DE102015009526A1

DE102015009526A1 - Selbstreinigende Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung (Aerosol-Depositions-Methode, ADM)

Info

Publication number: DE102015009526A1
Application number: DE102015009526.9A
Authority: DE
Inventors: Ralf Moos; Michaela Bruckner; Thomas Stöcker; Michael Schubert; Jörg Exner; Dominik Hanft
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern, die eine Reinigung bei geschlossener Apparatur ermöglicht. Durch den Einsatz der Erfindung wird der Kammerreinigungsprozess wesentlich vereinfacht. Darüber hinaus wird ein kontinuierlicher Prozessablauf ohne Kammeröffnung ermöglicht und die Arbeitssicherheit erhöht. Auch kann das Kammervolumen reduziert werden, da der Bedarf einer manuellen Zugänglichkeit nicht besteht und der apparative Aufwand zur Reinigung vergleichsweise gering ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern, die im geschlossenen Zustand gereinigt werden kann.
Technischer Hintergrund
Gewöhnlich ist für die Herstellung von keramischen Schichten oder Körpern eine Sintertemperatur oberhalb von 1000°C notwendig. In Folge dessen ist eine Integration bzw. Kombination von Keramiken mit niedrigschmelzenden Kunststoffen, Gläsern oder Metallen kaum oder gar nicht möglich [1]. Eine weitere Schwierigkeit stellen zudem Keramiken mit einem hohen kovalenten Bindungsanteil dar. Hierbei tritt eine Zersetzung der Keramik vor einer Verdichtung auf, wodurch eine Herstellung dichter Bauteile bzw. Schichten nicht oder nur unter erheblichem Aufwand möglich ist [2].
Eine neuartige Herangehensweise bildet ein bereits bekanntes Verfahren einer aerosol- und vakuumbasierten Schichtdeposition [3]. Das Verfahren wird in jüngster Zeit im Deutschen auch als „aerosolbasierte Kaltabscheidung” bezeichnet. Hierbei können bei Raumtemperatur dichte Schichten direkt aus den Ausgangspulvern auf verschiedenste Substratmaterialien abgeschieden werden. Diese zeichnen sich sowohl durch eine feste Anhaftung auf dem Substrat, hohe Dichtheit als auch durch im Vergleich zu den eingesetzten Ausgangspulvern ähnlichen Materialeigenschaften aus.
Die Grundlage des Verfahrens besteht darin, dass in einer entsprechenden Anlage mit Hilfe entsprechender Vorrichtungen (Beschreibung im nachfolgenden Punkt) Partikel 5 beschleunigt und auf ein zu beschichtendes Substrat 6 gelenkt werden. Die hohe kinetische Energie der Partikel 5 führt beim Aufprall auf das Substrat 6 mutmaßlich [1] sowohl zu einem lokalen Druck- und Temperaturanstieg als auch zu einer plastischen Deformation und zum Aufbrechen der Partikel. Dies sorgt wiederum für eine entsprechende Haftung sowohl zwischen den Partikeln als auch zwischen Partikel und Substrat. Der Vorgang der Schichtabscheidung beginnt nach derzeitigem Wissensstand [1] mit einer Ausbildung einer Verankerungsschicht auf dem Substrat 6 und setzt sich mit einem kontinuierlichen Aufbau und der Verdichtung der Schicht fort. In der Literatur wird der Vorgang dieser Schichtbildung auch häufig mit dem Begriff „Room Temperature Impact Consolidation” (RTIC) bezeichnet [1].
Stand der Technik bzgl. des Aufbaus einer Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern
Die Hauptkomponenten einer Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern sind, wie in 1 dargestellt, eine Vakuumkammer 1, eine Evakuierungsvorrichtung 2, eine aerosolerzeugende Vorrichtung 3 und eine Düsenapparatur 4. Veröffentlichungen bzgl. des Anlagenaufbaus, die den Stand der Technik hierzu darstellen, finden sich z. B. in der US 7,553,376 B2 . Das Prinzip einer Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern basiert darauf, dass über eine Evakuierungsvorrichtung 2 innerhalb der Vakuumkammer 1 ein Vakuum erzeugt wird [5]. Die aerosolerzeugende Vorrichtung 3 vermischt ein Gas, z. B. Sauerstoff oder Stickstoff, mit Partikeln 5 und erzeugt so ein Aerosol [4]. Als Folge des auftretenden Druckabfalls zwischen aerosolerzeugender Vorrichtung 3 und Vakuumkammer 1 werden die Partikel von der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 über eine Verbindungsleitung 4.1 in die Vakuumkammer 1 transportiert. Die Verbindungsleitung 4.1 mündet in einer Düse 4.2, in der durch Querschnittsänderung die Partikel 5 weiter beschleunigt werden. In der Vakuumkammer 1 treffen die Partikel 5 auf ein bewegtes Substrat 6 und bilden dort einen dichten kratzfesten Film [1]. Bei diesem Vorgang werden jedoch nicht alle Partikel abgeschieden. Abhängig von Partikelgröße und Grad der Agglomeration scheidet sich einerheblicher Anteil des Ausgangspulvers als sog. „Overflow” an den Wänden der Anlage ab [1]. Obwohl das Problem bereits bekannt und auch in Offenlegungsschriften wie der DE 10 2011 082 825 A1 zum Teil behandelt wird, existieren bislang keine effektiven Methoden zur Entfernung des Overflows aus der Vakuumkammer 1. Diese Entfernung des Overflows aus der Vakuumkammer 1 wird im Folgenden als Reinigung bezeichnet.
