Introducción al plasma

Tecnología del plasma: múltiples posibilidades

1. ¿Qué es el plasma?

Cuando a la materia se le aporta energía de forma continua, se eleva su temperatura y pasa del estado sólido al líquido y luego al gaseoso. Si se mantiene el suministro de energía, se rompe la cubierta de electrones existente y se generan partículas cargadas (electrones con carga negativa e iones con carga positiva). Esta mezcla se denomina plasma o el «cuarto estado de agregación de la materia».

Resumen: modificación del estado de agregación con aporte de energía:

sólido ⇒ líquido ⇒ gaseoso plasma

El plasma se presenta en la naturaleza, p. ej., en los rayos, las auroras boreales, las llamas y en el sol. El plasma generado artificialmente se reconoce, entre otros, en los tubos de neón, las soldaduras y los flashes.

2. ¿Para qué se pueden usar los sistemas de plasma de Diener electronic?

El plasma se utiliza en aquellas áreas en las que es necesario unir materiales o modificar las propiedades de la superficie de forma selectiva. Con esta técnica de vanguardia, es posible transformar las superficies más variadas. De este modo, se presentan múltiples posibilidades de aplicación, p. ej. la

  • limpieza ultrafina de piezas pequeñas y microcomponentes
  • activación de componentes de material plástico antes de pegar, pintar, etc.
  • mordentado y retirada parcial de distintos materiales, como PTFE, fotoresina, etc.
  • recubrimiento de componentes con capas similares al PTFE, capas de barrera, capas hidrófobas o hidrófilas, capas reductoras de la fricción, etc.

Entretanto, la tecnología del plasma se ha establecido en casi todas las áreas industriales. Continuamente surgen nuevas aplicaciones.

2.1 Efectos del plasma

3. ¿Cómo funciona el plasma?

En la tecnología del plasma a baja presión, se excita un gas en el vacío por medio del suministro de energía. Se generan iones y electrones energizados, y otras partículas reactivas que forman el plasma. Esto permite modificar eficazmente las superficies. Se diferencian tres efectos del plasma:

Microarenado: la superficie se desgasta por bombardeo de iones.

Reacción química: el gas ionizado reacciona químicamente con la superficie.

Radiación UV: la radiación UV rompe las largas cadenas de los compuestos de carbono.

Mediante la variación de los parámetros del proceso, tales como presión, potencia, duración del proceso, flujo del gas y su composición, se modifica el modo de accióndel plasma. Así, es posible obtener varios efectos en un único paso del proceso.

El plasma elimina los agentes separadores (incluidas las siliconas y los aceites) de la superficie. Por ejemplo, el oxígeno los ataca químicamente y los convierte en compuestos volátiles. La presión negativa y el calentamiento de la superficie provocan la evaporación parcial del agente separador o sus restos. Las partículas energizadas del plasma rompen las moléculas del agente separador en fragmentos de moléculas de menor tamaño y, de esa forma, permiten extraerlas. Además, se crea un «efecto de microchorreado» sobre la superficie atómica. La radiación UV puede romper el agente separador.

Tanto en los productos recién fabricados, como en los que han sido almacenados, se encuentran generalmente capas invisibles de grasas, aceites, silicona, humedad y óxido. Para poder recubrir estas superficies sin defectos, es necesario que estén libres de sustancias que afectan la pintura; esto se logra con una limpieza con plasma.

4. ¿Cuáles son los tipos de sistemas de plasma?

Se dividen en sistemas de plasma de baja presión y de presión atmosférica

Tecnología del plasma a baja presión

Tecnología del plasma a presión atmosférica

5. ¿Cómo están compuestos los sistemas de plasma a baja presión y cómo funcionan?

En la tecnología del plasma a baja presión, se excita un gas en el vacío por medio del suministro de energía. Se generan iones y electrones energizados, y otras partículas reactivas que forman el plasma. Esto permite modificar eficazmente las superficies. 

