DE102014103635C5

DE102014103635C5 - Unterdruckkammer mit einem Schutzgehäuse

Info

Publication number: DE102014103635C5
Application number: DE102014103635.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Jakobs; Uwe Reisgen; Simon Olschok; Stefan Klein
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2034-03-18
Also published as: WO2015139689A1; DE102014103635B4; DE102014103635A1

Abstract

Unterdruckkammer mit- einem Schutzgehäuse (7, 32), wobei ein zu schützendes Element in dem Schutzgehäuse (7, 32) angeordnet oder von dem Schutzgehäuse (7, 32) überdacht ist, und- einer Düsenanordnung (9, 26) zur Erzeugung mindestens eines in das Schutzgehäuse (7, 32) hinein gerichteten Schutzgasstrahls eines Schutzgases, wobei das Schutzgehäuse (7, 32) eine einen Schutzgaustritt in einen am Schutzgehäuse (7, 32) angrenzenden Innenraumbereich der Unterdruckkammer erlaubende und das Schutzgas beim Austritt aus dem Schutzgehäuse (7, 32) beschleunigende Gasaustrittsöffnung (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass- die Düsenanordnung (9, 26) eingerichtet ist, mit dem mindestens einen Schutzgasstrahl einen gerichteten zusammenhängenden Schutzgas-Flachstrahl (14, 33, 34) zu erzeugen, wobei der Schutzgas-Flachstrahl (14, 33, 34) derart dimensioniert und ausgerichtet ist, dass bei Blickrichtung vom Mittelpunkt der Gasaustrittsöffnung (8) des Schutzgehäuses (7, 32) auf das zu schützende Element der Schutzgas-Flachstrahl (14, 33, 34) das zu schützende Element vollständig überdeckt, und- dass mindestens eine zweite Düsenanordnung (9, 26) derart vorgesehen ist, dass mindestens zwei zum zu schützenden Element unterschiedlich beabstandete Schutzgas-Flachstrahlen (14, 33, 34) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Unterdruckkammer mit einem Schutzgehäuse mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Eine derartige Unterdruckkammer kann zur Bearbeitung eines oder mehrerer darin befindlicher Werkstücke verwendet werden. Dabei kann es zu Prozessemissionen gasförmiger, flüssiger oder fester Art kommen. Beispielhaft für die Bearbeitungsprozesse sind Schweißen, Bohren, Strukturieren oder Abtragen mit einem Laserstrahl oder einem Partikelstrahl, insbesondere einem Elektronenstrahl. Der Ausdruck Unterdruckkammer umfasst hier auch eine Vakuumkammer.
Aufgrund des in der Unterdruckkammer herrschenden geringen Drucks interagieren die Prozessemissionen nur stark vermindert mit einer entsprechend geringen Anzahl von Atomen oder Molekülen der in der Unterdruckkammer gegebenen Atmosphäre. Insbesondere überhitzte gasförmige Emissionen erreichen unter diesen Bedingungen oft nur sehr verzögert die Kondensationstemperatur, weshalb eine Kondensation der Emissionen in der Regel im Kontakt mit der ersten Oberfläche erfolgt. Handelt es sich bei den Emissionen um flüssige oder feste kleine Partikel, kommt es durch die verringerte Interaktion mit der Atmosphäre oft zu einem Niederschlag auf sämtlichen zugänglichen Oberflächen.
Innerhalb der Unterdruckkammer können ein oder mehrere Elemente existieren, die vor kondensierenden oder sich niederschlagenden Emissionen zu schützen sind. Ein zu schützendes Element kann z.B. eine optische Komponente sein, welche über einen möglichst langen Zeitraum hinweg gute reflektive oder transmissive Eigenschaften behalten soll.
Ohne besondere Schutzmaßnahmen müssen die zu schützenden Elemente in kurzen Zeitabständen zeitaufwändig gewartet, zum Beispiel gereinigt, oder ausgetauscht werden.
Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, zum Schutz von Elementen, zum Beispiel zum Schutz von Beobachtungsoptiken von Elektronenstrahl-Schweißprozessen, so genannte Opfer-Oberflächen einzusetzen, die sich zwischen dem Ort des Entstehens der Prozessemissionen und dem zu schützenden Element befinden. Derartige Opfer-Oberflächen können zum Beispiel zu drehbaren Glasscheiben oder zu einer Filmkassette gehören. Die Opfer-Oberflächen gehören zu Verschleißteilen, die die Arbeitszeiten zwischen aufwändigen Wartungsarbeiten verlängern können, jedoch im Allgemeinen nur einmal verwendet werden.
Eine Unterdruckkammer der eingangs genannten Art ist aus der WO 2013/092981 A2 bekannt. Diese Druckschrift offenbart es, zwischen einem zu bearbeitenden Werkstück und dem zu schützenden Element, dort ein optisches Bauteil, ein Schutzgehäuse, vorzusehen und mittels mindestens einer Düse in das Schutzgehäuse ein Schutzgas einzublasen, welches über einen Gasaustritt das Schutzgehäuse verlässt und in einen am Schutzgehäuse angrenzenden Innenraumbereich der Unterdruckkammer eintritt. Bei diesem Prozess wird ein Schutzgasstrom erzeugt, der im Allgemeinen in Richtung auf das zu schützende Element und damit orthogonal zu seiner Oberfläche ausgerichtet ist. Um die Oberfläche des zu schützenden Elements zu erreichen, müssten somit die Prozessemissionen durch den Gasaustritt hindurch gegen den Gasstrom arbeiten. Der Gasstrom wird gemäß diesem Stand der Technik seitlich eingebracht und auf Grund des bestehenden Druckgefälles zum umgebenden Innenraumbereich der Unterdruckkammer in Richtung auf die Gasaustrittsöffnung beschleunigt. Insbesondere gasförmige Prozessemissionen können auf diese Weise wirkungsvoll vom Zutritt in das Innere des Schutzgehäuses und vom Zutritt zu dem zu schützenden Element abgehalten werden. In Bezug auf feste oder flüssige Partikel kann dieser entgegengesetzte Schutzgasstrom jedoch unzureichend sein.
