DE19532105A1

DE19532105A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von dreidimensionalen Werkstücken mit einer direkten Barrierenentladung sowie Verfahren zur Herstellung einer mit einer Barriere versehenen Elektrode für diese Barrierenentladung

Info

Publication number: DE19532105A1
Application number: DE19532105A
Authority: DE
Inventors: Klaus Pochner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: DE19532105C2

Description

Technisches Gebiet

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

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

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

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

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

Durch Einwirkung der direkt im Kontakt mit der zu behandelnden Oberfläche stehenden Filamente kann bereits nach sehr kurzer Zeit die gewünschte Reinigungswirkung erreicht werden. Voraussetzung für eine gleichmäßige Behandlung ist jedoch, daß auf der gesamten Fläche Filamente mit konstanter Dichte verteilt sind. Dies ist nur bei konstantem Elektrodenabstand im Bereich einiger Millimeter möglich. Bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung einer direkten Barrierenentladung verwenden als Elektroden Rohre oder ebene Platten aus Quarzglas oder Keramik mit einer Metallelektrode hinter dem Isolator, Die häufig zusätzlich mit einer Wasserkühlung versehen ist, mit denen aber lediglich ebene Werkstücke behandelt werden können.

Darstellung der Erfindung

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der auch dreidimensionale Werkstücke, insbesondere Werkstücke mit einer komplex geformten Oberfläche, mit einer direkten Barrierenentladung behandelt werden können. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für die Elektroden dieser Barrierenentladung anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 oder 6 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 13 und 18. Die Lösung der weiteren Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 21. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2-5, 7-12, 14-17, 19-20 und 22-27 angegeben.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auch komplex geformte Werkstücke in einem Arbeitsgang einer direkten Barrierenentladung ausgesetzt werden können. Eingesetzt wird dazu eine Elektrode, die durch Abformung des Werkstückes hergestellt wurde, wobei nur die Elektrode, nur die Barriere oder beides abgeformt wurde. Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Erfindung gemäß den Unteransprüchen 4 und 15, denn neben den als Dielektrikum in Barrieren-Entladungen üblicherweise verwendeten Werkstoffen Glas, Quarz oder Keramik weist insbesondere thermoplastischer Kunststoff deutliche fertigungstechnische Vorteile auf. Die Herstellung derartiger Elektroden ist gemessen an der Herstellung von Tiefziehformen unkompliziert und kostengünstig, so daß ihr Einsatz auch an Maschinen mit häufig wechselnder Werkstückgeometrie möglich und wirtschaftlich sinnvoll ist.

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

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

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

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

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

Abb. 1b direkte Barrierenentladung bei einer Metallfolie,

Abb. 2 direkte Barrierenentladung bei einem komplex geformten Werkstück,

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

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

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

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

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

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

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

Bezugszeichenliste

1 erste Elektrode mit
1b elektrisch leitfähiger Schicht
1c Drahtnetz
2 zweite, metallische Elektrode, insbesondere
2a Metallfolie
2b Werkstück
3 elektrisch isolierende Barriere, speziell
3b dem Werkstück nachgebildete Barriere
3c Barriere vor und nach der Abformung
4 Wechselspannungsgenerator
5 Entladungsspalt
6 Entladungsfilamente
7 thermoplastische Zusatzschicht
8 Kühlflüssigkeitsgehäuse mit
8a Kühlflüssigkeitszuleitung
8b Kühlflüssigkeitsableitung.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von dreidimensionalen Werkstücken, mit einer direkten Barrierenentladung, wobei der zu behandelnden Werkstückoberfläche gegenüberliegend eine Elektrode angeordnet wird, die werkstückseitig eine elektrisch isolierende Barriere aufweist, und wobei wenigstens die Barriere auf ihrer dem Werkstück zugewandten Oberfläche eine Form aufweist, die der zu behandelnden Werkstückoberfläche nachgebildet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zu behandelnden Werkstückoberfläche und der Barriere ein Abstand von kleiner als 10 mm eingehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Barriere aus einem Kunststoff besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kunststoff um einen Thermoplasten handelt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Behandlung eine Temperatur eingehalten wird, die unterhalb der Erweichungstemperatur des Thermoplasten liegt.

