Secondo il principio di funzionamento “Gliding Arc”, una scarica ad arco viene generata a ca.10kV.
In questo modo si forma una zona di plasma “freddo”, che può essere usata come strumento di trattamento.
La larghezza del trattamento è di circa 50 – 60 mm.
La distanza del trattamento può essere fino a circa 20 mm.
I dispositivi sono dotati di un controllo a microprocessore per la generazione del plasma che imposta la larghezza di impulso dello scarico e il flusso d’aria compressa.
Con la tecnologia del plasma a pressione atmosferica Plasmabeam il gas viene eccitato a pressione atmosferica mediante alta tensione in modo da innescare il plasma. L’espulsione del plasma avviene tramite aria compressa attraverso un ugello.
Questa tecnologia garantisce una densità maggiore del plasma rispetto all’effetto corona ed inoltre consente il trattamento di materiali metallici, dato che la differenza di potenziale all’interno del getto di plasma è trascurabile.
Il sistema Plasmabeam viene spesso installato in linee automatizzate.
Per la pulizia al plasma di superfici tramite plasma atmosferico vengono utilizzati solo i dispositivi della serie PlasmaBeam. I dispositivi del tipo Plasma APC500 contribuiscono all’attivazione ma non alla pulizia in quanto manca la rimozione delle particelle tramite il getto ad aria compressa.
Spesso i prodotti industriali sono coperti da grassi, oli, cere, siliconi (senza LABS) ed altre impurità organiche e inorganiche, come strati di ossidi.
Per molte applicazioni è necessario ottenere delle superfici assolutamente pulite e prive di ossidi, ad esempio prima di:
- sputtering
- verniciatura
- incollaggio
- stampa
- rivestimenti PVD e CVD
- applicazioni mediche speciali
- lavorazione su sensori analitici
- saldatura/bonding di circuiti stampati
- lavorazioni su interruttori, connettori ecc.
Attraverso le reazioni chimiche con i gas ionizzati (prevalentemente ossigeno) insieme al getto di gas attivo ad aria compressa le particelle inquinanti vengono scomposte, convertite in fase gassosa e rimosse. I livelli di pulizia raggiungibili sono estremamente elevati.
Nella reazione di riduzione dell’ossido di rame, gli ossidi di rame sono esposti ad un plasma di idrogeno, e quindi gli ossidi sono ridotti chimicamente e si forma vapore acqueo. Queste miscele sono Ar/H2 o N2/H2 con contenuto max. di H2 inferiore al 5%.
La pulizia è applicabile a qualsiasi materiale: metalli, materie plastiche, vetro, ceramiche, etc..
Le impurità devono avere uno spessore di poche centinaia di nanometri poiché il plasma è in grado di rimuovere solo pochi nm/s.
Devono essere presi in considerazione parametri importanti quali la distanza, la velocità e la ripetizione del processo.
POTENZIALE ELETTRICO NEL GETTO A PLASMA
Il potenziale elettrico all’interno getto di gas attivo del PlasmaBeam è assente o assume valori di max. 2-5V. Pertanto, i dispositivi PlasmaBeam possono essere utilizzati per la pulizia di metalli e componenti elettronici.
I dispositivi di tipo Plasma APC500 invece non possono essere utilizzati nel trattamento di materiali conduttivi in quanto il plasma non è a potenziale zero.
GAS DI SCARTO
Si possono formare gli ossidi di azoto NO e NO2 ed una piccola quantità di gas contenenti carbonio (CO2, CO). Pertanto è consigliata l’aspirazione forzata nell’area di lavoro.
LARGHEZZA DEL TRATTAMENTO
La larghezza di trattamento di un singolo ugello è di circa 8-12 mm. Tuttavia, la larghezza di pulizia deve essere controllata ad ogni applicazione in anticipo (ad es. tramite misurazione dell’angolo di contatto).
Maggiori larghezze vengono ottenute tramite l’azione parallela di più ugelli, per esempio PlasmaBeam Quattro (32-40mm) o passaggi ripetuti.
L’uso di ossigeno puro (O2) o azoto (N2) determina un leggero aumento della larghezza di trattamento.
VELOCITÀ DI TRATTAMENTO
La velocità di pulizia è di solo pochi cm fino a decine di cm/s. Ad una pulizia efficace contribuisce l’aumento della temperatura sulla superficie, ottenibile tramite velocità basse.
TEMPERATURA DEL GETTO A PLASMA
La temperatura nel centro del getto di plasma è di circa 200 – 250 °C. Ad una distanza corretta e con un’adeguata impostazione della velocità, si raggiunge una temperatura superficiale di circa 70 – 80 °C. Pertanto la tecnologia del plasma atmosferico può essere utilizzata per tutti i materiali comuni (metalli, ceramica, vetro, plastica, elastomeri).
DURATA DELLA PULIZIA AL PLASMA CON PLASMA ATMOSFERICO
La durata dipende dalle condizioni di conservazione, parametri di trattamento e grado di contaminazione.
Esempi:
- Atmosfera umida e temperature elevate (superiori a 20 °C) riducono drasticamente la durata dell’effetto ottenuto tramite il trattamento al plasma.
- Il trattamento multiplo aumenta la durata di vita del trattamento.
