DE19713352A1 - Plasmabrennersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Plasmabrennersystem, umfassend einen Hochfrequenz-Plasmabrenner mit einer Plasmabrennein­ richtung, in welcher mittels Zuführung von Hochfrequenz­ leistung eine Plasmaflamme erzeugbar ist, und eine Bear­ beitungskammer, in welcher Werkstücke positionierbar sind, um mittels der Plasmaflamme bearbeitet zu werden.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrennersystems, welches ein Hochfrequenz-Plasma­ brenner mit einer Plasmabrenneinrichtung zum Erzeugen einer Plasmaflamme und welches eine Bearbeitungskammer zur Bear­ beitung eines Werkstücks mit Hilfe der Plasmaflamme umfaßt.

Derartige Plasmabrenner lassen sich beispielsweise für die Beschichtung von Werkstücken oder zum Aufdampfen einsetzen, wobei dann in diesem Falle ein Zusatzwerkstoff wie ein Metallpulver in die Plasmaflamme eingeführt wird und als Beschichtung oder Aufdampfschicht auf dem Werkstück nieder­ geschlagen wird. Die Plasmaflamme wird dabei durch Hoch­ frequenzheizung erzeugt, beispielsweise durch Hochfrequenz-In­ duktionsheizung oder durch Hochfrequenzheizung in Hohlraum­ resonatoren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Plasmabrennersystem mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß es universell einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner­ system mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß das Plasmabrennersystem eine Höheneinstellvorrichtung aufweist, durch die ein vertikaler Abstand zwischen der Plasmabrenneinrichtung des Hochfrequenz-Plasmabrenners und einem zu bearbeitenden Werkstück einstellbar ist.

Auf diese Weise kann bei dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner­ system ein optimaler vertikaler Abstand zwischen dem Werk­ stück und der Plasmaflamme, welche in der Plasmabrenneinrich­ tung erzeugt wird, eingestellt werden. Dadurch kann mit dem erfindungsgemäßen Plasmabrennersystem eine Vielzahl von Werk­ stücken mit unterschiedlichen Werkstückgeometrien bearbeitet werden. Es läßt sich eine konturgenaue Nachführung auch bei ungünstigen oder sperrigen Werkstückgeometrien erreichen. Bei Werkstücken, die eine große Höhe aufweisen, läßt sich die Bearbeitungskammer besser ausnutzen, da durch eine optimierte Höheneinstellung eine Einengung des Gesichtsfeldes beispiels­ weise für eine Zusatzwerkstoffbeaufschlagung des Werkstückes durch Anpassung des vertikalen Abstandes vermeidbar ist.

Es ist besonders günstig, wenn Hochfrequenzleitungen von einem Anpaßglied, welches zur Einkopplung der Hochfrequenz­ leistung eines Hochfrequenzgenerators in die Hochfrequenz­ leitungen dient, starr zu der Plasmabrenneinrichtung des Hochfrequenzplasmabrenners geführt sind. Zur Erzeugung der Plasmaflamme muß die Plasmabrenneinrichtung mit Hochfrequenz­ leistung über die Hochfrequenzleitungen versorgt werden. Zur Übertragung einer hohen Hochfrequenzleistung und zur opti­ malen Einkopplung dieser Hochfrequenzleistung in ein Arbeits­ gas zur Erzeugung der Plasmaflamme muß das Anpaßglied auf die Hochfrequenzleitungen und die Plasmabrenneinrichtung insbe­ sondere bezüglich des Wellenwiderstandes abgestimmt sein. Durch die starre Führung der Hochfrequenzleistungen ist gewährleistet, daß bei einer Einstellung des vertikalen Abstands zwischen der Plasmabrenneinrichtung und dem zu bearbeitenden Werkstück die Abstimmung durch das Anpaßglied erhalten bleibt, so daß bei jeder Höheneinstellung bei einem einmal abgestimmten Anpaßglied die gleiche Hochfrequenz­ leistung in die Plasmabrenneinrichtung eingekoppelt wird und die Plasmaflamme dann stets die gleichen Charakteristika auf­ weist.

In einer günstigen Variante einer Ausführungsform sind die Hochfrequenzleitungen als Leitungsresonatoren ausgebildet, um auf diese Weise die Übertragung einer hohen Hochfrequenz­ leistung zu der Plasmabrenneinrichtung zu ermöglichen.

Besonders günstig ist es, wenn der Hochfrequenz-Plasmabrenner mit der Plasmabrenneinrichtung durch die Höheneinstellvor­ richtung in einer vertikalen Richtung bezüglich des zu bear­ beitenden Werkstücks verschieblich ist. Auf diese Weise ist der Hochfrequenz-Plasmabrenner relativ zum Werkstück ver­ schieblich, welches dann insbesondere nur in einer x-y-Ebene senkrecht zu der vertikalen Richtung in der Bearbeitungs­ kammer verschieblich zu sein braucht. Dadurch läßt sich die x-y-Bewegung des Werkstücks von der vertikalen z-Bewegung entkoppeln, da letztere durch eine Hochfrequenz-Plasma­ brenner-Verschiebung erfolgt. Auf diese Weise läßt sich eine Positioniervorrichtung zur Bewegung des Werkstücks in der Bearbeitungskammer mit geringem Aufwand und mit geringer betriebsmäßiger Störanfälligkeit einsetzen. Dies ist ins­ besondere von großem Vorteil, wenn die Bearbeitungskammer eine Vakuumkammer ist und die Werkstücke mit Hilfe der Plasmaflamme im Vakuum bearbeitet werden sollen. Durch die Einstellung des vertikalen Abstands mittels der Höhenein­ stellung des Hochfrequenz-Plasmabrenners können insbesondere bei geringem Abstand der Werkstücke vom Hochfrequenz-Plasma­ brenner höhere Genauigkeiten erreicht werden als wenn eine Positioniervorrichtung ein Werkstück in allen drei Raum­ richtungen (x, y, z) bewegen müßte.

