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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aerosoldeposition und eine Vorrichtung.
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Bei der Aerosoldeposition werden Schichten aus einem Werkstoff gefertigt, indem der Werkstoff mittels einer Düse gesprüht wird. Jedoch sind gegenwärtig bei der Aerosoldeposition einige relevante Prozessparameter schwer zu kontrollieren:
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So können sich Werk- und Fremdstoffe während der Aerosoldeposition in der Düse anlagern, sodass der Werkstoff nicht optimal gesprüht wird und die Schicht folglich beeinträchtigt wird. Aufgrund der schweren Kontrollierbarkeit von Prozessparametern ist die Aerosoldeposition zudem nur begrenzt flexibel, da der Einfluss möglicher Störgrößen so gering wie möglich zu halten ist.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Aerosoldeposition anzugeben. Insbesondere soll mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglichst zuverlässig und möglichst hochwertig in möglichst kurzer Fertigungszeit gefertigt werden können. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mittels welcher ein solches verbessertes Verfahren zur Aerosoldeposition möglich ist.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur Aerosoldeposition mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Vorrichtung mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Aerosoldeposition mittels einer zum Ausströmen von Aerosol ausgebildeten Düse und mittels eines stellbaren Parameters, welcher eine Strömungsgröße des aus der Düse ausgeströmten Aeorosols beeinflusst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Strömungsgröße erfasst und zur Stellung des Parameters abhängig von der erfassten Strömungsgröße herangezogen.
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Insbesondere das Strömungsprofil des aus der Düse ausströmenden Aerosols - unter anderem abhängig von einer Geometrie der Düse und weiteren Einflussgrößen wie etwa einer Leistung einer das Aerosol treibenden Pumpe - hat einen erheblichen Einfluss auf die Beschaffenheit eines mittels der Aerosoldeposition gefertigten Werkstücks, etwa einer mittels der Aerosoldeposition gefertigten Schicht. Eine Abweichung dieses Strömungsprofils von einer Sollstellung kann folglich in nachteiligen Eigenschaften des gefertigten Werkstücks oder in einer Verlängerung der Fertigungszeit resultieren. Mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen Erfassung der zumindest einen Strömungsgröße kann die Strömung des Aerosols aus der Düse überwacht und eine Abweichung oder zeitliche Änderung des Strömungsverhaltens der Düse festgestellt werden. Solche Änderungen des Strömungsverhaltens können folglich frühzeitig herangezogen werden, um den zumindest einen Parameter im Hinblick auf eine möglichst geringe Änderung oder Abweichung der Strömung des Aerosols aus der Düse anzupassen, sodass auch bei Störungen im Fertigungsprozess eine nachteilige Abweichung des Strömungsprofils möglichst gering gehalten oder gar ganz vermieden werden kann. Insbesondere kann auf Ablagerungen durch Fremdstoffe oder den Werkstoff selbst in der Düse geschlossen werden, sobald solche Ablagerungen dazu führen, dass sich das vorgesehene Strömungsverhalten des Aerosols aus der Düse ändert. Folglich ist eine Beeinträchtigung der Aerosoldeposition nicht erst bei einer nachträglichen Prüfung eines bereits gefertigten Werkstücks erkennbar, sondern bereits während der Durchführung des Verfahrens zur Aerosoldeposition selbst vorhersehbar und demzufolge vermeidbar. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt also einen Rückkopplungsmechanismus in der Art eines geschlossenen Regelkreises bereit. Demgemäß kann einer drohenden Verschlechterung der Fertigungsqualität oder Verlängerung der Fertigungsdauer mittels einer geeigneten Stellung des Parameters rechtzeitig, d.h. bereits bei der Aerosoldeposition selbst, begegnet werden. Somit ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Aerosoldeposition eine hohe Fertigungsqualität bei zugleich möglichst gering gehaltener Fertigungszeit erzielbar.
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Vorzugsweise umfasst bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Strömungsgröße ortsabhängige Druckinformation, insbesondere eine flächige oder räumliche Position von Druckflanken und/oder eine Gestalt von Druckflanken. Insbesondere ortsabhängige Druckinformation wie eine flächige oder räumliche Position von Druckflanken und/oder Gestalt von Druckflanken lässt eindeutige Rückschlüsse auf das Strömungsverhalten zu. Gerade Ablagerungen innerhalb der Düse oder in zur Düse führenden Leitungen führen rasch zu Änderungen der ortsabhängigen Druckinformation und insbesondere zu Änderungen der Position und/oder Gestalt von Druckflanken. Folglich sind diese Strömungsgrößen zur Realisierung des erfindungsgemäß vorgesehenen Regelkreises besonders geeignet.
