DE102020206859A1

DE102020206859A1 - Aerosol-Druckvorrichtung und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102020206859A1
Application number: DE102020206859.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Gräf; Sebastian Reitelshöfer; Jörg Franke; Jan Renger; Vahid Sandoghdar
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Zur Überwachung eines Druckprozesses, bei dem ein Druckmedium in Form eines Aerosol-Strahls (6) auf ein zu bedruckendes Substrat (10) ausgestoßen wird, wird mittels einer Lichtquelle (30) ein Lichtbündel (36) emittiert, das zumindest teilweise über den Aerosol-Strahl (6) auf einen Lichtdetektor (32) fällt. Das Lichtbündel (36) wird mittels des Lichtdetektors (32) detektiert. Mindestens eine Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (36) wird dabei als Maß für mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls (6) bestimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aerosol-Druckvorrichtung, insbesondere eine Aerosol-Druckvorrichtung für die additive Fertigung. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren zur Überwachung und gegebenenfalls Steuerung eines Aerosol-Druckprozesses.
Digitale Drucktechnologien werden mit zunehmender Häufigkeit in der Fertigung eingesetzt, beispielsweise für die Herstellung von elektronischen Schaltungen oder Prototypen und sonstigen Einzel- oder Kleinserienanfertigungen von dreidimensionalen Produkten. Neben Drucktechnologien, die auf dem Prinzip eines Tintenstrahldruckers basieren, und bei denen einzelne Tropfen eines flüssigen Druckmediums ausgestoßen werden, werden insbesondere auch aerosol-basierte Drucktechnologien eingesetzt. Auf dem Gebiet der Drucker-Hardware und der zugehörigen Anwendungsfelder wurden hier in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte erzielt. Ein bleibendes Problem aerosol-basierter Drucktechnologien ist aber die Prozessstabilität und somit die dauerhafte Sicherung einer guten Druckqualität.
Aerosol-basierte Drucktechnologien unterliegen häufig dem Problem, dass die Eigenschaften des erzeugten Druckstrahls (hier auch als Aerosol-Strahl bezeichnet) von einer Vielzahl von Eingangsparametern sowie überdies von umweltbedingten Einflüssen abhängen. Die Einstellung der Eigenschaften des Aerosol-Strahls, zum Beispiel des Massenstroms, des Durchmessers, etc. kann allerdings in aller Regel nicht direkt, sondern nur indirekt erfolgen. Das bedeutet, dass der Aerosol-Strahl oft erst nach seiner Erzeugung anhand des Druckergebnisses charakterisiert werden kann, wodurch bei der Einstellung des Aerosol-Strahls vorübergehend Beeinträchtigungen der Druckqualität oder sogar die Fertigung von Schlechtteilen in Kauf genommen werden müssen. Zudem ist die Einstellung des Aerosol-Strahls und damit auch die Aufrechterhaltung einer guten Druckqualität in der Regel komplex und entsprechend aufwendig und erfordert ein hohes Maß an Erfahrung des Nutzers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Einstellung und Aufrechterhaltung einer guten Druckqualität bei einer aerosol-basierten Drucktechnologie zu ermöglichen.
Bezüglich eines Verfahrens zur Überwachung eines Druckprozesses, bei dem ein Druckmedium in Form eines Aerosol-Strahls auf ein zu bedruckendes Substrat emittiert wird, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich eines Aerosol-Druckers wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Die Erfindung geht aus von einem Druckprozess, bei dem ein Druckmedium in Form eines Aerosol-Strahls auf ein zu bedruckendes Substrat ausgestoßen wird. Zur Überwachung eines Druckprozesses, nämlich zur Ermittlung mindestens einer Eigenschaft des Aerosol-Strahls oder einer Änderung einer solchen Eigenschaft, wird verfahrensgemäß mittels einer Lichtquelle ein Lichtbündel emittiert, das zumindest teilweise über den Aerosol-Strahl auf einen Lichtdetektor fällt und mittels des Lichtdetektors detektiert wird. Grundsätzlich kann im Rahmen der Erfindung mittels des Lichtdetektors das an dem Aerosol-Strahl reflektierte oder gestreute Licht des Lichtbündels detektiertwerden. Vorzugsweise wird aber das durch den Aerosol-Strahl transmittierte Lichtbündel detektiert.
Erfindungsgemäß wird mindestens eine Eigenschaft des auf dem Lichtdetektor auftreffenden und somit detektierten Lichtbündels als Maß für mindestens eine (zu überwachende) Eigenschaft des Aerosol-Strahls (messtechnisch) bestimmt. Als Eigenschaft des Lichtbündels wird dabei vorzugsweise mindestens eine Größe bestimmt, die für die Lichtintensität, den Strahlquerschnitt und/oder die Ablenkung des detektierten Lichtbündels charakteristisch ist.
In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung wird die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft des Aerosol-Strahls, beispielsweise die Dichte, der Massenstrom, der Durchmesser und/oder die Strahlablenkung des Aerosol-Strahls, anhand der verfahrensgemäß bestimmten Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (also beispielsweise aus der um die Extinktion des Lichts in dem Aerosol-Strahl reduzierten Lichtintensität, dem durch den Aerosol-Strahl reduzierten oder aufgeweiteten Strahlquerschnitt des Lichtbündels und/oder der durch den Aerosol-Strahl verursachten Ablenkung des Lichtbündels) explizit bestimmt.
Alternativ hierzu kann die verfahrensgemäß bestimmte Eigenschaft des detektierten Lichtbündels im Rahmen der Erfindung aber auch unmittelbar als Maß für die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft des Aerosol-Strahls herangezogen und ggf. weiterverarbeitet werden. Insbesondere wird hierbei aus einer beobachteten Änderung einer Eigenschaft des detektierten Lichtbündels auf eine entsprechende Änderung einer Eigenschaft des Aerosol-Stahls geschlossen; beispielsweise wird auf diese Weise aus einer beobachteten Verringerung der Lichtintensität des detektierten Lichtbündels auf eine Erhöhung des Massenstroms des Aerosol-Strahls geschlossen. Eine explizite Bestimmung der zu überwachenden Eigenschaft des Aerosol-Strahls erfolgt in dieser Variante der Erfindung nicht.
Die verfahrensgemäße Bestimmung der mindestens einen Eigenschaft des detektierten Lichtbündels und gegebenenfalls die oder jede hieraus bestimmte Eigenschaft des Aerosol-Strahls ermöglichen dem Nutzer bereits für sich gesehen eine vereinfachte Überwachung des Aerosol-Druckprozesses, und somit eine einfache und effektive Einstellung und Aufrechterhaltung einer guten Druckqualität, ohne dass grundsätzlich eine weitere Auswertung oder Weiterverarbeitung dieser Daten erforderlich wäre. Insbesondere ermöglicht das Verfahren eine Charakterisierung des Aerosol-Strahls während des laufenden Druckprozesses (in-situ) und in Echtzeit. Gesonderte Messkammern sind nicht erforderlich und daher in bevorzugter Ausführung der Erfindung auch nicht vorgesehen.
