Введение в плазму

Плазменные технологии — разнообразные возможности

1. Что такое плазма?

Если на материю непрерывно подавать энергию, то повышается ее температура, и она переходит из твердого в жидкое, а затем в газообразное состояние . Если подача энергии продолжается, то существующая оболочка атома разрывается и появляются заряженные частицы (отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы). Эту смесь называют плазмой или «четвертым агрегатным состоянием».

Вкратце: изменение агрегатного состояния в условиях подачи энергии:

твердое ⇒ жидкое ⇒ газообразное ⇒ плазма

В природе плазма встречается, например, в молниях, северном сиянии, в пламени и на солнце. Искусственно создаваемые плазмы известны, в частности, благодаря неоновой лампе, из сварки и осветительных вспышек.

2. Для чего могут использоваться плазменные установки компании Diener electronic?

Плазма используется в тех сферах, в которых необходимо соединять материалы или целенаправленно изменять их поверхностные свойства. С помощью этой перспективной технологии можно осуществлять модификацию самых разных поверхностей. Поэтому существуют разнообразные возможности применения, как, например,

  • Особо тонкая очистка мелких деталей и микрокомпонентовер,
  • Активация пластмассовых деталей перед склеиванием, нанесением лакокрасочного покрытия и т. д.
  • Травление или частичное удаление различных материалов, таких как ПТФЭ, фотолак и т. д.
  • Нанесение покрытий на детали — ПТФЭ-подобных покрытий, барьерных покрытий, гидрофобных или гидрофильных покрытий, покрытий, уменьшающих трение и т. д.

Плазменные технологии уже закрепились почти во всех областях промышленности. Постоянно добавляются новые возможности применения.

2.1 Эффекты воздействия плазмы

3. Как действует плазма?

В плазменном оборудовании низкого давления происходит возбуждение газа в вакууме посредством подачи энергии.Возникают богатые энергией ионы и электроны, а также другие реактивные частицы, формирующие плазму.Благодаря этому возможно эффективное изменение поверхностей .Различают три эффекта воздействия плазмы:

Микропескоструйная обработка: поверхность снимается с помощью ионной бомбардировки.

Химическая реакция: ионизированный газ вступает в химическую реакцию с поверхностью.

Ультрафиолетовое излучение: ультрафиолетовое излучение разрывает длинноцепные соединения углерода.

Посредством изменения технологических параметров, таких как давлениемощностьпродолжительность технологического процессапоток газа и состав газа, изменяется принцип действия плазмы. Таким образом в рамках одной единственной технологической операции можно достичь нескольких эффектов.

Плазма удаляет с поверхности разделяющие средства (также силиконы и масла).Они подвергаются химическому воздействию, напр., кислорода и преобразуются в  летучие<15} соединения.Благодаря отрицательному давлению и поверхностному нагреву разделительные средства или их остатки отчасти испаряются. Благодаря  богатым энергией частицам в плазме  молекулы разделительного средства расщепляются на более мелкие части молекул, и благодаря этому возможно их удаление путем отсоса. Кроме того, возникает «эффект микроволн» на  атомарном уровне. Ультрафиолетовое излучение может разрушать разделительные средства.

На недавно изготовленной, а также на складируемой продукции, как правило, присутствуют невидимые отложения, такие как жиры, масла, силиконы, влага, оксидные слои.Для возможности безупречного нанесения покрытий на эти поверхности они не должны содержать веществ, ослабляющих адгезию лакокрасочных покрытий, и этого можно достичь путем плазменной очистки.

4. Какие бывают типы конструкции плазменной установки?

Различают плазменные системы низкого и атмосферного давления.

Плазменные технологии низкого давления

Плазменные технологии атмосферного давления

5. Какую конструкцию имеют плазменные установки низкого давления и как они работают?

В плазменном оборудовании низкого давления происходит возбуждение газа в вакууме посредством подачи энергии. Возникают богатые энергией ионы и электроны, а также другие  реактивные частицы , формирующие плазму.Благодаря этому возможно эффективное изменение поверхностей. Различают три эффекта воздействия плазмы:

  • Микропескоструйная обработка: поверхность снимается с помощью ионной бомбардировки
  • Химическая реакция: ионизированный газ вступает в химическую реакцию с поверхностью
  • Ультрафиолетовое излучение: ультрафиолетовое излучение разрывает длинноцепные соединения углерода

Посредством изменения технологических параметров, таких как давление, мощность, продолжительность процесса, поток газа и состав газа, изменяется принцип действия плазмы. Таким образом в рамках одной единственной технологической операции можно достичь нескольких эффектов.

Пример типичного технологического параметра:

Мощность: 500 ватт Объем технологической камеры: 100 литров Технологический газ: воздух или кислород Давление: 0,2–0,6 мбар Продолжительность: 1–5 минут

Возможно использование множества технологических газов (например, воздух, кислород, аргон, аргон-водород, тетрафторметан-кислород) и химикатов (например, гексаметилдисилоксан, винилацетат, ацетон, фторсодержащие химикаты).