Nachteile des Standes der Technik
Bei einer Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern nach dem Stand der Technik ist eine Reinigung der Vakuumkammer 1 nur im geöffneten Anlagenzustand und rein manuell möglich. Dies trifft auch auf die in der Offenlegungsschrift DE 10 2011 082 825 A1 beschriebene Methode zur Minimierung der Wandbelege mit Abprallwänden und/oder Auffangelementen zu. Diese hat den Nachteil, dass ein hoher apparativer Aufwand erforderlich ist. Zudem setzt eine Öffnung der Kammer eine Unterbrechung des Sprühvorgangs voraus. Der dadurch notwendige diskontinuierliche Prozessablauf ist jedoch wenig wirtschaftlich und für eine großtechnische Umsetzung kaum geeignet. Darüber hinaus kann bei einer manuellen Reinigung eine Exposition mit Partikeln nicht gänzlich unterbunden werden. Auf Grund der stofflichen Zusammensetzung (z. T. kanzerogen, toxisch, mutagen, etc.) aber auch der alveolengängigen Größe der Partikel können so Gesundheitsgefährdungen auftreten.
Grundgedanke der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vakuumkammer einer ADM-Anlage, die im geschlossenen Zustand gereinigt werden kann. Diese Vakuumkammer wird dadurch gekennzeichnet, dass sie zur erleichterten oder verbesserten Reinigung eine nach unten hin trichterförmig verjüngte Form und als bevorzugte Ausführungsform eine geeignete Innenwandbeschaffenheit (Rauigkeit, Härte) aufweist. Besonders bevorzugt ist eine Kombination mit Vorrichtungen zur Partikelablösung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Entfernung der Partikel aus der Vakuumkammer im geschlossenen Anlagenzustand ermöglicht wird. Dadurch besteht die Möglichkeit für einen unterbrechungsfreien, kontinuierlichen Prozessablauf, der die Wirtschaftlichkeit und die großtechnische Umsetzbarkeit des Verfahrens verbessert. Auch ist es möglich, das Kammervolumen zu reduzieren, da der Bedarf einer manuellen Zugänglichkeit nicht besteht. Weiter ist durch das geschlossene System sichergestellt, dass keine Exposition von Mensch und Umwelt mit sehr kleinen Partikeln aus zum Teil toxischen, kanzerogenen und/oder mutagenem Material auftritt.
Ausführungsformen der Erfindung
Mögliche Ausgestaltungsformen der Erfindung sind in 2a und in 2b dargestellt und zeichnen sich dahingehend aus, dass sich die Vakuumkammer 1 nach unten hin trichterförmig verjüngt. Als mögliche Ausgestaltung ist die Innenwand der Vakuumkammer zur Reduzierung der Partikelhaftung besonders beschaffen, d. h. sie ist poliert, geschliffen, beschichtet, gehärtet, strukturiert und/oder elektrisch geladen. In ihr kann eine Abstreifevorrichtung 14 angebracht sein. Die Abstreifevorrichtung 14 rotiert (2a) bzw. wird beispielsweise über eine magnetische Kopplung bewegt (2b) und löst mechanisch durch geeignete Abstreifer, z. B. Bürsten oder Abzieher, die an der Vakuumkammerwand anhaftenden Partikel ab. Letztere werden über eine Öffnung 11 im Boden der Vakuumkammer 10 aus der Kammer entfernt und ggf. in einen Sammelbehälter geleitet 13. In dem sich die Vakuumkammer 1 im unteren Teil verjüngt, wird der Partikeltransport zur Öffnung 10 erleichtert. Über die Öffnung 10 ist gleichzeitig auch eine Evakuierungsvorrichtung 2 an die Vakuumkammer 1 angeschlossen. Um die Evakuierungsvorrichtung 2 vor einer Verunreinigung mit Partikelstäuben zu schützen, kann ein Filter 12 eingesetzt werden. Eine Düsenapparatur 4 ist so positioniert, dass sie entlang der Symmetrieachse 18 verläuft. Über eine Druckdifferenz zwischen der Vakuumkammer 1 zu der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 (nicht gezeichnet), sowie über eine Querschnittsveränderung der Düse, werden Partikel 5 auf ein Substrat 6 beschleunigt. Das Substrat 6 ist an einem Substrathalter 7 befestigt, der z. B. über eine magnetisch basierte Kopplung mit einer Verfahreinheit 8 verbunden ist und in x- und z-Richtung bewegt werden kann. Beim Aufprall der Partikel 5 auf das Substrat 6, bilden diese einen dichten Film 9.
