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EP1872637A1 - Vorrichtung und verfahren zur plasmabeschichtung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur plasmabeschichtung

Info

Publication number
EP1872637A1
EP1872637A1 EP06722775A EP06722775A EP1872637A1 EP 1872637 A1 EP1872637 A1 EP 1872637A1 EP 06722775 A EP06722775 A EP 06722775A EP 06722775 A EP06722775 A EP 06722775A EP 1872637 A1 EP1872637 A1 EP 1872637A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
plasma
vacuum chamber
resonant circuit
inductance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP06722775A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1872637B1 (de
Inventor
Stefan Laure
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Laure Plasmatechnologie GmnH
Original Assignee
Dr Laure Plasmatechnologie GmnH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dr Laure Plasmatechnologie GmnH filed Critical Dr Laure Plasmatechnologie GmnH
Publication of EP1872637A1 publication Critical patent/EP1872637A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1872637B1 publication Critical patent/EP1872637B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/22—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc
    • B05B7/222—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc
    • B05B7/226—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc the material being originally a particulate material
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid

Definitions

  • the invention is based on a device and a method for plasma coating large-volume components by means of a high-frequency electromagnetic field.
  • the functionality and the properties of the. can be selected by appropriate choice of the plasma parameters such as pressure, temperature and plasma composition
  • Surface can be specifically influenced and changed.
  • Methods are known in the art for treating, modifying or coating a surface of any material that uses particle or energy streams from a plasma. These include, among others, plasma spraying, arc plasma melting,
  • Plasma heat treatment process plasma CVD process and
  • Plasma cleaning The modification of the functionality of workpiece surfaces takes place by targeted attack of plasma particles. This can be done by interaction with particles having certain chemical properties or by the action of radiation emitted by the plasma.
  • the coating material is added by supplying energy in the vapor or gaseous state and deposited from the vapor or gas phase on the component.
  • a plasma torch is used to generate a plasma.
  • a flowing gas is passed through an arc ionized and heated to temperatures of 10,000 to 20,000 K.
  • the flowing gas is ionized by applying a high frequency electromagnetic field to a cylindrical coil.
  • a cylindrical discharge vessel which is made of a dielectric material, a relatively dense plasma with a high energy density is formed.
  • plasma temperatures of up to 20,000 K can be achieved.
  • thermal plasmas described above are suitable for the machining of components that are characterized by a certain temperature capability. For components made of plastic or already painted components, which may be exposed to a maximum temperature of only 100-200 0 C, such methods can not be used.
  • high frequency generators are also used. Their frequency range is between a few hundred kilohertz and several ten gigahertz.
  • the plasma is made swell on the surfaces of electrodes or antennas and spreads out into the room.
  • the coating material is removed by sputtering from a so-called sputtering target or vaporized in the physical vapor deposition process, PVD for short, and then deposits on the component.
  • PVD physical vapor deposition process
  • a disadvantage is that the composition and the temperature of the plasma changes with increasing distance from the plasma torch. This makes it difficult to deposit a uniform layer over the entire surface of the component.
  • only coatings of a limited number of brush materials can be produced by these methods.
  • a disadvantage of the plasma treatment of the entire surface of a large component with the PVD method is that the mean free path length must be large and the pressure in the vacuum chamber must be very small. This is associated with a high technical and financial expense due to the size of the component associated size of the vacuum chamber.
  • the known methods are not suitable for the treatment of gaps, joints, cavities and undercuts, which occur in the bodies of vehicles.
  • the surfaces facing away from the plasma source are not exposed to a uniform plasma. On the surfaces facing the plasma source, uniform processing can not be guaranteed due to the high gradients. This is especially true for machining operations that are dominated by radiation processes.
  • the device according to the invention with the features of claim 1 and the method according to the invention with the features of claim 15 have the advantage that large components can be subjected over the entire surface of a uniformly acting plasma treatment and provided with a uniform coating.
  • the treatment and coating includes both the outer and the inner surfaces. Columns, joints, cavities and undercuts are also processed. Such areas occur in particular on components which are composed of several elements.
  • the device according to the invention and the method according to the invention can be used with any components of different sizes.
  • the component is introduced into a vacuum chamber of the plasma coating apparatus. Subsequently, the component is connected to a resonant circuit with high-frequency generator. For this purpose, either one pole or two poles of the resonant circuit are connected to the component. In the first case, the second pole is earthed. The component thus forms part of the resonant circuit.
  • the high-frequency alternating current flows through the component.
  • the inductance and the capacitance of the component thereby influence the inductance and the capacitance of the resonant circuit.
  • the resonant circuit which consists of the component to be machined and its own capacitances and inductances, must be adapted accordingly.
  • the adjustment of the capacitances and inductances of the resonant circuit can be done either manually or automatically.
  • an automatic setting first the capacitance and the inductance of the component are determined.
  • the variation of the capacitances and inductances of the resonant circuit causes a change of the frequency.
  • an additional plasma torch which is connected to the vacuum chamber is ignited and the coating material (s) is introduced into the plasma jet.
  • the one with the Coating plasma jet then expands into the vacuum chamber and interacts with the plasma in the vicinity of the device. In this case, a homogeneous and uniform coating of the coating materials is deposited on the entire surface of the component.
  • one or more plasma torches can be arranged on the vacuum chamber.
  • a plurality of openings for connecting the plasma torches may be provided on the vacuum chamber. If the openings can be closed by flanges in the event of non-use.
  • a chemical treatment of the surface of the component can be carried out before the plasma coating.
  • the plasma radiation can influence the physical properties of the surface. These include, for example, the crosslinking of UV varnishes. Due to the formation of surface discharges electrical effects occur on the surface, which can be used for their processing.
  • the distance between the electrodes and the component does not have to be set.
  • the plasma is generated by the formation of eddy currents on the surface of the component.
  • the alternating current flowing through the component causes oscillating magnetic fields, which propagate depending on the geometry of the component in its environment.
  • the temporal change of the magnetic field leads to electric fields, which are responsible for the generation and maintenance of the plasma in the environment of the component.
  • the plasma which is generated by means of the resonant circuit on the surface of the component, has a relatively low energy density.
  • the associated temperature is usually not sufficient alone to vaporize a coating material.
