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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Bearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Substrats mittels eines Laserstrahls und mit einem mit dem Bearbeitungskopf verbundenen, eine Bearbeitungszone einschließenden Absaugkopf mit einer Absaugkammer zur Absaugung der freigesetzten Emissionen, insbesondere der Abtrags- oder Umwandlungsprodukte, durch zumindest eine Absaugöffnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Die Bearbeitung eines Substrats mittels Laserstrahlung basiert auf der Erwärmung, Schmelzebildung und Verdampfung des Substratmaterials als Folge der Absorption eines fokussierten Laserstrahls beispielsweise eines Nd:YAG-Lasers mit hoher Energie.
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Aufgrund der Art der vorwiegend thermischen Energieeinkopplung erhitzt sich das Substratmaterial sehr stark bis hin zu sichtbaren Branderscheinungen oder Flammenbildung. Bei bestimmten Material-/Laserparameterkombinationen kann zudem ein Plasma entstehen.
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Infolge der Branderscheinungen entstehen Dämpfe und Ruße entsprechend der Materialzusammensetzungen, die sich auf dem bearbeiteten Substrat ablagern. Darüber hinaus können Ablagerungen größerer Partikel festgestellt werden, die teilweise agglomerieren und sich ebenfalls in der Umgebung der Bearbeitungszone und auf der Bearbeitungsoptik niederschlagen. Diese Partikel verlassen die Bearbeitungszone teilweise mit sehr hohen Geschwindigkeiten. Aufgrund des abgetragenen Materialvolumens ist ein erheblicher Verschmutzungsgrad in der Maschine nahe der Bearbeitungszone festzustellen.
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Auf dem bearbeiteten Substrat können diese Abtragsprodukte zu unerwünschten Funktionsbeeinträchtigungen der elektrischen/elektronischen Schaltung führen. Zum einen sind diese Abtragsprodukte teilweise elektrisch leitfähig und können Kurzschlüsse verursachen, zum anderen wird die nachträgliche Benetzbarkeit von Lötpads beeinträchtigt, sodass eine einwandfreie Lötung nicht mehr gewährleistet ist.
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Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, mittels einer Absaugung den Rauch und die Partikel abzusaugen und einer Nachbehandlung zuzuführen.
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Aus der
JP 2004 - 230 458 A ist eine Vorrichtung mit einem zur Bearbeitung eines Substrats mittels eines Laserstrahls und mit einem mit dem Bearbeitungskopf verbundenen Absaugkopf mit einer Absaugkammer zur Absaugung der freigesetzten Emissionen durch eine oder mehrere Absaugöffnungen einer Maske bekannt, welche die Absaugkammer von dem zu bearbeitenden Substrat trennt. Zumindest eine Absaugöffnung bildet zugleich einen Durchlass für den Laserstrahl. Ein Film auf dem Substrat wird bestrahlt, abgetragen und sublimiert. Einzelne Moleküle rekombinieren sich in der Luft und fallen nach unten und lagern sich auf der Lochmaske ab. Mittels einer Saugvorrichtung in der Nähe der Öffnung werden Fremdkörper angesaugt. Zusätzlich kann die Öffnung durch eine Substanz geschlossen sein, die Laserlicht durchlässt und Trümmer absorbiert, wie beispielsweise Glas.
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Die
DE 10 2011 115 079 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verschweißen von zwei Bauteilen mit einer Maske, die zur Anlage an das erste Bauteil eingerichtet und vorgesehen ist, und zumindest eine Durchgangsöffnung aufweist. Innerhalb eines Schutzgasraums ist ein Lasersystem mit einer Strahlenablenkoptik angeordnet, wobei die Strahlenablenkoptik einen Laserstrahl durch die Durchgangsöffnung der Maske hindurch über einen Bereich des ersten Bauteils führt, um eine Schweißnaht auszubilden. In seinem oberen Bereich weist der Schutzgasraum eine Abluftaustrittseinrichtung auf, um ein Entweichen der von dem eingeleiteten Schutzgas verdrängten Luft zu ermöglichen.