Weitere Ausführungsformen sind in 3, 4 und 5 skizziert. Die 3 weist ebenfalls eine nach unten hin trichterförmig verjüngte Vakuumkammer 1 auf. Zur Minimierung der Partikelhaftung ist die Innenwand der Vakuumkammer als bevorzugte Ausgestaltungsform besonders beschaffen. Das bedeutet, dass die Innenwand z. B. poliert, geschliffen, beschichtet, gehärtet, strukturiert und/oder elektrisch geladen ist. Im Unterschied zu 2 werden die Partikel nicht mechanisch über Abstreifer 14 sondern durch Vibrationen von der Vakuumkammerwand gelöst. Die Vibrationen werden durch geeignet positionierte vibrationserzeugende Vorrichtungen 15, z. B. durch Ultraschallköpfe, angeregt. Die gelösten Partikel fallen von der Wandung der Kammer ab und werden durch die trichterförmige Verjüngung der Vakuumkammer 1 durch eine Öffnung 10 im Boden der Vakuumkammer 11 geleitet. Über die Öffnung 10 kann sowohl eine Evakuierungsvorrichtung 2 als auch ggf. ein Sammelbehälter 13 für die abgelösten Partikel an die Vakuumkammer 1 angeschlossen werden. Zusätzlich ist es möglich, einen Filter 12 vor der Evakuierungsvorrichtung 2 zu positionieren, um diesen vor Partikelstäuben zu schützen. In der Vakuumkammer 1 befindet sich weiter ein Substrathalter 7 mit Substrat 6. Dieser kann über eine angeschlossene Verfahreinheit 8 in x- und z-Richtung bewegt werden. Weiter ist eine hier beispielsweise entlang der Symmetrieachse 18 verlaufende Düsenapparatur 4 in der Vakuumkammer 1 angebracht. Diese beschleunigt zusätzlich zur Druckdifferenz, die zwischen einer aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 (in 3 nicht gezeichnet) und der Vakuumkammer 1 vorliegt, durch Querschnittsänderung die Partikel 5 und lenkt diese auf das Substrat 6. Beim Aufprall auf das Substrat 6 bilden die Partikel 5 einen dichten kratzfesten Film 9.
In der in der 4 dargestellten Ausführungsform besitzt die Vakuumkammer 1 ebenfalls eine nach unten hin trichterförmig verjüngte Form. Als bevorzugte Ausgestaltung ist die innere Oberfläche der Vakuumkammer zur Verringerung der Partikelhaftung besonders beschaffen, d. h. sie ist poliert, geschliffen, beschichtet, gehärtet, strukturiert und/oder elektrisch geladen. Die Ablösung der Partikel von der Vakuumkammerwand erfolgt über Sog durch Einsatz einer entsprechenden Saugvorrichtung 16. Diese kann z. B. ein mit Unterdruck betriebener Saugkopf 16.1 sein, der beispielsweise durch eine magnetische Kopplung frei durch die Kammer bewegt werden kann. Die Erzeugung des Unterdrucks erfolgt über die Evakuierungsvorrichtung 2 in Kombination mit Querschnittsänderung in einem Saugschlauch 16.2. Die von der Vakuumkammerwand abgesaugten bzw. die durch fehlende Haftung abgefallenen Partikel werden innerhalb bzw. außerhalb des Saugschlauches 16.2 durch eine Öffnung 10 im Boden der Vakuumkammer 11 aus der Kammer transportiert. Über die Öffnung 10 sind die Evakuierungsvorrichtung 2 mit vorgeschalteten Filter 12 sowie ggf. ein Sammelbehälter 13 zum Auffangen der abgelösten Partikel an die Vakuumkammer 1 angeschlossen. Komplettiert wird der Aufbau durch eine innerhalb der Vakuumkammer 1 angebrachte Düsenapparatur 4. In Folge eines auftretenden Druckabfalls zwischen einer aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 (in 4 nicht aufgeführt) und der Vakuumkammer 1 werden Partikel 5 beschleunigt. Über die Düsenapparatur 4 werden die Partikel 5 weiter beschleunigt und auf ein Substrat 6 geleitet, wo sie einen dichten kratzfesten Film 9 bilden. Das Substrat 6 befindet sich auf einen über eine geeignete Verfahreinheit 8 in x- und z-Richtung bewegten Substrathalter 7.