Günstig ist es, wenn das Anpaßglied in einem festen Abstand zum Hochfrequenz-Plasmabrenner angeordnet ist und mit diesem verschieblich ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Hochfrequenzleitungen zwischen dem Anpaßglied und der Plasmabrenneinrichtung keine Dehnungen oder Stauchungen erfahren, die sonst eine Neuabstimmung des Anpaßgliedes nötig machen würden.

In einer Variante einer Ausführungsform ist der Hochfrequenz-Ge­ nerator fest bezüglich des Anpaßgliedes angeordnet, so daß er mit dem Hochfrequenz-Plasmabrenner verschieblich ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Einkopplung der Hoch­ frequenzleistung von dem Hochfrequenz-Generator in das Anpaß­ glied kritisch ist, da diese Einkopplung dann durch eine Ver­ schiebung des Hochfrequenz-Plasmabrenners nicht verändert wird.

Es kann auch vorgesehen sein, daß der Hochfrequenz-Generator fest gegenüber der Bearbeitungskammer angeordnet ist. Dadurch wird die bei der Verschiebung des Plasmabrenners zu bewegende Masse verringert, da der Hochfrequenz-Generator selber nicht mitverschoben werden muß.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ist das Anpaßglied abstimmbar zur Optimierung der Hochfrequenz-Leistungszufuhr durch die Hoch­ frequenzleitungen zu der Plasmabrenneinrichtung. Dadurch kann die Hochfrequenzheizung optimiert werden, um eine große Leistung in ein Arbeitsgas zur Erzeugung der Plasmaflamme einzukoppeln und bei Änderungen des Systemaufbaus, beispiels­ weise Verkürzung oder Verlängerung der Hochfrequenzleitungen oder Austausch der Plasmabrenneinrichtung, kann auf einen neuen optimalen Leistungseinkopplungswert abgestimmt werden.

In einer konstruktiv besonders einfachen Ausführungsform ist der Hochfrequenz-Plasmabrenner an einem Gleitführungselement der Höheneinstellvorrichtung, welches in vertikaler Richtung verschieblich ist, gehalten.

Günstigerweise führen dann Versorgungsleitungen für den Plasmabrenner durch das Gleitführungselement, um auf diese Weise die Zufuhr von Versorgungsmedien zu dem Hochfre­ quenz-Plasmabrenner zu gewährleisten.

Die Versorgungsleitungen umfassen dabei die Hochfrequenz­ leitungen zur Plasmabrenneinrichtung, welche auf diese Weise starr führbar sind. Weiter umfassen die Versorgungsleitungen eine Arbeitsgaszuführung zur Plasmabrenneinrichtung, wobei das Arbeitsgas ein Brennergas ist, welches zur Plasmaerzeu­ gung dient. Weiter umfassen die Versorgungsleitungen eine Kühlmittelzuführung zu der und eine Kühlmittelabführung von der Plasmabrennereinrichtung.

Bei einer vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Vor­ richtung umfassen die Versorgungsleitungen auch eine Zusatz­ werkstoffzuführung zur Plasmabrennereinrichtung, wobei der Zusatzwerkstoff beispielsweise als Beschichtungsmittel einge­ setzt ist. Bei einer günstigen Variante einer Ausführungsform weist die Zusatzwerkstoffzuführung eine Düse zum Einblasen von Zusatzwerkstoff in die Plasmaflamme auf. Dadurch läßt sich die Plasmaflamme optimal nutzen, um das zu bearbeitende Werkstück mit Zusatzwerkstoff zu beaufschlagen.

In einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform umfaßt das Gleitführungselement eine Kühlmittelzuführung und eine Kühlmittelabführung zur Beaufschlagung der Hochfrequenz­ leitungen im Gleitführungselement mit Kühlmittel. Auf diese Weise läßt sich durch Kühlung der Hochfrequenzleitungen die Hochfrequenzleistungszuführung zur Plasmabrenneinrichtung weiter verbessern.

Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Bearbei­ tungskammer als Vakuumkammer ausgebildet ist. Dies ist ins­ besondere vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Plasma­ brennersystem für Beschichtungsaufgaben von Werkstücken ein­ gesetzt wird, um Verunreinigung der Werkstückoberflächen und der Beschichtungswerkstoffe beim Niederschlagen auf den Werk­ stücken zu vermeiden.

Günstigerweise umfaßt das Gleitführungselement eine Dich­ tungseinrichtung zur gasdichten Abdichtung gegen die Bearbei­ tungskammer, so daß eine Entkopplung von der Gas- bzw. Vakuumatmosphäre der Bearbeitungskammer vorliegt. Die Dich­ tungseinrichtung ist günstigerweise durch einen Membranbalg gebildet, durch den eine äußerst elastische, radial druck­ sichere Abdichtung gewährleistbar ist.

