PL227192B1

PL227192B1 - Method for the magnetron spreading of coatings, preferably on the composite elements and the system for the magnetron spreading of coatings, preferably on the composite elements

Info

Publication number: PL227192B1
Application number: PL406491(22)20131213A
Authority: PL
Inventors: Jerzy Bryk; Łukasz Mazur
Original assignee: Centrum Badawcze Clear Air Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2017-11-30
Also published as: PL406491A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób magnetronowego nanoszenia powłok, zwłaszcza na elementy kompozytowe oraz układ do magnetronowego nanoszenia powłok, zwłaszcza na elementy kompozytowe, stosowany w szczególności do powłokowania kompozytów stosowanych w lotnictwie.The subject of the invention is a method of magnetron coating, especially on composite elements, and a system for magnetron coating, especially on composite elements, used in particular for coating composites used in aviation.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr PL 211397 sposób otrzymywania warstw za pomocą impulsowego procesu rozpylania magnetronowego, w którym po osiągnięciu krytycznej wartości mocy wydzielanej w targecie, przy której ilość jonów materiału rozpylanego jest zdolna do podtrzymania wyładowania, wyłącza się dopływ gazu roboczego, a wyładowanie jarzeniowe podtrzymuje się wyłącznie jonami materiału rozpylanego, przy czym magnetron zasila się impulsami, pomiędzy którymi występuje przerwa o czasie mniejszym niż czas zaniku plazmy.There is known from the Polish patent description No. PL 211397 a method of obtaining layers by means of a pulsed magnetron sputtering process, in which, after reaching a critical value of the power released in the target, at which the number of atomized material ions is able to sustain the discharge, the supply of working gas is turned off and the discharge is The fluorescent lights are supported only by the ions of the sputtering material, with the magnetron being energized by pulses between which there is a pause shorter than the plasma decay time.

Z innego polskiego opisu zgłoszeniowego nr P.396389 znany jest sposób nanoszenia warstw w wielotargetowym układzie do rozpylania magnetronowego, w szczególności przeznaczony do wytwarzania warstw jednoskładnikowych lub wieloskładnikowych albo wielowarstw. Sposób polega na tym, że w jednym cyklu technologicznym, w wyniku rozpylania co najmniej jednego targetu, nanosi się na podłoża umieszczone na stoliku, co najmniej jedną warstwę materiału targetu i/lub produktów reakcji materiału targetu i gazu reaktywnego, doprowadzanego wlotami do komory próżniowej.Another Polish application no. P.396389 discloses a method of applying layers in a multi-target magnetron sputtering system, in particular intended for the production of single-component or multi-component layers or multi-layers. The method consists in the fact that in one technological cycle, as a result of spraying at least one target, at least one layer of the target material and / or the reaction products of the target material and reactive gas, fed through inlets to the vacuum chamber, are applied to the substrates placed on the table.