Aus der DE 295 18 138 U1 ist ein Lasergravier- und Schreibgerät bekannt, bei dem ein Schutzgas in Laserstrahlrichtung gesehen hinter der Optik seitlich in eine Werkzeugspitze eingeblasen und über eine Absaughaube einer Vakuumquelle zugeführt wird.
Aus der EP 0 618 037 B1 ist eine Optik- und Umweltschutzvorrichtung für Laserbehandlungsverfahren bekannt, bei der zwischen der Laseroptik und einem zu bearbeitenden Substrat ein Schutzgehäuse vorgesehen wird, welches unmittelbar auf das Substrat aufgesetzt wird. Es wird ein seitlicher Schutzgasstrom quer zur Strahlführung des Laserstrahls eingeblasen, welcher in Einlassrichtung von einer Vakuumquelle abgesaugt wird. Eine Unterdruckkammer zusätzlich zum Schutzgehäuse ist nicht offenbart.
Die US 2001/0040222 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Elektronenstrahlbearbeitung eines in einer Vakuumkammer angeordneten Werkstückes. Der Elektronenstrahl tritt dabei durch ein Fenster in die Vakuumkammer, wobei das Fenster in einen Kühlblock eingefasst der zur Kühlung des Fensters dient. Zum einen wird das Fenster über Wärmeleitung unmittelbar durch einen Kühlkanal gekühlt. Zusätzlich wird ein Kühlgas über eine Vielzahl von Poren direkt auf die Oberfläche des Fensters gerichtet, so dass auch hierdurch ein Kühleffekt entsteht. Der Strom des Kühlgases kann dazu beitragen, ein Anhaften von Verschmutzungen am Fenster zu verhindern. Der Kühlblock hat einen sich zum bearbeitenden Werkstück hin öffnenden Querschnitt und bietet somit keinen Schutz gegen vom Werkstück freigesetzte Stoffe.
Aus der JP H02 133 189 A ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines in einer Vakuumkammer angeordneten Werkstückes mittels eines Laserstrahls bekannt, der durch ein Fenster in die Vakuumkammer tritt. Der Einsatz eines Schutzgases zum Schutz des Fensters ist nicht vorgesehen.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Unterdruckkammer der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welche einen verbesserten Schutz eines zu schützenden Elements insbesondere vor festen und flüssigen Partikeln bietet.
Diese Aufgabe wird bei einer Unterdruckkammer der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach ist die das Schutzgas in das Schutzgehäuse einblasende Düsenanordnung eingerichtet, mit dem mindestens einen Schutzgasstrahl einen gerichteten, zusammenhängenden Schutzgas-Flachstrahl zu erzeugen, wobei der Schutzgas-Flachstrahl derart dimensioniert und ausgerichtet ist, dass bei Blickrichtung vom Mittelpunkt der Gasaustrittsöffnung des Schutzgehäuses auf das zu schützende Element der Schutzgas-Flachstrahl das zu schützende Element vollständig überdeckt. Der Volumenstrom des Schutzgas-Flachstrahls dient zur seitlichen Ablenkung von ballistischen Spritzern, die es aufgrund ihrer Größe und kinetischen Energie von ihrem Entstehungsort durch die Blende hindurch bis zu diesem Punkt geschafft haben.
Durch die seitliche Ablenkung können Wartungs- oder Instandsetzungsintervalle Kosten sparend verlängert werden. Durch die geringere Belastung des zu schützenden Elements wird dessen Funktion im geringeren Maße durch den Betrieb beeinträchtigt.
Aufgrund des einfachen Aufbaus kann das Schutzsystem aus Düsenanordnung und Schutzgehäuse leicht an jeweilige Anforderungen angepasst werden. Zudem kann für das Schutzgehäuse und die Düsenanordnung eine Wartungsfreiheit erreicht werden, da - abgesehen von optionalen zusätzlichen Schutzelementen - keine Verschleiß- oder Wegwerfteile umfasst sind.
Dabei kann der Schutzgas-Flachstrahl quer zu einer gedachten, sich zwischen dem Mittelpunkt der Gasaustrittsöffnung des Schutzgehäuses und dem Mittelpunkt der Oberfläche des zu schützenden Elements erstreckenden Verbindungslinie ausgerichtet werden. Es ist vorteilhaft, wenn ein Anstellwinkel des Schutzgas-Flachstrahls, der sich z.B. auf eine Mittelebene des Schutzgas-Flachstrahls zu der gedachten Verbindungslinie zwischen dem Mittelpunkt der Gasaustrittsöffnung des Schutzgehäuses und dem Mittelpunkt der Oberfläche des zu schützenden Elements beziehen kann, 90° beträgt, so dass die Verbindungslinie in Richtung des Normalenvektors der Mittelebene verläuft. Dieser Anstellwinkel kann aber auch einen Betrag zwischen 60° und 120° oder vorzugsweise zwischen 80° und 100° einnehmen. Die Breitenrichtung des Schutzgas-Flachstrahls ist dabei vorzugsweise senkrecht zur Verbindungslinie. Der Schutzgas-Flachstrahl kann in Höhenrichtung einen Öffnungswinkel aufweisen.
Sofern das zu schützende Element eine flache Oberfläche aufweist wird der Schutzgas-Flachstrahl bevorzugt so ausgerichtet, dass er parallel oder in einem flachen Winkel zur Oberfläche des zu schützenden Elements verläuft.
