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AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Dr. Alexander Knospe
Dipl.-Ing. Christian Buske
Plasmatreat GmbH
Bisamweg 10
33803 Steinhagen
Telefon: + 49 (0) 5204 / 9960 – 15
Fax: + 49 (0) 5204 / 9960 – 33
Openair®-Plasma – Wirkprinzip und
industrieller Einsatz
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Die wichtigsten Anwendungsbereiche
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Vertrieb und Service
Plasmatreat – weltweit:
Vertretungen:Vertretungen:
BeneluxTaiwanFinnlandSchweizSlowenienSüd KoreaTürkei
Tochterunternehmen:Tochterunternehmen:
Nord Amerika: PlasmaTreat North AmericaFrankreich: PlasmaTreat FranceUK: PlasmaTreat LTD.Japan: Nippon PlasmaTreatSpanien: BGT Oficina Tecnica S. L.Italien: Plasmatreat Italia srlChina: Plasmatreat Shanghai
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Gasversorgung (Luft, Stickstoff)
Elektrode
Spannungsversorgung
Entladungszone
Substrat Plasma (je nach Düsenkopf
potentialfrei)
Isolator
Edelstahlgehäuse
Plasma (potentialbehaftet)
Düsenkopf
Blende mit Bohrungen
Openair®-Plasma – Technik
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Verfügbare Plasmadüsen
Behandlungsbreite: ca. 0,8 -1,5 cm 3 – 4,5 cm 10-11 cm
Behandlungs-
geschwindigkeit: bis 400 m/min bis 40 m/min bis 30 m/min
Openair®-Plasma – Technik
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Grundaufbau einer Plasmatreat®- Anlage
Generator mit Steuerung
Plasmaüberwachung Hochspannungstrafo
Plasmaerzeuger
Druckluftversorgung
+ Überwachung)
Openair®-Plasma – Technik
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Verschiedene Anwendungen für Openair®-Plasma
� Aktivierung nur oberste Molekülschichten werden beeinflusst(hydrophile Gruppen werden in die Polymerketten eingebaut)
� Reinigung organische Kontaminationen werden entfernt(Oxidation / Verdampfung)
� Beschichtung Abscheidung von Schichten durch Einspeisung von Zusatzstoffen(unterschiedliche Oberflächeneigenschaften möglich)
Kunststoff / Metall / Glas
entfernenorg. Kontaminationnm- bis
µm-Bereich
Kunststoff
aktivieren
nm-Bereich
Kunststoff / Metall / Glas
aufbringenBeschichtungnm- bisµm-
Bereich
Openair®-Plasma
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Aktivierung von KunststoffenPlasmavorbehandlung von Türdichtungsprofilen
62
64
66
68
70
72
Oberflächen-
spannung
[mN/m]
16 12 8 418
12
6
Abstand [mm]
Geschwindigkeit
[m/min]
Oberflächenspannung von EPDM nach
Plasmabehandlung
70-72
68-70
66-68
64-6662-64
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
85
15
0
65
32
2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Ato
m %
unbehandelt behandelt
PET
C
O
N
XPS – Analyse einer aktivierten PET-Oberfläche
Aktivierung von Kunststoffen
� Geschwindigkeit: 100 m/min
� Düsenabstand: 5 mm
� Einbau von Sauerstoff und Stickstoff in die Polymeroberfläche
Quelle: AIF Projekt 12651 N/1
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
kCP
S
406 404 402 400 398 396 394
Binding Energy (eV)
NO3
2,0
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
1,9
NO2
NO NOH
C - C
286 284 282 280 278
Binding Energy (eV)
C = O
C - O - C
C - OH
O = C - O
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
kCP
S
288
2
284 282 280 278
C - C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
kCP
S
Binding Energy (eV)
0
PP: unbehandelt
(Oberflächenenergie: 27,0 mN/m)PP: Plasma behandelt
(Oberflächenenergie bis 72 mN/m)
FraunhoferInstitutFertigungstechnikMaterialforschung
Aktivierung von Kunststoffen
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
� Geschwindigkeit: 50 m/min
� Düsenabstand: 5 mm
� auch nach 180 Tagen Lagerung nur geringer Abfall der Oberflächenspannung (OS) und des Sauserstoffgehaltes
XPS – Langzeitstabilität einer aktivierten PA6 Oberfläche
Aktivierung von Kunststoffen
Quelle: AIF Projekt 12651 N/1
12
34
24
60
18
58
18
56
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Ato
m %
unbehandelt 1 d 30d 180 d
PA6
C (%)
O (%)
N (%)
OS (mN/m)
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
