SYMPOSIUM PLASMAPOLIEREN. Technologiepark Lauta 2.Dezember 2005

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1 SYMPOSIUM PLASMAPOLIEREN Technologiepark Lauta 2.Dezember 2005

2 Kurze Einführung in die klassische Plasmaphysik M. Unger

3 Inhalt: 1. Grundlagen der Plasmaphysik 2. Unterscheidungen der Plasmen und ihre Einsatzgebiete 3. Entladungserscheinungen in Gasen 4. Entladungserscheinungen an Elektroden 5. Elektrochemisches Plasma 6. Polieren von Metallen mit anodischem elektrolytischem Plasma Vergleich zum herkömmlichen elektrochemischen Polieren Verfahrenserläuterung Plasmapolieren Besonderheiten des Verfahrens- Plasmapolieren polierbare Werkstoffe Anwendungsfelder

4 Plasmen in Natur und Technik

5 Es gibt eine große Vielfalt von Plasmen in der Natur und in der Technik 99% der Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand! Davon im natürlichen Zustand fast ausschließlich im Weltall. Alle Sterne, intergalaktischen Nebel und die Sonne sind Plasmen Erde: Ionosphäre ( km Höhe) Quelle: Ruhr-Universität Bochum Dr. U. Czarnetzki

6 Physikalisch: Was ist ein Plasma? Der vierte Aggregatszustand. Fest, flüssig, gasförmig Plasma Griechische Phil.: Erde, Wasser, Luft Feuer Eigenschaften eines Plasmas: stark oder voll ionisiertes Gas freie Ladungsträger vorhanden elektrisch leitfähig, durch Magnetfelder beeinflussbar starke Elektromagnetische Wechselwirkungen der geladenen Teilchen nach außen hin Quasineutral, durch gleiche Anzahl von positiven und negativen Ladungen pro Anregungsvolumen Eigenschaften des Plasmas werden hauptsächlich von Anzahl freier Elektronen beschrieben

7 Fest flüssig gasförmig Plasma T E M P E R A T U R

8 Wie erzeugt man ein Plasma? Oder wie erzeugt man freie Ladungsträger? Natürlich: Hohe Temperaturen, hohe Drücke Technisch: Ionisation von Gasen und Dämpfen durch: DC- Entladung (Anlegen eines elektrischen Feldes) Thermische Anregung Neutralteilchenbeschuss Kosmische Teilchen Erzeugung von angeregten oder wieder ionisierten Teilchen Rekombination von angeregten Atomen Plastische Stöße Plasmaleuchten (abhängig vom elektrischen Feld, mögliches Emissionsspektrum von IR bis UV)

9 Beispiel: Mechanismus der Gasentladung Was geschieht? evakuierte Röre mit 2 Elektroden (stark verdünnte Luft) Anlegen einer hohen Spannung (ca. 1kV) Röhre beginnt zu leuchten Warum? frei werdende e- werden beschleunigt zu + Treffen auf Luftatome oder- moleküle Ausschlagen von Elektronen aus Hülle ( viele neue e-, Stoßionisation) ODER Anregen des Atoms ( Rekombination führt zu Leuchteffekten, Energieverlust als Strahlung)

10 Thermische und Nichtthermische Plasmen Nicht Thermisch: Nieder- Normaldruck (< 0,01bar) Ionen, Moleküle und Elektronen haben unterschiedliche Temperaturen nicht isotherm (Elektronen- Energie ungleich positive LT Energie) Anwendung: Sputtern, Ionenplattieren Thermisch: Normal- Hochdruck bereich (>>0,1 bar) Isotherm Gleiche T aller LT Anwendung: thermische Spritzverfahren, Koronaentladungen

11 Natur: Astrophysikalische Plasmen NGC2264 (Sternenhaufen im Sternbild Einhorn,4500 Lichtjahre entfernt Sonnenkorona Bilder: Ruhr-Universität Bochum Dr. U. Czarnetzki

