DE102004059524A1

DE102004059524A1 - Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers

Info

Publication number: DE102004059524A1
Application number: DE102004059524A
Authority: DE
Inventors: Achim Wiest; Andreas Berger; Patrick Oudoire
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-06-14
Also published as: WO2006061329A3; EP1819455A2; WO2006061329A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (2). Die Erfindung besteht darin, dass auf mindestens einer Oberfläche (1) des Ultraschallwandlers (2) mittels Laserstrahlung eine wählbare Struktur aufgebracht wird, und dass die bearbeitete Oberfläche (1) mit einer Beschichtung (5) versehen wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche (1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche. Bei der Oberfläche kann es sich beispielsweise um ein Metall, um eine Keramik oder um eine Plastik handeln.

Oberflächen lassen sich mittels Sandstrahlung oder auch mittels Laserstrahlung bearbeiten. Damit ist es möglich, die Oberfläche zu reinigen oder auch, ihr eine gewisse Rauhigkeit zur verleihen, um anschließend eine Beschichtung, z.B. einen Lack besser aufbringen zu können und um das Haftverhalten der Beschichtung zu verbessern. Die Rauhigkeit dient dazu, dass z.B. der Lack im flüssigen Zustand in die Strukturen fließt und sich dann im ausgehärteten Zustand mechanisch viel schwerer von dieser trennen lässt. Dies gilt ebenfalls für einen Kleber, um Oberflächen von Bauteilen miteinander zu verbinden.

Bei den bisher standardisierten Verfahren mit Sandstrahlen ist ein Nachteil, dass die Oberfläche zusätzlich vor dem Sandstrahlen gewaschen und getrocknet werden muss, da oft das Strahlmittel mehrfach verwendet wird. Weiterhin liegt nach dem Sandstrahlen ein Abfall aus Strahlmittel und Oberflächenteilchen vor, der of als Sondermüll entsorgt werden muss.

Von der Anmelderin werden Durchflussmessgerät hergestellt und vertrieben. Diese Durchflussmessgeräte enthalten Ultraschall-Sensoren, die aus mehreren Komponenten bestehen, welche wiederum über diverse Klebeschichten zusammengefügt werden. Um eine solide und belastbare Klebeschicht zu erhalten, müssen die beteiligten Oberflächen entsprechend vorbehandelt werden. Für die Messung mit Ultraschall gilt weiterhin, dass die Oberflächen sehr genau bearbeitet und eng toleriert werden müssen. Eine wichtige Größe ist dabei die Beschaffenheit der Oberfläche im Schallstrahl, da von diesen Flächen die „Qualität" und die Strahlungscharakteristik der Sensoren abhängt.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen anzugeben, so dass sich reproduzierbare und eng tolerierte Ergebnisse zeigen. Dies insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von Ultraschallwandlern, die eine gleich bleibende Strahlungscharakteristik aufweisen sollen.