Um die Überwachung des Druckprozesses und somit die Einstellung und Aufrechterhaltung einer guten Druckqualität weiter zu vereinfachen, werden im Zuge des Verfahrens optional die mindestens eine verfahrensgemäß bestimmte Eigenschaft des detektierten Lichtbündels und/oder gegebenenfalls die mindestens eine hieraus bestimmte Eigenschaft des Aerosol-Strahls auf die Erfüllung eines vorgegebenen Auslösekriteriums geprüft, das einen suboptimalen oder kritischen Zustand des Druckprozesses anzeigt. Dabei wird eine Warn- oder Fehlermeldung erzeugt, wenn die Erfüllung des Auslösekriteriums festgestellt wird. Beispielsweise wird die Warn- oder Fehlermeldung erzeugt, wenn die Lichtintensität des detektierten Lichtbündels - z.B. infolge eines veränderten Massenstroms des Aerosol-Strahls - einen als Auslösekriterium vorgegebenen Schwellwert über- oder unterschreitet. Zusätzlich oder alternativ zu der Erzeugung der Warn- oder Fehlermeldung wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Druckprozess automatisch abgebrochen, wenn eine Erfüllung des Auslösekriteriums festgestellt wird. Auf diese Weise kann insbesondere eine Herstellung von Schlechtteilen im Druckprozess infolge absinkender Druckqualität gänzlich oder zumindest weitgehend vermieden werden.
Eine noch weitergehende Vereinfachung der Überwachung des Druckprozesses und somit der Einstellung und Aufrechterhaltung einer guten Druckqualität wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch erzielt, dass die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft des Aerosol-Strahls in Abhängigkeit von der mindestens einen Eigenschaft des detektierten Lichtbündels geregelt wird. Als Regelung (closed-loop control) wird hierbei eine Anpassung mindestens einer den Druckprozess (nämlich den Aerosol-Strahl und/oder die Positionierung des Aerosol-Strahls relativ zu dem zu bedruckenden Substrat) beeinflussenden Stellgröße in einem geschlossenen Regelkreislauf bezeichnet, wobei eine Regelgröße (Ist-Wert) an eine vorgegebene Führungsgröße (Soll-Wert) angeglichen wird. Als den Aerosol-Strahl beeinflussende Stellgröße werden beispielsweise für einen das Aerosol erzeugenden Zerstäuber - im Falle einer elektrischen Aerosol-Erzeugung - der Betrag oder die Frequenz einer Versorgungsspannung oder - im Falle einer pneumatischen Aerosol-Erzeugung - der Volumenstrom eines Zerstäubungsgases des Zerstäubers oder eines Abscheidungsgases eines zugeordneten Gasabscheiders herangezogen. In beiden Fällen können als weitere den Aerosol-Strahl beeinflussende Stellgrößen eine Temperatur des Zerstäubers oder des Druckkopfes oder der Volumenstrom eines Fokussierungsgases variiert werden. Als Regelgröße wird insbesondere die verfahrensgemäß ermittelte Eigenschaft des detektierten Lichtbündels herangezogen, wodurch die zu überwachende Eigenschaft des Aerosol-Strahls unmittelbar in Abhängigkeit von der Eigenschaft des detektierten Lichtbündels geregelt wird. Alternativ hierzu wird die verfahrensgemäß bestimmte Eigenschaft des Lichtbündels nur mittelbar für die Regelung herangezogen, indem aus der Eigenschaft des Lichtbündels zunächst eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls bestimmt wird, und indem diese Eigenschaft des Aerosol-Strahls dann als Regelgröße herangezogen wird. Die vorstehend beschriebene Regelung des Druckprozesses in (unmittelbarer oder mittelbarer) Abhängigkeit von der messtechnisch bestimmten Eigenschaft des Lichtbündels hat insbesondere den Vorteil, dass sie eine vollständig oder zumindest weitgehend automatisierte Einstellung und/oder Aufrechterhaltung der Druckqualität ermöglicht.
Vorzugweise wird im Rahmen des Druckprozesses der Aerosol-Strahl intermittierend erzeugt. In (zeitlichen) Applikationsintervallen wird der Aerosol-Strahl (dabei jeweils ununterbrochen) auf das zu bedruckende Substrat ausgestoßen, beispielsweise um eine zusammenhängende Fläche auf dem Substrat zu applizieren. Zwei aufeinanderfolgenden Applikationsintervallen ist dabei aber jeweils ein Ruheintervall zwischengeschaltet, in dem die Emission des Aerosol-Strahls ausgesetzt (d.h. unterbrochen oder abgeschaltet) ist. Das Ruheintervall dient dabei beispielweise dazu, den Druckkopf eines für den Druckprozess verwendeten Aerosol-Druckers relativ zu dem zu bedruckenden Substrat zu der nächsten zu druckenden Fläche zu bewegen. Um eine dauerhaft stabile Überwachung des Druckprozesses sicherzustellen, werden vorzugweise in mindestens einem Ruheintervall (vorzugsweise in jedem Ruheintervall) ein Grundwert der mindestens einen Eigenschaft des Lichtbündels, und in mindestens einem der Applikationsintervalle (vorzugsweise in jedem Applikationsintervall) ein Testwert der mindestens einen Eigenschaft des Lichtbündels bestimmt. Als Maß für die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft des Aerosol-Strahls wird dabei die Abweichung des Testwerts von dem Grundwert herangezogen. Vorteilhafterweise werden hiermit Veränderungen in den Eigenschaften des detektierten Lichtbündels, die nicht durch den Aerosol-Strahl verursacht sind (sondern beispielsweise durch variierende Umwelteinflüsse oder durch Dejustierung oder Alterung von Komponenten der Messeinrichtung), kompensiert. Aus diesem Grund wird gegebenenfalls auch für die Bestimmung oder Regelung der mindestens einen Eigenschaft des Aerosol-Strahls vorzugsweise die Abweichung des Testwerts von dem Grundwert herangezogen.
