DE102009008907B4

DE102009008907B4 - Verfahren zur Plasmabehandlung und Lackierung einer Fläche

Info

Publication number: DE102009008907B4
Application number: DE102009008907.1A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Kuhlenschmidt Birgit; Dipl.-Ing. Lahidjanian Daniel; Dipl.-Ing. Bausen Dirk; Dipl.-Ing. Hausmann Karl; Dr.-Ing. Kröger-Kallies Bettina
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2029-02-14
Also published as: US8361565B2; DE102009008907A1; US20100209618A1

Abstract

Verfahren zur Plasmabehandlung und Lackierung einer Fläche (12), insbesondere eines Seitenleitwerks (21) eines Flugzeugs, mit mindestens einer Plasmadüse (2), wobei die Fläche (12) mit einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien, insbesondere mit kohlefaserverstärkten und/oder metallischen Werkstoffen, gebildet ist und eine Vielzahl von Verbindungsmitteln (26) und/oder Dichtfugen (27) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Plasmadüse (2) in einem Abstand (14) von bis zu 15 mm von der Fläche (12) mit einer Vorschubgeschwindigkeit VX von bis zu 50 m/min geführt wird, und die Fläche (12) vor der Plasmabehandlung im Bereich der Verbindungsmittel (26) mit Kohlendioxidschnee gestrahlt wird, um eine Aktivierung der Fläche (12) zur Haftungsverbesserung zu erzielen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmabehandlung und zur Lackierung einer Fläche, insbesondere eines Seitenleitwerks eines Flugzeugs, mit mindestens einer Plasmadüse, wobei die Fläche mit einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien, insbesondere mit kohlefaserverstärkten und/oder metallischen Werkstoffen, gebildet ist und eine Vielzahl von Verbindungsmitteln sowie Dichtfugen aufweist.
Mit Polymeren zu beschichtende Flächen müssen im Allgemeinen einer umfangreichen, das heißt zeitaufwändigen Vorbehandlung unterzogen werden, um eine ausreichend feste Haftung zu erreichen. In der Regel erfolgt zunächst eine Vorreinigung der zu beschichtenden Fläche mit einem geeigneten chemischen Lösungsmittel, um beispielsweise Kontaminationen durch Fette, Öle, Trennmittel, Fingerabdrücke oder Staubpartikel zu entfernen. Daran schließt sich in der Regel eine rein mechanische Vorbehandlung durch Schleifen an, um die für die Haftung des Polymers bzw. Lackes zur Verfügung stehende Oberfläche des Substrates durch eine Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit zu vergrößern. Das Schleifen der Fläche kann mit unterschiedlichen Korngrößen manuell und/oder motorisch mit geeigneten Maschinen, wie beispielsweise einem Exzenterschleifer oder Bandschleifer, erfolgen. Um die Schadstoffbelastung der Umgebung zu verringern, werden beim Schleifprozess oftmals Absaugvorrichtungen eingesetzt. Um die unbeschadet einer Absaugung nie vollständig vermeidbaren Schleifrückstände wieder von der Fläche zu entfernen, ist es erforderlich nach dem Schleifprozess eine erneute Reinigung der Oberfläche mit einem Lösungsmittel vorzunehmen.
Diese konventionelle Vorgehensweise bei der Vorbehandlung einer zu lackierenden Fläche hat zum einen den Nachteil, dass eine Kontaminierung der für die Lackierarbeiten benutzten Arbeitsräume mit Lösungsmitteldämpfen erfolgt, die bei den Reinigungsprozessen des Substrates ausdünsten. Darüber hinaus sind zur Vorbereitung des eigentlichen Lackierprozesses im Allgemeinen mehrere zeitintensive Reinigungs- und Schleifprozeduren erforderlich, wobei durch diese trotz der Absaugsysteme Schleifstäube in die Umgebung emittiert werden.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Vorbehandlung von zu lackierenden Flächen bekannt, um die Hafteigenschaften auf der Fläche durch das Bearbeiten mit einem Plasmastrahl zu verbessern. So ist beispielsweise aus der DE 699 29 271 T2 eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Plasmabehandlung von Oberflächen bekannt, mit dem bei der Chipherstellung unter anderem die Bondfestigkeit von Drähten auf der plasmabehandelten Fläche erhöht werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch nicht für die Behandlung von großflächigen Bauteilen anwendbar, die zudem mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Materialien und/oder Verbindungsmitteln gebildet sind.
Aus der Druckschrift DE 10 2007 051 763 A1 ist ein Verfahren zum Dekorieren eines Kunststoffteils mit einer Beschichtung bekannt. Zur Vorbereitung eines Beschichtungsauftrags erfolgt zunächst eine Plasmabehandlung des Kunststoffteils mittels eines von einer Umgebungsluftdruck-Luftplasmadüse (”APAP-Düse”) generierten Plasmastrahls. Die APAP-Düse kann mittels eines Roboters automatisiert in vorprogrammierten Bahnen in einem Abstand zwischen 2 und 20 mm von der Bauteiloberfläche mit einer Geschwindigkeit zwischen 3 m/min und 36 m/min geführt werden.
Die DE 296 24 481 U1 hat eine Vorrichtung zur Oberflächenvorbehandlung von Werkstücken zum Gegenstand. Die Vorrichtung umfasst eine Stiftelektrode, die konzentrisch von einem hohlzylindrischen Düsenrohr umgeben ist, das innenseitig mit einem Keramikmantel ausgekleidet ist. Ein oberes Ende des Düsenrohrs ist mit einem topfförmigen Kunststoffgehäuse abgeschlossen, das über einen Anschluss für die Zufuhr eines geeigneten Arbeitsgases, wie zum Beispiel Luft, verfügt. Ein unteres Ende des Düsenrohrs findet seinen Abschluss in einer kreisringförmigen Ringelektrode mit einer kreisförmigen Düsenöffnung, deren Durchmesser kleiner als ein Innendurchmesser des Düsenrohrs ist. Zwischen der Stiftelektrode und dem Düsenrohr liegt eine von einem HF-Generator erzeugte Hochspannung zwischen 5 kV und 30 kV an, die zu einer axialen Lichtbogenentladung führt, die sich im Bereich der Ringelektrode in radial verlaufende Lichtbogenteiläste aufspaltet.
Die DE 100 11 275 A1 offenbart ein Verfahren zur Oberflächenaktivierung bahnförmiger Werkstoffe, insbesondere von Kunststoff- und Metallfolien in einem Dickenbereich zwischen 0,5 μm und 2 cm, mittels eines atmosphärischen Plasmas. Das Verfahren kann unter anderem mit einem so genannten Plasmabreitstrahlbrenner durchgeführt werden, der einen seitlich abströmenden, bandförmigen Plasmastrahl erzeugt. Beim Aktivierungsprozess wird die Oberfläche der bahnförmigen Werkstoffe mit einer Geschwindigkeit zwischen 20 m/min und 60 m/min in einem Abstand zwischen 1 mm und 15 mm am Plasmabreitstrahlbrenner vorbeigeführt.
