Einführung Plasma

Plasmatechnik - Vielseitige Möglichkeiten 

1. Was ist Plasma?

Wird einer Materie kontinuierlich Energie zugeführt, erhöht sich ihre Temperatur und sie geht vom festen über den flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Wird die Energiezufuhr weiter fortgesetzt, wird die bestehende Atomhülle aufgebrochen und es entstehen geladene Teilchen (negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen). Dieses Gemisch wird als Plasma oder der "vierte Aggregatszustand" bezeichnet.

Kurz: Änderung des Aggregatzustands unter Energiezufuhr:

fest ⇒ flüssig ⇒ gasförmig ⇒ Plasma

In der Natur kommt Plasma z. B. in Blitzen, Polarlichtern, Flammen und der Sonne vor. Künstlich erzeugte Plasmen kennt man unter anderem durch die Neonröhre, vom Schweißen und von Blitzlichtern.

2. Wofür können Plasmaanlagen von Diener electronic eingesetzt werden?

Plasma wird in Bereichen eingesetzt, in denen es darauf ankommt Materialien zu verbinden oder deren Oberflächeneigenschaften gezielt zu verändern. Mit dieser zukunftsweisenden Technik lassen sich die verschiedensten Oberflächen modifizieren. Es bieten sich daher vielseitige Anwendungsmöglichkeiten wie z. B. die

  • Feinstreinigung von Klein- und Mikrobauteilen
  • Aktivierung von Kunststoffbauteilen vor dem Kleben, Lackieren usw.
  • Anätzen und teilweise entfernen verschiedener Materialien wie PTFE, Fotolack usw.
  • Beschichtung von Bauteilen mit PTFE-ähnlichen Schichten, Barriereschichten, hydrophoben bzw. hydrophilen Schichten, reibungsreduzierenden Schichten usw.

Die Plasmatechnik hat sich mittlerweile in nahezu allen industriellen Bereichen etabliert. Es kommen laufend neue Anwendungen hinzu.

2.1 Plasmaeffekte

3. Wie wirkt Plasma?

Bei der Niederdruck-Plasmatechnik wird Gas im Vakuum durch Energiezufuhr angeregt. Es entstehen energiereiche Ionen und Elektronen sowie andere reaktive Teilchen, die das Plasma bilden. Damit lassen sich Oberflächen wirkungsvoll verändern. Es werden drei Plasmaeffekte unterschieden:

Mikrosandstrahlen: Die Oberfläche wird durch den Ionenbeschuss abgetragen.

Chemische Reaktion: Das ionisierte Gas reagiert chemisch mit der Oberfläche.

UV-Strahlung: Die UV-Strahlung bricht langkettige Kohlenstoffverbindungen auf.

Durch die Variation der Prozessparameter wie DruckLeistungProzesszeitGasfluss und -zusammensetzung ändert sich die Wirkungsweise des Plasmas. So lassen sich in einem einzigen Prozessschritt mehrere Effekte erzielen.

Plasma entfernt Trennmittel (auch Silikone und Öle) von der Oberfläche. Diese werden von z. B. Sauerstoff chemisch angegriffen und in flüchtige Verbindungen umgewandelt. Durch den Unterdruck und die oberflächliche Aufheizung verdampfen die Trennmittel bzw. deren Reste zum Teil. Durch die energiereichen Teilchen im Plasma werden die Trennmittelmoleküle in kleinere Molekülfragmente aufgebrochen und lassen sich dadurch absaugen. Außerdem entsteht ein "Mikrostrahleffekt" auf atomarer Ebene. UV-Strahlung kann Trennmittel aufbrechen.

Auf frisch produzierten als auch auf gelagerten Produkten befinden sich meist unsichtbare Ablagerungen wie Fette, Öle, Silikone, Feuchtigkeit oder Oxidationsschichten. Um diese Oberflächen fehlerfrei beschichten zu können, müssen diese LABS-frei sein (LABS = LAckBeschichtungsStörende), was durch eine Plasmareinigung erzielt werden kann.