Natomiast z patentu europejskiego EP1626433 znane jest urządzenie do rozpylania magnetronowego, cylindryczna katoda i sposób nakładania cienkich warstw wieloskładnikowych na podłoże. Sposób wg opisu charakteryzuje się tym, że cylindryczna katoda zawiera co najmniej dwa segmenty z różnych materiałów i podczas nanoszenia warstwy wieloskładnikowej na podłoże wokół wzdłużnej osi obraca się ją za pomocą leżącego wewnątrz układu magnesów, podłoże prowadzi się podczas rozpylania przed cylindryczną katodą. Prędkość podłoża dobiera się w zależności od wydajności rozpylania i odległości cylindrycznej katody od podłoża tak, że na podłożu ustala się żądana grubość warstwy wieloskładnikowej, oraz obrotową prędkość cylindrycznej katody dobiera się w zależności od prędkości podłoża tak, że poszczególne segmenty targetu rozpyla się szybko jeden po drugim, różne składniki materiałowe nakładają się na siebie lokalnie na podłożu i ulegają wymieszaniu, zaś na podłożu osadza się w ten sposób warstwę wieloskładnikową. Urządzenie do rozpylania magnetronowego, wg opisu, charakteryzuje się tym, że środki do obracania cylindrycznej są dopasowane do tego, by obracać cylindryczną katodę w zasadzie w sposób ciągły z prędkością zależną od prędkości podłoża, w związku z czym materiały targetowe mieszają się na podłożu i w ten sposób za pomocą współrozpylania magnetronowego na podłożu osadzana jest warstwa wieloskładnikowa.On the other hand, from the European patent EP1626433 a magnetron sputtering device, a cylindrical cathode and a method of applying thin multicomponent layers on the substrate are known. The method according to the description is characterized in that the cylindrical cathode comprises at least two segments of different materials, and when the multi-component layer is applied to the substrate about the longitudinal axis, it is rotated by means of an array of magnets lying inside, the substrate being sputtering in front of the cylindrical cathode. The speed of the substrate is selected depending on the sputtering efficiency and the distance of the cylindrical cathode from the substrate, so that the desired thickness of the multi-component layer is set on the substrate, and the rotational speed of the cylindrical cathode is selected depending on the speed of the substrate, so that the individual segments of the target are sputtering quickly one at a time. second, the different material components are locally superimposed on the substrate and mixed together, thereby depositing a multi-component layer on the substrate. The magnetron sputtering device as described herein is characterized in that the cylindrical rotation means is adapted to rotate the cylindrical cathode substantially continuously at a speed dependent on the speed of the substrate, whereby the target materials mix on the substrate and so on. method by means of magnetron co-sputtering, a multicomponent layer is deposited on the substrate.

Z innego patentu europejskiego EP 1697555 znany jest sposób i urządzenie do napylania magnetronowego. Sposób osadzania cienkich warstw wg tego opisu charakteryzuje się tym, że warstwa metalu przeważnie złożona jest z jednego pierwiastka, który ma liczbę masową większą niż przeciętna liczba masowa materiału pomocniczego podłoża. Magnetronowe urządzenie powlekające natomiast charakteryzuje się tym, że podłoże pomocnicze jest przeznaczone do osadzania na nim za pomocą pierwszego magnetronu warstwy metalicznej, która ma większą liczbę masową niż przeciętna liczba masowa materiału podłoża pomocniczego.Another European patent EP 1697555 discloses a method and a device for magnetron sputtering. The method of deposition of thin layers according to this description is characterized in that the metal layer is generally composed of a single element which has a mass number greater than the mass number average of the support material. The magnetron coating device, on the other hand, is characterized in that the auxiliary substrate is intended to be deposited thereon by means of the first magnetron of a metallic layer which has a mass number greater than the average mass number of the material of the auxiliary substrate.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr US 7,520,965 znany jest system i magnetronowe urządzenie do powlekania za pomocą rozpylania jonowego zapewniające powłokę wewnętrznej powierzchni wydrążonej w obrabianym materiale. Urządzenie zawiera zespół magnesu, pozycjonowany zasadniczo w napylającym materiale tarczy /targetu/ umieszczoną wewnątrz przedmiotu obrabianego, promieniowo do wewnątrz od wewnętrznej powierzchni przedmiotu obrabianego. Urządzenie zawiera również konstrukcję nośną wspierającą wiele magnesów w taki sposób, że magnesy są obwodowo oddalone od siebie a na obwodzie skierowane jest pole magnetyczne na materiał tarczy napylania jonowego.From US Patent No. 7,520,965, a magnetron sputter coating system and device is known to provide a coating of an inner surface hollow in a workpiece. The device includes a magnet assembly positioned substantially within the sputtering material of the target and positioned inside the workpiece radially inward from the inner surface of the workpiece. The device also includes a support structure supporting a plurality of magnets such that the magnets are circumferentially spaced apart and a magnetic field is directed on the circumference of the sputter target material.

