DE102019201781A1

DE102019201781A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Partikeln

Info

Publication number: DE102019201781A1
Application number: DE102019201781.9A
Authority: DE
Inventors: Marcus Lau
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2020-08-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Partikeln mit den Schritten,a) Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahls (14), in dem die Partikel mitgeführt werden,b) Bestrahlen des Flüssigkeitsstrahls (14) mit wenigstens zwei, insbesondere gepulsten, Laserstrahlen (20a, 20b) aus jeweils unterschiedlichen Richtungen.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (10) zum Bearbeiten von Partikeln aufweisend eine Einrichtung (12) zum Erzeugen eines mit Partikeln beladenen Flüssigkeitsstrahls (14) und eine Laseranordnung (16) zum Erzeugen von wenigstens zwei, insbesondere gepulsten, Laserstrahlen (20a, 20b), wobei die Laseranordnung (16) dazu eingerichtet ist, die wenigstens zwei Laserstrahlen (20a, 20b) aus jeweils unterschiedlichen Richtungen auf den Flüssigkeitsstrahl (14) zu richten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Partikeln, insbesondere Mikro- und Nanopartikeln, die in einem Flüssigkeitsstrahl mitgeführt werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Partikeln aufweisend eine Einrichtung zum Erzeugen eines mit Partikeln beladenen Flüssigkeitsstrahls.
Partikel mit Größen im Mikro- oder Nanometerbereich, z.B. sog. Nanopartikel, werden in verschiedensten Bereichen der Technik eingesetzt, etwa für Beschichtungen, als Additive beispielsweise in Schmierstoffen, in Arzneimitteln oder als Katalysatoren. Eine Herausforderung dabei ist die Herstellung von Partikeln geeigneter Größe, Form und/oder Beschaffenheit, z.B. einer Oberfläche oder einer Kristallstruktur.
Zum Zerkleinern von Partikeln mit Größen im Mikro- oder Nanometerbereich werden traditionell Kolloidmühlen (u.A. Rührwerkskugelmühlen) eingesetzt. Solche mechanischen Mühlen unterliegen insbesondere bei Partikeln aus harten Materialien einem hohen Verschleiß, insbesondere wenn kleinste Partikelgrößen erreicht werden sollen.
Beispielsweise aus den Druckschriften EP 3 056 300 A1 , EP 2 626 195 B1 , EP 2 391 455 B1 , WO 97/09454 A1 ist es bekannt, Nanopartikel zu erzeugen, indem ein Substrat mit einem Laser bestrahlt wird, so dass sich die Nanopartikel aus dem Substrat lösen. Das Substrat kann dabei in einem Flüssigkeitsbad angeordnet sein bzw. von einer Flüssigkeit umspült werden.
WO 2013/006430 A2 beschreibt eine Variante eines solchen Verfahrens, wobei zur Verbesserung von Gleichförmigkeit und Stabilität der erzeugten Nanopartikel ein zweiter Laser zur Erzeugung elektromagnetischer Felder eingesetzt wird. Vor dem Eintritt in eine Reaktorkammer mit dem Substrat passiert die Laserstrahlung aus dem zweiten Laser eine holographische Beugungsgitter-Optik, so dass fünf diskrete Strahlen mit unterschiedlichen räumlichen Ordnungen und unterschiedlichen Energien erhalten werden, die als diskrete elektromagnetische Felder dienen.
Aus EP 2 735 390 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Nanopartikeln aus Gold oder einem Metall der Platingruppe bekannt geworden. Dabei werden durch Bestrahlen eines Substrats mit einem ersten Laser erste Partikel in einem wässrigen Medium erzeugt. Ein Strahl des wässrigen Mediums mit den ersten Partikeln wird sodann von einem zweiten Laser bestrahlt, so dass Nanopartikel erhalten werden. Nachteilig daran ist, dass aufgrund der Beugung des zweiten Laserstrahls an dem Medium nicht alle in dem Strahl des Mediums mitgeführten ersten Partikel von dem zweiten Laserstrahl erfasst werden. Es kann daher erforderlich sein, die erhaltenen Nanopartikel wiederholt in einem Strahl von Medium mit dem zweiten Laser zu bestrahlen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum effizienten Bearbeiten von Partikeln in einem Flüssigkeitsstrahl anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 13. Die jeweiligen Unteransprüche und die Beschreibung geben vorteilhafte Varianten und Ausführungsformen an.
