DE19532105C2

DE19532105C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von dreidimensionalen Werkstücken mit einer direkten Barrierenentladung sowie Verfahren zur Herstellung einer mit einer Barriere versehenen Elektrode für diese Barrierenentladung

Info

Publication number: DE19532105C2
Application number: DE19532105A
Authority: DE
Inventors: Klaus Pochner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: DE19532105A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Behandlung von dreidimensionalen Werkstücken mit einer direkten Barrierenentladung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer elektrisch isolierenden Barriere versehenen Elektrode für eine direkte Barrierenentladung, mit der ein Werkstück behandelt werden soll.

Die Erfindung findet in allen Gebieten der Technik Anwendung, in denen Oberflächen von Werkstücken zu aktivieren oder zu reinigen sind, beispielsweise vor einer Weiterverarbeitung.

Die Herstellung gewalzter oder tiefgezogener Metallflächen erfordert den Einsatz von Ölen oder Fetten aus aromatischen und aliphatischen Bestandteilen. Unmittelbar nach der Herstellung verbleibt je nach Prozeßführung und Oberflächenbeschaffenheit des Materials eine Ölschicht von typisch 20-200 mg/m² zurück. Für eine Weiterverarbeitung der Materialien durch Lackieren, Beschichten, Verkleben oder Schweißen ist es erforderlich, daß ihre Oberfläche vom vorgesehenen Zusatzmaterial benetzbar ist. Dazu muß die Metalloberfläche weitgehend entfettet werden. Angestrebt werden Ölbeläge unter 4 mg/m².

Auch bei der Herstellung von Metall- oder Kunststoffverpackungen für den Lebensmittelbereich ist aus hygienischen Gründen eine Entfettung bis unter 0.5 mg/m² erforderlich. Zusätzlich wird häufig eine Entkeimung oder Sterilisierung gewünscht.

Viele spritzgegossene Kunststoffe eignen sich unmittelbar nach Herstellung nicht zum Verkleben, Beschichten oder Metallisieren. Ursache sind häufig Reste von Trennmitteln aus dem Spritzprozeß. Darüber hinaus sind Kunststoffe mit polaren Oberflächen auch im Reinzustand nicht benetzbar, können also nicht oder nur mit schlechter Haftung beschichtet oder lackiert werden. Aus der Literatur (Neue Verpackung 12/93, S. 14-18) ist es bekannt, Oberflächen mittels einer direkten Barrierenentladung zu reinigen oder zu modifizieren. Dazu wird bei metallischen Werkstücken zwischen diesem als erster Elektrode und einer zweiten Elektrode eine hochfrequente Hochspannung (typisch 5-15 kV, 50 Hz-1 MHz, vorzugsweise 50-300 kHz) angelegt. Falls das Werkstück aus elektrisch isolierendem Material besteht, ist das Werkstück mit einer Hilfselektrode als erster Elektrode zu versehen. Wichtig für die Ausbildung einer Barrierenentladung ist dabei, daß sich zwischen den beiden Elektroden wenigstens eine sogenannte dielektrische Barriere (ein Isolator) befindet. Bei metallischen Werkstücken wird der Isolator hierzu auf der zweiten Elektrode werkstückseitig vorgesehen. Wenn das Werkstück selbst schon ein Isolator ist, kann ein zusätzlicher Isolator entfallen. Bei einem gleichmäßigen Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und der gegenüberliegenden Barriere oder Elektrode und einem Gasdruck im Bereich einer Atmosphäre bildet sich die Gasentladung dann in Form vieler homogen verteilter Filamente aus.

Durch Einwirkung der direkt im Kontakt mit der zu be handelnden Oberfläche stehenden Filamente kann bereits nach sehr kurzer Zeit die gewünschte Reinigungswirkung erreicht werden. Voraussetzung für eine gleichmäßige Behandlung ist jedoch, daß auf der gesamten Fläche Filamente mit konstanter Dichte verteilt sind. Dies ist nur bei konstantem Elektroden abstand im Bereich einiger Millimeter möglich. Bekannte Ver fahren und Vorrichtungen zur Erzeugung einer direkten Barri erenentladung verwenden als Elektroden Rohre oder ebene Plat ten aus Quarzglas oder Keramik mit einer Metallelektrode hin ter dem Isolator, die häufig zusätzlich mit einer Wasserküh lung versehen ist, mit denen aber lediglich ebene Werkstücke behandelt werden können.