Но в общем следует отметить следующее: Решающее значение имеет знание технологического процесса. Плазма должна соответствовать обрабатываемому материалу для возможности целенаправленного достиженияжелаемых эффектов.

Плазменные установки низкого давления: Конструкция с НЧ- или РЧ-генератором
Плазменные установки низкого давления: Конструкция с СВЧ-генератором

6. Какую конструкцию имеют плазменные установки атмосферного давления и как они работают?

В плазменном оборудовании атмосферного давления газ под воздействиемвысокого напряжения при атмосферном давлении возбуждается настолько, что плазма воспламеняется. Плазма с помощью сжатого воздуха выгоняется из сопла. Различаютдва эффекта воздействия плазмы: 

  • Активация и особо тонкая очистка осуществляются при помощи содержащихся в плазменной струе реактивных частиц. 
  • Кроме того, свободные, прилипшие частицы удаляются с поверхности с помощью струи активного газа, ускоренной за счет сжатого воздуха..

Посредством изменения технологических параметров, таких как скорость обработки и расстояние до поверхности подложки можно по-разному влиять на результаты обработки. 

6.1 Установки обработки коронным разрядом (принцип «скользящей дуги»)

 

По принципу действия «скользящей дуги» производится дуговой разряд при низком напряжении в «горячей» зоне плазмы, который затем через воздух вытягивается в направлении выхода (напряжение возрастает приблизительно до 10 кВ).Таким образом формируется «холодная» зона плазмы, которая может использоваться как инструмент для обработки 

Ширина обработки составляет приблизительно 50–60 мм. Расстояние обработки может достигать приблизительно 20 мм.

Приборы оснащены управляющим микроконтроллером для получения плазмы. То есть, на заводе выполнена настройка следующих параметров: 

  • Ширина импульса разряда
  • Длительность паузы в разряде
  • Объем воздуха

Указанные параметры влияют на температуру, а также коэффициент полезного действия плазмы.

Имеются следующие возможности применения приборов:

  • Активация посредством реакции содержащихся в плазменной струе реактивных частиц (радикалов).
  • Кроме того, с помощью плазменной струи, ускоренной сжатым воздухом, с поверхности удаляются свободные, прилипшие частицы.

Приборы разработаны для предварительной обработки поверхностей формованных пластмассовых деталей для улучшения адгезии

  • типографской краски
  • лакокрасочного материала
  • клея
  • пены

и т. д.

Для хорошей обработки поверхности важно следующее:

  • Можно подвергать обработке только неэлектропроводные материалы.
  • Скорость обработки и расстояние между головкой для обработки коронным разрядом и обрабатываемой поверхностью являются важнейшими параметрами для достижения желаемых свойств поверхности. Изменение этих параметров может резко изменить эффект от предварительной обработки.
  • Меньшая скорость и/или многократная обработка приводят к более равномерной активации поверхности.
Plasmatechnik, Plasmatechnologie, Plasmaaktivierung von Kunsstoffteilen
Funktionsprinzip APC500

6.2 PlasmaBeam 

В плазменном оборудовании атмосферного давления газ под воздействием высокого напряжения при атмосферном давлении возбуждается настолько, что плазма воспламеняется.Плазма с помощью сжатого воздуха выгоняется из сопла.Различают два эффекта воздействия плазмы:

Активация и особо тонкая очистка осуществляются при помощи содержащихся в плазменной струе реактивных частиц. 

Кроме того, свободные, прилипшие частицы удаляются с поверхности с помощью струи активного газа, ускоренной за счет сжатого воздуха. Посредством изменения технологических параметров, таких как скорость обработки и расстояние до поверхности подложки можно по-разному влиять на результаты обработки.

Атмосферный плазменный процессор PlasmaBeam применяется главным образом для локальной предварительной обработки (очистка, активация) различных поверхностей:

  • Полимеры
  • Металл
  • Керамика
  • Стекло
  • Гибридные материалы

PlasmaBeam пригоден для работы с роботами и может быть без больших затрат установлен на имеющиеся автоматизированные производственные линии.

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

7. Как долго обработанные детали (активация) могут храниться до дальнейшей обработки?

Время хранения деталей зависит от времени активации и материала и варьируется от нескольких минут до нескольких месяцев . Поэтому часто также есть необходимость проводить испытания на месте.

Металлы, керамика, стекло и эластомеры: прибл. 1 час

Пластмассы (за исключением эластомеров): несколько дней, недель, месяцев

8. Как следует хранить обработанные детали?

После плазменной обработки детали рекомендуется не хранить открытыми, так как они притягивают пыль, органические загрязнения и влагу из воздуха.

Запаянные в упаковку детали имеют значительно больший срок сохраняемости, чем хранящиеся открытыми.

