Kosteneinsparung durch Einsatz patentierter Niederdruckplasma Anlage für die LABS Reinigung und Beschichtung von Massenkleinteilen

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Kosteneinsparung durch Einsatz patentierter Niederdruckplasma Anlage für die LABS Reinigung und Beschichtung von Massenkleinteilen

Kosteneinsparung durch Einsatz patentierter Niederdruckplasma Anlage für die LABS Reinigung und Beschichtung von Massenkleinteilen

Längst ist der Einsatz von Plasma zur Behandlung, Reinigung und Veredelung von Bauteiloberflächen technischer Standard in der Industrie. Vor allem wenn es um das Beschichten, Kleben oder Lackieren von Elastomer- oder sonstigen Kunststoffbauteilen geht, ist die Niederdruck Plasmatechnologie nicht mehr wegzudenken. Doch nicht alle Anlagen erzielen die gleichen Effekte in vergleichbarer Zeit. Eine neue, patentierte Anlagentechnologie bringt Einsparpotential bei der LABS Reinigung und Beschichtungsvorbehandlung von Bauteilen.

Der Begriff Plasma kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Gebilde“. In der Physik bezeichnet Plasma ein Teilchengemisch auf atomar-molekularer Ebene. Oft spricht man von Plasma auch als dem vierten Aggregatszustand der Materie: Durch kontinuierliche Zufuhr von Energie geht feste Materie zuerst in den flüssigen Zustand über, dann in den gasförmigen. Durch weitere Energiezufuhr wird das Gas ionisiert, es entsteht Plasma, der vierte Aggregatszustand.

Dabei sind unterschiedliche Effekte zu verzeichnen. Zum einen werden chemische Bindungen in den Gasmolekülen aufgebrochen und hochreaktive Radikale entstehen. Gleichzeitig werden Elektronen aus den Atomhüllen entfernt, wodurch freie Elektronen und Ionen im Plasma entstehen. Parallel werden Elektronen angeregt, d.h. auf ein höheres Energieniveau in der Atomhülle gehoben. Beim Zurückfallen auf ihr eigentliches Grundniveau wird elektromagnetische Strahlung frei.

Plasma ist also ein ionisiertes Gas mit freien Elektronen, Ionen, angeregten Atomen und Radikalen, Molekülfragmenten und Photonen. Plasmen sind normalerweise quasineutral, d.h. die Ladungen der Ionen und Elektronen sind ungefähr im Gleichgewicht.

In unserem Alltag begegnet uns Plasma beispielsweise in Blitzen bei Gewittern, Xenon Autoscheinwerfern oder den Nordlichtern am Polarkreis.

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.

Hochdruckplasmen, in denen der Plasmadruck signifikant höher als der Druck in unserer Atmosphäre ist, sind unter anderem bekannt durch Hochdruck-Gasentladungslampen. In der Natur kennen wir sie als Gewitterblitze, in denen kurzzeitig ein sehr hoher Druck vorherrschen kann.

Der Druck in Atmosphärendruckplasmen entspricht ungefähr dem der umgebenden Atmosphäre, dem sogenannten Normaldruck. Als technischer Vorteil sei hier angemerkt, dass für die industrielle Erzeugung von Atmosphärendruckplasma im Gegensatz zu Hoch- oder Niederdruckplasma, kein Reaktionsgefäß benötigt wird. Technisch wird diese Art des Plasmas u.a. zur Reinigung und Aktivierung von Bauteiloberflächen unter atmosphärischen Bedingungen eingesetzt. Im Regelfall herrschen in Atmosphärendruckplasma hohe Temperaturen vor, was den Einsatz bei temperaturempfindlichen Materialien einschränkt.

Niederdruckplasmen, die in der Technik zwischenzeitlich einen hohen Stellenwert einnehmen, werden in Gasen erzeugt, deren Druck signifikant niedriger liegt als der Atmosphärendruck. Typische, technische Niederdruckplasmen werden im Vakuum betrieben.