Sposób magnetronowego nanoszenia powłok, zwłaszcza na elementy kompozytowe, według wynalazku, polegający na nanoszeniu powłok za pomocą rozpylania magnetronowego z zastosowaniem targetów i masek, charakteryzuje się tym, że ukształtowany przestrzennie detal umieszcza się, korzystnie za pomocą manipulatora transportującego, w odpowiedniej kasecie, wyposażonej w zdefiniowaną dla danego detalu maskę. Maska zawiera odkryte obszary do naniesienia powłoki. Następnie z magazynu kaset maskujących, korzystnie za pomocą manipulatora transportującego pobiera się kasetę z maską, po czym detal wraz z kasetą i maską przemieszcza się do urządzenia magnetronowego, gdzie wcześniej umieszcza się pobrany z magazynu targetów, dedykowany do danej maski target. Następnie nanosi się w urządzeniu magnetronowym powłokę, po czym kasetę wraz z detalemThe method of magnetron coating, in particular on composite elements, according to the invention, which consists in applying the coatings by magnetron sputtering with the use of targets and masks, is characterized in that the spatially shaped detail is placed, preferably by means of a transport manipulator, in a suitable cassette equipped with mask defined for a given detail. The mask has exposed areas for coating. Then, from the magazine of masking cassettes, preferably by means of a transporting manipulator, the cassette with the mask is taken, and then the detail with the cassette and the mask is moved to the magnetron device, where the target dedicated to the mask, taken from the magazine of targets, is previously placed. Then the coating is applied in the magnetron device, and then the cassette with the detail

PL 227 192 B1 przenosi się do magazynu kaset, gdzie oddziela się detal od maski. Następnie detal przekazuje się do następnej kasety z kolejną, zdefiniowaną dla kolejnych obszarów maską, a następnie cykl ten wielokrotnie powtarza się, aż do momentu gdy wszystkie zdefiniowane pola detalu, korzystnie kompozytowego zostaną pokryte zdefiniowaną powłoką.The PL 227 192 B1 is transferred to the cassette magazine where the detail is separated from the mask. Then the detail is transferred to the next cassette with another mask defined for subsequent areas, and then this cycle is repeated many times until all defined areas of the detail, preferably composite, are covered with a defined coating.

Układ do magnetronowego nanoszenia powłok, zwłaszcza na elementy kompozytowe, według wynalazku, zawierający magazyny, urządzenie magnetronowe oraz manipulator, charakteryzuje się tym, że manipulator transportujący jest umieszczony centralnie pomiędzy urządzeniem magnetronowym a magazynem kaset i magazynem targetów oraz pomiędzy magazynem detali, korzystnie kompozytowych, do obróbki a magazynem detali po obróbce, przy czym manipulator transportujący jest połączony z elementami układu funkcjonalnie.The system for magnetron coating, in particular on composite elements, according to the invention, comprising magazines, a magnetron device and a manipulator, is characterized in that the transport manipulator is arranged centrally between the magnetron device and the cassette magazine and the target magazine and between the parts, preferably composite, storage facilities for processing and the parts warehouse after processing, the transport manipulator being functionally connected to the system elements.

Manipulator transportujący ma postać robota przemysłowego, w którym obrót korpusu realizowany jest za pomocą przekładni falowej, natomiast pochylenie ramienia dolnego odbywa się za pomocą przekładni śrubowej tocznej. Pochylenie ramienia górnego, łożyskowanego obrotowo w górnej części ramienia dolnego, realizowane jest przez układ silnik - przekładnia śrubowa toczna - układ dźwigniowy, pochylenie przegubu realizowane jest przez układ napędowy, którego oś znajduje się w punkcie obrotu ramienia dolnego. Człon ramienia dolnego jest zamocowany obrotowo w ułożyskowanym wsporniku korpusu, natomiast obrót przegubu realizowany jest analogicznie jak pochylenie przegubu za pomocą zespołu prętów i tarcz obrotowych.The transport manipulator is in the form of an industrial robot, in which the rotation of the body is carried out by means of a wave gear, while the inclination of the lower arm is carried out by means of a ball screw gear. The inclination of the upper arm, rotatably bearing in the upper part of the lower arm, is carried out by the motor - ball screw gear - lever system, the joint inclination is carried out by the drive system, the axis of which is at the point of rotation of the lower arm. The lower arm member is rotatably mounted in the bearing-mounted body support, while the rotation of the joint is performed analogously to the inclination of the joint by means of a set of rods and rotating discs.