Aus der EP 1 067 829 B1 ist eine weitere Konstruktionsform einer Umgebungsluft-Plasmadüse bekannt. Eine Stiftelektrode ist koaxial von einem innenseitig mit einem Keramikrohr ausgekleideten Tragrohr als Außenelektrode umgeben. Die koaxiale Elektrodenanordnung ist von einem drehbaren Gehäuse mit einem hohlzylindrischen Düsenkanal und einem sich daran unten anschließenden Mundstück mit einem schräg zu einer Längsachse der Vorrichtung verlaufenden, sich verjüngenden Düsenkanal mit einer Mündung zum Austritt des Plasmastrahls umgeben. Zwischen der Stiftelektrode und dem Tragrohr ist ein Hochspannungsgenerator angeschlossen. Aufgrund der hohen Frequenz der Wechselspannung in Verbindung mit den dielektrischen Eigenschaften des Keramikrohrs kommt es zu einer Koronaentladung, durch die eine Lichtbogenentladung zündet. Die Lichtbogenentladung wird durch verdrallt einströmendes Arbeitsgas mitgenommen und im Düsenkanal parallelisiert, so dass sich der Lichtbogen erst im Bereich der unten liegenden Gehäusemündung radial auf die Gehäusewand gerichtet aufspaltet. Es ist ein Motor vorgesehen, der das Gehäuse mit dem Mundstück und der Mündung für den Plasmastrahl mit hoher Drehzahl in Relation zur feststehenden Stiftelektrode und dem Tragrohr rotieren lässt, so dass die Bahn des Plasmastrahls einen Kegelmantel beschreibt, der die zu bearbeitende Oberfläche eines Werkstücks überstreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein zeitsparendes Verfahren, das zudem mit einheitlichen Verfahrensparametern durchführbar ist, zur Vorbehandlung eines großflächigen Bauteils unter Verwendung eines Plasmas zu schaffen, wobei das Bauteil mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Werkstoffen und Verbindungsmitteln aufgebaut ist, um die Haftung eines auf das Bauteil aufzubringenden Polymers, insbesondere in der Form eines Lackes und/oder von Dichtfugen, zu verbessern und gleichzeitig eine Kontamination der Umgebung durch Schleifstäube und/oder Lösungsmitteldämpfe zu verhindern.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Maßgabe des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die mindestens eine Plasmadüse in einem Abstand von bis zu 15 mm von der Fläche mit einer Vorschubgeschwindigkeit V_X von bis zu 50 m/min geführt wird, und die Fläche vor der Plasmabehandlung, insbesondere im Bereich der Verbindungsmittel mit Kohlendioxidschnee gestrahlt wird, um eine Aktivierung der Fläche zur Haftungsverbesserung zu erzielen, wird die Oberflächenenergie der Fläche durch die Anlagerung funktioneller Gruppen erhöht, wodurch die Haftung eines aufzubringenden Polymers, insbesondere eines Lackes und/oder einer Dichtfuge, erhöht wird. Bevorzugt wird ein Abstand zwischen 4 mm und 12 mm gewählt. Eine mechanisch-strukturelle Veränderung der Oberfläche, das heißt beispielsweise eine Erhöhung der haftungsrelevanten Oberfläche des Bauteils wie beim konventionellen Schleifprozess, erfolgt bei der Plasmabehandlung jedoch nicht. Durch die Bestrahlung der Fläche vor der Plasmabehandlung mit Kohlendioxidschnee können beschichtete Verbindungsmittel, die mit Aluminiumlegierungen und/oder mit Edelstahllegierungen gebildet sind, so vorbereitet werden, dass eine ausreichende Haftung für nachfolgende Lackierschritte erreicht wird. Die Verbindungsmittel können beispielsweise mittels Schwefelsäureanodisierung oder mit einer Polymer-Beschichtung versehen sein. Lediglich mit Schwefelsäure anodisierte Titanverbindungsmittel können, wie umfangreiche Versuche der Anmelderin ergaben, verfahrensgemäß weder durch das Strahlen mit Kohlendioxidschnee noch durch eine mehrmalige Plasmabehandlung soweit aktiviert werden, dass eine ausreichende Haftung von Lacken und/oder Dichtfugen erreichbar ist.
Dennoch wird bei der Aktivierung einer Oberfläche durch eine Plasmabehandlung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensparametern eine Haftstärke für aufzubringende Polymere erreicht, die mit einer durch einen konventionellen Schleifprozess erreichbaren Haftstärke vergleichbar oder im Einzelfall sogar höher ist. Im Vergleich zur konventionellen Schleifprozedur entfällt jedoch in Fällen geringer Kontamination die Notwendigkeit einer chemischen Vor- und Nachreinigung mit einem Lösungsmittel und es werden keinerlei Schleifstäube freigesetzt. Darüber hinaus ist die Lärmbelastung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zum konventionellen Schleifen deutlich geringer. Ferner sind keine Absaugvorrichtungen zur Reduzierung der Staubbelastung in den Arbeitsräumen notwendig. Die Haftungsverbesserung nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert – neben weiteren, jedoch subsidiären chemischen Effekten – im Wesentlichen auf Oxidationsprozessen sowie der Anlagerung von sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen an die Oberfläche der plasmabehandelten Fläche.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass mindestens ein Düsenkopf der mindestens einen Plasmadüse in einer Halterung mit einer Drehzahl von bis zu 3.600 l/min zusätzlich zur linearen Vorschubbewegung der Halterung rotiert.
Infolge der zusätzlich zur linearen Vorschubbewegung rotierenden Plasmadüse kann der quasi zeitgleiche Einwirkungsbereich des Plasmas auf die Fläche vergrößert und auch vergleichmäßigt werden. Zudem wird eine lückenlose Plasmabehandlung der Fläche ermöglicht. Demzufolge können größere Flächen, wie beispielsweise ein ganzes Seitenleitwerk für ein Flugzeug, in kürzester Zeit und mit hoher Qualität mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens im Hinblick auf die Haftungseigenschaften verbessert werden.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kommt bevorzugt eine Rotationsdüsenanlage vom Typ ”RD 1004” von der Fa. Plasmatreat^® zum Einsatz. Die Rotationsdüsenanlage umfasst mindestens eine Rotationsdüse, die drehbar in einer Halterung aufgenommen ist, sowie einen Plasmagenerator zur Versorgung der Rotationsdüse mit elektrischer Energie und Luft. Die Halterung wird zusammen mit der darin rotierend aufgenommenen Plasmadüse mittels einer Handhabungsvorrichtung, beispielsweise in der Form eines Knickarmroboters mit mindestens sechs Freiheitsgraden oder einer Portalvorrichtung in Relation zur Oberfläche automatisch positioniert und entlang von vordefinierten Bahnkurven verfahren. Alternativ kann die Plasmadüse auch an einem frei im Raum positionierbaren Portalroboter befestigt sein, wodurch sich insbesondere im Fall von großformatigen Bauteilen die Positioniergenauigkeit im Vergleich zu konventionellen Knickarmrobotern steigern lässt.
