Elektromobilität, autonomes Fahren, intelligente Sensorik sowie Leichtbau gehören zu den Fokusthemen in der Automobilindustrie. Mit neuen Werkstoffen und komplexen Materialzusammensetzungen stellen sie die Hersteller vor große Herausforderungen.

Bild 1: Openair-Plasma-Vorbehandlung von prismatischen Zellen. Die Reinigung und Aktivierung schafft die Voraussetzung für eine präzise Klebeverbindung mit guten Haftungseigenschaften.

Bild 1: Openair-Plasma-Vorbehandlung von prismatischen Zellen. Die Reinigung und Aktivierung schafft die Voraussetzung für eine präzise Klebeverbindung mit guten Haftungseigenschaften. Plasmatreat

Die Oberflächenbehandlung nimmt dabei einen großen Stellenwert ein, denn eine sorgfältige Vorbehandlung der einzelnen Komponenten und Bauteile bildet die Basis für langzeitstabile Klebeverbindungen, optimale Lackhaftung oder zuverlässigen Korrosionsschutz. Ein effizientes Verfahren zur Reinigung, Aktivierung und Beschichtung von Oberflächen ist die Atmosphärendruck-Plasmabehandlung von Plasmatreat (Bild 2).

Plasma: Definition und Wirkungsweise

Plasma entsteht durch die Einkopplung von Energie in gasförmige Materie, wobei den Elektronenhüllen der Gas-Atome einzelne Elektronen entzogen werden. Das Ergebnis ist ein hohes instabiles Energieniveau, das die Oberflächeneigenschaften fester Materialien verändert. Dies lässt sich gezielt zur Oberflächen- und Materialmodifizierung einsetzen. Die Vorbehandlung mit Openair-Plasma bewirkt eine exakt justierbare Steigerung der Adhäsionsfähigkeit und Benetzbarkeit von Oberflächen. Dadurch lassen sich vollkommen neue (auch unpolare) Materialien sowie umweltfreundliche, lösungsmittelfreie Lacke und Klebstoffe industriell einsetzen.

Bild 2: Openair-Plasma-Vorbehandlung einer CFK-Motorhaube. Das Plasma stellt eine vollflächige und homogene Benetzbarkeit der Oberfläche mit Klebstoffen oder Lacken an der behandelten Stelle sicher.

Bild 2: Openair-Plasma-Vorbehandlung einer CFK-Motorhaube. Das Plasma stellt eine vollflächige und homogene Benetzbarkeit der Oberfläche mit Klebstoffen oder Lacken an der behandelten Stelle sicher. Plasmatreat

Beim Kontakt des Plasmas mit der Oberfläche des Kunststoffs findet eine Funktionalisierung statt, da die Energie der angeregten Moleküle und Ionen des Plasmas hoch genug ist, um die Bindungen zwischen den Atomen der Polymerkette von Kunststoffen aufzubrechen. Häufig sind dies Kohlenstoff-Kohlenstoff- oder Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen. Die so entstandenen Radikale der geöffneten Bindungen reagieren mit den angeregten Molekülen und Ionen des Plasmas oder mit Molekülen aus der umgebenden Luft. Hierdurch nimmt die Oberflächenenergie sowie die Polarität der behandelten Oberflächen zu und führt zu einer besseren Benetzbarkeit des behandelten Kunststoffes.

Plasmareinigung und –aktivierung

Bild 3: Die Behandlung von elektronischen Kontrolleinheiten und Sensoren mit Openair-Plasma sorgt für langzeitstabile Klebeverbindungen sowie zuverlässigen Korrosionsschutz.

Bild 3: Die Behandlung von elektronischen Kontrolleinheiten und Sensoren mit Openair-Plasma sorgt für langzeitstabile Klebeverbindungen sowie zuverlässigen Korrosionsschutz. Plasmatreat

Die Plasmaverfahren zeichnen sich durch eine einfache Anwendbarkeit, hohe Wirksamkeit sowie die Inline-Integrierbarkeit aus. Sie sind vollständig automatisierbar und lasen sich unter Normaldruck durchführen. Das Anwendungsspektrum reicht dabei von der Vorbehandlung mit Openair-Plasma für strukturelle Verklebungen, zum Abdichten der sensiblen Elektronik oder für makellose Lackierungen bis hin zu Nanobeschichtungen im Plasmaplus-Verfahren für Funktionsbeschichtungen (Bild 3).

Gerade beim Energiespeicher gehört die Langzeitstabilität eines Batteriepacks zu den wichtigsten Themen. Besondere Bedeutung kommt dem Wärmemanagementsystem der Zellen sowie der Isolation der Zellen untereinander zu. Um einen internen Kurzschluss zu verhindern, muss das Fügemedium zwischen den einzelnen Zellen eines Zellstapels isolierend wirken (Bild 1).