Der erfindungsgemäße (Aerosol-)Drucker weist einen Druckkopf zur Erzeugung des Aerosol-Strahls sowie eine Vorschubmechanik zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und einem zu bedruckenden Substrat auf. Zur Erzeugung dieser Relativbewegung wird vorzugsweise der Druckkopf gegenüber dem umgebenden Raum bewegt, während das zu bedruckende Substrat ortsfest angeordnet (insbesondere fixiert) ist. Alternativ wird das Substrat gegenüber dem im umgebenden Raum feststehend angeordneten Druckkopf bewegt. Wiederum alternativ werden sowohl der Druckkopf als auch das Substrat bewegt. Der Drucker weist weiterhin eine Messeinrichtung zur Überwachung des von dem Drucker durchgeführten Druckprozesses auf. Die Messeinrichtung ist dabei allgemein zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Sie umfasst hierzu eine Lichtquelle zur Emission eines Lichtbündels, einen Lichtdetektor zur Detektion des zumindest teilweise über den Aerosol-Strahl auf den Lichtdetektor fallenden Lichtbündels, und eine Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit ist dabei dazu eingerichtet, mindestens eine Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (insbesondere mindestens eine für die Lichtintensität, den Strahlquerschnitt und/oder die Ablenkung des detektierten Lichtbündels charakteristische Größe) als Maß für mindestens eine zu überwachende Eigenschaft des Aerosol-Strahls (insbesondere die Dichte, den Massenstrom, den Durchmesser und/oder die Strahlablenkung des Aerosol-Strahls) zu bestimmen. Die mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls wird optional (aber nicht notwendigerweise) durch die Auswerteeinheit explizit bestimmt.
Die Funktionalität der Messeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch implementiert. Die Auswerteeinheit umfasst also programmtechnische Mittel (Software) und/oder schaltungstechnische Mittel (nicht-programmierbare Elektronik, z.B. in Form eines ASIC), die im Betrieb der Messeinrichtung das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens korrespondieren mit entsprechenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Aerosol-Druckers. Die vorstehenden Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren sind entsprechend auf den erfindungsgemäßen Aerosol-Drucker übertragbar und umgekehrt.
So ist die Messeinrichtung vorzugsweise dazu eingerichtet, das durch den Aerosol-Strahl transmittierte Lichtbündel zu messen, auch wenn - wie vorstehend erwähnt - eine Detektion des an dem Aerosol-Strahl reflektierten oder gestreuten Lichts im Rahmen der Erfindung grundsätzlich ebenfalls möglich ist.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der mindestens einen verfahrensgemäß bestimmten Eigenschaft des detektierten Lichtbündels unmittelbar oder mittelbar mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls zu regeln. Alternativ ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, wie vorstehend beschrieben bei Erfüllung eines vorgegebenen Auslösekriteriums eine Warn- oder Fehlermeldung zu erzeugen und/oder den Druckprozess abzubrechen.
In einer zweckmäßigen Ausführung umfasst der Drucker eine Drucksteuerung zur Ansteuerung des Druckkopfes, die dazu eingerichtet ist, den Aerosol-Strahl - wie vorstehend beschrieben intermittierend in Applikationsintervallen mit jeweils einem zwischengeschalteten Ruheintervall zu erzeugen. Die Auswerteeinheit ist dabei dazu ausgebildet, in mindestens einem Ruheintervall (vorzugsweise in jedem Ruheintervall) einen Grundwert der mindestens einen Eigenschaft des Lichtbündels, und in mindestens einem der Applikationsintervalle (vorzugsweise in jedem Applikationsintervall) einen Testwert der mindestens einen Eigenschaft des Lichtbündels zu bestimmen, und die Abweichung des Testwerts von dem Grundwert als Maß für die mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls heranzuziehen. Die Abweichung des Testwerts von dem Grundwert wird hierbei insbesondere auch für die Bestimmung oder Regelung der mindestens einen Eigenschaft des Aerosol-Strahls herangezogen.
Der Druckkopf des Druckers umfasst in zweckmäßiger Ausführung eine Druckdüse zur Fokussierung des Aerosol-Strahls, an deren Mündung der Aerosol-Strahl aus dem Druckkopf austritt. Die Lichtquelle und der Lichtdetektor sind dabei in alternativen Ausführungsformen der Erfindung der Druckdüse - in Ausstoßrichtung des Aerosols gesehen - entweder nachgeschaltet oder vorgeschaltet.
Vorzugsweise ist die Messeinrichtung ortsfest bezüglich des Druckkopfes angeordnet, insbesondere an dem Druckkopf fixiert, und wird somit insbesondere - in Ausführungsformen, in denen der Druckkopf während des Druckprozesses im Raum bewegt wird - mit dem Druckkopf mitbewegt. Diese Ausführung hat insbesondere den Vorteil, dass die Messeinrichtung während des gesamten Druckprozesses ständig zur Überwachung desselben einsetzbar ist.
Alternativ hierzu können der Druckkopf und die Messeinrichtung im Rahmen der Erfindung grundsätzlich auch relativ zueinander beweglich sein. Zum Bedrucken des Substrats ist der Druckkopf dabei vorzugsweise von der Messeinrichtung entfernt angeordnet. Zur Bestimmung der mindestens einen Eigenschaft des Lichtbündels sind der Druckkopf und die Messeinrichtung (insbesondere die Lichtquelle und der Lichtdetektor derselben) dabei relativ zueinander in eine Messposition bewegbar, in der das von der Lichtquelle der Messeinrichtung emittierte Lichtbündel zumindest teilweise über (insbesondere durch) den Aerosol-Strahl auf den Lichtdetektor fällt. Auch hier können im Rahmen der Erfindung wahlweise der Druckkopf zu der Messeinrichtung, die Messeinrichtung zu dem Druckkopf oder die Messeinrichtung und der Druckkopf aufeinander zu bewegt werden.
In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung wird das Lichtbündel während der Messung (vorzugsweise in einer auf die Ausstoßrichtung des Aerosol-Strahls und die Propagationsrichtung des Lichtbündels senkrecht orientierten Bewegungsrichtung) bewegt, so dass das Lichtbündel sukzessive durch den Aerosol-Strahl geschoben wird. Dieser Vorgang kann wahlweise durch Verschiebung oder Verkippung der Lichtquelle und/oder des Lichtdetektors gegenüber dem unbewegten Druckkopf, durch Bewegung des Druckkopfes durch das unbewegte Lichtbündel, durch Bewegung des Druckkopfes und Teilen der Messeinrichtung oder durch Auslenkung des Lichtbündels durch optische Elemente wie z.B. Spiegel erfolgen. Während der Relativbewegung des Lichtbündels und des Aerosol-Strahls wird dabei eine räumliche Verteilung der Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (insbesondere die Lichtintensität) als Maß für die mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls (insbesondere den Massenstrom) über den Strahlquerschnitt des Aerosol-Strahls bestimmt. Der Strahlquerschnitt des Aerosol-Strahls wird somit quasi mittels des Lichtbündels abgetastet oder abscannt.
Die Lichtquelle ist vorzugsweise durch einen Laser, insbesondere einen DiodenLaser, gebildet, wodurch das Lichtbündel in unaufwändiger und effektiver Weise als monochromatisches Licht mit hoher Kohärenz und starker Bündelung erzeugt wird. Zur Bündelung, Formung und/oder Lenkung des Lichtbündels sind der Lichtquelle und dem Lichtdetektor optional eine oder mehrere optische Komponenten, insbesondere Linsen, zwischengeschaltet.