Erfindungsgemäße Verfahren
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Bearbeiten von Partikeln vorgesehen. Die Partikel können eine Größe, insbesondere einen Durchmesser oder eine größte Erstreckung, im Mikro- oder Nanometerbereich aufweisen; es kann sich mithin um sog. Mikro- oder Nanopartikel handeln. Die Größe der Partikel beträgt typischerweise weniger als einen Millimeter, insbesondere weniger als 0,1 mm und meist mehr als einen Nanometer. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit einer unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt.
Das Verfahren umfasst die Schritte

a) Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahls, in dem die Partikel mitgeführt werden,
b) Bestrahlen des Flüssigkeitsstrahls mit wenigstens zwei, insbesondere gepulsten, Laserstrahlen aus jeweils unterschiedlichen Richtungen.

Im Schritt a) wird ein Strahl einer Flüssigkeit erzeugt, in der die Partikel suspendiert sind. Die Partikel werden in dem Flüssigkeitsstrahl mitgeführt. Die Flüssigkeit kann eine wässrige Flüssigkeit sein. Die Partikel können anorganisches Material aufweisen oder aus anorganischem Material bestehen. Insbesondere können die Partikel Metalle, beispielsweise Gold oder Platin, Metalloxide, Metallnitride, Derivate und/oder Sub-Oxide, oder metallische Legierungen aufweisen oder hieraus bestehen. Die Partikel können auch Keramik aufweisen oder aus Keramik bestehen. Alternativ oder zusätzlich können die Partikel organisches Material aufweisen oder aus organischem Material bestehen. Da die Partikel in dem Flüssigkeitsstrahl mitgeführt werden, werden alle Partikel an einem Auftreffbereich der Laserstrahlen vorbeigeführt, so dass sie im Schritt b) mit den Laserstrahlen bearbeitet werden können.
Im Schritt b) erfolgt die Bearbeitung der Partikel durch Einwirkung von Laserstrahlung auf die Partikel in dem Flüssigkeitsstrahl. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Flüssigkeitsstrahl mit wenigstens zwei Laserstrahlen aus jeweils unterschiedlichen Richtungen bestrahlt wird. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Bearbeitung der Partikel erreicht. Durch die mehreren Laserstrahlen aus unterschiedlichen Richtungen können alle (Querschnitts-) Bereiche bzw. Teilvolumina des Flüssigkeitsstrahls von Laserstrahlung erfasst werden. Vorzugsweise verbleiben in einem Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls keine Abschnitte, die nicht von Laserstrahlung erfasst werden. Dies ermöglicht bei einem Durchlauf typischerweise die Bearbeitung aller mitgeführten Partikel mit den Laserstrahlen.
Bei der Bearbeitung der Partikel mittels der Laserstrahlen treten - anders als bei einer mechanischen Bearbeitung - keine Verunreinigungen der Suspension, etwa durch Abrieb einer Mühle, auf. Das Verfahren, insbesondere die Bearbeitung gemäß Schritt b), läuft zudem verschleißfrei ab.
Die Laserstrahlen sind vorzugsweise gepulste Laserstrahlen. Dies kann die Wirksamkeit der Bearbeitung steigern. Eine Pulswiederholrate der Laserpulse ist typischerweise so auf die Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls abgestimmt, dass alle Teilvolumina des Flüssigkeitsstrahls von wenigstens einem Laserpuls aller Laserstrahlen getroffen werden.
Die Laserstrahlen können jeweils schräg oder, vorzugsweise, rechtwinklig zur Strömungsrichtung auf den Flüssigkeitsstrahl treffen. Beim rechtwinkligen Auftreffen können Beugungs- und/oder Reflexionseffekte reduziert oder vermieden werden.
Typischerweise sind alle Laserstrahlen gleichartig ausgebildet. Insbesondere haben alle Laserstrahlen vorzugsweise dieselbe Wellenlänge. Bei gepulsten Laserstrahlen sind typischerweise dieselben Pulsdauern und Pulswiederholraten eingerichtet. Die Lichtpulse der Laserstrahlen treffen vorzugsweise synchron miteinander auf den Flüssigkeitsstrahl. Die Pulsenergie der einzelnen Laserstrahlen kann identisch sein. Alternativ kann wenigstens einer der Laserstrahlen eine abweichende Pulsenergie aufweisen. Insbesondere können die Laserstrahlen jeweils eine unterschiedliche Pulsenergie aufweisen. Die unterschiedlichen Pulsenergien können prozessspezifisch jeweils einzeln an das Verfahren angepasst sein, insbesondere an einen in Schritt b) beabsichtigten Effekt, beispielsweise ein Zerkleinern, Umschmelzen oder Fusionieren. Die Verwendung unterschiedlicher Pulsenergien je Laserstrahl kann beispielsweise bei zeitlichem und/oder räumlichem Versatz des Auftreffens der Laserstrahlen vorteilhaft sein.