In der Regel wird daher ein Klebstoff auf Polyurethan-Basis verwendet. Für eine präzise Isolationsverklebung mit sehr guten Haftungseigenschaften ist eine Feinstreinigung und Aktivierung der Zellenaußenhülle (besteht meist aus Aluminium) zwingend erforderlich, denn auf Aluminium und anderen Metallen finden sich häufig undefinierte Oxidschichten, hauch­dünne Schichten von Staub oder Restspu­ren aus dem Produktionsprozess wie Trenn-und Gleitmittel, Schneidöle oder Ziehfette. Die Verunreinigungen verhindern, dass die im Aluminium vorhandene und für die Haftfestigkeit eines Klebstoffes maßgeblich mit­verantwortliche Oberflächenenergie zur Wir­kung kommen kann.

Die Plasmareinigung entfernt Staubablagerungen, Oxidschichten, Fette und andere Kontaminationen und legt so die im Substrat bereits vorhandene Oberflächenenergie wieder frei. Das gewährleistet eine vollflächige und homogene Benetzbarkeit der Oberfläche mit Klebstoffen oder Lacken an der behandelten Stelle. Durch das hohe Energieniveau des Plasmas können chemische oder organische Stoffe an der Oberfläche des Materials gezielt in ihrer Struktur aufgebrochen werden.

Die de-ionisierende Wirkung des Plasmastrahls neutralisiert zudem lose aufliegende Staubpartikel und entfernt diese von der Werkstoffoberfläche. Simultan wird die Oberfläche aktiviert, wobei sauerstoff- und stickstoffhaltige Gruppen in das Substrat eingebracht werden. Die Aktivierung bindet freie Radikale an die Materialoberfläche. Das verhindert Lufteinschlüsse und stellt einen guten Wärmeabtrag und damit die volle nominale Leistung der Batteriezellen sicher.

Langzeitstabiler Korrosionsschutz

Plasmabehandlungen ermöglichen unter anderem haftungsstarke Kunststoff-Metall-Verbindungen bei der Verklebung der Zellstapel mit isolierenden Polypropylen-Platten, eliminieren Verunreinigungen bei der elektrischen Kontaktierung und sorgen für eine vollständige Abdichtung des Batteriegehäuses aus Druckguss-Aluminium. Der Gehäusedeckel verschließt das Batteriemodul. Damit weder Feuchtigkeit noch andere korrosive Medien eindringen können, muss eine 100-prozentige Dichtheit vorliegend. Entscheidend dafür ist die Definition und Kontrolle des Oberflächenzustandes vor dem Aufbringen der Dichtungen.

Bild 4: Die isolierenden, haftvermittelnden Plasmaplus-Beschichtungen ermöglichen eine sichere Haftung sowie einen völlig dichten Materialabschluss und schützen so Sensoren, Kameras und Elektronik vor schädlichen Umwelteinflüssen.

Bild 4: Die isolierenden, haftvermittelnden Plasmaplus-Beschichtungen ermöglichen eine sichere Haftung sowie einen völlig dichten Materialabschluss und schützen so Sensoren, Kameras und Elektronik vor schädlichen Umwelteinflüssen. Adobe.com / Ilya

Unabhängig von der Art des Dichtsystems (gespritzt, geklebt oder FIPG) sind Verbindungen aus Aluminium und Kunststoff aufgrund der unterschiedlichen H2O-Affinität sehr anfällig für Unterwanderung. Einen wirksamen Schutz liefert die plasmapolymere Nanobeschichtung Plasmaplus. Diese wird nach der Reinigung und Aktivierung mit Openair-Plasma auf das metallische Bauteil aufgetragen. So entsteht im nachfolgenden Spritzgussprozess eine mediendichte Verbindung. Auf diese Weise wird eine deutliche Steigerung der Barrierewirkung gegen korrosive Elektrolyte geboten und gleichzeitig ein hoher und langzeitstabiler Korrosionsschutz erreicht.

Über einen speziellen Düsenkopf gelangen spezifische Zusatzstoffe ins Plasma. Das Plasma regt diese an, was ihre Reaktivität erhöht. So können sich die Substanzen während der Plasmabeschichtung an der Materialoberfläche besser anlagern und fest anbinden. Es entsteht eine Schicht, die hohen Schutz vor eindringender Feuchte gewährleistet. Ein großer Vorteil gegenüber Flüssigprozessen ist die ortsselektive Anwendung des Plasmastrahls. Zudem handelt es sich um ein trockenes, umweltfreundliches Verfahren, bei dem keine Entsorgungskosten anfallen und die Bauteile sofort nach ihrer Vorbehandlung in die Weiterverarbeitung gehen können.

