EP3430864A1 - Plasmadüse - Google Patents

Plasmadüse

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EP3430864A1
EP3430864A1 EP17712057.3A EP17712057A EP3430864A1 EP 3430864 A1 EP3430864 A1 EP 3430864A1 EP 17712057 A EP17712057 A EP 17712057A EP 3430864 A1 EP3430864 A1 EP 3430864A1
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EP
European Patent Office
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plasma
electrode
counter electrode
nozzle
discharge chamber
Prior art date
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Application number
EP17712057.3A
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English (en)
French (fr)
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EP3430864B1 (de
Inventor
Wolfgang Viöl
Martin BELLMANN
Christian Ochs
Marcus HARMS
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP3430864B1 publication Critical patent/EP3430864B1/de
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Definitions

  • the invention relates to a plasma jet for generating a plasma jet with at least one electrode, a jacket surrounding the electrode concentrically, wherein between the electrode and the jacket a discharge chamber is formed, and wherein the discharge chamber has an inlet opening for a process gas and a nozzle opening for the exit of the plasma jet and the sheath contains or consists of a dielectric and a first counterelectrode annularly surrounding the discharge chamber in a first longitudinal section. Furthermore, the invention relates to a method for using the plasma nozzle for treating a surface of a workpiece or a workpiece with the plasma jet thus generated.
  • a treatment of a workpiece is a surface activation and / or - functionalization and a fine cleaning of the treated surface by the plasma jet.
  • the plasma can be operated with an inert gas or a reactive gas, so that physical and / or chemical processes take place on the surface of the workpiece to be treated. This will e.g. improves the adhesion between materials, for example in the case of
  • Sheath itself forms the counter electrode, so that between the electrode and the counter electrode after exposure to a high voltage thermal
  • remote plasma the resulting plasmas are called "remote plasma.”
  • reactive species are not generated directly on the workpiece surface, but at some distance, these species may be on their way to the surface eg with the ambient air or the
  • Bridging medium for generating discharge filaments In this case, depending on the process gas used only sliding discharges at discharge intervals by 1 mm can be realized. These methods are therefore suitable only for flat surfaces with low dimensional tolerances, since the plasma can not penetrate into undercuts or depressions and the distance of the high voltage electrodes must be precisely controlled. In the case of dielectrically impeded or barrier discharges, the in
  • Discharge gap recorded workpiece also be thin to create the discharge with manageable electrical voltages and maintain.
  • the object of the present invention is thus to provide a cleaning method and a cleaning device for activating or fine cleaning a surface, which allows an improved, in particular more efficient treatment of the surface and can be used universally on even or uneven surfaces of workpieces.
  • a plasma nozzle for generating a plasma jet contains at least one electrode.
  • the electrode may be elongated or rod-shaped in some embodiments of the invention.
  • the electrode may be hollow or contain a cavity.
  • the at least one electrode is surrounded by a jacket, so that between the electrode and the
  • Sheath forms a discharge chamber.
  • the sheath and the electrode may be concentric with each other.
  • the sheath contains or consists of a dielectric.
  • the discharge chamber further has at least one
  • Inlet opening for a process gas and a nozzle opening for the exit of the plasma jet are provided.
  • the device according to the invention has at least one first counterelectrode, which surrounds the discharge chamber in a ring-shaped manner in a first longitudinal section.
  • the first counter electrode is through the sheath of the
  • Electrode electrically isolated.
  • a second counterelectrode is additionally provided, which surrounds the discharge chamber in a ring-shaped manner in a second longitudinal section.
  • the counterelectrodes can also be arranged concentrically with respect to the electrode and the sheath.
  • a method according to the invention for the use or operation of a plasma nozzle according to the invention has the following method steps:
  • Discharge chamber a plasma by igniting dielectrically impeded discharges in the process gas in the
  • Forming discharge chamber and generating a plasma jet from the expelled from the flow of the nozzle opening plasma.
  • a plasma jet is generated by means of a dielectrically impeded discharge (Dielectric Barrier Discharge or DBD) (DBD jet).
  • the discharge filaments of the DBD are generated by applying an electrical high voltage between the electrode and the counter electrode (s).
  • DBD discharge filaments are in
  • the discharge process in the individual discharge filaments is so short in time due to the dielectric barrier that no thermal equilibrium can form.
  • Such plasmas, or a plasma jet generated therefrom, can therefore be used as direct-acting plasmas for surface treatment. Due to the possibility of plasma generation in
  • the plasma nozzle according to the invention thus combines the Advantages of known plasma jets such as high fissuring with the efficiency of sliding discharges or barrier discharges on the surface of the workpiece.
  • the plasma nozzle of the present invention can be used.
  • Environmentally damaging and time-consuming wet-chemical surface treatment processes can be replaced by this.
  • the use of the plasma nozzle according to the invention similar to a G investigatingtladungsario enables planar applications. Due to the sufficiently high allowable discharge distances between the workpiece surface and the mouth of the nozzle opening can
  • the second counter electrode is arranged at the nozzle opening such that the
  • Nozzle opening runs centrally through the counter electrode.
  • Discharge filaments of the DBD are thus produced not only in the discharge chamber, but also directly in the area of
  • Nozzle opening can thus affect the surface to be treated of the workpiece.
  • the reactive species generated in the plasma jet can interact directly with the surface without first coming into contact with the ambient air or other reactants.
  • the second counterelectrode may have a dish-shaped widened ring surface. This has the advantage that discharge filaments can be produced directly on a surface to be treated.
  • the plate surface normal should be approximately parallel to the plasma jet direction.
  • Insulating workpieces with material thicknesses of more than 10 mm are treated with a DBD, since the workpiece no longer has to be completely absorbed in the discharge gap.
  • the surface of the second counterelectrode may be covered by the sheath.
  • the sheath thus forms a continuous dielectric which shields the electrode surface from the discharge chamber and from the workpiece. This allows for easy design and manufacture and reliable operation of the plasma nozzle.
  • the dielectric may be a glass, a ceramic, or a glass
  • the polymer may be or contain polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the electrode is coated in the discharge space with a dielectric. This additional coating provides an even more homogeneous discharge characteristic of the plasma generated by the DBD.
  • the coating may contain or consist of a polymer or a ceramic.
  • the coating may contain polytetrafluoroethylene or an oxide or an oxynitride.
  • the inlet opening may be formed by at least one gas passage in the electrode.
  • the gas passages may comprise a plurality of bores, which are arranged radially symmetrically in the electrode, a uniform flow of the process gas through the
  • Discharge chamber reached. This also leads to one
  • a plasma nozzle housing may be present, wherein the counter electrodes by means of a potting compound between the sheath and the
  • Plasma nozzle housing are fixed. Such is one
  • the first counter electrode may be at a ground potential and the second counter electrode may be at a floating potential. This will be a
  • Plasma jet expelled from the nozzle which may have a range of more than 10 mm or more than 20 mm or more than 30 mm.
  • the second counter electrode upon operation of the device, may be mounted on a
  • Ground potential lie and the first counter electrode on a floating potential.
  • the plasma filaments slide over the underside of the plasma nozzle or over the partial surface of the casing extending parallel to the plate surface of the second electrode.
  • sliding discharges may be generated on the workpiece at a distance of about 1 mm to about 3 mm.