Die Plasmadüse wird bevorzugt in einem konstanten Abstand von 8 mm bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 20 m/min über die Fläche hinweg geführt. Hierbei rotiert die Düse mit einer Umdrehungszahl von 2.890 l/min. Die resultierende Bahnkurve hat die Form einer Zykloide. Eine Relativgeschwindigkeit zwischen der rotierenden Plasmadüse und der Oberfläche liegt zwischen 80 und 120 m/min, die Temperatur des Plasmastrahls bewegt sich in Abhängigkeit vom Abstand der Plasmadüse zur Oberfläche in einem Bereich zwischen 70°C und 1.000°C und die Austrittsgeschwindigkeit des Plasmastrahls liegt in einem Bereich zwischen 120 m/s und 300 m/s. Die hohe Temperatur des Plasmastrahls verdeutlicht, dass der erfindungsgemäße Abstand zwischen der Unterkante der Plasmadüse und der Bauteiloberfläche von vorzugweise 8 mm mit hoher Genauigkeit eingehalten werden muss, um eine lokale Überhitzung und eine hierdurch bedingte irreversible Beschädigung der Oberfläche zu vermeiden. Im Bereich des rotierenden Düsenkopfes kann ein Thermometer, insbesondere ein berührungslos arbeitendes Infrarotthermometer vorgesehen sein, um in Verbindung mit einem Regelkreis den Abstand zwischen der Plasmadüse und der zu behandelnden Flächen in einem Intervall von 6 mm bis 10 mm automatisiert nachzuregeln, so dass eine vorgegebene Oberflächengrenztemperatur von in der Regel 80°C nicht überschritten wird.
Die vorstehend genannten, detaillierten Verfahrensparameter gewährleisten eine effektive Plasmabehandlung selbst einer mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Materialien, Verbindungsmitteln und Dichtfugen gebildeten, stofflich höchst inhomogenen Fläche, beispielsweise eines Seitenleitwerks, eines Höhenleitwerks oder anderen aerodynamischen Wirkflächen (z. B. Landeklappen) eines Flugzeugs, ohne dass eine örtliche Materialschädigung beispielsweise infolge einer lokalen Überhitzung auftritt. Diese Verfahrensparameter gewährleisten gleichermaßen eine optimale Plasmabehandlung der Oberfläche, unabhängig vom jeweils lokal eingesetzten Material bzw. dem Vorhandensein von Verbindungsmitteln und/oder Dichtfugen.
Alternativ und/oder in Kombination mit der vorstehend beschriebenen rotierenden Plasmadüse zur Aktivierung der zu beschichtenden Flächen kann im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mindestens eine im Wesentlichen punktuell wirkende, das heißt nicht rotierende Plasmadüse, insbesondere zur Plasmabehandlung von Befestigungselementen, wie zum Beispiel Nieten, Schrauben oder Bolzen, zum Einsatz kommen. In dieser Konstellation verfügt die Plasmadüse über mindestens einen stillstehenden Düsenkopf mit einer angenähert kegelstumpfförmigen Geometrie. Der Begriff einer im Wesentlichen punktuell wirkenden Plasmadüse ist in diesem Kontext so zu verstehen, dass bei unbewegter Plasmadüse der Einwirkungsbereich in etwa die Form einer Kreisfläche mit einem Durchmesser von bis zu 20 mm hat, so dass der Einwirkungsbereich optimal zur Aktivierung von Befestigungselementen mit in der Regel kreisförmigen Köpfen ist.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Fläche bereits vor der Plasmabehandlung zumindest bereichsweise mit mindestens einer polymeren Beschichtung, insbesondere mit einem Füller, einem Grundierungslack, einem Antistatiklack, Antierosionslack, Decklack, Dekorlack, einer Dichtfuge oder mit einer beliebigen Kombination hiervon versehen wird.
Hierdurch wird im Rahmen der Vorfertigung unter anderem eine Versiegelung zum Schutz der zu lackierenden Fläche erreicht. Durch die Aufbringung des Antierosionslackes wird die Abriebfestigkeit der Fläche erhöht und der Auftrag des Antistatiklackes verhindert durch eine definierte Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit die Entstehung von statischen elektrischen Ladungen. Auch die innerhalb der Oberfläche erforderlichen polymeren Dichtfugen sind in der Regel bereits vor der Durchführung der eigentlichen Plasmabehandlung in Form von in Fugen befindlichen Dichtraupen aus einem polymeren Material angebracht. Darüber hinaus sind in der Fläche eine Vielzahl von Befestigungselementen, wie zum Beispiel Schrauben oder Nieten mit oder ohne Unterlegscheiben angeordnet. Im Allgemeinen sind auch die Verbindungsmittel innerhalb der zu lackierenden Fläche mit einer Beschichtung, beispielsweise mit einer Schwefelsäure-Anodisierung und/oder einer Polymer-Beschichtung (so genanntes ”High Coating”) versehen.
Eine weitere Fortbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Halterung mit dem Düsenkopf oberhalb der Fläche entlang von parallelen, geradlinigen Spuren geführt wird, wobei sich die Bewegungsrichtung der Plasmadüse jeweils an einem Spurende umkehrt und eine Drehrichtung des Düsenkopfes konstant bleibt.
Hierdurch ist eine mäandrierende, wegoptimierte und intensive Plasmabehandlung gewährleistet, die keine unbehandelten Stellen zurücklässt. Ein Abstand zwischen den Spuren liegt hierbei zwischen 1 cm und 2 cm, um durch eine ausreichende Überlappung eine lückenlose Plasmabehandlung der Oberfläche des Bauteils sicher zu stellen.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Fortbildung wird die Fläche mittels der rotierenden Plasmadüse mindestens einmal, bevorzugt dreimal bis fünfmal, überfahren.
Hierdurch kann die Aktivierung der Fläche und damit die erzielbaren Haftungswerte für die aufzubringende polymere Beschichtung gesteigert werden.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung des Verfahrens sieht vor, dass die Fläche vor der Plasmabehandlung zumindest einer Vorreinigung, insbesondere mit einem chemischen Lösungsmittel zur Entfernung von Verunreinigungen, unterzogen wird.
Bevorzugt erfolgt die Vorreinigung vollflächig mit Isopropanol (”High VOC”), um etwaig anhaftende Kontaminationen, wie zum Beispiel durch Öle, Fette, Fingerabdrücke oder Staubpartikel, zu entfernen und somit die notwendige Einwirkzeit des Plasmas zur Erzielung einer optimalen Oberflächenaktivierung zu verringern. Es können auch Lösungsmittel verwendet werden, die im Gegensatz zu den ”High VOC's” im Wesentlichen nur langsam flüchtige Bestandteile enthalten (so genannte ”Low VOC”(”Volatile Organic Compounds”)-Reiniger).
Optimale Aktivierungsergebnisse werden hinsichtlich der Verbindungsmittel bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 5 m/min bis 25 m/min erreicht. Die Reinigungswirkung beruht auf dem Zusammenwirken von drei Effekten. Zunächst tritt eine mechanische Reinigung durch den mechanischen Aufprall der Kohlendioxidpartikel auf der Oberfläche ein, dann werden Kontaminationen durch die Sublimation des Kohlendioxidschnees abgehoben und schließlich laufen chemische Löseprozesse ab.
Eine weitere vorteilhafte Fortbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Plasmabehandlung der Fläche unter Atmosphärendruck insbesondere mit Luft erfolgt.
Durch die Verwendung von Umgebungsluft vereinfacht sich der Verfahrensablauf erheblich, da die mittels des Plasmastrahls zu behandelnde Fläche nicht in ein geschlossenes Behältnis verbracht werden muss. Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit Sauerstoff, mit Halogenen oder Halogengemischen durchgeführt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die vorbehandelte Fläche innerhalb einer Offenzeit von bis zu 20 h, bevorzugt jedoch innerhalb einer Offenzeit von bis zu 2 h, mit mindestens einer polymeren Beschichtung versehen wird.