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Die
US 2008 / 0 210 675 A1 bezieht sich auf das Entfernen und Sammeln verstreuter Teile eines Materials oder von Trümmern, die durch Laserbearbeitung bei Ablation, insbesondere eines dünnen Metallfilms auf dem mehrschichtigen Film, Thermofusion oder interaktiven Effekten erzeugt werden. Hierzu hat ein Laserbearbeitungskopf mehrere Luftlöcher und einen Maskierungsschild mit einer Öffnung, die zwischen einem Fenster und einer Apertur angeordnet ist. Die Trümmer, die um den Laserbestrahlungsbereich des Materials herum erzeugt werden, gelangen zum Fenster, wobei die Menge des Materials dadurch minimiert wird, dass in dem Maskierungsschild eine Öffnung mit angepasster Größe vorhanden ist.
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Die
US 9,061,304 B2 beschreibt ein Verfahren zum Laserschneiden, bei dem ein Luftstrom ein verunreinigtes Luftvolumen von der Oberfläche des Materials ableitet. Durch eine Düse wird ein zweiter Luftstrom erzeugt, welcher das verunreinigte Luftvolumen anhebt, welches dann durch ein Absaugelement entfernt wird.
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Die
US 100,05,155 B2 beschreibt eine mit einer Saugeinheit ausgestattete Laserschneidvorrichtung, die Verunreinigungen ansaugt und eine Düse für ein Gas aufweist, durch die der Laserstrahl hindurchtritt, wobei das Gas einer Strömung entlang des Laserstrahls in Richtung auf die Düse folgt.
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Aus der
GB 2 390 319 A ist bereits eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls bekannt, die eine mit der Bearbeitungsoptik verbundene Absaugung umfasst, wobei durch eine seitliche Luftzuführung eine im Wesentlichen horizontale Strömung hoher Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird.
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Die
DE 102 26 359 A1 zeigt eine Einhausung für eine horizontale Strömung mit Öffnungen für frei nachströmende Luft zur Regulierung eines Unterdrucks. Weiterhin zeigt die Schrift einen ringförmigen Gaskanal, der so ausgestaltet ist, dass Gas auf das Substrat gedrückt wird, um eine Bewegung von Partikeln in Richtung der Bearbeitungsoptik zu unterdrücken.
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Aus der
DE 10 2017 129 479 A1 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Arbeitsraum und einer Luftfördervorrichtung bekannt, wobei eine Werkstückauflage luftdurchlässig ist, um Abluft von der Oberseite der Werkstückauflage abzuführen. Hierzu ist der Zuluftkanal durch Einbauten in Teilquerschnitte unterteilt, aufgrund derer die Zuluft senkrecht zu einer Auflagehauptebene als laminare Zuluftströmung austritt.
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Die
DE 10 2006 005 127 A1 betrifft eine Laservorrichtung zum Perforieren gebündelter Papiere oder Dokumente aus anderen Materialien. Um derartige Perforationsbearbeitungsvorgänge durchführen zu können, werden oberseitig auf das Dokument eine Obermatrize und unterseitig eine Untermatrize als Matrizenelemente angepresst. Verunreinigungen an Randbereichen der Matrizenfenster werden durch mindestens einen darauf gerichteten Laserstrahl abgelöst. Abgetragene Verunreinigungsablagerungen werden von den Matrizenelementen abgesaugt.
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Die
DE 199 00 910 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mittels Laserstrahlung. Ein Bearbeitungskopf ist zusätzlich mit einer Absaugvorrichtung, beispielsweise einem Hochvakuum-Sauggerät, im Bereich der Strahlaustrittsöffnung ausgestattet, um abgetragene Gase, Dämpfe und Partikel direkt am Entstehungsort abzusaugen. Die Absaugvorrichtung kann als eine um die Strahlaustrittsöffnung und damit beispielsweise auch um die Auskopplungsoptik herum konzentrisch geformte Absaugdüse ausgeführt sein.
