Labs-freie Elastomerbauteile durch effiziente Reinigung – Niederdruckplasma reinigt C-Teile
8. November 2019
LABS-frei

10.2019

Effiziente LABS-Reinigung von Polymerkleinteilen

 

Eine neu entwickelte Anlagentechnologie bringt Einsparpotenziale bei der LABS-Reinigung von Polymerbauteilen und ermöglicht es, die unterschiedlichen Anforderungen an deren LABS-Konformität nach VDMA 24364 zu erfüllen. Durch die optimierte Auslegung der Anlage und die optimierte Integration in die Fertigung konnte die Reinigungseffizienz von Elastomerund anderen Polymerkleinteilen deutlich erhöht werden.

Längst ist der Einsatz von Plasma zur Reinigung und Veredelung von Bauteilen technischer Standard in der Industrie. Vor allem wenn es um die Entfernung lackbenetzungsstörender Substanzen (LABS) von Kleinteilen aus Elastomer- oder anderen Polymerwerkstoffen geht, ist die Niederdruck-Plasmatechnologie nicht mehr wegzudenken. Doch nicht alle Anlagen erzielen die gleichen Effekte in vergleichbarer Zeit. Eine neue Anlagentechnologie bringt Einsparpotenzial bei der LABS-Reinigung von Polymerbauteilen.

Oft spricht man von Plasma als dem vierten Aggregatszustand der Materie. Plasma ist ein ionisiertes Gas mit freien Elektronen, Ionen, angeregten Atomen, Radikalen, Molekülfragmenten und Photonen. Plasma zeichnet sich im Vergleich zum ursprünglichen Gas durch eine wesentlich höhere Leitfähigkeit und chemische Reaktivität aus. Diese Eigenschaften sind es, die in technischen Anwendungen genutzt werden.

Unterschiedliche Formen von Plasma

Zur Unterscheidung der verschiedenen Plasmaformen werden mehrere Kriterien herangezogen. Unter anderem sind dies die Plasmadichte, die Plasmatemperatur oder der Plasmadruck. In Abhängigkeit vom Plasmadruck wird zwischen Hochdruckplasmen, Atmosphären- bzw. Normaldruckdruckplasmen und Niederdruckplasmen unterschieden. Niederdruckplasmen werden in Gasen erzeugt, deren Druck signifikant niedriger ist als der Atmosphärendruck. Typische, technische Niederdruckplasmen werden im Vakuum betrieben. Niederdruckplasmen zählen zu den nichtthermischen Plasmen. Die leichten Elektronen im Plasma weisen eine viel höhere Temperatur auf als die schwereren Teilchen. Da im Vakuum die mittlere freie Weglänge zwischen den Teilchen sehr groß ist, kommt es zu keinem nennenswerten Energieübertrag. Das Resultat ist, trotz innewohnender hoher Energie und Reaktivität, ein „kaltes“ Plasma, mit dem auch temperaturempfindliche Werkstoffe wie beispielsweise Elastomere behandelt werden können.

Plasmareinigung mit Niederdruckplasma

Die Reinigung von Bauteilen hat in der Technik eine bedeutende Rolle. Sei es als Vorbereitung für nachfolgende Beschichtungsprozesse oder für eine Feinstreinigung, wie wir sie von der LABS Reinigungen kennen (LABS=Lackbenetzungsstörende Substanzen). Im Niederdruckplasma können extrem saubere Oberflächen erzeugt werden. Die sehr hohe Spaltgängigkeit von Niederdruckplasma ist dabei von großem Vorteil, da es auch in kleine Hohlräume eindringt und dadurch selbst Bauteile mit komplizierten Geometrien gereinigt werden können.

Folgende Reinigungseffekte in Abhängigkeit von der Auswahl von Prozessgas und Anregungsfrequenz treten dabei auf:

  • Entfernen organischer Rückstände durch Oxidation (chemische Reaktion)
  • Entfernen von störenden Oxidschichten durch Reduktion (chemische Reaktion)
  • Physikalisches Entfernen von Verunreinigungen durch Sputtereffekt („Bombardement“ mit schweren Ionen)

Die Reinigung im Niederdruckplasma eignet sich nur für sehr dünne organische oder oxidhaltige Kontaminationsschichten. Für stärkere Kontaminationsschichten oder anorganische Verunreinigungen ist eine Kombination der Plasmareinigung mit nass-chemischer, wässriger Vorreinigung angezeigt. Speziell bei Elastomerwerkstoffen und zur LABS Reinigung bietet sich eine derartige Reinigungskombination an.

Unterscheidung der Anregungsfrequenzen für Niederdruckplasma

Um im Niederdruck Plasma zu erzeugen, wird ein Prozessgas durch Energiezufuhr angeregt. Dies erfolgt durch das Anlegen eines elektromagnetischen Feldes. Auch die Anregungsfrequenz beeinflusst die Ausprägung der verschiedenen Plasmaeigenschaften und –effekte. Typischerweise unterscheidet man in der Technik drei Frequenzbereiche: Niederfrequenz-Plasma (NF) mit 40 kHz, Hochfrequenz-Plasma (HF) mit 13,56 MHz, teilweise auch Radiofrequenz-Plasma (RF) genannt und Mikrowellen-Plasma (MW) mit 2,45 GHz.