Günstig ist es dann auch, wenn das Gleitführungselement eine Dichtung umfaßt, durch die ein Innenraum des Gleitführungs­ elements gasdicht gegenüber einem Außenraum des Plasma­ brennersystems abgedichtet ist. Auf diese Weise ist der Innenraum des Gleitführungselementes mit einem Medium beauf­ schlagbar. Bei dem Beaufschlagungsmedium handelt es sich vor­ teilhafterweise um ein Schutzmedium zum Unterdrücken von Hochfrequenz-Durchschlägen. Das Beaufschlagungsmedium kann gasförmig sein, denkbar ist beispielsweise SF₆ als Schutzgas zur Unterdrückung von Hochfrequenzdurchschlägen. Es ist auch denkbar, daß beispielsweise Silikonöl als flüssiges Beauf­ schlagungsmedium eingesetzt wird.

Vorteilhaft ist es, wenn das Beaufschlagungsmedium durch den Innenraum des Gleitführungselementes zur Kühlung der Hoch­ frequenzleitungen geführt ist. Besonders günstig ist dann eine Kombinationswirkung des Beaufschlagungsmediums als Durchschlags-Unterdrückungsmedium und als Kühlmedium.

In einer konstruktiv besonders einfachen Variante einer Aus­ führungsform ist das Gleitführungselement durch ein Gleitrohr gebildet.

Konstruktive Vorteile sind auch dadurch gegeben, daß das An­ paßglied kraftschlüssig bezüglich des Gleitführungselements in einem festen Abstand zum Hochfrequenz-Plasmabrenner ge­ halten ist.

Dies läßt sich in einer günstigen Variante einer Ausführungs­ form dadurch erreichen, daß an dem Gleitführungselement kraftschlüssig in einem festen Abstand zum Hochfrequenz- Plasmabrenner ein Halteelement angeordnet ist, an welchem das Anpaßglied fixiert ist.

Zur Erzielung einer genauen und einfachen Höheneinstellung ist es vorteilhaft, wenn die Höheneinstellvorrichtung einen Stellantrieb umfaßt. Günstigerweise umfaßt die Höheneinstell­ vorrichtung weiter eine Steuereinheit zum Steuern des verti­ kalen Abstands des Hochfrequenz-Plasmabrenners relativ zu dem Werkstück, um eine genaue und präzise Einstellung der verti­ kalen Abstände zwischen den Plasmabrenneinrichtung und dem Werkstück zu gewährleisten.

Zur Erhöhung der Arbeitssicherheit bei dem erfindungsgemäßen Plasmabrennersystem ist es vorgesehen, daß die Bearbeitungs­ kammer geerdet ist. Aus dem Stand der Technik sind Plasma­ brennersysteme bekannt, bei denen die Hochfrequenz-Plasma­ brenner von einem Anpaßglied symmetrisch eingespeist werden und zur Vermeidung der Gefahr von Überschlägen innerhalb einer Vakuumkammer derartige Kammern ungeerdet betrieben werden, um Kammerwände auf einem schwimmenden Potential zu halten, und dadurch Überschläge zu vermeiden. Durch das erfindungsgemäße Plasmabrennersystem sind solche Hoch­ frequenzdurchschläge verringerbar oder vermeidbar.

In einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform ist in der Bearbeitungskammer ein Positioniervorrichtung zur Posi­ tionierung des zu bearbeitenden Werkstücks relativ zum Hoch­ frequenz-Plasmabrenner angeordnet. Dadurch kann das Werkstück innerhalb der Bearbeitungskammer bewegt und positioniert werden, um insbesondere eine Nachführung des Werkstückes zur Bearbeitung mittels der Plasmaflamme zu ermöglichen. Durch die Positioniervorrichtung ist das Werkstück in einer hori­ zontalen Ebene senkrecht zur vertikalen Richtung positionier­ bar. Es kann auch vorgesehen sein, daß durch die Positionier­ vorrichtung das Werkstück in vertikaler Richtung positionier­ bar ist. Dies kann beispielsweise zu einer Vorpositionierung oder Grobpositionierung des vertikalen Abstandes zwischen dem Werkstück und der Plasmabrenneinrichtung benutzt werden.

In einer günstigen Variante einer Ausführungsform ist die Höheneinstellvorrichtung an einer Halteeinrichtung gehalten, welche festlegbar verschieblich bezüglich der Bearbeitungs­ kammer gelagert ist. Dies ermöglicht eine einfache Zugäng­ lichkeit und Austauschbarkeit des Hochfrequenz-Plasmabrenners des Plasmabrennersystems, indem beispielsweise eine Verbin­ dung zwischen der Höheneinstellvorrichtung und dem Plasma­ brenner gelöst wird und dann mittels des Rahmens die Höhen­ einstellvorrichtung in eine nichtbehindernde Position ver­ schoben wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, das eine universelle Einsetzbarkeit eines Plasma­ brennersystems erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren mit den eingangs ge­ nannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein vertikaler Abstand zwischen dem Hochfrequenz-Plasmabrenner und dem Werkstück durch Verschiebung des Hochfrequenz-Plasma­ brenners relativ zum Werkstück eingestellt wird, wobei ein Anpaßglied, durch welches Hochfrequenzleistung in Hoch­ frequenzleitungen eingekoppelt wird, welche zu der Plasma­ einrichtung führen, in einem festen Abstand zum Plasmabrenner angeordnet ist, so daß die Hochfrequenzleitungen starr führ­ bar sind.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung disku­ tiert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Eine vordere Schnittansicht eines erfindungs­ gemäßen Plasmabrennersystems;

Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht eines erfin­ dungsgemäßen Plasmabrennersystems und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Plasma­ brenneinrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasma­ brennersystems, welches in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeich­ net ist, umfaßt eine Bearbeitungskammer 12, in der ein Werkstück 14 oder eine Gruppe von Werkstücken positionierbar ist. Dazu ist eine Positioniervorrichtung 16, auf der das Werkstück 14 fixierbar ist, fest mit einem Boden 18 der Bear­ beitungskammer 12 verbunden. Die Positioniervorrichtung 16 erlaubt eine Verschiebung des Werkstücks 14 in einer Ebene x-y, welche senkrecht zu einer vertikalen Achse 20 (z-Achse) des Plasmabrennersystems 10 ist.

