Whitepaper: Lebensdauer des Modul Standard

Plasmaexperte Dr. Dariusz Korzec und sein Team haben die Lebensdauer des Modul Standard ausführlich getestet. Dieses Modul kann für das gesamte piezobrush^® Sortiment von relyon plasma verwendet werden, darunter das Handgerät piezobrush^® PZ3 und die kompakte Plasmaintegration piezobrush^® PZ3-i für Fertigungsanlagen.

Zusammenfassung des Dauertests

Gegenstand der Studie ist die Untersuchung der Langzeitbeständigkeit von Standardmodulen. Für den Dauertest wurden 10 piezobrush^® PZ3 Geräte in Kombination mit den Modulen Standard verwendet, die mit einem Plasmaliner aus Polybutylenterephthalat (PBT) ausgestattet sind. Die Module waren 37 Wochen – also mehr als 6000 Stunden – in Betrieb. Sie wurden zwischendurch nur kurzzeitig zur Messung der elektrischen Parameter und der Aktivierungsfläche pausiert.

Das Kernstück des Standardmoduls ist das CeraPlas^® F. Die damit erzeugte Hochspannung führt zur Zündung der piezoelektrischen Direktentladung (PDD). Um das CeraPlas F herum wurde ein Gasstrom aufrechterhalten. Im Falle des piezobrush^® PZ3 wurde dafür Umgebungsluft verwendet, beim piezobrush^® PZ3-i entweder komprimierte trockene Luft (CDA) oder Stickstoff.

In dem durchgeführten Test wurde ein Dauertestschrank mit 10 Haltern für Standardmodule ausgestattet, die ohne Substrate betrieben wurden. Alle piezobrush^® PZ3 Handgeräte wurden auf Dauerbetrieb eingestellt.

Alle zwei Wochen wurden alle getesteten Module aus dem piezobrush^® PZ3 entnommen, auf Beschädigungen oder Verschleiß untersucht, elektrisch vermessen und zudem die Aktivierungsfläche gemessen. Letzteres erfolgt mit Hilfe des Aktivierungsbildaufzeichnungssystems (AIR). Im ersten Schritt dieses Verfahrens wurden die Substrate aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) statisch mit dem demselben piezobrush^® PZ3 aktiviert. Mit jedem Standardmodul wurden danach drei Substrate behandelt. Der Abstand zwischen der Düsenkante und dem Substrat betrug 4,0 mm und die Behandlungszeit 10 Sekunden.

Nach der Behandlung wurde jedes Substrat auf dem Sockel des AIR-Systems positioniert und das AIR-Verfahren durchgeführt. Der Aktivierungsbereich wurde mit zwei Tropfen einer 58 mN/m Testtinte visualisiert, die mit einem kleinen Pinsel direkt nach der Plasmabehandlung auf die plasmabehandelte Oberfläche aufgetragen wurden. Das beobachtete Verhalten der Testtinte bedeutet, dass das Substrat eine höhere Oberflächenenergie als 58 mN/m aufwies. Andernfalls würde die Testtinte das HDPE-Substrat nicht benetzen.

Der wichtigste Bewertungsparameter ist der Mittelwert der pro Modul ermittelten Mittelwerte der Aktivierungsflächen. Im Beispiel betrug er 612,7 mm². Ein weiterer wichtiger globaler Parameter ist die Standardabweichung der modulbezogenen Mittelwerte der Aktivierungsfläche. Im vorliegenden Beispiel betrug sie 13,19 mm², was 2,2 % entspricht. Dieser Parameter gibt Auskunft über die Reproduzierbarkeit der Aktivierungsleistung von Stück zu Stück. Dieser Parameter sollte im vorliegenden Fall besonders niedrig sein.