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Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der mindestens eine Parameter mit einem Massenfluss und/oder mindestens einem Druck und/oder einer Druckdifferenz gebildet. Vorzugsweise ist der Massenfluss der Massenfluss eines Pulvers und/oder eines Trägergases des Aerosols, welches bei der Aerosoldeposition deponiert wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Druck oder einem Druck der Druckdifferenz um einen Druck in einer die Düse speisenden Aerosolleitung und/oder einer Vakuumkammer, in welcher die Düse zweckmäßig zur Aerosoldeposition angeordnet ist. Die genannten Größen bilden in an sich bekannter Weise typische Einflussgrößen bei der Aerosoldeposition. So wird bei bekannten Verfahren insbesondere der Massenfluss, etwa des Pulvers und/oder eines Trägergases, konstant gehalten um eine kontinuierliche und gleichmäßige Beschichtung zu erreichen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann folglich auf bekannte Einflussmöglichkeiten Rückgriff genommene werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zumindest eine Strömungsgröße mittels eines bildgebenden, insbesondere strömungsvisualisierenden, Verfahrens erfasst, vorzugsweise mit, insbesondere zeitaufgelöster, Schlierenphotographie und/oder mittels Shadowgraph-Technik (s. z.B.: G.S. Settles, „Schlieren and Shadowgraph techniques: visualising phenomena in transparent media“, Springer-Verlag, Berlin, 2001). Mittels bildgebender Verfahren ist eine gute Strömungserfassung des aus der Düse strömenden Aerosols sogar im Falle der Aerosoldeposition möglich.
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Idealerweise wird die zumindest eine Strömungsgröße zeitlich kontinuierlich oder in hinreichend kurzen, aufeinanderfolgenden Zeitintervallen von höchstens 10 Sekunden Dauer, vorzugsweise von weniger als einer Sekunde Dauer und idealerweise von höchstens 50 Millisekunden Dauer, erfasst. Somit kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Änderung der zumindest einen Strömungsgröße zeitnah reagiert werden.
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Vorzugsweise wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der mindestens eine Parameter mittels eines Regelungsverfahrens gestellt. Insbesondere bildet dabei der der zumindest eine Parameter die Stellgröße. Zweckmäßig bildet die zumindest eine Strömungsgröße die Regelgröße des Regelungsverfahrens.
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Vorteilhaft bildet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Regelungsverfahren ein Festwertregelungsverfahren. Dabei bildet die zumindest eine Strömungsgröße geeigneterweise die konstant gehaltene Größe. Auf diese Weise wird der Parameter derart gestellt, dass sich die Strömungsgröße nicht ändert. Idealerweise ist die Strömungsgröße derart gewählt, dass sich im Falle einer konstanten Strömungsgröße ein konstantes Strömungsprofil einstellt, d.h. die Konstanz der Strömungsgröße ist ein sensitiver Indikator für die Konstanz des Strömungsprofils.
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Alternativ und ebenfalls bevorzugt bildet das Regelungsverfahren ein Folgeregelungsverfahren:
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So kann in einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Aerosoldeposition mittels der Düse auf ein Substrat deponiert werden, wobei insbesondere ein Abstand zwischen der Düse und dem Substrat geändert wird. Dies mag zweckmäßig sein, um je nach Substratabstand und Partikelenergie im Aerosol auf- oder abzutragen. Um das Strömungsverhalten auf diesen neuen Abstand zu optimieren, wird in dieser Weiterbildung der Erfindung zweckmäßig der Parameter bei der Änderung des Abstandes angepasst, d.h. das Regelungsverfahren bildet ein Folgeregelungsverfahren.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bildet bei dem Verfahren ein geänderter Abstand eine Störgröße, die mit dem Parameter kompensiert wird. Alternativ und ebenfalls bevorzugt bildet der Abstand einen Parameter, welcher allein oder gemeinsam mit einem oder mehreren der vorhergehend genannten Parameter gestellt wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aerosoldeposition ist zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wie oben beschrieben ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Düse und mindestens einen Aktor zur Stellung mindestens eines Parameters der Aerosoldeposition und eine Strömungserfassungseinrichtung zur Erfassung mindestens einer Strömungsgröße auf. Zweckmäßig weist dabei die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche zur Stellung des mindestens einen Aktors abhängig von der erfassten mindestens einen Strömungsgröße eingerichtet ist.