6. Verfahren zur Behandlung von dreidimensionalen Werkstücken, die aus elektrisch isolierendem Material bestehen, mit einer direkten Barrierenentladung, wobei das Werkstück mit einer ersten Elektrode als Hilfselektrode versehen wird, wobei der zu behandelnden Werkstückoberfläche gegenüberliegend eine zweite Elektrode angeordnet wird, die auf ihrer dem Werkstück zugewandten Oberfläche eine Form aufweist, die der zu behandelnden Werkstückoberfläche nachgebildet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zu behandelnden Werkstückoberfläche und der zweiten Elektrode ein Abstand von kleiner als 10 mm eingehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Elektrode eine Metallfolie verwendet wird, die von der zu behandelnden Werkstückoberfläche abgeformt und versteift worden ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung bei Atmosphärendruck erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierenentladung mit einer Wechselspannung im Bereich von 5-15 kV und einer Frequenz im Bereich von 50Hz-1MHz, vorzugsweise 50-300 kHz angeregt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die der Werkstückoberfläche gegenüberliegende Elektrode während der Behandlung des Werkstücks gekühlt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die der Werkstückoberfläche gegenüberliegende Elektrode mit einer Flüssigkeit von hoher elektrischer Permittivität, insbesondere Wasser, in Verbindung steht.

13. Vorrichtung zur Behandlung von dreidimensionalen Werkstücken mit einer direkten Barrierenentladung, wobei der zu behandelnden Werkstückoberfläche gegenüberliegend eine Elektrode vorgesehen ist, die werkstückseitig eine elektrisch isolierende Barriere aufweist, und wobei wenigstens die Barriere auf ihrer dem Werkstück zugewandten Oberfläche eine Form aufweist, die der zu behandelnden Werkstückoberfläche nachgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Barriere aus einem Kunststoff besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kunststoff um einen Thermoplasten handelt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Kühlung der Elektrode vorgesehen sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode teilweise aus Metall und teilweise aus einer Flüssigkeit mit hoher elektrischer Permittivität, insbesondere Wasser, besteht.

18. Vorrichtung zur Behandlung von dreidimensionalen Werkstücken, die aus elektrisch isolierendem Material bestehen, mit einer direkten Barrierenentladung, wobei das Werkstück mit einer ersten Elektrode als Hilfselektrode versehen ist, wobei der zu behandelnden Werkstückoberfläche gegenüberliegend und von ihr beabstandet eine zweite Elektrode vorgesehen ist, die der zu behandelnden Werkstückoberfläche nachgebildet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der zweiten Elektrode um eine Metallfolie handelt, die von der zu behandelnden Werkstückoberfläche abgeformt und versteift worden ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung der Barrierenentladung ein Wechselspannungsgenerator vorgesehen ist, mit dem eine Wechselspannung im Bereich von 5-15 kV bei einer Frequenz von 50Hz-1MHz, vorzugsweise 50-300kHz erzeugt werden kann.

21. Verfahren zur Herstellung einer mit einer elektrisch isolierenden Barriere versehenen Elektrode für eine direkte Barrierenentladung, mit der ein Werkstück behandelt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Barriere vom Werkstück abgeformt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Barriere aus thermoplastischem Material besteht und die Abformung bei einer Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Materials erfolgt.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abformung die elektrisch isolierende Barriere mit Druck beaufschlagt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abformung eine Zwischenschicht verwendet und mitverformt wird, deren Dicke dem für die Behandlung vorgesehenen Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und der Barriere entspricht.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere auf der der Werkstückoberfläche abgewandten Seite mit einem Gehäuse zur Aufnahme eines Kühlmittels versehen wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der abzuformenden Barriere um eine bereits verwendete Barriere handelt, die erneut abgeformt wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere aus einem Grundstoff erzeugt wird, der aus verwendeten und zerkleinerten, insbesondere aus zermahlten, Barrieren besteht.