  • the first counter electrode and the second counter electrode may be at a ground potential.
  • a discharge is generated between the first counterelectrode and the electrode in the interior of the discharge space, the plasma of which is expelled from the plasma nozzle.
  • the second counterelectrode forms a counterpotential to the plasma emerging from the nozzle. In this way, sliding discharges at a distance of about 3 mm to about 20 mm to the workpiece surface are possible.
  • the process gas may be selected from argon and / or helium and / or
  • FIG. 1 shows a section through an embodiment of a plasma nozzle according to the invention during its use in the surface treatment of a workpiece.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a plasma nozzle 1 according to the invention during its use in the surface treatment of a workpiece 3 with a plasma jet 5.
  • the plasma nozzle 1 has a pin-shaped electrode 7 for applying a particular
  • This pin electrode 7 will therefore also be referred to below as a high voltage electrode
  • the pin electrode 7 is surrounded concentrically by a sheath 9 made of a dielectric material.
  • the casing 9 has a cylindrical basic shape.
  • the discharge chamber 11 has an inlet opening 12 for a process gas, for example argon, helium and / or air, and a nozzle opening 14 for the exit of the plasma jet 5.
  • the plasma jet 5 is generated in the discharge chamber 11 and driven out of the nozzle opening 14 by a flow of the process gas plasma generated.
  • the flowing process gas is shown symbolically in the figure by a block arrow in the region of the inlet opening 12.
  • a second counterelectrode 16 which surrounds the discharge chamber 11 in an annular manner in a region, is provided made of metal.
  • the second counter electrode 16 is penetrated by the dielectric jacket 9 from the electrode 7, to
  • Counter electrode 16 may be grounded to produce dielectrically impeded discharges, i. H. be electrically grounded, which is why it is also referred to below as Massering. The electrical contact is not shown in the figure.
  • the second counter electrode 16 is in the range of
  • Nozzle opening 14 is arranged so that the nozzle opening 14 extends centrally through the second counter electrode 16.
  • the second counter electrode 16 has a plate-shaped widened annular surface 18.
  • Under plate-shaped widened is understood a ring with a shape whose radial ring width is greater than its axial ring height.
  • the plasma surface facing away from the ring surface 18 of the plate-shaped widened counter electrode 16 is covered by the casing 9 and thus also of the
  • the plasma nozzle 1 has in its lower portion, i. in the region of the nozzle opening 14, a plate-shaped widening (plate underside) on.
  • the casing 9 is therefore also referred to below as a plate rod, and the entire plasma nozzle 1 is also referred to below as "disk jet.”
  • appropriately shaped plate underside extend approximately parallel to the exit direction of the generated plasma jet 5.
  • the nozzle opening 14 extends radially in the middle through the plate-shaped counter electrode 16.
  • the plasma nozzle 1 also has a first counter-electrode 20 made of metal, which can also be electrically grounded to operate the plasma nozzle 1.
  • This first counter electrode 20 also surrounds the discharge chamber 11 in a ring shape and is surrounded by the jacket 9 of the
  • the first counterelectrode 20 is at the level of the rod-shaped electrode 7
  • the electrical ground potential of the mass can also be replaced by any other potential and / or both mass rings can also occur
  • the plasma nozzle 1 can therefore be referred to as a "double-mass disk jet.”
  • a pre-discharge electrode is formed by the first counterelectrode 20 opposite the second counterelectrode 16 arranged in the region of the nozzle opening 14. That is, by discharges between the first counterelectrode 20 and the rod-shaped Electrode 7 generated plasma is transported by the flow of the process gas to the arranged in the region of the nozzle opening 14 second counter electrode 16, whereby the ignition of dielectric
  • the high-voltage electrode 7 has gas passages 25 and thus at the same time acts as a process gas supply, ie inlet opening 12. It is made of a conductive material such as stainless steel, aluminum, and / or brass. Of the
  • Plate bar serves as a dielectric and is made of a
  • the dielectric material e.g. Ceramic, glass, and / or polymer manufactured.
  • the discharge chamber forming part of the casing 9 the upper mass ring is mounted.
  • Massering are outside the discharge chamber 11 with an optional high-voltage resistant potting compound 27 of the
  • parasitic discharges occur inside the part of the plasma nozzle 1 forming an electrode head.
  • Potting compound 27 also serves to fix the mass rings between the casing 9 and the housing 29 of the plasma nozzle first
  • a plasma jet 5 with plasma generation from dielectrically impeded discharge (DBD jet) between the high-voltage electrode 7 and the upper can already be applied with the voltage applied and the process gas supply switched on
  • Massering 20 are ignited. Depending on the process gas and
  • Applied electric power can be driven out of the nozzle opening 14 of this DBD jet up to 50 mm.
  • This DBD jet can also be ignited with compressed air as process gas, for example.
  • Nozzle opening 14 expelled filaments of discharges thereto, at the bottom of the plate, i. at the
  • Masserings 16 and is therefore repeated in the figurative sense.
  • the filaments of the discharges in the region of the lower mass ring 16 can come into direct contact with the surface to be treated. Such surface discharges have better efficiency than remote plasmas.
  • the reactive species in the plasma react to a large extent on their way to the workpiece surface in remote plasmas, resulting in large efficiency losses in the activation of the surface. The latter is not the case with surface discharges.
  • the filaments come in surface discharges with the surface in contact, which allows a fine cleaning of the surface.
  • One embodiment of the method according to the invention uses a DBD remote plasma as the ignition source and projects its potential onto the non-conductive surface of the workpiece. Since the non-conductive workpiece thus indirectly to a DBD remote plasma as the ignition source and projects its potential onto the non-conductive surface of the workpiece. Since the non-conductive workpiece thus indirectly to a DBD remote plasma as the ignition source and projects its potential onto the non-conductive surface of the workpiece. Since the non-conductive workpiece thus indirectly to a
  • FIG. 2 shows the pin-shaped electrode 7 of the plasma nozzle from FIG. 1 as a detailed illustration.
  • the illustrated pin electrode 7 is radially symmetrical. At their, the tip 30 of the pin electrode 7 facing away
  • Electrode base 31 has the pin electrode 7 grooves 32, which serve to fix the pin electrode 7 in the sheath 9 of the plasma nozzle. Furthermore, 31 gas passages 25 are arranged radially symmetrically within the pin electrode 7 in the region of the electrode base. These form the inlet opening of the plasma nozzle for the process gas.
  • FIGS. 3 a to c the plasma nozzle according to the invention from FIG. 1 is in different states during its operation
  • the "Disk-Jet” can be operated in three different modes The three modes are shown in Figures 3a to c ..
  • the electrical contact is drawn in each case like a circuit diagram.
  • Plasma filaments 41 as a plasma jet, which ignite directly from the high voltage electrode to the lower mass ring.
  • the plasma filaments 41 slide in this mode over the face of the electrode.
  • Discharge filaments 41 with the workpiece surface is thereby possible.
  • realizable discharge distances to the workpiece to be treated are between 1 mm for air as process gas and 3 mm for argon or helium as process gas.