In einer Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß die Positioniervorrichtung 16 auch eine Positionierung in einer vertikalen Richtung 22 (z-Richtung) parallel zur verti­ kalen Achse 20 aufweist.

Die Bearbeitungskammer 12 weist einen Mantel 24 auf, welcher im Querschnitt (Fig. 2) halbkreisförmig ausgebildet ist. Der Mantel 24 ist aus einem metallischen Werkstoff gefertigt und geerdet. Er ist insbesondere drucksicher und gasdicht und weist Anschlüsse 26 auf, die mit einer Vakuumpumpe (in der Fig. nicht gezeigt) verbunden sind. Dadurch läßt sich in einem Bearbeitungsraum 28 der Bearbeitungskammer 12 ein Vakuum erzeugen, um das Werkstück 14 in einem Vakuum bear­ beiten zu können.

Mit der Bearbeitungskammer 12 kraftschlüssig verbunden ist eine Rahmenstruktur 30, die eine Höheneinstellvorrichtung 32 hält, wobei die Höheneinstellvorrichtung 32 einen Hochfre­ quenz-Plasmabrenner 34 hält, in welchem eine Plasmaflamme zur Bearbeitung des Werkstückes 14 erzeugbar ist.

Die Rahmenstruktur 30 umfaßt bogenförmige Rahmenträgerele­ mente 36, welche jeweils an äußeren im Querschnitt halbkreis­ förmigen Enden der Bearbeitungskammer 12 angeordnet sind. Auf den bogenförmigen Rahmenträgerelementen sind Rahmenstützele­ mente 38 abgestützt; diese sind bevorzugterweise symmetrisch zur vertikalen Achse 20 angeordnet, um eine gleichmäßige Kraftverteilung des Gewichts der Höheneinstellvorrichtung 32 auf die Rahmenstruktur 30 zu gewährleisten. Durch die Rahmen­ stützelemente werden in horizontaler Richtung senkrecht zur vertikalen Achse 20 Rahmenträger 40 gehalten, die beispiels­ weise ein H-Profil aufweisen.

Durch die Rahmenträger 40 ist eine Haltebasis 42 gebildet, auf der eine Halteeinrichtung 44 der Höheneinstellvorrichtung 32 gehalten ist. Die Halteeinrichtung 44 umfaßt parallel zur vertikalen Achse 20 angeordnete Halteelemente 46, welche ins­ besondere symmetrisch zur vertikalen Achse 20 angeordnet sind, und die an ihrem oberen Ende mittels einer Oberplatte 48 verbunden sind.

Die aus den Halteelementen 46 und der Oberplatte 48 gebildete Halteeinrichtung 44 ist auf Lagern 50 gelagert, so daß sie senkrecht zur vertikalen Achse 20 und senkrecht zur Richtung der Rahmenträger 40 verschieblich ist. Die Halteeinrichtung 44 weist Festlegungsmittel (in der Fig. nicht gezeigt) auf, durch die auf wieder lösbare Weise die Halteeinrichtung 44 an den Rahmenträgern 40 kraftschlüssig fixierbar ist.

Die Oberplatte 48 weist in ihrem Zentrum koaxial zur verti­ kalen Achse 20 eine Öffnung 52, in der eine Führung 54 ange­ ordnet ist. Durch diese Öffnung 52 läuft in z-Richtung 22 verschieblich geführt eine Spindel 56 koaxial zur vertikalen Achse 20. Die Spindel 56 ist durch einen Stellantrieb 58, welcher von der Oberplatte 48 gehalten ist, in z-Richtung 22 einstellbar verschieblich. Dazu umfaßt der Stellantrieb eine Welle 60 und eine Umsetzungseinheit 62, durch die eine Rota­ tion der Welle 60 in eine z-Bewegung der Spindel 56 umge­ wandelt wird. Der Stellantrieb 58 und damit die Bewegung der Spindel 56 wird durch eine Steuereinheit 59 gesteuert.

Bei dem Stellantrieb 58 kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Antrieb oder einen hydraulischen Antrieb han­ deln.

An ihrem unteren, der Bearbeitungskammer 12 zugewandten Ende ist die Spindel 56 mit einer ersten Montageplatte 64 kraft­ schlüssig verbunden. Die erste Montageplatte 64 ist mit einer zweiten Montageplatte 66 (Fig. 2), welche der Bearbeitungs­ kammer 12 zugewandt angeordnet ist, kraftschlüssig verbunden. Dazu sind zwischen erster Montageplatte 64 und zweiter Mon­ tageplatte 66 parallel zur vertikalen Achse 20 angeordnete Träger 68 bevorzugterweise in der Nähe eines äußeren Randes jeweils der ersten Montageplatte 64 und der zweiten Montage­ platte 66 mit diesen über lösbare Verbindungen 70, insbeson­ dere über Schraubverbindungen, verbunden.