Korzystnie, do tarczy przegubu na końcu ramienia górnego mocowane są chwytaki lub narzędzia technologiczne.Preferably, grippers or processing tools are attached to the pivot disc at the end of the upper arm.

Korzystnie, magazyn kaset maskujących zbudowany jest z obrotowej tarczy, na której na obwodzie umieszczone są gniazda kaset maskujących, wyposażone w zatrzaski przytrzymujące.Preferably, the magazine for masking cassettes consists of a rotating disc on which the masking cassette seats are arranged around the periphery, and are equipped with retaining clips.

Korzystnie, targety w magazynie targetów umieszczone są w gniazdach, w układzie pionowym jeden nad drugim.Preferably, the targets in the target magazine are placed in the slots, vertically one above the other.

Częstym problemem przy produkcji kompozytowych materiałów konstrukcyjnych, zwłaszcza dla lotnictwa, jest wykonanie powierzchni o zróżnicowanych właściwościach, np. część powierzchni o właściwościach elektroprzewodzących, a część o właściwościach izolacyjnych (ekranujących). Dlatego też, uszlachetniana powierzchnia kompozytu musi być wykonana w dwóch lub więcej etapach metodą rozpylania magnetronowego. W pierwszym etapie, wykonuje się proces metalizowania powierzchni w celu uzyskania powłoki przewodzącej, a w drugim etapie, proces wykonania powłoki ekranującej itd. Utrudnieniem tego procesu jest tzw. maskowanie powierzchni, która nie powinna być powłokowana w danym etapie.A common problem in the production of composite construction materials, especially for aviation, is the preparation of surfaces with various properties, e.g. some surfaces with electrically conductive properties, and some with insulating (shielding) properties. Therefore, the refined surface of the composite must be made in two or more stages by the magnetron sputtering method. In the first stage, the surface metallization process is carried out in order to obtain a conductive coating, and in the second stage, the process of making a shielding coating, etc. The process is hindered by the so-called masking the surface that should not be coated at a given stage.

Sposób według wynalazku umożliwia nanoszenie warstw na dowolnie ukształtowane elementy kompozytowe oraz pozwala na wykonanie na jednym elemencie konstrukcyjnym o dowolnie ukształtowanej strukturze geometrycznej, niezależnych od siebie powłok o różnych pożądanych właściwościach, bez konieczności łączenia kilku składowych kompozytów, na którym powłoki o różnych właściwościach wykonywane były dotychczas oddzielnie. Dzięki temu zachowane zostają parametry wytrzymałościowe kompozytu, które w przypadku łączenia brzegowego kompozytów drastycznie się obniżają. Zastosowanie masek w sposobie magnetronowego nanoszenia powłok, według wynalazku umożliwia nanoszenie powłok o różnych właściwościach w bezpośrednim sąsiedztwie co daje szansę na produkcję elementów konstrukcyjnych o zróżnicowanych właściwościach funkcjonalnych tj.: przewodzących, magnetycznych i izolacyjnych, w tym ekranujących, przy zachowaniu wysokich parametrów wytrzymałościowych dzięki braku ingerencji w strukturę wewnętrzną kompozytu. Natomiast, sposób umożliwi również na stworzenie zautomatyzowanego, synchronicznego ciągu technologicznego, sterowanego cyfrowo, praktycznie bez ingerencji człowieka.The method according to the invention makes it possible to apply layers on any shaped composite elements and allows for the production of independent coatings with various desired properties on one structural element with any geometric structure, without the need to combine several component composites, on which coatings with different properties have been applied so far. separately. Thanks to this, the strength parameters of the composite are maintained, which decrease drastically in the case of edge joining of composites. The use of masks in the method of magnetron coating application, according to the invention, enables the application of coatings with various properties in the immediate vicinity, which gives the opportunity to produce structural elements with various functional properties, i.e. conductive, magnetic and insulating, including shielding, while maintaining high strength parameters due to the lack of interference with the internal structure of the composite. However, the method will also enable the creation of an automated, synchronous, digitally controlled technological sequence, practically without human intervention.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 - przedstawia schemat układu, fig. 2 - widok przestrzenny manipulatora transportującego, fig. 3 widok od góry magazynu kaset, fig. 4 - widok od przodu magazynu targetów, fig. 5 - schemat przebiegu procesu nakładania warstw.The subject of the invention has been shown in the embodiment in the drawing, in which fig. 1 - a diagram of the system, fig. 2 - spatial view of the transport manipulator, fig. 3 - top view of the cassette magazine, fig. 4 - front view of the target magazine, fig. 5 - flow chart of the layering process.