  • the most effective mode is shown in Figure 3c ("Disc-Jet" operating mode) where both mass rings are electrically grounded, as described, the lower ground ring acts as a "repeater”. The generated between the high voltage electrode and the upper ground ring
  • Discharge filaments 42 of a discharge ignite on the underside of the plate, which represents the dielectric for the lower Massering. In this way, sliding discharges at discharge distances to the workpiece to the nozzle opening of 3 mm with air as process gas up to 20 mm with argon or helium as process gas are possible.
  • the discharge filaments 42 interact both chemically and physically with the surface to be treated and cause surface activation / functionalization as well as ultrafine cleaning of arbitrarily thick, nonconducting workpieces at the level of directly acting dielectrically impeded discharges.
  • Effectiveness can also be used under industrial conditions. Both on flat plate / foil material, as well as on complicated workpiece geometries or undercuts a plasma using the "Disc-Jet" is to be applied optimally.
  • FIG. 4a shows the lift-off strength of water-based paints on PVC in comparison with the surface treatment in operating mode "DBD-Jet” and "Disc-Jet” with process gas argon.
  • Comparisons between the "Disc-Jet” mode and an identical DBD-Jet mode ie, the lower mass ring has been omitted or grounded, ie not electrically connected to ground potential
  • the "Disc-Jet” is up to 100% better results in the adhesion of water-based paints (the so-called adhesive pull strength [MPa]) to polyvinyl chloride (PVC) and polypropylene (PP).
  • MPa adhesive pull strength
  • the process gas is argon.
  • the discharge of the "Disc-Jet" has a sliding discharge character and may be in free operation, i.e. without a workpiece under the source
  • Discharge distances between the nozzle opening and workpiece surface can be realized up to 20 mm.
  • a high fissile property, i. Penetration depth in surface gaps realized on the basis of direct discharges, which enables an efficient treatment of profiled or structured surfaces or also workpieces with larger geometrical or positional tolerances.
  • FIG. 4b compares the results of the lift-off resistance of water-based paints on PVC with a surface treatment with a plasma nozzle according to the invention in the Disc-Jet mode with two different process gases, namely argon and air.
  • argon and air Two different process gases
  • FIGS. 5a to c show photographic images of the plasma jet of a plasma nozzle according to the invention in the "disc-jet" operating mode.
  • 5a shows the planar formation of the sliding discharge of the "Disc-Jet" on a workpiece surface
  • Discharge distance is constant in the experiments carried out in accordance with the figures 4 for the surface treatment 3 mm. It is clearly visible a flat discharge over the workpiece surface.
  • FIG. 5b shows the discharge characteristic of the "disk jet" in free operation (unloading without workpiece) .
  • the filaments emerge from the mouth of the nozzle opening and after a certain distance ignite again up to the disk surface of the "disk jet".
  • the filaments slide over the surface of the workpiece and form a surface discharge, which coincides with
  • 5c shows the use of the "Disc-Jet" on a plastic profile with a 10 mm deep longitudinal groove with an undercut
  • Plasma bundles emerge from the nozzle opening. This bundle forms a large one on the bottom of the longitudinal groove

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse (1) zum Erzeugen eines Plasmastrahls (5) mit zumindest einer Elektrode (7), einer die Elektrode (7) konzentrisch umgebenden Ummantelung (9), wobei zwischen der Elektrode (7) und der Ummantelung (9) eine Entladungskammer (11) ausgebildet ist, und wobei die Entladungskammer (11) eine Einlassöffnung (12) für ein Prozessgas und eine Düsenöffnung (14) zum Austreten des Plasmastrahls (5) aufweist und die Ummantelung (9) ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht, einer die Entladungskammer (11) in einem ersten Längsabschnitt ringförmig umgebende erste Gegenelektrode (20), wobei die erste Gegenelektrode (20) durch die Ummantelung (9) von der Elektrode (7) elektrisch isoliert ist und weiterhin eine zweite Gegenelektrode (16) vorhanden ist, welche die Entladungskammer (11) in einem zweiten Längsabschnitt ringförmig umgibt, wobei die zweite Gegenelektrode (16) eine tellerförmig verbreiterte Ringoberfläche (18) aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Plasmadüse.

Description

Plasmadüse
Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse zum Erzeugen eines Plasmastrahls mit zumindest einer Elektrode, einer die Elektrode konzentrisch umgebenden Ummantelung, wobei zwischen der Elektrode und der Ummantelung eine Entladungskammer ausgebildet ist, und wobei die Entladungskammer eine Einlassöffnung für ein Prozessgas und eine Düsenöffnung zum Austreten des Plasmastrahls aufweist und die Ummantelung ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht und einer die Entladungskammer in einem ersten Längsabschnitt ringförmig umgebende erste Gegenelektrode. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung der Plasmadüse zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstückes bzw. eines Werkstückes mit dem so erzeugten Plasmastrahl .
Bei einer derartigen Behandlung eines Werkstückes erfolgt eine Oberflächenaktivierung und/oder - funktionalisierung und eine Feinstreinigung der behandelten Oberfläche durch den Plasmastrahl . Das Plasma kann mit einem Inertgas oder einem Reaktivgas betrieben werden, so dass physikalische und/oder chemische Prozesse an der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes ablaufen. Dadurch wird z.B. die Haftung zwischen Materialen verbessert, beispielsweise im Falle von
Lackierungen oder Klebverbindungen von KunststoffOberflächen .
Die Applikation von Plasmen auf nichtleitenden Werkstücken von hoher Materialstärke oder komplizierten Geometrien kann z.B. mit bekannten Plasmadüsen (Jet-Systemen) gemäß US 6,677,550 B2 oder US 5,961,772 vorgenommen werden. Die
Ummantelung bildet dabei selbst die Gegenelektrode aus, so dass sich zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode nach Beaufschlagung mit einer Hochspannung thermische
Bogenentladungen ausbilden. Das so entstehende Plasma wird durch den Gasstrom aus der Düse ausgetrieben.
Nachteile dieser Jet-Systeme sind ein beim Betrieb
entstehender starker Elektrodenabbrand, hohe Temperaturen bedingt durch die als Plasmastrahl aus der Düsenöffnung ausgetriebenen thermischen Bogenentladungen und eine
fehlende Reinigungswirkung bzw. eine niedrige Effizienz. Diese Nachteile treten insbesondere bei hohen Prozessgeschwindigkeiten auf, d.h. wenn das Werkstück vom Plasmastrahl mit hoher Geschwindigkeit überfahren wird. Bei diesen Jet-Systemen werden nämlich die im Plasma vorhandenen, zur Oberflächenbehandlung vorgesehenen reaktiven Spezies, d.h. z.B. angeregte Moleküle, Atome und/oder Ionen, nicht direkt auf der zu behandelnden Oberfläche erzeugt, da die hohen Temperaturen in thermischen Bogenentladungen die Oberfläche beschädigen würden. Um derartige physikalische Effekte der Plasmafilamente der Bogenentladungen auf der Oberfläche zu vermeiden, werden die Bogenentladungen in einiger Entfernung zur Oberfläche erzeugt. Diese Jet-Systeme werden deshalb als Remote-Systeme , die dabei erzeugten Plasmen als „Remote- Plasma" bezeichnet. Da die reaktiven Spezies nicht direkt auf der Werkstückoberfläche generiert werden, sondern in einiger Entfernung dazu, können diese Spezies jedoch auf dem Weg zur Oberfläche z.B. mit der Umgebungsluft oder den
Elektrodenwänden des Remote-Systems abreagieren. Es kann also nur ein geringer Anteil dieser Spezies mit der
Oberfläche reagieren. Dadurch sinkt die Effizienz der
Plasmabehandlung .
