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12. Januar 2017
Beschichten mit Plasma
In unseren Kundenprojekten bei BUSSE Design+Engineering befassen wir uns mit modernen Oberflächenbeschichtungen, um meist komplexe kundenseitige Produktanforderungen zu erfüllen. In diesem Newsletter wollen wir die allgemeinen Methoden der Plasmabeschichtung einem breiten Publikum zugänglich machen, da sie für vielfältige industrielle Oberflächenbearbeitungen von Serienartikeln in Frage kommen.
Einleitend lässt sich sagen, dass Plasma ionisiertes Gas darstellt und aus diesem Grund auch als vierter Aggregatszustand bezeichnet wird. Es kommt in modernen Energiesparlampen und in Bildschirmen vor, wird für die Oberflächenbearbeitung von Speichermedien und die Beschichtung von Brillengläsern genutzt und sorgt in Form von Nordlicht und Blitzen in der Natur für beeindruckende Lichtschauspiele (1) (2).
Oberflächenbeschichtungen tauchen in allen Bereichen unseres Lebens auf. Viele Lackierungen auf Autos und Fahrrädern, die Glasur auf unserem Geschirr und Polymerbeschichtungen in unseren Wollpullovern können dazu gezählt werden (3).
Da aber für einige Arten der Beschichtung das Werkstück erhitzt werden muss, scheiden bestimmte Werkstoffe und Anwendungen aus. Durch Plasmaverfahren gibt es für viele dieser Werkstoffe und Anwendungen nun die Möglichkeit der Beschichtung.
Bei plasmagestützter Gasphasenabscheidung wird ein Ausgangsmaterial verdampft. Dieses Plasma wird anschließend zum zu beschichtenden Gegenstand, dem sogenannten Substrat, geführt. Dort kondensiert es und bildet die gewünschte Schicht. Das Substrat wird dabei im Verhältnis zu vielen anderen Beschichtungsverfahren nur geringfügig erwärmt. Auf Grund der geringen Erwärmung können Metalle, Textilien, Gläser und Kunststoffe beschichtet werden. Auch bereits zusammengesetzte Baugruppen und Bauteile mit Hohlräumen lassen sich, ohne nennenswerte Ausdehnung der Luft im Inneren, beschichten. Schüttgüter erhalten mit Hilfe einer Drehtrommel eine gleichmäßige Beschichtung.
Plasmaverfahren für die Oberflächenbehandlung lassen sich in zwei Kategorien unterteilen. Bei Niederdruck- oder Vakuumverfahren wird das Substrat in einer Plasmakammer beschichtet. Hier werden Hohlräume und kompliziertere Geometrien vom Plasma erreicht, da es sich fast überall verteilt. Die Anwendung ist allerdings durch die aufwendige Vakuumtechnik beschränkt (4).
Im Gegensatz dazu kommen Normal- oder Atmosphärendruckverfahren ohne Vakuumtechnik aus. Hier wird das Plasma über eine Düse aufgetragen. Anders als bei Vakuumverfahren, ist es ohne aufwendiges Abdecken möglich, nur einen Teil der Oberfläche zu beschichten. Auch hier wird das Substrat nur geringfügig erwärmt. Beim Openair©-System der Plasmatreat GmbH bleibt der Temperaturunterschied sogar unter 20 °C (5), (6).
1. http://www.usm.uni-muenchen.de/people/lesch/deumas.html. [Online] [Zitat vom: 11. 24 2016.]
2. https://inplas.de/de/home. [Online] [Zitat vom: 23. 11 2016.]
3. DALE - Norway. [Online] [Zitat vom: 30. 11 2016.] http://www.daleofnorway.de/germany/produktion.html.
4. [Online] [Zitat vom: 25. 11 2016.] https://www.fep.fraunhofer.de/content/dam/fep/de/documents/Presse_Medien_JB/Jahresbericht_2013-14/Jahresbericht_2013-14_net.pdf. [Online] [Zitat vom: 22. 11 2016.].