Grundsätzlich lässt sich kein Frequenzbereich generell als der richtige oder beste bewerten, da viele Faktoren bei der Auswahl eine Rolle spielen. Die Nieder- und die Hochfrequenzanregung spielen bei der Behandlung und Reinigung von Polymerkleinteilen eine übergeordnete Rolle.

Niederfrequenz-Plasma

In der Reinigung und Aktivierung insbesondere von Schüttgut ähnlichen Massenkleinteilen hat sich in den letzten Jahren der Niederfrequenzbereich als praktikabel erwiesen. Dementsprechend gängig, speziell im Bereich der Reinigung, Aktivierung und Beschichtung von Polymerbauteilen, wie beispielsweise Dichtungen, ist der Einsatz von Niederdruckplasma Anlagen mit Niederfrequenzanregung bei 40 kHz. Das so erzeugte Niederdruckplasma ist relativ homogen. Die Ionenenergien sind recht hoch, die Sputtereffekte dadurch verstärkt, jedoch gut nutz- und kontrollierbar. Bedingt durch die relativ geringe Plasmadichte laufen Reaktionen im Niederfrequenz-Plasma jedoch etwas langsamer ab, wodurch Behandlungszeiten entsprechend länger ausfallen. Das Plasma wird bei dieser Art Anlagen oft direkt in der Behandlungskammer erzeugt, wodurch alle Bauteile mit dem Wechselfeld belastet werden. Da die Anlagentechnik vergleichsweise robust und dabei erschwinglich ist, werden seither Anlagen mit niedriger Anregungsfrequenz bevorzugt. Technisch attraktive Alternativen mit höheren Anregungsfrequenzbereichen sind bisher eher dünn gesät.

Hochfrequenz bzw. Radiofrequenz-Plasma

Der Einsatz von Hochfrequenzen zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas bietet aus Sicht der Effizienz bei der Behandlung von Elastomer- und sonstige Kunststoffbauteilen einige Vorteile. Die so erzeugten Plasmen zeichnen sich durch eine höhere Plasmadichte aus, bei zugleich mittleren Ionenenergien und damit etwas geringeren Sputtereffekten. Die Homogenität der Hochfrequenz-Plasmen ist im Vergleich zu Niederfrequenz-Plasmen allerdings etwas geringer. Bei herkömmlicher Auslegung der Plasmaanlagen ist teilweise die Belastung der Maschinenbauteile durch Eintrag von Wärme oder durch das Plasma selbst erhöht und unterliegen daher einem höheren Verschleiß. Auch die in der Regel vergleichsweise höheren Anschaffungs- und Wartungskosten hemmten bisher den breiten Einsatz der Hochfrequenztechnologie bei der Nutzung für die Behandlung von Massenkleinteilen.

Neue, patentierte Niederdruckplasmaanlage im Hochfrequenzbereich

Mit der Entwicklung einer neuen, mittlerweile patentierten Niederdruckplasmaanlage ist es gelungen, die Vorteile der Hochfrequenzanregung für die Reinigung von Massenkleinteilen in der Produktion zu nutzen und dabei die häufig auftretenden Nachteile auszumerzen. Durch die optimierte Auslegung der Anlage und die reibungslose Integration in die Fertigung konnte die Effizienz der Reinigung von Elastomer- und anderen Polymerkleinteilen stark erhöht werden. Gleichzeitig wurde ein Beitrag zur weiteren Verbesserung von Arbeitssicherheit und Gesundheitsvorsorge geleistet. Obschon natürlich das Gesamtkonzept der Maschinenauslegung und Integration in die Fertigungsabläufe für die Effizienz und den Gesamtnutzen der neuen Anlage entscheidend sind, lassen sich einzelne Punkte der optimierten Auslegung durchaus herausstellen.

  • Effizienzsteigerung durch Hochfrequenzanregung mit externer, entkoppelte Plasmaquelle und variabler Leistung. Dadurch können, in Abhängigkeit von Produkt und angestrebtem Effekt, Plasma-Prozesszeiten für die LABS Reinigung oder zur Beschichtungsvorbehandlung, um bis zu 90 % reduziert werden.
  • Einheitliche Bearbeitungskörbe der gesamten Fertigung, von der Nassreinigung bis zur Plasmabehandlung, für höhere Prozesssicherheit. Ein Umfüllen der Bauteile und das damit verbundene Risiko von Verlust oder Vermischung entfällt dadurch.
  • Vereinheitlichte Arbeitshöhe und optimierte Bedienung zur Entlastung der Mitarbeiter.
  • Variabilität in Beladung und Prozessgas Auswahl für optimale Anpassung an Bauteile, Werkstoffe und Mengen.
  • Reduzierte Wartungskosten durch wartungsarmes und -freundliches Anlagendesign.

Anpassbare LABS Reinigung

Durch den Einsatz der optimierten Niederdruckplasmaanlage ist es möglich, den Aufwand für die LABS Reinigung speziell von Elastomerbauteilen zu variieren und die Reinigungsergebnisse den Sauberkeitsanforderungen anzupassen. Eine Unterscheidung der unterschiedlichen LABS Konformitäten nach VDMA 24364 wird damit nicht nur aus der Sicht des Bauteileinsatzes innerhalb eines lackierverarbeitenden Betriebes sinnvoll. Speziell für die Reinigung von klassischen C-Teilen lohnt sich der Einsatz der neuen Anlage als Basis leistungsfähiger Reinigungs- und Beschichtungsdienstleistungen.