Die ”Offenzeit” bezeichnet den Zeitraum, über den hinweg eine ausreichende Aktivierung der plasmabehandelten Fläche besteht. Das erfindungsgemäße Verfahren weist im Vergleich zu konventionellen mechanischen Vorbehandlungsverfahren insbesondere den Vorteil auf, dass die Wirkung der Aktivierung der Fläche auch über längere Zeiträume (bis zu etwa 96 h) aufrecht erhalten bleibt, so dass eine Endlackierung bzw. Beschichtung der zu lackierenden plasmabehandelten Fläche in diesem weiten Zeitrahmen erfolgen kann.
Hierdurch wird eine flexiblere Anpassung des Lackierprozesses an zur Verfügung stehende Arbeitsressourcen möglich. In der Regel werden jedoch andere Prozessparameter gegen eine Ausnutzung dieses Zeitfensters sprechen, so dass die Endlackierung der vorbehandelten Fläche in der Regel in einem Zeitfenster von bis zu 2 h vollzogen wird. Der Auftrag der polymeren Beschichtungen erfolgt in herkömmlicher Weise mit einer Spritzpistole und/oder mit Rolle und Pinsel. Alternativ können beispielsweise auch elektrostatische Verfahren Anwendung finden.
Der Begriff der polymeren Beschichtung ist im Kontext dieser Anmeldung weit auszulegen und umfasst insbesondere lösungsmittelhaltige Einkomponenten-Lacksysteme, Zwei- und Mehrkomponenten-Lacksysteme mit einer Härter-, einer Harzkomponente und weiteren optionalen Bestandteilen sowie fakultativ auch Klebefolien bzw. Selbstklebefolien zur Oberflächenbeschichtung. Die Dichtfugen werden bevorzugt mit einem Polysulfid auf einer Zweikomponenten-Basis hergestellt. Bei den polymeren Beschichtungen handelt es sich bevorzugt um die bereits oben exemplarisch aufgezählten üblichen Beschichtungen, die im Bereich von Flugzeug-Seitenleitwerken nach heutigem Stand der Technik zur Anwendung kommen.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die polymere Beschichtung bevorzugt unmittelbar nach dem Öffnen eines betreffenden Gebindes in einem möglichst niedrigviskosen Zustand auf die vorbehandelte Fläche aufgetragen wird.
Unbeschadet der Tatsache, dass die Plasmabehandlung einer Oberfläche nicht zu einer – zum Beispiel mit einem Rasterelektronenmikroskop unmittelbar nachweisbaren – Modifikation der Oberflächenstruktur des Bauteils führt, erhöht sich dennoch die effektive, das heilt die adhäsiv ”wirksame” Fläche des Materials durch die Anlagerung von Molekülgruppen bzw. funktionellen Gruppen.
Um eine optimale Lackqualität der Lackierung bzw. Beschichtung zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass die polymere Beschichtung in einem möglichst niedrigviskosen Zustand aufgebracht wird (”frühe” Topfzeit), um eine effektive Glättung der Lackoberfläche durch das Verlaufen des Lackes zu erzielen.
In der Zeichnung zeigt:
1 Eine schematische Querschnittsdarstellung der zur Durchführung des Verfahrens benutzten Plasmadüse,
2 eine schematische Darstellung eines Flugzeug-Seitenleitwerks,
3 ein stark vereinfachtes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 ein Diagramm mit durch verschiedene Verfahrensparameter auf einer mit einem Epoxidharz-Primer beschichteten Fläche erzeugten Oberflächenenergien, und
5 eine vereinfachte Darstellung von Haftfestigkeiten auf verfahrensgemäß behandelten Flächen im Vergleich zu konventionell bearbeiteten (geschliffenen) Flächen.
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt eingesetzte rotierende Plasmaanlage mit der Typenbezeichnung RD 1004 von der Fa. Plasmatreat^® nach Maßgabe der europäischen Patentschrift EP 1 067 829 B1 , die im Gegensatz zu Vakuumplasmaanlagen mit normaler Luft unter Umgebungsluftdruck arbeitet (so genannte Umgebungsdruck-Luftplasma-Anlage, ”APAP”-Anlage (Atmospheric-Pressure-Air-Plasma-Aparatus)”.
Eine Plasmaanlage 1 umfasst unter anderem eine Plasmadüse 2 mit einer Halterung 3, in der ein im Wesentlichen hohlzylindrischer Düsenkopf 4 mit einer geneigten Austrittsöffnung 5 für den Austritt eines keulenförmigen Plasmastrahls 6 um eine Längsachse 7 drehbar aufgenommen ist. Der Düsenkopf 4 verfügt unterseitig über einen verjüngten Abschnitt 8, in dem die Austrittsöffnung 5 eingebracht ist, die die eigentliche Düse für den Plasmastrahl 6 darstellt. Die Austrittsöffnung 5 weist einen Durchmesser von etwa 4 mm auf. Der verjüngte Abschnitt 8 weist einen Durchmesser 9 von etwa 20 mm auf, während ein Abstand 10 zwischen der Längsachse 7 und einer imaginären Plasmastrahlachse 11 an der Austrittsöffnung 5 bei ungefähr 6 mm liegt. Unterhalb der Plasmadüse 2 befindet sich eine Fläche 12 eines mittels der Plasmadüse 2 zu aktivierenden Bauteils 13.
Aufgrund umfangreicher Untersuchungen der Anmelderin hat sich ergeben, dass für optimale Aktivierungsergebnisse der Oberfläche 12, insbesondere im Hinblick auf die im Seitenleitwerk vorhandene komplexe Materialkombination, ein Abstand 14 zwischen der Plasmadüse 1 und der Fläche 12 des Bauteils 13 von 8 mm eingehalten werden sollte. Aufgrund des rotierenden Düsenkopfes 4 ergibt sich im Bereich der Fläche 12 des Bauteils 13 bei ruhender Düse, das heißt bei einer Verfahrgeschwindigkeit V_X der Plasmadüse 2 von 0 m/min zunächst ein kreisförmiger Einwirkungsbereich 15 des Plasmastrahls 6 mit einem Radius 16. Wird die Plasmadüse 1 jedoch in Richtung des weißen Pfeils 17 mit der Vorschubgeschwindigkeit bzw. Verfahrgeschwindigkeit V_X bewegt, ergibt sich als eine resultierende Bahnkurve des Plasmastrahls 6 eine so genannte Zykloide, die eine lückenlose Plasmabehandlung der Fläche 12 gewährleistet. Aufgrund der durchgeführten Versuche hat sich ferner herausgestellt, dass für die Umdrehungszahl des rotierenden Düsenkopfes 4 ein Wert von 2.890 Umdrehungen/min bei einer horizontalen Vorschubgeschwindigkeit V_X von 20 m pro Minute gewählt werden muss, woraus sich zwischen dem rotierenden Düsenkopf 4 und der Fläche 12 eine resultierende Relativgeschwindigkeit von etwa 80 bis 120 m pro Minute ergibt. Der Abstand 14 von bevorzugt 8 mm und die Geschwindigkeit V_X von 20 m pro Minute sollte über den gesamten Behandlungszeitraum der Oberfläche 12 hinweg konstant gehalten werden, um optimale Aktivierungsergebnisse zu erreichen und zugleich eine thermische Beschädigung der Oberfläche zu verhindern, die zur Entstehung von haftungsverminderndem ”Molekular-Schutt” führen würde. Zur Erzielung optimaler Haftungsergebnisse für aufzubringende polymere Beschichtungen sollte die Fläche 12 zumindest einer einmaligen, bevorzugt einer drei- bis fünfmaligen Plasmabehandlung mit den vorstehend erwähnten Verfahrensparametern unterzogen werden.