Eine besondere Verkörperung der Erfindung ist ferner eine Messeinrichtung der vorstehend beschriebenen Art für einen Aerosol-Drucker, die beispielsweise auch losgelöst von dem Drucker, beispielsweise als Zubehör-, Nachrüst- oder Ersatzteil hergestellt und vermarktet wird. Die Messeinrichtung umfasst, wie vorstehend beschrieben, eine Lichtquelle zur Emission eines Lichtbündels und einen Lichtdetektor zur Detektion des Lichtbündels. Die Lichtquelle und der Lichtdetektor sind dabei derart bezüglich eines Druckkopfes des Aerosol-Druckers anordenbar, dass ein von der Lichtquelle emittiertes Lichtbündel über (insbesondere durch) einen von dem Druckkopf erzeugten Aerosol-Strahl auf den Lichtdetektor fällt. Die Messeinrichtung umfasst weiterhin eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, mindestens eine zu überwachende Eigenschaft des detektierten Lichtbündels als Maß für mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls zu bestimmen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Lichtdetektor ein segmentierter Lichtdetektor mit mehreren räumlich versetzten Detektorelementen eingesetzt, der eine ortsaufgelöste Lichtdetektion ermöglicht. Beispielsweise wird als segmentierter Lichtdetektor eine Quadranten-Fotodiode eingesetzt. Der segmentierte Lichtdetektor wird insbesondere genutzt, um mehrere Eigenschaften des detektierten Lichtbündels, beispielsweise die Strahlablenkung und die Intensität des detektierten Lichtbündels, unabhängig voneinander zu bestimmen und somit eine präzisere und fehlerunanfälligere Charakterisierung des Aerosol-Strahls zu ermöglichen. So wird beispielsweise ein (durch eine Auslenkung des Lichtbündels verursachtes) laterales Differenzsignal des segmentierten Lichtdetektors - entsprechend einer Differenz aus den von verschiedenen Detektorelementen jeweils gemessenen Einzelsignalen - als Maß für eine laterale Verschiebung des Aerosol-Strahls herangezogen, während das Gesamtsignal - gegeben aus der Summe der Signale einzelnen Detektorelemente - als Maß für die Dichte oder den Massenstrom des Aerosol-Strahls herangezogen wird.
Zur Erhöhung der Detektionsempfindlichkeit der Messeinrichtung wird in einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ein zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetektor gebildetes und von dem Lichtbündel durchsetztes Raumvolumen abgedunkelt, d. h. gegen Umgebungslicht abgeschirmt. Somit werden störende Einflüsse des Umgebungslichts auf den Lichtdetektor vermieden.
Alternativ oder zusätzlich hierzu wird zur Erzielung des gleichen Effekts das Lichtbündel als monochromatisches Lichtbündel erzeugt (insbesondere durch Nutzung eines Lasers als Lichtquelle). Störende Einflüsse des Umgebungslichts werden dabei dadurch vermieden, dass dem Lichtdetektor ein für die Lichtwellenlänge des Lichtbündels transparenter schmalbandiger spektraler Filter vorgeschaltet wird.
Wiederum zusätzlich oder alternativ werden Stör-Einflüsse durch Umgebungslicht mittels eines dem Lichtdetektor nachgeschalteten Lock-in-Verstärkers eliminiert. Das Lichtbündel wird dabei durch die Lichtquelle - entsprechend der Lock-in-Technologie - mit einer Intensitätsmodulierung erzeugt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 bis 5 jeweils in schematischer Darstellung (teils ausschnitthaft) fünf verschiedene Ausführungsformen eines Aerosol-Druckers mit einem Druckkopf zur Erzeugung eines Aerosol-Strahls, mit einer Vorschubmechanik zur Bewegung des Druckkopfes gegenüber einem zu bedruckenden Substrat sowie mit einer Messeinrichtung zur Überwachung des Aerosol-Strahls (und damit des Druckprozesses), wobei die Messeinrichtung eine Lichtquelle in Form eines Lasers umfasst, mittels der ein zumindest teilweise durch den Aerosol-Strahl auf einen Lichtdetektor der Messeinrichtung fallendes Lichtbündel erzeugt wird, und
6 in einem schematischen Blockschaltbild einen Regelkreislauf zur Regelung einer Eigenschaft des Aerosol-Strahls in Abhängigkeit von einer Eigenschaft des Lichtbündels, sowie - optional - zur Steuerung der Druckgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Eigenschaft des Lichtbündels.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine erste Ausführungsform eines (Aerosol-)Druckers 2 dargestellt. Der Drucker 2 umfasst einen Druckkopf 4 zur Erzeugung eines Aerosol-Strahls 6, eine Auflage 8 zur Positionierung und Halterung eines zu bedruckenden Substrats 10, eine Vorschubmechanik 12 zur Bewegung des Druckkopfes 4 relativ zu der Auflage 8 und dem Substrat 10 sowie eine Messeinrichtung 14 zur Überwachung des Aerosol-Strahl 6 und damit eines durch den Drucker 2 vorgenommenen Druckprozesses.
Der Druckkopf 4 umfasst einen (hier beispielhaft pneumatischen) Zerstäuber 16, eine Aerosol-Kammer 18 und eine Druckdüse 20. Durch den Zerstäuber 16 wird ein zunächst flüssiges Druckmedium durch Zerstäubung in ein Aerosol A umgewandelt. Das Aerosol A wird in der Aerosol-Kammer 18 als zunächst unfokussierter Aerosol-Strahl 6 der Druckdüse 20 zugeleitet. Dort wird das Aerosol A mittels eines Fokussiergases fokussiert. Der fokussierte Aerosol-Strahl 6 tritt an einer Mündung 22 der Drückdüse 20 in einer Ausstoßrichtung 24 aus dem Druckkopf 4 aus.
In dem Beispiel gemäß 1 sind der Zerstäuber 16 und die Aerosol-Kammer 18 in dem Druckkopf 4 integriert. In alternativen Ausführungsformen der Erfindung sind der Zerstäuber 16 und/oder die Aerosol-Kammer 18 räumlich getrennt von dem Druckkopf 4 angeordnet und mit dem Druckkopf 4 über eine Aerosol-Leitung verbunden.
Das zu bedruckende Substrat 10, bei dem es sich beispielsweise um eine Leiterplatte oder ein dreidimensionales Werkstück handelt, ist bei dem in 1 dargestellten Drucker 2 auf der Auflage 8 ortsfest gegenüber dem umgebenden Raum aufgelegt und optional fixiert. Zum Bedrucken des Substrats 10 wird der Druckkopf 4 mittels der Vorschubmechanik 12 quer zur Ausstoßrichtung 24 über das Substrat 10 bewegt. Die Vorschubmechanik 12 umfasst hierzu einen (vorzugsweise durch einen oder mehrere Elektromotoren gebildeten) Antrieb 26a, der über eine in 1 lediglich angedeutete mechanische Kopplung 28a auf den Druckkopf 4 wirkt. Durch eine Drucksteuerung 29 werden der Druckkopf 4 und der Antrieb 26a durch Steuersignale S1 bzw. S2 gemeinsam angesteuert, so dass der Ausstoß des Aerosol-Strahls 6 und die Bewegung des Druckkopfes 4 zur Erzeugung eines gewünschten Druckresultats bzw. Druckbildes synchronisiert werden.