5. Melamies, I.A. Galvanotechnik. 07 2007, Bd. 98. Band. http://www.plasmatreat.de/downloads/deutsch/07-07_galvanotechnik_plasmatechnik.pdf.
6. Melamies, Inès A. und Honnef, Bad. AD-Plasma – Funktionelle Nanobeschichtung in Millisekunden. Galvanotechnik. 03, 2013. http://www.plasmatreat.com/downloads/deutsch/13-03_Galvanotechnik_funktionelle-Nanobeschichtung.pdf.
Die Anwendungsmöglichkeiten von Plasma im Bereich der Oberflächenbehandlung wurden in den letzten Jahren weiterentwickelt. So wurden Verfahren kreiert, die neuartige Beschichtungen möglich machen. Im Gegensatz zu vielen klassischen Beschichtungsmethoden sind weder Lösemittel noch große Temperaturänderungen nötig.
Das jeweilige Beschichtungssystem kann, durch das Beschichtungsmaterial, durch Zusätze, die Schichtdicke und die richtige Vorbehandlung an den Anwendungsfall und das Substrat angepasst werden. Es gibt Beschichtungen, die wasserabweisend sind und Beschichtungen, die stark mit Wasser wechselwirken, Beschichtungen mit Antihaftwirkung und haftvermittelnder Wirkung und Beschichtungen, die Reibung erhöhen oder vermindern. Für stark beanspruchte Anwendungen gibt es Beschichtungen, die als Korrosionsschutz dienen oder dem Bauteil chemische Beständigkeit verleihen.
Eines der Beschichtungssysteme basiert auf diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC). Zur Minderung von Reibung und Verschleiß nutzt man ihre speziellen Eigenschaften. Sie werden, unter anderem von der PlascoTec GmbH, mit Plasmaverfahren aufgetragen und verbinden besondere Gleiteigenschaften mit besonderer Härte (7). Solche Schichten werden in Form von abriebfesten Gleitschichten bei bewegten Teilen, wie Kugellagern aus Kunststoff, eingesetzt (8).
Im Vergleich zu oft angewandten Beschichtungen mit Fluorpolymeren, bei denen das Werkstück auf ungefähr 400 °C erhitzt werden muss, kann bei der Beschichtung mit Plasma die Temperatur unter 100 °C bleiben. Manche Verfahren, wie Nanofinish© der Firma Impreglon überschreiten nicht einmal 50 °C.
Auch für dekorative Zwecke werden Plasmabeschichtungen eingesetzt. Sie verhindern sichtbare Fingerabdrücke oder sorgen für metallisches Aussehen bei Kunststoffen. Bei der Verarbeitung von Lebensmitteln und Kunststoffen werden Antihaftschichten eingesetzt, um das Anhaften an Werkzeugen und Mischtrogen zu verhindern. Dadurch wird auch die Reinigung deutlich erleichtert.
Plasma hilft bei der schonenden Beschichtung von Werkstücken und bietet neue Möglichkeiten, wenn verschiedene Eigenschaften in einem Bauteil vereint werden müssen, ein zusammengesetztes Teil beschichtet werden soll oder temperaturempfindliche Materialien vorliegen.
Ihr Ansprechpartner bei Busse:
Amina Wieser
BSc Maschinenbau
Trainee Konstruktion
Tel. +49(0)7308/ 811 499 410
wieser@busse-design.com
7. Prof.Dr.Dr.h.c. Jürgen Engemann. PlascoTec - Thin Film Technology. [Online] Juni 2010. [Zitat vom: 28. 11 2016.] http://plascotec.de/downloads/DLC_Info.pdf.
8. https://www.fep.fraunhofer.de/content/dam/fep/de/documents/Presse_Medien_JB/Jahresbericht_2013-14/Jahresbericht_2013-14_net.pdf. [Online] [Zitat vom: 22. 11 2016.]
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