Die Erfindung löst die Aufgabe bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Ultraschallwandlers durch ein Verfahren, wobei auf mindestens einer Oberfläche des Ultraschallwandlers mittels Laserstrahlung eine wählbare Struktur aufgebracht wird, und wobei die bearbeitete Oberfläche mit mindestens einer Beschichtung versehen wird. Bei der Oberfläche kann es sich um die einer Piezokeramik oder eines Metalls handeln, an welchem eine Piezokeramik zu Schallwandlung aufgebracht werden soll. Durch das gezielte Aufbringen einer Struktur oder eines Musters wird eine gleichmäßige Oberflächenstruktur erzielt, so dass auch die Beschichtung mit einer gleichmäßigen Eigenschaft aufgebracht werden kann. Weiterhin ist die Strukturierung der Oberfläche für alle Ultraschallwandler im Wesentlichen gleich, so dass sich auch die Wandler untereinander nicht unterscheiden und entsprechend gegeneinander austauschbar sind. In der Struktur oder dem Muster, welches der Struktur zugrunde liegt, sind vorzugsweise Vertiefungen oder Abfolgen von Vertiefungen vorgesehen. In diese Vertiefungen dringt anschließend das Beschichtungsmaterial ein und wird durch die passende Ausgestaltung der Vertiefungen mechanisch festgehalten.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei der Beschichtung um einen Lack oder um einen Kleber handelt. Üblich ist die Verwendung von Epoxydharzen als Klebstoff. Der Ultraschallwandler kann somit leicht und sicher auf einen entsprechenden Träger aufgebracht werden. Die Beschichtung sollte beim Ultraschallwandler vorzugsweise gute akustische Eigenschaften aufweisen, so z.B. Email. Ein Kleber als Beschichtung dient dazu, dass ein Bauteil auf die Oberfläche aufgebracht wird oder dass die Oberfläche des Ultraschallwandlers an einem Bauteil angebracht wird.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Struktur derartig gewählt wird, dass die Haftung der Beschichtung unterstützt wird. Je nach der Beschaffenheit des Beschichtungsmaterial kann es möglich sein, dass Vertiefungen tiefer oder weniger tief ausgestaltet werden können, weil ggf, ausreichend Oberfläche für die Trocknung oder das Applizieren eines Trocknungsmittels – z.B. Erwärmung – vorhanden sein muss. Je nach der Beschichtung bzw. je nach der Art der Aushärtung ist also die Struktur zu wählen. Handelt es sich beispielsweise bei der Beschichtung um einen Kleber zur Verbindung zweier Oberflächen, so kann es sinnvoll sein, weniger tiefe Vertiefungen zu erzeugen, damit mehr Kleber zwischen den Oberflächen zur Verfügung steht. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn die Struktur bzw. die Vertiefungen der Struktur dazu führt, dass sich die Beschichtung quasi in die Oberfläche verkrallt, indem beispielsweise die Vertiefen nach unten, also von der Oberfläche weg, breiter werden.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Beschichtung bei Unterdruck auf die Oberfläche aufgebracht wird, und/oder dass die Beschichtung bei einem höheren Druck als bei der Aufbringung ausgehärtet wird. Während des Aufbringens der Beschichtung herrscht also ein Unterdruck und beim Aushärten ein höherer Druck, vorzugsweise sogar ein Überdruck. Kurz: Um die Kavitäten/Vertiefungen mit der Beschichtung zu füllen, wird mit Vakuum/Unterdruck und beim Aushärten mit Überdruck gearbeitet. Um Lufteinschlüsse in der Klebe-/Beschichtungsschicht zu vermeiden, muss bei kleineren Abmessungen der Vertiefungen evtl. mit einem Vakuum das Werkstück vorbereitet werden. Ist der Druck entsprechend abgesenkt worden, d.h. unter dem atmosphärischen Druck, so kann mit der Beschichtung begonnen werden. Während dem Aushärten wird der Druck wieder erhöht und somit werden die Kavitäten mit der Beschichtungsmasse gefüllt und die eingeschlossene Luft wird komprimiert. Durch die Komprimierung ist der negative Einfluss der Luft/des Gases auf die zu erzielende Haftung der Beschichtung an der Oberfläche vermindert.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass auf die Beschichtung mindestens ein Bauteil aufgebracht wird, und dass die Struktur derartig gewählt wird, dass eine akustische Anpassung des aufgebrachten Bauteils und/oder die Reflektion von Ultraschall durch diese bearbeitete Oberfläche gezielt verändert wird. Wie in der Einleitung bereits beschrieben, bestehen Ultraschallsensoren aus mehreren Bauteilen, die üblicherweise mittels Klebung miteinander verbunden werden. Für die Qualität des Sensors ist es nun erforderlich, dass die Oberfläche gut zueinander passen bzw. dass durch den Oberflächenkontakt bereits physikalische Effekte erzielt werden. Dazu gehört zum einen eine akustische Anpassung zwischen den Bauteilen oder zum Beispiel auch die Reflektion von Ultraschall an diesem Übergang. Dementsprechend ist dann die Struktur zu wählen, um diese Effekte zu erzielen.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Struktur derartig gewählt wird, dass die Reflektion von Ultraschall durch diese bearbeitete Oberfläche gezielt verändert wird. Diese Ausgestaltung setzt kein Bauteil voraus, beinhaltet also, dass es sich bei der Beschichtung z.B. um einen Lack handelt.