Vorzugsweise besteht zwischen dem zu schützenden Element und dem Schutzgas-Flachstrahl ein Abstand von mindestens 1 cm, weiter vorzugsweise mindestens 1,5 cm, weiter vorzugsweise mindestens 2 cm. Um dies zu erreichen, kann der parallel zur Längsmittelachse des Schutzgehäuses gemessene Abstand zwischen dem zu schützenden Element und einer Düse der Düsenanordnung oder - bei mehreren Düsen - der dem zu schützenden Element nächstgelegenen Düse vorzugsweise mindestens 1 cm, weiter vorzugsweise mindestens 1,5 cm, weiter vorzugsweise mindestens 2 cm betragen. Messpunkt an der Düse kann die in Richtung parallel zur Längsmittelachse des Schutzgehäuses gegebene Mitte der Düsenöffnung sein. Hierdurch wird die Effektivität der Ablenkung der Partikel erhöht, so dass ein möglichst hoher Anteil der Partikel allenfalls neben dem zu schützenden Element auftrifft.
Die Düsenanordnung ist vorzugsweise unmittelbar an einer Wand des Schutzgehäuses im Inneren des Schutzgehäuses angeordnet, kann aber alternativ in die Wand des Schutzgehäuses integriert sein oder diese durchdringen. Die Platzierung der Düse oder der Düsen der Düsenanordnung beschränkt/beschränken sich dabei in Umfangsrichtung der Schutzgehäusewand gesehen auf einen Teilbereich dieser Wand, vorzugsweise auf höchstens die Hälfte, weiter vorzugsweise auf höchstens ein Viertel des Umfangs, so dass bei geeigneter Ausrichtung der Düse(n) der Schutzgas-Flachstrahl gerichtet ist, zum Beispiel in Richtung auf eine der Düsenanordnung gegenüberliegende Wand oder einen gegenüberliegenden Wandbereich des Schutzgehäuses. Bei einem Schutzgehäuse mit mindestens einer flachen Wand, z.B. bei einem Schutzgehäuse mit rechteckigem Querschnitt, kann sich die Düsenanordnung auf die eine flache Wand bzw. eine der flachen Wände beschränken. Bei einem Schutzgehäuse mit kreisförmigem Querschnitt kann die Düsenanordnung so ausgebildet sein, dass der gesamte Gasaustritt aus der Düsenanordnung auf höchstens dem halben Kreisumfang, bevorzugt auf ein Viertel des Kreisumfangs beschränkt ist.
Eine sich mit ihrer Düsenöffnung oder ihren Düsenöffnungen auf mehr als die Hälfte des Umfangs der Schutzgehäusewand oder gar gleichmäßig in Umfangsrichtung erstreckende Düsenanordnung ist damit ausgeschlossen, da diese nicht den gewünschten gerichteten zusammenhängenden Schutzgas-Flachstrahl erzeugen würde, der sich quer über den Schutzgehäusequerschnitt bis zur gegenüberliegenden Gehäusewand oder bis zu einem Strömungsumlenker erstreckt.
Die Ausbildung eines Schutzgas-Flachstrahls erlaubt den Einsatz geringer Gasmassenströme, so dass eine Erhöhung der Pumpleistung einer Vakuumpumpe gegenüber dem Betrieb ohne Schutzgas allenfalls moderat erfolgen muss. Dies erlaubt eine entsprechend geringe Dimensionierung der Vakuumquelle bzw. eine Umrüstung bestehender Unterdruckkammern, ohne dabei die Vakuumquelle austauschen zu müssen.
Es kann auch eine Einrichtung zur Regelung oder Steuerung des Gasmassenstroms des durch das Schutzgehäuse strömenden Schutzgases gegen die Nennpumpenleistung der Vakuumquelle vorgesehen werden, um den gewünschten Unterdruck in der Unterdruckkammer gewährleisten zu können.
Der benötigte geringe Gasmassenstrom erlaubt den Einsatz einer Schutzgasquelle, die das Schutzgas mit Umgebungsdruck (ca. 1 bar absolut) bereitstellt. Selbstverständlich sind auch höhere Drücke möglich. Durch die Druckdifferenz zum Arbeitskammerdruck (kleiner 1 bar absolut) entsteht durch Expansion im Schutzgehäuse ein entsprechend hoher Gasvolumenstrom.
Die Art des verwendeten Schutzgases kann abhängig von der konkreten Anwendung gewählt werden. Das Schutzgas kann ein einzelnes Gas oder auch ein Gasgemisch sein. Im Folgenden sind beispielhaft Gase oder Gasgemische aufgeführt, aus denen das Schutzgas bestehen kann oder die das Schutzgas enthalten kann, z.B. typische Schutzgase, wie sie z.B. aus der Schweißtechnik bekannt sind, z.B. Edelgase oder Edelgasgemische oder CO₂, jedoch auch aktive Gase oder Gasgemische, wie z.B. O₂ oder chemisch reaktive Gase, wie Halogene, z.B. Cl oder F, oder metallurgisch aktive Gase, z.B. N₂ (beispielweise als Austenitbildner oder zur Nitrierung) oder CO (beispielsweise zur Aufkohlung). Inerte und aktive Gase aller Art können bei Bedarf auch gemischt verwendet werden.
Vorteilhaft ist es, das Schutzgehäuse so auszurichten, dass die Richtung vom zu schützenden Element zum Gasaustritt oder die Längsmittelachse des Schutzgehäuses im Wesentlichen zu der Ausrichtung des Gravitationsfeldes parallel ist, so dass die Schutzgasströmung beim Austritt aus dem Schutzgehäuse der Gravitation folgt.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, den Flachstrahl oder bei mehreren Flachstrahlen mindestens einen Flachstrahl parallel zur Richtung des Gravitationsfeldes auszurichten, so dass die durch den Flachstrahl erzeugte seitliche Ablenkung eines sich in Richtung auf das zu schützende Element bewegenden Partikels durch die Gravitation unterstützt wird.
