Plasmabehandlung für den Inline-Einsatz

Die Plasmabehandlung hat sich zum Vorbehandeln von Formteilen vor dem Lackieren, Bedrucken, Verkleben und Vergießen als preisgünstige und verlässliche Methode etabliert. Um höheren Anforderungen an Materialdurchsatz und -qualität nachzukommen, wurde eine Kurztaktanlage entwickelt.

Prinzipiell gibt es die beiden Möglichkeiten der Behandlung unter Niederdruck oder Atmosphärendruck. Im Niederdruckprozess wird die beladene Kammer evakuiert, das Prozessgas eingelassen und nach erreichen des gewünschten Prozessdrucks von einem Generator gezündet. Nach Ablauf der Prozesszeit wird die Kammer belüftet und das Behandlungsgut kann entnommen werden. Bisher kompensiert man lange Prozesszeiten der Niederdruckanlagen mit großzügiger Dimensionierung und damit größeren Chargen. Sind nur Teilbereiche der Produkte zu behandeln, werden Atmosphärendruck-Plasmaanlagen eingesetzt.

Mit der Kurztaktanlage jedoch können nun die Bauteile einzeln und von allen Seiten innerhalb weniger Sekunden aktiviert werden. Während bei einer Standard-Niederdruckplasmaanlage die Kammer durch die geöffnete Tür be- und entladen wird, ist die Kammer der Kurztaktanlage in vier Varianten automatisch bestückbar.

• – hierbei wird die Kammer vertikal bewegt für den Öffnungs- und Schließvorgang.
• – bei dieser Variante be-/entlädt ein Roboter die Kammer über eine Schubladentür, die Kammer ist statisch.
• Warenträger ist auf einer beweglichen Hubvorrichtung platziert und die Ware wird mit dem Takt des Fließbands weiterbewegt.
• den Kammerwänden befinden sich gegenüberliegend zwei Türen die im Takt geöffnet und geschlossen, Zuführern be- und Entladen die Kammer.
  

Bei Standardanlagen ist die Kammergröße an den erwarteten Durchsatz angepasst, bei Kurztaktanlagen an die Teilegröße, da hier die Teile einzeln innerhalb weniger Sekunden behandelt werden.

Durch den Einsatz einer Vakuumkammer, können unterschiedliche Gase zur Prozesssteuerung verwendet werden. Dadurch ist es möglich in einer Anlage mit Plasma zu reinigen, aktivieren, ätzen und per Plasmapolymerisation zu beschichten. Im Plasma werden allerdings nur organische Reste entfernt, Verschmutzungen anorganischen Ursprungs wie Salze verbleiben auf der Oberfläche. Bei Verwendung von Spülgas können auch Ätzgase verwendet werden, die aufgrund der geringen Gasmengen sehr effektiv verdünnt werden. Ein weiteres Plus der Niederdruck-Technologie ist der geringe Gasverbrauch.

Mit Niederdruckplasma aktivierte Oberflächen sind langzeitstabil und je nach Material und Lagerung bis zu mehreren Monaten haltbar. Da Lagerfläche jedoch kostbar ist und gewisse Materialien (Glas, Metall, Keramik) nur kurzfristig aktiviert werden können und daher schnell, üblicherweise innerhalb von 30 Minuten, empfiehlt sich der Einsatz von Kurztaktanlagen. Diese können in eine bestehende Fertigungslinie integriert werden. Eine automatisierte Kurztaktanlage schließt außerdem Bedienerfehler aus.

Kurztaktanlage in den Ablauf integrieren

Die Effizienz der Kurztaktanlage liegt in ihrem – im Vergleich zur Standardanlage – auf kürzere Zykluszeiten optimierten Aufbau und dem auf das Maximum optimierten Umsatz der chemischen Reaktion. Die Rezipientengröße ist so klein wie möglich, was die Abpumpzeit deutlich senkt, außerdem arbeitet eine leistungsfähige Pumpe. Die Elektrodenfläche ist minimiert, da großflächige Elektroden einen geringeren Wirkungsgrad als kleine haben.

Die kleine, auf Objektgröße ausgerichtete, Vakuumkammer wird so ausgestattet, dass beispielsweise jeweils ein Spritzgießteil aufgenommen werden kann und ein nur geringes Totvolumen verbleibt. Das zu behandelnde Teil wird pneumatisch zugeführt, die Kammer schließt sich und die Restluft wird evakuiert, danach das Prozessgas zugeführt und das Plasma gezündet. Nach abgelaufener Prozesszeit belüftet die Kammer und das behandelte Teil wird pneumatisch ausgeworfen.

Der entscheidende Parameter für die Steigerung des Umsatzes der chemischen Reaktion ist die Leistungsdichte im Plasma, die sich am einfachsten über die Generatorleistung steigern lässt. Allerdings muss eine „Überdosis“, eine Überbehandlung der Teile, vermieden werden. Das kann zum Anschmelzen der Oberfläche führen. Auch ein zu stark geätztes Teil ist nicht mehr verwertbar. Deshalb wird die Generatorleitung als kurzer Impuls, beispielsweise mit einer Leistung von 10 kW für 0,8 Sekunden eingesetzt.

Behandlungsdaten im Vergleich

An einem Beispiel lässt sich die Zeitersparnis der Kurztaktanlage im Vergleich zur Standardplasmaanlage deutlich machen. Im Beispiel werden folgende Parameter eingesetzt: Ein Bauteil mit einer Größe von 100 × 100 × 10 Millimeter wird 10 Minuten plasmabehandelt. Dazu addieren sich Zeiten zum be- und entladen, evakuieren und entlüften. Wie die Grafik unten deutlich werden lässt, amortisiert sich die Behandlungszeit mit der Größe der Anlage, da dann die Chargen größer werden und somit die Taktzeit pro Stück schrumpft. Dank der extrem schnellen Abläufe der Kurztaktanlage, lässt sich diese besonders einfach in eine bestehende Fertigungslinie integrieren.

Damit wird die Plasmabehandlung auch als Inline-Verfahren einsetzbar. Die Kurztaktplasmaanlage vereint die Vorteile der Niederdruckplasmanlage mit denen der Inline-Pproduktion, indem sie bislang diskontinuierliche Prozesse zu kontinuierlichen Prozessen umwandelt. Dadurch sind keine logistischen Veränderungen nötig und der Prozessablauf bleibt ungestört.

K 2010, Halle 12, Stand F13