Niederdruckplasmen zählen zu den nichtthermischen Plasmen, d.h. die unterschiedlichen Teilchen des Plasmas sind nicht im thermischen Gleichgewicht. Die leichten Elektronen weisen eine viel höhere Temperatur auf als die schwereren Teilchen im Plasma. Da bei reduzierten Drücken die mittlere freie Weglänge zwischen den Teilchen so groß ist, dass keine nennenswerte Energieübertragung stattfinden kann, kommt es zu keinem Temperaturübertrag, es kann also kein thermisches Gleichgewicht entstehen. Das Resultat ist, trotz innewohnender hoher Energie und Reaktivität, ein „kaltes“ Plasma, mit dem auch temperaturempfindliche Werkstoffe behandelt werden können.

Effekte und technische Einsatzmöglichkeiten des Niederdruckplasmas

Die ablaufenden chemischen und physikalischen Effekte bei der Behandlung von Bauteilen im Niederdruckplasma sind abhängig vom Druck in der Plasmakammer, den verwendeten Prozessgasen und der Anregungsfrequenz bei dessen Erzeugung. Grundsätzlich können Sputtereffekte und oxidierende oder reduzierende Reaktionen im Plasma entstehen.

Genutzt werden diese Effekte und Reaktionen im Niederdruckplasma für die Feinst Reinigung, Aktivierung, Strukturierung oder das Beschichtung von Bauteiloberflächen. Grundsätzlich müssen Bauteile für die Behandlung im Niederdruckplasma vakuumfest und plasmabeständig sein. Materialien, die durch starkes Ausgasen eine erhebliche Störung des Vakuums oder des Plasmas verursachen, sind nicht für eine Behandlung im Niederdruckplasma geeignet.

Plasmareinigung mit Niederdruckplasma

Die Reinigung von Bauteilen und Oberflächen hat in der Technik eine bedeutende Rolle. Sei es als Vorbereitung für nachfolgende Beschichtungs- oder Verklebungsprozesse, um beispielsweise die Haftfestigkeit von Lacken, Beschichtungen oder Klebern zu erhöhen. Oder im Sinne einer Feinst Reinigung, wie wir sie von der LABS Reinigungen kennen (LABS=Lackbenetzungsstörende Substanzen), für einen sauberen und sicheren Einsatz der gereinigten Bauteile in Lackieranlagen oder ähnlich sensiblen Bereichen.

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 eindringen kann 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 gebildeten Reaktionsprodukte sind typischerweise gasförmig bzw. flüchtig und lassen sich leicht aus der Vakuumkammer entfernen.

Die Reinigung im Niederdruckplasma eignet sich nur für sehr dünne organische oder oxidhaltige Kontaminationsschichten. Für stärkere Kontaminationsschichten oder anorganische Verunreinigungen ist das Niederdruckplasmaverfahren allein kaum geeignet. Eine Kombination der Plasmareinigung mit nass-chemischer, wässriger Vorreinigung erlaubt es jedoch, Bauteile sowohl von stärkerer organischer Kontamination, anorganischen Rückständen sowie von eventuellen Reiniger Rückständen zu befreien.

Plasmaaktivierung von Polymeroberflächen

Aufgrund ihres überwiegend unpolaren Charakters und der entsprechend geringen Oberflächenenergie lassen sich Polymere nur schwer oder gar nicht benetzen, beschichten oder verkleben. Die Oberflächenenergie der Polymere muss zuvor erhöht werden, damit Polymerbauteile benetzt werden können und sich mit Beschichtungen oder Klebern verbinden.

Mit Hilfe der Niederdruckplasma Technologie werden polare Gruppen an den Oberflächen der Polymere erzeugt, die zu einer Erhöhung der Grenzflächenenergie führen. Durch die, abhängig vom Prozessgas, beispielsweise erzeugten Hydroxylgruppen werden die Polymeroberflächen aktiviert, es werden reaktive Stellen erzeugt. Dadurch steigt deren Affinität zu Klebstoffen, Beschichtungen oder Farben. Bei anschließenden Beschichtungs- oder Klebevorgängen kann es nachfolgend auch zur Ausbildung kovalenter, chemischer Bindung zwischen dem Polymerbauteil und der Beschichtung bzw. dem Kleber kommen.