Die Messeinrichtung 14 umfasst einen (Dioden-)Laser 30 als Lichtquelle, eine Fotodiode 32 als Lichtdetektor sowie eine Auswerteeinheit 34. Der Laser 30 und die Fotodiode 32 sind in Gegenüberstellung zueinander im Bereich der Mündung 22 der Druckdüse 20 angeordnet, so dass ein von dem Laser 30 im Betrieb der Messeinrichtung 14 emittiertes Lichtbündel 36 zumindest teilweise durch den fokussierten Aerosol-Strahl 6 hindurch auf die Fotodiode 32 fällt. Beim Durchtritt durch den Aerosol-Strahl 6 verliert das Lichtbündel 36 durch Streuung und Absorption an dem Aerosol A einen Teil seiner ursprünglichen (Licht-) Intensität. Des Weiteren kann das Lichtbündel 36 - je nach den Eigenschaften des Aerosol-Strahls 6 - durch den Aerosol-Strahl 6 auch abgelenkt und/oder hinsichtlich seines Strahlquerschnitts ausgeweitet oder reduziert werden. Der Verlust an Intensität ist auch als „Extinktion“ bezeichnet. Das durch den Aerosol-Strahl 6 transmittierte Lichtbündel 36 wird mittels der Fotodiode 32 detektiert. Um Störungen durch Umgebungslicht zu vermeiden oder zumindest zu verringern, ist der Fotodiode 32 optional ein (nicht explizit dargestellter) schmalbandiger spektraler optischer Filter vorgeschaltet, der für das monochromatische Licht des Lichtbündels 36 transparent, für andere Lichtwellenlängen aber undurchlässig ist. Die Fotodiode 32 gibt ein entsprechendes Messsignal L an die Auswerteeinheit 34 aus, die aus diesem Messsignal L mindestens eine Eigenschaft des detektierten Lichtbündels 36 (beispielsweise die Intensität, die Ablenkung und oder den Strahlquerschnitt des Lichtbündels 36 am Ort der Fotodiode 32) ermittelt.
Bei dem Drucker 2 gemäß 1 sind die Drucksteuerung 29 und die Auswerteeinheit 34 in einer gemeinsamen Steuereinheit 38 integriert. Bei der Steuereinheit 38 handelt es sich dabei insbesondere um einen Computer, insbesondere um einen Personal Computer (PC) oder einen Mikrocontroller. Die Drucksteuerung 29 und die Auswerteeinheit 34 sind in diesem Fall vorzugsweise durch Softwarekomponenten gebildet, die lauffähig in der Steuereinheit 38 implementiert sind und im Betrieb des Druckers 2 ausgeführt werden. Alternativ hierzu können die Drucksteuerung 29 und/oder die Auswerteeinheit 34 oder Teile hiervon aber auch als (nicht programmierbare) elektronische Schaltkreise implementiert sein.
In einer einfachen Variante des in 1 dargestellten Druckers 2 handelt es sich bei der Fotodiode 32 um eine einfache (unsegmentierte) Fotodiode. In diesem Fall stellt das von der Fotodiode 32 ausgegebene Messsignal L nur ein Maß für die Intensität des detektierten Lichtbündels 36 dar und enthält keine Ortsauflösung. Entsprechend wird hier durch die Auswerteeinheit 34 als Eigenschaft des detektierten Lichtbündels 36 nur dessen Intensität ermittelt. In einer verfeinerten Variante der Messeinrichtung 14 ist die Fotodiode 32 durch eine Quadranten-Fotodiode gebildet, die in vier in einem quadratischen Muster angeordnete Detektorelemente segmentiert ist. In diesem Fall enthält das Messsignal L zusätzlich zu der Information über die Intensität des detektierten Lichtbündels 36 auch eine Information über den Ort, an dem das Lichtbündel 36 auf der Fotodiode 32 auftrifft. In diesem Fall ermittelt die Auswerteeinheit 34 aus dem Gesamtsignal der Fotodiode 32 (nämlich aus der Summe der Einzelsignale der vier Detektorelemente) als erste Eigenschaft des detektierten Lichtbündels 36 dessen Intensität und aus den lateralen Differenzsignalen der Fotodiode 32 (nämlich aus den jeweiligen Differenzen der Einzelsignale der vier Detektorelemente) als zweite Eigenschaft des detektierten Lichtbündels 36 dessen Strahlverschiebung, d. h. die durch den Aerosol-Strahl 6 verursachte Auslenkung des Auftreffpunktes des Lichtbündels 36 auf der Fotodiode 32.
In einer einfachen Ausführung des Druckers 2 wird die oder jede von der Auswerteeinheit 34 ermittelte Eigenschaft des detektierten Lichtbündels 36 lediglich angezeigt, beispielsweise über einen an die Steuereinheit 38 angeschlossenen und in 1 exemplarisch dargestellten Bildschirm 39. Diese Anzeige ermöglicht einem Nutzer des Druckers 2, anhand der oder jeder angezeigten Eigenschaft des Lichtbündels 36 (zum Beispiel der Lichtintensität oder der Strahlablenkung) den Druckprozess zu überwachen und auf etwaige Änderungen der oder jeder angezeigten Eigenschaft bei Bedarf zu reagieren.
In einer verfeinerten Variante des Druckers 2 bestimmt die Auswerteeinheit 34 anhand der mindestens einen ermittelten Eigenschaft des detektierten Lichtbündels 36 eine oder mehrere Eigenschaften des Aerosol-Strahls 6. So ermittelt die Auswerteeinheit 34 beispielsweise aus der Lichtintensität des detektierten Lichtbündels 36 die Dichte und/oder den Massenstrom des Aerosol-Strahls 6 und/oder gegebenenfalls aus der Strahlablenkung des Lichtbündels 36 die Lage des Aerosol-Strahls 6, wobei die Auswerteeinheit 34 beispielsweise auf hinterlegte (empirisch ermittelte) Kennwerttabellen zurückgreift. Die Auswerteeinheit 34 zeigt die oder jede ermittelte Eigenschaft des Aerosol-Strahls 6 - anstelle der ermittelten Eigenschaft(en) des detektierten Lichtbündels 36 auf dem Bildschirm 39 an.
