insbesondere die Taktzeit bei der Oberflächenbehandlung
eines Werkstückes verringert werden soll.
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Diese
Aufgabe wird durch die Niederdruckplasmaanlage des unabhängigen
Anspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche
stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Eine
erfindungsgemäße Niederdruckplasmaanlage ist zur
Behandlung einer Oberfläche eines Werkstückes
in einem Niederdruckplasma eingerichtet. Die erfindungsgemäße
Niederdruckplasmaanlage weist eine, bevorzugt mittels einer Vakuumpumpe zumindest
teilevakuierbare, Prozesskammer auf. Es ist eine Elektrode zur Erzeugung
des Niederdruckplasmas in der Prozesskammer durch Einspeisung elektrischer
und/oder elektromagnetischer Energie in ein in der Prozesskammer
vorhandenes Gas vorgesehen. Die Elektrode kann dabei sowohl innerhalb der
Prozesskammer, als auch außerhalb der Prozesskammer angeordnet
sein. Im letztgenannten Fall wirkt die Elektrode als eine Antenne.
Die Energie kann also z. B. über einen elektrischen Strom
in das Gas eingeleitet werden. Die Energie kann aber auch als elektromagnetische
Strahlung, beispielsweise Mikrowellenstrahlung, z. B. durch ein
Glasfenster in einer Außenwand der Prozesskammer in das
Gas eingebracht werden. Das Niederdruckplasma kann dabei durch einen
Mikrowellenpuls gezündet werden. Ein elektrischer Generator
der erfindungsgemäßen Niederdruckplasmaanlage
ist zur Beaufschlagung der Elektrode mit elektrischer Spannung eingerichtet. Der
Generator ist weiter eingerichtet, die Elektrode derart mit elektrischer
Spannung zu beaufschlagen, dass eine Menge der eingespeisten Energie
zwischen 0,1 und 100, bevorzugt 1, Kilojoule pro Liter des Volumens
des zu erzeugenden Niederdruckplasmas eingespeist wird, bzw. mittels
des Generators einspeisbar ist. Der Generator kann dazu als ein
Mikrowellengenerator, der ähnlich der Spannungsversorgung
eines Radargerätes aufgebaut ist, ausgeführt sein.
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Erfindungsgemäß ist
der Generator eingerichtet, die Menge der eingespeisten Energie
in einer Plasmabehandlungszeit mit einer Zeitdauer kleiner eine
Sekunde, bevorzugt kleiner als 10 Millisekunden, bereit zu stellen.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die hohen Taktzeiten
beim Einsatz bekannter Niederdruckplasmaanlagen dadurch verringert
werden können, dass andere Generatoren zur Erzeugung des
Niederdruckplasmas eingesetzt werden. Der Generator einer erfindungsgemäßen
Niederdruckplasmaanlage ist derart ausgelegt, dass die gleiche Energie,
die üblicherweise in einer Plasmabehandlungszeit von mehr
als 10 Sekunden in das Gas zur Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung
des Plasmas eingespeist wird, in der sehr kurzen Zeit von weniger
als einer Sekunde vom Generator geliefert werden kann. Es wird derart
eine Niederdruckplasmaanlage, die eine sehr kurze Taktzeit ermöglicht,
bereit gestellt. Die erfindungsgemäße Niederdruckplasmaanlage
kann z. B. zum Reinigen, Aktivieren, Ätzen oder Beschichten
von Oberflächen von Werkstücken verwendet werden.
Da der erfindungsgemäß eingesetzte Generator nur
für einen Kurzzeitbetrieb ausgelegt sein muss, kann ein
relativ preisgünstiger Generator verwendet werden. Es kann
z. B. ein einfacher Netztransformator verwendet werden, der für
eine oder mehrere Perioden der Netzspannung direkt an die Elektrode
zur Erzeugung des Niederdruckplasmas angeschlossen sein kann. Die
erfindungsgemäße Niederdruckplasmaanlage kann
insbesondere eine sehr kleine Prozesskammer von z. B. bis zu 10 Litern
Volumen aufweisen. Der Generator kann dazu eingerichtet sein, die
Energie in Form von DC oder AC- oder HF-Spannung oder Elektromagnetischer Strahlung,
z. B. Mikrowellen, zu liefern.
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Besonders
bevorzugt weist der Generator einen Kondensator und eine Gleichstromquelle
zur Aufladung des Kondensators auf, wobei ein Schalter vorgesehen
ist, um die Elektrode zur Erzeugung des Niederdruckplasmas mit dem
Kondensator zur Entladung des Kondensators elektrisch zu verbinden.