Eine nicht mit einer Bezugsziffer versehene vertikale Vorschubgeschwindigkeit V_Y, deren Geschwindigkeitsvektor senkrecht in die Zeichenebene der 1 hinein verläuft, ist in der Regel Null, denn der rotierende Düsenkopf der Plasmadüse 2 wird entlang von parallelen, geradlinigen Spuren mit der Geschwindigkeit V_X verfahren und erst in den Endpunkten der Spuren erfolgt das Verfahren der Plasmadüse in y-Richtung mit der Geschwindigkeit V_Y, wobei sich die Bewegungsrichtung der Plasmadüse 2 umkehrt und sich ein mäanderförmiger Bahnverlauf ergibt, sodass die Fläche 12 lückenlos abgefahren werden kann. Ein (Spur-)Abstand zwischen den parallelen Bahnspuren des Düsenkopfes liegt bei etwa 20 mm, um im Zusammenhang mit der erläuterten Düsengeometrie eine optimale Einwirkung des Plasmastrahls 6 auf die Fläche 12 zu erreichen. Abweichend von dem erläuterten mäandrierenden Bahnmuster können mittels der Plasmadüse 2 und einer geeigneten, frei im Raum positionierbaren Handhabungsvorrichtung beliebige Bahnkurven abgefahren werden.
Darüber hinaus verfügt die Plasmaanlage 1 über einen elektrischen (Hochfrequenz)-Generator 18, der mit einer im Inneren des Düsenkopfes 4 angeordneten Elektrode 19 und mit der Halterung 3 für den Düsenkopf 4 elektrisch verbunden ist, sowie über eine nicht näher dargestellte Luftzuführungseinheit, mittels der ein zu ionisierender Luftstrom 20 in die Halterung 3 bzw. den Düsenkopf 4 injiziert wird. Die Spannung an der Elektrode 19 liegt in einem Bereich zwischen 5 bis 15 kV, woraus sich eine Plasmaleistung zwischen 0,5 und 1,0 kW ergibt. Der in die Plasmadüse 2 eingespeiste Luftstrom beläuft sich auf etwa 900 bis 2.000 l/h, eine Plasmastrahlgeschwindigkeit liegt bei etwa 120 bis 300 m/s, wobei sich eine statische Gastemperatur im Plasmastrahl 6 an der Austrittsöffnung 5 zwischen 70°C und 1.000°C ergibt. Hinsichtlich der weiteren technischen Einzelheiten sei auf die genannte europäische Patentschrift sowie die Dokumentationen der Fa. Plasmatreat^® verwiesen. Im Bereich der Plasmadüse 2 können Vorrichtungen zur Absaugung von Ozon vorgesehen sein.
Darüber hinaus verfügt die Plasmaanlage 1 im Allgemeinen über eine nicht dargestellte Handhabungsvorrichtung, beispielsweise in der Gestalt eines Standard-Knickarmroboters mit mindestens 6 Freiheitsgraden, mit der die Plasmadüse 1 in Relation zum Bauteil 13 kontrolliert von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung frei im Raum positionier- und verfahrbar ist. Alternativ kann, insbesondere bei einem großformatigen Bauteil 13, als Handhabungsvorrichtung eine Portalanordnung zum Einsatz kommen. Mittels der Handhabungsvorrichtung lassen sich die erfindungsgemäßen Verfahrensparameter mit hoher Genauigkeit einhalten und sicher reproduzieren.
Insbesondere zur Aktivierung von Verbindungselementen, wie beispielsweise Nieten, Schrauben oder Bolzen hat sich eine punktuell wirkende Plasmadüse als geeignet erwiesen. Der Begriff der punktuell wirkenden Plasmadüse definiert in diesem Zusammenhang bei in Relation zur Fläche stillstehender Düse einen in etwa kreisförmigen Einwirkungsbereich mit einem Durchmesser von bis zu 10 mm auf der zu aktivierenden Fläche. Eine im Wesentlichen punktuell wirkende Plasmadüse erzielt zwar im Vergleich zur vorstehend beschriebenen rotierenden Plasmadüse eine unvollständigere Abdeckung des zu aktivierenden Flächenbereichs, kann in dem behandelten Flächenbereich jedoch eine höhere Aktivierungsenergie erzeugen, was insbesondere bei Verbindungsmitteln – die eine im Vergleich zum restlichen Seitenleitwerk – vergleichsweise kleine Fläche aufweisen – von Vorteil ist. Geeignet zum Einsatz im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist beispielsweise die im Wesentlichen punktförmig wirkende Plasmadüse ”Plasma-Blaster MEF^®” mit der bei einem Abstand zu der zu aktivierenden Fläche zwischen 3 mm und 25 mm und bei einer Relativgeschwindigkeit der Düse in Relation zur Fläche von bis zu 300 m/min eine Behandlungsbreite von etwa 10 mm erreicht wird. Hierbei beträgt die statische Gastemperatur im Plasmastrahl im Bereich der Austrittsöffnung höchstens 300°C. Zur Aktivierung einer größeren Anzahl von Befestigungselementen kann eine Vielzahl von im Wesentlichen punktuell wirkenden Plasmadüsen beispielsweise matrixförmig angeordnet sein.
Die 2 illustriert in einer schematisierten Seitenansicht den Aufbau eines Flugzeugseitenleitwerks.
Ein vorgefertigtes Seitenleitwerk 21 (so genanntes ”SLW”) umfasst bereits einen Bereich 22, der mit einem Antistatiklack beschichtet ist und einen daran anschließenden Bereich 23, der mit einem Vorlack bzw. einem Fülllack zur Porenfüllung, einem Haftlack und/oder einem Grundierungslack versehen ist. Dieser Vorlack (so genannter ”Primer” bzw. ”Basic-Primer”) kann teilweise und/oder vollständig die Funktionen eines Fülllackes, eines Haftlackes (Haftvermittlung) sowie die eines Grundierungslackes erfüllen.
Ein Bereich 24 des Seitenleitwerks 21 ist mit einem Antierosionslack versehen und ein Bereich 25 ist zumindest teilweise metallischer Natur und beispielsweise mit einem Blech aus einem Aluminiumlegierungsmaterial, aus einem Edelstahllegierungsmaterial und/oder einem Titanlegierungsmaterial gebildet. Die metallischen Bereiche sind in der Regel gleichfalls mit einer funktionellen Oberflächenbeschichtung versehen. In der Regel sind vorgefertigte Aluminiumlegierungsbleche einer Vorbehandlung durch Chromsäureanodisierung (”CAS-Verfahren”) und einer nachfolgenden Beschichtung mit einem Vorlack bzw. Primer unterzogen worden.
Darüber hinaus verfügt das Seitenleitwerk 21 über eine Vielzahl weiterer funktioneller Gruppen, zum Beispiel eine Vielzahl von in der Regel metallischen Verbindungselementen bzw. Verbindungsmitteln 26, die in der Regel gleichfalls mit einem wie oben genannten metallischen Material gebildet sind. Bei den Verbindungsmitteln handelt es sich in der Regel um Niete, Bolzen oder Schrauben, die teilweise integral mit Unterlegscheiben, Fächerscheiben oder Federringen kombiniert sind und die in der Regel – in Abhängigkeit vom Material und/oder vom Verwendungszweck eine Konversionsschicht, wie zum Beispiel eine Chromsäureanodisierung, eine Schwefelsäureanodisierung oder eine polymere Beschichtung (so genanntes ”High Coat”) aufweisen. Schließlich weist das Seitenleitwerk 21 eine Vielzahl von Dichtfugen 27 auf, die in der Regel mit elastischen, polysulfidbasierten Kunststoffmaterialien gebildet sind.