Optional vergleicht die Auswerteeinheit 34 die mindestens eine Eigenschaft des detektierten Lichtbündels 36 oder die mindestens eine hieraus gegebenenfalls bestimmte Eigenschaft des Aerosol-Strahls 6 mit einem als Auslösekriterium hinterlegten Schwellwert oder Schwellwertbereich und gibt ein Warnsignal, zum Beispiel in visueller Form über den Bildschirm 39, an den Nutzer des Druckers 2 aus, wenn der Schwellwert oder Schwellwertbereich überschritten wird.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform des Druckers 2 sind der Laser 30 und die Fotodiode 32 mittels einer Halterung 40 an dem Druckkopf 4 befestigt und werden somit während des Druckprozesses stets mit dem Druckkopf 4 mitbewegt. Der Laser 30 und die Fotodiode 32 sind weiterhin der Druckdüse 20 in Ausstoßrichtung 24 des Aerosol-Strahls 6 nachgeschaltet, so dass das Lichtbündel 36 durch den fokussierten Aerosol-Strahl 6 transmittiert wird.
In den 2 bis 4 sind weitere Ausführungsformen des Druckers 2 dargestellt, die sich von der Ausführungsform gemäß 1 durch die Anordnung der Messeinrichtung 14 oder der Vorschubmechanik 12 unterscheiden. Die 3 und 4 zeigen dabei lediglich ausschnitthaft einzelne Bestandteile des Druckers 2.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform des Druckers 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass zusätzlich zu dem Druckkopf 4 auch die Auflage 8 und damit das zu bedruckende Substrat 10 in dem umgebenden Raum werden. Ein weiterer Antrieb 26b der Vorschubmechanik 12 wirkt hier über eine weitere Kopplung 28b auf die Auflage 8. Der Laser 30 und die Fotodiode 32 sind hier ebenfalls an dem Druckkopf 4 festgelegt und werden somit während des Druckprozesses stets mit dem Druckkopf 4 bewegt.
In einer (nicht näher dargestellten) weiteren Ausführungsvariante des Druckers 2 ist der Druckkopf 4 ortsfest montiert und wird somit während des Druckprozesses gegenüber dem umgebenden Raum nicht bewegt. Vielmehr werden bei dieser Ausführungsvariante nur die Auflage 8 und damit das zu bedruckende Substrat 10 gegenüber dem feststehenden Druckkopf 4 und dem von diesem ausgestoßenen Aerosol-Strahl 6 bewegt.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 sind der Laser 30 und die Fotodiode 32 der Messeinrichtung 14 ebenfalls an dem Druckkopf 4 befestigt. Der Laser 30 und die Fotodiode 32 sind hier aber im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen derart angeordnet, dass das Lichtbündel 36 den Aerosol-Strahl 6 vor dem Austritt aus der Mündung 22 der Druckdüse 20 transmittiert. Die Messeinrichtung 14 ist hier also der Druckdüse 20 - in Ausstoßrichtung 24 des Aerosols A gesehen - vorgeschaltet. Um einen Durchtritt des Lichtbündels 36 zu erlauben, ist die Aerosol-Kammer 18 in dieser Ausführungsform mit entsprechenden (nicht näher dargestellten) Fenstern für die optische Ankopplung versehen. Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass das Lichtbündel 36 den Aerosol-Strahl 6 innerhalb der Aerosol-Kammer 18, und somit in einem abgedunkelten, gegen Umgebungslicht weitgehend abgeschirmten Raum durchquert, so dass Störungen durch Umgebungslicht konstruktionsbedingt weitgehend ausgeschlossen sind. Ein weiterer Vorteil der der Druckdüse 20 vorgeschalteten Messeinrichtung 14 besteht darin, dass bei einem Mehrkomponenten-Drucksystem, bei dem - abweichend von der Darstellung gemäß 3 - mehrere Aerosol-Teilstrahlen vor dem Durchtritt durch die Druckdüse 20 gemischt werden, Eigenschaften (insbesondere Massenströme) der einzelnen Aerosol-Teilstrahlen separat gemessen werden können.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 können wahlweise (analog zu der Ausführungsform gemäß 1) der Druckkopf 4 gegenüber der Auflage 8 und/oder (analog zu der Ausführungsform gemäß 2) die Auflage 8 gegenüber dem Druckkopf 4 bewegt sein.
Bei der Ausführungsform des Druckers 2 gemäß 4 sind der Laser 30 und die Fotodiode 32 der Messeinrichtung 14 von dem Druckkopf 4 losgelöst und insbesondere mit der Auflage 8 verbunden. Der Druckkopf 4 ist hierbei wiederum gegenüber der Auflage 8 - und damit auch gegenüber der Messeinrichtung 14 - beweglich. Er kann somit aus einer Druckposition, in der die Mündung 22 der Druckdüse 20 zum Bedrucken des Substrats 10 diesem gegenüberliegt, in eine Messposition gefahren werden, in der der Aerosol-Strahl 6 das Lichtbündel 36 schneidet. Der Druckkopf 4 und der Aerosol-Strahl 6 sind in 4 in der Druckposition mit durchgezogenen Linien und in der Messposition mit gestrichelten Linien dargestellt.
In einer nicht näher dargestellten Variante dieser Ausführungsform werden der Laser 30 und die Fotodiode 32 zur Überwachung des Aerosol-Strahls 6 - zusammen mit der Auflage 8 oder unabhängig von dieser - zu dem Druckkopf 4 bewegt.
In den 5 und 6 ist schließlich eine weitere Ausführungsform des Druckers 2 dargestellt, bei der die Auswerteeinheit 34 die mindestens eine Eigenschaft des Lichtbündels 36 (und gegebenenfalls die mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls 6) nicht nur ermittelt und gegebenenfalls anzeigt, sondern bei der die Auswerteeinheit 34 diese Eigenschaft vielmehr zur aktiven Regelung des Aerosol-Strahls 6 und somit des Druckprozesses heranzieht. Vom strukturellen Aufbau (also seitens der Hardware) entspricht der Drucker 2 gemäß 5 beispielhaft der Ausführungsform gemäß 1. In funktioneller Hinsicht unterscheidet sich der Drucker 2 gemäß 5 von der letztgenannten Ausführungsform aber dadurch, dass die Auswerteeinheit 34 und die Druckersteuerung 29 für die genannte Regelung gekoppelt sind. Ein diese Regelung bewirkender Regelkreis ist in 6 schematisch dargestellt.
In dem hier dargestellten Beispiel zielt die Regelung darauf ab, den Massenstrom M des Aerosols A in dem fokussierten Aerosol-Strahl 6 möglichst konstant zu halten. Vorzugsweise wird im Zuge der Regelung allerdings nicht der Massenstrom M selbst als Regelgröße herangezogen, sondern die damit korrelierte Intensität I des Lichtbündels 36. Im Betrieb des Druckers 2, also während des Ausstoßes des Aerosol-Strahls 6, wird dabei mittels der Fotodiode 32 fortlaufend die Intensität I des durch den Aerosol-Strahl 6 transmittierten Lichtbündels 36 als Ist-Wert gemessen. Die Auswerteeinheit 34 vergleicht diesen Ist-Wert der Intensität I fortlaufend mit einem vorgegebenen Soll-Wert S. Die Auswerteeinheit 34 passt dabei durch Interaktion mit der Drucksteuerung 29 eine den Massenstrom M des Aerosol-Strahls 6 beeinflussende Betriebsgröße, z.B. den Volumenstrom U eines Zerstäubungsgases des Zerstäubers 16 derart an, dass der Unterschied zwischen dem Ist-Wert der Intensität I und dem Sollwert S minimiert wird. Somit wird mittelbar auch der Massenstrom M des Aerosol-Strahls 6 konstant gehalten.
