02 Janvier 2018  |  Technique des plasmas
Publié dans Oberflächen POLYSURFACES 03/2017

Scharfe Oberflächen mit Plasma

Simone M. Fischer

Bislang erfolgte die Vorbehandlung von Aluminiumoberflächen für den Digitaldruck in einem aufwändigen manuellen, lösemittelhaltigen Prozess mit mässigem Erfolg. Nun gewährleistet die Feinstreinigung von Aluminiumblechen mit Plasma, dass man sie nach dem UV-Ink-Jet-Druck mechanisch weiter bearbeiten kann, ohne dass die Farbe abplatzt.

Jusqu’à présent, le prétraitement des surfaces en aluminium destinées à l’impression numérique s’effectuait selon un procédé manuel complexe, à base de solvants, avec un succès mitigé. Maintenant, le nettoyage au plasma des tôles d’aluminium permet de poursuivre l’usinage selon le procédé UV d’impression à jet d’encre, sans que la couleur ne s’écaille.

Die Individualisierung von Produkten hat im Kleinen, mit beispielsweise Handyhüllen und Kaffeetassen, begonnen und hält in immer mehr Bereiche wie Laptopcover, Verkleidungsteile von Kaffeevollautomaten, Taschen, Küchenfronten usw. ihren Einzug. Abhängig von Grundmaterial und Einsatzbereich müssen die bedruckten Oberflächen verschiedenen Belastungen – Kratz- und Abriebbeständigkeit, Druck- und Stossbelastungen – standhalten. Kann sich die Druckfarbe nicht gut auf dem Untergrund verankern, weil dieser nicht optimal vorbehandelt ist, so können diese Prüfungen nicht bestanden werden.
 
Aluminiumbleche beim Vorbehandlungsprozess in der Plasmaatmosphäre. (Bilder: plasma technology GmbH)
 
 
Neue Lösung gesucht
Aktuell wird an einer Lösung gearbeitet, um den Digitaldruck für die Individualisierung von hochbelasteten Verkleidungsteilen und Frontblenden an Küchengeräten einzusetzen. Für diese Anwendungen werden Aluminiumbleche mit dem Ink-Jet-Verfahren mit einer UV-Tinte bedruckt. Aluminiumoberflächen sind aufgrund ihrer Oxidschicht, die sie immer bei Kontakt mit dem Luftsauerstoff bilden, inert und müssen vor dem Druck vorbehandelt werden, um mit der Druckfarbe eine haftfeste Verbindung zu erzielen.
Bisher wurden die Bleche einem meistens mehrstufigen, teilweise manuellen Prozess unterzogen – mechanische Aufrauhung, entfernen der partikulären Verunreinigungen sowie Reinigung mit einem Lösemittelgemisch. Trotz des grossen Aufwandes konnte kein konstantes Ergebnis bei den Haftfestigkeitsprüfungen erzielt werden. Nun war guter Rat teuer, und der Hersteller dieser Frontblenden suchte nach einer alternativen, prozesssicheren Möglichkeit, um die Aluminiumoberflächen für die Bedruckung mit UV-Tinte vorzubereiten. Bei seiner Recherche wurde er auf die plasma technology GmbH aufmerksam, ein Unternehmen, das nicht nur Niederdruck-Plasmaanlagen herstellt, sondern auch komplette Prozesse für die speziellen Fragestellungen seiner Kunden ausarbeitet.
 
Bild 1: Druckbild leidet beim Fräsen mit konventioneller Vorbehandlung.
 
Bild 2: Digitaldruck bleibt trotz mechanischer Bearbeitung mit dem Stiftfräser konturtreu auf dem Aluminiumblech, da die Haftfestigkeit aufgrund der Plasmavorbehandlung sehr gut ist.
 