  • the additional plasma torch ensures that any coating materials in the vapor or gas phase can be made available. Whether a material can be used as a coating material does not depend on the boiling temperature but on the energy density in the additional plasma torch. Examples of coating materials are titanium dioxide, titanium-H-butoxide, ceramics, zirconium chloride or oxychlorides.
  • the coating materials can be introduced in the solid, liquid or gaseous state via the feed devices into the plasma of the plasma torch.
  • the coating materials may be present in pure form or as a chemical compound in combination with other substances. Solid coating materials can also be present in solution. This provides an additional extension of the spectrum of possible coating materials.
  • the additional plasma torch is preferably an arc plasma torch having a cathode and an anode.
  • Arc plasma torch the working gas is initially at a very high
  • the temperature and pressure prevailing in the plasma torch are adjusted according to the chemical requirements resulting from the particular coating. This is done, for example, by the choice of the gas flow, the power of the direct current and a suitable one
  • the transport device for introducing the component into the vacuum chamber on one or more rails and a drive.
  • the rails can be adapted to the component.
  • an electrical insulation is provided to isolate the component against the vacuum chamber.
  • the resonant circuit has high-frequency lines.
  • the vacuum chamber bushings are provided with electrical insulation for the high-frequency lines.
  • metal sheets, tubes and / or grids are provided in the vacuum chamber.
  • the component represents an antenna, from which electromagnetic waves are radiated into the space of the vacuum chamber. This effect can be supported by other antenna-like elements in the vicinity of the component. These include metal sheets or grids. Spirally arranged pipes, for example made of copper, can also bring about this effect.
  • the electromagnetic waves are coupled into these parts and provide additional plasma generation at a certain distance from the component. In this way, the radiation flux of the plasma can be controlled in the direction of the component.
  • the arc plasma torch on several expansion stages for the mixing of different coating materials.
  • Each expansion stage has a supply device for introducing a gas, a liquid and / or a powder into the plasma.
  • the different expansion stages are arranged in the beam direction of the plasma jet in succession.
  • the cross sections of the different expansion stages can be different.
  • the cross section increases from expansion stage to expansion stage in beam direction.
  • the choice of a suitable expansion ratio also ensures that the plasma provided with the coating materials flows into the vacuum chamber and not in the direction of the cathode of the plasma torch.
  • the plasma jet cools before interacting with the plasma on the device.
  • a mixing chamber adjoins the expansion stages in the flow direction.
  • a mixing of different coating materials is achieved by turbulence of the plasma jet.
  • the plasma torch together with the mixing chamber form a double Laval nozzle.
  • the cross-section of the mixing chamber narrows in the flow direction to then expand again and narrow again.
  • the mixing chamber is connected as an anode or placed on the same potential as the anode. This keeps the temperature in the plasma torch high.
  • the chemical reactions in the plasma torch can be controlled in this way.
  • a working gas is added to the vacuum chamber.
  • the pressure in the vacuum chamber can be increased. For example, pressures of up to 1,000 Pa are possible.
  • the working gas interacts chemically with the surface of the component. Depending on the requirements, different gases can be used as working gases.
  • an additional liquid is evaporated and added via a valve in the vacuum chamber.
  • the liquid vapor fulfills the same task as the working gases.
  • an alternating voltage of 0.1 to 10 MHz is fed into the resonant circuit via the high-frequency generator. Particularly preferably, the alternating voltage is between 1 and 4 MHz.
  • the vacuum chamber is evacuated to a pressure between 0.05 and 1000 Pa.
  • the working pressure can be increased to a few 10 mbar depending on the application.
  • FIGS. 1 and 2 show a circuit diagram of the device according to FIGS. 1 and 2,
  • FIG. 4 shows a device for plasma treatment in a view from the side, Figure 5 arc plasma torch in longitudinal section,
  • FIG. 6 Schematic diagram of the arc plasma torch according to FIG. 5.
  • Figures 1 and 2 show a device for plasma coating in a view from the front and from above.
  • a component 1 to be machined is retracted into a vacuum chamber 3 via rails 2 and rollers not visible in the drawing.
  • an insulation 4 is provided, which isolates the component 1 against the vacuum chamber 3.
  • the contact between a high-frequency resonant circuit and the component is closed. This is done via a sliding contact, which is not recognizable in the drawing, and which adheres to the component 1 by positive locking.
  • the component is now part of the resonant circuit.
  • the resonant circuit is apart from the component 1 from a high-frequency generator 5 with a feedback coil 11 shown in Figure 3, a coaxial cable 6, an outer resonant circuit 7 and a high-frequency supply line 8, at the ends of the sliding contact is provided.
  • a high-frequency feedthrough 9 is provided for the high-frequency supply line 8.
  • a reflector 10 is provided for the plasma.
  • FIG 3 shows schematically the circuit diagram of the device according to Figures 1 and 2.
  • the circuit allows the optimization of the plasma treatment.
  • the high frequency generator 5 supplies the resonant circuit via a coaxial cable 6 with alternating current.
  • the high-frequency generator 5 has a feedback coil 11 whose inductance is automatically adjustable.
  • three capacitors 12 are provided in the outer resonant circuit 7 . They can all or only partially be integrated into the resonant circuit to change the total capacity.
  • the inductance of the resonant circuit is in essentially determined by the component 1.
  • the component 1 is connected via the high-frequency supply line 8 to the outer resonant circuit 7.
  • a coil 13 is provided on the outer resonant circuit.
  • a further coil 14 is provided with a tap on the high-frequency supply line 8 directly to the coil 13. This is integrated only when necessary to adapt the total inductance in the resonant circuit.
  • the high-frequency supply line 8a is used instead of the high-frequency supply line 8.
  • the component 1 can optionally be earthed via the ground line 15.
  • the contact between component 1 and resonant circuit is checked. If the contact meets the requirements, the vacuum chamber 3 is evacuated. After the pressure in the vacuum chamber 3 has reached a certain value dependent on the type of treatment, high-frequency alternating current is fed into the resonant circuit. On the surface of the component 1, the plasma is created, which is needed for the treatment of the component.
  • the control of the plasma influence on the surface of the component takes place by controlling the anode voltage of a transmitter tube 16, which feeds the alternating current into the resonant circuit.
  • the transmitter tube is not shown in the drawing.
  • the efficiency of the coupling of the electrical power into the plasma is controlled.
  • the fine tuning of the resonant circuit during the plasma treatment is carried out by varying the inductance of the feedback coil of the resonant circuit.