Die Anwendung von bekannten Plasma-Jets ermöglicht eine Aktivierung, jedoch keine Feinstreinigung der Oberfläche. Hoher Prozessgasverbrauch, eine notwendige Kühlung des
Prozessgases und eine geringe effektive Entladungsfläche machen dieses Verfahren zu einem nur begrenzt wirtschaftlichen Verfahren.
Alternativ sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen zur Erzeugung von Gleitentladungen auf der Oberfläche des zu reinigenden Werkstückes oder die Ausbildung von dielektrisch behinderten Entladungen auf der Oberfläche des zu reinigenden Werkstückes bekannt. Bei Gleitentladungen liegen
parallel zur zu behandelnden Oberfläche angeordnete
Hochspannungselektroden auf unterschiedlichem elektrischen Potential und nutzen das zu behandelnde Werkstück als
Überbrückungsmedium für das Erzeugen von Entladungs- filamenten. Dabei sind in Abhängigkeit vom eingesetzten Prozessgas lediglich Gleitentladungen bei Entladungs- abständen um 1 mm realisierbar. Diese Verfahren eignen sich damit nur für plane Oberflächen mit geringen Formtoleranzen, da das Plasma nicht in Hinterschneidungen oder Vertiefungen eindringen kann und der Abstand der Hochspannungselektroden präzise geregelt werden muss. Im Falle von dielektrisch behinderten bzw. Barrierenentladungen muss das im
Entladungsspalt aufgenommene Werkstück auch noch dünn sein, um die Entladung mit handhabbaren elektrischen Spannungen zu erzeugen und aufrecht zu erhalten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Reinigungsverfahren und eine Reinigungsvorrichtung zur Aktivierung bzw. Feinstreinigung einer Oberfläche bereitzustellen, welches eine verbesserte, insbesondere effizientere Behandlung der Oberfläche erlaubt und universell auf ebenen oder auch unebenen Oberflächen von Werkstücken eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Plasmadüse zum Erzeugen eines Plasmastrahls vorgeschlagen. Diese enthält zumindest eine Elektrode. Die Elektrode kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung länglich oder stabförmig sein. Die Elektrode kann hohl sein bzw. einen Hohlraum enthalten.
Die zumindest eine Elektrode ist mit einer Ummantelung umgeben, so dass sich zwischen der Elektrode und der
Ummantelung eine Entladungskammer ausbildet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Ummantelung und die Elektrode konzentrisch zueinander angeordnet sein.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Ummantelung ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht.
Die Entladungskammer weist weiter zumindest eine
Einlassöffnung für ein Prozessgas und eine Düsenöffnung zum Austreten des Plasmastrahls auf.
Weiterhin weist die Erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine erste Gegenelektrode auf, welche die Entladungskammer in einem ersten Längsabschnitt ringförmig umgibt. Dabei ist die erste Gegenelektrode durch die Ummantelung von der
Elektrode elektrisch isoliert. Zusätzlich ist weiterhin eine zweite Gegenelektrode vorhanden, welche die Entladungskammer in einem zweiten Längsabschnitt ringförmig umgibt. Auch die Gegenelektroden können konzentrisch zur Elektrode und der Ummantelung angeordnet sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwendung bzw. zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Plasmadüse weist folgende Verfahrensschritte auf:
Zuführen eines eine Strömung aufweisenden Prozessgases durch die Einlassöffnung in die Entladungskammer und Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen einer
Elektrode und/oder einer ersten Gegenelektrode und/oder einer zweiten Gegenelektrode, so dass sich in der
Entladungskammer ein Plasma durch Zünden von dielektrisch behinderten Entladungen in dem Prozessgas in der
Entladungskammer ausbildet, und Erzeugen eines Plasmastrahls aus von der Strömung aus der Düsenöffnung ausgetriebenem Plasma .
Es wird somit ein Plasmastrahl mittels einer dielektrisch behinderten Entladung (Dielectric Barrier Discharge oder DBD) erzeugt (DBD-Jet) . Die Entladungsfilamente der DBD werden dabei durch Anlegen einer elektrischen Hochspannung zwischen der Elektrode und der oder den Gegenelektroden erzeugt. Bei einer DBD werden Entladungsfilamente im
Prozessgas erzeugt, in denen relativ zu thermischen
Bogenentladungen nur niedrige Temperaturen herrschen. Bei den so erzeugten Plasmen handelt es sich also um nicht thermische Plasmen, in denen die erzeugten reaktiven Spezies nicht im thermischen Gleichgewicht mit ihrem lokal
umgebenden Prozessgas sind. Der Entladungsprozess in den einzelnen Entladungsfilamenten ist aufgrund der dielektrischen Behinderung derart zeitlich kurz, dass sich kein thermisches Gleichgewicht ausbilden kann. Derartige Plasmen, bzw. ein daraus erzeugter Plasmastrahl, können deshalb als direkt wirkende Plasmen zur Oberflächenbehandlung eingesetzt werden. Durch die Möglichkeit der Plasmaerzeugung in
Oberflächennähe ohne die Oberfläche zu beschädigen ist eine effiziente Behandlung möglich.
Anders als bekannte Systeme zur Plasmaaktivierung, welche oftmals das Werkstück als dielektrische Barriere nutzen, können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch dickere Werkstücke bearbeitet werden, da das nichtleitende Werkstück zu einem Gegenpotential für die zweite Gegenelektrode wird. Die erfindungsgemäße Plasmadüse kombiniert somit die Vorteile bekannter Plasmajets wie hohe Spaltgängigkeit mit der Effizienz von Gleitentladungen oder Barrierenentladungen auf der Oberfläche des Werkstückes.
Mit der erfindungsgemäßen Plasmadüse ist daher auch eine Behandlung von Werkstücken im industriellen Maßstab möglich, da größere Abstandstoleranzen zwischen Plasmadüse und Werkstück möglich sind als bei bekannten Gleitentladungen und größere Werkstückdicken als bei bekannten Barrierenentladungen. Hohe Abstands- bzw. Formtoleranzen, die gerade bei Massenware wie Extrusionshalbzeugen auftreten, erfordern im Inline-Betrieb Vorbehandlungssysteme, die in möglichst hohen Toleranzbereichen eine effiziente
Aktivierung/Funktionalisierung realisieren und im gleichen Zuge eine Feinstreinigung auf der Oberfläche durchführen. Als ein derartiges Vorbehandlungssystem ist die erfindungsgemäße Plasmadüse einsetzbar. Umweltschädliche und aufwändige nasschemische Verfahren zur Oberflächenbehandlung können dadurch ersetzt werden. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Plasmadüse ähnlich einer Gleitentladungsquelle ermöglicht flächige Anwendungen. Aufgrund der ausreichend hohen ermöglichten Entladungsabstände zwischen Werkstückoberfläche und der Mündung der Düsenöffnung können
Werkstücke mit Formabweichungen bei hohen Geschwindigkeiten ohne Beschädigungen behandelt werden. Zudem ist eine gute Spaltgängigkeit für geometrisch komplizierte Werkstücke, z.B. mit Hinterschneidungen, Nuten, etc. gegeben.
