Introduction au Plasma

Le Traitement Plasma – Des possibilités infinies

1. Qu'est-ce qu'un plasma?

Lorsque l'on apporte de l'énergie thermique à la matière, sa température augmente et elle passe de l'état solide à liquide, puis ensuite gazeux. Si l'on continue à lui apporter de l'énergie, alors les électrons périphériques vont tendre à se désolidariser des molécules et des atomes formant ainsi des particules chargées (négativement pour les électrons et positivement pour les ions).

Ce mélange porte le nom de Plasma, parfois aussi appelé "quatrième état de la matière"

En bref: Changement d'état lors d'apport d'énergie:

solide ⇒ liquide ⇒ gaz plasma

Dans la nature, l'état plasma se rencontre par exemple dans les éclairs, les aurores boréales, les flammes ou le soleil. Des plasmas artificiels sont entre autres obtenus dans les tubes néon, lors du soudage ou dans les lampes flashs.

2. Dans quelles circonstances les systèmes plasma de Diener Electronic sont utilisés?

Le plasma est utilisé chaque fois que nécessaire pour coller matériaux ensemble ou pour modifier leurs propriétés de surface au gré de votre besoin. Il est en effet possible de modifier pratiquement n'importe quelle surface grâce à cette technologie innovante. Le plasma offre donc d'innombrables applications, citons comme exemples:

  • Nettoyage final de petits ou micro-composants.
  • L'activation de surface de plastiques avant collage, peinture, etc.
  • "l'Etching" (attaque) et l'élimintation partielle ou totale de divers matériaux tels que PTFE, photorésistes, etc.
  • Le revêtement de composants avec "PTFE-like coatings" à bas coefficient de friction, des films barrière, hydrophobiques ou hydrophiliques, etc.

La technologie plasma s'est diffusée dans tous les domaines de l'industrie, tandis que de nouvelles applications sont sans cesse découvertes.

2.1 Les effets du Plasma

3. Comment fonctionne le plasma ?

Dans la technologie plasma basse pression, le gaz est excité sous vide par apport d'énergie. Il en résulte la formation d’espèces énergétiques ions, électrons, ainsi que d'autres espèces réactives, lesquelles constituent le plasma. Les surfaces peuvent ainsi être modifiées efficacement. On distingue trois effets du plasma:

Micro-sablage: Les éléments de la surface sont éliminés par le bombardement ionique.

Réaction chimique: Réaction chimique du gaz ionisé avec la surface.

Rayonnement UV: le rayonnement UV décompose les longues chaines carbonées.

Les effets du plasma sont modifiés en faisant varier les paramètres du procédé tels que la pression, la puissance, la durée de traitement, le flux et la composition des gaz. Plusieurs effets peuvent être obtenus en une seule étape.

Le plasma est à même d’éliminer les agents de démoulage (y compris silicones et  les huiles) des surfaces. Ceux-ci sont attaqués chimiquement, par ex. par un plasma oxygène, et convertis en composés volatils. Une partie des agents de démoulage, ou leurs résidus, s’évaporent suite à l’action combinée du vide et du chauffage de la surface. Les molécules d'agent de démoulage sont scindées en de plus petits fragments moléculaires par les particules énergétiques et réactives contenues dans le plasma, et dès lors, elles tendent à se désorber spontanément des surfaces. Cette action physico-chimique, est complétée par un "effet de ‘micro’-sablage" (effet boule de billard) à une échelle atomique.

Sur les pièces fraîchement produits, aussi bien que sur des produits stockés, il est usuel de trouver des dépôts, des particules ou des films invisibles de graisse, d'huile, de silicone, d’humidité et couches d'oxydation. Pour revêtir ces surfaces de la meilleur des façons, celles-ci doivent être « PWIS-free » (PWIS = Paint-Wetting Impairment Substances), c’est-à-dire exempte de ces composés empêchant ou perturbant le mouillage de la surface par la peinture ou le revêtement appliqué. Un tel résultat peut être atteint par nettoyage plasma.

4. Quels sont les types de systèmes plasmas ?

Une distinction est effectuée entre les systèmes plasma basse pression et pression atmosphérique.