  • there is also the option of making the coarse tuning of the system by inserting additional inductors 14 or capacitors 12 in the resonant circuit to the component to be machined.
  • FIG. 4 shows the device for plasma coating according to FIGS. 1 and 2 in a view from the side.
  • FIGS. 1 and 2 there are several in the representation according to FIG arranged one above the other components 17 in the vacuum chamber 3.
  • the arc plasma torch 19 can be seen, which generates the plasma jet 20.
  • the plasma jet 20 extends above the components 17 in the vacuum chamber 3.
  • the beam profile of the plasma jet 20 widens with increasing distance from the arc plasma torch 19.
  • the expansion of the plasma jet 20 depends on the pressure ratio between the pressure in the plasma torch and the pressure in the vacuum chamber. In the case of strong pressure differences, the plasma jet is widened so much that the components are wholly or partly in the plasma jet of the plasma torch. If this is not possible due to the boundary conditions, a second or third plasma torch can be connected to the vacuum chamber if required.
  • FIG. 5 shows the plasma torch 19 with a cathode 21, an anode 22 and two expansion stages 23 and 24.
  • the cathode has the shape of a cylinder with a cone at its front end.
  • the anode 22 is tubular and encloses the cathode 21.
  • Cathode 21 and anode 22 are coaxial with each other.
  • the gas to be ionized is supplied via the slit-shaped nozzle 25 between the anode and the cathode.
  • a first coating material is introduced into the plasma ignited by an arc between the anode 22 and the cathode 21 via a feed device 26.
  • a second coating material is introduced into the plasma ignited by an arc between the anode 22 and the cathode 21 via a feed device 27.
  • the feeders 26 and 27 are also referred to as precursor feeds. They consist of a perpendicular to the axis of the anode and the cathode extending recess 29 and a funnel-shaped portion 30. Depending on the application, the recess and the funnel-shaped portion may extend at an angle deviating from 90 ° to the axis of the anode and cathode.
  • the introduction of the coating materials can also be tangential to the axis of the anode and To the funnel-shaped section 30, a tube or hose with a powder conveyor, a metering pump or a metering valve can be connected. These are not shown in the drawing.
  • the two expansion stages differ in their opening cross-section.
  • the inner diameter of the second expansion stage 24 is greater than the inner diameter of the first expansion stage 23. This prevents the coating materials introduced by the feeders 26 and 27 from flowing back to the cathode 21.
  • the plasma jet 20 provided with the coating materials emerges from the arc plasma burner 19 at the opening 28 and enters the vacuum chamber 3.
  • the arc plasma torch 19 with its fastening part 3 is fastened directly to the vacuum chamber 2.
  • the first and second expansion stages 23 and 24 are at the same potential as the anode 22. This is shown in FIG.
  • the anode 22 the first expansion stage 23 and the second expansion stage 24 are manufactured in one piece. However, it is also possible to provide separate components for this, which can be interconnected. This achieves a modular design.
  • the individual expansion stages can in this case be put together depending on the application and coating material.
  • the arc plasma torch 19 is ignited as soon as the plasma generated by the resonant circuit and the high-frequency generator 5 has spread to the components 17 in the vacuum chamber 3.
  • the plasma jet 20 of the arc plasma torch 19 provided with the coating materials expands through the opening 28 into the vacuum chamber. It interacts with the plasma at the components 17. This results in a uniform deposition of the coating materials on the surfaces of the components 17.
  • the arc plasma torch 19 and the high-frequency generator 5 are turned off.
  • the arc plasma burner 19 is first switched off and then the high-frequency generator 5 with a certain time delay. Only when both plasma torches are switched off, the vacuum chamber 3 is vented. The contact with the resonant circuit is released and the component 1 or the components 17 are transported out of the vacuum chamber 3.

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Plasmabeschichtung großvolumiger Bauteile vorgeschlagen. Hierzu sind eine Vakuumkammer (3) mit einer oder mehreren Pumpen, eine Transportvorrichtung (2) zum Befördern des Bauteils (1 , 17) in die Vakuumkammer (3), eine Isolation (4) zwischen dem Bauteil (1 , 17) und der Vakuumkammer (3), ein Schwingkreis mit einem Hochfrequenzgenerator (5), eine einstellbare Kapazität und eine einstellbare Induktivität des Schwingkreises, mindestens ein Anschluss zum Verbinden des Schwingkreises mit dem Bauteil (1 ) und mindestens ein an die Vakuumkammer (3) angeschlossener Plasmabrenner (19) zur Aufbereitung eines Beschichtungswerkstoffs für das Bauteil (1 , 17) vorgesehen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Plasmabeschichtung
B E S C H R E I B U N G
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Plasmabeschichtung großvolumiger Bauteile mittels eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes.
Wird die Oberfläche eines Bauteils einem Plasma ausgesetzt, so können bei entsprechender Wahl der Plasmaparameter wie Druck, Temperatur und Plasmazusammensetzung die Funktionalität und die Eigenschaften der
Oberfläche gezielt beeinflusst und verändert werden. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Behandlung, Modifizierung oder Beschichtung einer Oberfläche aus beliebigem Material bekannt, bei denen Teilchen- oder Energieströme aus einem Plasma genutzt werden. Hierzu zählen unter anderem Plasmaspritzen, Lichtbogenplasmaschmelzen,
Plasmawärmebehandlungsverfahren, Plasma-CVD-Verfahren und
Plasmareinigung. Die Veränderung der Funktionalität von Werkstückoberflächen erfolgt durch gezielten Angriff von Plasmateilchen. Dies kann durch die Wechselwirkung mit Teilchen mit bestimmten chemischen Eigenschaften oder durch die Einwirkung von Strahlung, die vom Plasma emittiert wird, geschehen. Bei Verfahren zur Plasmabeschichtung eines Bauteils wird der Beschichtungswerkstoff durch Zufuhr von Energie in den dampfförmigen oder gasförmigen Zustand versetzt und aus der Dampf- oder Gasphase auf dem Bauteil abgeschieden.
Zur Erzeugung eines Plasmas wird ein Plasmabrenner verwendet. Beim Lichtbogen-Plasmabrenner wird ein strömendes Gas durch einen Lichtbogen ionisiert und auf Temperaturen von 10.000 bis 20.000 K aufgeheizt. Beim Hochfrequenz-Plasmabrenner wird das strömende Gas durch Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes an eine zylindrische Spule ionisiert. In einem zylindrischen Entladungsgefäß, welches aus einem dielektrischen Material gefertigt ist, entsteht ein relativ dichtes Plasma mit hoher Energiedichte. Auch hier können Plasmatemperaturen von bis zu 20.000 K erreicht werden.