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Als problematisch erweist es sich in der Praxis, dass die seitliche Absaugung insbesondere in Verbindung mit solchen Substraten, die bereits mit Bauelementen oder Funktionsträgern bestückt sind oder eine ausgeprägte Topografie aufweisen, dazu führen kann, dass Windschatteneffekte auftreten, sodass sich Partikel und Verschmutzungen in solchen von der Strömung nicht erschlossenen Bereichen sammeln. Weiterhin wird beobachtet, dass lokale Verschmutzungen durch die seitlichen Absaugungen verteilt werden und in Verbindung mit den genannten Windschatteneffekten nicht mehr zuverlässig entfernt werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der gasförmige Emissionen, Abtragprodukte, Umwandlungsprodukte und dergleichen, die bei der Laserbearbeitung insbesondere von Leiterplattenmaterialien entstehen, zuverlässig und zumindest weitgehend rückstandsfrei abgesaugt werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung mit einem Absaugkopf gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Vorrichtung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Absaugkammer in ihrer der Maske abgewandten, einer Laseroptik zugewandten Seite eine Einlassöffnung für Umgebungsluft aufweist, um so innerhalb der Absaugkammer eine der durch die Absaugöffnungen eintretende Absaugströmung entgegengerichtete Luftströmung zu erzeugen, sodass die Absaugströmung durch die Absaugöffnungen in Richtung der Laseroptik auf die Gegenströmung trifft und somit wirkungsvoll zur Seite abgelenkt wird und dadurch einer Verschmutzung der Laseroptik wirksam vorgebeugt wird. Die Erfindung geht von der überraschend einfachen Erkenntnis aus, dass eine wirkungsvolle Absaugströmung dann erreicht wird, wenn diese im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des zu bearbeitenden Substrats eingestellt wird. Hierzu ist die Absaugkammer nicht etwa offen gegenüber der Bearbeitungszone und dem dort angeordneten Substrat ausgeführt, sondern besitzt individuell an die jeweilige Beschaffenheit des Substrats angepasste und hinsichtlich der Geometrie und den Abmessungen ausgeführte Absaugöffnungen. Diese entsprechen der Bearbeitungskontur des Lasers auf dem Substrat, schließen also die zu bearbeitenden Abschnitte der Kontur ein. Somit bilden die Absaugöffnungen unter Berücksichtigung des einzuhaltenden Abstands der Maske von der Oberfläche des Substrates von weniger als einem Millimeter bis zu mehreren Zentimetern eine projizierte Fläche auf die Substratoberfläche, die den Arbeitsbereich einschließt.
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Dabei weist die Absaugkammer in ihrer der Maske abgewandten, einer Laseroptik zugewandten Seite eine Einlassöffnung für Umgebungsluft auf, um so innerhalb der Absaugkammer eine der durch die Absaugöffnungen eintretenden Absaugströmung entgegengerichtete Luftströmung zu erzeugen. Eine andernfalls mögliche, unerwünschte Weiterführung der Absaugströmung wird durch die Absaugöffnungen in Richtung der Laseroptik vermieden, indem diese auf die Gegenströmung trifft und somit wirkungsvoll zur Seite abgelenkt wird. Hierdurch wird einer Verschmutzung der Laseroptik wirksam vorgebeugt.
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Unter den Begriff der Maske sollen erfindungsgemäß alle im Wesentlichen flächigen Elemente gefasst werden, die nach Art einer Matrize, Schablone oder dergleichen mit mehreren Durchbrechungen vorbestimmter und definierter Kontur ausgestattet sind.
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Dabei ist die Größe der Absaugöffnungen einerseits durch die erforderliche Durchlassöffnung für den Laserstrahl unter Berücksichtigung des jeweiligen Einfallswinkels, andererseits durch die Strömungseigenschaften, insbesondere also den zu erzeugenden Volumenstrom, begrenzt. Dabei kann es auch von Vorteil sein, wenn die Breite der Durchlassöffnung in Richtung der Längserstreckung der Absaugöffnungen variiert. Vorzugsweise haben die Absaugöffnungen eine entlang ihrer Haupterstreckung konstante Breite.
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Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn die Durchlassöffnungen einlassseitig an ihrer dem Substrat zugewandten Außenfläche mit einer Konturierung ausgestattet sind, welche eine unerwünschte Querströmung reduziert. Zudem kann durch eine abschnittsweise konische Formgebung der Durchlassöffnung in der Strömungsrichtung des hindurchtretenden Gases ein Düseneffekt erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn durch die Formgebung der Durchlassöffnung eine laminare Strömung erzeugt wird.
