PL227192B1 - Sposób magnetronowego nanoszenia powłok, zwłaszcza na elementy kompozytowe oraz układ do magnetronowego nanoszenia powłok, zwłaszcza na elementy kompozytowe - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 detalem

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.

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.

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.

Korzystnie, do tarczy przegubu na końcu ramienia górnego mocowane są chwytaki lub narzędzia technologiczne.

Korzystnie, magazyn kaset maskujących zbudowany jest z obrotowej tarczy, na której na obwodzie umieszczone są gniazda kaset maskujących, wyposażone w zatrzaski przytrzymujące.

Korzystnie, targety w magazynie targetów umieszczone są w gniazdach, w układzie pionowym jeden nad drugim.

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.

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.

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.

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.

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 obroto4

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.

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.

Claims (6)

1. Sposób magnetronowego nanoszenia powłok, zwłaszcza na elementy kompozytowe, polegający na nanoszeniu powłok za pomocą rozpylania magnetronowego z zastosowaniem targetów i masek, znamienny tym, że 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, po czym z magazynu kaset maskujących (3), korzystnie 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), a 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), korzystnie kompozytowego zostaną pokryte zdefiniowaną powłoką.

2. Układ do magnetronowego nanoszenia powłok, zwłaszcza na elementy kompozytowe, zawierający magazyny, urządzenie magnetronowe oraz manipulator, znamienny tym, że 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.

3. Układ do magnetronowego nanoszenia powłok, według zastrz. 2, znamienny tym, że manipulator transportowy (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 obrotowo 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), przy czym 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.

PL 227 192 B1

4. Układ do magnetronowego nanoszenia powłok, według zastrz. 3, znamienny tym, że do tarczy przegubu na końcu ramienia górnego (16) mocowane są chwytaki lub narzędzia technologiczne.

5. Układ do magnetronowego nanoszenia powłok, według zastrz. 2, znamienny tym, że 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).

6. Układ do magnetronowego nanoszenia powłok, według zastrz. 2, znamienny tym, że targety (41) w magazynie targetów (4) umieszczone są w gniazdach (42) w układzie pionowym jeden nad drugim.