In einigen Ausführungen der Erfindung ist die zweite Gegenelektrode so an der Düsenöffnung angeordnet, dass die
Düsenöffnung zentral durch die Gegenelektrode verläuft.
Entladungsfilamente der DBD entstehen so nicht nur in der Entladungskammer, sondern auch direkt im Bereich der
Düsenöffnung und können so die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks tangieren. Derart kann auf der Oberfläche sowohl eine chemische als auch eine physikalische Beeinflussung stattfinden. Zudem können die so erzeugten reaktiven Spezies im Plasmastrahl direkt mit der Oberfläche interagieren, ohne vorher mit der Umgebungsluft oder anderen Reaktionspartnern in Kontakt zu kommen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die zweite Gegenelektrode eine tellerförmig verbreiterte Ringoberfläche aufweisen. Dies weist den Vorteil auf, dass direkt auf einer zu behandelnden Oberfläche Entladungsfilamente erzeugt werden können. Die Tellerflächennormale sollte dabei in etwa parallel zur Plasmastrahlrichtung stehen. Mit dieser
Ausführungsform der Erfindung können auch elektrisch
isolierende Werkstücke mit Materialstärken von mehr als 10 mm mit einer DBD behandelt werden, da das Werkstück nicht mehr vollständig im Entladungsspalt aufgenommen werden muss.
In einigen Ausführungen der Erfindung kann die Oberfläche der zweiten Gegenelektrode von der Ummantelung überdeckt sein. Die Ummantelung bildet somit ein durchgängiges, die Elektrodenoberfläche zur Entladungskammer und zum Werkstück hin abschirmendes Dielektrikum aus. Dies erlaubt eine einfache Konstruktion und Herstellung und einen zuverlässigen Betrieb der Plasmadüse.
In einigen Ausführungen der Erfindung ist bei einer
gattungsgemäßen Plasmadüse die Ummantelung aus einem
Dielektrikum ausgebildet, wobei die Gegenelektroden durch die Ummantelung von der Elektrode zur Erzeugung von
dielektrisch behinderten Entladungen in dem Prozessgas zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode elektrisch isoliert ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Dielektrikum ein Glas, eine Keramik oder ein
Polymer enthalten. In einigen Ausführungsformen der
Erfindung kann das Polymer Polytetrafluorethylen (PTFE) sein oder enthalten. In einigen Ausführungen der Erfindung ist die Elektrode im Entladungsraum mit einem Dielektrikum beschichtet. Diese zusätzliche Beschichtung bewirkt eine noch homogenere Entladungscharakteristik des von der DBD erzeugten Plasmas. Die Beschichtung kann ein Polymer oder eine Keramik enthalten oder daraus bestehen. Die Beschichtung kann Polytetra- fluorethylen oder ein Oxid oder ein Oxinitrid enthalten.
In einigen Ausführungen der Erfindung kann die Einlassöffnung von mindestens einer Gasdurchführung in der Elektrode ausgebildet sein. Vorteilhaft können die Gasdurchführungen eine Mehrzahl von Bohrungen umfassen, welche radialsymmetrisch in der Elektrode angeordnet sind, wird eine gleichmäßige Strömung des Prozessgases durch die
Entladungskammer erreicht. Dies führt auch zu einem
besonders homogenen und stabilen Plasmastrahl.
In einigen Ausführungen der Erfindung kann ein Plasmadüsengehäuse vorhanden sein, wobei die Gegenelektroden mittels einer Vergussmasse zwischen der Ummantelung und dem
Plasmadüsengehäuse fixiert sind. Derart ist eine
kostengünstige Herstellung der Plasmadüse möglich und es werden parasitäre Entladungen im Inneren der Plasmadüse vermieden .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann bei Betrieb der Vorrichtung die erste Gegenelektrode auf einem Massepotential liegen und sich die zweite Gegenelektrode auf einem Floating-Potential befinden. Hierdurch wird ein
Plasmajet aus der Düse ausgetrieben, welcher eine Reichweite von mehr als 10 mm oder mehr als 20 mm oder mehr als 30 mm haben kann .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann bei Betrieb der Vorrichtung die zweite Gegenelektrode auf einem
Massepotential liegen und sich die erste Gegenelektrode auf einem Floating-Potential befinden. In diesem Betriebszustand gleiten die Plasmafilamente über die Unterseite der Plasmadüse bzw. über die parallel zur Tellerfläche der zweiten Elektrode verlaufende Teilfläche der Umhüllung. In diesem Fall können in einem Abstand von etwa 1 mm bis etwa 3 mm Gleitentladungen auf dem Werkstück erzeugt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können sich bei Betrieb der Vorrichtung die erste Gegenelektrode und die zweite Gegenelektrode auf einem Massepotential befinden. In diesem Betriebszustand wird zwischen der ersten Gegenelektrode und der Elektrode im Inneren des Entladungsraumes eine Entladung erzeugt, deren Plasma aus der Plasmadüse ausgetrieben wird. Die zweite Gegenelektrode bildet ein Gegenpotential zu dem aus der Düse austretenden Plasma. Auf diese Weise sind Gleitentladungen in einem Abstand von etwa 3 mm bis etwa 20 mm zur Werkstückoberfläche möglich.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Prozessgas ausgewählt sein aus Argon und/oder Helium und/oder
Umgebungsluft und/oder synthetischer Luft und/oder Gasgemischen aus Stickstoff und Sauerstoff im Mischungsverhältnis 90/10 oder 95/5 Volumenprozent.
Als mögliche Oberflächenbehandlungen mit dem Plasmastrahl einer erfindungsgemäßen Plasmadüse sind alle bisherigen Einsatzgebiete, in denen Plasma eine Anwendung findet, möglich, z.B. Oberflächenfunktionalisierung, Qberflächen- aktivierung, Schichtabscheidung, Feinstreinigung und/oder Desinfektion .
Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Plasmadüse während deren Verwendung bei der Oberflächenbehandlung eines Werkstückes.
Fig. 2 die stiftförmige Elektrode der Plasmadüse aus Figur 1 als Detaildarstellung.
Fig. 3a bis c erfindungsgemäße Plasmadüse aus Figur 1 in
verschiedenen Betriebsmodi .
Fig. 4a und b Qualitätsparameter von Arbeitsergebnissen bei der Oberflächenbehandlung von Werkstücken in
Abhänggigkeit von Betriebsparametern des
erfindungsgemäßen Verfahrens in jeweils einer Balkendiagrammdarstellung .
Fig. 5a bis c photographische Aufnahmen des Plasmastrahls einer erfindungsgemäßen Plasmadüse.
In Figur 1 ist eine geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Plasmadüse 1 während deren Verwendung bei der Oberflächenbehandlung eines Werkstückes 3 mit einem Plasmastrahl 5 gezeigt. Die Plasmadüse 1 weist eine stiftförmige Elektrode 7 zum Beaufschlagen mit einer insbesondere
gepulsten Hochspannung auf. Diese Stiftelektrode 7 wird daher im Folgenden auch als Hochspannungselektrode
bezeichnet. Die Stiftelektrode 7 ist von einer Ummantelung 9 aus einem dielektrischen Material konzentrisch umgeben. Die Ummantelung 9 weist eine zylindrische Grundform auf.