Materialeigenschaften modifizieren

Der Korrosionsschutz ist dabei nur ein Anwendungsfeld von Plasmaplus. Durch den Einsatz unterschiedlicher Beschichtungsstoffe (Prekursoren) lassen sich Oberflächen für spezielle Produktanforderungen gezielt funktionalisieren und mit neuen Eigenschaften versehen. Zusätzlich macht sich die Automobilindustrie weitere Effekte zunutze. So werden haftungsaktive Nanobeschichtungen für besonders langzeitstabile Gummi-Metall- oder Kunststoff-Metall-Verbindungen im Hybrid-Spritzguss verwendet und Antihaftbeschichtungen ermöglichen wasser- und schmutzabweisende Oberflächen.

Sensoren, Scheinwerfer sowie Kamerasysteme profitieren ebenfalls von einer Plasmaplus-Polymerisation. Hydrophobe Beschichtungen verhindern hier ein Beschlagen durch Wasser oder Kondensat und sorgen so auch bei extremer Feuchtigkeit für Durchblick, auch für Lidar-Sensoren (Bild 4).

Verbindung bisher inkompatibler Materialien

Zum Verkleben neuer Materialien und komplexer Materialmixe, die unter anderem aufgrund der aktuellen Leichtbauweise stark im Kommen sind, ist die Plasmabehandlung oft die einzig technische Lösung. Kfz-Außenteile beispielsweise sind heute meist aus Verbundstoffen wie glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder Kunststoff-Metall-Kompositionen gefertigt. Das spart Gewicht und erhöht die Reichweite von Elektrofahrzeugen. Allerdings weisen die Ausgangsmaterialien sehr unterschiedliche Oberflächenqualitäten auf, was dazu führt, dass sie sich ohne eine Vorbehandlung gar nicht oder nur schlecht kleben lassen.

Bild 5: Prozesssicherheit: Die Plasmaverfahren von Plasmatreat bieten umfangreiche Möglichkeiten zur exakten Prozesssteuerung und -kontrolle.

Bild 5: Prozesssicherheit: Die Plasmaverfahren von Plasmatreat bieten umfangreiche Möglichkeiten zur exakten Prozesssteuerung und -kontrolle. Plasmatreat

Eine Behandlung mit Openair-Plasma wird daher bei einer Vielzahl an Bauteilen vor der Verklebung durchgeführt, unter anderem bei Fahrzeugdächern (Befestigung der Kunststoffteile des Schiebedachs auf dem beschichteten Edelstahl- oder eloxierten Aluminiumrahmen mittels 1K-Polyurethan-Kleber), Kofferraumklappen (Verbindung zweier Polypropylen-Kunststoffe mit einem 2K-Polyurethan-Kleber) oder Windschutzscheiben (Verbinden der glaskeramischen Oberflächen mit der Metallkarosserie). Gegenüber herkömmlichen Verfahren, wie dem Einsatz von lösemittelhaltigen Haftvermittlern (Primern) oder dem Beflammen, sind die umweltfreundlichen, VOC-freien und vollautomatisierbaren Plasmabehandlungen aufgrund ihrer zuverlässigen Haftung, hohen Prozessverfügbarkeit sowie der leichten Inline-Integration im Vorteil.

Maximale Prozesssicherheit

Ein weiteres Plus ist das hohe Maß an Prozesskontrolle. Für eine gleichbleibend hohe Qualität des Plasmas sorgt unter anderem die spektrale Überwachung des Plasmastrahls: Ein in die Plasmadüse integrierter Sensor misst hier das vom Plasma abgegebene Licht mittels einer einkanaligen optischen Erfassung. Im relevanten Spektralbereich des emittierten Lichts erfolgt eine permanente Amplitudenauswertung. Sollten Abweichungen auftreten, ist die Intensität des Plasmastrahls entsprechend regelbar. Ein Bewegungskontrollsystem kann zudem die Vorschub- und Rotationsgeschwindigkeit der Plasmadüse überwachen.

Um die prozessspezifischen Plasmaeigenschaften (Temperatur, Intensität) reproduzierbar sicherzustellen, bietet Plasmatreat Überwachungseinheiten für jeden Anforderungsbereich. Alle Prozessdaten werden in Echtzeit bereitgestellt, das HMI sorgt gleichzeitig für eine hohe Zugänglichkeit der Daten. Darüber hinaus geschieht ein Datenlogging und die Prozessdaten stehen für eine spätere Auswertung und Nachverfolgung zur Verfügung (Bild 5).

Die interoperablen Systemkomponenten (Plasma Control Unit und Generator) sind im Hinblick auf eine Industrie-4.0-Nutzung für den Einsatz in intelligenten Prozesslinien konzipiert. Ihre Anbindung erfolgt über EtherCAT-/CANopen-Gateways. Damit sind die Schnittstellen so definiert, dass sie für Automationssysteme Verwendung finden können. Auch eine Integration in bestehende Fertigungslinien und Netzinfrastrukturen ist möglich.