DE10223865A1 - Process for plasma coating workpieces, e.g. for applying barrier layers on plastics or elastomers, comprises using a coating material which is contained as a solid in an electrode of the plasma nozzle - Google Patents
Process for plasma coating workpieces, e.g. for applying barrier layers on plastics or elastomers, comprises using a coating material which is contained as a solid in an electrode of the plasma nozzleInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmabeschichtung von Werkstücken, bei dem mit Hilfe einer Plasmadüse durch elektrische Hochfrequenzentladung ein Strahl eines atmosphärischen Plasmas erzeugt wird, mit dem die zu beschichtende Werkstückoberfläche überstrichen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. The invention relates to a method for plasma coating workpieces, where with the help of a plasma nozzle by electrical high-frequency discharge a beam of an atmospheric plasma is generated with which to coating workpiece surface is coated, and a device for Performing this procedure.
Es sind Plasmabeschichtungsverfahren bekannt, die unter Vakuum ausgeführt werden müssen. Bei einigen bekannten Beschichtungsverfahren wird das Beschichtungsmaterial unter Ultrahochvakuum von einer Sputter-Elektrode abgesputtert. Auf diese Weise lassen sich zwar sehr fein dosierte, dünne und gleichmäßige Beschichtungen erzielen, doch erfordern diese Verfahren einen hohen apparativen Aufwand, und sie sind außerdem sehr zeitraubend, da das Werkstück in die Vakuumkammer eingebracht werden muß. Plasma coating processes are known to be carried out under vacuum Need to become. In some known coating processes Coating material under ultra high vacuum from a sputter electrode sputtered. In this way, very fine, thin and achieve uniform coatings, but these processes require a high level equipment outlay, and they are also very time consuming, since that Workpiece must be placed in the vacuum chamber.
Andererseits sind Plasmaspritzverfahren bekannt, bei denen das Beschichtungsmaterial, beispielsweise ein Metallpulver, mit Hilfe eines Plasmabrenners durch Gleichspannungsentladung unter hohem Energieeinsatz thermisch aufgeschmolzen und auf die Werkstückoberfläche gespritzt wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist der hohe Energieverbrauch sowie die Tatsache, daß die Beschichtung oft nur schlecht auf dem Untergrund haftet und die Schichtdicke sich nur schwer dosieren läßt. Insbesondere lassen sich mit dem relativ grobkörnigen Pulver keine sehr dünnen Schichten herstellen. On the other hand, plasma spraying processes are known in which the Coating material, for example a metal powder, with the help of a plasma torch Thermal DC discharge with high energy consumption melted and sprayed onto the workpiece surface. Disadvantage of this The process is the high energy consumption and the fact that the Coating often adheres poorly to the substrate and the layer thickness only increases difficult to dose. In particular, the relatively coarse-grained Do not make powder very thin layers.