- Generalmente per le superfici metalliche e vetro le procedure di incollaggio, stampa o rivestimento devono essere effettuate entro un’ora dopo il trattamento al plasma.
- Per le materie plastiche valori approssimativi sono:
- PA (con o senza rinforzo in fibra di vetro): 1 – 2 settimane
- PP, PE: si consiglia la lavorazione entro 1 – 2 giorni
- PC: 2 – 5 giorni
- ABS, PC/ABS: 2 – 5 giorni
I VANTAGGI PRINCIPALI DEL TRATTAMENTO CON PLASMA A PRESSIONE ATMOSFERICA
La tecnica del PlasmaBeam è applicabile per i processi in linea, ad esempio la pulizia al plasma di profili metallici, tubi prima del rivestimento, incollaggio o verniciatura, spesso tramite automazione robotizzata.
Il PlasmaBeam consente la pulizia superficiale puntuale senza mascheratura della superficie residua, ad es. pulizia di Al, Au e Cu (wire bonding) senza impatto sulle superfici adiacenti.
L’attivazione al plasma atmosferico viene applicata prima dei seguenti processi, spesso in-linea con automazione:
- incollaggio di materie plastiche
- incollaggio di elastomeri, floccaggio, stampa (ad es. profili in gomma per il settore automobilistico)
- incollaggio o verniciatura su superfici metalliche, in particolare alluminio, e ceramiche
- tampografia su componenti in plastica
ATTIVAZIONE DI METALLI
ATTIVAZIONE DI MATERIE PLASTICHE
Le materie plastiche come PP o PE sono non-polari. Ciò significa che le materie plastiche devono essere pre-trattate prima dei processi come verniciatura ed incollaggio.
ATTIVAZIONE DI VETRI E CERAMICHE
Vetri e ceramiche si comportano in modo simile ai metalli, e hanno una breve durata dell’effetto dell’attivazione.
LARGHEZZA DELL’ATTIVAZIONE CON SISTEMI DELLA SERIE PLASMABEAM E PLASMA APC 500
Il PlasmaBeam fornisce una larghezza di trattamento di circa 8-12 mm con aria compressa come gas di processo. L’uso di azoto puro (N2) o ossigeno puro (O2) può aumentare la larghezza del trattamento.
La larghezza del trattamento ottenuta con il dispositivo PlasmaAPC 500 è di ca. 60 mm.
Per entrambi i sistemi vale che la larghezza del trattamento dipende dalla velocità di passaggio.
Il trattamento multiplo contribuisce ad aumentare l’omogeneità del trattamento.
VELOCITÀ DEL TRATTAMENTO
Dispositivo PlasmaBeam: la velocità di trattamento varia da pochi cm/min (nel caso dell’attivazione di ceramiche o metalli) fino a diversi m/s nel caso dell’attivazione delle materie plastiche o cartone.
Dispositivo PlasmaAPC 500: la velocità massima è di circa 100 – 150 mm/s. Un ulteriore aumento della velocità può causare un trattamento non uniforme della superficie.
GAS DI SCARTO
Generalmente durante l’attivazione al plasma si formano soprattutto ossidi di azoto (NOx) e nel caso del sistema APC500 l’ozono (O3), si consiglia pertanto l’aspirazione forzata dell’area di lavorazione.
DURATA DELLA PULIZIA AL PLASMA CON PLASMA ATMOSFERICO
La durata dell’attivazione dipende dalle condizioni di conservazione, parametri di trattamento e grado di contaminazione.
Esempi:
- Atmosfera umida e temperature elevate (superiori a 20 °C) riducono drasticamente la durata del trattamento al plasma.
- Il trattamento multiplo aumenta la durata di vita del trattamento.
- Generalmente, per le superficie metalliche e di vetro le procedure di incollaggio, stampa o rivestimento devono essere effettuate entro un’ora dopo il trattamento al plasma per raggiungere i valori massimi.
- Per le materie plastiche valori approssimativi sono:
- PA (con o senza rinforzo in fibra di vetro: 1 – 2 settimane
- PP, PE: si consiglia la lavorazione entro 1 – 2 giorni
- PC: 2 – 5 giorni
- ABS, PC/ABS: 2 – 5 giorni
Per il coating tramite plasma atmosferico, i monomeri, in forma gassosa, vengono condotti dal gas di trasporto direttamente nel getto di plasma. I monomeri vengono attivati e polimerizzano a pressione atmosferica sulla superficie del substrato.
STRATI FUNZIONALI E MONOMERI UTILIZZATI
Il plasma atmosferico è principalmente usato per la realizzazione di strati idrofili, pre-adesione e anticorrosione. I monomeri utilizzati sono sostanze contenti silicio e carbonio. Questi includono, per esempio, vari acrilati e monomeri contenenti silicio comuni di tipo HMDSO. A causa del forte effetto tossico non possono essere utilizzati gas e monomeri contenenti alogeni (F2, Cl2, Br2, I).
GAS CARRIER
In genere, vengono utilizzati i seguenti gas:
- Elio (He)
- Argon (Ar)
- Azoto (N2)
SPESSORI DEGLI STRATI FUNZIONALI
Lo spessore degli strati funzionali è pari a diverse centinaia di nanometri.