Manipulator transportujący 1 jest umieszczony centralnie pomiędzy urządzeniem magnetronowym 2 a magazynem kaset 3 i magazynem targetów 4 oraz pomiędzy magazynem detali 5, korzystnie kompozytowych, do obróbki a magazynem detali po obróbce 6, przy czym manipulator transportujący 1 jest połączony z elementami 2, 3, 4 i 5 układu funkcjonalnie.The transport manipulator 1 is arranged centrally between the magnetron device 2 and the cassette magazine 3 and the target magazine 4, and between the workpiece magazine 5, preferably composite, for processing and the workpiece magazine 6, the transport manipulator 1 being connected to the elements 2, 3, 4. and 5 system functionally.

Manipulator transportujący 1 ma postać robota przemysłowego, w którym obrót korpusu 11 realizowany jest za pomocą przekładni falowej, natomiast pochylenie ramienia dolnego 12 odbywa się za pomocą przekładni śrubowej tocznej 13. Pochylenie ramienia górnego 16, łożyskowanego obroto4The transport manipulator 1 is in the form of an industrial robot, in which the rotation of the body 11 is carried out by means of a wave gear, while the inclination of the lower arm 12 takes place by means of a helical gear 13. The inclination of the upper arm 16, bearing in rotation4

PL 227 192 B1 wo w górnej części ramienia dolnego, realizowane jest przez układ silnik - przekładnia śrubowa toczna - układ dźwigniowy 14. Pochylenie przegubu 15 realizowane jest przez układ napędowy, którego oś znajduje się w punkcie obrotu ramienia dolnego 12. Człon ramienia dolnego 12 jest zamocowany obrotowo w ułożyskowanym wsporniku korpusu 11, natomiast obrót przegubu 15 realizowany jest analogicznie jak pochylenie przegubu 15 za pomocą zespołu prętów i tarcz obrotowych. Do tarczy przegubu na końcu ramienia górnego 16 mocowane są chwytaki lub narzędzia technologiczne. Magazyn kaset maskujących 3 zbudowany jest z obrotowej tarczy 31, na której na obwodzie umieszczone są gniazda kaset maskujących 32, wyposażone w zatrzaski przytrzymujące 33. Targety 41, w magazynie targetów 4, umieszczone są w gniazdach 42 w układzie pionowym jeden nad drugim 1.In the upper part of the lower arm, it is realized by the motor - ball screw - lever system 14. The inclination of the joint 15 is realized by the drive system, the axis of which is at the pivot point of the lower arm 12. The lower arm 12 is rotatably mounted in the bearing support of the body 11, while the rotation of the joint 15 is performed analogously to the inclination of the joint 15 by means of a set of rods and rotating discs. Grippers or processing tools are attached to the pivot disc at the end of the upper arm 16. The masking cassette magazine 3 consists of a rotating disc 31, on which the masking cassette sockets 32 are placed around the periphery, equipped with retaining clips 33. The targets 41, in the target magazine 4, are placed in the slots 42 in a vertical arrangement one above the other 1.