Aus EP-0 761 415 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die in erster Linie zum vorbehandeln, speziell zum hydrophilisieren von Kunststoffoberflächen dienen, jedoch auch zur Plasmabeschichtung eingesetzt werden können. Die Plasmadüse weist ein elektrisch leitendes Düsenrohr auf, das von einem Arbeitsgas durchströmt wird. Diesem Arbeitsgas wird im Fall der Plasmabeschichtung das Beschichtungsmaterial im gasförmigen Zustand zugesetzt. Mit Hilfe einer Drall-Einrichtung wird das Arbeitsgas verdrallt, so daß es wirbelförmig durch das Düsenrohr strömt und dieses an einer verengten Auslaßöffnung verläßt. In Abstand zu der Auslaßöffnung ist in dem Düsenrohr koaxial und elektrisch isoliert eine Elektrode angeordnet, an die mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators eine Wechselspannung mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1 kHz oder mehr angelegt wird. Dadurch kommt es zu einer Bogenentladung zwischen der Elektrode und dem geerdeten Düsenrohr. Die drallförmige Strömung des Arbeitsgases bewirkt jedoch, daß der Lichtbogen im Wirbelkern und damit im wesentlichen auf der Achse des Düsenrohres kanalisiert wird und erst im Bereich der Auslaßöffnung auf die Wand des Düsenrohres überschlägt. Durch innige Berührung des Arbeitsgases mit dem Lichtbogen entsteht ein Sekundärplasma, das als ein verhältnismäßig kühler Strahl eines atmosphärischen Plasmas aus der Auslaßöffnung austritt. EP-0 761 415 B1 describes a method and a device at the beginning Known type known, primarily for pretreatment, especially for Hydrophilize plastic surfaces, but also for Plasma coating can be used. The plasma nozzle has an electrically conductive Nozzle pipe through which a working gas flows. This working gas in the case of plasma coating, the coating material in the added gaseous state. With the help of a swirl device, the working gas twisted so that it flows in a vortex shape through the nozzle tube and this on leaves a narrowed outlet opening. At a distance from the outlet opening is in the nozzle tube coaxially and electrically insulated an electrode to which with the help of a high frequency generator an alternating voltage with a Frequency in the order of 1 kHz or more is applied. Thereby there is an arc discharge between the electrode and the grounded one Nozzle tube. However, the swirling flow of the working gas causes the Arc in the vortex core and thus essentially on the axis of the Nozzle tube is channeled and only in the area of the outlet opening on the wall of the Nozzle pipe overturns. By intimate contact of the working gas with the Arc creates a secondary plasma that is considered a relatively cooler An atmospheric plasma jet emerges from the outlet opening.
Dieses bekannte Verfahren hat den Vorteil, daß es aufgrund der geringen Abmessungen und der guten Handhabbarkeit der Plasmadüse äußerst flexibel bei verschiedenartigen Werkstücken eingesetzt werden kann und sich auch für Werkstücke mit einem starken Oberflächenrelief sowie für Werkstücke mit großen Abmessungen eignet. Aufgrund des vergleichsweise geringen Energieverbrauchs und einer geringen Ozonbildung ist das Verfahren außerdem sehr umweltfreundlich. Beim Einsatz als Beschichtungsverfahren besteht jedoch die Schwierigkeit, das Beschichtungsmaterial so aufzubereiten, daß es dem Arbeitsgas zugesetzt werden kann. Es kommt daher nur eine sehr begrenzte Auswahl von Beschichtungsmaterialien in Betracht, so daß auch die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens entsprechend beschränkt sind. This known method has the advantage that it is due to the low Dimensions and the easy handling of the plasma nozzle are extremely flexible various workpieces can be used and also for Workpieces with a strong surface relief as well as for workpieces with large dimensions. Because of the comparatively small The process is also very energy-consuming and low in ozone formation environmentally friendly. However, when used as a coating process Difficulty in preparing the coating material so that it Working gas can be added. There is therefore only a very limited selection of coating materials into consideration, so that the Possible uses of the method are limited accordingly.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Anwendungsbereich dieses bekannten Verfahrens als Beschichtungsverfahren zu erweitern. The object of the invention is the scope of this known To expand the process as a coating process.
Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß zumindest eine Komponente des Beschichtungsmaterials als Feststoff in der Elektrode in der Plasmadüse enthalten ist und durch die Hochfrequenzentladung von der Elektrode abgesputtert wird. This object is achieved in the method according to the invention in that at least one component of the coating material as a solid in the Electrode is contained in the plasma nozzle and through the High frequency discharge is sputtered from the electrode.