4. Welche Aufbauarten einer Plasmaanlage gibt es?

Es wird unterschieden in Niederdruck und Atmosphärische Plasmasysteme

Niederdruck Plasmatechnik

Atmosphärendruck Plasmatechnik

5. Wie sind Niederdruckplasma-Anlagen aufgebaut und wie funktionieren sie?

Bei einer Niederdruck-Plasmatechnik wird Gas im Vakuum durch Energiezufuhr angeregt. Es entstehen energiereiche Ionen und Elektronen sowie andere reaktive Teilchen, die das Plasma bilden. Damit lassen sich Oberflächen wirkungsvoll verändern. Es werden drei Plasmaeffekte unterschieden:

  • Mikrosandstrahlen: Die Oberfläche wird durch den Ionenbeschuss abgetragen
  • Chemische Reaktion: Das ionisierte Gas reagiert chemisch mit der Oberfläche
  • UV-Strahlung: Die UV-Strahlung bricht langkettige Kohlenstoffverbindungen auf

Durch die Variation der Prozessparameter wie Druck, Leistung, Prozesszeit, Gasfluss und -zusammensetzung ändert sich die Wirkungsweise des Plasmas. So lassen sich in einem einzigen Prozessschritt mehrere Effekte erzielen.

Beispiel für einen typischen Prozessparameter:

Leistung: 500 Watt, Prozesskammervolumen: 100 Liter, Prozessgas: Luft oder Sauerstoff, Druck: 0,2 - 0,6 mbar, Dauer: 1 - 5 Minuten

Es steht eine Vielzahl von Prozessgasen (z. B. Luft, Sauerstoff, Argon, Argon-Wasserstoff, Tetrafluormethan-Sauerstoff) und Chemikalien (z. B. Hexamethydisiloxan, Vinylacetat, Aceton, fluorhaltige Chemikalien) zur Verfügung.

Grundsätzlich gilt aber Folgendes: Das Prozesswissen ist entscheidend. Das Plasma muss zum Werkstoff passen, um alle gewünschten Effekte gezielt einstellen zu können.

Niederdruckplasma-Anlage: Aufbau mit LF- oder RF-Generator
Niederdruckplasma-Anlage: Aufbau mit Mikrowellengenerator

6. Wie sind Atmosphärendruckplasma-Anlagen aufgebaut und wie funktionieren sie?

Bei der atmosphärischen Plasmatechnik wird Gas mittels Hochspannung unter Umgebungsdruck derart angeregt, dass ein Plasma zündet. Das Plasma wird mit Druckluft aus der Düse herausgetrieben. Es werden zwei Plasmaeffekte unterschieden:

  • Aktivierung und Feinstreinigung wird durch die im Plasmastrahl enthaltenen reaktiven Teilchen durchgeführt.
  • Zusätzlich werden die losen, anhaftenden Partikel durch den druckluftbeschleunigten Aktivgasstrahl von der Oberfläche entfernt.

Durch die Variation der Prozessparameter wie Behandlungsgeschwindigkeit und Abstand zur Substratoberfläche können die Behandlungsergebnisse unterschiedlich beeinflusst werden.

6.1 Coronaanlagen ("Gliding Arc"-Prinzip)

Nach dem „Gliding Arc“-Funktionsprinzip wird eine Lichtbogenentladung bei niedriger Spannung in einer "heißen" Plasmazone erzeugt und dann durch die Luft in die Austrittsrichtung herausgestreckt (Spannung steigt bis ca. 10 kV). Damit wird eine "kalte" Plasmazone gebildet, die als ein Behandlungswerkzeug genutzt werden kann.

Die Behandlungsbreite beträgt ca. 50 – 60 mm. Der Behandlungsabstand kann bis ca. 20 mm betragen. 

Die Geräte sind mit einer Mikrocontrollersteuerung für die Plasmaerzeugung ausgestattet. Das heißt, folgende Parameter werden ab Werk eingestellt: 

  • Pulsbreite der Entladung
  • Pausenzeit in der Entladung
  • Luftmenge 

Die genannten Parameter beeinflussen die Temperatur sowie den Wirkungsgrad des Plasmas.

Folgende Anwendungen sind mit den Geräten möglich:  

  • Aktivierung durch die Reaktion im Plasmastrahl enthaltenen reaktiven Teilchen (Radikale).
  • Zusätzlich werden durch den luftbeschleunigten Plasmastrahl die losen, anhaftenden Partikel von der Oberfläche entfernt.

Die Geräte sind für die Vorbehandlung von Oberflächen von Kunststoffformteilen konzipiert, um die Haftung von 

  • Druckfarbe
  • Lack
  • Klebstoff
  • Schaum etc.

zu verbessern.