Mit der Ausbildung des Schutzgas-Flachstrahls kann auf zusätzliche Schutzelemente, wie ein weiteres Schutzglas vor dem zu schützenden Element, verzichtet werden. Gleichwohl kann ein solches zusätzliches Element mitunter sinnvoll sein. Das zusätzliche Schutzelement kann bei Blickrichtung vom Werkstück auf das zu schützende Element vor dem Schutzgas-Flachstrahl angeordnet sein. Bevorzugt ist jedoch eine Anordnung hinter dem Schutzgas-Flachstrahl, so dass bereits das zusätzliche Schutzelement geschützt ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Düsenanordnung mindestens eine Schlitzdüse umfassen. Mit einer Schlitzdüse tritt der Flachstrahl bereits zusammenhängend aus der Düsenanordnung aus. Damit ist beim Austritt des Schutzgases aus der Düsenanordnung unmittelbar eine so genannte Schutzgasklinge gegeben.
Es können auch zwei oder mehrere Schlitzdüsen parallel zueinander in Breitenrichtung gesehen nebeneinander angeordnet sein, nämlich um die geforderte Breite des Schutzgas-Flachstrahls zu gewährleisten. Die Schlitzdüsen sind dabei so nahe beieinander, dass sie sich zu einem gemeinsamen Flachstrahl vereinigen. Alternativ oder zusätzlich können zwei oder mehrere Schlitzdüsen derselben Düsenanordnung senkrecht zur Breitenrichtung unmittelbar untereinander angeordnet werden, nämlich um eine hinreichende Höhe des Schutzgas-Flachstrahls zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Unterdruckkammer kann erfindungsgemäß auch so ausgebildet sein, dass die Düsenanordnung mindestens eine Reihe nebeneinander angeordneter Lochdüsen umfasst. Die Lochdüsen sind dabei vorzugsweise parallel zueinander und so dicht beieinander angeordnet, dass unmittelbar nach Austritt des Schutzgases aus den Lochdüsen sich die einzelnen Schutzgasstrahlen zu dem geforderten zusammenhängenden gerichteten Schutzgas-Flachstrahl vereinigen. Der Querschnitt der Lochdüsen kann z.B. kreisförmig, oval oder rechteckig sein.
Es kann vorteilhaft sein, eine Gesamtbreite der den Schutzgasaustritt ermöglichenden Öffnung(en) der Düsenanordnung so zu wählen, dass sie zumindest die Ausdehnung des zu schützenden Elements in Breitenrichtung der Düsenanordnung beträgt. Damit kann die geforderte vollständige Überdeckung der Fläche des zu schützenden Elements mit dem Schutzgas-Flachstrahl gewährleistet werden.
Die Gesamtbreite ist z.B. bei einer einzelnen Schlitzdüse die Breite der Düsenöffnung. Bei mehreren in einer Reihe in Breitenrichtung nebeneinander angeordneten Düsen ist die Gesamtbreite der Abstand zwischen den äußeren Begrenzungen der äußeren Düsen.
Die erfindungsgemäße Unterdruckkammer kann auch so ausgebildet sein, dass im Schutzgehäuse der Düsenanordnung gegenüberliegend ein Strömungsumlenker angeordnet ist. Dieser Strömungsumlenker richtet die aus der Düsenanordnung austretende Strömung in Richtung auf die Gasaustrittsöffnung, so dass der Impuls der Schutzgasatome oder Schutzgasmoleküle in Richtung auf die Gasaustrittsöffnung gelenkt wird, um eine effektive, den Prozessemissionen entgegengerichtete Schutzgasströmung zu begünstigen.
Ein zu schützendes Element kann z.B. eine optische Komponente sein, welche über einen möglichst langen Zeitraum hinweg gute reflektive oder transmissive Eigenschaften behalten soll, z.B. ein Strahlungsdurchtrittselement, beispielsweise in Form einer Einblickoptik oder einer Laserstrahldurchführung, ein Spiegelsystem oder ein Kamerasystem. Das optische Element kann auch strahlformend sein, z.B. eine Linse. Bei einem zu schützenden Element kann es sich auch um einen Teilbereich einer solchen optischen Komponente handeln, nämlich sofern nur dieser Teilbereich für den durchzuführenden Prozess benötigt wird, zum Beispiel der Teilbereich für den Durchtritt eines Laserstrahls oder des Strahlenganges einer Beobachtungseinrichtung.
Außerhalb des optischen Bereichs kann es sich bei dem zu schützenden Element um einen Sensor handeln, welcher durch zunehmende Verschmutzung, z.B. durch Kondensation oder Niederschlag von Prozessemissionen ungenauere Messwerte liefern oder ausfallen kann. Beispiele von Sensoren sind Strahlungssensoren, z.B. Geiger-Müller-Zählrohre, oder Sensoren zur Erfassung von rückgestreuten oder durchtretenden Elektronen, z.B. als Prozesssensoren im Bereich des Elektronenschweißens. Insbesondere bei letzterer Anwendung würde es durch eine durch Metalldampf bedingte Beschichtung des Sensors oder von Teilen hiervon zu Fehlmessungen, beispielsweise aufgrund eines durch Kriechströme zwischen Sensoroberfläche und Gehäuse bedingten Masseschlusses kommen.
Die erfindungsgemäße Unterdruckkammer kann so ausgebildet sein, dass die eingesetzte elektromagnetische Strahlung zur Bearbeitung eines Werkstückes vorgesehen ist.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Unterdruckkammer so ausgebildet sein, dass die eingesetzte elektromagnetische Strahlung zur Beobachtung, zum Beispiel eines Bearbeitungsprozesses, vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Unterdruckkammer kann auch so ausgebildet sein, dass die Gasaustrittsöffnung eine veränderbare Blende ist. Die Veränderbarkeit kann sich auf die Fläche der Gasaustrittsöffnung beziehen, z.B. um die Öffnungsgröße an den Volumenstrom des Schutzgases anzupassen. Die Veränderbarkeit kann sich aber auch auf die Position der Gasaustrittsöffnung beziehen, z.B. um einer möglichen Pendelbewegung eines Bearbeitungsstrahls zu folgen. Des Weiteren kann sich die Veränderbarkeit auch auf die Geometrie der Gasaustrittsöffnung beziehen, z.B. zur Änderung von einer Kreisform zu einer Schlitzform oder zur Änderung von Leitelementen, die dem aus dem Schutzgehäuse austretenden Schutzgasstrom eine Vorzugsströmungsrichtung geben. Dies kann ebenfalls beispielsweise zur Anpassung an eine Pendelbewegung eines Bearbeitungsstrahls erfolgen. Die Veränderbarkeit kann auch eine beliebige Mischform aus mindestens zwei der oben beschriebenen Veränderbarkeiten sein.