Aus der DE 27 50 372 A1 ist ein Verfahren zur Behand lung von dreidimensionalen Werkstücken bekannt, bei dem die Werkstücke mit einer direkten Barrierenentladung behandelt werden. Die zu behandelnde Werkstückoberfläche ist einer der Barrierenentladung dienenden Elektrode gegenüberliegend ange ordnet und diese Elektrode weist werkstückseitig eine elek trisch isolierende Barriere auf. Das Werkstück wird als zwei te der Barrierenentladung dienende Elektrode eingesetzt. Die bekannte Barrierenentladung ist gleichspannungsinduziert, um eine Beschichtung des Werkstücks zu erreichen. Infolgedessen kann das bekannte Verfahren nicht dazu eingesetzt werden, das Werkstück zu reinigen.

Aus der Druckschrift H. Ebert, Elektrochemie, Grund lagen und Anwendungsmöglichkeiten, 2. Auflage, Vogel-Verlag 1979, S. 168-172, ist es bekannt, dreidimensionale Werkstücke galvanisch zu beschichten, indem mehrere Anoden um das Werkstück herum angeordnet werden. Ein Reinigen eines Werkstücks ist mit diesem bekannten Verfahren nicht möglich.

Darstellung der Erfindung

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun de, ein Verfahren und eine Vorrichtung abzugeben, mit der auch dreidimensionale Werkstücke, insbesondere Werkstücke mit einer komplex geformten Oberfläche, mit einer direkten Bar rierenentladung behandelt werden können, um sie zu aktivieren oder zu reinigen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für die Elektroden dieser Barriereentladung anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 oder 2 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 15 oder 16. Die Lösung der weiteren Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Untersprüchen 3 bis 8, 10 bis 14 und 17 bis 21 angege ben.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auch komplex geformte Werkstücke in einem Arbeitsgang ei ner direkten Barriereentladung ausgesetzt werden können. Ein gesetzt wird dazu eine Elektrode, die durch Abformung des Werkstückes hergestellt wurde, wobei nur die Elektrode, nur die Barriere oder beides abgeformt wurde. Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem Unteranspruch 4, denn neben den als Dielektrikum in Barrieren-Entladungen üblicherweise verwendeten Werkstoffen Glas, Quarz oder Keramik weist insbesondere thermoplastischer Kunststoff deutliche fertigungstechnische Vorteile auf. Die Herstellung derartiger Elektroden ist gemessen an der Herstellung von Tiefziehformen unkompliziert und kostengünstig, so daß ihr Einsatz auch an Maschinen mit häufig wechselnder Werkstückgeometrie möglich und wirtschaftlich sinnvoll ist.

Mit einer entsprechend der Werkstückoberfläche abgeformten Elektrode (mit oder ohne Barriere) ist die gleichzeitige Behandlung des gesamten Werkstückes und damit eine kurze Taktzeit möglich. Alternativ dazu kann bei Werkstücken mit großer Längenausdehnung und fester Querschnittskontur die Elektrode nur zweidimensional ausgeformt und in Längsrichtung über das Werkstück (z. B. T- Träger, Strangpreßprofile) bewegt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, während des Abformvorganges zwischen Werkstück und Thermoplast eine weitere Platte aus thermoplastischem Kunststoff zu legen, deren Dicke die Weite des späteren Spaltes bestimmt. So kann auf einfache Weise ein Spalt konstanter Weite erhalten werden. Bei Erwärmung der Thermoplasten über ihren Erweichungspunkt findet ein Fließen in die vom Werkstück vorgegebene Form statt, das gegebenenfalls durch einen Druckunterschied (Saugen oder Blasen) zwischen Vorder- und Rückseite beschleunigt werden kann. Nach Erkalten werden die beiden Kunststofformteile vom Werkstück abgenommen; die Zwischenschicht wird verworfen und das obere Kunststoffteil wird zur Herstellung der Elektrode verwendet.

Als elektrischer Leiter kann eine auf die Rückseite des Kunststoffes aufgebrachte Metall- oder Halbleiterschicht, eine weiche Metallfolie oder ein Metallnetz, oder eine Schüttung aus feinkörnigem elektrisch leitfähigem Granulat dienen. Falls die Elektrode durch Wasser gekühlt werden soll, wird auf der Rückseite der Barriere ein Gehäuse zur Aufnahme des Kühlwassers vorgesehen. Dann genügen als Elektroden auch Metallkontakte, die die Form des Thermoplasten nur grob nachbilden, da das Wasser aufgrund seiner Leitfähigkeit und seiner dielektrischen Eigenschaften (hohe Permittivität) einen ausreichenden elektrischen Kontakt herstellen kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen und anhand der Abb. 1a-3c näher beschrieben. Es zeigen:

Abb. 1a schematische Darstellung des grundlegenden Aufbaus für eine Barrierenentladung

Abb. 1b direkte Barrierenentladung bei einer Metallfolie

Abb. 2 direkte Barrierenentladung bei einem komplex geformten Werkstück

Abb. 3a, b Herstellung einer erfindungsgemäßen mit einer elektrisch isolierenden Barriere versehenen Elektrode komplexer Form

Abb. 3c fertige Elektrode komplexer Form mit einer Barriere mit Gehäuse zur Kühlflüssigkeitsaufnahme

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, die sich auf elektrisch leitfähige Werkstücke beziehen, näher erläutert werden.