Vorzugsweise wird der Flüssigkeitsstrahl im Schritt b) mit wenigstens drei, insbesondere gepulsten, Laserstrahlen aus jeweils unterschiedlichen Richtungen bestrahlt. Dadurch können die Partikel besonders zuverlässig der Laserstrahlung ausgesetzt werden. Es kann derart eine besonders gleichmäßige Intensität der Laserstrahlung innerhalb des Flüssigkeitsstrahls erhalten werden.
Die Laserstrahlen können drehsymmetrisch bezüglich des Flüssigkeitsstrahls verlaufen. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Erfassung des gesamten Querschnitts des Flüssigkeitsstrahls erreicht. Bei drei Laserstrahlen kann beispielsweise zwischen je zwei der Laserstrahlen ein Winkel von 120° (bei schräg zum Flüssigkeitsstrahl verlaufenden Laserstrahlen oder bei in Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstrahls versetzt zueinander verlaufenden Laserstrahlen gemessen in einer Projektion der Laserstrahlen auf eine senkrecht zum Flüssigkeitsstrahl verlaufende Ebene) eingeschlossen sein.
Die Laserstrahlen können in Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstrahls versetzt zueinander auf den Flüssigkeitsstrahl treffen. Vorzugsweise ist aber vorgesehen, dass die Laserstrahlen in Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstrahls auf gleicher Höhe auf den Flüssigkeitsstrahl treffen. Die Laserstrahlen treffen mit anderen Worten allesamt an derselben Stelle, d.h. in einem gemeinsamen Auftreffbereich, auf den Flüssigkeitsstrahl. Dies erhöht die auf die von den Laserstrahlen erfassten Partikel wirkende Energie. Bei gepulsten Laserstrahlen treffen die einzelnen Pulse der mehreren Laserstrahlen vorzugsweise zeitgleich oder zumindest im Wesentlichen zeitgleich auf den Flüssigkeitsstrahl auf. Ein im Wesentlichen zeitgleiches Auftreffen liegt vor, wenn ein zeitlicher Versatz des Auftreffens der Pulse der mehreren Laserstrahlen so gering ist, dass die Partikel in diesem Zeitintervall keine signifikanten Wegstrecken in Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstrahls zurücklegen. Als nicht signifikante Wegstrecken können Wegstrecken angesehen werden, die kleiner sind, insbesondere um eine oder mehrere Größenordnungen kleiner sind, als eine Länge (gemessen in Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstrahls) der Laser-Flüssigkeits-Interaktionszone.
Vorzugsweise verlaufen die Laserstrahlen in einer gemeinsamen Ebene, die insbesondere senkrecht zu dem Flüssigkeitsstrahl ausgerichtet ist. Dadurch kann die Wirksamkeit der Bearbeitung weiter gesteigert werden. Insbesondere können Beugungseffekte beim Auftreffen der Laserstrahlen auf den Flüssigkeitsstrahl vermieden oder zumindest reduziert werden.
Bei einer vorteilhaften Verfahrensvariante werden die Partikel im Schritt b) zerkleinert (fragmentiert). Durch geeignete Verfahrenssteuerung können sehr kleine Partikel erhalten werden. Die Zerkleinerung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann wiederholt durchgeführt werden, um noch kleinere Partikel zu erhalten. Beim Zerkleinern können Partikel mit besonders vielen (Oberflächen-) Defekten erhalten werden. Es kann eine chemische Umwandlung der Partikel erfolgen. Für eine wirksame Zerkleinerung kann eine Pulsdauer der Laserstrahlen im Pikosekundenbereich liegen, d.h. mindestens eine Pikosekunde und weniger als eine Nanosekunde betragen (ultra kurz gepulste Laserstrahlung). Für eine besonders effektive Zerkleinerung kann vorgesehen sein, dass eine Wellenlänge der Laserstrahlen wenigstens 500 nm, bevorzugt wenigstens 520 nm, besonders bevorzugt wenigstens 530 nm beträgt, und/oder dass die Wellenlänge der Laserstrahlen höchstens 560 nm, bevorzugt höchstens 540 nm, besonders bevorzugt höchstens 535 nm, beträgt. Ganz besonders bevorzugt beträgt die Wellenlänge der Laserstrahlen 532 nm.