Zwischen der Elektrode 7 und der Ummantelung 9 ist eine Entladungskammer 11 ausgebildet. Die Entladungskammer 11 weist eine Einlassöffnung 12 für ein Prozessgas, z.B. Argon, Helium und/oder Luft, und eine Düsenöffnung 14 zum Austreten des Plasmastrahls 5 auf. Der Plasmastrahl 5 wird aus in der Entladungskammer 11 erzeugtem und durch eine Strömung des Prozessgases aus der Düsenöffnung 14 ausgetriebenem Plasma erzeugt. Das strömende Prozessgas ist in der Figur durch einen Blockpfeil im Bereich der Einlassöffnung 12 symbolisch dargestellt .
Weiter ist eine die Entladungskammer 11 in einem Bereich ringförmig umgebende zweite Gegenelektrode 16 aus Metall vorgesehen. Die zweite Gegenelektrode 16 ist durch die dielektrische Ummantelung 9 von der Elektrode 7, zur
Erzeugung von dielektrisch behinderten Entladungen in dem Prozessgas zwischen der stiftförmigen Elektrode 7 und der Gegenelektrode 16 elektrisch isoliert. Die zweite
Gegenelektrode 16 kann zur Erzeugung der dielektrisch behinderten Entladungen auf Masse gelegt, d. h. elektrisch geerdet, sein, weshalb sie im Folgenden auch als Massering bezeichnet wird. Die elektrische Kontaktierung ist in der Figur nicht eingezeichnet .
Die zweite Gegenelektrode 16 ist derart im Bereich der
Düsenöffnung 14 angeordnet, dass die Düsenöffnung 14 zentral durch die zweite Gegenelektrode 16 verläuft. Weiter weist die zweite Gegenelektrode 16 eine tellerförmig verbreiterte Ringoberfläche 18 auf. Unter tellerförmig verbreitert wird dabei ein Ring mit einer Form verstanden, dessen radiale Ringbreite größer ist als seine axiale Ringhöhe. Die der Plasmastrahlrichtung abgewandte Ringoberfläche 18 der tellerförmig verbreiterten Gegenelektrode 16 ist von der Ummantelung 9 überdeckt und damit ebenfalls von der
Hochspannungselektrode 7 mittels des Dielektrikums der
Ummantelung 9 abgeschirmt. Derart weist die Plasmadüse 1 in ihrem unteren Bereich, d.h. im Bereich der Düsenöffnung 14, eine tellerförmige Verbreiterung (Tellerunterseite) auf. Die Ummantelung 9 wird daher im Folgenden auch als Tellerstab bezeichnet und die gesamte Plasmadüse 1 wird im Folgenden auch als „Disk-Jet" bezeichnet. Die Flächennormalen der tellerförmig verbreiterten Ringoberfläche 18 und der
entsprechend ausgeformten Tellerunterseite verlaufen in etwa parallel zur Austrittsrichtung des erzeugten Plasmastrahls 5. Die Düsenöffnung 14 verläuft radial mittig durch die tellerförmige Gegenelektrode 16.
Die Plasmadüse 1 weist weiterhin eine erste Gegenelektrode 20 aus Metall auf, die ebenfalls zum Betrieb der Plasmadüse 1 elektrisch auf Masse gelegt werden kann. Diese erste Gegenelektrode 20 umgibt die Entladungskammer 11 ebenfalls ringförmig und ist durch die Ummantelung 9 von der
stabförmigen Elektrode 7 isoliert. Die erste Gegenelektrode 20 ist dabei auf Höhe der stabförmigen Elektrode 7
angeordnet und wird im Folgenden auch als oberer Massering bezeichnet, wogegen die im Bereich der Düsenöffnung 14 angeordneten zweite Gegenelektrode 16 als unterer Massering bezeichnet wird. Das elektrische Erdpotential der Masse kann auch durch ein beliebig anderes Potential ersetzt werden und/oder es können auch beide Masseringe auf
unterschiedliche Potentiale gelegt werden, d.h. mit jeweils unterschiedlichen Spannungsquellen elektrisch verbunden werden. Aus sicherheits- und anwendungstechnischen Gründen ist das Erdpotential jedoch zu bevorzugen.
Die Plasmadüse 1 kann daher als „Disk-Jet mit doppelter Masse" bezeichnet werden. Von der ersten Gegenelektrode 20 gegenüber der im Bereich der Düsenöffnung 14 angeordneten zweiten Gegenelektrode 16 wird eine Vorentladungselektrode ausgebildet. D.h. das durch Entladungen zwischen der ersten Gegenelektrode 20 und der stabförmigen Elektrode 7 erzeugte Plasma wird von der Strömung des Prozessgases zur im Bereich der Düsenöffnung 14 angeordneten zweiten Gegenelektrode 16 transportiert, wodurch das Zünden von dielektrisch
behinderten Entladungen im Bereich der letztgenannten zweiten Gegenelektrode möglich wird, d.h. eine dielektrisch behinderte Nachentladung angeregt wird. Die Hochspannungselektrode 7 weist Gasdurchführungen 25 auf und fungiert dadurch zugleich als Prozessgaszuführung, d.h. Einlassöffnung 12. Sie ist aus einem leitenden Material z.B. Edelstahl, Aluminium, und/oder Messing gefertigt. Der
Tellerstab dient als Dielektrikum und ist aus einem
dielektrischen Material z.B. Keramik, Glas, und/oder Polymer gefertigt. Im oberen Bereich der Tellerstabhülse, d.h. dem zylindrischen, die Entladungskammer ausbildenden Teil der Ummantelung 9, ist der obere Massering angebracht. Die
Masseringe sind außerhalb der Entladungskammer 11 mit einer optionalen hochspannungsfesten Vergussmasse 27 von der
Hochspannungselektrode 7 abgeschirmt, damit keine
parasitären Entladungen im Inneren des einen Elektrodenkopf ausbildenden Teils der Plasmadüse 1 auftreten. Die
Vergussmasse 27 dient auch zur Fixierung der Masseringe zwischen der Ummantelung 9 und dem Gehäuse 29 der Plasmadüse 1.
Auf Basis dieser Anordnung kann bei angelegter Spannung und eingeschalteter Prozessgaszufuhr bereits ein Plasmastrahl 5 mit Plasmaerzeugung aus dielektrisch behinderter Entladung (DBD-Jet) zwischen Hochspannungselektrode 7 und oberem
Massering 20 gezündet werden. Je nach Prozessgas und
angelegter elektrischer Leistung lässt sich dieser DBD-Jet bis zu 50 mm aus der Düsenöffnung 14 austreiben. Dieser DBD- Jet kann beispielsweise auch mit Druckluft als Prozessgas gezündet werden.