An der zweiten, unteren Montageplatte 66 ist ein Gleitfüh­ rungselement 72 kraftschlüssig gehalten, welches sich koaxial zur vertikalen Achse 20 in Richtung der Bearbeitungskammer 12 erstreckt. Das Gleitführungselement 72 ist insbesondere als Gleitrohr ausgebildet.

An den Halteelementen 46 der Halteeinrichtung 44 sitzen Füh­ rungen 74 zur vertikalen Führung des Gleitführungselementes 72, um dessen Verschieblichkeit in z-Richtung zu gewähr­ leisten.

An einem unteren Ende des Gleitführungselements 72 ist der Hochfrequenz-Plasmabrenner 34 gehalten, welcher aufgrund der Verschieblichkeit der Spindel 56 durch den Stellantrieb 58 mit dem Gleitführungselement 72 in z-Richtung 22 im Bearbei­ tungsraum 28 der Bearbeitungskammer 12 verschieblich ist, so daß ein vertikaler Abstand A zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück 14 und einem Austritt 76 des Hochfrequenz-Plasma­ brenners 34 durch die Höheneinstellvorrichtung 32 einstellbar ist.

An dem Gleitführungselement 72 ist eine Dichtungseinrichtung 78 angeordnet, durch die das Gleitführungselement 72 gasdicht gegen den Bearbeitungsraum 28 der Bearbeitungskammer 12 abge­ dichtet ist. Dabei handelt es sich insbesondere um einen Mem­ branbalg, der eine drucksichere Dichtheit bei der vertikalen Bewegung des Hochfrequenz-Plasmabrenners gewährleistet.

Der Hochfrequenz-Plasmabrenner umfaßt eine Plasmabrennein­ richtung 80 (Fig. 3), in der mittels Zuführung von Hoch­ frequenzleistung eine Plasmaflamme 82 erzeugbar ist.

Durch einen Innenraum 84 des Gleitführungselements 72 führt eine Zuführung 86 für Arbeitsgas (in der Fig. 1 und 2 nicht gezeigt) von einer Arbeitsgasversorgungseinheit zu einem Brennraum 88 der Plasmabrenneinrichtung 80 des Hochfre­ quenz-Plasmabrenners 34. Als Arbeitsgas, das als Plasmamedium in der Plasmabrenneinrichtung 80 dient, kann beispielsweise Wasserstoff oder Argon zum Einsatz kommen.

Von einer Zusatzwerkstoff-Versorgungseinheit (in der Fig. nicht gezeigt) führt eine Zuführung 90 für Zusatzwerkstoff durch den Innenraum 84 des Gleitführungselements 72 in den Brennraum 88 der Plasmabrenneinrichtung 80. An ihrer Mündung in den Brennraum 88 weist die Zuführung 90 für Zusatzwerk­ stoff eine Düse 92 auf, durch die insbesondere pulverförmiger Zusatzwerkstoff in die Plasmaflamme 82 einführbar ist. Der Zusatzwerkstoff, bei dem es sich beispielsweise um ein Metallpulver handeln kann, dient beispielsweise als Be­ dampfungswerkstoff für das Werkstück 14 und wird dazu zur Erhitzung in die Plasmaflamme 82 eingespritzt.

Die Plasmabrenneinrichtung umfaßt Hochfrequenz-Leistungsein­ kopplungsmittel 94, um Hochfrequenzleistung in das Arbeitsgas zur Erzeugung der Plasmaflamme 82 einzukoppeln. Diese Ein­ kopplung kann insbesondere auf induktive Weise erfolgen und das Hochfrequenz-Leistungseinkopplungsmittel 94 kann dann durch eine Induktionsspule gebildet sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß das Hochfrequenz-Leistungseinkopplungs­ mittel 94 durch einen Hohlraumresonator gebildet ist.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist das Hochfre­ quenz-Leistungseinkopplungsmittel 94 eine Staycast-vergossene Spule, bei der die Spulenwindungen 96 in ein Stoffmaterial eingegossen sind. Eine solche Staycast-vergossene Spule erlaubt eine hohe Leistungszufuhr in das Arbeitsgas.

Zur Kühlung des Hochfrequenz-Leistungseinkopplungsmittel 94 sind Kühlmittelzuführungen 98 und Kühlmittelabführungen 100 durch den Innenraum 84 des Gleitführungselementes 72 zum Hochfrequenz-Leistungseinkopplungsmittel 94 geführt (in der Fig. 1 und 2 nicht gezeigt).

Zur Versorgung des Hochfrequenz-Leistungseinkopplungsmittels 94 mit Hochfrequenzleistung sind Hochfrequenzleitungen 102 von einem Anpaßglied 104 zu der Plasmabrenneinrichtung 80 durch den Innenraum 84 des Gleitführungselementes 72 geführt. Das Anpaßglied ist auf einem Halteelement 106, welches kraft­ schlüssig mit dem Gleitführungselement 72 verbunden ist, angeordnet. Dadurch ist der Abstand zwischen dem Anpaßglied 104 und dem Hochfrequenz-Plasmabrenner 34 mit seiner Plasma­ brenneinrichtung 80 für jeden vertikalen Abstand A konstant und wird durch eine Verschiebung in z-Richtung 22 des Hoch­ frequenz-Plasmabrenners 34 nicht verändert. Die Hochfrequenz­ leitungen 102 sind zwischen dem Anpaßglied 104 und der Plasmabrenneinrichtung 80 starr geführt. Bei diesen Hoch­ frequenzleitungen 102 kann es sich insbesondere um als Leitungsresonatoren ausgebildete Hochfrequenzleitungen handeln, welche beispielsweise durch Kupferrohre mit einem rechteckigen Querschnitt gebildet sind.