Bei einer hierzu alternativen, jedoch ebenfalls vorteilhaften Verfahrensvariante werden die Partikel im Schritt b) umgeschmolzen und/oder fusioniert. Beim Umschmelzen der Partikel wird zumindest ein Teilbereich der Oberfläche der Partikel aufgeschmolzen und es wird nach dem Erstarren der Partikel eine andere Form der Partikel und/oder eine andere Oberflächenstruktur erhalten. Die Partikel können mit anderen Worten umgeformt werden, insbesondere um besonders runde (kugelförmige) Partikel zu erhalten. Weiterhin können gezielt Defekte, insbesondere in der Oberfläche der Partikel, erzeugt werden. Beim Fusionieren werden einige der Partikel miteinander verbunden. Auf diese Weise können Partikel mit besonderen Eigenschaften erhalten werden. Es können auch Partikel aus hybriden Materialien hergestellt werden. Es kann eine chemische Umwandlung der Partikel erfolgen. Für ein wirksames Umschmelzen und/oder Fusionieren kann eine Pulsdauer der Laserstrahlen im Nanosekundenbereich liegen, d.h. mindestens eine Nanosekunde und weniger als eine Mikrosekunde betragen (kurz gepulste Laserstrahlung). Es hat sich gezeigt, dass gute Ergebnisse erreicht werden, wenn vorgesehen ist, dass eine Wellenlänge der Laserstrahlen höchstens 380 nm, bevorzugt höchstens 360 nm, besonders bevorzugt höchstens 350 nm, beträgt, und/oder dass die Wellenlänge der Laserstrahlen wenigstens 310 nm, bevorzugt wenigstens 330 nm, besonders bevorzugt wenigstens 340 nm beträgt. Ganz besonders bevorzugt beträgt die Wellenlänge der Laserstrahlen 343 nm.
Der Flüssigkeitsstrahl kann in einer Führungsstruktur, etwa einem Kanal, Rohr oder Schlauch, die für die Laserstrahlen zumindest abschnittsweise transparent ist, geführt werden. Es hat sich jedoch bewährt, dass der Flüssigkeitsstrahl unter Schwerkrafteinfluss frei nach unten fällt. Unter einem frei fallenden Flüssigkeitsstrahl wird ein nicht geführter Flüssigkeitsstrahl verstanden. Der Flüssigkeitsstrahl kann drucklos oder unter Druck aus einer Strahlerzeugungseinrichtung, etwa einer Düse, austreten.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen
In den Rahmen der Erfindung fällt ferner eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Partikeln. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung zum Erzeugen eines mit Partikeln beladenen Flüssigkeitsstrahls auf. Weiterhin weist die Vorrichtung erfindungsgemäß eine Laseranordnung zum Erzeugen von wenigstens zwei, insbesondere gepulsten, Laserstrahlen auf. Die Laseranordnung ist dazu eingerichtet, die wenigstens zwei Laserstrahlen aus jeweils unterschiedlichen Richtungen auf den Flüssigkeitsstrahl zu richten. Die Vorrichtung ist mithin zum Durchführen eines oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet und eingerichtet. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden.
Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung weiterhin eine für die Laserstrahlung der Laserstrahlen undurchlässige Einhausung auf, welche einen Auftreffbereich der Laserstrahlen auf den Flüssigkeitsstrahl umgibt. Die Einhausung bietet Personen, insbesondere Bedienpersonal, Schutz vor der Laserstrahlung. Die Einhausung ist insbesondere so gestaltet, dass die Vorrichtung in Klasse 1 gemäß DIN EN 60825-1 fällt. Zusätzliche Vorkehrungen zum Schutz vor der Laserstrahlung sind dann nicht erforderlich. Die Einhausung kann auch als eine Umhausung oder ein Gehäuse bezeichnet werden. Innerhalb der Einhausung treffen die Laserstrahlen auf den Flüssigkeitsstrahl. Grundsätzlich ist eine gesamte freie Weglänge der Laserstrahlen von der Einhausung umgeben. Vorzugsweise umgibt die Einhausung die weiteren Komponenten, insbesondere die Einrichtung zum Erzeugen des Flüssigkeitsstrahls und die gesamte Laseranordnung, vollständig.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Laseranordnung wenigstens zwei, vorzugsweise drei, Laser umfasst. Die Vorrichtung kann somit einen eigenen Laser zum Erzeugen eines jeden der Laserstrahlen aufweisen. Die Laserstrahlen können auf diese Weise mit einer besonders hohen Energie erzeugt werden.