Plasmabeschichten von Oberflächen

Neben den vorab erwähnten Effekten ist es auch möglich, im Niederdruckplasma funktionelle Schichten auf Bauteilen abzuscheiden. Diese Verfahren sind bekannt als Plasmapolymerisation oder auch PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition). Bei dieser plasmainduzierten Materialabscheidung werden zugeführte Prozessgase bzw. Monomere als hauchdünne Schichten aus der Gasphase auf den Bauteiloberflächen abgeschieden. Je nach zugeführter Substanz können durch diese Beschichtungen unterschiedliche Eigenschaften erreicht werden. Neben optischen Veränderungen sind die Erhöhung der Härte an Bauteiloberflächen, hydrophile oder hydrophobe Schichten denkbar. Die notwendige Plasmareinigung und Aktivierung ist dabei i.d.R. im Prozess vorgeschaltet.

Plasmaätzen bzw. Strukturierung von Oberflächen

Schlussendlich können auch Ätz- und Strukturierungseffekte auf unterschiedlichen Werkstoffen erzielt werden. Dabei wird im Niederdruckplasma gezielt Material von den Bauteiloberflächen abgetragen, die Oberflächen werden aufgeraut und strukturiert. Auf diese Weise ist es u.a. möglich, Materialien, bei denen eine Aktivierung im Plasma nicht ausreicht, entsprechend für Beschichtungs- oder Klebeprozesse vorzubereiten.

Niederdruckplasma – die ideale Vorbereitung von Kunststoff- oder Elastomerbauteilen für Beschichtungs- und Lackierprozesse

Eine bestmögliche Vorbereitung und Aktivierung von Oberflächen ist Voraussetzung für eine optimale Benetzung und langzeitstabile Haftung von Beschichtungen und Lacken an Bauteiloberflächen. Speziell beim Einsatz wasserbasierter Beschichtungssysteme ist eine effiziente Entfernung u.a. von fett-, öl- und silikonhaltigen Verschmutzungen unabdingbar.

Kombiniert mit Nassreinigung ist Niederdruckplasma für die Reinigung und Aktivierung von Elastomer- und Kunststoffbauteilen eine umweltverträgliche, gesundheitsschonende und effiziente Alternative zu herkömmlichen Methoden mit lösemittelhaltigen Produkten. Die Prozessparameter und Prozessgase können ideal auf den Verschmutzungsgrad, die Werkstoffe der Bauteile und die Anwendung angepasst werden.

Für die Bearbeitung von Massenkleinteilen, die wie Schüttgüter bearbeitet werden können, sind in den Anlagen integrierbare Drehtrommeln erforderlich, um die Teile während der Behandlung im Niederdruckplasma zu bewegen. Diese kontinuierliche Bewegung von Klein- und Kleinstteilen ist für eine gleichmäßige und allseitige Behandlung der Teile in großen Stückzahlen notwendig.

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. Die Anregungsfrequenz beeinflusst neben der Auswahl der Prozessgase die Ausprägung der verschiedenen Plasmaeigenschaften und –effekte.

Typischerweise unterscheidet man in der Technik für die zuvor beschriebenen Einsatzmöglichkeiten des Niederdruckplasmas 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. Der Einsatzbereich der Niederdruckplasma Anlage, die gewünschten Effekte, die behandelten Bauteile und Werkstoffe sowie Investitionskosten und Wartungsaufwand der Anlagen spielen bei der Wahl des Frequenzbereiches eine Rolle. Im Folgenden seien die Nieder- und die Hochfrequenzanregung näher beleuchtet.

Niederfrequenz-Plasma (NF, 40 kHz)

In der Reinigung und Aktivierung insbesondere von Massenkleinteilen, die wie Schüttgut behandelt werden können, hat sich in den letzten Jahren der Niederfrequenzbereich als praktikabel erwiesen. Dementsprechend gängig, speziell im Bereich der Reinigung, Aktivierung und Beschichtung von Elastomer- und Kunststoffbauteilen, ist der Einsatz von Niederdruckplasma Anlagen mit Niederfrequenzanregung bei 40 kHz.