In einer alternativen Ausgestaltung des vorstehend beschriebenen Regelprozesses bestimmt die Auswerteeinheit 34 aus dem Ist-Wert der Intensität I zunächst einen korrespondierenden Wert des Massenstroms M und vergleicht diesen Wert dann mit dem entsprechend vorgegebenen Soll-Wert S.
In bevorzugter Dimensionierung ist die Regelung sehr träge (beispielsweise mit einer Zeitkonstante von einer oder mehreren Minuten) dimensioniert. Die Regelung gleicht hierdurch nur langfristige Veränderungen des Aerosol-Strahls 6 aus, nicht aber kurzfristige Schwankungen der Strahleigenschaften.
Um solche kurzfristigen Schwankungen der Strahleigenschaften schnell auszugleichen und somit eine einheitliche Druckqualität sicherzustellen, steuert die Drucksteuerung 29 vielmehr optional den Antrieb 26a und/oder den Antrieb 26b mit einem Korrekturwert Δv an, der eine von der gemessenen Intensität abhängige Variation der Druckgeschwindigkeit bewirkt. Diese Steuerung beruht auf der Erkenntnis, dass das Druckergebnis sowohl von dem Massenstrom M des Aerosol-Strahls 6 als auch von der Druckgeschwindigkeit abhängt, so dass zumindest in bestimmten Grenzen eine Erhöhung des Massenstroms M zur Beibehaltung eines vorgegebenen Druckergebnisses durch eine Erhöhung der Druckgeschwindigkeit ausgeglichen werden kann, und umgekehrt. Bei Ausführungsformen des Drucker 2, bei dem sowohl der Druckkopf 4 als auch die Auflage 8 bewegt werden, steuert die Drucksteuerung 29 die Antriebe 26a und 26b derart an, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Druckkopf 4 und der Auflage 8 in einer dem Korrekturwert Δv entsprechenden Weise variiert wird.
Typischerweise wird der Drucker 2 intermittierend betrieben. Dabei wird der Aerosol-Strahl 6 lediglich in zeitlichen Applikationsintervallen (hier aber ununterbrochen) erzeugt und ausgestoßen, wobei diesen Applikationsintervallen jeweils ein Ruheintervall zwischengeschaltet ist. Ein Applikationsintervall ist dabei durch die Zeitspanne gegeben, während der mittels des Druckers 2 eine zusammenhängende Fläche gedruckt wird, beispielsweise eine zusammenhängende Materialschicht oder eine Leiterbahn. Die Ruheintervalle ergeben sich andererseits dadurch, dass der Druckkopf 4 von einer gerade gedruckten Fläche zu der nächsten zu druckenden Fläche verfahren wird oder dass nach Beendigung eines Druckprozesses das bedruckte Substrat 10 entfernt und durch ein unbedrucktes Substrat 10 für den nächsten Druckprozess ersetzt wird.
Um eine etwaige Drift der Messeinrichtung 14 zu kompensieren, wird mittels der Messeinrichtung 14 vorzugsweise auch in jedem Ruheintervall als Referenz mindestens ein Grundwert der mindestens einen Eigenschaft des Lichtbündels 36 gemessen. Als Drift wird hierbei eine Veränderung von Eigenschaften des detektierten Lichtbündels 36 bezeichnet, die nicht durch den Aerosol-Strahl 6 verursacht ist, sondern beispielsweise durch sich ändernde Umwelteinflüsse oder durch Dejustierung oder Alterung mindestens einer Komponente der Messeinrichtung 14.
Die während des Ruheintervalls in Abwesenheit des Aerosol-Strahls 6 vorgenommene Referenzmessung wird dabei zur Kalibrierung der in einem oder mehreren folgenden Applikationsintervallen vorgenommenen Messungen verwendet. Hierzu werden Testwerte der mindestens einen Eigenschaft des Lichtbündels 36 oder des Aerosol-Strahls 6, die während eines Applikationsintervalls in Anwesenheit des Aerosol-Strahls 6 gemessen werden, stets in Relation zu dem zuletzt in einer Ruhephase gemessenen Grundwert gesetzt. Als Maß für die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft des Aerosol-Strahls 6 wird dabei die Abweichung des Testwerts von dem Grundwert herangezogen. Diese Abweichung wird gegebenenfalls auch als Regelgröße für die vorstehend beschriebene Regelung herangezogen.
Die vorstehend beschriebene Erfindung ermöglicht insbesondere, Langzeitdrifts mittels zeitaufgelöster Laser-Transmissionsanalyse zu kompensieren und auch die räumliche Verteilung des Massenstroms im Aerosol-Strahl 6 zu messen und damit die Variation von Strahldurchmesser und Strahleigenschaften im Verlauf des Druckprozesses zu erfassen und in situ anzupassen.
Um die Prozessstabilität des Aerosol-Strahls 6 zu gewährleisten, wird vorzugsweise ein Tarierungsverfahren herangezogen, mit dem es gelingt, den Massenstrom in dem Aerosol-Strahl 6 zu messen. Hierfür wird beispielsweise eine (lineare oder nicht-lineare) Korrelation der Transmissionsänderung von mindestens einem den Massenstrom beeinflussenden Parameter (z.B. Volumenströme) erzeugt und über eine Matrix abgebildet. Der Prozess kann durch Variation der Druckgeschwindigkeit oder durch Nachjustieren von Prozessparametern konstant gehalten werden.
