Introduzione al plasma

Tecnologia al plasma - Tante possibilità 

1. Cosa è il plasma?

Quando la materia è continuamente alimentata con energia, la sua temperatura aumenta e modifica il suo stato dal solido al liquido fino al gassoso. Se l'alimentazione di energia continuata, il guscio atomico esistente si rompe e appaiono delle particelle cariche (elettroni, caricati negativamente ed ioni, caricati positivamente). Questa miscela è descritta con il termine plasma o il "quarto stato della materia".

In breve: Cambiamento dello stato fisico con apporto energetico:

stato solido  stato liquido  stato gassoso ⇒ plasma

In natura, il plasma si verifica, ad esempio nei fenomeni come fulmini, aurore, fiamme e nel sole. I plasmi prodotti artificialmente sono conosciuti, all'interno del tubo al neon, nella procedura di saldatura e nei flash.

2. Quali sono le applicazioni dei sistemi al plasma di Diener electronic?

Il plasma viene utilizzato in applicazioni in cui la combinazione dei materiali è importante o lì dove si intende modificare le proprietà superficiali. Con questa tecnologia pionieristica si ha la possibilità di modificare una varietà di superfici. Quindi, si può offrire un'ampia gamma di applicazioni, come

  • Pulitura di precisione di componenti piccoli e micro
  • Attivazione di parti in plastica prima della procedura di incollaggio, verniciatura, ecc.
  • Etching e rimozione parziale di vari materiali come PTFE, fotoresist, ecc.
  • Rivestimento di componenti con livelli simili a PTFE, strati barriera, strati idrofobi o idrofili, rivestimenti con riduzione dell'attrito ecc.

La tecnologia al plasma si è affermata in quasi tutti i settori industriali. Ci sono sempre delle nuove applicazioni che vengono aggiunte già ad un'ampia gamma di utilizzi.

2.1 Effetti del plasma

3. Come funziona il plasma?

Con la tecnica di plasma a bassa pressione, il gas viene eccitato sotto vuoto fornendo energia. Questo conduce alla formazione di ioni ed elettroni nonché altre particelle reattive caricate energicamente, che costituiscono il plasma. In questo modo le superfici possono essere efficacemente modificate. Ci sono tre effetti del plasma:

Micro sabbiatura: La superficie viene rimossa dal bombardamento ionico.

Reazione chimica: Il gas ionizzato reagisce chimicamente con la superficie.

Radiazioni UV: La radiazione ultravioletta rompe i composti di carbonio a catena lunga.

Attraverso la variazione dei parametri di processo quali pressione, potenza, tempo di processo, flusso di gas e la composizione cambiano le modalità di azione del plasma. Così, in un passo singolo processo, possono essere raggiunti vari effetti.

Il plasma rimuove l'agente distaccante (anche siliconi e oli) dalla superficie. Questi sono catturati chimicamente ad esempio dall'ossigeno e convertiti in composti volatili. Con la pressione negativa e il riscaldamento superficiale, l'agente distaccante o i suoi residui evaporano parzialmente. Attraverso le particelle attivate energicamente presente nel plasma, le molecole dell'agente distaccante sono suddivise in frammenti molecolari più piccoli e possono essere quindi aspirate. Inoltre, si verifica un effetto "micro-jet" a livello atomico. La radiazione UV può rompere l'agente distaccante.

4. Quali sono le tipologie di costruzione di un sistema al plasma?

Viene fatta una distinzione in sistemi al plasma a bassa pressione e sistemi atmosferici 

La tecnologia al plasma a bassa pressione

La tecnologia al plasma a pressione atmosferica

5. Come vengono costruiti i sistemi al plasma a bassa pressione e come funzionano?

Con la tecnologia del plasma a bassa pressione, il gas è eccitato sotto vuoto fornendo energia. Questo conduce alla formazione di ioni ed elettroni nonché altre particelle reattive caricate energicamente, che costituiscono il plasma. In questo modo le superfici possono essere efficacemente modificate. Ci sono tre effetti differenti del plasma:

  • Micro-sabbiatura: la superficie viene rimossa dal bombardamento ionico
  • Reazione chimica: il gas ionizzato reagisce chimicamente con la superficie
  • Radiazione UV: la radiazione UV rompe i composti di carbonio a catena lunga

Attraverso la variazione dei parametri di processo quali pressione, potenza, tempo di processo, flusso di gas e la composizione cambiano le modalità di azione del plasma. Così, in un passo singolo processo, possono essere raggiunti vari effetti.

Esempio di parametri di processo tipici:

Potenza: 500 Watt Volume della camera di processo: 100 litri                                         

Gas di processo: aria oppure ossigeno Pressione: 0,2 - 0,6 mbar Durata: 1 - 5 minuti 

C'è la disponibilità di una varietà di gas di processo (ad esempio aria, ossigeno, argon, idrogeno-argon, tetrafluorometano-ossigeno) e sostanze chimiche (per esempio, esametildisilossano, acetato di vinile, acetone, sostanze fluorurate).