Technologie plasma sous basse pression.

Technologie plasma à pression atmosphérique.

5. Comment sont conçus les systèmes plasma basse pression et comment fonctionnent-ils ?

Dans le cas de la technologie plasma basse pression, le gaz est excité en lui fournissant de l’énergie sous vide. Il en résulte la formation d’ions énergétiques et d’électrons, ainsi que d’autres particules réactives lesquelles constituent le plasma. Ainsi, les surfaces peuvent être attaquées. Trois actions du plasma sur les surfaces peuvent être distinguées :

  • Micro-sablage: la surface est éliminée par bombardement ionique.
  • Réaction Chimique: Réaction chimique des gaz ionisés avec la surface.
  • Radiation UV: les UV conduisent à la rupture des chaines des produits carbonés.

Les effets du plasma sont modifiés en faisant varier les paramètres du procédé tels que la pression, la puissance, la durée du traitement, le débit et la nature des gaz. Plusieurs effets peuvent être obtenus en une seule étape.

Un exemple typique de paramètres :

Puissance: 500 watts Volume de chambre de traitement: 100 litres Gaz du procédé: Air ou oxygène Pression: 0,2 - 0,6 mbar Durée: 1 - 5 minutes

Une large gamme de gaz sont utilisables (ex. : air, oxygène, Argon, Argon/Hydrogène, Oxygène/Tétra-fluoro-méthane) ainsi que des composés chimiques (ex. : hexa-méthyl-disiloxane, acétate de vinyle, acétone, composés chimiques fluorés)

La règle de base à appliquer : connaitre le procédé est crucial. Le plasma doit correspondre au matériau ainsi ses paramètres pourront être spécifiquement ajustés pour obtenir l’ensemble des effets souhaités.

Plasma basse pression obtenu avec Générateur LF ou RF
Plasma basse pression obtenu avec Générateur micro-ondes

6. Comment sont conçus les systèmes plasma atmosphériques et comment fonctionnent-ils?

Dans le cas de la technologie plasma sous pression atmosphérique, le gaz est excité au moyen d’une haute tension sous pression atmosphérique, de telle sorte que le plasma est initié. Le plasma est expulsé de la buse par l’air comprimé. Les deux effets du plasma :

  • Activation et nettoyage final effectués par les particules réactives contenues dans le jet de plasma.
  • De plus, les particules disséminées et adhérentes sur la surface sont éliminées sous l’effet de l'air comprimé accéléré dans le jet de gaz actifs.

Les performances du traitement peuvent être modifiées de différentes manières, en faisant varier les paramètres tels que la vitesse de déplacement de la buse et sa distance avec la surface du substrat.

6.1 Systèmes Corona (le principe de "l’Arc glissant")

Suivant le principe fonctionnel de « l’Arc Glissant », une décharge d’arc est générée sous basse tension donnant lieu à un zone plasma « chaud » (thermique), soufflée par un flux d’air, la décharge change de nature (la tension augmente jusqu’à 10 kV). Ainsi, se forme une zone de plasma « froid », lequel peut alors être utilisé comme outil de traitement.

La largeur de traitement est approximativement de 50-60 mm. La distance de traitement peut être supérieure à environ 20 mm.

Les appareils sont équipés d'un microcontrôleur pour la génération de plasma. Cela signifie que les paramètres suivants sont réglés en usine:

  • Durée du pulse de décharge
  • Temps de pause entre décharges
  • Quantité d’air

Les paramètres susmentionnés affectent la température et l’efficacité du plasma.

Avec ces systèmes, les applications suivantes sont possibles:

  • Activation de la surface par les espèces réactives (radicalaires) contenues dans le jet plasma.
  • De plus, les particules disséminées et adhérentes sur la surface sont éliminées sous l’effet de l'air comprimé accéléré dans le jet plasma.

Cet outil est particulièrement bien adapté au traitement de surface de pièces moulées de plastique moulées en vue d’améliorer l’adhésion sur leur surface de

  • Couleurs d’impression
  • Peintures
  • Adhésifs
  • Mousses etc.