Bei der beschriebenen Entladungsanordnung des „Disc-Jet" zwingt der konzentrische untere Massering 16 aus der
Düsenöffnung 14 ausgetriebene Filamente von Entladungen dazu, an der Unterseite des Tellers, d.h. an der dem
Werkstück zugewandten tellerartig verbreiterten Unterseite der Ummantelung 9 zu zünden. So kann, im freien Betrieb, d.h. ohne dass sich ein Werkstück unter der Quelle, d.h. der Düsenöffnung 14, befindet, eine Entladung zünden, die nach dem Prinzip eines Repeaters agiert. Bei letzterem Prinzip erzeugt die Entladung zwischen dem oberem Massering 20 und der Hochspannungselektrode 7, bzw. das Plasma dieser Entladung, eine weitere Entladung im Bereich des unteren
Masserings 16 und wird deshalb im übertragenen Sinne wiederholt. Die Filamente der Entladungen im Bereich des unteren Masserings 16 können direkt mit der zu behandelnden Oberfläche in Kontakt kommen. Derartige Oberflächenentladungen weisen eine bessere Effizienz als Remote-Plasmen auf. Die reaktiven Spezies im Plasma reagieren auf ihrem Weg zur Werkstückoberfläche bei Remote-Plasmen zu einem großen Teil ab, was große Effizienzeinbußen in der Aktivierung der Oberfläche hervorbringt. Letzteres ist bei Oberflächenentladungen nicht der Fall. Zudem kommen die Filamente bei Oberflächenentladungen mit der Oberfläche in Kontakt, was eine Feinstreinigung der Oberfläche ermöglicht.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt ein DBD-Remote Plasma als Zündquelle und projiziert ihr Potential auf die nichtleitende Oberfläche des Werkstücks. Da das nichtleitende Werkstück somit indirekt zu einem
Gegenpotential, auch Floating Potential genannt, für den unteren Massering 16 wird, kommt es zwischen der
Tellerunterseite und dem nichtleitenden Werkstück zur
Ausbildung von tangierenden Filamenten einer Entladung. Je nach Abstand zwischen Tellerunterseite und Werkstück bildet sich somit, unterstützt vom Staudruck des kontinuierlich strömenden Prozessgases, eine über die Oberfläche der
Tellerunterseite (Tellerfläche) weitgehend homogene
Plasmaentladung aus.
In Figur 2 ist die stiftförmige Elektrode 7 der Plasmadüse aus Figur 1 als Detaildarstellung gezeigt. Die dargestellte Stiftelektrode 7 ist radialsymmetrisch ausgebildet. An ihrer, der Spitze 30 der Stiftelektrode 7 abgewandten
Elektrodenbasis 31 weist die Stiftelektrode 7 Nuten 32 auf, die zur Fixierung der Stiftelektrode 7 in der Ummantelung 9 der Plasmadüse dienen. Weiter sind im Bereich der Elektrodenbasis 31 Gasdurchführungen 25 radialsymmetrisch innerhalb der Stiftelektrode 7 angeordnet. Diese bilden die Einlassöffnung der Plasmadüse für das Prozessgas aus.
In den Figuren 3a bis c ist die erfindungsgemäße Plasmadüse aus Figur 1 während ihres Betriebes in verschiedenen
Betriebsmodi dargestellt. Aufgrund der Elektrodenkonfiguration mit einer Hochspannungselektrode und zwei
Gegenelektroden, nämlich dem oberen und dem unteren
Massering, kann der „Disk-Jet" in drei verschiedenen Modi betrieben werden. In den Figuren 3a bis c sind die drei Modi dargestellt. Die elektrische Kontaktierung ist jeweils schaltplanartig eingezeichnet.
Legt man bei einer an eine Hochspannungsquelle angeschlossener Hochspannungselektrode die Masse lediglich an den oberen Massering an, erhält man eine reine DBD-Jet- Entladung deren Plasmastrahl 40 in Figur 3a (Betriebsmodus „DBD-Jet") gezeigt ist. Dieser Plasmastrahl 40 weist eine Länge bis 50 mm bei den Prozessgasen Argon, Helium oder Luft auf .
Wird hingegen, wie in Figur 3b, nur der untere Massering mit Masse kontaktiert, d.h. geerdet, so erhält man Entladungsbzw. Plasmafilamente 41 als Plasmastrahl, die direkt von der Hochspannungselektrode auf den unteren Massering zünden. Die Plasmafilamente 41 gleiten in diesem Modus über die Tellerfläche der Elektrode. Eine deutliche Interaktion der
Entladungsfilamente 41 mit der Werkstückoberfläche ist dadurch möglich. Realisierbare Entladungsabstände zum zu behandelnden Werkstück liegen je nach Prozessgas zwischen 1 mm bei Luft als Prozessgas und 3 mm bei Argon oder Helium als Prozessgas. Der effektivste Modus ist in Figur 3c dargestellt (Betriebsmodus „Disc-Jet") . Dabei sind beide Masseringe elektrisch mit Masse kontaktiert. Wie beschrieben fungiert der untere Massering dabei als „Repeater". Das zwischen Hochspannungselektrode und oberem Massering generierte
Remoteplasma wird aus der Düsenöffnung als Plasmastrahl ausgeblasen und bietet mit seinem Floating Potential dem unteren Massering ein Gegenpotential. Entladungsfilamente 42 einer Entladung zünden an die Tellerunterseite, welche das Dielektrikum für den unteren Massering darstellt. Auf diese Weise sind Gleitentladungen bei Entladungsabständen zum Werkstück zur Düsenöffnung von 3 mm bei Luft als Prozessgas bis zu 20 mm bei Argon oder Helium als Prozessgas möglich. Die Entladungsfilamente 42 interagieren sowohl chemisch als auch physikalisch mit der zu behandelnden Oberfläche und bewirken sowohl eine Oberflächenaktivierung/ bzw. -funk- tionalisierung als auch eine Feinstreinigung von beliebig dicken, nichtleitenden Werkstücken auf dem Niveau von direkt agierenden dielektrisch behinderten Entladungen.
Der „Disc-Jet" ist basierend auf seiner Bauform einfach in bestehende Prozesse integrierbar und aufgrund seiner
Effektivität auch unter Industriebedingungen einsetzbar. Sowohl auf flächigem Platten-/Folienmaterial , als auch auf komplizierten Werkstückgeometrien oder Hinterschneidungen ist ein Plasma unter Verwendung des „Disc-Jet" optimal zu applizieren .
In den Figuren 4a und b sind Qualitätsparameter von
Arbeitsergebnissen bei der Oberflächenbehandlung von
Werkstücken in Abhänggigkeit von Betriebsparametern des erfindungsgemäßen Verfahrens in jeweils einer Balkendiagrammdarstellung im Vergleich gezeigt. Figur 4a zeigt die Abhebefestigkeit von wasserbasierenden Lacken auf PVC im Vergleich bei der Oberflächenbehandlung im Betriebsmodus „DBD-Jet" und „Disc-Jet" mit Prozessgas Argon. Vergleiche zwischen dem „Disc-Jet" Modus und einem baugleichen DBD-Jet Modus (d.h. der untere Massering wurde weggelassen bzw. nicht auf Masse gelegt, d.h. nicht elektrisch mit Erdpotential verbunden) haben gezeigt, dass der „Disc- Jet" beispielsweise bis zu 100% bessere Ergebnisse in der Haftfestigkeit von wasserbasierenden Lacken (der sogenannten adhesive pull strength [MPa] ) auf Polyvinylchlorid (PVC) und Polypropylen (PP) erreicht. In Figur 4a sind die Oberflächenbehandlungsergebnisse der beiden Betriebsmodi bei unterschiedlichen Prozessgeschwindigkeiten
gegenübergestellt. Das Prozessgas ist Argon. Bei geringen Behandlungsgeschwindigkeiten zeigen sich keine signifikanten Unterschiede in der Haftfestigkeit der Lackschicht. Ab 4 meter/min bis hin zu 32 meter/min zeigt sich eine drastische Abnahme der Behandlungsergebnisse des DBD-Jet Modus, wohingegen der Disc-Jet Modus signifikant bessere Ergebnisse in der Haftfestigkeit des Lackes zeigt. Seine Vorteile zeigen sich somit insbesondere bei hohen Behandlungsgeschwindigkeiten, die besonders für die Industrie eine hohe Relevanz besitzen. Die Entladung des „Disc-Jet" hat Gleit- entladungscharakter und kann im freien Betrieb, d.h. ohne dass sich ein Werkstück unter der Quelle befindet, mit
Entladungsabständen zwischen Düsenöffnung und Werkstückoberfläche bis zu 20 mm realisiert werden. Somit ist eine hohe Spaltgängigkeit , d.h. Eindringtiefe in Oberflächenspalten, auf Basis direkter Entladungen realisiert, was eine effiziente Behandlung von profilierten bzw. strukturierten Oberflächen oder auch Werkstücken mit größeren Form- oder Lagetoleranzen ermöglicht.