Die oben beschriebenen thermischen Plasmen eignen sich für die Bearbeitung von Bauteilen, die sich durch eine gewisse Temperaturelastbarkeit auszeichnen. Bei Bauteilen aus Kunststoff oder bei bereits lackierten Bauteilen, die einer maximalen Temperatur von nur 100-2000C ausgesetzt sein dürfen, können derartige Verfahren nicht eingesetzt werden.
Eine derartige Plasmabehandlung ist zwar bei kleinen Bauteilen angemessen, jedoch eignet sie sich für große Bauteile nicht. Das Plasma tritt nur in einem eng begrenzten Bereich auf und bildet sich nicht über das gesamte Bauteil aus. Zur Plasmabehandlung der gesamten Oberfläche eines großen Bauteils muss daher der Plasmastrahl über das Bauteil geführt werden. Dies ist bei Bauteilen wie beispielsweise Karosserien von Fahrzeugen mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden.
Zur Erzeugung von dünnen Plasmen mit relativ geringen Energiedichten werden ebenfalls Hochfrequenzgeneratoren benutzt. Ihr Frequenzbereichbereich liegt zwischen einigen hundert Kilohertz und mehreren zehn Gigahertz. Das Plasma wird an den Oberflächen von Elektroden oder Antennen quellförmig erzeugt und breitet sich in den Raum aus. Der Beschichtungswerkstoff wird durch Sputtem aus einem so genannten Sputter- Target herausgelöst oder bei den Verfahren des Physical Vapor Deposition, kurz PVD, verdampft und scheidet sich anschließend an dem Bauteil ab. Als nachteilig erweist sich, dass sich die Zusammensetzung und die Temperatur des Plasmas mit wachsendem Abstand vom Plasmabrenner verändert. Dadurch wird das Abscheiden einer gleichmäßigen Schicht auf der gesamten Oberfläche des Bauteils erschwert. Außerdem können mit diesen Verfahren nur Beschichtungen aus einer begrenzten Anzahl an Besen ichtungswerkstoffen hergestellt werden.
Ein Nachteil der Plasmabehandlung der gesamten Oberfläche eines großen Bauteils mit den PVD-Verfahren besteht darin, dass die mittlere freie Weglänge groß und der Druck in der Vakuumkammer sehr klein sein muss. Dies ist aufgrund der mit der Größe des Bauteils verbundenen Größe der Vakuumkammer mit einem hohen technischen und finanziellen Aufwand verbunden.
Darüber hinaus eignen sich die bekannten Verfahren nicht zur Behandlung von Spalten, Fügestellen, Hohlräumen und Hinterschneidungen, welche bei Karosserien von Fahrzeugen auftreten. Die der Plasmaquelle abgewandten Flächen sind keinem gleichmäßigen Plasma ausgesetzt. Auf den der Plasmaquelle zugewandten Flächen kann aufgrund der starken Gradienten eine gleichmäßige Bearbeitung nicht garantiert werden. Dies gilt vor allem für Bearbeitungsvorgänge, die von Strahlungsprozessen dominiert werden.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Demgegenüber haben die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 den Vorteil, dass große Bauteile über die gesamte Oberfläche einer gleichmäßig wirkenden Plasmabehandlung unterzogen und mit einer gleichmäßigen Beschichtung versehen werden können. Die Behandlung und Beschichtung schließt sowohl die Außen- als auch die Innenflächen ein. Spalte, Fügestellen, Hohlräume und Hinterscheidungen werden ebenfalls bearbeitet. Derartige Bereiche treten insbesondere bei Bauteilen auf, welche aus mehreren Elementen zusammengesetzt sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können bei beliebigen Bauteilen unterschiedlicher Größe eingesetzt werden.
Sie eignen sich insbesondere für große Bauteile wie beispielsweise
Fahrzeugkarosserien, Flugzeug- und Maschinenteilen, um nur einige Beispiele zu nennen. Voraussetzung hierzu ist, dass die Vakuumskammer die notwendige Größe aufweist, und dass die Transportvorrichtung an das Bauteil angepasst ist.
Das Bauteil wird in eine Vakuumkammer der Vorrichtung zur Plasmabeschichtung eingebracht. Anschließend wird das Bauteil an einen Schwingkreis mit Hochfrequenzgenerator angeschlossen. Hierzu werden entweder ein Pol oder zwei Pole des Schwingkreises mit dem Bauteil verbunden. Im ersten Fall wird der zweite Pol geerdet. Das Bauteil bildet damit einen Teil des Schwingkreises. Der hochfrequente Wechselstrom fließt durch das Bauteil. Die Induktivität und die Kapazität des Bauteils beeinflussen dabei die Induktivität und die Kapazität des Schwingkreises. Um die optimale Ankopplung der elektrischen Leistung an das Bauteil sicherzustellen, muss der Schwingkreis, der aus dem zu bearbeitenden Bauteil und seinen eigenen Kapazitäten und Induktivitäten besteht, entsprechend angepasst werden. Dies geschieht durch die Variation der Kapazitäten und Induktivitäten des Schwingkreises. Die Einstellung der Kapazitäten und Induktivitäten des Schwingkreises kann entweder manuell oder automatisch erfolgen. Bei einer automatischen Einstellung werden zunächst die Kapazität und die Induktivität des Bauteils ermittelt. Die Variation der Kapazitäten und Induktivitäten der Schwingkreises bewirkt eine Veränderung der Frequenz. Sobald die Parameter bis Schwingkreises derart eingestellt sind, dass an der Oberfläche des Bauteils einem Plasma brennt, wird ein zusätzlicher Plasmabrenner, der an die Vakuumkammer angeschlossen ist, gezündet und der oder die Beschichtungswerkstoffe in den Plasmastrahl eingeleitet. Der mit den Beschichtungswerkstoffen versehene Plasmastrahl expandiert anschließend in die Vakuumkammer und tritt mit dem Plasma in der Umgebung des Bauteils im Wechselwirkung. Dabei wird an der gesamten Oberfläche des Bauteils eine homogene und gleichmäßige Beschichtung aus den Beschichtungswerkstoffen abgeschieden.