Antistatiklacke, Fülllacke, Grundierungslacke, Haftlacke (Haftvermittler), Antierosionslacke, Decklacke (”top coat”) sowie Dekorlacke werden im Kontext der vorliegenden Anmeldung gleichermaßen für sich oder in Kombination von mindestens zwei dieser Lacke als eine (komplexe) polymere Beschichtung (Lagen- bzw. Schichtaufbau der polymeren Beschichtung) aufgefasst. Darüber hinaus können auch selbstklebend ausgerüstete Folien als eine mögliche polymere Beschichtung des Seitenleitwerks 21 zum Einsatz kommen. Der Korpus bzw. der ”nackte”, gänzlich unbeschichtete Grundkörper des Seitenleitwerks 21 ist im Wesentlichen mit kohlefaserverstärkten Epoxidharzen und zumindest bereichsweise mit Aluminium-, Edelstahl- und Titanblechen gebildet. Flächenbereiche des Seitenleitwerks 21, die mit Aluminiumlegierungsblechen gebildet sind, werden zum Beispiel vorfertigungsseitig in der Regel einer Chromsäureanodisierung unterzogen und anschließend mit einem Basis-Primer (s. g. ”Innengrundanstrich”) behandelt, der in einem weiteren, gegebenenfalls anderweitig stattfindenden Lackierschritt mit einem anderen Primer (s. g. ”Außengrundanstrich”) versehen wird.
Unterhalb des Antistatiklackes, des Vorlackes und des Antierosionslackes befindet sich im Vorfertigungszustand des Seitenleitwerks 21 in der Regel eine Vielzahl weiterer polymerer Beschichtungen, so dass die polymere Beschichtung des Seitenleitwerks 21 in seiner Gesamtheit einen äußerst komplexen, bereichsweise mit einer im Allgemeinen unterschiedlichen Anzahl von unterschiedlichen Lackarten bzw. polymeren Schichten aufgebauten Lack- und Dichtfugenaufbau darstellt.

Eine exemplarische Zusammenstellung von am Seitenleitwerk 21 verwendbaren Lacken bzw. Lacksystemen, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens einer Plasmabehandlung unterzogen wurden, sind in der nachfolgend dargestellten Tabelle aufgeführt:

Lacksysteme bzw. polymere Beschichtungen
Art	Kurzbez.	Art	Herst.	Herstellerbezeichnung
”Innengrundanstrich”	P	Vorlack (Primer, Voranstrich, Grundierungslack, Haftlack, Fülllack)	Mankiewicz^®	Alexit^® 343-21 (PUR) o. Alexit^® 313-02 (EP)
”Innengrundanstrich”	PS'	Vorlack (Primer, Voranstrich, Grundierungslack, Haftlack, Fülllack)	Mankiewicz^®	Seevenax^® 113-82
”Außengrundanstrich”	PS''	Vorlack (Primer, Voranstrich, Grundierungslack, Haftlack, Fülllack)	Aviox^®	Aviox^® CF Primer
”Außengrundanstrich”	PS'''	Vorlack (Primer, Voranstrich, Grundierungslack, Haftlack, Fülllack)	PPG^®	PPG CS Primer
”Innen-Anstrich”	0986	Antistatiklack (Funktionslack)	PPG^®	0986/2620
”Innen-Anstrich”	Celoflex^®	Antierosionslack (Funktionslack)	PPG^®	Celoflex^® 95
”Außen-Anstrich”	Alexit D	Decklack bzw. ”Top Coat”	Mankiewicz^®	Alexit^® 406-82
	Aviox	Decklack bzw. ”Top Coat”	Aviox^®	Aviox^® Decklack
	PPG	Decklack bzw. ”Top Coat”	PPG^®	PPG^® Decklack

Hieraus wurden beispielsweise Flächen (Substrate) mit den folgenden Beschichtungskombinationen gebildet und anschließend nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Plasmaverfahrens behandelt:

• Aviox^® CF Primer [PPG^® CA Primer] + Aviox^® Decklack [PPG^® Decklack] + P
• Aviox^® CF Primer [PPG^® CA Primer] + Aviox^® Decklack [PPG^® Decklack] + P + 0986
• Aviox^® CF Primer [PPG^® CA Primer] + Aviox^® Decklack [PPG^® Decklack] + 0986 + Celoflex^® 95
• Aviox^® CF Primer [PPG^® CA Primer] + Aviox^® Decklack [PPG^® Decklack] + PS + Alexit^® D

Diese Beschichtungskombinationen sind zum Teil noch mit einem so genannten ”Standardschmutz” bzw. mit ”Standardfingerabdrücken” versehen worden, um die Reinigungswirkung der Plasmabehandlung im Vergleich zu einem normalen Vorreinigungsprozess (Waschen) mit einem chemischen Lösungsmittel, wie zum Beispiel Isopropanol, zu untersuchen. In der Regel sind alle Beschichtungen für die Untersuchungen einer künstlichen Alterung von einem Jahr unterzogen worden.
Die Substrate wurden der erfindungsgemäßen Plasmabehandlung unterzogen, wobei jeweils die Verfahrensparameter zur Ermittlung des Optimums variiert wurden.
Abschließend erfolgt beispielsweise eine Beschichtung mit einem Vorlack (z. B. CF-Primer 37124 AKZO) oder einem Decklack (z. B. Top Coat Aviox^® 77702), um die infolge der Plasmavorbehandlung erreichten mechanischen Haftfestigkeiten zu ermitteln (vgl. insb. 5). Grundsätzlich können am Seitenleitwerk 21, insbesondere in Bereichen, die mit unterschiedlichen Basismaterialien, wie zum Beispiel Aluminiumlegierungsblechen oder CFK-Bereichen, eine Vielzahl von unterschiedlichen polymeren Beschichtungen zum Einsatz kommen, die wiederum mit einer Vielzahl von übereinander liegenden polymeren (Zwischen-)Schichten aufgebaut sind. Rein metallische Abschnitte des Seitenleitwerks 21 können bereits herstellerseitig mit einer ”CAA”-Beschichtung (so genannte ”Chromatic Acid Anodisation”) vorbeschichtet werden, auf die dann wiederum die vorstehend aufgeführten polymeren Beschichtungen allein oder in einer beliebigen Kombination von mindestens zwei Bestandteilen aufgebracht sein können.
Zur Herstellung der Dichtfugen 27 im Bereich des Seitenleitwerks 21 ist beispielsweise eine Dichtmasse mit der Typenbezeichnung ”PR 1782” der Fa. PPG sowie eine Dichtmasse ”MC 780” der Firma Chemetall geeignet.
Als Verbindungs- bzw. Befestigungsmittel kommen zum Beispiel ”Hi-Lok DAN 8 Titan VE”-Elemente zum Einsatz.