Für eine gute Oberflächenbehandlung ist folgendes wichtig: 

  • Nur nicht leitfähige Materialien dürfen behandelt werden.
  • Die Behandlungsgeschwindigkeit und der Abstand zwischen Coronakopf und der zu bearbeitenden Oberfläche sind die wichtigsten Parameter für das Erreichen der gewünschten Oberflächeneigenschaften. Die Änderung dieser Parameter kann den Vorbehandlungseffekt drastisch verändern.
  • Geringere Geschwindigkeiten und/oder eine mehrfache Behandlung führen zur gleichmäßigeren Oberflächenaktivierung.

6.2 PlasmaBeam

Bei der atmosphärischen Plasmatechnik wird Gas mittels Hochspannung unter Umgebungsdruck derart angeregt, dass ein Plasma zündet. Das Plasma wird mit Druckluft aus der Düse herausgetrieben. Es werden zwei Plasmaeffekte unterschieden:

Aktivierung und Feinstreinigung wird durch die im Plasmastrahl enthaltenen reaktiven Teilchen durchgeführt.

Zusätzlich werden die losen, anhaftenden Partikel durch den druckluftbeschleunigten Aktivgasstrahl von der Oberfläche entfernt. Durch die Variation der Prozessparameter wie Behandlungsgeschwindigkeit und Abstand zur Substratoberfläche können die Behandlungsergebnisse unterschiedlich beeinflusst werden.

Der atmosphärische Plasmaprozessor PlasmaBeam wird hauptsächlich für die lokale Vorbehandlung (reinigen, aktivieren) von verschiedenen Oberflächen eingesetzt:

  • Polymere
  • Metall
  • Keramik
  • Glas
  • Hybridmaterialien

Der PlasmaBeam ist Roboter-tauglich und kann in bestehende, automatisierte Fertigungslinien ohne großen Aufwand installiert werden.

6.3 Plasmaanlage - PlasmaBeam

7. Wie lange können behandelte Teile (Aktivierung) vor der Weiterverarbeitung gelagert werden?

Die Lagerzeit der Bauteile ist abhängig von der Aktivierungszeit und dem Material und variiert zwischen wenigen Minuten und mehreren Monaten. Daher ist es oft auch nötig, Versuche vor Ort durchzuführen.

Metalle, Keramik, Glas und Elastomere: ca. 1 Stunde

Kunststoffe (ausgenommen Elastomere): mehrere Tage, Wochen, Monate

8. Wie sollten behandelte Teile gelagert werden?

Nach der Plasmabehandlung empfiehlt es sich, die Teile nicht offen zu lagern, da sie Staub, organische Kontamination und Luftfeuchtigkeit anziehen. 

Eingeschweißte Teile haben eine wesentlich höhere Haltbarkeitszeit als offen gelagerte.

Die bei uns in Lohnbehandlung behandelten Teile werden in enger Absprache mit dem Kunden verpackt z. B. in geprüfte silikonfreie PE-BeutelESD-Verpackungen oder kundenspezifisches Verpackungsmaterial, welches uns zur Verfügung gestellt wird.

9. Warum dürfen die behandelten Teile nur mit Handschuhen angefasst werden?

Durch Plasma werden organische jedoch keine anorganischen Verunreinigungen entfernt. Da z.B. im Schweiß von Fingerabdrücken Salze (anorganische Verunreinigungen) enthalten sind, dürfen die Bauteile nur mit Handschuhen angefasst werden.

10. Wie kann eine Plasmaaktivierung gemessen werden?

10.1 Kontaktwinkel/Randwinkel

Der Kontaktwinkel ist der Winkel, der bei einer Beobachtung der Projektion des liegenden Tropfens auf dem Festkörper durch die Tangente an die Tropfenkontur mit der Oberfläche des Festkörpers im Dreiphasenpunkt gebildet wird. Nach der physikalischen Definition ist eine Oberfläche mit einem Kontaktwinkel kleiner als 90° hydrophil (benetzbar), bei größer als 90° hydrophob (unbenetzbar). Mittels Plasmabehandlung lässt sich der Kontaktwinkel verändern (vergrößern oder verkleinern). Durch einen geeigneten Plasmaprozess oder Aufbringen einer geeigneten Beschichtung in einem Plasmaprozess lassen sich hydrophile in hydrophobe Oberflächen (durch hydrophile Schichten auch umgekehrt) umwandeln. 