Je nach Größe, Form und Anzahl der Bauteile können ein oder mehrere Plasmabrenner an der Vakuumkammer angeordnet werden. Hierzu können an der Vakuumkammer mehrere Öffnungen zum Anschließen der Plasmabrenner vorgesehen sein. Werden die Öffnungen können im Fall des Nichtgebrauchs durch Flansche verschlossen werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren sind unterschiedliche Bearbeitungen des Bauteils möglich. Durch die chemische Wirkung der Plasmapartikel kann vor der Plasmabeschichtung eine chemische Bearbeitung der Oberfläche des Bauteils erfolgen. Durch die Plasmastrahlung können die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche beeinflusst werden. Hierzu zählt beispielsweise die Vernetzung von UV-Lacken. Durch die Ausbildung von Oberflächenentladungen treten elektrische Effekte an der Oberfläche auf, die zu deren Bearbeitung eingesetzt werden können.
Im Unterschied zu Elektrodenanordnungen muss der Abstand der Elektroden zum Bauteil nicht eingestellt werden. Das Plasma wird durch die Ausbildung von Wirbelströmen an der Oberfläche des Bauteils erzeugt.
Der durch das Bauteil fließende Wechselstrom bewirkt oszillierende Magnetfelder, die sich abhängig von der Geometrie des Bauteils in dessen Umgebung ausbreiten. Die zeitliche Änderung des Magnetfelds führt zu elektrischen Feldern, die für die Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas in der Umgebung des Bauteils verantwortlich sind. Das Plasma, welches mit Hilfe des Schwingkreises an der Oberfläche des Bauteils erzeugt wird, weist eine relativ niedrige Energiedichte auf. Die damit verbundene Temperatur reicht in der Regel alleine nicht aus, um einen Beschichtungswerkstoff zu verdampfen. Der zusätzliche Plasmabrenner sorgt dafür, dass beliebige Beschichtungswerkstoffe in der Dampf- oder Gasphase zur Verfügung gestellt werden können. Ob ein Werkstoff als Beschichtungswerkstoff verwendet werden kann, hängt nicht von der Siedetemperatur sondern von der Energiedichte im zusätzlichen Plasmabrenner ab. Beispiele für Beschichtungswerkstoffe sind Titandioxid, Titan-H-Butoxid, Keramik, Zirkoniumchlorid oder Oxichloride. Die Beschichtungswerkstoffe können im festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand über die Zuführungseinrichtungen in das Plasma des Plasmabrenners eingeleitet werden. Dabei können die Beschichtungswerkstoffe in reiner Form oder als chemische Verbindung in Kombination mit anderen Stoffen vorliegen. Feste Beschichtungswerkstoffe können auch in Lösung vorliegen. Dies sorgt für eine zusätzliche Erweiterung des Spektrums der möglichen Beschichtungswerkstoffe.
Bei dem zusätzlichen Plasmabrenner handelt es sich in bevorzugter Weise um einen Lichtbogen-Plasmabrenner mit einer Kathode und einer Anode. In dem
Lichtbogen-Plasmabrenner wird das Arbeitsgas zunächst auf eine sehr hohe
Temperatur aufgeheizt. Anschließend werden dem zwischen Kathode und
Anode gezündeten Plasma der oder die Beschichtungswerkstoffe beigemischt.
Dabei werden die Temperatur und der Druck, welche im Plasmabrenner herrschen, entsprechend den chemischen Anforderungen, die sich aus der jeweiligen Beschichtung ergeben, eingestellt. Dies erfolgt beispielsweise durch die Wahl des Gasflusses, der Leistung des Gleichstroms und eine geeignete
Kontur des Strömungskanals im Plasmabrenner. Im Strahlkern des
Plasmabrenners können Temperaturen von 10.000 bis 20.000 Kelvin erreicht werden. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Transportvorrichtung zum Einbringen des Bauteils in die Vakuumkammer eine oder mehrere Schienen und einen Antrieb auf. Dabei können die Schienen an das Bauteil angepasst werden. An den Schienen oder im Bereich der Schienen ist eine elektrische Isolation vorgesehen um das Bauteil gegen die Vakuumkammer zu isolieren.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Schwingkreis Hochfrequenzleitungen auf. An der Vakuumkammer sind Durchführungen mit elektrischer Isolation für die Hochfrequenzleitungen vorgesehen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in der Vakuumkammer Bleche, Rohre und/ oder Gitter aus Metall vorgesehen. Das Bauteil stellt eine Antenne dar, von der elektromagnetische Wellen in den Raum der Vakuumskammer abgestrahlt werden. Dieser Effekt kann unterstützt werden durch weitere antennenartige Elemente in der Umgebung des Bauteils. Hierzu zählen Bleche oder Gitter aus Metall. Spiralförmig angeordnete Rohre beispielsweise aus Kupfer können diesen Effekt ebenfalls bewirken. In diese Teile koppeln die elektromagnetischen Wellen ein und sorgen für eine zusätzliche Plasmaerzeugung in einem gewissen Abstand vom Bauteil. Auf diese Weise kann der Strahlungsfluss des Plasmas in Richtung auf das Bauteil gesteuert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Lichtbogen-Plasmabrenner mehrere Expansionsstufen für die Zumischung verschiedener Beschichtungswerkstoffe auf. Jede Expansionsstufe weist eine Zuführungseinrichtung zum Einleiten eines Gases, einer Flüssigkeit und/ oder eines Pulvers in das Plasma auf. Die verschiedenen Expansionsstufen sind eben Strahlrichtung des Plasmastrahls nacheinander angeordnet. Dabei können die Querschnitte der verschiedenen Expansionsstufen unterschiedlich sein. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung vergrößert sich der Querschnitt von Expansionsstufe zur Expansionsstufe in Strahlrichtung. Auch durch die Wahl eines geeigneten Expansionsverhältnisses wird erreicht, dass das mit den Beschichtungswerkstoffen versehene Plasma in die Vakuumkammer strömt und nicht in Richtung der Kathode des Plasmabrenners. Bei der Expansion aus dem Plasmabrenner in die Vakuumkammer kühlt der Plasmastrahl ab, bevor er mit dem Plasma an dem Bauteil im Wechselwirkung tritt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt sich an die Expansionsstufen in Strömungsrichtung eine Mischkammer an. In der Mischkammer wird durch Verwirbelung des Plasmastrahls eine Durchmischung verschiedener Beschichtungswerkstoffe erreicht. Dabei kann der Plasmabrenner zusammen mit der Mischkammer eine Doppel-Lavaldüse bilden. Der Querschnitt der Mischkammer verengt sich in Strömungsrichtung um sich anschließend wieder zu erweitern und erneut zu verengen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Mischkammer als Anode geschaltet oder auf dasselbe Potential gelegt wie die Anode. Dadurch wird die Temperatur im Plasmabrenner auf einem hohen Wert gehalten. Außerdem können auf diese Weise die chemischen Reaktionen im Plasmabrenner gesteuert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Arbeitsgas in die Vakuumkammer gegeben. Dadurch kann der Druck in der Vakuumkammer erhöht werden. Es sind beispielsweise Drücke bis 1.000 Pa möglich. Das Arbeitsgas tritt mit der Oberfläche des Bauteils chemisch in Wechselwirkung. Als Arbeitsgase können je nach Anforderung verschiedene Gase verwendet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine zusätzliche Flüssigkeit verdampft und über ein Ventil in die Vakuumkammer gegeben. Der Flüssigkeitsdampf erfüllt dieselbe Aufgabe wie die Arbeitsgase. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird über den Hochfrequenzgenerator eine Wechselspannung mit 0,1 bis 10 MHz in den Schwingkreis eingespeist wird. Besonders bevorzugt liegt die Wechselspannung zwischen 1 und 4 MHz.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Vakuumkammer auf einen Druck zwischen 0,05 und 1.000 Pa evakuiert. Im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren kann der Arbeitsdruck je nach Anwendung auf einige 10 mbar erhöht werden. Damit steht ein weiteres Werkzeug zur Steuerung der Zahl der Teilchen, die mit der Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils in Wechselwirkung treten, zur Verfügung.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibungen, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Plasmabeschichtung dargestellt. Im folgenden ist diese Vorrichtung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Vorrichtung zur Plasmabeschichtung in einer Ansicht von vorne,
Figur 2 Vorrichtung zur Plasmabehandlung in einer Ansicht von oben,
Figur 3 Schaltplan zur der Vorrichtung gemäß Figur 1 und 2,
Figur 4 Vorrichtung zur Plasmabehandlung in einer Ansicht von der Seite, Figur 5 Lichtbogen-Plasmabrenner im Längsschnitt,
Figur 6 Prinzipskizze zum Lichtbogen-Plasmabrenner gemäß Figur 5.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung zur Plasmabeschichtung in einer Ansicht von vorne und von oben. Ein zu bearbeitendes Bauteil 1 wird über Schienen 2 und in der Zeichnung nicht erkennbare Rollen in eine Vakuumkammer 3 eingefahren. An den Schienen 2 ist eine Isolation 4 vorgesehen, welche das Bauteil 1 gegen die Vakuumkammer 3 isoliert. Mit Erreichen seiner Endposition wird der Kontakt zwischen einem Hochfrequenz- Schwingkreis und dem Bauteil geschlossen. Dies erfolgt über einen in der Zeichnung nicht erkennbaren Gleitkontakt, der durch Formschluss an dem Bauteil 1 haftet. Das Bauteil ist nun Teil des Schwingkreises. Der Schwingkreis besteht abgesehen vom Bauteil 1 aus einem Hochfrequenzgenerator 5 mit einer in Figur 3 dargestellten Rückkoppelspule 11 , einem Koaxial-Kabel 6, einem Außenschwingkreis 7 und einer Hochfrequenz-Zuleitung 8, an deren Enden der Gleitkontakt vorgesehen ist. In der Vakuumkammer 3 ist eine Hochfrequenz-Durchführung 9 für die Hochfrequenz-Zuleitung 8 vorgesehen. Oberhalb des Bauteils ist ein Reflektor 10 für das Plasma vorgesehen.
Figur 3 zeigt schematisch den Schaltplan der Vorrichtung gemäß Figuren 1 und 2. Die Schaltung ermöglicht die Optimierung der Plasmabehandlung. Der Hochfrequenzgenerator 5 versorgt den Schwingkreis über ein Koaxial-Kabel 6 mit Wechselstrom. Der Hochfrequenzgenerator 5 verfügt über eine Rückkoppelspule 11 , deren Induktivität automatisch einstellbar ist. Im Außenschwingkreis 7 sind drei Kondensatoren 12 vorgesehen. Sie können alle oder nur teilweise in den Schwingkreis integriert werden um die Gesamtkapazität zu verändern. Die Induktivität des Schwingkreises wird im wesentlichen durch das Bauteil 1 bestimmt. Das Bauteil 1 ist über die Hochfrequenz-Zuleitung 8 mit dem Außenschwingkreis 7 verbunden. Um die Induktivität des Schwingkreises auf das Bauteil abzustimmen, ist eine Spule 13 am Außenschwingkreis vorgesehen. Zusätzlich dazu ist eine weitere Spule 14 mit einem Abgriff an der Hochfrequenz-Zuleitung 8 unmittelbar an der Spule 13 vorgesehen. Diese wird nur bei Bedarf zur Anpassung der Gesamtinduktivität in den Schwingkreis integriert. Für diesen Fall wird anstelle der Hochfrequenz- Zuleitung 8 die Hochfrequenz-Zuleitung 8a verwendet. Das Bauteil 1 kann optional über die Erdleitung 15 geerdet werden.
Durch Einspeisen eines hochfrequenten Wechselstroms bei sehr niedriger Leistung wird der Kontakt zwischen Bauteil 1 und Schwingkreis überprüft. Erfüllt der Kontakt die Anforderungen, so wird die Vakuumkammer 3 evakuiert. Nachdem der Druck in der Vakuumkammer 3 einen bestimmten, von der Art der Behandlung abhängigen Wert erreicht hat, wird hochfrequenter Wechselstrom in den Schwingkreis eingespeist. An der Oberfläche des Bauteils 1 entsteht das Plasma, welches für die Behandlung des Bauteils benötigt wird. Die Steuerung des Plasmaeinflusses an der Oberfläche des Bauteils erfolgt durch die Regelung der Anodenspannung einer Senderöhre 16, die den Wechselstrom in den Schwingkreis einspeist. Die Senderöhre ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Durch Überwachung der Strom-Spannungskennlinie der Senderöhre 16 des Schwingkreises wird die Effizienz der Einkopplung der elektrischen Leistung in das Plasma kontrolliert. Die Feinabstimmung des Schwingkreises während der Plasmabehandlung erfolgt durch Variation der Induktivität der Rückkoppelspule des Schwingkreises. Im Vorfeld besteht zusätzlich die Möglichkeit, die Grobabstimmung des Systems durch Einfügen zusätzlicher Induktivitäten 14 oder Kapazitäten 12 in den Schwingkreis auf das zu bearbeitende Bauteil vorzunehmen.