Das Anpaßglied 104 ist mit einem Hochfrequenz-Generator (in der Fig. nicht gezeigt) verbunden, welcher die Hochfrequenz­ leistung erzeugt. Dieser Hochfrequenz-Generator ist in einer Variante einer Ausführungsform fest gegenüber der Bearbei­ tungskammer 12 angeordnet, so daß er bei einer Höhenver­ stellung des Hochfrequenz-Plasmabrenners 34 nicht verschoben wird. Einspeisungsleitungen (in der Fig. nicht gezeigt) zwischen dem Hochfrequenz-Generator und dem Anpaßglied 104 müssen dann flexibel ausgebildet sein.

In einer anderen Variante einer Ausführungsform ist der Hoch­ frequenz-Generator auf dem Halteelement 106 fest gegenüber dem Anpaßglied 104 gehalten.

Das Anpaßglied 104 dient zur Optimierung der Hochfrequenz­ leistungszufuhr zur Plasmabrenneinrichtung 80. Es ermöglicht insbesondere eine Abstimmung auf den Wellenwiderstand der Hochfrequenzleitungen 102 und der Plasmabrenneinrichtung 80. Da die Hochfrequenzleitungen 102 starr bezüglich des Anpaß­ gliedes 104 und der Plasmabrenneinrichtung 80 sind, wird eine einmal eingestellte Abstimmung durch eine vertikale Verschie­ bung in z-Richtung 22 nicht zerstört.

An einem oberen Ende, welches der Bearbeitungskammer 12 abge­ wandt ist, weist das Gleitführungselement 72 eine Dichtung 108 auf, durch den der Innenraum 84 des Gleitführungsele­ mentes 72 gegenüber einem Außenraum des Plasmabrennersystems 10 gasdicht ist. Durch dieses Dichtungselement 108 sind die Hochfrequenzleitungen 102 geführt. Weiter sind durch das Dichtungselement 108 die Zuführung 90 für Zusatzwerkstoff, die Kühlmittelzuführungen 98 für das Hochfrequenzleistungs-Ein­ kopplungsmittel 94 sowie die entsprechenden Kühlmittel­ abführungen 100 geführt. Die Zuführung 90 sowie die Zufüh­ rungen 98 und die Abführungen 100 sind dabei so ausgebildet, daß ihre Funktionsfähigkeit durch eine Verschiebung in z-Richtung des Hochfrequenz-Plasmabrenners 34 nicht beein­ trächtigt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß sie außerhalb des Innenraums 84 des Gleitfüh­ rungselementes 72 flexibel ausgebildet sind.

Bei einer Variante einer Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Plasmabrennersystems 10 ist es vorgesehen, daß der Innenraum 84 des Gleitführungselementes 72 mit einem Medium beaufschlagbar ist. Bei diesem Medium kann es sich insbeson­ dere um ein Schutzmedium zum Unterdrücken von Hochfrequenz­ durchschlägen bei den Hochfrequenzleitungen 102, die im Innenraum 84 verlaufen, handeln. Beispielsweise kann SF₆ oder Silikonöl eingesetzt werden.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß das Beaufschlagungsmedium durch den Innenraum 84 des Gleitführungselementes 72 geführt ist, um auf diese Weise die Hochfrequenzleitungen 102 in dem Innenraum 84 zu kühlen. Besonders vorteilhaft ist die Kombination des Beauf­ schlagungsmediums als Schutzmedium und als Kühlmedium.

Aufgrund der Dichtung 108 läßt sich in dem Innenraum 84 des Gleitführungselementes 72 ein vom Druck des Außenraums des Plasmabrennersystems 10 abweichendes Druckniveau einstellen.

Das erfindungsgemäße Plasmabrennersystem arbeitet wie folgt:
Über den Hochfrequenz-Generator wird Hochfrequenzleistung in das Anpaßglied 104 eingekoppelt. Dieses ist insbesondere über Wellenwiderstandanpassung so abgestimmt, daß diese Hoch­ frequenzleistung optimal über die Leitungen 102 in das Hoch­ frequenzleistungs-Einkopplungsmittel 94 der Plasmabrennein­ richtung 80 des Hochfrequenz-Plasmabrenners 34 eingekoppelt wird. Das Arbeitsgas, welches über die Zuführung 90 in die Plasmabrenneinrichtung 80 eingeführt wird, nimmt in den Hoch­ frequenzfeldern beispielsweise mittels induktiver Hoch­ frequenzheizung Energie auf und es entsteht eine Plasmaflamme 82. Diese Plasmaflamme ist in z-Richtung 22 in Richtung des Werkstückes 14 gerichtet und wird zur Bearbeitung dieses Werkstückes 14 eingesetzt.

Um das Werkstück optimal zu bearbeiten, ist der Abstand A zwischen dem Werkstück und der Plasmabrenneinrichtung 80 und insbesondere dem Austritt 76 und dem Werkstück 14 ent­ scheidend. Durch den Stellantrieb 58 ist dieser Abstand A einstellbar. Insbesondere wird dadurch der Hochfrequenz-Plas­ mabrenner 34 in z-Richtung 22 dem Werkstück 14 nach­ führbar, beispielsweise wenn dieses Höhenstrukturen in vertikaler Richtung aufweist.