Ferner kommen am Seitenleitwerk 21 in aller Regel eine Vielzahl von Aluminium-Vollnieten gemäß DIN 65399-32, ”NAS1102E3-L Scheibe-/Schraubenkombinationen” sowie ”DAN 169 E3 Scheibe-/Schraubenkombinationen” als Verbindungsmittel 26 bzw. Verbindungselemente zur Anwendung.
Durch das in 2 nicht dargestellte Strahlen des Seitenleitwerks 21 mit Kohlendioxidschnee können die Verbindungsmittel 26 derart konditioniert werden, dass eine nachfolgende Aktivierung mittels der verfahrensgemäßen Plasmabehandlung möglich ist. Die Plasmabehandlung erfolgt hierbei dadurch, dass die Plasmadüse 2 entlang der in 2 gestrichelt angedeuteten, mäandrierenden Spur unter Einhaltung der genannten Verfahrensparameter über die Oberfläche des gesamten Seitenleitwerks 21 geführt wird.
Lediglich im Fall von Verbindungsmitteln, die mit einer Titanlegierung gebildet sind und die einer Schwefelsäureanodisierung unterzogen wurden, lassen sich diese auch nach dem Strahlen mit Kohlendioxidschnee nicht durch eine Plasmabehandlung zur Haftungsverbesserung aktivieren. Mit einer polymeren Beschichtung versehene Verbindungselemente aus Metalllegierungen lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch ohne weiteres zur Haftungsverbesserung aktivieren. Mithin ist der Verfahrensschritt in Form des Abstrahlens mit CO₂-Schnee nur erforderlich, wenn Verbindungsmittel aus einer Aluminiumlegierung und/oder aus einer Edelstahllegierung mittels der verfahrensgemäßen Plasmabehandlung zur Haftungsverbesserung aktiviert werden sollen.
In der 3 ist ein stark vereinfachter, prinzipieller Verfahrensablauf dargestellt. Zunächst erfolgt im ersten Verfahrensschritt a) eine fakultative Vorreinigung des Seitenleitwerks 21, die zum Beispiel durch das Waschen mit Isopropanol-Alkohol erfolgen kann.
Anschließend wird in einem ersten Abfrageschritt b) geprüft, ob in dem mit einem Polymer zu beschichtenden Bereich Verbindungsmittel vorhanden sind. Ist dies der Fall, wird in einem Zwischenschritt c) zumindest der betreffende Bereich mit CO₂-Schnee gestrahlt, anschließend kann in einem optionalen Zwischenschritt c') eine Plasmabehandlung mit mindestens einer punktuell wirkenden Plasmadüse erfolgen. Nach der punktuellen Plasmabehandlung der Verbindungselemente können die übrigen Flächen des Seitenleitwerks 21 im Verfahrensschritt d) mittels der Rotationsplasmadüse aktiviert werden. Hierbei ist es möglich, im anschließenden Verfahrensschritt d) die bereits mittels der punktuellen Plasmadüse behandelten Befestigungsmittel zusätzlich der erfindungsgemäßen Plasmabehandlung mittels der rotierenden Plasmadüse zu unterziehen. Der Verfahrensschritt d) wird nach dem Durchlaufen eines weiteren Abfrageschrittes e) mindestens dreimal, bevorzugt jedoch mindestens fünfmal wiederholt, um eine ausreichende Aktivierung und eine hiermit verbundene optimale Haftung der aufzubringenden polymeren Beschichtung zu erreichen. Im Verfahrensschritt f) erfolgt schließlich der Auftrag der polymeren Beschichtung, bei der es sich zum Beispiel um mindestens einen Lack bzw. mindestens ein Lacksystem nach Maßgabe der weiter oben aufgeführten Tabelle handelt. Das Auftragen des Lackes kann mittels konventioneller Verfahren, zum Beispiel mit einer Spritzpistole, einem Pinsel oder einer Rolle erfolgen. Alternativ können auch elektrostatische Verfahren oder Tauchverfahren zum Lackauftrag eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die polymere Beschichtung, insbesondere in Bereichen, die nur gering gekrümmt sind, durch das zumindest bereichsweise Aufbringen von Folien und/oder selbstklebend ausgerüsteten Folien gebildet werden. Die Folien können mit einem polymeren und/oder mit einem metallischen Material gebildet sein, das gegebenenfalls zumindest bereichsweise mit einer Faserarmierung versehen ist.
Im letzten Verfahrensschritt g) erfolgt die Trocknung der Lackierung auf dem Seitenleitwerk 21 mittels bekannter Verfahren. Die Trocknung kann beispielsweise in beheizten bzw. entsprechend temperierten Hallen mit großflächigen Infrarotstrahlern, Heißluftgebläsen, im Fall von leitfähigen Substraten induktiv oder durch eine beliebige Kombination der genannten Maßnahmen erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt erstmals eine Aktivierung des aus einem komplexen Materialmix zusammengesetzten Seitenleitwerks 21 mittels einer Plasmaaktivierung mit einheitlichen Verfahrensparametern.
Die 4 zeigt eine Grafik mit Oberflächenenergien, die durch die verfahrensgemäße Behandlung eines beispielhaft mit einem Epoxid harz-Primer behandelten Bauteils erreichbar sind. Die Oberflächenenergie, die ein Indiz für eine erreichbare mechanische Haftung einer polymeren Beschichtung auf der behandelten Oberfläche des Bauteils ist, setzt sich aus einem polaren und einem dispersen Anteil zusammen. Der polare Anteil umfasst die Dipol-Dipol-Wechselwirkung, die Wechselwirkung durch Wassserstoffbrückenbindungen sowie die Lewis Säure-Base-Wechselwirkung, während der disperse Anteil vor allem von der Van-der-Waals-Wechselwirkung hervorgerufen wird. Der besseren zeichnerischen Übersicht halber sind in der Grafik die polaren und die dispersen Anteile zusammengefasst.
Die Säule a) im Diagramm in der 4 zeigt die mittels des Verfahrens erreichbare Oberflächenenergie auf einer mit einem Epoxidharz-Primer (vgl. Tabelle weiter oben, ”Alexit 313-02” (Epoxidharzbasis)) behandelten Fläche mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 20 m/min und einem Düsenabstand von 8 mm und einem einmaligen Verfahrensdurchlauf, während die Säule b) die erzielte Oberflächenenergie bei einer Vorschubgeschwindigkeit V_X von 20 m/min, 8 mm Düsenabstand und drei Verfahrensdurchläufen zeigt. Die Säule c) repräsentiert die erreichbare Oberflächenenergie bei einer Vorschub- bzw. Verfahrgeschwindigkeit von 10 m/min bei ansonsten unveränderten Verfahrensparametern. Zum Vergleich illustriert die Säule d) die Oberflächenenergie, die mit einer Oberflächenbehandlung durch Behandeln mit einem bisher zur Vorbehandlung eingesetzten Schleifmittel von Scotch^® erreicht wird. Aus dem Diagramm ist zu erkennen, dass eine Erhöhung der Anzahl der Verfahrensdurchläufe (vgl. Säulen b) u. c)) einen größeren Einfluss auf die erreichbare Oberflächenenergie hat als eine Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit (vgl. Säule c)). Ein Vergleich der erreichten Oberflächenenergien der Säulen a)–c) mit der Schleifbehandlung der Säule d) zeigt, dass mittels der verfahrensgemäßen Plasmabehandlung im Vergleich zur konventionellen Schleifbehandlung eine vergleichbare, wenn nicht sogar höhere Haftung für eine aufzubringende polymere Beschichtung erreichbar ist.