ten
sile
str
eng
ht
[MP
a]
ohne Plasma mit Plasma mit Plasma nach
SWT
PA12
2K-PU
2K-EP
SWT: 1 Woche, 40 °C, 100 %, Luftfeuchtigkeit
2K-PU: Zwei Komponenten Polyurethan
2K-EP: Epoxidharz
� geringe Zugscherfestigkeit ohne Vorbehandlung
� deutliche Steigerung der Zugscherfestigkeit nach Plasmavorbehandlung
� selbst nach einer Woche Schwitzwassertest (SWT) hohe Festigkeiten
Quelle: AIF Projekt 12651 N/1
Verklebung von Polyamid 12 mit 2K-PU und 2K-Epoxy
Aktivierung von KunststoffenVerklebung
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
� Verbesserung der Flockhaftung
� Einsatz wasserbasierender Gleitlacke
� keine sichtbare Beschädigung der Oberfläche
� Vorbehandlung ohne Substratkontakt
� kein Abrieb
� auch Vertiefungen können vorbehandelt werden
� geringer Platzbedarf
Aktivierung von KunststoffenEPDM-Profilvorbehandlung vor der Beflockung
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
� In-Line Plasmavorbehandlung
� Roboter geführt
� Klebstoffauftrag direkt nach Vorbehandlung
Aktivierung von KunststoffenVorbehandlung von PP- Scheinwerfergehäusen
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
� Effektive Aktivierung
� Verwendung alternativer Klebstoffe
� Hohe Prozessgeschwindigkeit
� Ersatz von Primern
� PUR Klebstoff
Firma Schmitz Cargobull: Vorbehandlung von Großpaneele vor der Verklebung
Quelle: Schmitz Cargobull
Aktivierung von KunststoffenFahrzeugbau
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Quelle: Schmitz Cargobull
Aktivierung von KunststoffenFahrzeugbau
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Verklebung der inneren Metallmembran des Tanks
� Invar Stahl
� Kontakt mit LNG
� Größtes Ladevolumen: 153500 m3 in vier Tanks
� Hohe Anforderungen an die Dichtigkeit
� Gefahr der Versprödung
Bilder: Ives Guillotin
Aktivierung von KunststoffenSchiffbau – LNG Tanker
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Aufbau der Isolierung
Starres TRIPLEX (PP-Glasfaser mit Aluminiumschicht) wird mit Plasma vorbehandelt. Darauf wird flexibles TRIPLEX geklebt.
Aktivierung von KunststoffenSchiffbau – LNG Tanker
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Öl
MetallsubstratPlasmatreat®
Kohlenwasserstoffe können von Metallen sehr effizient entfernt werden
Reinigung (Kohlenwasserstoffe) einer Oberfläche durch:
� Verdampfung leicht flüchtiger Komponenten
� Oxidation zu Kohlendioxid und Wasser
Reinigung mit Openair®- Plasma
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
� PMMA-beschichtete Siliciumwaferwurden mit unterschiedlichen Parametern (Abstand / Geschwindigkeit) behandelt
� hier: Standarddüsekopf
� die Reinigung der Plasmadüsen kann dann anhand des Schichtabtrags verfolgt werden
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20
Geschwindigkeit [m/min]
Sch
ich
tab
trag
[n
m]
Abstand 6 mm / 10 mm / 13 mm
Geschwindigkeit 1-20 m/min
Behandlungsbreite 5 mm
Prozessgas Preßluft
Schichtabtrag in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und Düsenabstand
(Ellipsometrie)
Reinigung mit Openair®- Plasma
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Reinigungsprofil - IR-Spektroskopie (IRRAS)
� PMMA-beschichtete Kupferbleche wurden partiell mit dem Plasma gereinigt
� die Standarddüse liefert eine V-förmig gereinigte Spur, die Rotationsdüse ein W-förmiges Profil
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0 5 10 15 20 25 30Position [mm]
Ext
inkt
ion
Abstand [mm] 10 6 4Geschwindigkeit [m/min] 1 1 1
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0 5 10 15 20 25 30Position [mm]
Ext
inkt
ion
Abstand [mm] 10 10 10Geschwindigkeit [m/min] 5 2,5 1
Reinigung mit Openair®- Plasma
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
110
116
75
78
48
49
50
57
52
0 20 40 60 80 100 120
Kontaktwinkel
Al
Flamme
Corona
Flamme+Silan
Al+P 30m/min
Al+P 25m/min
Al+P 20m/min
Al+GB450 (sauer)
Al+GBS5160 (basisch)
Beh
and
lun
g
Kontaktwinkelvergleich
chemisch
Plasma
Flame und
Corona
Θ [°]
� Flammen- und Coronavorbehandlung erreichen nicht die Hydrophilie der chemischen bzw. Plasmavorbehandlung.