Figur 4 zeigt die Vorrichtung zur Plasmabeschichtung gemäß Figur 1 und 2 in einer Ansicht von der Seite. Im Unterschied zu den Darstellungen in den Figuren 1 und 2 befinden sich in der Darstellung gemäß Figur 3 mehrere übereinander angeordnete Bauteile 17 in der Vakuumkammer 3. Zum Anordnen der Bauteile dient ein Gestell 18, das auf den Schienen 2 steht. In dieser Darstellung ist der Lichtbogen-Plasmabrenner 19 erkennbar, der den Plasmastrahl 20 erzeugt. Der Plasmastrahl 20 erstreckt sich oberhalb der Bauteile 17 in der Vakuumkammer 3. Das Strahlprofil des Plasmastrahls 20 weitet sich mit zunehmendem Abstand von dem Lichtbogen-Plasmabrenner 19 auf. Die Aufweitung des Plasmastrahls 20 hängt vom Druckverhältnis zwischen den Druck im Plasmabrenner und dem Druck in der Vakuumkammer ab. Bei starken Druckunterschieden wird der Plasmastrahl so stark aufgeweitet, dass sich die Bauteile ganz oder teilweise in dem Plasmastrahl des Plasmabrenners befinden. Sollte dies aufgrund der Randbedingungen nicht möglich sein, so kann im Bedarfsfall auch ein zweiter oder dritter Plasmabrenner an die Vakuumkammer angeschlossen werden.
Figur 5 zeigt den Plasmabrenner 19 mit einer Kathode 21 , einer Anode 22 und zwei Expansionsstufen 23 und 24. Die Kathode hat die Form eines Zylinders mit einem Konus an ihrem vorderen Ende. Die Anode 22 ist rohrförmig und umschließt die Kathode 21. Kathode 21 und Anode 22 verlaufen koaxial zueinander. Das zu ionisierende Gas wird über die schlitzförmige Düse 25 zwischen der Anode und der Kathode zugeführt. In der ersten Expansionsstufe 23 wird über eine Zuführeinrichtung 26 ein erster Beschichtungswerkstoff in das durch einen Lichtbogen zwischen der Anode 22 und der Kathode 21 gezündete Plasma eingeleitet. In der zweiten Expansionsstufe 24 wird über eine Zuführeinrichtung 27 ein zweiter Beschichtungswerkstoff in das durch einen Lichtbogen zwischen der Anode 22 und der Kathode 21 gezündete Plasma eingeleitet. Die Zuführeinrichtungen 26 und 27 werden auch als Precursorzuführungen bezeichnet. Sie bestehen aus einer senkrecht zur Achse der Anode und der Kathode verlaufenden Ausnehmung 29 und einem trichterförmigen Abschnitt 30. Je nach Anwendung können die Ausnehmung und der trichterförmige Abschnitt auch unter einem von 90° abweichenden Winkel gegen die Achse der Anode und Kathode verlaufen. Das Einleiten der Beschichtungswerkstoffe kann auch tangential zur Achse der Anode und Kathode als Wirbel erfolgen, kann An den trichterförmigen Abschnitt 30 kann ein Rohr oder Schlauch mit einem Pulverförderer, einer Dosierpumpe oder einem Dosierventil angeschlossen werden. Diese sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
Die beiden Expansionsstufen unterscheiden sich durch ihren Öffnungsquerschnitt. Der Innendurchmesser der zweiten Expansionsstufe 24 ist größer als der Innendurchmesser der ersten Expansionsstufe 23. Dadurch wird verhindert, dass die durch die Zuführeinrichtungen 26 und 27 eingeleiteten Beschichtungswerkstoffe zurück zur Kathode 21 strömen können. Der mit den Beschichtungswerkstoffen versehene Plasmastrahl 20 tritt an der Öffnung 28 aus dem Lichtbogen-Plasmabrenner 19 aus und gelangt in die Vakuumkammer 3. Hierzu ist der Lichtbogen-Plasmabrenner 19 mit seinem Befestigungsteil 3 direkt an der Vakuumkammer 2 befestigt. Um die hohe Temperatur des Plasmas bis zur Öffnung 28 aufrecht zu erhalten befinden, sich die erste und zweite Expansionsstufe 23 und 24 auf Potential wie die Anode 22. Dies ist in Figur 6 dargestellt. Bei dem Lichtbogen-Plasmabrenner 19 gemäß Figur 5 sind die Anode 22, die erste Expansionsstufe 23 und die zweite Expansionsstufe 24 aus einem Stück gefertigt. Es ist jedoch auch möglich, hierfür separate Bauteile vorzusehen, die miteinander verbunden werden können. Dadurch wird ein modularer Aufbau erreicht. Die einzelnen Expansionsstufen können in diesem Fall je nach Anwendung und Beschichtungswerkstoff zusammengestellt werden.
Der Lichtbogen-Plasmabrenner 19 wird gezündet, sobald sich an den Bauteilen 17 in der Vakuumkammer 3 das durch den Schwingkreis und den Hochfrequenzgenerator 5 erzeugte Plasma ausgebreitet hat. Der mit den Beschichtungswerkstoffen versehene Plasmastrahl 20 des Lichtbogen- Plasmabrenners 19 expandiert durch die Öffnung 28 in die Vakuumkammer. Er tritt mit dem Plasma an den Bauteilen 17 in Wechselwirkung. Dabei kommt es zu einer gleichmäßigen Abscheidung der Beschichtungswerkstoffe an den Oberflächen der Bauteile17. Sobald sich an den Oberflächen eine Schicht der gewünschten Dicke ausgebildet hat, werden der Lichtbogen-Plasmabrenner 19 und der Hochfrequenzgenerator 5 abgeschaltet. Je nach Anwendung und Beschichtungswerkstoffe wird zunächst der Lichtbogen-Plasmabrenner 19 abgeschaltet und anschließend der Hochfrequenzgenerator 5 mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung. Erst wenn beide Plasmabrenner abgeschaltet sind wird die Vakuumkammer 3 belüftet. Der Kontakt zum Schwingkreis wird gelöst und das Bauteil 1 oder die Bauteile 17 werden aus der Vakuumkammer 3 transportiert.
