Effiziente LABS Reinigung und Beschichtung von Massenkleinteilen

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.

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.

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:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.