Die erfindungsgemäße Düsenanordnung ist so ausgebildet, dass mindestens eine zweite Düsenanordnung vorhanden ist, wobei die mindestens zwei Düsenanordnungen in Richtung vom zu schützenden Element zur Gasaustrittsöffnung des Schutzgehäuses gesehen hintereinander angeordnet sind. Auf diese Weise können mindestens zwei voneinander getrennte Schutzgas-Flachstrahlen erzeugt werden, welche abzulenkende Partikel nacheinander durchlaufen müssten, um zu dem zu schützenden Element zu gelangen.
Dabei kann es vorteilhaft sein, die mindestens zwei Düsenanordnungen derart auszurichten, dass in einer Projektion der Strömungen der zugehörigen Schutzgas-Flachstrahlen auf eine Projektionsebene, welche senkrecht zu einer gedachten, sich vom Mittelpunkt des zu schützenden Elements zum Mittelpunkt der Gasaustrittsöffnung des Schutzgasgehäuses erstreckenden Verbindungslinie ist, die Strömungen mindestens zweier der Schutzgas-Flachstrahlen einander kreuzen. Als Beispiel seien zwei Schutzgas-Flachstrahlen betrachtet, die entlang der besagten gedachten Verbindungslinie gesehen mit Abstand hintereinander angeordnet und deren Mittelebenen zueinander parallel sind. Die geforderte Kreuzung der projizierten Flachstrahlströmungen ist dann gegeben, wenn Hauptströmungsrichtungen der Schutzgas-Flachstrahlen in den zugehörigen Mittelebenen nicht parallel zueinander sind. Sind in einem veränderten Beispiel die Mittelebenen der Schutzgas-Flachstrahlen nicht parallel zueinander, sind also die Mittelebenen und mithin die Schutzgas-Flachstrahlen zur gedachten Verbindungslinie unterschiedlich angestellt, so ist die geforderte Kreuzung der projizierten Flachstrahlströmungen dann gegeben, wenn die senkrecht zur Verbindungslinie gegebenen Komponenten der Hauptströmungsrichtungen der beiden Schutzgas-Flachstrahlen nicht parallel zueinander sind.
Die unterschiedliche Ausrichtung von mindestens zweien der Schutzgas-Flachstrahlen hat insbesondere den Vorteil, wenn zu den beteiligten Schutzgas-Flachstrahlen jeweils ein Strömungsumlenker vorgesehen wird, ohne dass eine in Richtung auf den Gasaustritt umgelenkte Strömung der in Richtung der umgelenkten Strömung gesehen oberen Düsenanordnung den Flachstrahl einer der unteren Düsenanordnung wesentlich stört.
In der betrachteten Projektion kann der Kreuzungswinkel zwischen zwei Schutzgas-Flachstrahlen, bzw. der Winkel zwischen zwei Ebenen-Strömungskomponenten, z.B. mindestens 20° bis 90° betragen, wobei jeweils alle Zwischenwerte der Winkel, z.B. in 5°-Schritten, denkbar sind.
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Unterdruckkammer anhand von Figuren dargestellt.
Es zeigt schematisch

1a: ausschnittsweise eine Doppelkammer mit Schutzgehäuse in einer ersten Ausführungsform,
1b: ein Schutzgehäuse mit Schutzgas-Flachstrahl im Querschnitt,
2: eine Düsenanordnung mit einer Schlitzdüse für das Schutzgas,
3: eine Düsenanordnung mit einer Reihe von Lochdüsen,
4: ausschnittsweise eine Unterdruckkammer mit Schutzgehäuse in einer zweiten Ausführungsform,
5: ausschnittweise eine Unterdruckkammer mit Schutzgehäuse in einer dritten Ausführungsform,
6: ausschnittweise eine Unterdruckkammer mit Schutzgehäuse in einer vierten Ausführungsform,
7: ausschnittweise eine Unterdruckkammer mit Schutzgehäuse in einer fünften Ausführungsform,
8: ausschnittweise eine Unterdruckkammer mit Schutzgehäuse in einer sechsten Ausführungsform,
9: eine alternative Ausgestaltung einer Düsenanordnung mit Schlitzdüse und
10: eine Ausgestaltung mit zwei Düsenanordnungen unterschiedlicher Ausrichtung.

In den 1 bis 9 ist eine zweite Düsenanordnung gemäß Anspruch 1 nicht dargestellt. Ohne eine zweite Düsenanordnung unterfallen die Ausführungsformen nicht dem Patentschutz.
1a zeigt schematisch eine Unterdruckkammer, von der lediglich eine obere Unterdruckkammer-Begrenzungswand 1 zu sehen ist. In der Unterdruckkammer ist ein Werkstück 2 angeordnet, welches mit einem Laserstrahl 3 bearbeitet wird. Schematisch sind die bei der Laserstrahlbearbeitung entstehenden Prozessemissionen 4 dargestellt. Der Laserstrahl 3 tritt durch eine Eintrittsoptik 5 in die Unterdruckkammer ein. Die Eintrittsoptik 5 ist über einen Befestigungsring 6 an der Unterdruckkammer-Begrenzungswand 1 fixiert. Ausgehend vom Befestigungsring 6 ragt ein Schutzgehäuse 7, welches einen z.B. zylindrischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen kann, in das Innere der Unterdruckkammer hinein. Vom Werkstück 2 aus gesehen überdacht somit das Schutzgehäuse 7 die Eintrittsoptik 5, welche ein zu schützendes Element darstellt.