Bei diesem Verfahren ist es somit nicht notwendig, das Beschichtungsmaterial in die Dampfphase zu überführen oder zu einem Aerosol zu zerstäuben, um es vorab in das Arbeitsgas eindosieren zu können. So lassen sich insbesondere auch Beschichtungen aus Metallen oder Metallverbindungen auf sehr einfache Weise herstellen. Als besonderer Vorteil erweist es sich dabei, daß das durch den Lichtbogen von der Elektrode abgesputterte Material vorwiegend in der Form von sehr reaktionsfreudigen Ionen oder Radikalen vorliegt, die während des Beschichtungsvorgangs mit Luftsauerstoff oder anderen Komponenten des Arbeitsgases reagieren können. Die hohe Reaktionsfreudigkeit des als Plasma vorliegenden Materials trägt auch zu einer sehr guten Haftung der Beschichtung auf der Werkstückoberfläche bei, so daß sich in vielen Fällen eine vorbereitende Behandlung des Werkstücks durch Sandstrahlen, Auftragen einer Haftvermittlungsschicht und dergleichen erübrigt. With this method it is therefore not necessary to use the coating material vaporize or atomize to an aerosol to it to be able to dose into the working gas beforehand. So in particular even coatings of metals or metal compounds on very simple Create way. It proves to be a particular advantage that the through material sputtered from the electrode predominantly in the Form of very reactive ions or radicals is present during the the coating process with atmospheric oxygen or other components of the Working gas can react. The high reactivity of the plasma This material also contributes to the very good adhesion of the coating on the workpiece surface, so that in many cases a preparatory Treatment of the workpiece by sandblasting, application of a Bonding layer and the like is unnecessary.
Die feine und gleichmäßige Verteilung des Beschichtungsmaterials im Plasma ermöglicht zudem die Erzeugung sehr dünner Schichten, deren Dicke sich durch geeignete Wahl der Behandlungsdauer nach Bedarf dosieren läßt. Da der Plasmastrahl eine relativ niedrige Temperatur hat, kommt es auch bei längerer Behandlungsdauer und empfindlichen Werkstücken nicht zu einer thermischen Schädigung des Werkstücks. Die Abscheiderate des Beschichtungsmaterials läßt sich zudem durch Wahl der Elektrodenzusammensetzung und durch Regelung der Frequenz und Spannung der Entladung beeinflussen. Der Durchsatz und die Zusammensetzung des Arbeitsgases sowie der Abstand zwischen der Elektrode und der Düsenöffnung sind weitere Parameter, die eine Feinabstimmung des Prozesses sowie eine Steuerung der chemischen Zusammensetzung der Beschichtung ermöglichen. Eine zusätzliche Begasung mit einem Schutzgas oder mit geeigneten Reagenzien ist möglich. Über den Gasdurchsatz und den Elektrodenabstand läßt sich auch die Geometrie des Plasmastrahls beeinflussen und an die Werkstückgeometrie anpassen. The fine and even distribution of the coating material in the plasma also enables the production of very thin layers, the thickness of which is different can be dosed as required by a suitable choice of treatment duration. Since the Plasma jet has a relatively low temperature, it also occurs with a longer one Treatment time and sensitive workpieces do not lead to a thermal Damage to the workpiece. The deposition rate of the coating material can also be selected by selecting the electrode composition and Control the frequency and voltage of the discharge. The throughput and the composition of the working gas and the distance between the Electrode and nozzle opening are other parameters, one Fine-tuning of the process and control of the chemical composition allow the coating. An additional fumigation with a protective gas or with suitable reagents is possible. About gas flow and Electrode spacing can also influence the geometry of the plasma beam and adapt to the workpiece geometry.