In Figur 4b sind Ergebnisse der Abhebefestigkeit von wasserbasierenden Lacken auf PVC bei einer Oberflächenbehandlung mit einer erfindungsgemäßen Plasmadüse im Disc-Jet Modus mit zwei verschiedenen Prozessgasen, nämlich Argon und Luft, gegenübergestellt. Behandelt wurden Profile auf PVC Basis, welche nach der Behandlung mit wasserbasierendem Lack lackiert wurden. Die Verwendung von Argon als auch Luft ermöglicht mit sämtlichen Behandlungsgeschwindigkeiten eine deutliche Optimierung bis 300% der Abhebefestigkeiten des Lackes im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen.
In Fig. 5a bis c sind photographische Aufnahmen des Plasmastrahls einer erfindungsgemäßen Plasmadüse im Betriebsmodus „Disc-Jet" gezeigt.
Figur 5a zeigt die flächige Ausbildung der Gleitentladung des „Disc-Jet" auf einer Werkstückoberfläche. Der
Entladungsabstand ist bei den durchgeführten Versuchen gemäß den Figuren 4 für die flächige Behandlung konstant 3 mm. Es ist deutlich eine flächige Entladung über die Werkstückoberfläche zu erkennen.
Figur 5b zeigt die Entladungscharakteristik des „Disk-Jet" im freien Betrieb (Entladung ohne Werkstück) . Die Filamente treten aus der Mündung der Düsenöffnung aus und zünden nach einer gewissen Strecke wieder hoch zur Tellerfläche des „Disk-Jet". Je nachdem wie nah das Werkstück zur Quellenunterseite, d.h. der Düsenöffnung, hindurchgefahren wird, gleiten die Filamente über die Oberfläche des Werkstücks und formen eine flächige Entladung aus, die sich mit
Verringerung des Abstands an die Größe der Tellerfläche anpasst .
Figur 5c zeigt den Einsatz des „Disc-Jet" auf einem Kunststoffprofil mit einer 10 mm tiefen Längsnut mit Hinter- schneidung. Auch hier sieht man den Plasmastrahl als
Plasmabündel aus der Düsenmündung heraustreten. Dieses Bündel bildet auf dem Boden der Längs-Nut einen großen
Fußpunkt aus, von dem aus Filamente zur Tellerfläche des „Disc-Jets" zünden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese
Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Ansprüche
Plasmadüse (1) zum Erzeugen eines Plasmastrahls (5) mit zumindest einer Elektrode (7) , einer die Elektrode (7) konzentrisch umgebenden
Ummantelung (9), wobei zwischen der Elektrode (7) und der Ummantelung (9) eine Entladungskammer (11)
ausgebildet ist, und wobei die Entladungskammer (11) eine Einlassöffnung (12) für ein Prozessgas und eine Düsenöffnung (14) zum Austreten des Plasmastrahls (5) aufweist und die Ummantelung (9) ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht, einer die Entladungskammer (11) in einem ersten
Längsabschnitt ringförmig umgebende erste Gegenelektrode (20) , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gegenelektrode (20) durch die Ummantelung (9) von der Elektrode (7) elektrisch isoliert ist und weiterhin eine zweite Gegenelektrode (16) vorhanden ist, welche die Entladungskammer (11) in einem zweiten
Längsabschnitt ringförmig umgibt, wobei die zweite
Gegenelektrode (16) eine tellerförmig verbreiterte
Ringoberfläche (18) aufweist.
Plasmadüse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gegenelektrode (16) konzentrisch zur Düsenöffnung (14) angeordnet ist.
Plasmadüse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächennormale der tellerförmig verbreiterten Ringoberfläche (18) der zweiten
Gegenelektrode (16) in etwa parallel zur
Austrittsrichtung des erzeugbaren Plasmastrahls verläuft.
4. Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringoberfläche (18) von der Ummantelung (9) überdeckt ist.
5. Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (7) mit einem
Dielektrikum beschichtet ist, insbesondere einem
Dielektrikum, welches Polytetrafluorethylen enthält oder daraus besteht.
6. Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (12) durch mindestens eine Gasdurchführung (25) in der Elektrode ausgebildet (7) ist.
7. Plasmadüse (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdurchführungen (25) radialsymmetrisch in der Elektrode (7) angeordnet sind.
8. Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gegenelektrode (20) und die zweite Gegenelektrode (16) mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen verbindbar sind.
9. Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasmadüsengehäuse (29) vorgesehen ist, wobei die Gegenelektroden (16, 20) mittels einer Vergussmasse (27) zwischen der Ummantelung (9) und dem Plasmadüsengehäuse (29) fixiert sind.
10. Verfahren zur Verwendung einer Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den Verfahrensschritten
Zuführen eines eine Strömung aufweisenden Prozessgases durch die Einlassöffnung (12) in eine Entladungskammer (11) und
Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen einer in der Entladungskammer (11) angeordneten
Elektrode (7) und einer zweiten Gegenelektrode (16), so dass sich in der Entladungskammer (11) ein Plasma durch Zünden von dielektrisch behinderten Entladungen in dem Prozessgas in der Entladungskammer (11) ausbildet, und
Erzeugen eines Plasmastrahls (5) aus von der Strömung aus der Düsenöffnung (14) ausgetriebenem Plasma, wobei die zweite Gegenelektrode (16) eine tellerförmig verbreiterte Ringoberfläche (18) aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl (5) auf eine Oberfläche eines
Werkstückes (3) einwirkt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine erste Gegenelektrode vorhanden ist, wobei die erste Gegenelektrode (20) auf einem Massepotential liegt und sich die zweite
Gegenelektrode (16) auf einem Floating-Potential befindet
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine erste Gegenelektrode vorhanden ist, wobei die zweite Gegenelektrode (16) auf einem Massepotential liegt und sich die erste
Gegenelektrode (20) auf einem Floating-Potential befindet
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine erste Gegenelektrode vorhanden ist, wobei sich die erste Gegenelektrode (20) und die zweite Gegenelektrode (16) auf einem
Massepotential befinden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass das Prozessgas ausgewählt ist aus Argon und/oder Helium und/oder Umgebungsluft.
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