Kennzeichen der Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, ist analog der obigen Ausführungsformen eine nach unten hin trichterförmig verjüngte Vakuumkammerform. Als bevorzugte Ausgestaltung weist die Innenwand der Vakuumkammer 1 eine besondere Oberflächenbeschaffenheit auf. Das heißt, sie ist zur Reduzierung der Partikelhaftung poliert, geschliffen, beschichtet, gehärtet, strukturiert und/oder elektrisch geladen. Die Partikelablösung von der Vakuumkammerwand wird in diesem Fall durch einen Gasstrahl erreicht. Dieser kann z. B. über ein oder mehrere bewegte und/oder starre Düsen 17 in die Vakuumkammer 1 geleitet werden. Die abgestrahlten Partikel fallen unter Ausnutzung der Schwerkraft nach unten und werden über eine Öffnung 10 im Boden der Vakuumkammer 11 abgeführt. Die Verbindung einer Evakuierungsvorrichtung 2 mit der Vakuumkammer 1 erfolgt über die Öffnung 10. An Letztere kann auch ggf. ein Sammelbehälter 13 zum Auffangen der aus der Kammer entfernten Partikel angeschlossen werden. Die Evakuierungsvorrichtung 2 kann über einen Filter 12 vor Verunreinigung mit Partikeln geschützt werden. Weiter befinden sich in der Vakuumkammer 1 eine Düsenapparatur 4, die die Partikel 5 durch Querschnittsänderung zusätzlich zur bestehenden Druckdifferenz (Vakuumkammer 1 zu aerosolerzeugenden Vorrichtung 3, letztere in 5 nicht aufgeführt) beschleunigt und auf einen bewegten Substrathalter 7 befindliches Substrat 6 lenkt.
Auf dem Substrat 6 bilden die Partikel 5 einen dichten kratzfesten Film 9. Die Bewegung (x- und z-Richtung) des Substrates 6 wird über eine geeignete Verfahreinheit 8 erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Vakuumkammer
2: Evakuierungsvorrichtung
3: Aerosolerzeugende Vorrichtung
4: Düsenapparatur
4.1: Verbindungsleitung
4.2: Düse
5: Partikel
6: Substrat
7: Substrathalter
8: Verfahreinheit
9: Abgeschiedener Film
10: Öffnung
11: Boden Vakuumkammer
12: Filter
13: Anschlussmöglichkeit für eine Vorrichtung zur Pulveraufbereitung
14: Abstreifvorrichtung
15: vibrationserzeugende Vorrichtung
16: Saugvorrichtung
16.1: Saugkopf
16.2: Saugschlauch
17: Abstrahlvorrichtung
18: Symmetrieachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7553376 B2 [0005]
DE 102011082825 A1 [0005, 0006]

Claims

Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinigung im geschlossenen Anlagenzustand dadurch ermöglicht wird, dass die Vakuumkammer eine nach unten hin trichterförmig verjüngte Form aufweist und/oder die Innenwandoberfläche der Vakuumkammer zur Minimierung der Partikelhaftung zusätzlich geeignet beschaffen ist und/oder mit Vorrichtungen zur Partikelentfernung kombiniert werden kann.
Aufbau nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der Vakuumkammer zur Reduzierung der Partikelhaftung poliert, geschliffen, beschichtet, gehärtet, strukturiert und/oder elektrisch geladen ist.
Aufbau nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Vorrichtungen zur Partikelentfernung an und/oder innerhalb der Vakuumkammer angebracht werden können.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Vakuumkammerwänden haftenden Partikel mechanisch durch einen Abstreifvorgang entfernt werden.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Vakuumkammerwänden haftenden Partikel durch Vibrationen entfernt werden.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Vakuumkammerwänden haftenden Partikel durch einen Saugvorgang entfernt werden.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Vakuumkammerwänden haftenden Partikel durch einen Gasstrahl entfernt werden.