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Die Durchlassöffnungen sind für den jeweiligen Anwendungszweck angepasst, sodass diese grundsätzlich im Gebrauch der Vorrichtung während der Bearbeitung des Substrats unveränderlich sind, insbesondere also die Maske unbeweglich an der Absaugkammer angeordnet ist. Hingegen soll erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen sein, dass die Absaugöffnungen beispielsweise durch Schieber veränderlich oder verschließbar sind, um dieselbe Maske für unterschiedliche Einsatzzwecke nutzen oder aber während der Bearbeitung die Absaugöffnungen lediglich bedarfsweis öffnen zu können, um so die Strömung entsprechend auf einzelne Absaugöffnungen zu konzentrieren.
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Die Maske kann drehbar und/oder schwenkbar gelagert sein, sodass beispielsweise ein Wechsel der Maske einfach durch Drehen einer mehrere Masken aufweisenden Platte geschehen kann. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Maske an der Absaugkammer insbesondere mittels einer Schiebeführung austauschbar angeordnet ist, wobei die Schiebeführung vorzugsweise in einer Querrichtung zu der im Gebrauch auftretenden Absaugströmung, insbesondere also parallel zu der Oberfläche des Substrats verläuft. Durch Anlegen eines Unterdrucks an die Absaugkammer wird die Maske gegen die Randbereiche der Schiebeführung angelegt und dadurch zugleich eine Abdichtung erreicht, sodass unerwünschte Zuströmungen in die Absaugkammer weitgehend vermieden werden. Somit ist eine zusätzliche Fixierung der Maske in der Praxis entbehrlich und der Austausch der Maske kann sowohl mühelos manuell also auch automatisiert durchgeführt werden.
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Die Maske könnte gegenüber dem Substrat eine konvexe Kontur aufweisen, um so im Randbereich einen möglichst geringen Abstand zu dem Substrat auch dann zu ermöglichen, wenn die Maske aufgrund von Bauelementen auf dem als Leiterplatte ausgeführten Substrat die Einhaltung eines ausreichenden Abstands im zentralen Bereich erforderlich macht. Weiterhin kann die Maske der Kontur des Substrats angepasst sein. In der Praxis hat sich jedoch eine Variante der Erfindung als besonders Erfolg versprechend erwiesen, bei der die Maske zumindest abschnittsweise eben ausgeführt oder der Kontur des Substrats angepasst ist, um so die Absaugwirkung durch einen konstanten Volumenstrom in unterschiedlichen Bereichen des Substrats sicherzustellen.
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Hierzu erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Maske parallel beabstandet zu dem Substrat positionierbar ist, wobei die Absaugkammer vorzugsweise unbeweglich zu dem Bearbeitungskopf mit diesem verbunden ist, sodass die Positionierung durch eine Bewegung des Bearbeitungskopfs erfolgt.
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Eine andere ebenfalls besonders zweckmäßige Ausgestaltungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Absaugkammer eine ringförmig geschlossene Kontur aufweist, um so auf einer dem Substrat abgewandten Innenseite der Maske eine Verteilung des abgesaugten Gasstroms durch eine Querströmung in unterschiedliche Richtungen zu ermöglichen. Hierdurch wird zugleich der Strömungsverlauf zwischen dem Substrat und der Maske begünstigt, sodass die Absaugströmung idealerweise laminar verläuft, indem eine einseitige Umlenkung der Strömung innerhalb der Absaugkammer vermieden wird.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung wird zudem auch dadurch erreicht, dass die Absaugöffnungen eine Breite zwischen 1 mm und 25 mm aufweisen, sodass insbesondere eine anderenfalls mögliche, turbulente Verwirbelung innerhalb der Absaugöffnung vermieden wird.
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Die Maske könnte aus einem beliebigen Material, beispielsweise einem Metall bestehen, und beispielsweise durch ein Ätzverfahren oder Fräsverfahren hergestellt werden. Weiterhin können die Absaugöffnungen in der Maske mittels Laserstrahl ausgeschnitten werden, wobei dieselbe Vorrichtung zur Bearbeitung des Substrats und zur Herstellung der Maske verwendet werden kann. Besonders zweckmäßig ist hingegen eine Ausgestaltungsform der Erfindung, bei der die Maske zumindest abschnittsweise aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material besteht. Dadurch führen die gegebenenfalls erforderlichen Stege zwischen den Absaugöffnungen, insbesondere bei ringförmig konturierten Absaugöffnungen, nicht zu einer Unterbrechung der Laserbearbeitung. Insbesondere kann also die Laserbearbeitung durch die Maske hindurch auch außerhalb der Absaugöffnungen fortgesetzt werden, sodass sich eine unterbrechungsfreie Bearbeitung realisieren lässt.