Das Verfahren eignet sich insbesondere dazu, auf den Oberflächen von Formwerkzeugen eine metallhaltige Beschichtung anzubringen, die das Entformen der Formerzeugnisse erleichtert. Andererseits kann das Verfahren bei geeigneter Wahl des Beschichtungs- bzw. Elektrodenmaterials auch zum Aufbringen von Haftvermittlungsschichten, kratzfesten oder schmutzabweisenden Schutzschichten und dergleichen auf Kunststoffe oder andere Materialien benutzt werden. Weitere Anwendungen sind das Aufbringen von Barriereschichten auf Kunststoffen oder Elastomeren. The method is particularly suitable for the surfaces of Molds to apply a metal-containing coating, the demolding the molded products relieved. On the other hand, the method may be more appropriate Choice of coating or electrode material also for the application of Adhesion layers, scratch-resistant or dirt-repellent Protective layers and the like are used on plastics or other materials become. Further applications are the application of barrier layers Plastics or elastomers.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. A device for performing the method are the subject of independent device claim.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further advantageous embodiments of the invention result from the Dependent claims.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine auswechselbare, das Beschichtungsmaterial enthaltende Abbrandelektrode in einen Elektrodengrundkörper der Plasmadüse eingesetzt. Verbrauchte Abbrandelektroden können dann einfach und schnell ersetzt werden, und durch Auswechseln der Abbrandelektrode läßt sich die Plasmadüse ebenso einfach und schnell auf andere Anwendungsfälle umrüsten. In diesem Fall kann auch die Abbrandgeschwindigkeit und damit die Abscheiderate des Beschichtungsmaterials beeinflußt werden, indem die Geometrie der Abbrandelektrode variiert wird. Generell wird eine Abbrandelektrode in der Form eines dünnen Stiftes oder Drahtes schneller abbrennen als eine eher stumpfe Elektrode. In a preferred embodiment of the method, a replaceable, the coating material containing erosion electrode in one Electrode main body of the plasma nozzle used. Used electrodes can then be replaced easily and quickly, and by changing the The electrode can be burned up just as easily and quickly convert other use cases. In this case, the Burning rate and thus the deposition rate of the coating material can be influenced by varying the geometry of the erosion electrode. As a general rule becomes an erosion electrode in the form of a thin pin or wire burn faster than a rather blunt electrode.
Es ist auch eine Beschichtung mit nichtleitenden Materialien, beispielsweise mit Polymeren wie PTFE möglich, indem das nichtleitende Beschichtungsmaterial in eine elektrisch leitende Matrix der Abbrandelektrode eingebettet wird oder indem eine vorwiegend aus Kunststoff bestehende Abbrandelektrode durch Beimischung von Carbonfasern oder -partikeln leitfähig gemacht wird. It is also a coating with non-conductive materials, for example with Polymers like PTFE possible by using the non-conductive coating material in an electrically conductive matrix of the erosion electrode is embedded or by a burnout electrode consisting mainly of plastic Admixture of carbon fibers or particles is made conductive.
In einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens, insbesondere zum Beschichten von Formwerkzeugen, besteht die Abbrandelektrode oder die Elektrode als Ganzes aus Aluminium, und als Arbeitsgas wird Luft eingesetzt. Durch Reaktion des Aluminiums mit dem Luftsauerstoff entsteht Al2O3, das in äußerst dünnen Schichten auf der Werkstückoberfläche abgeschieden werden kann. Analog sind durch geeignete Wahl der Elektrode auch Beschichtungen mit anderen Metallen oder Metalllegierungen möglich, beispielsweise Beschichtungen mit Ni/Al in unterschiedlichen Mengenverhältnissen. Sofern eine Reaktion des Beschichtungsmaterials mit dem Luftsauerstoff unerwünscht ist, kann beispielsweise reiner Stickstoff oder ein anderes Inertgas als Arbeitsgas verwendet werden. In a special embodiment of the method, in particular for coating molds, the erosion electrode or the electrode as a whole consists of aluminum, and air is used as the working gas. The reaction of aluminum with atmospheric oxygen creates Al 2 O 3 , which can be deposited in extremely thin layers on the workpiece surface. Analogously, with a suitable choice of the electrode, coatings with other metals or metal alloys are also possible, for example coatings with Ni / Al in different proportions. If a reaction of the coating material with the atmospheric oxygen is undesirable, for example pure nitrogen or another inert gas can be used as the working gas.