Eine Messung der effektiven mechanischen Haftfestigkeit einer polymeren Beschichtung auf einer Oberfläche bzw. Fläche eines Bauteils kann zum Beispiel durch einen Gitterschnitt gemäß ISO 2409 erfolgen. Alternativ kann die Haftfestigkeit auch durch einen Stirnabzug gemessen werden. Diese Messung erfolgt durch das Aufkleben eines Stempels auf die polymere Beschichtung, deren Haftfestigkeit ermittelt werden soll und anschließendes Abziehen des Stempels bis zur Ablösung mittels einer Zugprüfmaschine gemäß DIN 53 232 bzw. DIN ISO 4624.
Die 5 illustriert eine vereinfachte Darstellung von Haftfestigkeiten auf vier verfahrensgemäß aktivierten Flächen im Vergleich zu vier identischen, jedoch konventionell bearbeiteten bzw. vorbehandelten, das heißt geschliffenen und mit Isopropanol gewaschenen Flächen.
Die Messungen der Haftfestigkeit wurden mit der Stirnabzugsmethode und der Gitterschnittmethode in einer Vielzahl von Messreihen durchgeführt. Die jeweils mit unterschiedlichen Verfahren aktivierten Flächen i) bis iv) weisen als oberste (letzte) haftungsrelevante Schicht einen PUR-Primer (i), einen Epoxidharz-Primer (ii), einen Antistatiklack (iii) sowie einen Antierosionslack (iv) auf (vgl. hierzu die Tabelle weiter oben).
Die derart aktivierten Flächen i) bis iii) wurden mit einem Primer (Typbezeichnung ”CF-Primer 37124 AKZO”) und die Fläche iv) wurde mit dem Decklack (”Top Coat”, Typbezeichnung ”Topcoat Aviox 77702”) beschichtet, um die Haftfestigkeit dieser beiden polymeren Schichten auf den vorab verfahrensgemäß aktivierten Untergründen zu ermitteln. Die linken vier Säulen zeigen die nach der erfindungsgemäßen Plasmabehandlung gemessenen Haftfestigkeiten auf den vier Untergründen i) bis iv), während die rechten vier Säulen die gemessenen Haftfestigkeiten auf denselben, jedoch geschliffenen Untergründen i) bis iv) darstellen. Die verfahrensgemäße Behandlung erfolgte in allen Fällen mit der Plasmarotationsdüse mit den Verfahrensparametern 20 m/min, 8 mm Düsenabstand, 20 mm Spurabstand bei dreimaliger Wiederholung. Vor und nach dem Schleifprozess (Scotch^®) erfolgte im Fall der herkömmlichen Behandlung jeweils eine Reinigung mit Isopropanol, während im Fall der erfindungsgemäßen Plasmabehandlung lediglich eine Vorreinigung mit Isopropanol vor dem Aktiveren mittels der Rotationsplasmadüse erfolgte.
Ferner haben umfangreiche Untersuchungen der Anmelderin ergeben, dass das Alter der polymeren Beschichtungen für die Wirksamkeit der Plasmaaktivierung keine wesentliche Rolle spielt. Diesem Umstand kommt insbesondere dann Bedeutung zu, wenn anderweitig vorgefertigte Bauteile, die bereits mit einem Voranstrich bzw. Primer und/oder mit einem Antierosions- und/oder Antistatiklack versehen sind, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zeitversetzt vorbehandelt werden sollen.
Das Diagramm nach 5 zeigt, dass insbesondere die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielbaren Haftfestigkeiten angenähert unabhängig vom Untergrund sind und die durch herkömmliches Schleifen bewirkten Haftfestigkeiten zumindest erreichen, wenn nicht sogar im Einzelfall übertreffen.
Bezugszeichenliste

1: Plasmaanlage
2: Plasmadüse
3: Halterung
4: Düsenkopf (rotierend)
5: Austrittsöffnung
6: Plasmastrahl
7: Längsachse
8: Abschnitt (Düsenkopf)
9: Durchmesser
10: Abstand (Exzentrizität der Austrittsöffnung)
11: Plasmastrahlachse
12: Fläche
13: Bauteil
14: Abstand (Plasmadüse/Fläche Bauteil)
15: Einwirkungsbereich (Plasmastrahl)
16: Radius (Einwirkungsbereich)
17: Pfeil (Geschwindigkeit V_X)
18: Generator
19: Elektrode
20: Luftstrom
21: Seitenleitwerk
22: Bereich (Antistatiklack)
23: Bereich (Vorlack (Fülllack, Haftlack, Grundierungslack))
24: Bereich (Antierosionslack)
25: Bereich (Metallblech)
26: Verbindungsmittel bzw. -element (Niet/Bolzen)
27: Dichtfuge

Claims

Verfahren zur Plasmabehandlung und Lackierung einer Fläche (12), insbesondere eines Seitenleitwerks (21) eines Flugzeugs, mit mindestens einer Plasmadüse (2), wobei die Fläche (12) mit einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien, insbesondere mit kohlefaserverstärkten und/oder metallischen Werkstoffen, gebildet ist und eine Vielzahl von Verbindungsmitteln (26) und/oder Dichtfugen (27) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Plasmadüse (2) in einem Abstand (14) von bis zu 15 mm von der Fläche (12) mit einer Vorschubgeschwindigkeit V_X von bis zu 50 m/min geführt wird, und die Fläche (12) vor der Plasmabehandlung im Bereich der Verbindungsmittel (26) mit Kohlendioxidschnee gestrahlt wird, um eine Aktivierung der Fläche (12) zur Haftungsverbesserung zu erzielen.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Düsenkopf (4) der mindestens einen Plasmadüse (2) in einer Halterung (3) mit einer Drehzahl von bis zu 3.600 l/min rotiert.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (12) vor der Plasmabehandlung teilweise mit mindestens einer polymeren Beschichtung versehen ist.
Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine polymere Beschichtung insbesondere ein Fülllack, ein Grundierungslack, ein Antistatiklack, ein Antierosionslack, ein Decklack, ein Dekorlack und/oder eine Dichtfuge ist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (3) mit dem Düsenkopf (4) oberhalb der Fläche (12) entlang von parallelen, geradlinigen Spuren geführt wird, wobei sich eine Bewegungsrichtung der Plasmadüse (2) jeweils an einem Spurende umkehrt und eine Drehrichtung des Düsenkopfes konstant bleibt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung der Fläche (12) mindestens einmal, vorzugsweise dreimal bis fünfmal, wiederholt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (12) vor der Plasmabehandlung zumindest einer zumindest bereichsweisen Vorreinigung, insbesondere mit einem chemischen Lösungsmittel zur Entfernung von Verunreinigungen, unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung unter Atmosphärendruck insbesondere mit Luft erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbehandelte Fläche (12) innerhalb einer Offenzeit von bis zu 20 h, bevorzugt innerhalb einer Offenzeit von bis zu 2 h, mit der mindestens einen polymeren Beschichtung versehen wird.
Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine nachträglich aufgebrachte polymere Beschichtung insbesondere ein Fülllack, ein Grundierungslack, ein Antistatiklack, ein Antierosionslack, ein Decklack, ein Dekorlack und/oder eine Dichtfuge ist.
Verfahren nach Patentanspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Beschichtung bevorzugt unmittelbar nach dem Öffnen eines Gebindes in einem möglichst niedrigviskosen Zustand aufgebracht wird.