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Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
- 1 eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Absaugkopf;
- 2 eine entlang der Linie II-II geschnittene Darstellung des in 1 gezeigten Absaugkopfs;
- 3 eine Draufsicht auf ein mit der Vorrichtung zu bearbeitendes Substrat;
- 4 eine an die Bearbeitungskontur des Substrats angepasste Maske für den in den 1 und 2 gezeigten Absaugkopf.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 wird nachstehend anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Die Vorrichtung 1 ist mit einem lediglich andeutungsweise dargestellten Bearbeitungskopf 2 zur Bearbeitung eines in 3 gezeigten Substrats 3 einer bereits bestückten Leiterplatte ausgestattet. Mehrere solcher baugleichen Leiterplatten sind durch einen sogenannten Nutzen 5 verbunden und durchlaufen so einen gemeinsamen Herstellungsprozess. Zur abschließenden Vereinzelung sind in dem gezeigten Beispiel jeweils drei Stege 6 zu durchtrennen, wobei je nach Kontur und Größe der Leiterplatte selbstverständlich auch mehr als drei Stege 6 erforderlich werden können. Beim Trennen dieser Stege 6 entstehen aufgrund der thermischen Energieeinwirkung eines zum Trennen eingesetzten Laserstrahls 4 gasförmige und feste Abtrags- und Umwandlungsprodukte, die von der Oberfläche des Substrats 3 entfernt werden müssen. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die zu diesem Zweck aus dem Stand der Technik bekannten Absauganlagen, die eine Querströmung parallel zu der Oberfläche des Substrats 3 erzeugen, bei bestückten Leiterplatten nicht zu befriedigenden Ergebnissen führen, weil die Topografie der Leiterplatten zu turbulenten Absaugströmungen oder auch zu weitgehend strömungsfreien Bereichen innerhalb der Substratoberfläche durch Strömungsabschattungen führt. Hierzu ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einem Absaugkopf 7 mit einer Absaugkammer 8 zur Absaugung der freigesetzten Emissionen ausgestattet. Die Absaugkammer 8 hat hierzu eine in einer Schiebeführung 9 austauschbar angeordnete ebene Maske 10 mit mehreren Absaugöffnungen 11, die dem Verlauf der Bearbeitungskontur des Laserstrahls 4 auf dem Substrat 3 angepasst sind. Die Absaugöffnungen 11 innerhalb einer Bearbeitungszone 16 schließen in der in 2 dargestellten Draufsicht den Bereich der zu trennenden Stege 6 des darunter parallel angeordneten Substrats 3 ein, sodass die Absaugströmung 12 auf diesen Bereich begrenzt ist, und bilden zugleich einen Durchlass für den Laserstrahl 4. Zugleich wird dadurch erreicht, dass die Absaugströmung 12 nahezu ausschließlich orthogonal zu der Haupterstreckungsebene des Substrats 3 verläuft, wie dies in 1 durch Strömungspfeile verdeutlicht ist. Ergänzend hat die Absaugkammer 8 in ihrem der Maske 10 abgewandten, einer Laseroptik 13 des Bearbeitungskopfs 2 zugewandten Seite eine Einlassöffnung 14 zur Erzeugung einer der durch die Absaugöffnungen 11 eintretenden Absaugströmung 12 entgegengerichteten Luftströmung als Gegenströmung 15. Diese Gegenströmung 15 dient der Ablenkung der in die Absaugkammer 8 eintretenden Absaugströmung 12 und verhindert so eine Verschmutzung der Laseroptik 13 des Bearbeitungskopfs 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Bearbeitungskopf
- 3
- Substrat
- 4
- Laserstrahl
- 5
- Nutzen
- 6
- Steg
- 7
- Absaugkopf
- 8
- Absaugkammer
- 9
- Schiebeführung
- 10
- Maske
- 11
- Absaugöffnung
- 12
- Absaugströmung
- 13
- Laseroptik
- 14
- Einlassöffnung
- 15
- Gegenströmung
- 16
- Bearbeitungszone