Se diferencian tres efectos del plasma:

  • Microarenado: la superficie se desgasta por bombardeo de iones
  • Reacción química: el gas ionizado reacciona químicamente con la superficie
  • Radiación UV:  la radiación UV rompe las largas cadenas de los compuestos de carbono

Mediante la variación de los parámetros del proceso, tales como presión, potencia, duración del proceso, flujo del gas y su composición, se modifica el modo de acción del plasma. Así, es posible obtener varios efectos en un único paso del proceso.

Ejemplo para parámetros típicos del proceso:

Potencia: 500 vatios

Volumen de la cámara del proceso: 100 litros
Gas del proceso: aire u oxígeno
Presión: 0,2 - 0,6 mbar
Duración: 1 - 5 minutos

Se dispone de una variedad de gases de proceso (p. ej.: aire, oxígeno, argón, argón-hidrógeno, tetrafluorometano-oxígeno) y productos químicos (p. ej.: hexametildisiloxan, acetato de vinilo, acetona, y productos químicos fluorados).

Pero básicamente rige lo siguiente: el conocimiento del proceso es decisivo. El plasma debe adaptarse al material, para poder configurar todos los efectos deseados.

6. ¿Cómo están compuestos los sistemas de plasma atmosférico y cómo funcionan?

En la tecnología del plasma atmosférico se excita el gas por medio de alta tensión a la presión ambiente, de manera que se encienda un plasma. El plasma se extrae de la boquilla con aire comprimido. Se diferencian dos efectos del plasma:

  • Activación y limpieza ultrafina que se realizan por medio de partículas reactivas obtenidas en el chorro de plasma.
  • Además, las partículas adhesivas sueltas se eliminan de la superficie mediante chorro de gas activo acelerado con aire comprimido.

Los resultados del tratamiento se pueden alterar de diversas maneras por medio de la variación de los parámetros del proceso, tales como la velocidad del tratamiento y la distancia a la superficie del sustrato.

6.1 Sistemas de corona (principio de «arco deslizante»)

Según el principio de «arco deslizante», se genera una descarga de arco eléctrico a baja tensión en una zona de plasma «caliente» y se extiende luego por el aire en la dirección de la salida (la tensión sube hasta cerca de 10 kV). De este modo, se crea una zona de plasma «frío» que puede ser utilizado como herramienta de tratamiento.

El ancho de tratamiento es de unos 50 – 60 mm. La separación del tratamiento puede ser de unos 20 mm. 

Los aparatos están equipados con un microcontrolador para la generación de plasma. Esto significa que los siguientes parámetros se configuran en fábrica:

  • Ancho de pulso de la descarga
  • Tiempo de inactividad de la descarga
  • Volumen de aire

Los mencionados parámetros influyen en la temperatura y la eficacia del plasma.

Los aparatos son aptos para las siguientes aplicaciones:

  • Activación mediante reacción de las partículas reactivas (radicales) contenidas en el chorro de plasma.
  • Además, el chorro de plasma acelerado con aire comprimido elimina de la superficie las partículas adhesivas sueltas.

Además, los aparatos están diseñados para el tratamiento de la superficie de las piezas moldeadas de plástico, para mejorar la adherencia de 

  • tintas
  • pinturas
  • adhesivos
  • espumas, etc.

Para un buen tratamiento de superficies es importante lo siguiente: 

  • Únicamente se deben tratar materiales no conductores.
  • La velocidad de tratamiento y la separación entre el cabezal de la corona y la superficie a tratar son los principales parámetros para lograr las propiedades de la superficie según lo esperado. La modificación de estos parámetros puede alterar drásticamente el efecto del tratamiento previo.
  • Con velocidades menores y/o un tratamiento reiterado se obtiene una activación más uniforme de la superficie.
Plasmatechnik, Plasmatechnologie, Plasmaaktivierung von Kunsstoffteilen
Funktionsprinzip APC500

6.2 PlasmaBeam

En la tecnología del plasma atmosférico se excita el gas por medio de alta tensión a la presión ambiente, de manera que se encienda un plasma. El plasma se extrae de la boquilla con aire comprimido. Se diferencian dos efectos del plasma:

Activación y limpieza ultrafina que se realizan por medio de partículas reactivas obtenidas en el chorro de plasma.