12 Natur: Atmosphärische Plasmen Polarlicht (aurora borealis) Blitz Elmsfeuer an Schiffsmasten bei Gewitter Bilder: Ruhr-Universität Bochum Dr. U. Czarnetzki Entladungen an Hochspannungsleitungen bei feuchtem Wetter

13 Plasmen im Alltag Lichtquellen mit Plasma: Niederdruck Leuchtstofflampen (Hg, Leuchtstoff, Edelgas) Reklameschrift ( Neon) Lichtquellen mit Plasma: Hochdruck Xenonlampen im Auto Na-Dampflampe Kopierer (Koronaentladung auf der Trommel) Plasmabildschirme Nichttechnische Plasmen: Entladungserscheinungen beim Aussteigen aus dem Auto Bilder: Ruhr-Universität Bochum Dr. U. Czarnetzki

14 Plasmen in der Technik werden z.b.: verwendet zum: Reinigen Beschichten: Aktivieren Ätzen Trennen Plasmaätzen von Leiterplatten (Lochwandreinigung) Ultrareinigung von Keramik vor Beschichtung Sterilisation (Sauerstoffplasma tötet Mikroorganismen), Sputtern Plasmaspritzen, Plasmapolymeristation, unterstützend bei PVD und CVD Verfahren für unzählige Schichten (Herstellung von Diamantschichten durch CVD) Koronaentladungen (auf Textilien, Metallen, Polymeren...) z.b.: zur Erhöhung der Benetzbarkeit für anschließende Beschichtungen, Erhöhung der Färbbarkeit von Textilien Plasmaätzen von Leiterplatten (Multilayer), RIE (reaktives Ionenätzen mit Mikrowellenplasmen) Plasmaschweißen, Plasmaschneiden (Lichtbogen mit 24 T C) Plasmapolieren

15 Thermische Plasmen zur Materialbearbeitung Lichtbogen Plasmaspritzen Oberflächenbehandlungen mit kalten Plasmen Korona Entladung zur Aktivierung von Polymeren Lichtbogen Abfallbehandlung Bilder: Ruhr-Universität Bochum Dr. U. Czarnetzki

16 Elektrochemisches Plasma

17 Klassische Elektrochemie - Elektrochemische Polierprozesse Elektrisch geladene Elektroden in einem Elektrolyten Me OH - H + H + O 2- Salz H + + Me Dissoziation- Ionenwanderung- Stromfluss- Anodenabtrag

18 Erhöhung der Spannung Erhöhung der Badtemperatur Veränderung der Elektrolytzusammensetzung Anodisches Plasma Vorteile: interessante physikalische und chemische Eigenschaften dadurch Generierung von hochangeregten Teilchen und freien Radikalen Auslösung von chemischen Reaktionen, die unter Normalbedingungen nicht möglich sind dennoch sehr niedrige Anodentemperaturen möglich

19 Plasmapolieren Ein neues elektrochemisches Polierverfahren Bild IPP Garching

20 Anodennahes Plasma in elektrolytischen Systemen Dampfzone mit anodennahem Plasma Me Siedezone mit starker Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung Me Bis 0,5 mm starker Flüssigkeitsfilm auf der Anode

21 Anodennahes Plasma in elektrolytischen Systemen mit grobem Potentialverlauf 400 VDC Me Me VDC 10 mm 100 mm

22 Plasmapolieren heißt... Entgraten Reinigen Polieren

23 Verfahrensmerkmale: Elektrochemische Metallbearbeitung unter Ausbildung eines anodischen Plasmas Abtrag der Mikrogeometrien mit anschließender Verbesserung der Oberflächenrauheit Optimierung des Glanzgrades Einsatz niedrigkonzentrierter und umweltfreundlicher Elektrolyte Schnelle, kostengünstige und effektive Bearbeitung

24 Ein Zusammenwirken von: Anorganischer Chemie Physikalischer Chemie Elektrochemie / Elektrokinetik Plasmaphysik Plasmachemie