Bei der Bearbeitung des Werkstückes 14 kann es sich bei­ spielsweise um eine Aufdampfungsbearbeitung in einem Vakuum handeln. Dazu wird über die Düse 92 ein Zusatzwerkstoff in die Plasmaflamme 82 eingeführt, der als Aufdampfmittel für das Werkstück 14 dient und sich auf diesem niederschlagen soll.

Die Positioniervorrichtung 16 erlaubt eine Bewegung des Werk­ stückes in einer x-y-Ebene senkrecht zur z-Richtung 22; die Bewegung in z-Richtung und somit die Einstellung des verti­ kalen Abstandes A erfolgt über die Höheneinstellvorrichtung 32. Es kann auch vorgesehen sein, daß die Positioniervorrich­ tung 16 in der z-Richtung 22 eine Positionierung des Werk­ stückes 14 erlaubt, beispielsweise als Grobeinstellung oder Vorpositionierung.

Die Einkopplung von Hochfrequenzleistung in das Hochfrequenz­ leistungs-Einkopplungsmittel 94 ist insbesondere kritisch gegenüber Änderungen der Geometrie der Hochfrequenzleitungen 102, da durch Änderungen der Geometrie insbesondere eine Wellenwiderstandsanpassung durch das Anpaßglied 104 aufge­ hoben wird. Bei dem erfindungsgemäßen Plasmabrennersystem 10 ist das Anpaßglied 104 stets in einem festen Abstand zu der Plasmabrenneinrichtung 80 gehalten und die Leitungen 102 sind stark geführt, so daß sich insbesondere ihre geometrische Form nicht ändert. Dadurch tritt keine schädliche Belastung der Hochfrequenzleitungen 102 durch eine Einstellung des ver­ tikalen Abstandes A zwischen Hochfrequenz-Plasmabrenner 34 und Werkstück 14 ein, so daß die Abstimmung des Anpaßgliedes 104 erhalten bleibt.

Durch eine Kopplung der x-y-Bewegung des Werkstückes auf der Positioniervorrichtung 16 und der Bewegung-in z-Richtung 22 des Hochfrequenz-Plasmabrenners 34 über die Steuereinheit 59 läßt sich die Bearbeitung, beispielsweise die Beaufdampfungs­ bearbeitung, von Werkstücken 14 oder Gruppen von Werkstücken 14 optimieren, indem eine konturgenaue Nachführung und An­ passung in alle drei Raumrichtungen ermöglicht ist.

Die Halteeinrichtung 44 ist auf den Lagern 50 festlegbar ver­ schieblich gelagert. Dies erleichtert die Montage und Demon­ tage des erfindungsgemäßen Plasmabrennersystems 10. Durch Lösen der Verbindungen 70 kann die Spindel 56 von dem Gleit­ führungselement 72 entkoppelt werden und dann die Halteein­ richtung 44 so verschoben werden, daß sie eine weitere Mon­ tage bzw. Demontage des Hochfrequenz-Plasmabrenners 34 nicht behindert. Auf diese Weise ist beispielsweise der Hoch­ frequenz-Plasmabrenner 34 schnell austauschbar.

Claims (35)

1. Plasmabrennersystem, umfassend einen Hochfrequenz-Plas­ mabrenner mit einer Plasmabrenneinrichtung, in welcher mittels Zuführung von Hochfrequenzleistung eine Plasmaflamme erzeugbar ist, und eine Bearbeitungskammer, in welcher Werkstücke positionierbar sind, um mittels der Plasmaflamme bearbeitet zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmabrennersystem (10) eine Höheneinstellvorrichtung (32) aufweist, durch die ein vertikaler Abstand (A) zwischen der Plasmabrenneinrichtung (80) des Hoch­ frequenz-Plasmabrenners (34) und einem zu bearbeitenden Werkstück (14) einstellbar ist.

2. Plasmabrennersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Hochfrequenzleitungen (102) von einem An­ paßglied (104), welches zur Einkopplung der Hoch­ frequenzleistung eines Hochfrequenz-Generators in die Hochfrequenzleitungen (102) dient, starr zu der Plasma­ brenneinrichtung (80) des Hochfrequenz-Plasmabrenners (34) geführt sind.

3. Plasmabrennersystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochfrequenzleitungen (102) als Leitungsresonatoren ausgebildet sind.

4. Plasmabrennersystem nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenz-Plas­ mabrenner (34) mit der Plasmabrenneinrichtung (80) durch die Höheneinstellvorrichtung (32) in einer verti­ kalen Richtung (22) bezüglich des zu bearbeitenden Werk­ stückes (14) verschieblich ist.

5. Plasmabrennersystem nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Anpaßglied (104) in einem festen Ab­ stand zum Hochfrequenz-Plasmabrenner (34) angeordnet ist und mit diesem verschieblich ist.

6. Plasmabrennersystem nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochfrequenz-Generator fest bezüglich des Anpaßgliedes (104) angeordnet ist, so daß er mit dem Hochfrequenz-Plasmabrenner (34) verschieblich ist.

7. Plasmabrennersystem nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochfrequenz-Generator fest gegenüber der Bearbeitungskammer (12) angeordnet ist.

8. Plasmabrennersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpaßglied (104) ab­ stimmbar ist zur Optimierung der Hochfrequenz-Leistungs­ zufuhr durch die Hochfrequenzleitungen (102) zu der Plasmabrenneinrichtung (80).

9. Plasmabrennersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenz-Plasma­ brenner (34) an einem Gleitführungselement (72) der Höheneinstellvorrichtung (32), welches in vertikaler Richtung (22) verschieblich ist, gehalten ist.