Bezugszeichen
1 Bauteil
2 Schiene
3 Vakuumkammer
4 Isolation
5 Hochfrequenzgenerator
6 Koaxial-Kabel
7 Außenschwingkreis
8 Hochfrequenz-Zuleitung
9 Hochfrequenz-Durchführung
10 Reflektor
11 Rückkoppelspule
12 Kondensator des Außenschwingkreises
13 Spule
14 Spule
15 Erdleitung
16 Senderöhre
17 Bauteil
18 Gestell
19 Lichtbogen-Plasmabrenner
20 Plasmastrahl
21 Kathode
22 Anode
23 erste Expansionsstufe
24 zweite Expansionsstufe
25 Düse zwischen Kathode und Anode
26 Zuführeinrichtung
27 Zuführeinrichtung
28 Öffnung
29 Ausnehmung
30 trichterförmiger Abschnitt
31 Befestigungsteil

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Vorrichtung zur Plasmabeschichtung großvolumiger Bauteile mit einer Vakuumkammer (3) mit einer oder mehreren Pumpen, mit einer Transportvorrichtung (2) zum Befördern des Bauteils (1 , 17) in die Vakuumkammer (3), mit einer Isolation (4) zwischen dem Bauteil (1 , 17) und der
Vakuumkammer (3), mit einem Schwingkreis mit einem Hochfrequenzgenerator (5), mit einer einsteilbaren Kapazität und einer einstellbaren Induktivität des
Schwingkreises, mit mindestens einem Anschluss zum Verbinden des Schwingkreises mit dem Bauteil (1) und mit mindestens einem an die Vakuumkammer (3) angeschlossenen
Plasmabrenner (19) zur Aufbereitung eines Beschichtungswerkstoffs für das Bauteil (1 , 17).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Transportvorrichtung eine oder mehrere Schienen (2) und einen Antrieb aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienen (2) eine elektrische Isolation (4) aufweisen, welche das Bauteil (1, 17) gegen die Vakuumkammer (3) isoliert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis eine oder mehrere Hochfrequenzleitungen (8) aufweist, und dass an der Vakuumkammer (3) Hochfrequenz-Durchführungen (9) mit elektrischer Isolation für die Hochfrequenzleitungen vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vakuumkammer (3) Bleche (10) und/ oder Gitter aus Metall vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzgenerator (5) eine Rückkoppelspule (11) mit einstellbarer Induktivität aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über Schalter mit dem Schwingkreis verbundene
Kapazitäten (12) und/ oder Induktivitäten (14) vorgesehen sind zur Abstimmung der Kapazität und/ oder der Induktivität des Schwingkreises auf das Bauteil (1 ).
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Senderöhre (16) zur Einspeisung des Wechselstroms in den Schwingkreis vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabrenner ein Lichtbogen-Plasmabrenner
(19) mit einer Kathode (21) und einer Anode (20) ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen-Plasmabrenner (19) mehrere Expansionsstufen (23, 24) für die Zumischung verschiedener Beschichtungswerkstoffe aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Expansionsstufe (23, 24) eine Zuführungseinrichtung (26, 27) zum Einleiten eines Gases, einer Flüssigkeit und/ oder eines Pulvers in das Plasma aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Expansionsstufen (23, 24) in Strömungsrichtung eine Mischkammer anschließt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabrenner (19) und die Mischkammer zusammen eine Doppel- Lavaldüse bilden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer als Anode (22) geschaltet wird oder die Mischkammer dasselbe Potential wie die Anode (22) aufweist.
15. Verfahren zur Plasmabeschichtung großvolumiger Bauteile insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1 , 17) in einer Vakuumkammer (3) angeordnet und die
Vakuumkammer evakuiert wird, dass das Bauteil (1 , 17) an einen Schwingkreis mit einem
Hochfrequenzgenerator (5) angeschlossen wird, dass die Induktivität und/ oder die Kapazität des Schwingkreises auf das
Bauteil (1 , 17) abgestimmt wird, dass durch einen Plasmabrenner (19) ein Plasmastrahl (20) erzeugt wird, dass dem Plasmastrahl (20) das oder die Beschichtungswerkstoffe zugegeben werden, dass der mit den Beschichtungswerkstoffen versehene Plasmastrahl (20) in die Vakuumkammer (3) eingeleitet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen dem Bauteil (1) und dem Schwingkreis durch Einspeisen eines hochfrequenten Wechselstroms bei niedriger Leistung in den
Schwingkreis überprüft wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsgas in die Vakuumkammer (3) gegeben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit verdampft und über ein Ventil in die Vakuumkammer gegeben wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass über den Hochfrequenzgenerator (5) eine Wechselspannung mit 0,1 bis 10 MHz, besonders bevorzugt zwischen 1 und 4 MHz in den
Schwingkreis eingespeist wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (3) auf einen Druck zwischen 0,05 und 1.000 Pa evakuiert wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vakuumkammer (3) Bleche (10) und/ oder Gitter positioniert werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma an der Oberfläche des Bauteils (1 , 17) durch Variation der Anodenspannung einer Senderöhre, welche den Wechselstrom in den Schwingkreis einspeist, eingestellt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Grobabstimmung des Schwingkreises auf das Bauteil (1 , 17) zusätzliche Kapazitäten (12) und/ oder Induktivitäten (14) in den Schwingkreis eingesetzt werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feinabstimmung des Schwingkreises auf das Bauteil (1 , 17) die Induktivität der Rückkoppelspule (11 ) des Schwingkreises variiert wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität und die Kapazität des Bauteils (1 , 17) bestimmt werden und dass die Induktivität und die Kapazität des Schwingkreises an die Induktivität und Kapazität des Bauteils angepasst werden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabrenner (19) mit mehreren Expansionsstufen (23, 24) ausgestattet wird, und dass über jede der Expansionsstufen (23, 24) ein Beschichtungswerkstoff oder ein Bestandteil eines Beschichtungswerkstoffs dem Plasmastrahl (20) des Plasmabrenners (19) zugegeben wird.
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