Además, las partículas adhesivas sueltas se eliminan de la superficie mediante chorro de gas activo acelerado con aire comprimido.
Los resultados del tratamiento se pueden alterar de diversas maneras por medio de la variación de los parámetros del proceso, tales como la velocidad de tratamiento y la distancia a la superficie del sustrato.

El procesador de plasma atmosférico PlasmaBeam se utiliza principalmente para el tratamiento local (limpieza, activación) de diversas superficies:

  • polímeros
  • metal
  • cerámica
  • vidrio
  • materiales híbridos

PlasmaBeam es apto para ser usado con robots y se puede instalar en líneas automatizadas de producción ya existentes sin gran esfuerzo.

Plasma pen
Plasmatechnologie
atmosphärisches Plasma
Plasma pen
Plasma stick
Plasma open air

7. ¿Cuánto tiempo se pueden almacenar las piezas tratadas (activación) antes del tratamiento posterior?

El tiempo de almacenamiento de los componentes depende del tiempo de activación y del material y varía entre unos pocos minutos y varios meses. Por eso, frecuentemente es necesario realizar ensayos en sitio.

Metales, cerámica, vidrio y elastómeros: aprox. 1 hora

Plásticos (excepto elastómeros): varios días, semanas, meses

8. ¿Cómo se deben almacenar las piezas tratadas?

Después del tratamiento con plasma es recomendable almacenar las piezas protegidas, ya que atraen polvo, contaminantes orgánicos y humedad del aire.

Las piezas selladas tienen una durabilidad significativamente mayor que las que se almacenan sin protección.

Las piezas tratadas por nosotros con tratamiento de superficie se empaquetan, en estrecha coordinación con el cliente, p. ej., en bolsas de polietileno verificadas sin silicona, envases antiestáticos o materiales de empaquetado específicos suministrados por el cliente.

9. ¿Por qué no se pueden tocar las piezas tratadas?

El plasma elimina los contaminantes orgánicos pero no los inorgánicos. Dado que, por ejemplo, el sudor de las huellas dactilares contiene sales (contaminantes inorgánicos), solo se deben tocas las piezas con guantes.

10. ¿Cómo se puede medir la activación con plasma?

10.1 Ángulo de contacto

En la observación de la proyección de una gota en reposo sobre un sólido, el ángulo de contacto es el ángulo que se forma entre la tangente al contorno de la gota y la superficie del sólido en el punto triple. Según la definición física, una superficie con un ángulo de contacto menor a 90° es hidrófila (humectable), y si el ángulo es mayor de 90° es hidrófoba (no humectable). El tratamiento con plasma permite modificar (aumentar, disminuir) el ángulo de contacto. Por medio del proceso de plasma adecuado o de la aplicación del recubrimiento adecuado en el proceso de plasma, es posible transformar superficies hidrófilas en hidrófobas (y mediante capas hidrófilas también a la inversa).

Ángulo de contacto

10.2 Tintas de prueba

Instrumentos para la estimación de la energía de la superficie: Si la tinta de prueba se contrae una vez que fue aplicada sobre la superficie, la energía de la superficie del sólido es menor que la de la tinta, si se mantiene la humectación, la energía de la superficie del sólido es igual o mayor que la del líquido. El uso de series de tintas de prueba con energía superficial escalonada permite determinar la tensión total de la superficie de un sólido. Sin embargo, con este método no se puede determinar la proporción de energía superficial polar y no polar.