25 Herkömmliche Polierverfahren Mechanisches Polieren Sehr hohe Oberflächengüte erreichbar Nachteile: meist aufwändige Handarbeit, damit sehr teuer durch hohe Reibung Plastifizierung der Oberfläche, Spannungen im Gefüge schlechte Erreichbarkeit komplizierter Konturen Chemisches Polieren komplizierte Geometrien bearbeitbar Nachteile: lange Bearbeitungszeiten Verwendung toxischer Chemikalien Elektrochemisches Polieren Nachteile: Verwendung toxischer Chemikalien Aufdeckung von Materialfehlern

26 Plasmapolieren- Abgrenzung zum Elektropolieren Schema: Pilotanlage 1 nichttoxische Chemikalien hohe Elektrolyttemperaturen und Spannungen niedrige Elektrolytkonzentrationen Ausbildung eines Plasmas um das Werkstück im Elektrolytbad und unter Normalluftdruck Erreichbare Ergebnisse: Oberflächenfinish mit geringem Abtrag Mikroglätte und Rauheiten unter 0,1 µm Spiegelnder Glanz und hohes Reflexionsvermögen kein Aufbau von Gefügespannungen durch niedrige Oberflächentemperatur

27 Eisenwerkstoffe Kupferlegierungen Titan und Titanlegierungen Leichtmetalllegierungen Sonderlegierungen

28 Materialien Kupfer Reintitan R a = 0,09 µm R a = 0,17 µm CrCoMo Niedriglegierte Stähle Messing Edelstahl

29 Kupfer / Messing / Bronzen

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31 Rohlinge plasmapoliert

32 Anwendungsbeispiele Oberflächenvergütung Medizintechnik Teileherstellung Korrosionsschutz

33 Lasergeschweißtes Rohr (1.4301) - Nahtnachbearbeitung

34 Beseitigung von Spannmarken bei gezogenem Federstahldraht vorher nachher

35 Entgraten von Laserschnittproben aus Vergütungsstahl Bohrungen im Mikrometer- Bereich 20 s poliert unpoliert

36 Plasmapolierte Muster der Medizintechnik

37 Politur von gefrästen Mikro- Ohrimplantaten aus Reintitan 40 mm 30 mm gefräst poliert

38 Aus chemischer Sicht Passivierung Temporärer Korrosionsschutz Verbesserte Seewasserbeständigkeit

39 50% Verbesserte Meerwasserbeständigkeit* mit Kontakt-Korrosionsschutz für Schiffsbau *nach Prüfbericht Nr.: , UFL GmbH Lichtenstein 1500 Stunden Lagerung bei RT unbehandelt plasmapoliert Korrosionsquelle: Stahlschrauben nach feuchtem Abwischen

40 Oberflächenglättung für verbesserte Gleitreibungseigenschaften vorher nachher Oberflächeneinebnung am Beispiel Stahl , 80fach vergrößert vorher nachher Oberflächeneinebnung am Beispiel Stahl , 2000fach vergrößert

41 Kenngrößenvergleich erzielbare R a -Werte, Materialabtrag pro Minute Elektropolieren: 0,1 µm / 30 µm min -1 Plasmapolieren: 0,03 µm / 2,5 µm min -1

42 Vergleich: herkömmliches elektrochemisches Polieren- Plasmapolieren Polierte Oberflächen im Laserstreulichtvergleich plasmapoliert Elektrochemisch poliert

43 Vergleich: herkömmliches elektrochemisches Polieren- Plasmapolieren plasmapoliert Elektrochemisch poliert

44 Anlagentechnik aus Rathenow Anlagentechnik aus Rathenow Ingenieurbüro Lingath Ingenieurbüro Lingath Fa. SMT GmbH Fa. ISE GmbH Fa. SMT GmbH Fa. ISE GmbH Die wichtigsten Komponenten: Bad / Handling Die wichtigsten Stromversorgung Komponenten: Sicherheitseinrichtungen Bad / Handling Stromversorgung BECKMANN-INSTITUT Symposium Plasmapolieren für - Technologiepark Technologieentwicklung Lauta e.v. 2005

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