Disc-Jet – Atmosphärendruck-Plasmaquelle zur Oberflächenbehandlung

Umweltfreundliche Vorbehandlung mit Plasma

Kommerziell erhältliche Atmosphärendruck-Plasmaquellen werden bereits heute in unterschiedlichsten Branchen und Bereichen der Industrie zur Reinigung oder Aktivierung von Oberflächen eingesetzt. Durch die Anwendung von Plasmaverfahren wird so beispielsweise erreicht, dass Lacke oder Klebstoffe auch ohne eine chemische Vorbehandlung auf Oberflächen haften. Das spart Kosten und ist umweltfreundlich. Von flächigen Vorbehandlungen wie die Coronaaktivierung für Bahnenware über die punktuelle Oberflächenfunktionalisierung bis hin zur partiellen Behandlung dreidimensionaler Bauteile stehen je nach Anwendungsfeld effektive Lösungen für die Oberflächenaktivierung, Feinstreinigung oder Beschichtung zur Verfügung.

Oberflächenbehandlung einer Zahnstange.
© Fraunhofer IST

Oberflächenbehandlung einer Zahnstange.

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

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

Die Herausforderung: Komplexe Geometrien

Die Plasmabehandlung von flächigen und gleichzeitig partiell komplexen Geometrien wie z. B. tiefliegenden Nuten, Kavitäten oder Hinterschneidungen stellt eine besondere Herausforderung dar. Hier sind oft kostspielige Arrayanordnungen mit Plasmajets oder komplizierte Kombinationslösungen unumgänglich. 

Eine effektive und kostengünstige Alternative wurde am Fraunhofer IST entwickelt: Kern des neuen Plasmaquellenkonzepts ist eine Jet-induzierte dielektrisch behinderte Gleitentladung, die eine effektive Aktivierung oder Funktionalisierung auch geometrisch anspruchsvoller Konturen ermöglicht.

 

Das Funktionsprinzip des neuen Jets

Im Inneren des neuartigen Gleitentladungs-Plasmajets wird mittels Wechselspannung zunächst ein kaltes Plasma gezündet. Dieses wird über den Prozessgasdurchfluss um die Innenelektrode mittig aus der Düse auf die äußere Masseelektrode an der Unterseite der Quelle geleitet. Durch eine direkte Entladung zwischen der Innen- und Außenelektrode bilden sich dazwischen Entladungsfilamente aus, die sich konturgenau der Substratoberfläche anpassen. Die entstehende homogene Gleitentladung ermöglicht eine gleichmäßige und vollständige Behandlung der Oberfläche, 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.

Flächige Gleitentladung unter Ausschluss von Umgebungsluft in definierter Prozessumgebung.
© Fraunhofer IST

Flächige Gleitentladung unter Ausschluss von Umgebungsluft in definierter Prozessumgebung.

Oberflächenbehandlung einer Radien-Nut.
© Fraunhofer IST

Oberflächenbehandlung einer Radien-Nut.

Prozessgase

Durch die Wahl des eingesetzten Prozessgases kann die Substratoberfläche unabhängig von Substratstärke und Leitfähigkeit vielseitig homogen funktionalisiert werden. Mögliche Prozessgase sind die folgenden:

  • Argon
  • Helium
  • Stickstoff
  • Druckluft
  • Schutzgasgemische

Materialien

Gleitentladungs-Jets eignen sich zur Behandlung vieler unterschiedlicher Materialien:

  • Kunststoffe, z. B. ABS, PA, PC, PE, PP, PUR, TPE, Silikone
  • Naturstoffe, z. B. Holz, Papier, Flachs,
  • Baumwolle
  • Metalle
  • Keramiken
  • Textilien
  • Gläser

Die Vorteile

  • Durch die Vielfalt an möglichen Materialien und Funktionalisierungen ist das Anwendungsspektrum sehr groß.
  • Eine nahezu vollständige Verdrängung der Umgebungsluft aus dem Entladungsbereich bei flächigen Substraten ermöglicht eine sauerstofffreie Oberflächenbehandlung.
  • Durch die niedrigen Prozesstemperaturen zwischen 30 °C und 60 °C eignet sich der Prozess auch für temperatursensible organische Materialien wie z. B. Papier oder Holz.
  • Die kompakte Bauweise des Jets ermöglicht eine einfache und unkomplizierte Integration in bestehende Prozessketten, z. B. zur Aktivierung und Funktionalisierung von Oberflächen als Vorbehandlung vor dem Lackier- oder Klebeprozess oder zur Feinstreinigung der unterschiedlichen Materialien.

Unser Angebot

  • Spezifische Quellen- und Prozesskonzeption
  • Anwendungsbezogene Skalierung des
  • Quellenkonzepts
  • Prototypenfertigung
  • Machbarkeitsstudien
  • Individuelle Beratung
  • Schulung und praxisorientierte Weiterbildung

Die Anwendungsfelder

  • Luft- und Raumfahrt
  • Automobilbau
  • Medizintechnik
  • Architektur und Bauwesen
  • Leichtbau
  • Druckindustrie