Ce qui suit est important dans l’obtention d’une préparation de surface adéquate:

  • Seuls les matériaux non conducteurs peuvent être traités.
  • La durée du traitement (vitesse de déplacement) et la distance entre la tête corona et la surface de travail sont les paramètres les plus importants pour obtenir les propriétés de surface désirées. De modestes changements dans ces paramètres peuvent changer drastiquement les effets de ce prétraitement.
  • De plus faibles vitesses de déplacement et/ou des passages multiples conduisent à une meilleure uniformité de l’activation de surface.
Plasmatechnik, Plasmatechnologie, Plasmaaktivierung von Kunsstoffteilen
Funktionsprinzip APC500

6.2 PlasmaBeam (Faisceau plasma)

Dans le cas de la technologie plasma atmosphérique, le gaz est excité au moyen d’une haute tension sous pression atmosphérique, de telle sorte que le plasma est créé. Le plasma est expulsé de la buse par de l’air comprimé. Ce plasma a deux effets :

  • Activation et nettoyage final de la surface par les espèces réactives contenues dans le jet plasma.
  • De plus, les particules disséminées et adhérentes sur la surface sont éliminées sous l’effet de l'air comprimé accéléré dans le jet plasma.

Les performances du traitement peuvent être affectées de différentes façons en faisant varier les paramètres du procédé tels que la durée de traitement (vitesse de déplacement) et la distance avec la surface du substrat.

Le processeur plasma atmosphérique PlasmaBeam est principalement utilisé pour le prétraitement local de différentes surfaces (Nettoyage, Activation) :

  • Polymères
  • Métaux
  • Céramiques
  • Verres
  • Matériaux hybrides

Le PlasmaBeam est adapté pour être monté sur des systèmes robotisés et peut être aisément installé dans des lignes de production automatisées existantes.

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

7. Combien de temps des pièces traitées (activation de surface) peuvent être stockées avant le procédé suivant ?

La durée de vie de l’activation de surface de composants est dépendante de la durée de l’activation et du matériau considéré, elle varie de quelques minutes à quelques mois. De ce fait, il est souvent nécessaire d’effectuer des essais préliminaires sur site.

Métaux, céramiques, verres and élastomères: de l’ordre d’une heure.

Plastiques (hormis élastomères): Jours, semaines, mois.

8. Comment les pièces traitées doivent être stockées?

Après leur traitement plasma, il est recommandé de ne pas laisser les pièces à l’air libre, car elles vont attirer poussières, contaminations organiques et humidité.

Les pièces précautionneusement emballées maintiennent leur surface active pour une durée substantiellement plus importante que celles stockées à l’air.

Les pièces traitées par nos soins pour une activation de surface sont emballées en étroite consultation avec le client. Par ex. dans des sacs PE certifiés sans silicone, des emballages ESD ou des emballages spéciaux mis à votre disposition.

9. Pourquoi les pièces traitées ne doivent pas être touchées à mains nues?

Le plasma élimine les pollutions organiques mais pas les pollutions inorganiques. Par exemple, les sels (contaminants inorganiques) contenus dans la sueur des empreintes digitales, ne seront pas éliminés par le plasma d’où la nécessité de toujours manipuler les pièces avec des gants.

10. Comment l’activation plasma peut-elle être évaluée ?

 

10.1 Angle de contact/ angle de mouillage

Lorsque l’on observe la projection d’une goutte déposée sur un solide, l’angle de contact est l’angle formé par la tangente à la surface de la goutte au point triple (substrat/vapeur/goutte) et la surface du dit solide. D’après la définition physique, une surface donnant lieu à un angle de goutte d’eau inférieur à 90° est hydrophile (mouillable), tandis que s’il est supérieur à 90°, elle est hydrophobe (non mouillable).

Le traitement plasma peut changer l’angle de contact (l’augmenter, le diminuer). Un procédé plasma adéquat ou l’application d’un revêtement approprié via procédé plasma peut conduire des surfaces hydrophiles à devenir hydrophobes (par formation de couches hydrophobes) et vice et versa.