In sostanza, si applica quanto segue: La conoscenza dei processi è fondamentale. Il plasma deve corrispondere al materiale, al fine di impostare tutti gli effetti desiderati.

6. Come vengono costruiti i sistemi al plasma a pressione atmosferica e come funzionano?

Con la tecnologia del plasma a pressione atmosferica il gas viene eccitato mediante l'alta tensione, sotto la pressione atmosferica, in modo che si attiva il plasma. Il plasma viene espulso con aria compressa dall'ugello. Ci sono due effetti del plasma diversi:

  • Attivazione e pulizia di precisione vengono effettuate dalle particelle reattive contenute nel getto di plasma.
  • Inoltre, le particelle non aderenti sono rimosse dal getto di gas attivo dalla superficie.

Variando i parametri di processo quali la velocità del trattamento e la distanza alla superficie del substrato, i risultati del trattamento possono essere influenzati in modo diverso.

6.1 Sistemi Corona (principio "Gliding Arc")

Secondo il principio di funzionamento "Gliding Arco", una scarica ad arco a bassa tensione viene generata in una zona di plasma "caldo"  e poi uscire attraverso l'aria nella direzione di uscita (la tensione aumenta fino a circa 10 kV). In questo modo si forma una zona di plasma "freddo", che può essere usata come strumento di trattamento.

La larghezza del trattamento è di circa 50 - 60 mm. La distanza del trattamento può essere fino a circa 20 mm. 

I dispositivi sono dotati di un controllo a microprocessore per la generazione del plasma. Cioè, i seguenti parametri sono impostati in fabbrica: 

  • la larghezza di impulso dello scarico
  • il tempo di pausa nello scarico         
  • la quantità di aria                

I parametri citati influenzano la temperatura e l'efficienza del plasma.

Con i dispositivi sono possibili le seguenti applicazioni:  

  • Attivazione attraverso la reazione delle particelle (dei radicali) reattive(i) presente(i) nel getto di plasma.
  • Inoltre, dalla superficie saranno rimosse attraverso il getto di plasma accelerato nell'aria le particelle incoerenti, non aderenti.

I dispositivi sono progettati per il pretrattamento di superfici di parti stampate in plastica, per migliorare l'adesione di  

  • vernice
  • inchiostro
  • adesivo
  • schiuma

ecc.

Per un buon trattamento superficiale è importante rispettare le seguenti:

  • Trattare solo materiali non conduttivi.
  • La velocità di elaborazione e la spaziatura tra testa del corona e la superficie da lavorare sono i parametri più importanti al fine di raggiungere le proprietà superficiali desiderate. La variazione di questi parametri può cambiare drasticamente l'effetto del pretrattamento.
  • Le velocità inferiori e/o il trattamento multiplo portano all'attivazione superficie più uniforme.
Plasmatechnik, Plasmatechnologie, Plasmaaktivierung von Kunsstoffteilen
Funktionsprinzip APC500

6.2 PlasmaBeam

Con la tecnologia del plasma a pressione atmosferica il gas viene eccitato mediante l'alta tensione, sotto la pressione atmosferica, in modo da attivare il plasma. Il plasma viene espulso da aria compressa dall'ugello. Ci sono due effetti del plasma:

l'attivazione e la pulizia di precisione vengono effettuate dalle particelle reattive contenute nel getto di plasma.

Inoltre, le particelle non aderenti sono rimosse dalla superficie dal getto di gas attivo. Variando i parametri di processo quali la velocità e la distanza dalla superficie del substrato di trattamento, l'efficienza del trattamento può essere influenzata in modi diversi.

Il trattamento al plasma atmosferico Plasma Beam viene utilizzato principalmente per il trattamento locale (pulizia, attivazione) su diverse superfici:

  • polimeri
  • metallo
  • ceramica
  • vetro
  • materiali ibridi

Il dispositivo PlasmaBeam può essere installato senza sforzo eccessivo sulle linee di produzione automatizzate esistenti.

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

7. Quanto tempo si possono stoccare le parti trattate (attivate) prima di un ulteriore trattamento?

Il tempo di stoccaggio delle parti trattate dipende dal tempo di attivazione e dal materiale e varia da pochi minuti a diversi mesi. Pertanto, è spesso necessario effettuare esperimenti in loco.

Metalli, ceramica, vetro ed elastomeri: circa 1 ora

Materie plastiche (esclusi gli  elastomeri): giorni, settimane, mesi

8. Come devono essere stoccate le parti trattate?

Dopo il trattamento al plasma, si consiglia di non stoccare le parti all'esterno, in quanto attirano polvere, contaminazione organica e umidità. 

Le parti saldate hanno una durabilità molto superiore rispetto alle parti all'aperto.

Le parti trattate presso il nostro stabilimento per conto terzi sono imballate in stretta consultazione con il cliente, ad esempio in sacchetti senza silicone certificati, confezioni ESC o materiale di imballaggio su misura, che ci sono resi disponibili da parte del cliente.