Eine hierzu alternative, vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Laseranordnung genau einen Laser, eine Strahlteilereinrichtung zum Erzeugen der wenigstens zwei Laserstrahlen und wenigstens zwei Lichtleiteinrichtungen zum Leiten der wenigstens zwei Laserstrahlen aufweist. Es ist mithin nur ein einziger Laser erforderlich. Dies kann die Kosten für die Vorrichtung verringern. Die Strahlteilereinrichtung erzeugt im Betrieb aus dem einen Ausgangs-Laserstrahl des genau einen Lasers die wenigstens zwei Laserstrahlen. Die Lichtleiteinrichtungen können Lichtleitfasern, beispielsweise Glasfaserkabel, und/oder Spiegel- und/oder Linsenoptiken umfassen.
Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung weiterhin wenigstens eine Leistungsmesseinrichtung zum Messen einer Rest-Leistung wenigstens eines der Laserstrahlen jenseits des Flüssigkeitsstrahls auf. Aus der Rest-Leistung lässt sich (bei bekannter Ausgangsleistung) der Absorptionsgrad beim Auftreffen des Laserstrahls bzw. der Laserstrahlen auf den Flüssigkeitsstrahl bestimmen. Der Absorptionsgrad kann zur Steuerung der Vorrichtung für eine wirksame Bearbeitung der Partikel herangezogen werden, etwa für eine Leistungsregelung der Laseranordnung.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale können je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Querschnitt durch einen Flüssigkeitsstrahl bei Bearbeitung mit einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik;
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Lasern und einer Einhausung in einer schematischen Seitenansicht;
3 eine Laseranordnung mit drei Lasern und drei Leistungsmesseinrichtungen bei der Bearbeitung von Partikeln in einem Flüssigkeitsstrahl, in einer schematischen Aufsicht;
4 eine schematische Darstellung des Auftreffens der Laserstrahlen auf den Flüssigkeitsstrahl bei Bearbeitung der Partikel mit der Laseranordnung von 3;
5 eine Laseranordnung mit einem Laser, einer Strahlteilereinrichtung und drei Lichtleiteinrichtungen bei der Bearbeitung von Partikeln in einem Flüssigkeitsstrahl, in einer schematischen Aufsicht;
6 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bearbeiten von Partikeln.

1 zeigt einen Querschnitt durch einen Flüssigkeitsstrahl 1 mit Partikeln (nicht dargestellt) bei der Bearbeitung mit einem einzigen Laserstrahl 2 nach dem Stand der Technik gemäß EP 2 735 390 A1 . Der Laserstrahl 2 erfasst zwar den Flüssigkeitsstrahl 1 in seiner gesamten Breite. Allerdings wird die Laserstrahlung gebeugt, wenn sie auf die Grenzfläche 3 zwischen Flüssigkeitsstrahl 1 und Umgebung 4 (Luft) trifft. Dadurch entstehen innerhalb des Querschnitts des Flüssigkeitsstrahls 1 neben einem bestrahlten Abschnitt 5 auch Abschnitte 6, die nicht von dem Laserstrahl 2 erreicht werden. In diesen nicht erfassten Abschnitten 6 befindliche Partikel werden mithin nicht von der Laserstrahlung getroffen und können nicht bearbeitet werden.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Bearbeiten von Partikeln. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Einrichtung 12 zum Erzeugen eines mit Partikeln beladenen Flüssigkeitsstrahls 14. Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Laseranordnung 16 mit zwei Lasern 18a, 18b. Die Laser 18a, 18b senden gepulste Laserstrahlen 20a, 20b aus. Die Laserstrahlen 20a, 20b sind aus entgegengesetzten Richtungen auf den Flüssigkeitsstrahl 14 gerichtet. Die Laseranordnung 16 und die Einrichtung 12 sind insgesamt innerhalb einer Einhausung 22 angeordnet. Die Einhausung 22 ist für die Laserstrahlung der Laserstrahlen 20a, 20b undurchlässig.
