Dünne Schichten für optimierte Eigenschaften

Bei Metallen sind es vor allem Öle und Fette, die einer dauerhaft guten Lackhaftung im Weg stehen – insbesondere beim Einsatz umweltgerechter Wasserlacke. Um die qualitätsbeeinträchtigenden, meist aus der Fertigung stammenden Verschmutzungen zu entfernen, durchlaufen die zu beschichtenden Teile eine umweltbelastende sowie energie- und zeitintensive Vorbehandlung. Dass diese auch umweltverträglich und wirtschaftlich erfolgen kann, beweist die Plasmatechnologie. Mit diesem Verfahren lassen sich nicht nur sämtliche technische Metalle, sondern praktisch alle Substratmaterialien behandeln. Die Bearbeitung erfolgt dabei trocken, berührungslos und nicht abrasiv. Die Auswahl der verschiedenen Prozessparameter wie Gasart und -durchsatz, Druck, elektrische Leistung und Behandlungsdauer ermöglicht dabei die Anpassung an die jeweilige Anwendung.

Plasma – der 4. Aggregatszustand
Ein Plasma entsteht durch die Zufuhr von Energie: Die kleinsten Bausteine (Atome und Moleküle) fester Materie beginnen zunächst sich zu bewegen und gehen in den flüssigen Zustand über. Mehr Energie bewirkt, dass die Bausteine den Verbund verlassen und sich frei bewegen, es liegt ein Gas vor. Durch weitere Energiezufuhr wird das Gas ionisiert – die Teilchen bewegen sich so schnell, dass sich vorhandene Ladungsträger (Elektronen) aus den Atomen und Molekülen lösen – und elektrisch leitfähig. Mit diesen aktiven Gasteilchen lassen sich Oberflächen feinreinigen, aktivieren/modifizieren und beschichten, ohne dass die Oberfläche dabei thermisch belastet wird.

Verfahrensvarianten
Dafür stehen zwei unterschiedliche Technologien zur Verfügung: Beim Niederdruckplasma erfolgt die Behandlung in geschlossenen Kammern unter Vakuum. Dies ermöglicht, Werkstücke mit komplizierter Geometrie als Schüttgut oder Einzelteile zu reinigen. Außerdem ist der Einsatz unterschiedlichster Prozessgase möglich, da die Behandlung im evakuierten, geschlossenen Raum stattfindet. Der Gasverbrauch ist mit 0,1 bis 0,5 Litern pro Minute darüber hinaus deutlich geringer als bei atmosphärischen Plasmaanlagen.

Unter Umgebungsdruck funktionieren die direkte und indirekte Coronaentladung (dielektrische Barrierenentladung). Bei der ersten Variante trifft die Entladung (Plasma) direkt auf das Werkstück. Beim indirekten Atmosphärendruckplasma, bei dem mit sogenannten Plasmaköpfen (Düsen) gearbeitet wird, erfolgt die Entladung am Plasmakopf und wird mit Druckluft auf die zu bearbeitende Oberfläche geleitet. Das Einsatzgebiet liegt vor allem in der Behandlung flächiger Substrate, beispielsweise Coils, Aluminium- und Stahlbänder sowie Folien, wobei mit der direkten Coronaentladung Anlagen mit Bahnbreiten über zehn Meter realisierbar sind. Durch die einfachere Anlagentechnik ohne Vakuumkomponenten sind die Investitionskosten geringer und Atmosphärendruckplasmaanlagen lassen sich einfacher in automatisierte Fertigungslinien einbinden.

Mit dem Plasma-Spot wurde ein inlinefähiges Verfahren entwickelt, das zwischen atmosphärischem und Niederdruckplasma angesiedelt ist. Es besteht aus einem Plasmakopf, der individuell an die zu behandelnde Oberfläche angepasst wird, sowie einer Versorgungseinheit mit integrierter, vollautomatischer Steuerung. Für die Behandlung wird der Plasmakopf auf die Oberfläche aufgesetzt und der Niederdruckplasmaprozess gestartet. Die vom Material abhängigen Prozesszeiten liegen zwischen einer Sekunde und zehn Minuten. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren insbesondere bei der punktuellen Behandlung vor dem Lackieren, Verkleben, Bedrucken sowie der Ausbesserung von Lackschäden.

Lackiervorbehandlung mit Plasma
Mit Niederdruck- und atmosphärischen Plasmen lassen sich vor allem dünne organische Kontaminationen wie Bearbeitungshilfsstoffe effektiv entfernen. Gute und schnelle Ergebnisse bietet die Reinigung beispielsweise bei Ölbelegungen bis 100 nm. Für die Reinigung vor Lackierprozessen kommt in erster Linie Luft als Prozessgas zum Einsatz, wobei die Abtragraten mit zunehmender Sauerstoffkonzentration zunehmen. Die Abreinigung anorganischer Verunreinigungen mit Plasmen ist nicht oder nur sehr begrenzt möglich.

Während der Plasmabehandlung erfolgt eine gleichzeitige Reinigung und Aktivierung der Oberfläche. Diese Doppelfunktion basiert auf den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Verfahrens: Im Niederdruckplasma „bombardieren“ frei gewordene Atome die Oberfläche des zu reinigenden Bauteils. Dies wirkt wie ein Mikrostandstrahlen im Nanometerbereich, wodurch anhaftende organische (wie Öle und Fette) und zum Teil auch anorganische Verschmutzungen entfernt werden.

