2.5. Laufende Kosten einer Plasmaanlage

2.5.1. Beispiel 1: Entfetten und Aktivieren mit einer Plasmaanlage Tetra-100-LF

(Kosten für einen Prozess) Beladung: 6 Etagen mit Kunststoffteilen

Eine Etage hat ein Format von ca. 350 x 580 mm Die Teile können ein max. Volumen von insgesamt ca. 20 – 40 Litern einnehmen.

Taktzeit: 20 Minuten

Kostenübersicht:

2.5.2. Beispiel 2: Epilamisieren (Beschichten mit PTFE) mit einer Plasmaanlage Tetra-100-LF (Kosten für einen Prozess)

Beladung: siehe Beispiel 1 Taktzeit: 20 Minuten

2.6. Vakuumpumpen

Vakuumpumpen dienen der Erzeugung von Vakuum im Rezipienten der Plasmaanlage. Die am häufigsten verwendeten Vakuumpumpen in der Plasmatechnik sind folgende:

2.6.1. Drehschieberpumpen

Abb. 117: Oerlikon (früher Leybold) Drehschieberpumpe D16BCS

2.6.1.1. Funktion

Die Drehschieberpumpe besteht aus einem Gehäuse, in dem sich exzentrisch ein Rotor dreht. In diesem befinden sich durch Federn belastete Schieber, die gegen die Innenwand des Gehäuses gedrückt werden und dort entlang gleiten. Das auf der Saugseite eingeschlossene Gas wird soweit komprimiert, bis es den Umgebungsdruck übersteigt und sich das Auslassventil auf der Druckseite öffnet.

Die Pumpe läuft in einem Ölbad. Dies hat folgende Vorteile:

a) Abdichtung von Saug- und Druckseite

b) Verringerung der Reibung

2.6.1.2. Pumpengröße

Für unsere Standardanlagen kommen insbesondere Drehschieberpumpen in Frage. Je größer die Pumpe ist, desto kürzer ist die Prozesszeit.

Folgende Pumpengrößen sind z.B. von der Firma Oerlikon (früher Leybold), einem führenden Hersteller von Vakuumpumpen, lieferbar:

Manche Behandlungsgüter gasen stark aus (z.B. POM-Teile, Silikongummi oder feuchte Teile). In diesem Fall empfiehlt es sich, eine stärkere Pumpe zu verwenden. Dies muss in Vorversuchen geklärt werden.

2.6.1.3. Umgang mit Sauerstoff

Falls mit Sauerstoff gearbeitet werden soll, müssen die Pumpen dafür vorbereitet sein. Im Pumpengehäuse entsteht Ölnebel. Bei Verwendung von Mineralöl ist dieser Nebel in Verbindung mit reinem Sauerstoff explosiv.

Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen:

1. Die Pumpen werden mit PFPE- Öl gefüllt. Dieses Öl ist unbrennbar. Es hat aber einige gravierende Nachteile:

• PFPE-Öl ist äußerst teuer (1 l kostet über 400,00 €)
• PFPE-Öl enthält Fluor. Bei Plasmaprozessen kann sich dieses Öl zersetzen und es können extrem toxische Verbindungen (z.B. Perfluorisobutylen) entstehen. Durch diese Ölverbindungen haben sich schon gefährliche Unfälle ereignet.
• PFPE-Öl muss als Sondermüll entsorgt werden.

2. Die Pumpen werden mit Luft oder N₂ gespült. Diese Lösung sollte bevorzugt werden. Funktionsweise:

Abb. 119: Funktionsweise Luftspülung

Falls bei den Prozessen die Gefahr besteht, dass giftige Verbindungen entstehen können, muss der Pumpe ein Filter nachgeschaltet werden. Dies ist z.B. bei allen Prozessen mit Tetrafluormethan der Fall.