Der Laserstrahl 3 durchläuft das Schutzgehäuse 7 und verlässt das Schutzgehäuse 7 durch eine Blendenöffnung 8. Mittels einer Düsenanordnung 9 wird über eine Schutzgaszuleitung 10 dem Schutzgehäuse 7 ein Schutzgas zugeführt.
1b zeigt ein Schutzgehäuse 7 mit kreisförmigem Querschnitt und Ausschnittsweise eine Düsenanordnung 9 mit austretendem Schutzgas-Flachstrahl 14, dessen seitliche Grenzen durch eine Strichelung dargestellt sind. Durch Punktierung ist eine Eintrittsoptik 5 für einen Laserstrahl angedeutet, der sich entsprechend zu 1a mit Abstand oberhalb des Schutzgas-Flachstrahls 14 befindet. Die Breite und Ausrichtung des Schutzgas-Flachstrahls 14 ist so gewählt, dass bei einem Blick von der in 1b nicht dargestellten Gausaustrittsöffnung (siehe 8 in 1 a) in Richtung auf den Mittelpunkt der Eintrittsoptik 5 die Eintrittsoptik 5 vom Schutzgas-Flachstrahl 14 völlig überdeckt ist. Für die Zwecke der Erfindung ist es auch hinreichend, wenn der Schutzgas-Flachstrahl 14 allein den Bereich der Eintrittsoptik 5 überdeckt, der für die durchtretende Strahlung benötigt wird.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Düsenanordnung 9, welche eine Schlitzdüse 11 aufweist, die sich von einer Schutzgasdurchführung 12 erstreckt.
Eine alternative Ausführung der Düsenanordnung 9 zeigt 3, wonach an Stelle einer Schlitzdüse eine Vielzahl in Reihe angeordneter Lochdüsen 13 vorgesehen ist. Die Lochdüsen sind derart nahe beieinander angeordnet, dass sich das daraus ausströmende Schutzgas zu einem Schutzgas-Flachstrahl 14 (1) vereinigt.
Die Düsenanordnung 9 ist derart im Schutzgehäuse 7 ausgerichtet, dass der Schutzgas-Flachstrahl 14 quer zum Strahlengang des Laserstrahls 3 ausgerichtet ist. Die Breite des Schutzgas-Flachstrahls 14 ist hinreichend, um die Eintrittsoptik 5 jedenfalls so weit zu überdecken, dass Prozessemissionen 4, die es bei geradliniger Bewegung von der Blendenöffnung 8 aus in Richtung auf den für den Strahlengang der Laserstrahlung 3 benötigten Bereich der Eintrittsoptik 5 bis zur Höhe des Schutzgas-Flachstrahls 14 geschafft haben, vom Schutzgas-Flachstrahl 14 erfasst würden. Dies wird jedenfalls dann bei geeigneter Ausrichtung der Düsenanordnung 9 gewährleistet, wenn die Breite des Schutzgas-Flachstrahls 14 bereits bei Austritt aus der Düsenanordnung 9 der Ausdehnung des Strahlenganges am Ort der Eintrittsoptik 5 entspricht. Die Breite des Schutzgas-Flachstrahls bei Austritt aus der Düsenanordnung 9 entspricht der senkrecht zur Ausströmungsrichtung des Schutzgases gegebenen Breite b der Schlitzdüse 11 (siehe 2) bzw. im Fall der Vielzahl in Reihe nebeneinander angeordneter Lochdüsen 13 dem Abstand zwischen den äußersten Begrenzungen der äußeren Lochdüsen 13.
In der Unterdruckkammer herrscht auf Grund einer hier nicht dargestellten Vakuumquelle, z.B. einem Pumpstand, ein niedriger Druck, so dass das Schutzgas im Schutzgehäuse 7 auf die Blendenöffnung 8 hin beschleunigt wird und durch diese Blendenöffnung 8 hindurch in das Innere der Unterdruckkammer strömt. Die Blendenöffnung 8 dient somit gleichzeitig als Gasaustrittsöffnung. Auf Grund der Strömung des Schutzgases durch die Blendenöffnung 8 hindurch gelangen gasförmige Teilchen der Prozessemission 4 nicht oder kaum in das Schutzgehäuse 7 hinein oder werden mitgerissen. Ein im Schutzgehäuse 7 der Düsenanordnung 9 gegenüber angeordneter Strömungsumlenker 15 (1a), auf welchen das Schutzgas aufprallt, unterstützt die Ablenkung der Strömung in Richtung auf die Blendenöffnung 8. Zwingend ist der vorteilhafte Strömungsumlenker 15 jedoch in keinem der Beispiele.
Feste oder flüssige Partikel der Prozessemissionen, die auf Grund ihrer Bewegungsrichtung und kinetischen Energie durch die Blendenöffnung 8 hindurch in das Schutzgehäuse 7 eintreten und den zur Blendenöffnung 8 gerichteten Gegenstrom des Schutzgases überwinden, werden auf Grund der Ausrichtung des Schutzgas-Flachstrahles 14 seitlich in Richtung auf den Strömungsumlenker 15 abgelenkt. Auf diese Weise wird zuverlässig verhindert, dass diese festen oder flüssigen Partikel der Schutzemissionen 4 die Eintrittsoptik 5 - jedenfalls in dem zu schützenden Bereich - erreichen. Gemäß der Ausführungsform nach 1 wird das Schutzgas mittels der Schutzgaszuleitung 10 durch eine Schutzgehäuse-Außenwand 16 sowie durch die obere Unterdruckkammer-Begrenzungswand 1 hindurch geführt.