Randwinkelmessgerät
Kontaktwinkel

10.2 Testtinten

Messmittel zur Abschätzung der Oberflächenenergie: Zieht sich die Testtinte nach dem Auftrag auf der Oberfläche zusammen, so ist die Oberflächenenergie des Feststoffs geringer als die der Tinte, bleibt die Benetzung erhalten, so ist die Oberflächenenergie des Feststoffs gleich oder größer als diejenige der Flüssigkeit. Durch die Verwendung von Serien von Testtinten mit abgestufter Oberflächenenergie lässt sich so die Gesamt-Oberflächenspannung eines Feststoffs ermitteln. Der polare und unpolare Anteil der Oberflächenenergie kann mit dieser Methode allerdings nicht bestimmt werden.

10.3 Gitterschnitt-Test 

Um die Haftung von Lackierungen zu überprüfen, wird ein Gitterschnitttest (Normen: DIN EN ISO 2409 und ASTM D3369-02) durchgeführt. Nach dem Lackieren wird die Lackschicht des Kunststoffteils gitterförmig eingeschnitten. Anschließend wird ein genormtes Klebeband auf das Schnittgitter geklebt, angedrückt und ruckartig wieder abgezogen. Bleibt Lack am Klebeband hängen, ist die Haftung der Lackierung mangelhaft. Der Gitterschnitt zeigt somit die Haftfestigkeit von Lackschichten auf Kunststoffteilen.

11. Wie kann eine Plasmabehandlung nachgewiesen werden?

Die Indikator-Etiketten sowie die Plasmaindikator-Metallverbindung bietet Benutzern von Plasmaanlagen die Möglichkeit, auf einen Blick zu erkennen, ob eine Plasmabehandlung stattgefunden hat. Die Tests erfolgen praktisch ohne Zeitaufwand. Sie können in jeder Plasmaanlage für jede Behandlung ob Reinigung, Aktivierung, Ätzung oder Beschichtung eingesetzt werden. Die Indikatoren kennzeichnen auch nach Wochen und Monaten die bereits durchgeführte Plasmabehandlung auf Ihrem Produkt oder Halbzeug. 

11.1 Indikator-Etiketten

Bei dem Klebeetikett handelt es sich um speziell beschichtete Folien, die als Referenz direkt in die Kammer gelegt oder auf das Bauteil aufgeklebt werden können. Sobald der dunkle Indikatorpunkt verschwunden ist, ist die Plasmabehandlung erfolgreich abgeschlossen. Die Indikator-Etiketten können aber auch für einen Anlagentest verwendet werden. Hierbei wird ein Etikett in die leere Vakuumkammer gelegt und das Plasma gezündet.

Plasma Indikator Etiketten
Plasma Indikator Etikett

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 Plasmaindikator-Metallverbindung

Der Plasmaindikator ist eine flüssige Metallverbindung, die sich im Plasma zersetzt, sodass die Oberfläche des plasmabehandelten Gegenstandes eine metallisch glänzende Oberfläche aufweist. Ein Tropfen aufgetragen auf das Bauteil selbst oder eine Referenzprobe verwandelt sich bei der Plasmabehandlung in eine metallisch glänzende Schicht, die auf den meisten Oberflächen und zu dem ursprünglich farblosen Tropfen einen deutlichen Kontrast bildet. Der im Plasma entstehende golden glänzende Metallfilm hebt sich durch seine Reflektivität optisch von jeglichen Farben des Gegenstands ab. 

Rechts der Indikator vor der Plasmabehandlung. Links der Indikator nach der Plasmabehandlung
Rechts der Indikator vor und links nach der Plasmabehandlung

12. Welche Vorteile bietet die Plasmatechnik?

Gegenüber anderen Verfahren, wie beispielsweise dem Beflammen oder der nasschemischen Behandlung, weist die Plasmatechnik entscheidende Vorteile auf:

  • Viele Oberflächeneigenschaften lassen sich ausschließlich mit diesem Verfahren erzielen
  • Universell einsetzbares Verfahren: onlinefähig und voll automatisierbar
  • Äußerst umweltschonendes Verfahren
  • Nahezu geometrieunabhängig können Pulver, Kleinteile, Plattenmaterial, Vliese, Textilien, Schläuche, Hohlkörper, Leiterplatten usw. behandelt werden
  • Bauteile werden mechanisch nicht verändert
  • Geringe Erwärmung der Bauteile
  • Sehr niedrige laufende Kosten
  • Hohe Prozess- und Arbeitssicherheit
  • Besonders rationelles Verfahren.

13. Welche Anwendungen sind möglich?

Erklärungen bzw. weitere Informationen finden Sie unter Vergleichstabelle ND/AD-Plasma sowie unter Anwendungen.