Während beim Beschichten von Formwerkzeugen generell eine möglichst geringe Haftung des Formwerkstoffs an der Werkzeugoberfläche angestrebt wird, kann das Verfahren andererseits auch zu einer Behandlung/Beschichtung von Werkstücken eingesetzt werden, durch die die Haftungseigenschaften der Oberfläche verbessert werden. In diesem Fall eignet sich besonders die Verwendung von Titan-Elektroden. Durch die Abscheidung von Spuren von Titan auf der Werkstückoberfläche kommt es dann in Verbindung mit der durch das Plasma bewirkten Hydrophilisierung zu einer Oberflächenstruktur, die die Haftung von Klebstoffen, Lacken und dergleichen verbessert (autokatalytische Reaktionen). While generally the lowest possible when coating molds Adhesion of the molding material to the tool surface can be sought the method on the other hand also for a treatment / coating of Workpieces are used by the surface's adhesive properties be improved. In this case, the use of Titanium electrodes. By depositing traces of titanium on the Workpiece surface then comes into contact with that caused by the plasma caused hydrophilization to a surface structure that the adhesion of Adhesives, paints and the like improved (autocatalytic reactions).
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In the following an embodiment of the invention based on the Drawing explained in more detail.
Die einzige Zeichnungsfigur zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Plasmadüse und ein zu beschichtendes Werkstück. The only drawing figure shows a schematic section through one Plasma nozzle and a workpiece to be coated.
Die Plasmadüse 10 weist ein Düsenrohr 12 aus Metall auf, das sich konisch zu einer Auslaßöffnung 14 verjüngt. Am der Auslaßöffnung 14 entgegengesetzten Ende weist das Düsenrohr 12 eine Dralleinrichtung 16 mit einen Einlaß 18 für ein Arbeitsgas auf, beispielsweise für Druckluft. Eine Zwischenwand 20 der Dralleinrichtung 16 weist einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 22 auf durch die das Arbeitsgas verdrallt wird. Der stromabwärtige, konisch verjüngte Teil des Düsenrohres wird deshalb von dem Arbeitsgas in der Form eines Wirbels 24 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohres verläuft. The plasma nozzle 10 has a nozzle tube 12 made of metal, which tapers conically to an outlet opening 14 . At the end opposite the outlet opening 14 , the nozzle tube 12 has a swirl device 16 with an inlet 18 for a working gas, for example for compressed air. An intermediate wall 20 of the swirl device 16 has a ring of bores 22 made obliquely in the circumferential direction through which the working gas is swirled. The downstream, conically tapered part of the nozzle tube is therefore flowed through by the working gas in the form of a vortex 24 , the core of which runs on the longitudinal axis of the nozzle tube.
An der Unterseite der Zwischenwand 20 ist mittig eine Elektrode 26 angeordnet, die koaxial in den verjüngten Abschnitt des Düsenrohres hineinragt. Die Elektrode 26 weist einen Elektrodengrundkörper 28 auf, beispielsweise aus Kupfer, der elektrisch gegenüber mit der Zwischenwand 20 und den übrigen Teilen des Dralleinrichtung 16 verbunden ist. Die Dralleinrichtung 16 ist durch ein Keramikrohr 30 elektrisch gegen das Düsenrohr 12 isoliert. Über die Dralleinrichtung 16 wird an die Elektrode 24 eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, die von einem Hochfrequenztransformator 32 erzeugt wird. Die Primärspannung ist variabel regelbar und beträgt beispielsweise 300 bis 500 V. Die Sekundärspannung kann 1 bis 5 kV oder mehr betragen. Die Frequenz liegt beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 50 kHz und ist vorzugsweise ebenfalls regelbar. Die Dralleinrichtung 16 ist mit dem Hochfrequenztransformator 32 über ein flexibles Hochspannungskabel 34 verbunden. Der Einlaß 16 ist über einen nicht gezeigten Schlauch mit einer Druckluftquelle mit variablem Durchsatz verbunden, die vorzugsweise mit dem Hochfrequenzgenerator 32 zu einer Versorgungseinheit kombiniert ist. Die Plasmadüse 10 läßt sich so mühelos mit der Hand oder mit Hilfe eines Roboterarms bewegen. An electrode 26 is arranged centrally on the underside of the intermediate wall 20 and projects coaxially into the tapered section of the nozzle tube. The electrode 26 has an electrode base body 28 , for example made of copper, which is electrically connected opposite to the intermediate wall 20 and the other parts of the swirl device 16 . The swirl device 16 is electrically insulated from the nozzle tube 12 by a ceramic tube 30 . A high-frequency AC voltage, which is generated by a high-frequency transformer 32 , is applied to the electrode 24 via the swirl device 16 . The primary voltage can be variably regulated and is, for example, 300 to 500 V. The secondary voltage can be 1 to 5 kV or more. The frequency is, for example, on the order of 1 to 50 kHz and is preferably also adjustable. The swirl device 16 is connected to the high-frequency transformer 32 via a flexible high-voltage cable 34 . The inlet 16 is connected via a hose, not shown, to a compressed air source with variable throughput, which is preferably combined with the high-frequency generator 32 to form a supply unit. The plasma nozzle 10 can thus be moved effortlessly by hand or with the aid of a robot arm.