Ukształtowany przestrzennie detal A umieszcza się korzystnie za pomocą manipulatora transportującego 1 w odpowiedniej kasecie, wyposażonej w zdefiniowaną dla danego detalu maskę Bn, zawierającą odkryte obszary do naniesienia powłoki. Następnie, z magazynu kaset maskujących 3, za pomocą manipulatora transportującego 1 pobiera się kasetę z maską Bn, po czym detal A wraz z kasetą i maską Bn przemieszcza się do urządzenia magnetronowego 2, gdzie wcześniej umieszcza się pobrany z magazynu targetów 4, dedykowany do danej maski target 41. Następnie nanosi się w urządzeniu magnetronowym 2 powłokę, po czym kasetę wraz z detalem A przenosi się do magazynu kaset 3 gdzie oddziela się detal A od maski Bn, po czym detal A przekazuje się do następnej kasety z kolejną, zdefiniowaną dla kolejnych obszarów maską Bn, a następnie cykl ten wielokrotnie powtarza się, aż do momentu gdy wszystkie zdefiniowane pola detalu A kompozytowego zostaną pokryte zdefiniowana powłoką.The spatially shaped detail A is advantageously placed by means of the transport manipulator 1 in a suitable cassette, provided with a mask Bn defined for the detail in question, with exposed areas for coating. Then, from the storage of masking cassettes 3, using the transport manipulator 1, the cassette with the mask Bn is taken, and then the detail A with the cassette and the mask Bn is moved to the magnetron device 2, where the targets 4, dedicated to the given target 41 masks. Next, a coating is applied in the magnetron device 2, then the cassette with detail A are transferred to the cassette magazine 3 where detail A is separated from the mask Bn, and then detail A is transferred to the next cassette with another, defined for subsequent areas with a mask of Bn, and then this cycle is repeated many times until all defined areas of the composite detail A are covered with a defined coating.

Claims

Method of magnetron coating, especially on composite elements, consisting in applying coatings by means of magnetron sputtering with the use of targets and masks, characterized in that the spatially shaped detail (A) is preferably placed in the appropriate cassette by means of a transport manipulator (1), equipped with a mask (Bn) defined for a given part, containing exposed areas to be coated, then the mask cassette (Bn) is taken from the magazine of masking cassettes (3), preferably by means of a transport manipulator (1), and the part (A ), together with the cassette and mask (Bn), it moves to the magnetron device (2), where the targets (4), dedicated to the mask (41), dedicated to the mask, are placed beforehand, and then the coating is applied in the magnetron device (2) , then the cassette with the detail (A) is transferred to the cassette magazine (3) where the detail (A) is separated from the mask (Bn), and then the detail (A) is transferred to the next cassette with the a funnel, defined for successive areas with a mask (Bn), and then this cycle is repeated many times until all defined areas of the detail (A), preferably composite, are covered with a defined coating.

System for magnetron coating, in particular on composite elements, comprising magazines, a magnetron device and a manipulator, characterized in that the transport manipulator (1) is located centrally between the magnetron device (2) and the cassette magazine (3) and the target magazine (4). ) and between the storage of details (5), preferably composite, for processing and the storage of details after treatment (6), the transport manipulator (1) being functionally connected to the elements (2, 3, 4 and 5) of the system.

3. The magnetron coating system according to claim 1, 2, characterized in that the transport manipulator (1) is in the form of an industrial robot, in which the rotation of the body (11) is carried out by means of a wave gear, while the inclination of the lower arm (12) takes place by means of a ball screw (13), the inclination of the arm upper arm (16), rotatably mounted in the upper part of the lower arm, is realized by the engine - ball screw gear - lever system (14), the inclination of the joint (15) is carried out by the drive system, the axis of which is at the lower arm pivot point ( 12), the lower arm member (12) being rotatably mounted in the bearing support of the body (11), while the rotation of the joint (15) is performed analogously to the inclination of the joint (15) by means of a set of rods and rotating discs.

PL 227 192 B1

4. The magnetron coating system according to claim 1, The process of claim 3, characterized in that grippers or processing tools are attached to the pivot disc at the end of the upper arm (16).

5. The magnetron coating system according to claim 1, 2. The masking cartridge magazine (3) as claimed in claim 2, characterized in that the masking cassette magazine (3) consists of a rotatable disk (31) on which the masking cassette seats (32) are arranged around the periphery and are equipped with retaining clips (33).

6. The magnetron coating system according to claim 1, The method of claim 2, characterized in that the targets (41) in the target magazine (4) are placed in the slots (42) vertically one above the other.