Kompakte Jet-induzierte Gleitentladungsquelle

Am Fraunhofer IST wurde ein Plasmaquellenkonzept auf Basis einer Jet-induzierten Gleitentladung entwickelt, das eine effektive Aktivierung oder Funktionalisierung auch geometrisch anspruchsvoller Konturen ermöglicht.

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Entwicklung eines sensorischen Königszapfens

Am Fraunhofer IST wurde ein piezoresistives Dünnschichtsystem zur Kraftmessung hergestellt, das direkt auf dem komplex geformten mechanischen Bindeglied zwischen Sattelzugmaschine und Anhänger, dem sogenannten Königszapfen abgeschieden wird.

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Sensorsysteme für die Produktionsüberwachung

Ein wesentlicher Erfolgsfaktor für Industrie 4.0 ist neben der Weiterentwicklung der Datenverarbeitung auch eine leistungsfähige Sensorik Produktionsüberwachung. Am Fraunhofer IST werden verschiedene anwendungsspezifische Sensorsysteme auf Bauteilen entwickelt.

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Schmiermittelfreie Kaltumformung

Einen Ansatz zur ökonomisch und ökologisch effizienteren Kaltumformung von Aluminiumblechen ohne den EInsatz von Schmiermitteln liefert die am Fraunhofer IST entwickelte Werkzeugbeschichtung auf der Basis von amorphem Kohlenwasserstoff (a-C:H).

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Thermoschockresistente Werkzeugoberflächen

Mehrere Ansätze des Fraunhofer IST zur Verbesserung von Nitrierverfahren zielen auf eine Verschleißminimierung in der Produktion ab. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei in der Optimierung von Werkzeugoberflächen, die durch die schnelle thermische Wechselbeanspruchung, den sogenannten Thermoschock, strapaziert werden.

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Vorhersage von Plasmanitrier­ergebnissen

Am Fraunhofer IST wurde daher ein Prognosetool entwickelt, mit dem Ergebnisse von Plasmanitrierprozessen vorhergesagt und damit die Qualität behandelter Bauteile verbessert werden können.

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Plasma ersetzt Klebstoff

Das Fraunhofer IST arbeitet daher gemeinsam mit Projektpartnern an einer Lösung zur Aufskalierung eines neuen inlinefähigen Fügeverfahrens für die Herstellung von Verbundmaterialien aus Metall- und Kunststofffolien.

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Kompakte Jet-induzierte Gleitentladungsquelle

Oberflächenbehandlung einer Zahnstange.
© Fraunhofer IST

Oberflächenbehandlung einer Zahnstange.

Entladungscharakteristik und Funktionsprinzip des Gleitentladungs-Plasmajets während der Oberflächenbehandlung einer T-Nut.
© Fraunhofer IST

Entladungscharakteristik und Funktionsprinzip des Gleitentladungs-Plasmajets während der Oberflächenbehandlung einer T-Nut.

Effektive Entladungsbreiten des Plasmajets, bestimmt aus der Änderung der Polarität der Oberfläche in Abhängigkeit des Substratabstands.
© Fraunhofer IST

Effektive Entladungsbreiten des Plasmajets, bestimmt aus der Änderung der Polarität der Oberfläche in Abhängigkeit des Substratabstands.

Kommerziell erhältliche Atmosphärendruck-Plasmaquellen werden heute bereits in unterschiedlichsten Branchen und Bereichen der Industrie zur Reinigung oder Aktivierung von Oberflächen eingesetzt. Durch die Anwendung von Plasmaverfahren können z. B. Lacke oder Klebstoffe auch ohne eine chemische Vorbehandlung auf Oberflächen haften. Das ist umweltfreundlich und spart Kosten. Von flächigen Vorbehandlungen wie der Coronaaktivierung für Bahnware bis zur partiellen Behandlung dreidimensionaler Bauteile mit Plasmajets stehen je nach Anwendungsfeld effektive Lösungen für die Aktivierung, Funktionalisierung, Feinstreinigung oder Beschichtung von Oberflächen zur Verfügung. Die Plasmabehandlung von flächigen und gleichzeitig partiell komplexen Geometrien wie z. B. tiefliegenden Nuten, Kavitäten oder Hinterschneidungen stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar. Hier sind kostspielige Arrayanordnungen mit Plasmajets oder komplizierte Kombinationslösungen oft unumgänglich. Am Fraunhofer IST wurde ein Plasmaquellenkonzept auf Basis einer Jet-induzierten Gleitentladung entwickelt, das eine effektive Aktivierung oder Funktionalisierung auch geometrisch anspruchsvoller Konturen ermöglicht.

Das Funktionsprinzip

Im Inneren der Gleitentladungsquelle wird mittels Wechselspannung zunächst ein kaltes Plasma auf Basis einer dielektrisch behinderten Entladung (DBE) gezündet. Wie in der nebenstehenden mittleren Abbildung dargestellt, wird dieses durch den Prozessgasdurchfluss mittig aus der Düse getrieben und trifft auf der Substrat­oberfläche auf. Dort bilden sich Gleitentladungen in Form von langen Plasmafilamenten zur Masseelektrode an der Unterseite der Plasmaquelle. Diese Plasmafilamente überstreichen die Substratoberfläche entlang ihrer Kontur. Dieses Verfahren ermöglicht eine gleichmäßige und vollständige Behandlung von Oberflächen, einschließlich möglicher Vertiefungen oder Hohlräume. Je nach Quellenausführung und Abstand der Quelle zum Substrat (1 – 40 mm) stehen effektive Behandlungsbreiten zwischen 10 und 120 mm zur Verfügung.

Eine sehr gute Alternative zur Nasschemie

Das Plasmaquellenkonzept wurde im Rahmen eines öffentlich geförderten Projekts als Alternative für nasschemische Primer im Vorfeld von Lackier- und Kaschierprozessen auf PVC-­Extrusionshalbzeugen entwickelt. Da im Behandlungsbereich die Umgebungsluft nahezu vollständig verdrängt wird, gewährleistet die Jet-Geometrie weitgehend unabhängig von den vorherrschenden Umgebungsbedingungen zudem sehr homogene und reproduzierbare Behandlungseffekte. Darüber hinaus ermöglicht sie in Abhängigkeit vom Entladungsabstand, dem eingesetzten Prozessgas und spezifischen Plasmaparametern eine sehr genaue Anpassung der Oberflächenenergie des Substrats an das zu applizierende Medium, z. B. ein Lack- oder Klebsystem. Sowohl auf PVC als auch auf allen anderen gängigen Polymerwerkstoffen wurden effiziente Ergebnisse erzielt.

Ausblick

In enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern soll das am Fraunhofer IST entwickelte Plasmaquellenkonzept zukünftig in eine praxisfähige kommerzielle Lösung überführt werden, um einen entscheidenden Beitrag zu nachhaltigen und umweltfreundlichen Produktionsprozessen zu leisten.

Das Projekt

Die beschriebenen Ergebnisse wurden innerhalb des Projekts »Neuartiges Plasmakonzept zur Oberflächenfunktionalisierung von Polymer-Extrusionshalbzeugen bei Atmosphärendruck unter Vermeidung von gesundheitsgefährdenden Stoffen – KF 2004825DF4« erzielt, das durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wurde.

 

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