Das Düsenrohr 12 ist geerdet. In den Elektrodengrundkörper 28 ist eine Abbrandelektrode 36 eingesetzt, die beispielsweise in einem leichten Preßsitz in einer entsprechenden Ausnehmung des Elektrodengrundkörpers 28 gehalten ist. The nozzle tube 12 is grounded. In the electrode main body 28 is a consumable electrode 36 is inserted, for example, is held in a slight interference fit in a corresponding recess of the electrode basic body 28th
Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in der Form eines Lichtbogens 40 zwischen der Elektrode 26 und dem Düsenrohr 12 erzeugt. Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen jedoch im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres 12 kanalisiert, so daß er sich erst im Bereich der Auslaßöffnung 14 zur Wand des Düsenrohres 12 verzweigt. Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 40 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so daß ein Strahl 42 eines verhältnismäßig kühlen atmosphärischen Plasmas, etwa in der Gestalt einer Kerzenflamme, aus der Auslaßöffnung 14 der Plasmadüse 10 austritt. Mit Hilfe dieses Plasmastrahls 42 wird die Oberfläche eines Werkstücks 44, beispielsweise eines Formwerkzeugs überstrichen, um so auf der Innenfläche 46 des Formhohlraums durch Plasmabeschichtung eine dünne haftungsmindernde Schicht aufzubringen. Bei dem aufgetragenen Beschichtungsmaterial handelt es sich um Material, das durch den Lichtbogen 40 von der Abbrandelektrode 36 abgesputtert wird und ggf. mit Komponenten des Arbeitsgases reagiert. A high-frequency discharge in the form of an arc 40 is generated between the electrode 26 and the nozzle tube 12 by the applied voltage. Due to the swirling flow of the working gas, however, this arc is channeled in the vortex core on the axis of the nozzle tube 12 , so that it only branches in the region of the outlet opening 14 to the wall of the nozzle tube 12 . The working gas, which rotates at high flow speeds in the region of the vortex core and thus in the immediate vicinity of the arc 40 , comes into intimate contact with the arc and is thereby partially converted into the plasma state, so that a jet 42 of a relatively cool atmospheric plasma, for example in the form of a candle flame, emerges from the outlet opening 14 of the plasma nozzle 10 . With the help of this plasma jet 42 , the surface of a workpiece 44 , for example a molding tool, is painted over, in order in this way to apply a thin, adhesion-reducing layer to the inner surface 46 of the molding cavity by means of plasma coating. The applied coating material is material that is sputtered by the arc 40 from the erosion electrode 36 and possibly reacts with components of the working gas.
Das Material der Abbrandelektrode 36 richtet sich somit nach der gewünschten Beschichtung auf dem Werkstück 44. Als Beispiel kann angenommen werden, daß die Abbrandelektrode 36 aus Aluminium besteht, das nach dem absputtern mit dem Luftsauerstoff im Arbeitsgas reagiert, so daß eine dünne Schicht Al2O3 auf der Werkstückoberfläche abgeschieden wird. The material of the erosion electrode 36 thus depends on the desired coating on the workpiece 44 . As an example, it can be assumed that the erosion electrode 36 consists of aluminum, which after sputtering reacts with the atmospheric oxygen in the working gas, so that a thin layer of Al 2 O 3 is deposited on the workpiece surface.