Mehrere Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Bestimmung des Aktivierungsbereichs:

• Die Alterung der Testtinte: Eine Testtinte, die längere Zeit an der Luft gelagert wurde, verändert ihre Eigenschaften und zeigt eine deutlich kleinere Aktivierungsfläche als eine frische Testtinte.
• Unterschiedliche HDPE-Eigenschaften: Die Eigenschaften der HDPE-Substrate variieren von Anbieter zu Anbieter und von Charge zu Charge.
• Der Einfluss der Oberflächenvorbehandlung: Es sind verschiedene Vorbereitungsverfahren für die HDPE-Oberfläche vor der Plasmabehandlung bekannt.

Folgende Maßnahmen wurden ergriffen, um die unerwünschten Einflüsse zu minimieren:

• Um den Einfluss der Alterung der Testtinte auf die Ergebnisse der Aktivierungsfläche zu vermeiden, wurde die Testtintenflasche immer verschlossen gelagert, bevor sie zum Auftragen der Tinte verwendet wurde. Zudem wurde für jede Messreihe eine frische Testtintenflasche geöffnet und mit einem Öffnungsdatum versehen.
• Für die Studie wurde nur das „natürliche“ HDPE eines einzigen Anbieters verwendet. Die Substrate einiger Chargen wiesen auf beiden Seiten unterschiedliche Oberflächeneigenschaften auf, da eine Seite manchmal glänzend und manchmal matt war. Der Unterschied in der Aktivierungsfläche je nach Seite des Substrats war jedoch statistisch nicht signifikant. Die verwendeten Substrate waren auch nicht völlig eben, sondern hatten eine konkave und eine konvexe Seite. Deshalb wurde für gleiche Testbedingungen jedes Substrat mit der konvexen Seite nach oben positioniert.
• Um den Einfluss von Lösungsmitteln und Wasser auf das Ergebnis zu vermeiden, wurde keine Nassbehandlung der Substrate durchgeführt. Um Staubpartikel und Sägemehlreste zu entfernen, wurden die Oberflächen mit Papiertüchern trocken gewischt.

Die Aktivierungsfläche variierte mit der Dauer des Dauertests. Während der ersten 2000 Stunden nahm die Aktivierungsfläche leicht ab. Ab etwa 2000 Stunden war ein Anstieg zu beobachten. Der maximale Wert, der nach 6000 Stunden erreicht wurde, war um 26 % höher als der Minimalwert.

Das mit einer Datenbank verknüpfte Prüfsystem diente zur Messung und Speicherung der elektrischen Parameter des CeraPlas^® F der geprüften Module. Jedes Mal, wenn der Aktivierungsbereich mit dem AIR-System bestimmt wurde, wurde das Modul in die elektronische Docking-Station eingesteckt und automatisch die Erregerfrequenz, die Eingangsspannung und der Strom gemessen. Die Impedanz wurde ausgewählt, um die zeitliche Veränderung der Moduleigenschaften zu überwachen. Es war ein deutlicher Trend zu erkennen: ein leichter Anstieg während der ersten 2000 Stunden und ein monotoner Rückgang um insgesamt 19 % zwischen 2000 und 6000 Betriebsstunden. Dieser Trend war entgegengesetzt zu dem der Aktivierungsfläche, die zunächst leicht abnahm und dann zunahm.

Fazit zur Lebensdauer des Modul Standard

Alle Module haben die 6000 Stunden des Dauertests ohne signifikante Leistungseinbußen bestanden. Während des Tests variierte die Aktivierungsfläche zwischen 500 und 600 mm². Die Eingangsimpedanz des CeraPlas^® F nahm mit der Dauertestzeit über 2000 h ab. Nach 6000 Stunden lag sie um 19% unter dem Maximalwert von 5800 mΩ. Sowohl die Zunahme der Aktivierungsfläche als auch die Abnahme der Eingangsimpedanz des CeraPlas^® F lassen sich mit der Lockerung der der Schrumpfmuffe erklärt werden, was zu einer geringeren mechanischen Dämpfung der CeraPlas^® F Schwingungen führte.

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