Die Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich, ist auf diese Ausführungsbeispiele aber keineswegs beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung im Rahmen der Ansprüche auch in anderer Weise kombiniert werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

2: (Aerosol-)Drucker
4: Druckkopf
6: Aerosol-Strahl
8: Auflage
10: Substrat
12: Vorschubmechanik
14: Messeinrichtung
16: Zerstäuber
18: Aerosol-Kammer
20: Druckdüse
22: Mündung
24: Ausstoßrichtung
26a: Antrieb
26b: Antrieb
28a: Kopplung
28b: Kopplung
29: Drucksteuerung
30: (Dioden-)Laser
32: Fotodiode
34: Auswerteeinheit
36: Lichtbündel
38: Steuereinheit
39: Bildschirm
40: Halterung
Δv: Korrekturwert (der Druckgeschwindigkeit)
A: Aerosol
M: Massenstrom (des Aerosol-Strahls)
I: Intensität
L: Messsignal
S: Soll-Wert
S1: Steuersignal
S2: Steuersignal
U: Volumenstrom (eines Zerstäubungsgases des Zerstäubers)

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Druckprozesses, bei dem ein Druckmedium in Form eines Aerosol-Strahls (6) auf ein zu bedruckendes Substrat (10) ausgestoßen wird, wobei mittels einer Lichtquelle (30) ein Lichtbündel (36) emittiert wird, das zumindest teilweise über den Aerosol-Strahl (6) auf einen Lichtdetektor (32) fällt, wobei das Lichtbündel (36) mittels des Lichtdetektors (32) detektiert wird, und wobei mindestens eine Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (36) als Maß für mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls (6) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mittels des Lichtdetektors (32) das durch den Aerosol-Strahl (6) transmittierte Lichtbündel (36) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (36) mindestens eine Größe bestimmt wird, die für die Lichtintensität (I), den Strahlquerschnitt und/oder die Ablenkung des detektierten Lichtbündels (36) charakteristisch ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei aus der mindestens einen Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (36) als Eigenschaft des Aerosol-Strahls (6) die Dichte, der Massenstrom (M), der Durchmesser und/oder die Strahlablenkung des Aerosol-Strahls (6) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Abhängigkeit von der mindestens einen Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (36) unmittelbar oder mittelbar mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls (6) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Aerosol-Strahl (6) in Applikationsintervallen auf das zu bedruckende Substrat (10) ausgestoßen wird, wobei zwei Applikationsintervallen jeweils ein Ruheintervall zwischengeschaltet ist, in dem die Emission des Aerosol-Strahls ausgesetzt ist, wobei in mindestens einem Ruheintervall ein Grundwert der oder jeder Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (36) bestimmt wird, wobei in mindestens einem Applikationsintervall ein Testwert der oder jeder Eigenschaft des Lichtbündels (36) bestimmt wird, und wobei die Abweichung des Testwerts von dem Grundwert als Maß für die mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls (6) herangezogen wird.
Aerosol-Drucker (2) mit einem Druckkopf (4) zur Erzeugung eines Aerosol-Strahls (6), mit einer Vorschubmechanik (12) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf (4) und einem zu bedruckenden Substrat (10) und mit einer Messeinrichtung (14), die eine Lichtquelle (30), einen Lichtdetektor (32) und eine Auswerteeinheit (34) umfasst, wobei mittels der Lichtquelle (30) ein Lichtbündel (36) erzeugbar ist, das zumindest teilweise über den Aerosol-Strahl (6) auf den Lichtdetektor (32) fällt, um von dem Lichtdetektor (32) detektiert zu werden, und wobei die Auswerteeinheit (34) dazu eingerichtet ist, mindestens eine Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (36) als Maß für mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls (6) zu bestimmen.
Aerosol-Drucker (2) nach Anspruch 7, wobei die Messeinrichtung (14) dazu eingerichtet ist, das durch den Aerosol-Strahl (6) transmittierte Lichtbündel (36) zu messen.
Aerosol-Drucker (2) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Auswerteeinheit (34) dazu eingerichtet ist, als Eigenschaft des Lichtbündels (36) mindestens eine Größe zu bestimmen, die für die Lichtintensität (I), den Strahlquerschnitt und/oder die Ablenkung des detektierten Lichtbündels (36) charakteristisch ist.
Aerosol-Drucker (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Auswerteeinheit (34) dazu eingerichtet ist, aus der mindestens einen bestimmten Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (36) als Eigenschaft des Aerosol-Strahls (6) die Dichte, den Massenstrom (M), den Durchmesser und/oder die Strahlablenkung des Aerosol-Strahls (6) zu bestimmen.
Aerosol-Drucker (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Auswerteeinheit (34) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der mindestens einen bestimmten Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (36) unmittelbar oder mittelbar mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls (6) zu regeln.
Aerosol-Drucker (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, mit einer Drucksteuerung (29) zur Ansteuerung des Druckkopfes (4), die dazu eingerichtet ist, den Aerosol-Strahl (6) in Applikationsintervallen auf das zu bedruckende Substrat (10) auszustoßen und den Aerosol-Strahl (6) in einem zwei Applikationsintervallen zwischengeschalteten Ruheintervall auszusetzen, wobei die Auswerteeinheit (34) dazu ausgebildet ist, in dem Ruheintervall einen Grundwert der mindestens einen Eigenschaft des Lichtbündels (36) zu bestimmen, in mindestens einem der Applikationsintervalle einen Testwert der mindestens einen Eigenschaft des Lichtbündels (36) zu bestimmen, und die Abweichung des Testwerts von dem Grundwert als Maß für die mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls (6) heranzuziehen.
Aerosol-Drucker (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der Druckkopf (4) eine Druckdüse (20) zur Fokussierung des Aerosol-Strahls (6) umfasst, an deren Mündung (22) der Aerosol-Strahl (6) aus dem Druckkopf (4) austritt, und wobei die Lichtquelle (30) und der Lichtdetektor (32) der Druckdüse (20) nachgeschaltet sind.
Aerosol-Drucker (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der Druckkopf (4) eine Druckdüse (20) zur Fokussierung des Aerosol-Strahls (6) umfasst, an deren Mündung (22) der Aerosol-Strahl (6) aus dem Druckkopf (4) austritt, und wobei die Lichtquelle (30) und der Lichtdetektor (32) der Druckdüse (20) vorgeschaltet sind.
Aerosol-Drucker (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei die Lichtquelle (30) und der Lichtdetektor (32) ortsfest bezüglich des Druckkopfes (4) angeordnet sind.
Aerosol-Drucker (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei Druckkopf (4) zum Bedrucken des Substrats (10) von der Messeinrichtung (14) entfernt angeordnet ist, und wobei die Messeinrichtung (14) und der Druckkopf (4) zur Bestimmung der mindestens einen Eigenschaft des Lichtbündels (36) relativ zueinander in eine Messposition bewegbar sind, in der das von der Lichtquelle (30) emittierte Lichtbündel (36) zumindest teilweise durch den Aerosol-Strahl (6) auf den Lichtdetektor (32) fällt.
Aerosol-Drucker (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 16, wobei die Lichtquelle (30) als Laser ausgebildet ist.
Messeinrichtung (14) für einen Aerosol-Drucker (2), mit einer Lichtquelle (30) zur Emission eines Lichtbündels (36) und einem Lichtdetektor (32) zur Detektion des Lichtbündels (36), wobei die Lichtquelle (30) und der Lichtdetektor (32) derart bezüglich eines Druckkopfes (4) des Aerosol-Druckers (2) anordenbar sind, dass ein von der Lichtquelle (30) emittiertes Lichtbündel (36) zumindest teilweise über einen von dem Druckkopf (4) erzeugten Aerosol-Strahl (6) auf den Lichtdetektor (32) fällt, und mit einer Auswerteeinheit (34), die dazu eingerichtet ist, mindestens eine Eigenschaft des detektierten Lichtbündels (36) als Maß für mindestens eine Eigenschaft des Aerosol-Strahls (6) zu bestimmen.