10.3 Prueba de rayado transversal 

Para verificar la adherencia de las pinturas, se realiza una prueba de rayado transversal (normas: DIN EN ISO 2409 y ASTM D3369-02). Después de pintar, se somete la capa de pintura de la pieza de plástico a un rayado en forma de enrejado. Luego se pega una cinta adhesiva normalizada sobre el rayado transversal, se presiona y se despega en sentido inverso. Si queda pintura pegada en la cinta adhesiva, la adherencia de la pintura es insuficiente. El rayado transversal muestra la intensidad de la adherencia de las capas de pintura sobre las piezas de material plástico.

11. ¿Cómo se puede comprobar un tratamiento con plasma?

Las etiquetas indicadoras y el indicador de plasma de una unión metálica le brindan a los usuarios de los sistemas de plasma la posibilidad de reconocer a simple vista si se ha llevado a cabo un tratamiento con plasma. Las pruebas se realizan de forma práctica sin inversión de tiempo. Se pueden aplicar en todos los sistemas de plasma para todos los tratamientos, ya sea limpieza, activación, mordentado o recubrimiento. Los indicadores identifican los tratamientos con plasma ya realizados en su producto o pieza bruta, incluso después de semanas o meses.

11.1 Etiquetas indicadoras

En el caso de etiquetas adhesivas, se trata de láminas especialmente recubiertas, que se pueden colocar como referencia directamente en la cámara o pegar sobre la pieza. En cuanto desaparece el punto indicador oscuro, queda correctamente terminado el tratamiento con plasma. Las etiquetas indicadoras pueden utilizarse también para realizar una prueba del sistema. En este caso, se coloca una etiqueta en la cámara de vacío vacía y se enciende el plasma.

Etiquetas indicadoras de plasma

ADP-Plasmaindikator

Die Plasmaindikatoren sind mit einem speziellen Gewebe ausgestattete Klebeetiketten. War der Plasmaprozess erfolgreich, löst sich das Gewebe auf.

Das Klebeetikett wird nach Belieben auf ein Bauteil oder einen Dummy aufgeklebt. Dieses wird als Referenz dem Plasmastrahl ausgesetzt, dabei hat der Indikator keinerlei Auswirkung auf den eigentlichen Plasmaprozess oder auf das Bauteil selbst. Bei der Behandlung wird das Gewebe zerstört.

11.2 Indicador de plasma de unión metálica

El indicador de plasma es una unión metálica líquida, que se descompone en el plasma, de modo que la superficie del objeto tratado con plasma presenta una superficie metálica brillante. Una gota aplicada sobre la pieza misma o sobre una muestra de referencia se transforma, en caso de tratamiento con plasma, en una capa metálica brillante que genera un contraste visible con la gota incolora original en la mayoría de las superficies. La película metálica dorada brillante que se genera en el plasma resalta por la reflectividad óptica de los colores del objeto.

A la derecha el indicador antes del tratamiento con plasma . A la izquierda el indicador después del tratamiento con plasma
Indicadores antes y después del tratamiento con plasma, a la derecha y a la izquierda, respectivamente

12. ¿Cuáles son las ventajas de la tecnología del plasma?

Con respecto a otros procedimientos, como, por ejemplo, los tratamientos con llama o con productos químicos húmedos, la tecnología del plasma presenta ventajas decisivas:

  • Muchas propiedades de la superficie solo se pueden lograr con este procedimiento
  • Es un procedimiento de uso universal: apto para la aplicación en línea y totalmente automatizable
  • Procedimiento extremadamente ecológico
  • Casi independiente de la geometría se pueden tratar polvos, partículas pequeñas, material en placas, fieltros, textiles, mangueras, objetos huecos, circuitos impresos, etc.
  • Los componentes no se alteran mecánicamente
  • Escaso calentamiento de los componentes
  • Muy bajos gastos corrientes
  • Elevada seguridad del proceso y del trabajo

Procedimiento especialmente racionalizado.

13. ¿Cuáles son las aplicaciones posibles?

Encuentre explicaciones e información adicionales en la Tabla de comparación de plasma de BP/PA bien en Aplicaciones.