Im gezeigten Beispiel ist die Abbrandelektrode 36 an ihrem unteren, aus dem Elektrodengrundkörper 28 heraus ragenden Ende zu einem dünnen Stift verjüngt, so daß der Abbrand beschleunigt wird. Wenn die Abbrandelektrode 36 verbraucht ist, kann sie einfach aus dem Elektrodengrundkörper 28 herausgezogen und durch eine neue Abbrandelektrode ersetzt werden. Zu diesem Zweck ist das Düsenrohr 12 hier zweiteilig ausgebildet, so daß sich sein unterer, die Elektrode 26 aufnehmender Teil 48 abschrauben läßt. In the example shown, the erosion electrode 36 is tapered to a thin pin at its lower end, which projects out of the electrode base body 28 , so that the erosion is accelerated. When the erosion electrode 36 is used up, it can simply be pulled out of the electrode base body 28 and replaced by a new erosion electrode. For this purpose, the nozzle tube 12 is formed in two parts here so that its lower part 48, which receives the electrode 26, can be unscrewed.
Da der Plasmastrahl 42 gut in die Vertiefungen des Werkstücks 44 eindringen kann und sich zudem die Plasmadüse 10 insgesamt nach Bedarf schwenken läßt, kann eine durchgehende und gleichmäßige Beschichtung des Werkstücks 44 erreicht werden. Since the plasma jet 42 can penetrate well into the recesses of the workpiece 44 and, moreover, the plasma nozzle 10 can be swiveled as required, a continuous and uniform coating of the workpiece 44 can be achieved.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Abbrandelektrode 36 verschiebbar im Elektrodengrundkörper 28 gehalten und bei fortschreitendem Abbrand mit Hilfe einer Stelleinrichtung automatisch weiter aus dem Elektrodengrundkörper ausfahrbar sein. Außerdem ist es möglich, die Temperatur der Abbrandelektrode durch Beheizung des Elektrodengrundkörpers oder durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl oder dergleichen zu steuern und so die Sputtermenge zu beeinflussen. According to a further development of the invention, the erosion electrode 36 can be held displaceably in the electrode base body 28 and, as the erosion progresses, can be automatically extended further out of the electrode base body with the aid of an adjusting device. In addition, it is possible to control the temperature of the erosion electrode by heating the electrode base body or by irradiation with a laser beam or the like and thus to influence the amount of sputtering.
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| DE (1) | DE10223865B4 (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008113821A1 (en) | 2007-03-21 | 2008-09-25 | Reinhard Feichtinger | Fuel tank attachment and method for producing a fuel tank attachment |
| WO2011042459A1 (en) * | 2009-10-06 | 2011-04-14 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Atmospheric pressure plasma method for producing surface-modified particles and coatings |
| WO2011073146A1 (en) | 2009-12-15 | 2011-06-23 | Reinhard Feichtinger | Fuel line and fuel tank system |
| WO2011082906A1 (en) | 2009-12-15 | 2011-07-14 | Reinhard Feichtinger | Fuel tank accessory and method for producing a fuel tank accessory |
| EP2479522A2 (en) | 2011-01-21 | 2012-07-25 | BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH | Cooler and method for producing same |
| US8617675B2 (en) | 2009-12-15 | 2013-12-31 | Reinhard Feichtinger | Fuel tank attachment and method for producing a fuel tank attachment |
| WO2015055716A1 (en) * | 2013-10-15 | 2015-04-23 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for pretreating a substrate surface and methods for coating the substrate surface |
| EP3166143A1 (en) * | 2015-11-05 | 2017-05-10 | Gemalto Sa | Method for manufacturing a device with an integrated circuit chip by direct deposition of conductive material |
| CN110302909A (en) * | 2019-05-31 | 2019-10-08 | 中国航天空气动力技术研究院 | A High Power Hot Cathode Supersonic Plasma Spray Gun |