4 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der gegenüber der Ausbildungsform nach 1 lediglich die Form des Schutzgehäuses 7 geändert ist. So weist das Schutzgehäuse 7 ein sich verjüngendes Endstück 17, dessen Querschnitt z.B. konisch oder rechteckig sein kann, auf. Wegen der Übereinstimmung wird in Bezug auf die übrigen dargestellten Elemente auf die Beschreibung zu 1 verwiesen.
5 zeigt eine weitere Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem abgestuften Endstück 18 des Schutzgehäuses 7, welches z.B. konisch oder im Querschnitt rechteckig sein kann. Der Strömungsumlenker 15 ist in diesem Fall am inneren Ende einer Stufe 19 angeordnet, um eine wirkungsvolle Strömungsumleitung in Richtung auf die Blendenöffnung 8 bewirken zu können.
6 zeigt eine weitere Ausbildungsform, bei der das Schutzgehäuse 7 wie in 4 ein sich verjüngendes Endstück 17 aufweist. Im Unterschied zu 4 ist die Schutzgaszuleitung 10 nicht durch die obere Unterdruckkammer-Begrenzungswand 1, sondern durch den die Eintrittsoptik 5 tragenden Befestigungsring 6 geführt und muss auf diese Weise nicht nochmals die Schutzgehäuse-Außenwand 16 durchdringen. Diese Variante der Schutzgaszuleitung ist selbstverständlich ebenfalls bei einem Schutzgehäuse 7 mit durchgehend konstantem Querschnitt (1) oder mit abgestuftem Endstück 18 (5) möglich.
7 zeigt eine Ausbildungsvariante der erfindungsgemäßen Unterdruckkammer, bei der eine Bearbeitungseinheit 20 innerhalb der Unterdruckkammer angeordnet ist, von der lediglich eine obere Begrenzungswand 1 und eine seitliche Begrenzungswand 31 zu sehen ist. Die Bearbeitungseinheit 20 umfasst eine hier nicht dargestellte Laserquelle, von der ein Laserstrahl 3 ausgeht, welcher auf ein Werkstück 2 trifft und dort Prozessemissionen 4 erzeugt. Die Bearbeitungseinheit 20 weist eine Austrittsoptik 21 auf, welche äquivalent zu der Eintrittsoptik 5 in den 1 und 4 bis 6 zu betrachten ist. An der Bearbeitungseinheit 20 ist ein Schutzgehäuse 7, hier beispielhaft mit konischem Endstück 17, angeordnet. Das Schutzgehäuse 7 schützt die Austrittsoptik 21 vor dem Einfluss der Prozessemissionen 4 entsprechend der in den 1 und 4 bis 6 gezeigten Weise. Hierfür wird über eine Schutzgaszuleitung 10 ein Schutzgas über eine Düsenanordnung 9 in das Schutzgehäuse 7 in Form eines Schutzgas-Flachstrahls 14 eingebracht, der auf einen gegenüberliegenden Strömungsumlenker 15 trifft.
Auch für die innen liegende Bearbeitungseinheit 20 können verschiedene Formen des Schutzgehäuses 7 vorgesehen werden, zum Beispiel solche, wie sie in den 1 und 5 dargestellt sind.
8 zeigt eine Ausbildungsform der erfindungsgemäßen, durch die Begrenzungswände 1 und 31 schematisch angedeuteten Unterdruckkammer, die anstelle der Bearbeitungseinheit 20 (7) im Inneren eine Beobachtungseinheit 22 aufweist. Die Beobachtungseinheit 22 umfasst ein hier nicht gesondert dargestelltes Beobachtungsinstrument, zum Beispiel eine Kamera, zu der der Beobachtungsstrahlengang 23 dargestellt ist. Der Beobachtungsstrahlengang 23 tritt durch die Beobachtungsoptik 24. Alle übrigen Elemente entsprechen denen der 7, weshalb auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
Die Prozessemissionen 4 werden gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 8 durch einen nicht dargestellten Bearbeitungsstrahl, bei dem es sich um einen Laserstrahl oder einen Partikelstrahl, z.B. einen Elektronenstrahl, handeln kann, erzeugt.
Auch im Falle einer Beobachtungseinheit 22 kann das Schutzgehäuse 7 andere Formen, zum Beispiel die in den 1 oder 5 gezeigten, aufweisen.
Eine Beobachtungseinheit kann auch außerhalb der Unterdruckkammer angeordnet sein. Dies ist in den Figuren nicht gesondert dargestellt, jedoch leicht nachvollziehbar, wenn in den 1 sowie 4 bis 6 der dortige Laserstrahl 3 durch einen Beobachtungsstrahlengang ersetzt wird, welcher zu einer dort nicht dargestellten und außerhalb der Unterdruckkammer angeordneten Beobachtungseinheit gehört. In diesem Fall kann ein Vorgang in der Unterdruckkammer, zum Beispiel ein Beschichtungsvorgang, beispielsweise eine PVD-Beschichtung, beobachtet werden. Die Beobachtung kann auch eine Bearbeitung des Werkstückes 2 durch einen gesonderten Energiestrahl, zum Beispiel Laserstrahl oder Elektronenstrahl betreffen.
9 zeigt in Aufsicht ein Plattenelement 25 mit Düsenanordnung 26, welche für ein in 9 nicht dargestelltes Schutzgehäuse mit kreisförmigem Querschnitt geeignet ist und eine Schlitzdüse 27 umfasst. Die Schlitzdüse 27 wird über eine Schutzgasdurchführung 28 und eine Schutzgaszuleitung 29 mit Schutzgas versorgt. Der Austritt der Schlitzdüse 27 hat die Form eines Kreisbogens und ist somit insbesondere für ein zylindrisches oder konisches Schutzgehäuse angepasst. Die Plattenanordnung 25 kann zum Beispiel über Befestigungsbohrungen 30 an einer hier nicht dargestellten Unterdruckkammer-Begrenzungswand fixiert werden.