Детали, обрабатываемые у нас на контрактной обработке, упаковываются в тесном согласовании с клиентом, например, в сертифицированные полиэтиленовые мешки, не содержащие силиконаупаковку с защитой от электростатических разрядов или в предоставляемую нам упаковку, соответствующую требованиям заказчика.

9. Почему к обработанным деталям нельзя прикасаться?

Плазма удаляет органические, но не удаляет неорганические загрязнения.Поскольку, например, поту отпечатков пальцев содержит соли (неорганические загрязнения), детали можно трогать только в перчатках.

10. Как можно измерить плазменную активацию?

10.1 Контактный угол/краевой угол

Контактный угол — это угол, формирующийся при наблюдении проекции лежащей капли на твердом теле касательной к контуру капли с поверхностью твердого тела в трехфазной точке. В соответствии с физическим определением поверхность с контактным углом меньше 90° гидрофильная (смачиваемая), а с углом больше 90° гидрофобная (несмачиваемая). Посредством плазменной обработки контактный угол можно изменять (увеличивать, уменьшать). С помощью соответствующего процесса плазменной обработки или нанесения соответствующего покрытия в процессе плазменной обработки гидрофильные поверхности можно превращать в гидрофобные (с помощью гидрофильных слоев также и наоборот.

10.2 Тестовые чернила

Средство измерения для определения поверхностной энергии: Если тестовые чернила после нанесения на поверхность собираются воедино, то поверхностная энергия твердого материала меньше энергии чернил, если же смачивание сохраняется, то поверхностная энергия твердого материала равна или превосходит поверхностную энергию жидкости. Путем применения серий тестовых чернил, имеющих ступенчатое распределение поверхностной энергии, можно определить общее поверхностное напряжение твердого материала. Тем не менее, с помощью этого метода нельзя определить полярную и неполярную долю поверхностной энергии.

10.3 Тест решетчатым надрезом

Для проверки адгезии лакокрасочных покрытий проводится тест решетчатым надрезом (нормы: DIN EN ISO 2409 и ASTM D3369-02).После покрытия лакокрасочным материалом в лакокрасочном слое пластиковой детали выполняется решетчатый надрез. Затем на  решетчатый надрез клеится установленная нормами клеящая лента, придавливается и резко отрывается<28}. Если лакокрасочное покрытие остается на клеящей ленте, то адгезия лакокрасочного покрытия недостаточна. Таким образом, сетчатый надрез показывает адгезионную прочность лакокрасочных покрытий на пластмассовых деталях.

11. Как можно выявить плазменную обработку?

Этикетки-индикаторы и плазменный индикатор — соединение металла обеспечивают пользователям плазменных установок возможность быстро определить, была ли выполнена плазменная обработка. Испытания осуществляются практически без затрат времени. Они могут применяться в каждой плазменной установке для каждой обработки, будь то очистка, активация, травление или нанесение покрытия. Индикаторы также по неделям и месяцам идентифицируют уже проведенную плазменную обработку на вашем изделии или промежуточном изделии.

11.1 Этикетки-индикаторы

В случае с клеящейся этикеткой речь идет об оснащенных специальным покрытием пленках, которые в качестве справки могут быть вложены непосредственно в камеру или могут наклеиваться на деталь. Как только темная индикаторная точка пропадает, плазменная обработка успешно завершена. Но этикетки-индикаторы могут также использоваться для испытания установки. При этом этикетка кладется в пустую вакуумную камеру, и зажигается плазма.

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 Плазменный индикатор — соединение металла

Плазменный индикатор — это жидкое соединение металла, разлагающееся в плазме, так что поверхность предмета, подвергнутого плазменной обработке, имеет поверхность с металлическим блеском. Капля, нанесенная на саму деталь, или контрольный образец при плазменной обработке превращается в слой с металлическим блеском, который явно контрастирует на большинстве поверхностей и в сравнении с изначально бесцветной каплей. Возникающая в плазме металлическая пленка с золотистым блеском благодаря своей отражающей способности оптически выделяется на фоне любых окрасок предмета.

12. Какие преимущества предлагают плазменные технологии?

По сравнению с другими методами, например, обработкой открытым пламенем или жидкостной химической обработкой, плазменные технологии имеют решающие преимущества:

  • Многие свойства поверхности достигаются исключительно с помощью этого метода
  • Метод универсального применения: возможность управления в режиме онлайн и возможность полной автоматизации
  • Крайне экологичный метод
  • Почти независимо от геометрии можно обрабатывать порошок, мелкие детали, листовой материал, нетканые материалы, текстиль, шланги, пустотелые детали, печатные платы и т. д.
  • Детали не подвергаются механическим изменениям
  • Малый нагрев деталей
  • Очень низкие текущие затраты
  • Высокая надежность технологического процесса и эксплуатационная безопасность

Особо рациональный метод.

13. Какие возможны варианты применения?

Пояснения и дополнительную информацию вы найдете в Сравнительной таблице Плазма НД/АД а также в разделе Применение.