Abb. 1a zeigt schematisch den zur Erzeugung einer Barrierenentladung erforderlichen Aufbau. Zwischen zwei elektrisch leitfähigen Elektroden 1, 2 wird mindestens eine elektrisch isolierende Barriere 3 mit typisch 1-2 mm Dicke eingebracht. Bei Anregung mit einem hochfrequenten Hochspannungsgenerator 4 mit Wechselspannung von 5-15 kV und 50-300 kHz bildet sich im Entladungsspalt 5 eine Gasentladung aus. Diese ist aus vielen, hier nur symbolisch dargestellten, Filamenten 6 zusammengesetzt, die homogen über die gesamte Elektrodenfläche verteilt sind. In Abb. 1b ist eine Abwandlung, die sog. direkte Barrierenentladung dargestellt, bei der eine zu behandelnde Metallfolie 2a als eine der Elektroden eingesetzt wird. Die Filamente 6 greifen dann unmittelbar an der Folienoberfläche an, was eine besonders effiziente Behandlung ermöglicht.

Für die Behandlung eines komplex geformten Werkstückes 2b wird eine besonders ausgeformte Elektrodenanordnung 1b, 3b eingesetzt, wie sie in Abb. 2 dargestellt ist. Die Elektrodenanordnung wird hier von einem der Werkstückform entsprechend ausgearbeiteten Dielektrikum 3b gebildet, das auf seiner dem Werkstück abgewandten Seite eine elektrisch leitfähige Schicht 1b trägt. Bei konstanter Spaltbreite und nicht zu kleinem Krümmungsradius sind die Entladungsfilamente 6 auch auf der nichtebenen Oberfläche annähernd homogen verteilt.

Die Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mit einer elektrisch isolierenden Barriere versehenen Elektrode komplexer Form werden in Abb. 3 gezeigt. Zunächst werden zwei Schichten eines Thermoplasten 3c, 7 auf das Werkstück 2b aufgelegt (Abb. 3a) und plastisch abgeformt (Abb. 3b). Die untere Lage des Thermoplasten 7 dient als Abstandshalter während des Abformvorganges und wird danach entfernt. Auf der dem Werkstück abgewandten Seite der Barriere wird anschließend eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht. Abb. 3c zeigt eine fertige Elektrode, die hier jedoch zusätzlich mit einer Wasserkühlung versehen ist. Dazu wird ein beliebig geformtes Gehäuse 8 mit Kühlwasserzu- 8a und -ableitungen 8b mit dem ausgeformten Dielektrikum 3c verbunden. Zur elektrischen Zuführung vom Generator 4 dient ein engmaschiges Drahtnetz 1c, das aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit und Permittivität des Kühlwassers die Elektrodenform nur grob nachzubilden braucht.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

erste Elektrode mit

1

b elektrisch leitfähiger Schicht

1

c Drahtnetz

2

zweite, metallische Elektrode, insbesondere

2

a Metallfolie

2

b Werkstück

3

elektrisch isolierende Barriere, speziell

3

b dem Werkstück nachgebildete Barriere

3

c Barriere vor und nach der Abformung

4

Wechselspannungsgenerator

5

Entladungsspalt

6

Entladungsfilamente

7

thermoplastische Zusatzschicht

8

Kühlflüssigkeitsgehäuse mit

8

a Kühlflüssigkeitszuleitung

8

b Kühlflüssigkeitsableitung

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von dreidimensionalen Werkstüc ken mit einer direkten wechselspannungsinduzierten Bar rierenentladung, bei dem die zu behandelnde Werkstück oberfläche einer ersten der wechselspannungsinduzierten Barrierenentladung dienenden Elektrode gegenüberliegend angeordnet wird, die werkstückseitig eine elek trisch isolierende Barriere aufweist, bei dem das Werkstück als zweite der wechselspannungsinduzierenden Barrierenentladung dienen de Elektrode eingesetzt wird und bei dem wenigstens die Barriere mit einer der zu behandelnden Werkstückober fläche nachgebildeten Oberfläche verwendet wird.