Auch eine Düsenanordnung mit einer Mehrzahl von Schlitzdüsen oder mit einer Mehrzahl von Lochdüsen kann so ausgebildet sein, dass die Austrittsstellen für das Schutzgas einer Kreisbogenlinie oder einer sonstigen an den Umfangsverlauf eines Schutzgehäuses angepassten Linie folgen.
10 zeigt schließlich schematisch ein Schutzgehäuse 32 in Blickrichtung in Längsachse des Schutzgehäuses 32, z.B. von einem hier nicht dargestellten zu schützenden Element zu einem hier ebenfalls nicht sichtbaren Gasaustritt des Schutzgehäuses. Zu sehen ist die rein schematische Darstellung eines oberen Flachstrahls 33 und eines unteren Flachstrahls 34, welche in Blickrichtung mit Abstand zueinander jeweils in Pfeilrichtung strömen und somit in Ebenen senkrecht zur Längsachse des Schutzgehäuses 32 um den Winkel α unterschiedliche Strömungsrichtungen aufweisen. Dies hat den Effekt, dass mögliche Partikel, die sich in Richtung auf das zu schützende Element bewegen, nacheinander zwei Flachstrahlen 33 und 34 des Schutzgases durchlaufen müssen und jeweils einen seitlich gerichteten Impuls erhalten. Eine Komponente des durch den unteren Flachstrahl 34 gegebenen Impulses kann durch den oberen Flachstrahl 33 verstärkt werden und somit den Schutz des zu schützenden Elements erhöhen.
Bezugszeichenliste

1: obere Unterdruckkammer-Begrenzungswand
2: Werkstück
3: Laserstrahl
4: Prozessemission
5: Eintrittsoptik
6: Befestigungsring
7: Schutzgehäuse
8: Blendenöffnung
9: Düsenanordnung
10: Schutzgaszuleitung
11: Schlitzdüse
12: Schutzgasdurchführung
13: Lochdüse
14: Schutzgas-Flachstrahl
15: Strömungsumlenker
16: Schutzgehäuse-Außenwand
17: konisches Endstück
18: abgestuftes Endstück
19: Stufe
20: Bearbeitungseinheit
21: Austrittsoptik
22: Beobachtungseinheit
23: Beobachtungsstrahlengang
24: Beobachungsoptik
25: Plattenanordnung
26: Düsenanordnung
27: Schlitzdüse
28: Schutzgas-Durchführung
29: Schutzgas-Zuleitung
30: Befestigungsbohrung
31: seitliche Unterdruckkammer-Begrenzungswand
32: Schutzgehäuse
33: oberer Flachstrahl
34: unterer Flachstrahl

Claims

Unterdruckkammer mit - einem Schutzgehäuse (7, 32), wobei ein zu schützendes Element in dem Schutzgehäuse (7, 32) angeordnet oder von dem Schutzgehäuse (7, 32) überdacht ist, und - einer Düsenanordnung (9, 26) zur Erzeugung mindestens eines in das Schutzgehäuse (7, 32) hinein gerichteten Schutzgasstrahls eines Schutzgases, wobei das Schutzgehäuse (7, 32) eine einen Schutzgaustritt in einen am Schutzgehäuse (7, 32) angrenzenden Innenraumbereich der Unterdruckkammer erlaubende und das Schutzgas beim Austritt aus dem Schutzgehäuse (7, 32) beschleunigende Gasaustrittsöffnung (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Düsenanordnung (9, 26) eingerichtet ist, mit dem mindestens einen Schutzgasstrahl einen gerichteten zusammenhängenden Schutzgas-Flachstrahl (14, 33, 34) zu erzeugen, wobei der Schutzgas-Flachstrahl (14, 33, 34) derart dimensioniert und ausgerichtet ist, dass bei Blickrichtung vom Mittelpunkt der Gasaustrittsöffnung (8) des Schutzgehäuses (7, 32) auf das zu schützende Element der Schutzgas-Flachstrahl (14, 33, 34) das zu schützende Element vollständig überdeckt, und - dass mindestens eine zweite Düsenanordnung (9, 26) derart vorgesehen ist, dass mindestens zwei zum zu schützenden Element unterschiedlich beabstandete Schutzgas-Flachstrahlen (14, 33, 34) vorgesehen sind.
Unterdruckkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenanordnung (9, 26) mindestens eine Schlitzdüse (11, 27) aufweist.
Unterdruckkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenanordnung (9, 26) mindestens eine Reihe nebeneinander angeordneter Lochdüsen (13) aufweist.
Unterdruckkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schutzgehäuse (7, 32) der Düsenanordnung (9, 26) gegenüberliegend ein Strömungsumlenker (15) angeordnet ist.
Unterdruckkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsumlenker (15) die Schutzgasströmung in Richtung auf die Gasaustrittsöffnung (8) des Schutzgasgehäuses lenkt.
Unterdruckkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu schützende Element zumindest ein Teilbereich eines für elektromagnetische Strahlung (3, 23) durchlässigen Strahlungsdurchtrittselements (5, 21, 24) ist.
Unterdruckkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich des Strahlungsdurchtrittselements (5, 21, 24) der für einen Strahlengang der durchtretenden Strahlung (3, 23) benötigte Bereich des Strahlungsdurchtrittselements (5, 21, 24) ist.
Unterdruckkammer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte elektromagnetische Strahlung (3, 23) zur Bearbeitung eines Werkstückes (2) vorgesehen ist.
Unterdruckkammer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte elektromagnetische Strahlung (3, 23) zur Beobachtung vorgesehen ist.
Unterdruckkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaustrittsöffnung (8) in Größe, Position und/oder Geometrie veränderbar ist.
Unterdruckkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Regelung oder Steuerung des Gasmassenstromes des in die Düsenanordnung eingeleiteten Schutzgases in Abhängigkeit von der Nennleistung einer Vakuumquelle vorgesehen ist.