Die Einrichtung 12 umfasst ein Vorratsgefäß 24, in dem eine Flüssigkeit 26, hier eine wässrige Flüssigkeit 26, mit darin suspendierten Partikeln (nicht dargestellt) vorgehalten ist. An dem Vorratsgefäß 24 ist eine Strahlerzeugungseinrichtung mit einer Düse 28 angeordnet. Die Düse 28 lässt die Flüssigkeit 26 mit den Partikeln aus dem Vorratsgefäß 24 austreten, so dass der Flüssigkeitsstrahl 14 entsteht. Die Düse 28 arbeitet hier drucklos. In einer nicht dargestellten Alternative könnte die Düse 28 mit einer Pumpe der Strahlerzeugungseinrichtung verbunden sein, die die Flüssigkeit 26 unter Druck aus der Düse 28 austreten ließe. Nach dem Austritt aus der Düse 28 fällt der Flüssigkeitsstrahl 14 frei (ungeführt) unter Schwerkrafteinfluss nach unten.
Nach Bearbeitung der in dem Flüssigkeitsstrahl 14 mitgeführten Partikel durch die Laserstrahlen 20a, 20b gelangt der Flüssigkeitsstrahl 14 mit den bearbeiteten Partikeln in ein Auffanggefäß 30. In dem Auffanggefäß 30 sammelt sich eine Flüssigkeit 32 mit darin suspendierten bearbeiteten Partikeln. Das Vorratsgefäß 24 und das Auffanggefäß 30 können vertikal zwischen 10 cm und 1 m voneinander beabstandet sein.
Die beiden Laser 18a, 18b der Laseranordnung 16 sind hier auf gleicher Höhe bezüglich einer Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstrahls 14 angeordnet. Die Laserstrahlen 20a, 20b treffen in einem gemeinsamen Auftreffbereich 34 auf den Flüssigkeitsstrahl 14. Der Auftreffbereich 34 und ein Pfad der Laserstrahlen 20a, 20b zwischen den Lasern 18a, 18b und dem Auftreffbereich 34 liegen innerhalb der Einhausung 22.
3 zeigt eine Laseranordnung 36 mit drei Lasern 18a, 18b, 18c bei der Bearbeitung von Partikeln 38, die in einem Flüssigkeitsstrahl 14 mitgeführt werden. Die Laseranordnung 36 könnte bei der Vorrichtung 10 gemäß 2 anstelle der dort gezeigten Laseranordnung 16 eingesetzt werden.
Die Laser 18a, 18b, 18c sind hier drehsymmetrisch bezüglich des Flüssigkeitsstrahls 14 angeordnet. Die von den Lasern 18a-18c ausgesandten Laserstrahlen 20a, 20b, 20c verlaufen drehsymmetrisch bezüglich des Flüssigkeitsstrahls 14. Die Laserstrahlen 20a-20c verlaufen hier ferner in einer gemeinsamen horizontalen Ebene 40 (der Zeichenebene) senkrecht zu dem Flüssigkeitsstrahl 14. Zwei der Laserstrahlen 20a-20c schließen jeweils einen Winkel von 120° zwischen sich ein.
Die Laserstrahlen 20a-20c werden hier jeweils durch eine Linsenoptik 42a, 42b, 42c auf den Flüssigkeitsstrahl 14 fokussiert. Jenseits des Flüssigkeitsstrahls 14 ist für jeden der Laser 18a-18c eine Leistungsmesseinrichtung 44a, 44b, 44c angeordnet. Die Leistungsmesseinrichtungen 44a-44c bestimmen die Rest-Leistungen der jeweiligen Laserstrahlen 20a-20c, nachdem diese mit dem Flüssigkeitsstrahl 14 und den Partikeln 38 interagiert, insbesondere die Partikel 38 bearbeitet, haben. Beim Einsatz der Laseranordnung 36 in einer Vorrichtung 10 gemäß 2 wären auch die Leistungsmesseinrichtungen 44a-44c innerhalb der Einhausung 22 angeordnet.
