Machbarkeit virtuell ermitteln

Die Aktivierung und Beschichtung mit Atmosphärendruckplasmen bietet entscheidende Vorteile. Vor der Implementierung eines Plasmaprozesses in die Fertigung geht es darum, die thermische Belastung des Substrats zu ermitteln. Das erfolgt üblicherweise zeit- und kostenaufwendig empirisch. Um den Prozess deutlich zu verkürzen und kostengünstig zu gestalten, hat Relyon Plasma eine Simulationssoftware für Atmosphärendruck-Plasmaprozesse entwickelt.

26. August 2015

Das modulare Plasmasystem Plasmabrush PB3 von Relyon Plasma ermöglicht die fertigungsintegrierte Feinstreinigung, Oberflächenaktivierung und Plasmabeschichtung nahezu aller Materialien unter Atmosphärendruck. Oft erlaubt die Plasmabehandlung auch den Einsatz kostengünstiger Ausgangsmaterialien oder die Kombination bislang inkompatibler Werkstoffe.

Einfache Simulation statt aufwendiger Empirie

Um die Möglichkeiten einer Plasmabehandlung hinsichtlich thermischer und mechanischer Belastung des Substrats sowie Prozessparameter, beispielsweise Temperatur, Behandlungszeit und die erzielbare Schichtdicke zu ermitteln, waren bisher aufwendige Versuche mit realen Anlagen, Substraten und Bauteilen nötig. Dies war kosten- und zeitaufwändig. Durch eine – speziell für die Simulation von Plasmaprozessen unter Atmosphärendruck entwickelten – Software lässt sich die Evaluierung schneller und günstiger durchführen.

Die Simulation erfolgt auf Basis der physikalischen Materialeigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Schmelzpunkt und der Produktgeometrie sowie den Einsatz eines Energietransfermodells und Leistungsdaten der verschiedenen Plasmadüsen. Soll aus dem Plasma eine Beschichtung abgeschieden werden, fließen die Kennwerte des Beschichtungsmaterials mit ein. Diese Informationen sind entweder in der Software hinterlegt oder lassen sich in entsprechenden Datenbanken recherchieren. Bei exotischen Werkstoffen können die Materialeigenschaften auch durch Analogieberechnungen ermittelt werden. Darüber hinaus sind in die Softwareentwicklung empirische Erfahrungsdaten für verschiedene Materialien eingeflossen.

Bei dieser nichtmateriellen Prozessentwicklung wird im Rechner ein virtuelles Modell des Bauteils oder Substrats aufgebaut. Auf dessen Oberflächen wirkt der virtuelle Plasmastrahl ein. Dabei kann mit verschiedenen Prozessparametern, unterschiedlichen Plasmadüsen und -gasen gearbeitet werden. Das – während der Simulation ermittelte – zeit- und ortsunabhängige Temperaturprofil gibt sowohl Aufschluss über die Machbarkeit als auch über die mindestens erforderliche sowie maximale Temperatur. Es lassen sich daraus einzelne Parameter wie die Leistung, der Arbeitsabstand, die Überfahrgeschwindigkeit und bei Beschichtungen die einzuspeisende Materialmenge ableiten.

Die Simulation liefert innerhalb kürzester Zeit Ergebnisse darüber, ob Plasmabehandlung in einem gewünschten oder erforderlichen Prozessfenster durchführbar ist. Sie bietet Anwendern außerdem gute Hinweise zu den Vorteilen einer Plasmabehandlung. Visualisierte Simulationsauswertungen vereinfachen die Kommunikation.