Eine Wahlmöglichkeit für die Struktur besteht darin, dass eine gleichmäßige Höhe der Beschichtung erzielt wird. Zumindest ist das Muster so zu wählen, dass eine minimale Höhe der Beschichtung mit wenig Beschichtungsmaterial zu erreichen ist. Das Muster/die Struktur ist also so zu wählen, dass sich keine Überhöhungen ergeben. Vorzugsweise weisen die Vertiefungen negative Flanken aufweisen. Die Vertiefungen öffnen sich also nach innen und somit wird das Beschichtungsmaterial durch die Oberfläche quasi zurückgehalten.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren zur Bearbeitung von einer Oberfläche dadurch, dass eine Struktur vorgegeben wird, und dass die Struktur mittels Laserstrahlung auf die Oberfläche aufgebracht wird. Die Erfindung besteht also darin, dass die Oberfläche gezielt derartig bearbeitet wird, dass sich ein Muster oder eine Strukturierung ergibt. Durch die Struktur bzw. durch ein der Struktur zugrunde liegendes Muster ist somit die gesamte bearbeitete Oberfläche gleichmäßig ausgestaltet und es gleichen sich auch unterschiedliche Oberflächen, die mit dem gleichen Verfahren bearbeitet worden sind. Somit ist also die Konstanz der Bearbeitung nicht nur für ein Objekt, sondern auch für eine ganze Serie vorgegeben. Dieses Verfahren ist somit eine allgemeine Ausgestaltung, die oben bei der Herstellung des Ultraschallwandlers angewendet wird. Von daher lassen sich auch alle Ausgestaltungen und Besonderheiten des im Folgenden beschriebenen Verfahrens beim oben beschriebenen Herstellungsverfahren anwenden und umsetzen. Umgekehrt lassen sich auch die Ausgestaltungen und Ausführungen für das obige Herstellungsverfahren, insoweit es sich auf die Oberflächenbearbeitung bezieht, bei diesem Verfahren hier anwenden.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Struktur mittels fokussierter Laserstrahlung auf die Oberfläche aufgebracht wird. Über die Fokussierung bzw. über die Steuerung des Fokus ist es möglich, die gewünschten Strukturen auf der Oberfläche zu erzeugen.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Struktur mittels Laserstrahlung, deren Strahlachse außerhalb der Senkrechten zur Oberfläche liegt, auf die Oberfläche aufgebracht wird. Da somit die Laserstrahlung unter einem Winkel, der nicht senkrecht zur Oberfläche steht, aufgebracht wird, lassen sich Flanken in der Struktur erzeugen. Dieses Verfahren ist somit – wie das gesamte hier beschriebene Verfahren zum Aufbringen einer Struktur auf einer Oberfläche – auch bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers anwendbar.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Struktur mittels Laserstrahlung, deren Strahlachse um eine Drehachse rotiert, auf die Oberfläche aufgebracht wird.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass auf die Oberfläche nach dem Aufbringen der Struktur mindestens eine Beschichtung aufgebracht wird. Die Oberfläche wird also nicht nur gesäubert, sondern sie wird für einen folgenden Prozess vorbereitet. Damit ist verbunden, dass es sich bei der Beschichtung um einen Lack oder um einen Kleber handelt. Für eine solche Beschichtung ist es zum einen erforderlich, dass die Oberfläche gereinigt wird. Zum anderen sollte jedoch auch dafür Sorge getragen werden, dass die Anhaftung der Beschichtung an der Oberfläche unterstützt wird. Dies besonders bei Beschichtungen, die nicht auf chemischer oder Kontaktbasis arbeiten. Und für diesen Zweck wird die Struktur passend gewählt. Vorteilhafterweise liegt der Struktur ein periodisches Muster zugrunde. Durch die Periodizität wird die Gleichmäßigkeit der bearbeiteten Oberfläche realisiert. Im einfachsten Fall kann es sich bei dem Muster um eine Vertiefung handeln, die im gleichen Abstand wiederholt wird. Die Struktur weist weiterhin vorteilhafterweise eine Abfolge von Vertiefungen auf. Vertiefungen haben für eine anschließende Beschichtung den Vorteil, dass das Beschichtungsmaterial hineinfließt und dadurch die mechanische Verbindung verstärkt wird.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Muster derartig gewählt wird, dass die Haftung der Beschichtung unterstützt wird. Die Haftkraft der Beschichtung soll also erhöht werden. Je nach der Beschaffenheit des Beschichtungsmaterial kann es möglich sein, dass Vertiefungen tiefer oder weniger tief ausgestaltet werden können, weil ggf. ausreichend Oberfläche für die Trocknung oder das Applizieren eines Trocknungsmittels – z.B. Erwärmung – vorhanden sein muss. Je nach der Beschichtung bzw. je nach der Art der Aushärtung ist also die Struktur zu wählen. Handelt es sich beispielsweise bei der Beschichtung um einen Kleber zur Verbindung zweier Oberflächen, so kann es sinnvoll sein, weniger tiefe Vertiefungen zu erzeugen, damit mehr Kleber zwischen den Oberflächen zur Verfügung steht. Diesem Zweck dienen besonders negative Flanken in den Vertiefungen. Die Vertiefungen öffnen sich also von der Oberfläche weg. Damit wird ein Verkrallen der Beschichtung in der Oberfläche ermöglicht.