Das so erzeugte Niederdruckplasma ist relativ homogen, wenn auch bei geringer Plasmadichte. 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 im Vergleich zu höheren Anregungsfrequenzen jedoch etwas langsamer ab, wodurch die Behandlungszeiten zur Erzielung gewünschter Reinigungs- und Aktivierungseffekte entsprechend länger ausfallen.

Das Plasma wird bei dieser Art Anlagen oft direkt in der Behandlungskammer erzeugt, wobei die Maschinenbauteile, wie z.B. Behandlungskorb und Gehäuse der Anlage als Anode und Kathode zur Anregung genutzt werden. Dadurch werden alle Bauteile innerhalb der Kammer mit der Anregungsspannung, dem Wechselfeld belastet. Bei Bauteilen mit kleinen Spaltmaßen kann dies im Extremfall zu Funkenüberschlag führen.

Da die Anlagentechnik jedoch vergleichsweise robust und dabei erschwinglich in der Anschaffung und im Wartungsaufwand ist, werden seither Anlagen mit niedriger Anregungsfrequenz bevorzugt. Technisch attraktive Alternativen mit höheren Anregungsfrequenzbereichen sind bisher eher dünn gesät.

Hochfrequenz bzw. Radiofrequenz-Plasma (HF bzw. RF, 13,56 MHz)

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 als bei der Niederfrequenzanregung. 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 bei der Plasmagenerierung oder durch das Plasma selbst erhöht. Die mechanischen Bauteile unterliegen daher, im Vergleich zu Niederfrequenzanlagen, 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, patentierten Niederdruckplasmaanlage im Hochfrequenzbereich (HF, 13,56 MHz) von APO GmbH

Mit der Entwicklung einer neuen, mittlerweile patentierten Niederdruckplasmaanlage ist es APO GmbH gelungen, die Vorteile der Hochfrequenzanregung für die Reinigung und Vorbehandlung von Massenkleinteilen in der Produktion zu nutzen und dabei die häufig auftretenden Nachteile auszumerzen.

Durch die optimierte Auslegung von Anlage und Maschinenbauteilen und die gleichzeitig reibungslose Integration in die eigene Fertigung konnte die Effizienz in der Reinigung und Aktivierung von Bauteilen stark erhöht und gleichzeitig ein Beitrag zur weiteren Verbesserung von Arbeitssicherheit und Gesundheitsvorsorge geleistet werden.

Direkter Nutzen der optimierten Auslegung der Plasmaanlage

Obschon natürlich das Gesamtkonzept der Maschinenauslegung und Integration in die Fertigungsabläufe der APO GmbH für die Effizienz und den Gesamtnutzen der neuen Anlage entscheidend sind, lassen sich einzelne Punkte der optimierten Auslegung durchaus herausstellen.