4 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Auftreffbereichs 34 der Laserstrahlen 20a-20c auf den Flüssigkeitsstrahl 14 bei der Bearbeitung der Partikel 38 mit der Laseranordnung 36 gemäß 3. Die Laserstrahlen 20a-20c sind jeweils in einer solchen Weise auf den Flüssigkeitsstrahl 14 fokussiert, dass ihr Durchmesser 46 beim Auftreffen etwas größer ist als ein Strahldurchmesser 48 des Flüssigkeitsstrahls 14. Der Strahldurchmesser 48 des Flüssigkeitsstrahls 14 kann mehr als 0,5 mm, insbesondere mehr als 1,0 mm betragen. Der Strahldurchmesser 48 des Flüssigkeitsstrahls 14 kann weniger als 2,0 mm, insbesondere weniger als 1,5 mm betragen. Hier beträgt der Strahldurchmesser 48 1,2 mm. Die Durchmesser 46 der Laserstrahlen 20a-20c können wenigstens das 1,1-fache, insbesondere wenigstens das 1,2-fache des Strahldurchmessers 48 betragen. Ferner können die Durchmesser 46 der Laserstrahlen 20a-20c weniger als das 1,4-fache, insbesondere weniger als das 1,3-fache des Strahldurchmessers 48 betragen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3, 4 werden die Partikel 38 von den Laserstrahlen 20a-20c zerkleinert. Eine Wellenlänge der Laserstrahlen 20a-20c beträgt hier 532 nm. Eine Pulswiederholrate der Laserstrahlen 20a-20c kann 100 Hz betragen. Eine Pulsdauer der Lichtemission kann hierbei 50 Pikosekunden betragen. Die Laserstrahlen 20a-20c können je eine Fluenz von wenigstens 0,8 J/cm² aufweisen. Die wässrige Flüssigkeit 26 kann ein anorganisches Oxidationsmittel enthalten. Die Partikel 38 können aus Keramik bestehen. Es können insbesondere kristalline Sub-Mikrometer-Sphären aus Keramik erzeugt werden.
5 zeigt eine Laseranordnung 50 mit genau einem Laser 18 bei der Bearbeitung von Partikeln 38, die in einem Flüssigkeitsstrahl 14 mitgeführt werden. Die Laseranordnung 50 könnte bei der Vorrichtung 10 gemäß 2 anstelle der dort gezeigten Laseranordnung 16 eingesetzt werden.
Die Laseranordnung 50 umfasst eine Strahlteilereinrichtung 52. Die Strahlteilereinrichtung 52 teilt die von dem Laser 18 ausgesandte Laserstrahlung in drei separate Laserstrahlen 20a, 20b, 20c auf. Die Laseranordnung 50 umfasst ferner drei Lichtleiteinrichtungen 54a, 54b, 54c. Die Lichtleiteinrichtungen 54a-54c leiten die Laserstrahlen 20a-20c zu dem Flüssigkeitsstrahl 14. Die Lichtleiteinrichtungen 54a-54c sind hier als Glasfaserkabel ausgebildet. Zum Fokussieren bzw. Formen der Laserstrahlen 20a-20c können nicht näher dargestellte Austrittsoptiken an den Lichtleiteinrichtungen 54a-54c vorgesehen sein.
Die Auftreffverhältnisse der Laserstrahlen 20a-20c auf den Flüssigkeitsstrahl 14 entsprechen bei der Laseranordnung 50 von 5 den in 4 dargestellten Verhältnissen der Laseranordnung 36 gemäß 3.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 werden die Partikel 38 von den Laserstrahlen 20a-20c umgeschmolzen (aufgeschmolzen) und fusioniert. Eine Wellenlänge der Laserstrahlen 20a-20c beträgt hier 343 nm. Eine Pulswiederholrate der Laserstrahlen 20a-20c kann 100 Hz oder mehr betragen. Eine Pulsdauer der Lichtemission kann hierbei 10 Nanosekunden betragen. Die Laserstrahlen 20a-20c können je eine Fluenz von wenigstens 0,5 J/cm² aufweisen. Die wässrige Flüssigkeit 26 kann ein anorganisches Oxidationsmittel enthalten. Die Partikel 38 können aus Gold oder Platin bestehen.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bearbeiten von Partikeln. Das Verfahren kann mit der oben beschriebenen Vorrichtung 10 durchgeführt werden.
In einem ersten Schritt 100 wird ein Flüssigkeitsstrahl 14 erzeugt, in dem Partikel 38 mitgeführt werden. Hierzu kann eine Einrichtung 12 gemäß 2 verwendet werden.