10. Plasmabrennersystem nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch das Gleitführungselement (72) Ver­ sorgungsleitungen für den Hochfrequenz-Plasmabrenner (34) führen.

11. Plasmabrennersystem nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Versorgungsleitungen die Hochfrequenz­ leitungen (102) zur Plasmabrenneinrichtung (80) um­ fassen.

12. Plasmabrennersystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsleitungen eine Arbeitsgaszuführung (86) zur Plasmabrenneinrichtung (80) umfassen.

13. Plasmabrennersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsleitungen eine Kühlmittelzuführung (98) zu der und eine Kühl­ mittelabführung (100) von der Plasmabrenneinrichtung (80) umfassen.

14. Plasmabrennersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsleitungen eine Zusatzwerkstoffzuführung (90) zur Plasmabrenn­ einrichtung (80) umfassen.

15. Plasmabrennersystem nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusatzwerkstoffzuführung (90) eine Düse (92) zum Einblasen von Zusatzwerkstoff in die Plasmaflamme (82) aufweist.

16. Plasmabrennersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitführungselement (72) eine Kühlmittelzuführung und eine Kühlmittelab­ führung zur Beaufschlagung der Hochfrequenzleitungen (102) im Gleitführungselement (72) mit Kühlmittel umfaßt.

17. Plasmabrennersystem nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungs­ kammer (12) als Vakuumkammer ausgebildet ist.

18. Plasmabrennersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitführungselement (72) eine Dichtungseinrichtung (78) zur gasdichten Ab­ dichtung gegen die Bearbeitungskammer (12) umfaßt.

19. Plasmabrennersystem nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichtungseinrichtung (78) durch einen Membranbalg gebildet ist.

20. Plasmabrennersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitführungselement (72) eine Dichtung (108) umfaßt, durch die ein Innenraum (84) des Gleitführungselementes (72) gasdicht gegenüber einem Außenraum des Plasmabrennersystems (10) abge­ dichtet ist.

21. Plasmabrennersystem nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innenraum des Gleitführungselementes (72) mit einem Beaufschlagungsmedium beaufschlagbar ist.

22. Plasmabrennersystem nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Beaufschlagungsmedium ein Schutzmedium zum Unterdrücken von Hochfrequenz-Durchschlägen ist.

23. Plasmabrennersystem nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Beaufschlagungsmedium durch den Innenraum (84) des Gleitführungselementes (72) zur Kühlung der Hochfrequenzleitungen (102) geführt ist.

24. Plasmabrennersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitführungselement (72) durch ein Gleitrohr gebildet ist.

25. Plasmabrennersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpaßglied (104) kraft­ schlüssig bezüglich des Gleitführungselementes (72) in einem festen Abstand zum Hochfrequenz-Plasmabrenner (34) gehalten ist.

26. Plasmabrennersystem nach Anspruch 25, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an dem Gleitführungselement (72) kraft­ schlüssig in einem festen Abstand zu dem Hochfrequenz-Plas­ mabrenner (34) ein Halteelement (106) angeordnet ist, an welchem das Anpaßglied (104) fixiert ist.

27. Plasmabrennersystem nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höheneinstell­ vorrichtung (32) einen Stellantrieb (58) umfaßt.

28. Plasmabrennersystem nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höheneinstell­ vorrichtung (32) eine Steuereinheit (59) zum Steuern des vertikalen Abstands (A) des Hochfrequenz-Plasmabrenners (34) relativ zum Werkstück (14) aufweist.

29. Plasmabrennersystem nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabrennein­ richtung (80) ein Hochfrequenz-Leistungseinkopplungs­ mittel (94) umfaßt, mittels welchem induktiv die Plasmaflamme (82) erzeugbar ist.

30. Plasmabrennersystem nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungs­ kammer (12) geerdet ist.

31. Plasmabrennersystem nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bearbei­ tungskammer (12) eine Positioniervorrichtung (16) zur Positionierung des zu bearbeitenden Werkstückes (14) relativ zum Hochfrequenz-Plasmabrenner (34) angeordnet ist.

32. Plasmabrennersystem nach Anspruch 31, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die Positioniervorrichtung (16) das Werkstück (14) in einer horizontalen Ebene senkrecht zur vertikalen Richtung (22) positionierbar ist.

33. Plasmabrennersystem nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Positioniervorrichtung (16) das Werkstück (14) in vertikaler Richtung (22) positionierbar ist.

34. Plasmabrennersystem nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höheneinstell­ vorrichtung (32) an einer Halteeinrichtung (44) gehalten ist, welche festlegbar verschieblich bezüglich der Bear­ beitungskammer (12) gelagert ist.

35. Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrennersystems, welches einen Hochfrequenz-Plasmabrenner mit einer Plasmabrenneinrichtung zum Erzeugen einer Plasmaflamme und welches eine Bearbeitungskammer zur Bearbeitung eines Werkstückes mit Hilfe der Plasmaflamme umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein vertikaler Abstand zwischen dem Hochfrequenz-Plasmabrenner und dem Werk­ stück durch Verschiebung des Hochfrequenz-Plasmabrenners relativ zum Werkstück eingestellt wird, wobei ein Anpaß­ glied, durch welches Hochfrequenzleistung in Hoch­ frequenzleitungen eingekoppelt wird, welche zu der Plasmabrenneinrichtung führen, in einem festen Abstand zum Plasmabrenner angeordnet ist, so daß die Hoch­ frequenzleitungen starr führbar sind.