  • Effizienzsteigerung durch externe Plasmaquelle kombiniert mit variabler Leistung:
    Zur Erzeugung des Plasmas wurde die Anlage mit einer externen Plasmaquelle ausgestattet. Diese ist elektrisch entkoppelt, wodurch die Maschinenbauteile sowohl von der Anregungsspannung als auch hinsichtlich des Wärmeeintrags entlastet werden. Durch gezielten Eintrag und Verteilung über das Vakuum lässt diese Art der Auslegung eine definierte Ausbreitung der Plasmawolke zu, was sich positiv auf die Homogenität auswirkt. Die Bauteile werden in den rotierenden Körben so dicht wie möglich an der Plasmaquelle entlanggeführt, wobei sie sich direkt davor im freien Fall befinden, was zusätzlich zur Gleichmäßigkeit der Plasmaeinwirkung beiträgt. Durch diese Maßnahmen wurde in Kombination mit der regelbaren Leistung der Anlage von maximal 5 kW eine höhere Effizienz erreicht mit einer Reduzierung der Plasma-Prozesszeiten in Abhängigkeit von Produkt und angestrebtem Effekt, um bis zu 90 %.
  • Drehtrommel mit optimierter Bedienung und Lagerung zur Prozessoptimierung:
    Die Plasmaanlage ist mit einer drehbaren Trommel zur Aufnahme von bis zu drei Bearbeitungskörben konzipiert. Drehzahl und Drehrichtung der Trommel sind zur Optimierung der Reinigungs- und Aktivierungsprozesse variabel. Die Lagerungen der Trommel sind so gestaltet, dass die Anzahl der dem Plasma ausgesetzten Maschinenbauteile auf ein Minimum reduziert ist, um auch hier die Belastung und den Wartungsaufwand und –kosten der Anlage zu minimieren.
  • Vereinheitlich der Bearbeitungskörbe der Fertigung für höhere Prozesssicherheit:
    Die in der neuen Plasmaanlage eingesetzten Körbe sind identisch mit den bisher bereits in den Waschanlagen zur wässrigen Vorreinigung von Bauteilen genutzten Körben in der gesamten Fertigung. Infolgedessen können die Körbe mit den vorgewaschenen Bauteilen direkt nach der wässrigen Reinigung zur Weiterbearbeitung in die Plasmaanlage übernommen werden. Ein Umfüllen der Bauteile wird somit unnötig, die damit verbundenen Risiken von Verlust oder Vermischung entfallen gänzlich. Die Prozesssicherheit des gesamten Prozessablaufs in der Fertigung wird folglich erhöht.
  • Vereinheitlichte Arbeitshöhe zur Entlastung der Mitarbeiter:
    Zum leichten Be- und Entladen der Körbe können deren Positionen punktgenau angefahren werden. Die Beladehöhe von Waschanlagen, Bestückungshilfen und neuer Plasmaanlage sind identisch aufeinander abgestimmt. Die Bestückung der Anlagen sowie der Wechsel zwischen den einzelnen Bearbeitungsstationen wird erleichtert und effizienter gestaltet. Mitarbeiter werden besonders hinsichtlich der Belastung des Rückens effektiv entlastet und der ganze Prozessablauf leichter und flüssiger.
  • Variabilität in Beladung und Prozessgas Auswahl für flexiblen Einsatz:
    Die APO Niederdruckplasmaanlage ist mit insgesamt 1300 Litern Nettovolumen für die Bearbeitung großer Losgrößen vorgesehen, wobei durch die Aufteilung in mehrere Körbe auch kleinere Lose bearbeitet werden können. Über getrennte Anschlüsse können bis zu drei verschiedene Prozessgase eingesetzt werden. Die unterschiedlichen Anschluss Geometrien sichern gegen eine Verwechslung der Prozessgase ab. Dies erlaubt im Alltag der Massenkleinteilreinigung und -beschichtung die optimale Anpassung der Plasmaprozesse an die Bauteile, unterschiedliche Werkstoffe und Mengen.
  • Reduzierte Wartungskosten durch wartungsarmes und -freundliches Anlagendesign:
    Die Anzahl der direkt im Spannungsbereich oder Plasma befindlichen und damit stark belasteten Maschinenbauteile wurde auf ein Minimum reduziert. Bauteile, die höherem Verschleiß unterliegen, sind durch entsprechende Hilfsmittel leicht und schnell auswechselbar. Dadurch können effektiv Wartungskosten eingespart werden.

Fazit

Durch den Einsatz der neuen, patentierten Niederdruckplasmaanlage in der Fertigung der APO GmbH Massenkleinteilbeschichtung ist es möglich, die Effizienz der LABS Reinigung und Beschichtungsvorbehandlung von Kleinteilen zu erhöhen und damit Prozesszeiten und Kosten für die Behandlung von Bauteilen maßgeblich zu reduzieren. Speziell für die Reinigung und Beschichtung von Dichtungen aller Art, klassischen C-Teilen, lohnt sich der Einsatz der neuen Anlage.

 


Kontakt

APO GmbH Massenkleinteilbeschichtung
Konrad-Zuse-Straße 2b
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