9. Perché le parti trattate non dovrebbero essere toccate?

Con il plasma vengono rimosse le impurità organiche, ma non quelle inorganiche. Ad esempio, poiché il sudore dalle impronte digitali contiene sali (contaminanti inorganici), le parti trattate devono essere maneggiate solo con dei guanti.

10. Come può essere misurata l'attivazione al plasma?

10.1 Angolo di contatto/angolo del bordo

L'angolo di contatto è l'angolo formato dall'osservazione della proiezione della goccia sul corpo solido dalla tangente alla circonferenza della goccia con la superficie del corpo solido nel punto trifase. Secondo la definizione fisica, una superficie con un angolo di contatto inferiore a 90° è idrofila (bagnabile) e superiore a 90° idrofoba (non bagnabile). Con il trattamento al plasma, l'angolo di contatto può essere cambiato (aumentato, ridotto). Attraverso un processo al plasma o all'applicazione di un rivestimento adatto in un processo al plasma, le superfici possono essere cambiate da idrofile a idrofobiche (attraverso strati idrofili e viceversa).

 

Dispositivo per la misurazione dell'angolo del bordo
Angolo di contatto

10.2 Inchiostri di prova

Mezzi di misurazione per stimare l'energia superficiale: se, dopo l'applicazione sulla superficie, l'inchiostro di prova si allappa, l'energia superficiale del solido è inferiore a quella dell'inchiostro. Se si ottiene la bagnatura, l'energia superficiale del corpo solido è uguale o superiore a quella del liquido. Con l'utilizzo di set di inchiostri di prova con l'energia di superficie a gradini, è possibile determinare la tensione superficiale complessiva. Tuttavia, con questo metodo non può essere determinato il componente polare e quello non polare dell'energia superficiale.

10.3 Test di quadrettatura 

Per testare l'adesione della vernice, viene eseguito un test di quadrettatura. Dopo la verniciatura, lo strato di vernice della parte in materiale plastico viene tagliato sotto forma di un reticolo. Quindi, un nastro adesivo standardizzato viene incolato sulla quadrettatura, viene pressato e staccato bruscamente di nuovo. Se la vernice rimane attaccata al nastro, l'adesione del rivestimento è scarsa. Il metodo a quadrettatura mostra così l'adesione degli strati di vernice sul materiale plastico.

11. Come può essere dimostrato un trattamento al plasma?

I tag indicatori e la lega metallica dell'indicatore di plasma offre agli utenti dei sistemi plasma la capacità di osservare immediatamente se si è verificato un trattamento al plasma. Le prove vengono effettuate praticamente senza perdita di tempo. Esse possono essere utilizzate in qualsiasi sistema plasma per ogni trattamento quale pulizia, attivazione, etching o rivestimento. Gli indicatori sono presenti anche dopo settimane e mesi dal trattamento al plasma effettuato sui vostri prodotti e semilavorati.  

11.1 Tag indicatori

L'etichetta adesiva è un film di rivestimento speciale, che può essere posizionata come riferimento direttamente nella camera o incollata ai componenti. Se il punto indicatore è scomparso, il trattamento al plasma è stato completato con successo. Tuttavia, le etichette indicatore possono essere utilizzate anche per un test di sistema. In questo caso, l'etichetta si attacca nella camera vuota e il plasma viene attivato.

Etichetta indicatrice del 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 Lega metallica dell'indicatore di plasma

L'indicatore di plasma è una lega metallica liquida, che si decompone nel plasma in modo che la superficie del prodotto trattata con il plasma del prodotto presenta una superficie con lucentezza metallica. Una goccia applicata al componente stesso o un campione di riferimento si trasforma dopo il trattamento al plasma in uno strato con lucentezza metallica formato sulla maggior parte delle superfici e, che mostra un contrasto chiaro rispetto al colore incolore della goccia originale. Il film metallico luccicante formato in plasma viene messo in evidenza visivamente grazie alla sua riflettività rispetto ai colori originali dell'oggetto. 

Rechts der Indikator vor der Plasmabehandlung. Links der Indikator nach der Plasmabehandlung
A destra prima e a sinistra dopo il trattamento al plasma

12. Quali sono i vantaggi della tecnologia al plasma?

Rispetto ad altri metodi, come il trattamento a fiamma oppure il trattamento chimico bagnato, la tecnologia al plasma ha dei vantaggi decisivi:  

  • molte proprietà superficiali possono essere ottenute solo con questo metodo
  • procedura di implementazione universale: capacità di inserimento in linea di produzione e completamente automatizzato
  • processo estremamente rispettoso rispetto all'ambiente
  • quasi indipendente da geometria. Possono essere trattate: polveri, piccoli parti, materiali piatti, tessuti non tessuti, prodotti tessili, tubi, corpo cavo, circuiti, ecc.
  • componenti non sono alterati meccanicamente
  • riscaldamento ridotto dei componenti
  • costi di gestione molto bassi
  • alta sicurezza del processo e lavoro 

Processo particolarmente efficiente.

13. Quali applicazioni sono possibili?

Per spiegazioni o ulteriori informazioni, fare riferimento alla Tabella di confronto del plasma ND/AD, e anche nella sezione Applicazioni.