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Geeigneterweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Parameter mit mindestens einem Massenfluss, insbesondere eines Pulvers und/oder eines Trägergases eines Aerosols zur Aerosoldeposition, und/oder mindestens einem Druck und/oder mindestens einer Druckdifferenz gebildet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Druck oder einem Druck der Druckdifferenz um einen Druck in einer die Düse speisenden Aerosolleitung und/oder einer Vakuumkammer, welche zweckmäßig Bestandteil der Vorrichtung ist und in welcher die Düse zur Aerosoldeposition angeordnet ist.
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Bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Strömungserfassungseinrichtung mit einer Abbildungsoptik, insbesondere einem optischen Strömungsvisualisierungsaufbau und/oder einem Schlierenphotographieaufbau und/oder einem Shadowgraphaufbau, d.h. einem Aufbau zur Durchführung der Shadowgraph-Technik, gebildet.
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Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Aktor mit einem Massenflussregler und/oder einem Druckbeaufschlagungsmittel, vorzugsweise an einer die Düse speisenden Aerosolleitung der Vorrichtung und/oder einer Vakuumkammer der Vorrichtung, in welcher die Düse zweckmäßigerweise angeordnet ist, gebildet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:
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Die einzige Zeichnungsfigur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anlage zur Aerosoldeposition zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einem Signalflussdiagramm.
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Die in 1 dargestellte Anlage ANL zur Aerosoldeposition ist zur Beschichtung eines Substrats SUB ausgebildet. Dazu umfasst die Anlage ANL zunächst in an sich bekannter Weise eine Pulverquelle zur Bereitstellung von Pulver des zur Beschichtung des Substrats vorgesehenen Werkstoffs sowie eine Trägergasquelle zur Bereitstellung von Trägergas, welches zur Bildung eines Aerosols mit dem Pulver vorgesehen ist (die Pulverquelle und die Trägergasquelle selbst sind in Fig. nicht explizit gezeigt).
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Die Pulverquelle und die Trägergasquelle speisen gemeinsam einen Dispergierer DISP der Anlage ANL, welcher zur Aerosolbildung eingerichtet ist. Dazu weisen sowohl die Pulverquelle als auch die Trägergasquelle jeweils einen Massenflussregler MRP, MRT auf, welche den Massenfluss des Pulvers sowie den Massenfluss des Trägergases zum Dispergierer DISP auf jeweils einen gewünschten Wert als Regelgröße regeln.
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Der Dispergierer DISP löst das Pulver im Trägergas und bildet in an sich bekannter Weise das Aerosol zur Aerosoldeposition. Das Aerosol strömt aus dem Dispergierer DISP mittels einer Aerosolleitung AEL aus, welche in eine Vakuumkammer VAK der Anlage ANL führt. Die Vakuumkammer VAK wird mittels einer Vakuumpumpe VAP auf einen jeweils geeigneten Vakuumdruck gestellt und gehalten. Innerhalb der Vakuumkammer VAK endet die Aerosolleitung AEL in einer Düse DUE, welche zur Beströmung des ebenfalls in der Vakuumkammer VAK befindlichen Substrats SUB und folglich zur Abscheidung einer Schicht auf dem Substrat SUB eingerichtet ist. Das Substrat SUB ist stromabwärts einer vorgesehenen Strömungsrichtung der Düse DUE, im dargestellten Ausführungsbeispiel einer Düsenöffnung der Düse DUE zugewandt, angeordnet. Das Substrat SUB bildet ein Flachteil mit einer sich eben und flächig erstreckenden Flachseite FLS, welche der Düse DUE zugewandt ist und sich mit ihren flächigen Erstreckungsrichtungen senkrecht zu einer zentralen Strahlrichtung der Düse DUE erstreckt.
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Der Bereich BER zwischen Düse DUE und Substrat SUB, in welchem das Aerosol aus der Düse DUE austritt und auf das Substrat SUB geströmt wird, wird mittels einer Punktlichtquelle PUN beleuchtet und mittels einer Auswerteinrichtung AUS der Anlange ANL erfasst. Die Punktlichtquelle ist in an sich bekannter Weise mit dem auskoppelnden Ende einer Glasfaser gebildet, kann in weiteren, nicht eigens gezeigten Ausführungsbeispielen aber auch anders gebildet sein. Die Auswerteinrichtung AUS umfasst eine Abbildungsoptik ABB, welche den Bereich BER auf eine Kamera KAM abbildet. Dabei ist die Abbildungsoptik ABB zur Visualisierung des Strömungsprofils des Aerosols im Bereich BER ausgebildet, d.h. die Abbildungsoptik visualisiert die Druckflanken, die sich im Bereich BER ausbilden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Abbildungsoptik einen Schlierenphotographieaufbau, welcher in an sich bekannter Weise zur Schlierenphotographie ausgebildet ist (in der Zeichnung ist die Abbildungsoptik nur schematisch gezeigt). In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann anstelle der Schlierenphotographie auch die Shadowgraph-Technik eingesetzt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird als Kamera KAM eine Videokamera genutzt, welche den Bereich BER somit zeitlich kontinuierlich erfasst. Ein von der Kamera KAM jeweils zu einem Zeitpunkt erfasstes Bild BIL visualisiert den räumlichen Verlauf der sich zu diesem Zeitpunkt zwischen Düse DUE und Substrat SUB ausbildenden Druckflanken des Aerosols.