2.6.1.4. Arbeiten mit Korrosivgasen

Für die Arbeit mit Korrosivgasen (CF₄ / O₂, SF₆, …) wurden spezielle Vakuumpumpen entwickelt. Für viele Anwendungen eignen sich z.B. folgende Pumpen der Firma Oerlikon:

Bei häufigem Benutzen dieser Pumpen mit Korrosivgasen ist jedoch deren Lebensdauer begrenzt. Für den Laborbetrieb reicht eine Pumpe dieser Art in der Regel aus. Für den häufigen Gebrauch im Rahmen der Produktion raten wir jedoch zur Anschaffung einer trockenlaufenden Pumpe.

Korrosivgas: spülen mit trockener Luft oder Stickstoff

2.6.2. Trockenlaufende Pumpen für Korrosivgasprozesse

Hier haben wir mit den so genannten „Trockenen Schrauben-Pumpen“ der Firma Busch (z.B. Modell Cobra) sehr gute Erfahrungen gemacht. Wir beraten Sie gerne, welche Pumpe bei Ihren Prozessen die geeignetste ist.

Abb. 120: Busch-Pumpe Cobra BC 100
(Mit freundlicher Genehmigung der Firma Dr.-Ing. K. Busch GmbH)

2.6.3. Wälzkolbenpumpen (Rootspumpen)

Der Druck, der mit einer Drehschieberpumpe erzeugt werden kann, ist begrenzt. Zur Verstärkung des Saugvermögens empfiehlt sich die Kombination mit einer Wälzkolben-Vakuumpumpe. Diese bilden einen so genannten Pumpenstand. Eine typische Kombination setzt sich wie folgt zusammen:

1. Die erste Pumpe (z.B. eine Drehschieberpumpe) erzeugt ein Vorvakuum. Sie wird als „Vorpumpe“ bezeichnet.
2. Als zweite Pumpe verwendet man eine Wälzkolben-Vakuumpumpe.

Abb. 121: Oerlikon Screwline 630

Abb. 123: Funktionsschema Wälzkolbenpumpe

Funktionsprinzip

Wälzkolbenpumpen, auch Rootspumpen oder Rootsgebläse genannt, sind Drehkolben-Pumpen, bei denen sich im Fördergehäuse zwei symmetrisch gestaltete Dreh- oder Wälz-Kolben gegensinnig abwälzen.

Die Rotoren haben ungefähr einen 8-förmigen Querschnitt und sind durch ein Zahnrad-Getriebe so synchronisiert, dass sie sich ohne gegenseitige Berührung mit geringem Spiel aneinander und an der Gehäusewand vorbeibewegen.

Bei Kolbenstellung I und II wird das im Ansaugflansch befindliche Volumen vergrößert. Beim Weiterdrehen der Kolben in Stellung lll wird ein Teil des Volumens von der Saugseite abgeschlossen.

In Stellung IV wird dieses Volumen zur Ausgangsseite hin geöffnet, und unter Vorvakuum- druck (höher als der Ansaugdruck) stehendes Gas strömt ein. Das einströmende Gas verdichtet das von der Saugseite her geförderte Gasvolumen. Bei weiterer Kolbendrehung wird das verdichtete Gas über den Ausgangsflansch ausgefördert.

Dieser Vorgang wiederholt sich für jeden der zwei Kolben zweimal pro voller Umdrehung. Durch den berührungsfreien Lauf im Förderraum können Wälzkolbenpumpen mit hohen Drehzahlen betrieben werden. Dadurch erreicht man mit kleinen Pumpen ein vergleichsweise hohes Saugvermögen.

Die Druckdifferenz und das Kompressionsverhältnis zwischen Ansaug- und Ausgangsseite sind bei Wälzkolbenpumpen begrenzt.

(Text u. Abbildungen mit freundlicher Genehmigung der Firma Oerlikon Vacuum GmbH )

Schematische Darstellung:
Saugleistung mit und ohne Wälzkolbenpumpe

Saugleistung nur mit Drehschieberpumpe

Saugleistung bei der Kombination Drehschieberpumpe + Wälzkolbenpumpe