2. Verfahren zur Behandlung von dreidimensionalen Werkstüc ken, die aus elektrisch isolierendem Material bestehen, mit einer direkten wechselspannungsinduzierten Barrie renentladung, bei dem das Werkstück mit einer Hilfselek trode versehen wird, bei dem der zu behandelnden Werk stückoberfläche gegenüberliegend eine zweite der wech selspannungsinduzierten Barrierenentladung dienende Elektrode verwendet wird, bei dem die Hilfselektrode als erste der wechselspannungs induzierten Barrierenentladung dienende Elektrode auf der Rückseite des elektrisch isolierenden Werkstücks eingesetzt wird und bei dem die zweite Elektrode mit einer der zu behandelnden Werkstückoberfläche nachgebildeten Oberfläche verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen der zu behandelnden Werkstückoberfläche und der Barriere oder der zweiten Elektrode ein Abstand von weniger als 10 mm eingehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eine elektrisch isolierende Barriere aus einem thermoplastischen Kunststoff verwendet und während der Behandlung eine Temperatur unterhalb der Er weichungstemperatur dieses Kunststoffs eingehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Behandlung bei Atmosphärendruck erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Barrierenentladung mit einer Wechselspannung im Bereich von 5-15 kV und einer Fre quenz im Bereich von 50 Hz-1 MHz, vorzugsweise 50-300 kHz angeregt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß wenigstens die der Werkstückober fläche gegenüberliegende Elektrode während der Behand lung des Werkstücks gekühlt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die der Werkstückoberfläche gegen überliegende Elektrode mit einer Flüssigkeit von hoher elektrischer Permittivität, insbesondere Wasser, in Ver bindung steht.

9. Verfahren zur Herstellung einer mit einer elektrisch isolierenden Barriere versehenen Elektrode für eine direkte Barrierenentladung, mit der ein Werkstück behan delt werden soll, bei dem die elektrisch isolierende Barriere vom Werkstück abgeformt wird, wobei eine Zwischenschicht verwendet und mitver formt wird, deren Dicke dem für die Behandlung vorge sehenen Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und der Barriere entspricht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Barriere aus thermoplas tischem Material besteht und die Abformung bei einer Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des ther moplastischen Materials erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die elektrisch isolierende Barriere während der Abformung mit Druck beaufschlagt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere auf der der Werk stückoberfläche abgewandten Seite mit einem Gehäuse zur Aufnahme eines Kühlmittels versehen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der abzuformenden Bar riere um eine bereits verwendete Barriere handelt, die erneut abgeformt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere aus einem Grundstoff erzeugt wird, der aus bereits verwendeten und zerkleinerten, insbesondere aus zermahlenen, Barrieren besteht.

15. Vorrichtung zur Behandlung von dreidimensionalen Werk stücken mit einer direkten wechselspannungsinduzierten Barrierenentladung, wobei die zu behandelnde Werkstück oberfläche einer ersten der wechselspannungsinduzierten Barrierenentladung dienenden Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, die werkstückseitig eine elektrisch isolierende Barriere aufweist, bei der das Werkstück als zweite der wechselspannungs induzierten Barrierenentladung dienende Elektrode vorhanden ist und daß wenigstens die Barriere eine der zu behandelnden Werkstückoberfläche nachgebildete Ober fläche aufweist.

16. Vorrichtung zur Behandlung von dreidimensionalen Werk stücken, die aus elektrisch isolierendem Material bestehen, mit einer direkten wechselspannungsinduzierten Barrierenentladung, wobei das Werkstück mit einer Hilfs elektrode versehen ist, wobei der zu behandelnden Werk stückoberfläche gegenüberliegend eine zweite der wech selspannungsinduzierten Barrierenentladung dienende Elektrode vorhanden ist, bei der die Hilfselektrode als zweite der wechselspannungsindu zierten Barrierenentladung dienende Elektrode angeordnet ist und daß die zweite Elektrode eine der zu behandeln den Werkstückoberfläche nachgebildete Oberfläche auf weist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn zeichnet, daß die elektrisch isolierende Barriere aus einem Kunststoff besteht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektrode Kühlmittel aufweist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15, 17 oder 18, da durch gekennzeichnet, daß die Elektrode teilweise aus Metall und teilweise aus einer Flüssigkeit mit hoher elektrischer Permittivität, insbesondere Wasser, be steht.

20. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode eine von der zu behandelnden Werkstückoberfläche abgeformte und versteifte Metall folie ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung der Barrierenent ladung eine Wechselspannungsgenerator vorhanden ist, mit dem eine Wechselspannung im Bereich von 5-15 kV bei einer Frequenz von 50 Hz-1 MHz, vorzugsweise 50-300 kHz erzeugt werden kann.