Realisieren lassen sich die Verfahren mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der oben beschriebenen Ausgestaltungen, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche einen Laser steuert. Die Steuereinheit ist entsprechend so ausgestaltet, dass in sie ein Muster eingebbar ist oder dass in ihr mehrere auswählbare Muster hinterlegt sind.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: den schematischen Aufbau einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2, 2a: eine schematische Darstellung einer nach dem konventionellen Verfahren mit einem Sandstrahl bearbeiteten Oberfläche, auf welcher ein Bauteil befestigt ist,
3, 4 und 5: schematische Darstellungen von drei unterschiedlichen Strukturen, die sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben, und
6, 6a, 6b: schematische Darstellung des Aufbringens der Struktur mit einem rotierenden Laser, sowie die sich daraus ergebenden Strukturen (Schnitt in 6a und Draufsicht in 6b).
1 zeigt einen Schritt der Herstellung eines Ultraschallwandlers 2. Die Oberfläche 1 – z.B. eine Metalloberfläche aus Stahl oder Edelstahlfläche; bzw. speziell für den Ultraschallwandler 2 eine Piezokeramik – des Ultraschallwandlers 2 wird mit einem Laser 21 bearbeitet, der von der Steuereinheit 20 gesteuert wird. In der Steuereinheit 20 ist beispielsweise eine aufzubringende Struktur bzw. ein der Struktur zugrunde liegendes Muster hinterlegt, welche vom Laser 21 auf der Oberfläche 1 aufgebracht werden soll. Der Ausschnitt A wird in den folgenden Figuren näher gezeigt und beschrieben. Die Dichte der Struktur, also beispielsweise der Aussparungen/Kavitäten auf der Oberfläche und auch die Größe der einzelnen Muster ist je nach Frequenz- bzw. Wellenlänge des Ultraschall-Sensors zu wählen.
In der 2 und der Vergrößerung des Ausschnitts A in 2a ist dargestellt, wie er sich nach der Beschichtung einer z.B. mit Laserstrahl nach dem Stand der Technik bearbeiteten Oberfläche 1 ergeben würde. Die gestrichelte Linie bezeichnet das Oberflächenniveau, wie es vor der Behandlung gegeben ist. Nach der Behandlung durch den Laserstrahl zeigen sich Vertiefungen 10 und auch Erhöhungen auf der Oberfläche 1. Die Struktur ist unregelmäßig. Weiterhin ist die Höhe der Beschichtung 5 relativ zum ursprünglichen Oberflächenniveau. In dieser Figur 2 ist auch schematisch ein Bauteil 30 dargestellt, welches über die Beschichtung 5 mit der bearbeiteten Oberfläche 1 verbunden ist. Zu erkennen ist, dass die Beschichtung 5 unterschiedliche Dicken aufweist.
Die 3 zeigt demgegenüber eine Ausgestaltung der Struktur, wie sie erfindungsgemäß auf die Oberfläche 1 aufgebracht werden kann. Hier weist die Oberfläche 1 einen Wechsel von Vertiefungen oder Kavitäten 10 und Erhöhungen auf. Das Muster der Struktur als Wechsel von Vertiefung 10 und Erhöhung oder als Bereich ohne Vertiefung ist im Wesentlichen periodisch. Durch die Vertiefungen 10 kann das Beschichtungsmaterial gleichmäßig eindringen und die mechanische Belastbarkeit wird erhöht, indem sich die Beschichtung quasi in der Oberfläche 1 verkrallt. Die Oberfläche 1 ist weiterhin so gleichmäßig ausgestaltet, dass eine gleichmäßige Höhe oder zumindest eine Mindesthöhe der Beschichtung garantiert werden kann, ohne dass ein Übermaß an Beschichtungsmaterial von Nöten wäre.
Der Ausschnitt A, der in der 4 dargestellt ist, zeigt eine einfachere Ausgestaltung des Musters oder der Mikrostrukturierung, die mit dem Laser aufgebracht wird. Weiterhin sind hier schematisch die Laserstrahlen 22 dargestellt. Indem der Fokus 23 der Laserstrahlen 22 jeweils oberhalb der Oberfläche 1 gehalten wird, ergeben sich Vertiefungen 10 mit einer negativen Flanke, d.h. die Vertiefungen werden in Richtung des Werkstückes 2 breiter. Somit kann die Beschichtung in die Vertiefungen 10 eindringen und sich quasi festkrallen, so dass eine höhere mechanische Belastbarkeit gegeben ist.
Die 5 zeigt die Vertiefungen 10 in der Oberfläche 1 beispielsweise eines Metalls, wie sie sich durch das dosierte Beschießen mit Laserstrahlen 22 ergeben. Der Fokus 23 der Laserstrahlen 22 liegt innerhalb der bearbeiteten Oberfläche, so dass die Kavitäten 10 eine negative und eine positive Flanke erhalten. Die negative Flanke bewirkt eine sehr gute mechanische Verankerung von Klebern als Beschichtung 5. Die positive Flanke dient in Verbindung mit einem angepassten Öffnungswinkel der akustischen Impedanzanpassung zwischen einem aufgeklebten Bauteil 30 und der bearbeiteten Oberfläche 1. Im Fall einer Beschichtung z.B. durch einen Lack kann so die Reflexion an dieser Oberfläche 1 gezielt reduziert werden.
Der Effekt der Impedanzanpassung wird durch den kontinuierlichen Übergang von der Impedanz des Klebers 5 in die des Werkstoffs der Oberfläche 1 unterstützt. Mit dem kontinuierlichen Übergang ist die Flächendichte von 100% Klebstoff zu 100% Werkstoff der Oberfläche in der Richtung senkrecht zur Oberfläche gemeint.
In der 6 ist ein Laser 21 zum Aufbringen der Struktur auf die Oberfläche 1 dargestellt. Die Strahlachse 24 der Laserstrahlen 22, die der Laser 21 erzeugt, ist dabei gegenüber der Senkrechten auf der Oberfläche 1 geneigt, d.h. die Laserstrahlen 22 treten unter einem Winkel zur Senkrechten in die Oberfläche ein. Weiterhin ist durch den Pfeil angedeutet, dass der Laser rotiert, so dass die Laserstrahlen 22 konzentrische Muster, bzw. eine aus konzentrischen Ringen bestehende Struktur auf der Oberfläche 1 erzeugen. In der 6a ist ein Schnitt durch den Bereich A dargestellt. Die Vertiefungen 10 in der Oberfläche 1 liegen jeweils schräg zu der Senkrechten. Die konzentrischen Ringe wiederum sind in der Draufsicht auf die Oberfläche 1 in der 6b dargestellt.