Angle de mouillage

10.2 Encres test

C’est un des moyens d’estimation de l’énergie de surface. Si le film d’encre déposé sur la surface est instable et tend à se fragmenter pour former de petite s zones liquides éparses, l’énergie de surface du solide est inférieure à celle de celle de l’encre. Cependant, si le film reste stable et continu, la surface est dans ce cas mouillante, alors l’énergie de surface du solide est égale ou supérieure à celle du liquide. La tension de surface totale d’un solide peut être déterminée en utilisant une série d’encres d’essai présentant des énergies de surface graduellement différentes. Les composantes polaire et non-polaire de l’énergie de surface ne peuvent cependant pas être distinguées par cette méthode.

10.3 Test de quadrillage ('Cross Hatch Test')

Pour tester l’adhésion des peintures, le test de quadrillage est une méthode normalisée (Cross Hatch Test - standards: EN ISO 2409 et ASTM D3369-02) et usuellement effectuée. Une fois la pièce peinte, la couche de peinture est coupée au moyen d’un cutter en forme de quadrillage (treillis). Un scotch normalisé est apposé sur la zone quadrillée, il est compressé sur la surface avant d’en être brusquement retiré. Si la peinture reste collée sur la bande, l'adhérence du revêtement est modeste (insuffisante). Ainsi, le test de quadrillage est une méthode d’estimation de l’adhérence de peintures sur les pièces en plastique.

11. Comment savoir si un traitement plasma a été effectué?

Des étiquettes témoin (indicatrices) ainsi qu’un composé métallique spécifique sensible au plasma (indicateur de traitement plasma) fournissent aux utilisateurs des systèmes plasma la possibilité de vérifier d’un simple coup d’œil si un traitement plasma a été effectué. Les tests peuvent menés à bien sans perte de temps. Ils peuvent utilisés pour tous les systèmes plasma et pour tous les traitements, qu’il s’agisse de nettoyage, activation, attaque ou revêtement. Les indicateurs identifient le traitement plasma précédemment effectué sur votre produit ou produit semi-fini, même après des semaines ou des mois.

11.1 Etiquettes indicatrices (témoin)

L'étiquette adhésive se compose de zones revêtues d’un film spécial, qui sont utilisées en tant que référence, elles sont placées directement dans la chambre ou collées sur les composants. Dès que le point indicateur foncé a disparu, le traitement plasma a été effectué avec succès. Les étiquettes indicatrices peuvent également être utilisées pour le test du système plasma lui-même. Dans ce cas, l’étiquette est posée seule dans la chambre à vide puis le plasma est généré.

Étiquettes indicatrices

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 Composé métallique indicateur de traitement plasma

L’indicateur de traitement plasma est un composé métallique liquide qui se décompose dans le plasma de sorte que lorsque sa surface est traitée au plasma, il présente un aspect métallique brillant. Une goutte appliquée sur le composant lui-même ou sur un échantillon de référence est transformée dans le plasma en un revêtement métallique brillant, qui forme sur la plupart des surfaces un contraste clair avec la goutte originelle transparente. Le film doré résultant du traitement plasma se distingue des autres couleurs de l’objet par sa réflectivité.

A droite aspect de l'indicateur avant plasma, à gauche après traitement plasma

12. Quels sont les avantages de la technologie plasma?

La technologie plasma présente des avantages déterminants par rapport à d'autres méthodes telles que le traitement à la flamme ou le traitement chimique par voie humide:

  • Beaucoup de propriétés de surfaces ne peuvent être obtenues qu’en utilisant cette méthode
  • Méthode universellement applicable: la production en ligne est possible et peut être entièrement automatisée.
  • Procédés particulièrement respectueux de l'environnement
  • Quasiment indépendant de toute géométrie : poudres, petites pièces, matériaux en plaques, non-tissés, textiles, tubes, corps creux, cartes de circuits imprimés, etc. peuvent être traités
  • Composants traités non sollicités mécaniquement
  • Chauffage minime des pièces
  • Très faibles coûts d’utilisation
  • Procédé de haute technologie assurant un travail en toute sécurité

Procédé particulièrement rationnel.

13. Quelles sont les applications possibles?

Explications et plus amples informations peuvent être trouvées dans le Tableau comparatif LP / AP plasma et sous Applications