Ein derartiger Generator weist also eine ähnliche Schaltung
auf, wie sie in Blitzgeräten, Pulslasern, Radargeräten
und/oder Teslageneratoren verwendet wird. Mittels eines derartigen
Generators ist es möglich, in wenigen Millisekunden Oberflächen
von Werkstücken aus Kunststoff, z. B. aus Polyethylen,
zu aktivieren. Die Oberflächenenergie kann dabei von ca.
30 Millinewton pro Meter auf 70 Millinewton pro Meter und mehr durch
einen einzigen Puls gesteigert werden. Derartig behandelte Werkstücke
aus Polyethylen können sehr gut lackiert werden.
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Wenn
der Generator eingerichtet ist, mehrere Pulse mit der Zeitdauer
jeweils mit der Menge der eingespeisten Energie hintereinander bereit
zu stellen, kann die Oberfläche von Werkstücken
durch behandeln mit durch mehrere Pulse erzeugtes Niederdruckplasma
mehrfach Behandelt werden, wodurch z. B. eine gleichmäßigere
Oberflächenenergiesteigerung bewirkt werden kann.
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Vorteilhaft
ist an der Prozesskammer ein Prozessgaseinlassventil vorgesehen.
Dieses Prozessgaseinlassventil ist zum Befüllen der Prozesskammer
mit einem Prozessgas als Gas zur Einspeisung der elektrischen Energie
zur Erzeugung des Niederdruckplasmas mit einem Gasdruck zwischen einem
Pascal und tausend Pascal eingerichtet. Dadurch kann die Erzeugung
des Niederdruckplasmas durch Auswahl des Prozessgases und des Druckes des
Prozessgases optimiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Niederdruckplasmaanlage wird
zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas in der Prozesskammer durch
eine Einspeisung einer Menge von Energie zwischen 0,1 und 100, bevorzugt
1 Kilojoule pro Liter des Volumens des zu erzeugenden Niederdruckplasmas
mittels der Elektrode in einem Puls mit einer Zeitdauer, d. h. einer
Plasmabehandlungszeit, kleiner eine Sekunde, bevorzugt kleiner als
10 Millisekunden verwendet. Die erfindungsgemäße Niederdruckplasmaanlage
eignet sich insbesondere zur Behandlung einer insbesondere schwer
verklebbaren, bedruckbaren und/oder lackierbaren Oberfläche
eines Werkstückes aus einem Kunststoff, wie z. B. Polyethylen,
PP, POM, PC oder ABS in dem Niederdruckplasma in der Prozesskammer
der Niederdruckplasmaanlage, zur Steigerung der Oberflächenenergie
der Oberfläche des Werkstückes.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Niederdruckplasmaanlage
mit einer innerhalb der Prozesskammer angeordneten Elektrode zur
Erzeugung des Niederdruckplasmas in der Prozesskammer.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Niederdruckplasmaanlage
mit einer außerhalb der Prozesskammer angeordneten Elektrode
zur Erzeugung des Niederdruckplasmas in der Prozesskammer die als eine
Antenne wirkt.
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Die
Darstellungen der Zeichnungen zeigen den erfindungsgemäßen
Gegenstand stark schematisiert und sind nicht maßstäblich
zu verstehen. Die einzelnen Bestandteile des erfindungsgemäßen
Gegenstandes sind so dargestellt, dass ihr Aufbau gut gezeigt werden
kann.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Niederdruckplasmaanlage 1 zur
Behandlung einer Oberfläche eines Werkstückes 2 in
einem Niederdruckplasma 3 dargestellt. An einer mit einer
Vakuumpumpe 4 zumindest teilevakuierbaren Prozesskammer 5 ist ein
Prozessgaseinlassventil 6 vorgesehen. Das Niederdruckplasma 3 ist
durch das punktierte Volumen in der Prozesskammer 5 dargestellt. Über
dieses Prozessgaseinlassventil 6 wird die Prozesskammer 5,
nach dem Vornehmen einer Teilevakuierung durch Abpumpen mittels
der Vakuumpumpe 4 der in der Prozesskammer 5 nach
einem Einbringen eines Werkstückes 2 in die Prozesskammer 5 vorhandenen Luft,
mit einem Prozessgas, z. B. einem Edelgas aus z. B. einer Gasflasche 7,
befüllt. Dieses Prozessgas wird als Gas zur Einspeisung
der elektrischen Energie zur Erzeugung des Niederdruckplasmas 3 derart in
die Prozesskammer 5 eingefüllt, dass während
der Plasmabehandlungszeit in der Prozesskammer 5 ein Gasdruck
zwischen einem Pascal und tausend Pascal besteht. Weiter ist an
der Prozesskammer 5 ein Belüftungsventil 8 vorgesehen.
Mittels dieses Belüftungsventils 8 wird nach dem
Abschluss der Oberflächenbehandlung des Werkstückes 2 die
Prozesskammer 5 zur Entnahme des Werkstückes 2 wieder belüftet.