1: Oberfläche
2: Ultraschallwandler
5: Beschichtung
10: Vertiefung
20: Steuereinheit
21: Laser
22: Laserstrahlen
23: Fokus der Laserstrahlen
24: Strahlachse
30: Bauteil

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (2), wobei auf mindestens einer Oberfläche (1) des Ultraschallwandlers (2) mittels Laserstrahlung eine wählbare Struktur aufgebracht wird, und wobei die bearbeitete Oberfläche (1) mit mindestens einer Beschichtung (5) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Beschichtung (5) um einen Lack oder um einen Kleber handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Struktur derartig gewählt wird, dass die Haftung der Beschichtung (5) unterstützt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (5) bei Unterdruck auf die Oberfläche (1) aufgebracht wird, und/oder wobei die Beschichtung (5) bei einem höheren Druck als bei der Aufbringung ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei auf die Beschichtung (5) mindestens ein Bauteil (30) aufgebracht wird, und wobei die Struktur derartig gewählt wird, dass eine akustische Anpassung des aufgebrachten Bauteils (30) und/oder die Reflektion von Ultraschall durch diese bearbeitete Oberfläche (1) gezielt verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Struktur derartig gewählt wird, dass die Reflektion von Ultraschall durch diese bearbeitete Oberfläche (1) gezielt verändert wird.
Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche (1), wobei eine Struktur vorgegeben wird, und wobei die Struktur mittels Laserstrahlung auf die Oberfläche (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Struktur mittels fokussierter Laserstrahlung auf die Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Struktur mittels Laserstrahlung, deren Strahlachse (24) außerhalb der Senkrechten zur Oberfläche liegt, auf die Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Struktur mittels Laserstrahlung, deren Strahlachse (24) um eine Drehachse rotiert, auf die Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei auf die Oberfläche (1) nach dem Aufbringen der Struktur mindestens eine Beschichtung (5) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Struktur derartig gewählt wird, dass die Haftung der Beschichtung (5) unterstützt wird.