Sowohl im Niederdruck- als auch im Atmosphärendruckplasma werden organische Verschmutzungen in kurze, flüchtige Ketten zerstört und durch die chemische Reaktion mit dem Sauerstoff bis hin zu Wasser und Kohlendioxid oxidiert. Gleichzeitig reagieren freie Ionen und Elektronen mit der Oberfläche und bilden so polare Gruppen. Dies führt dazu, dass die Oberflächenspannung auf einen für den nachfolgenden Lackierprozess optimalen Wert gebracht wird. So lassen sich durch eine Plasmabehandlung Oberflächenspannungen größer 72 mN/m erreichen. Die Oberfläche wird also sehr gut benetzbar, was beim Einsatz von wasserbasierenden Lacken auf Metallen und der Beschichtung schwer lackierbarer Kunststoffe für einen optimalen Lackverlauf sorgt und dazu beiträgt, Ausschuss zu reduzieren.

Schichten für Haftvermittlung und Korrosionsschutz
Über Plasmen können auch dünne Schichten auf dem Metall abgeschieden werden, beispielsweise über den siliziumhaltigen Prekursor Hexamethyldislazan (HMDSN), die sowohl eine gute Haftung zum Metall aufweisen als auch für die gute chemische Anbindung des Lackes sorgen. Mit einer solchen Beschichtung lässt sich beispielsweise die Haftung von Epoxidlacken auf Metallen verbessern.

Die Abscheidung temporärer Korrosionsschichten als Alternative zur Beölung ist ebenfalls möglich. Diese Schicht muss vor der Lackierung zwar ebenfalls wieder entfernt beziehungsweise aktiviert werden, aber dies kann einfach und effizient durch einen zweiten „Durchlauf“ in der Plasmaanlage erfolgen. Dies erspart den bei der heute üblichen Beölung separaten nasschemischen Reinigungsschritt. Forschung und Industrie arbeiten derzeit daran, Schichten zu entwickeln, die ohne eine weitere Behandlung vor der Lackierung sowohl einen guten temporären Korrosionsschutz als auch eine gute Haftvermittlung bieten.

Optimierung lackierter Oberflächen
Einsetzbar sind insbesondere Niederdruckplasmen auch zur Steigerung der Kratzfestigkeit und Härte von UV-Lacken. In diesem Anwendungsfall wird die UV-Komponente eines beispielsweise mit Argongas erzeugten Plasmas für eine bessere Vernetzung des UV-Lackes genutzt. Mit Niederdruckplasmen lassen sich die Vorteile von UV-Lacken auch bei geometrisch komplexeren Teilen nutzen, die unter normalen Vernetzungsbedingungen nur an den gut zugänglichen Bereichen optimal vernetzen.

Durch die Möglichkeit, im Plasmaprozess gezielt Schichten auf der Oberfläche abzuscheiden, können beispielsweise auch bereits nasslackierte Oberflächen mit speziellen Eigenschaften ausgestattet werden. Dazu zählt die gezielte Abscheidung glasartiger Schichten zur Erhöhung der Härte und Verschleißbeständigkeit.

Pimern mit Plasma
Bei der Verbindung und Lackierung von Komponenten aus unterschiedlichen Werkstoffen wie etwa Metall mit Gummi bietet sich die Plasmatechnik als Problemlöser an. In diesem Fall kann parallel zur Reinigung und Aktivierung auf dem Gummiteil eine abgestimmte Primerschicht abgeschieden werden. Sie ermöglicht einerseits die dauerhafte Verbindung mit dem Metallteil und sorgt im „Außenverhältnis“ für eine gute und homogene Lackhaftung auf beiden Komponenten.

Für eine gewollt schlechte Haftung von Lacken sorgt eine Plasmabeschichtung für Gitterroste und andere Betriebsmittel, die bei der Lackierung durch Overspray verunreinigt werden. Die auf galvanisch- und feuerverzinktem Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kunststoffen und lackierten Oberflächen gut haftende Beschichtung weist eine ausgesprochene Antihaftneigung gegen­über wasser- und lösemittelbasierten Nasslacksystemen auf. Dadurch lassen sich die Betriebsmittel einfach, rückstandsfrei und umweltgerecht mit Wasserhochdruck entlacken.
Durch die vielfältigen Möglichkeiten der gezielten Oberflächenmodifikation wie Reinigung, Aktivierung, Beschichtung und Metallisierung lassen sich mit der Plasmatechnik zahlreiche Aufgaben rund um den Lackierprozess technisch und wirtschaftlich optimieren.

Doris Schulz

FACTBOX

PaintExpo – internationale Leitmesse für industrielle Lackiertechnik

Über 300 Aussteller ausschließlich aus der industriellen Lackiertechnik werden bei der 3. PaintExpo von 13. bis 16. April 2010 auf dem Messegelände Karlsruhe vertreten sein. Damit untermauert die PaintExpo ihre Stellung als internationale Leitmesse der Lackiertechnik-Branche. Die Besucher erwartet das weltweit breiteste und tiefste Informations- und Beschaffungsangebot zur Effizienz- und Qualitätsoptimierung von Nasslackier-, Pulverbeschichtungs- und Coil-Coating-Prozessen. Und das unabhängig davon, ob Metalle, Kunststoffe, Glas, Holz und Holzwerkstoffe oder andere Materialien zu lackieren beziehungsweise zu beschichten sind.

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