Projekt 12053/01

Dielektrisch behinderte Entladungen für die Oberflächenreinigung

Projektdurchführung

Dipl.-Ing. A. Lang GmbH
Kirchheimer Str. 9
73252 Lenningen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Projekt zielt auf Entwicklungen zur Oberflächenreinigung mit Plasmatechnik. Ende 1994 sind die Übergangsfristen der 2.BImSchV von 1990 für Altanlagen zur Oberflächenreinigung abgelaufen. Es wurden verschiedene umweltverträgliche Technologien zur Metalloberflächenreinigung neu entwickelt. Diese Systeme der Oberflächenreinigung nach dem Stand der Technik arbeiten weiterhin mit umweltschädlichen Zusätzen wie Waschlaugen, CKW oder KW und erfordern einen großen Anlagenaufwand. Es wurde untersucht, ob sich Formen dielektrisch behinderter Entladungen (DBE) als Plasmaquelle bei Normalbedingungen (1 bar, Raumtemperatur) zur Erzeugung reaktiver Teilchen nutzen lassen, welche die organische Verschmutzung einer Oberfläche in ihre Komponenten fragmentieren und durch aktiven Sauerstoff in CO2 und Wasser weiteroxidieren und damit die Oberfläche reinigen. Ziel des Projektes war für die verfahrenstechnische Untersuchung entsprechende flexible Plasmageneratoren als Untersuchungswerkzeuge zu entwickeln und aufzubauen und mittels betriebstechnischer Veränderungen die Reinigungswirkung zu optimieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten orientieren sich an der Absicht, einen Beitrag zur umweltfreundlichen Oberflächenreinigung mittels dielektrisch behinderter Entladungen bei Normalbedingungen in der Form zu leisten, dass auf herkömmliche, die Umwelt schädigende Reinigungsmittel verzichtet werden kann. Im Hinblick auf diese Anwendung wird dabei angestrebt, ein variables Plasmasystem zu entwickeln, mit dessen Hilfe die Zusammenhänge zwischen der Reinigungswirkung einerseits und den entsprechenden Entladungsparametern andererseits herauszuarbeiten sind, um auf Basis dieser Erkenntnisse einen Prototypen für eine effiziente, schadstoffarme Oberflächenreinigung bspw. von ESP-Sensoren, Airbag-Sensoren, Flugzeug- bzw. Kontaktstanzteilen aufzubauen. Für die Beurteilung der Reinigungswirkung wurde als Messgröße die Benetzbarkeit der Oberfläche herangezogen. Das im Verlauf des Projektes aufgebaute Laborsystem sollte einer industriellen Erprobung zunächst für Bandmaterial (Kontaktstanzteile, Flugzeugbau) und für die Bauteil-Feinreinigung unterzogen werden. Dabei wurde im Hinblick auf die geforderte Sauberkeit die Reinheit der Oberfläche anhand der geforderten Funktionalität - hier Haftung eines Dichtpolymer? anhand von Abziehtests analysiert. Das Verfahren wird schließlich anhand einer Ökobilanz bewertet.