Sodann wird in einem Schritt 102 der Flüssigkeitsstrahl 14 mit mehreren, vorzugsweise gepulsten, Laserstrahlen 20a-20c aus unterschiedlichen Richtungen bestrahlt. Durch die Laserstrahlen 20a-20c werden die Partikel 38 in dem Flüssigkeitsstrahl 14 bearbeitet. Hierzu kann eine der oben beschriebenen Laseranordnungen 16, 36 oder 50 eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Flüssigkeitsstrahl
2: Laserstrahl
3: Grenzfläche
4: Umgebung
5: bestrahlter Abschnitt
6: nicht erfasste Abschnitte
10: Vorrichtung
12: Einrichtung zum Erzeugen eines mit Partikeln beladenen Flüssigkeitsstrahls
14: Flüssigkeitsstrahl
16: Laseranordnung
18, 18a,18b, 18c: Laser
20a, 20b, 20c: Laserstrahlen
22: Einhausung
24: Vorratsgefäß
26: Flüssigkeit mit unbearbeiteten Partikeln
28: Düse
30: Auffangefäß
32: Flüssigkeit mit bearbeiteten Partikeln
34: Auftreffbereich
36: Laseranordnung
38: Partikel
40: Ebene
42a, 42b, 42c: Linsenoptik
44a, 44b, 44c: Leistungsmesseinrichtung
20a-20c: Durchmesser 46 der Laserstrahlen
14: Strahldurchmesser 48 des Flüssigkeitsstrahls
50: Laseranordnung
52: Strahlteilereinrichtung 52
54a, 54b, 54c: Lichtleiteinrichtungen
100: Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahls 14 mit Partikeln 38
102: Bestrahlen des Flüssigkeitsstrahls 14 mit Laserstrahlen 20a-20c

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3056300 A1 [0004]
EP 2626195 B1 [0004]
EP 2391455 B1 [0004]
WO 9709454 A1 [0004]
WO 2013/006430 A2 [0005]
EP 2735390 A1 [0006, 0031]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 60825-1 [0025]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten von Partikeln (38) mit den Schritten, a) Erzeugen (100) eines Flüssigkeitsstrahls (14), in dem die Partikel (38) mitgeführt werden, b) Bestrahlen (102) des Flüssigkeitsstrahls (14) mit wenigstens zwei, insbesondere gepulsten, Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) aus jeweils unterschiedlichen Richtungen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (14) im Schritt b) mit wenigstens drei, insbesondere gepulsten, Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) aus jeweils unterschiedlichen Richtungen bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) drehsymmetrisch bezüglich des Flüssigkeitsstrahls (14) verlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) in Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstrahls (14) auf gleicher Höhe auf den Flüssigkeitsstrahl (14) treffen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) in einer gemeinsamen Ebene (40) verlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (38) im Schritt b) zerkleinert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsdauer der Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) im Pikosekundenbereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenlänge der Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) wenigstens 500 nm, bevorzugt wenigstens 520 nm, besonders bevorzugt wenigstens 530 nm beträgt, und/oder dass die Wellenlänge der Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) höchstens 560 nm, bevorzugt höchstens 540 nm, besonders bevorzugt höchstens 535 nm, beträgt, ganz besonders bevorzugt dass die Wellenlänge der Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) 532 nm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (38) im Schritt b) umgeschmolzen und/oder fusioniert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsdauer der Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) im Nanosekundenbereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenlänge der Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) höchstens 380 nm, bevorzugt höchstens 360 nm, besonders bevorzugt höchstens 350 nm, beträgt, und/oder dass die Wellenlänge der Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) wenigstens 310 nm, bevorzugt wenigstens 330 nm, besonders bevorzugt wenigstens 340 nm beträgt, ganz besonders bevorzugt dass die Wellenlänge der Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) 343 nm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (14) unter Schwerkrafteinfluss frei nach unten fällt.
Vorrichtung (10) zum Bearbeiten von Partikeln (38) aufweisend - eine Einrichtung (12) zum Erzeugen eines mit Partikeln (38) beladenen Flüssigkeitsstrahls (14), - eine Laseranordnung (16; 36; 50) zum Erzeugen von wenigstens zwei, insbesondere gepulsten, Laserstrahlen (20a, 20b, 20c), wobei die Laseranordnung (16; 36; 50) dazu eingerichtet ist, die wenigstens zwei Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) aus jeweils unterschiedlichen Richtungen auf den Flüssigkeitsstrahl (14) zu richten.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 13 weiterhin aufweisend eine für die Laserstrahlung der Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) undurchlässige Einhausung (22), welche einen Auftreffbereich (34) der Laserstrahlen (20a, 20b) auf den Flüssigkeitsstrahl (14) umgibt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laseranordnung (16; 36) wenigstens zwei, vorzugsweise drei, Laser (18a, 18b, 18c) umfasst.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laseranordnung (50) genau einen Laser (18), eine Strahlteilereinrichtung (52) zum Erzeugen der wenigstens zwei Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) und wenigstens zwei Lichtleiteinrichtungen (54a, 54b, 54c) zum Leiten der wenigstens zwei Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 16 weiterhin aufweisend wenigstens eine Leistungsmesseinrichtung (44a, 44b, 44c) zum Messen einer Rest-Leistung wenigstens eines der Laserstrahlen (20a, 20b, 20c) jenseits des Flüssigkeitsstrahls (14).