Quelle: Fa. Nanocraft
Auftrag: Fa. Griesser
Al-Blechreinigung vor dem Coil Coating
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
48-Düsen-Anlage
24 Plasmadüsen (Vorderseite)
wassergekühlte Walzen
leistungsstarkeAbsaugung
wassergekühlteDüsenhalterungs-
elemente
Al-Blechreinigung vor dem Coil Coating
24 Plasmadüsen(Rückseite)
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Vorteile der Plasmareinigung:
� Kein Einsatz von Chemikalien� Nur Druckluft und elektrische Energie notwendig� Inline Prozess� Geringe Betriebskosten� Konversionsschicht benetzt die Oberfläche gut � kaum korrosive Unterwanderung der nachfolgenden
Beschichtung
Al-Blechreinigung vor dem Coil Coating
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Gasversorgung (Luft, Stickstoff)
Elektrode
Spannungsversorgung
Entladungszone
Substrat Plasma
Isolator
Edelstahlgehäuse
Plasma (potentialbehaftet)
Precursorgas
Düsenkopf mit seitlichem Einlass
Blende mit Bohrungen
Beschichtung mit Openair PlasmaDie Technik
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Openair-Plasmabeschichtung
Beschichtung auf Aluminium mit unterschiedlichen Schichtdicken zwischen 20 und etwa 700 nm
Funktionalitäten:
� hydrophil
� hydrophob
� antikorrosiv
� haftvermittelnd
Substrat:
� Metall
� Glas
� Kunststoffe
Beschichtung mit Openair PlasmaAbscheidung von dünnen Schichten
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Öl
BeschichtungMetallsubstrat
Plasmatreat®
Nach der Reinigung erfolgt die Beschichtung der Oberfläche
Beschichtung mit Openair®-PlasmaAbscheidung von dünnen Schichten
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Veränderbare Parameter
�Puls-/Pause-Verhältnis�Frequenz �Spannung (Pulshöhe)�Prozessgas (Art und Menge)�Verfahrgeschwindigkeit�Düse-/Substrat-Abstand�Düsenkopf
Zusätzliche Parameter mit Polymerisation
�Precursor (Art und Menge)�Trägergas (Art und Menge)�Polymerisationsdüsenkopf
Beschichtung einer Nutgeometrie mit dem PlasmaPlus Verfahren
Beschichtung mit Openair®-PlasmaParameterraum
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Si-O
-OH
-CH3
Si-OH
-CH3
Si-CH3
Si-(CH3)x
C=O
-CH3
Si-CH3
Wellenzahl [cm-1]
Absorp
tion
Absorp
tion
Beschichtung mit Openair®-PlasmaAbscheidung von dünnen Schichten
Infrarotspektren verschiedener siliziumorganischer Beschichtungen auf Aluminium
hydrophobe Schicht
hydrophile Schicht
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
nicht beschichtet (Korrosion)
beschichtet
(keine Korrosion)
Vergrößerung des beschichteten und des nicht beschichteten Bereiches (lichtmikroskopische Aufnahme)
Aluminiumblech nach 96 h Salzsprühtest nach DIN 50021 (nur der Schriftbereich wurde beschichtet)
Hervorragender Korrosionsschutz auf unterschiedlichen Aluminiumlegierungen
Beschichtung mit Openair®-PlasmaKorrosionsinhibierende Schichten
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Korrosionsschutz und Haftvermittlung auf gefrästen Aluminiumdruckgussgehäusen
Ursprünglicher Prozess:
� Aufsprühen eines Korrosionsschutzmittels auf Fluorpolymerbasis nach dem Verkleben
� manueller Auftrag, hohe Kosten
Heute:
� Vorreinigung mit Plasma� Beschichtung mit Si-organischer
Schicht� robotergeführt
Beschichtung mit Openair®-PlasmaKorrosionsinhibierende Schichten-Anwendung
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Dichtigkeitsüberprüfung nach Salzsprühtest (Swaat-Test)
h
grün: Gehäuse zeigt keine Leckagen
rot: Gehäuse ist undicht (Korrosion auf dem Flansch mit Durchbruch nach innen)
Hocheffiziente Antikorrosionsbeschichtung
Beschichtung mit Openair®-PlasmaAbscheidung von dünnen Schichten
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Vorteile der Plasmabeschichtung:
� Vollautomatisiert (robotergeführt)� Ersatz von manuell aufgetragenen Fetten� Kein Lösungsmittelabfall� Geringer Chemikalienverbrauch� Hocheffiziente Antikorrosionsbeschichtung� gute Verklebbarkeit
Beschichtung mit Openair®-PlasmaAbscheidung von dünnen Schichten
AKPlasma-Frühjahrssitzung 2009
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!