| DE102023121696A1 (en) * | 2023-06-27 | 2025-01-02 | Plasmatreat Gmbh | METHOD AND DEVICE FOR COATING A WORKPIECE SURFACE |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013017107A1 (en) * | 2013-10-15 | 2015-04-16 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | A method of pretreating a substrate surface, a method of coating the substrate surface, and a method of bonding a substrate to an element |
| DE102013017109A1 (en) | 2013-10-15 | 2015-04-16 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method and device for producing particles in an atmospheric pressure plasma |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2892067A (en) * | 1956-05-24 | 1959-06-23 | Russell S Donald | Electric-arc torch |
| EP0851040A1 (en) * | 1995-08-29 | 1998-07-01 | Komatsu Ltd. | Surface treatment apparatus using gas jet |
| EP0761415B1 (en) * | 1995-09-01 | 2001-10-31 | Agrodyn Hochspannungstechnik GmbH | Method for improving the wettability of the surface of articles |
-
2002
- 2002-05-29 DE DE10223865A patent/DE10223865B4/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2892067A (en) * | 1956-05-24 | 1959-06-23 | Russell S Donald | Electric-arc torch |
| EP0851040A1 (en) * | 1995-08-29 | 1998-07-01 | Komatsu Ltd. | Surface treatment apparatus using gas jet |
| EP0761415B1 (en) * | 1995-09-01 | 2001-10-31 | Agrodyn Hochspannungstechnik GmbH | Method for improving the wettability of the surface of articles |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008113821A1 (en) | 2007-03-21 | 2008-09-25 | Reinhard Feichtinger | Fuel tank attachment and method for producing a fuel tank attachment |
| WO2011042459A1 (en) * | 2009-10-06 | 2011-04-14 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Atmospheric pressure plasma method for producing surface-modified particles and coatings |
| WO2011073146A1 (en) | 2009-12-15 | 2011-06-23 | Reinhard Feichtinger | Fuel line and fuel tank system |
| WO2011082906A1 (en) | 2009-12-15 | 2011-07-14 | Reinhard Feichtinger | Fuel tank accessory and method for producing a fuel tank accessory |
| US8617675B2 (en) | 2009-12-15 | 2013-12-31 | Reinhard Feichtinger | Fuel tank attachment and method for producing a fuel tank attachment |
| CN102620486A (en) * | 2011-01-21 | 2012-08-01 | Bsh博世和西门子家用电器有限公司 | Cooler and method for producing same |
| DE102011002949A1 (en) | 2011-01-21 | 2012-07-26 | BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH | Refrigeration device and manufacturing method for it |
| EP2479522A2 (en) | 2011-01-21 | 2012-07-25 | BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH | Cooler and method for producing same |
| WO2015055716A1 (en) * | 2013-10-15 | 2015-04-23 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for pretreating a substrate surface and methods for coating the substrate surface |
| EP3166143A1 (en) * | 2015-11-05 | 2017-05-10 | Gemalto Sa | Method for manufacturing a device with an integrated circuit chip by direct deposition of conductive material |
| WO2017076780A1 (en) * | 2015-11-05 | 2017-05-11 | Gemalto Sa | Method for manufacturing a device with integrated-circuit chip by direct deposit of conductive material |
| US10658283B2 (en) | 2015-11-05 | 2020-05-19 | Thales Dis France Sa | Method for manufacturing a device with integrated-circuit chip by direct deposit of conductive material |
| CN110302909A (en) * | 2019-05-31 | 2019-10-08 | 中国航天空气动力技术研究院 | A High Power Hot Cathode Supersonic Plasma Spray Gun |
| CN110302909B (en) * | 2019-05-31 | 2024-03-15 | 中国航天空气动力技术研究院 | High-power hot cathode supersonic plasma spraying gun |
| DE102023121696A1 (en) * | 2023-06-27 | 2025-01-02 | Plasmatreat Gmbh | METHOD AND DEVICE FOR COATING A WORKPIECE SURFACE |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE10223865B4 (en) | 2007-08-16 |
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