 
Massgeschneiderte Lösung
Die nach einer ersten Versuchsreihe erzielten Ergebnisse waren sehr vielversprechend, so dass weitere Versuche durchgeführt wurden. Am Ende dieser Entwicklung stand ein Plasmaprozess, der die Schritte Feinstreinigung der Oberfläche von organischen Rückständen und Abscheidung eines Plasma-Primers umfasst, und dafür sorgt, dass das Ergebnis der Gitterschnittprüfung in Ordnung ist. Die beiden Plasmaschritte werden ohne Zwischenbelüften der Kammer durchgeführt, so dass es zu keinen unkontrollierbaren und unerwünschten Reaktionen kommen kann.
Beim Plasma-Primer handelt es sich um ein reaktives Aerosol, das nach der Feinstreinigung der Aluminiumoberfläche in die Plasmaatmosphäre zudosiert wird. Durch die hohe Energie des Plasmas wird das Aerosol in Molekülgruppen zerlegt, die sich homogen auf der Plattenoberfläche als extrem dünne, gleichmässig ausgebildete plasmapolymere Schicht anlagern. Die erzeugten funktionellen Gruppen stehen dann für diejenigen der Druckfarbe als Haftvermittler zur Verfügung und gehen mit dieser eine dauerhafte Verbindung ein.
Die funktionellen Gruppen des Plasma-Primers werden immer auf die physikalisch-chemischen der Beschichtung abgestimmt. Durch diese massgeschneiderte Lösung können die bisherigen Vorbehandlungsschritte einschliesslich der lösemittelhaltigen Reinigung der Bleche entfallen. Weiterhin erübrigen sich die für die Werker zu treffenden Vorkehrungen, damit diese, bei der manuellen Reinigung der Platten, die Lösemittel nicht einatmen. Da keine lösemittelhaltigen Emissionen vorhanden sind, braucht der Prozess in der VOC-Bilanz nicht mehr berücksichtigt zu werden.
 
Extrem beständig
Die bedruckten Aluminiumplatten müssen nicht nur die Gitterschnittprüfung bestehen, sondern auch die mechanische Weiterbearbeitung durch Bohren und Fräsen. Bei diesen Bearbeitungsschritten kommen lösemittelhaltige Kühlschmiermittel zum Einsatz. Mit der bisherigen Vorbehandlung lösten sich die Druckbilder durch diese Schmiermittel ab, oder sie rissen durch den Eingriff der Schneidwerkzeuge in diesem Bereich ein (Bild 1). «Seit dem Einsatz der Plasmatechnik gehören diese Farbablösungen der Vergangenheit an (Bild 2), und die Weiterverarbeitung ist keine Zitterpartie mehr», führt Jörg Eisenlohr, Geschäftsführer der plasma technology, aus.
 
Bild 3: Plasmaanlage «EasyLoad» mit Schublade zum einfachen Bestücken.
 
Plasmabehandlung in der Schublade
Als Anlagenkonzept wurde die Schubladenanlage «EasyLoad» (Bild 3) gewählt. Für die Abmessungen des Schubfachs wurde das grösste, verarbeitete Format von 800 x 1200 mm zugrunde gelegt. Es können aber auch mehrere kleine Blechzuschnitte gleichzeitig eingelegt werden. Ist das Schiebfach bestückt, so wird dieses in die Anlage eingeschoben, und mit Erreichen seiner Endposition wird der Prozess vollautomatisch gestartet.
Dabei wird zunächst die Schublade, die gleichzeitig als Boden der Vakuumkammer fungiert, von unten an den Deckel gepresst. Dieser bildet die Seitenwände und die Decke der Vakuumkammer und verschliesst diese. Ist der Kontakt zwischen Boden und Deckel hergestellt, so beginnt die Erzeugung des Vakuums durch Abpumpen der Kammer. Ist der benötigte Unterdruck erreicht, wird das Plasma gezündet und der Feinstreinigungsprozess läuft ab. Ist dieser abgeschlossen, so wird der Plasma-Primer in die Kammer zudosiert, so dass sich die plasmapolymere Schicht auf der gereinigten Aluminiumfläche abscheiden kann. Nach rund 15 min ist der kombinierte Prozess abgeschlossen, die Kammer wird belüftet, der Tisch abgesenkt und die vorbehandelten Blechzuschnitte lassen sich entnehmen und der Bedruckung zuführen.
Das Anlagenkonzept ist äusserst kompakt gestaltet, denn Kammer, Vakuumpumpe und Steuerung finden in einem gemeinsamen Gehäuse Platz. Die Saugleistung der Vakuumpumpe ist auf das Kammervolumen optimiert, damit ihre Pumpzeit nur unwesentlich die Zykluszeit des Gesamtprozesses beeinflusst. Die Abstimmung des Plasmaprozesses erfolgte so, dass dieser im Takt des Ink-Jet-Druckers bedruckbare Aluminiumzuschnitte zur Verfügung stellt.
 
Gewinn auf ganzer Linie
Der Anwender, der seine konventionelle Reinigung der Aluminiumzuschnitte durch einen innovativen Plasmaprozess ersetzte, hat gleich auf mehreren Ebenen gepunktet:
  • VOC-haltige Lösemittel durch einen emissionsfreien Prozess ersetzt
  • Prozesssichere Vorbereitung im Niederdruckplasma in einem Schritt erzielt
  • Mechanische Weiterverarbeitung ist bedenkenlos möglich
  • Vorbehandlung von Formatmix in einer Schublade durchführbar
 
Für den Anwender ist es somit rundum eine gelungene Neuinvestition in eine zukunftsweisende Technologie.
 
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