Ergebnisse und Diskussion

Das flexible Plasmasystem wurde modular konzipiert. Die Energieversorgung gliedert sich in folgende drei Einzelkomponenten: a) Funktionsgenerator, b) Leistungsnetzteil und c) Leistungsverstärker. An das Leistungsnetzteil werden wegen der erheblichen Impulslast des Verbrauchers besondere Forderungen in Bezug auf Stabilität bzw. Konstanz gestellt. Hierzu mussten das Leistungsnetzteil mit großen Pufferkondensatoren in T-Schaltung ausgeführt werden und die Stromleitungen einen niedrigen Wellenwiderstand aufweisen. Zur Untersuchung der Auswirkung der elektrischen Anregungsform auf die Oberflächenreinigung des Plasmasystems wurde ein Funktionsgenerator entwickelt, der in seiner Frequenz sehr breit variiert werden kann, genügend Stabilität hat und verschiedene Spannungskurvenverläufe ohne externe Manipulation zur Verfügung stellt: die einzelnen Kurvenformen Sinus, Dreieck, Rechteck und Impuls können durch das veränderte Tastverhältnis noch geändert werden. Beim Leistungsverstärker wurde nicht ein nur plasmatechnisch einsetzbares Unikat entwickelt, sondern ein flexibel einsetzbares Verstärkersystem für industriellen Forschung und Entwicklung. Die Hauptschwierigkeiten bestehen in der Verfügbarkeit der Halbleiter-Bauelemente. Für die Hochspannungsseite des flexiblen Plasmasystems wurden Trafos gefertigt und mit Rechteckspannung getestet. Es stehen nun Prototypen für den Frequenzbereich von 0,1 bis 10 kHz, von 10 bis 100 kHz und von 100 kHz-10 Mhz zur Verfügung. Die erreichte Spitzenamplitude beträgt rund 10kVp. Einschlägigen Normen und Sicherheitsvorschriften waren zu beachten. Mit einem ebenfalls entwickelten Impuls-EVG (1 - 5 Mikrosekunden-Impulse, 10 kV bei 100 Watt) an einer Gasentladungslampe wurden Strahlungsmessungen zur Elektromagnetischen Verträglichkeit durchgeführt. Netzstörungen können generell verhindert werden. Strahlung im Bereich von 30 MHz überschreiten jedoch die zulässigen Grenzwerte. Das weiterentwickelte EVG wird inzwischen in der Lampenforschung erfolgreich eingesetzt. Weitere Anwendungspotentiale bestehen im Bereich der Ultraschallgeneratoren, der Auslegung von kapazitiv oder induktiv anzusteuernden Ventilen oder der Qualitätssicherung bei Mikrosystemen. Im Bereich Oberflächenreinigung erfolgt bei Ölfilmen unter 5 Mikrometer Schichtdicke eine quasi rückstandsfreie Reinigung, sofern es sich um organische Verschmutzungen handelt, die keine Silicate oder Derivate davon enthalten. Bei dickeren Ölschichten nimmt die Reinigungswirkung ab und die Bildung von Polymeren zu, was letztlich in einer Verharzung mündet. Solche schwer zu entfernenden Verunreinigungen können nur in einem reinen Sauerstoffplasma bei reduziertem Druck oder mittels harter UV-Strahlung erfolgreich zersetzt werden. Deshalb wurde auch die Reinigung mit UV weiter verfolgt. In Labortests und bei der industriellen Erprobung des UV-Reinigungssystems im Luftfahrzeugbau wurden bei einer Betriebstemperatur von rund 50°C und einem Unterdruck von ca. 600 mbar Behandlungszeiten für die Entfernung dicker Ölschichten unter einer Minute erreicht. Neben dem problemloseren Betrieb (Sicherheitsvorschriften, EMV, CE-Norm) entfällt der direkte Kontakt des Reinigungsguts mit Hochspannung. Versuche zur Inline-Reinigung von gestanzten Bandmaterial haben klar erbracht, dass eine Behandlungsdauer bei geringer Befettung (nach Stanzautomat) von mindestens 20 Sekunden, bei starker Befettung von mindestens einer Minute notwendig ist. Dies bedeutet für ein Inline-Plasmasystem Entladungsmodule von mindestens 100cm aktiver Länge. Deshalb hat sich das Thema Plasmareinigung in diesem Anwendungsfall als nicht geeignet erwiesen. Demgegenüber war die industrielle Feinreinigung von ESP-Sensoren oder Airbag-Sensoren erfolgreich.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Verfahren selbst sowie die Forschungs- und Entwicklungsergebnisse wurden einer Reihe von Institutionen bzw. Firmen präsentiert, z.B. aus dem Bereich Halbleitertechnik, Automobilbauer, Luftfahrtindustrie sowie Lampenhersteller. Veröffentlichungen in der Zeitschrift Metalloberfläche MO - Hauserverlag, München (Heft 7/2000). System- und Posterpräsentation anlässlich der Tagung zur Oberflächereinigung - Steinbeisszentrum Oberflächetechnik an der Fachhochschule Esslingen/Göppingen, 2001. Kooperationen mit Fachhochschulen und Universitäten.


Fazit

Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Oberflächereinigung mittels Dielektrisch behinderter Entladungen durch geeignete betriebstechnische Maßnahmen erfolgreich bewerkstelligt werden kann. Es konnte nachgewiesen werden, dass die UV-Oberflächenreinigung eine vielversprechende Alternative bzw. Ergänzung darstellt. Die umweltrelevanten Auswirkungen der entwickelten Technologie sind gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik sehr gering. Im wirtschaftlichen Kontext zeichnet sich ab, dass das atmosphärische Plasmasystem zur Feinreinigung sowohl im Bereich der Betriebskosten als auch der Investitionskosten potentiell große Vorteile hat, wie bspw. die Abschätzungen für die ESP-Sensorreinigung zeigen. Anzumerken ist, dass die technische Bereitstellung eines innovativen Reinigungssystems alleine für eine erfolgreiche Marktdiffusion nicht ausreicht.