Kaltes Plasma aus der Scheibe

Plasmen werden in der Industrie eingesetzt, um Ober­flächen zu reinigen oder so zu bear­beiten, dass Materia­lien wie Lacke oder Kleb­stoffe besser darauf halten. Der Vorteil: Auf die chemische Vorbe­handlung mit Lösungs­mitteln oder anderen Stoffen kann verzichtet werden. Das spart Geld und ist umwelt­freundlich. Das Problem: Bisher konnten nur ebene Flächen behandelt werden, über Vertiefungen, Hohlräume oder Hinter­schneidungen glitt das Plasma einfach hinweg. Forscher des Fraun­hofer-Instituts für Schicht- und Oberflächen­technik IST haben jetzt zwei Plasma­verfahren, den Plasmajet und die Gleit­entladung, mit­einander kombiniert, um auch drei­dimensionale Bauteile effektiv bear­beiteten zu können.

„Im Inneren des Plasma­jets, der im Wesent­lichen aus einer Elektrode und einer Düse besteht, wird ein kaltes Plasma mit Hilfe von Wechsel­spannung erzeugt“, erklärt Martin Bellmann, Ingenieur im Anwendungs­zentrum für Plasma und Photonik des Fraun­hofer IST in Göttingen. Je nach Bedarf kommen unter­schiedliche Gase oder Gasge­mische zum Einsatz. Die hohe elek­trische Spannung der Elektrode sorgt dafür, dass negativ geladenen Elektronen die Atom­hülle verlassen, die größeren, positiv geladenen Ionen bleiben zurück: Das Gas wird leitfähig und damit zum energe­tischen Plasma. „Weil Plus- und Minuspol der Elektrode ständig wechseln, bewegen sich die Ionen kaum und setzen wenig Energie in Form von Wärme frei, sondern zittern ledig­lich ein wenig hin und her“, so Bellmann. Die Tempe­ratur lässt sich auf diese Weise niedrig auf 30 bis 60 Grad halten. Das ist optimal für die Behandlung von hitze­empfind­lichen Materialien wie Kunst­stoffen oder Holz.

Anschließend werden die freien Elektronen mit einer Düse auf das Bauteil geblasen. Weil die Material­oberfläche nicht leitet, können sie nicht mit ihr reagieren. Daher zünden sie zurück zur Unterseite des Jets. So entstehen zahl­reiche kleine Gleit­entladungen, die sich konzen­trisch um die Düse herum zwischen der Unter­seite des Geräts und dem Bauteil flächig ausbreiten. „Die Form dieser Aus­breitung erinnert an eine CD, daher haben wir unsere Entwicklung Disc-Jet getauft.“ Das Ergebnis: Eine gleich­mäßige Behandlung der kompletten Ober­fläche – Vertie­fungen, Hohlräume und Hinter­schneidungen inklusive.

Der Plasma­strahl wirkt nicht nur physi­kalisch, indem er die Ober­fläche leicht aufraut, wodurch aufge­tragene Stoffe besser halten, sondern auch chemisch. Denn die instabilen Atome und Moleküle des Plasmas sind hoch reaktiv. Verwendet man zum Beispiel Luft als Plasmagas, so lösen die einzelnen Sauer­stoff-Atome Wasser­stoff-Atome aus den Kunst­stoff-Ober­flächen heraus und ermög­lichen damit eine bessere Anhaf­tung von Lacken oder Kleb­stoffen.

Fh.-IST / JOL