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Das Bild BIL wird einer Prozessregelungseinrichtung PRO der Anlage ANL zugeführt. Ferner werden der Prozessregelungseinrichtung PRO die jeweils in der Aerosolleitung AEL sowie innerhalb der Vakuumkammer VAK herrschenden Drücke übermittelt. Dazu umfasst die Anlage ANL Druckmesser DRM, welche an der Aerosolleitung AEL und an der Vakuumkammer VAK angeordnet und mit der Prozessregelungseinrichtung PRO signalverbunden sind.
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Die Prozessregelungseinrichtung PRO ist sowohl mit dem Massenflussregler MRP der Pulverquelle als auch mit dem Massenflussregler MRT der Trägergasquelle zu deren Steuerung signalverbunden. Dazu ist die Prozessregelungseinrichtung PRO eingerichtet, einen aktuellen gewünschten Sollwert für den Massenfluss des Pulvers an den Massenflussregler MRP der Pulverquelle und einen aktuellen gewünschten Sollwert für den Massenfluss des Trägergases an den Massenflussregler MRT der Trägergasquelle zu übermitteln.
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Die Prozessregelungseinrichtung PRO ist dazu ausgebildet, den aktuellen Sollwert für den Massenfluss des Pulvers und den aktuellen Sollwert für den Massenfluss des Trägergases wie folgt zu ermitteln:
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Die Anlage ANL ist zu Beginn der Aerosoldeposition in an sich bekannter Weise auf optimale Parameter einjustiert, d.h. insbesondere der Druck in der Aerosolleitung AEL und der Druck in der Vakuumkammer VAK sowie der Abstand von Substrat SUB und Düse DUE sowie die Massenflüsse von Pulver und Trägergas entsprechen jeweils den für eine optimale Ausbildung der Schicht erforderlichen Vorgaben. Die Prozessregelungseinrichtung PRO überwacht diese Vorgaben, indem sie jeweils ein aktuelles Bild BIL des Bereichs BER mit den Druckflanken des Aerosols erhält. Im Falle etwa der Agglomeration von Pulverpartikeln im Dispergierer DISP oder von Anlagerungen in der Aerosolleitung AEL oder der Düse DUE führen die gewählten Vorgaben in der Regel nicht mehr zur optimalen Ausbildung der Schicht auf dem Substrat SUB. Diese Abweichungen führen zu allmählichen Veränderungen des Verlaufs der Druckflanken in den Bildern BIL. Die Prozessregelungseinrichtung PRO stellt mittels Bildauswertung diese Veränderungen des Verlaufs der Druckflanken fest und stellt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr den Massenfluss des Pulvers und den Massenfluss des Trägergases mittels der Massenflussregler MRP, MRP derart, dass dieser Veränderung des Verlaufs der Druckflanken entgegengewirkt wird. Folglich bewirkt die Prozessregelungseinrichtung PRO, dass sich das Strömungsverhalten in dem Bereich BER nicht ändert.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird anstelle der Massenflüsse des Pulvers und/oder des Trägergases der Abstand zwischen Substrat SUB und Düse DUE geändert. Dazu sind Substrat und/oder Düse beispielsweise auf einem elektrisch verfahrbaren Schrittmotor angeordnet, sodass der Abstand mittels Verfahrens von Düse und/oder Substrat durch die Prozessregelungseinrichtung PRO derart gestellt werden kann, dass sich die Druckflanken relativ zum Substrat so wenig wie möglich ändern.
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In einem weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Abstand zwischen Düse DUE und Substrat SUB bewusst aus einem prozesstechnischen Grund auf einen Vorgabeabstand geändert. Mittels der Prozessregelungseinrichtung werden nun anhand der Bilder BIL die Massenflüsse von Pulver und Trägergas derart geändert, dass der optimale Arbeitsabstand für die Aerosoldeposition an den Vorgabeabstand angepasst wird.