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In
der Prozesskammer 5 ist eine Elektrode 10 zur
Erzeugung des Niederdruckplasmas 3 in der Prozesskammer 5 angeordnet.
Die Erzeugung des Niederdruckplasmas 3 erfolgt durch Einspeisung elektrischer
Energie in das in der Prozesskammer 5 vorhandene Gas über
die Elektrode 10. Dazu ist ein elektrischer Generator 12 zur
Beaufschlagung der Elektrode 10 mit elektrischer Spannung
eingerichtet. Diese elektrische Spannung kann z. B. gegenüber dem
Gehäuse der Prozesskammer 5 oder einer Auflage
für das Werkstück 2 aufgebaut werden.
Der Generator 12 weist einen Kondensator 13 und
ein Gleichstromquelle 14 zur Aufladung des Kondensators 13 auf.
Mittels eines Schalters 15 kann die Elektrode 10 zur
Erzeugung des Niederdruckplasmas 3 mit dem Kondensator 13 zur
Entladung des Kondensators 13 elektrisch verbunden werden.
Der Generator 12 ist z. B. wie ein elektrisches Blitzgerät
eines Fotoapparates (Fotoblitzgerät), eine Pulslaser Spannungsversorgung
oder eine Radar Spannungsversorgung aufgebaut. Der Schalter 15 kann
als ein elektrischer, elektronischer, oder mechanischer Schalter
oder als ein Gasschalter wie z. B. ein Thyratron, ausgeführt
sein.
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Z.
B. durch einen derartigen Aufbau ist der Generator 12 eingerichtet,
die Elektrode 10 derart mit elektrischer Spannung zu beaufschlagen,
dass eine Menge der eingespeisten Energie zwischen 5 und 15, bevorzugt
10, Kilojoule pro Liter des Volumens des zu erzeugenden Niederdruckplasmas 3 eingespeist
wird, wobei der Generator 12 eingerichtet ist, die Menge
der eingespeisten Energie in einem Puls mit einer Zeitdauer kleiner
eine Sekunde, bevorzugt kleiner als 10 Millisekunden, bereit zu
stellen.
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In 2 ist
eine erfindungsgemäße Niederdruckplasmaanlage 1 mit
einer außerhalb der Prozesskammer 5 angeordneten
Elektrode 10 zur Erzeugung des Niederdruckplasmas 3 in
der Prozesskammer 5 dargestellt. Diese Elektrode 10 wirkt
als eine Antenne über die die Energie zur Erzeugung des Niederdruckplasmas 5,
durch eine Glasscheibe 20 in einer Außenwand der
Prozesskammer 3, in das sich in der Prozesskammer 5 befindende
Gas eingespeist wird. Dazu wird zunächst in einem Magnetron 21 eine elektromagnetische
Schwingung erzeugt. Diese Schwingung führt derart zu einer
Beaufschlagung der als Antenne wirkenden Elektrode 10 mit
elektrischer Spannung, dass mittels der Antenne, über einen
zwischen der Antenne und der Glasscheibe 20 angeordneten
Hohlleiter 22, elektromagnetische Energie, z. B. als ein
Mikrowellenfeld, in das Gas eingeleitet wird.
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Vorgeschlagen
wird eine Niederdruckplasmaanlage 1 zur Behandlung einer
Oberfläche eines Werkstückes 2 in einem
Niederdruckplasma 3, mit einer bevorzugt mittels einer
Vakuumpumpe 4 zumindest teilevakuierbaren Prozesskammer 5,
wobei eine Elektrode 10 zur Erzeugung des Niederdruckplasmas 3 in
der Prozesskammer 5, durch Einspeisung elektrischer und/oder
elektromagnetischer Energie in ein in der Prozesskammer 5 vorhandenes
Gas, vorgesehen ist, und einem elektrischen Generator 12, eingerichtet
zur Beaufschlagung der Elektrode 10 mit elektrischer Spannung,
wobei der Generator 12 eingerichtet ist, die Elektrode 10 derart
mit elektrischer Spannung zu beaufschlagen, dass eine Menge der eingespeisten
Energie zwischen 0,1 und 100, bevorzugt 1, Kilojoule pro Liter des
Volumens des zu erzeugenden Niederdruckplasmas 3 eingespeist
wird. Dabei ist der Generator 12 eingerichtet, die Menge der
eingespeisten Energie in einem Puls mit einer Zeitdauer kleiner
eine Sekunde, bevorzugt kleiner als 10 Millisekunden, bereit zu
stellen.
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Die
Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend angegebenen
Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten
denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter
Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ISBN Nummern
3-8169-1647-3 [0004]
- - 3-609-68350-3 [0004]