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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur ortsselektiven Reduktionsbehandlung eines Werkstücks. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur ortsselektiven Reduktionsbehandlung eines Werkstücks sowie eine Verwendung der Vorrichtung zur ortsselektiven Reduktionsbehandlung eines Werkstücks.
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Verfahren zur Reduktionsbehandlung von Werkstücken werden zum Beispiel durchgeführt, um eine bessere thermische und/oder elektrische Kontaktierbarkeit oder eine bessere Benetzbarkeit der Werkstückoberflächen, zum Beispiel mit Lot, zu erreichen. Die Reduktionsbehandlung von Werkstücken zielt häufig darauf ab, nachfolgende Prozessschritte an den Werkstücken, wie ein Verkleben oder Verlöten mit weiteren Werkstücken, zu erleichtern oder überhaupt erst zu ermöglichen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Reduktionsbehandlung bekannt. Einige dieser Verfahren setzten zum Beispiel chemische Reduktionsmittel wie Flussmittel ein. Diese sind allerdings typischerweise korrosiv und gesundheitsschädlich bzw. setzen gesundheitschädliche Dämpfe frei. Weiterhin sind Reduktionsverfahren mittels Niederdruckplasmen bekannt, zum Beispiel aus der
WO 00/29642 A1 . Derartige Niederdruck-Verfahren haben aufgrund der hierbei erforderlichen Ein- und Ausschleusevorgänge jedoch den Nachteil, dass sie sich nur mit größerem technischem Aufwand in einen kontinuierlichen Produktionsbetrieb einbetten lassen. Darüber hinaus sind selektive Reduktionsbehandlungen, bei denen nur bestimmte Teile einer Werkstückoberfläche reduziert werden sollen, bei solchen Niederdruck-Verfahren schwer umzusetzen.
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Es ist auch darüber nachgedacht worden, atmosphärische Plasmaverfahren zur Reduktionsbehandlung einzusetzen. Es wurde jedoch festgestellt, dass es bei diesen Verfahren häufig zu einer schnellen Reoxidation der reduzierten Werkstückoberfläche kommt, so dass die betreffenden Werkstückoberflächen letztlich nicht zuverlässig von Oxiden befreit wurden. Darüber hinaus ist eine gezielte, insbesondere kantenscharfe Reduktionsbehandlung kleiner Teilflächen schwierig umzusetzen.
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Daneben sind Laserablationsverfahren bekannt, mit denen Oxidschichten mittels gepulster Laserstrahlung hoher Leistungsdichte von Werkstückoberflächen abgetragen werden können. Hierbei werden die Oxide nicht reduziert; vielmehr findet ein vollständiger Abtrag der Oxide von der Werkstückoberfläche statt, so dass das darunter liegende Material, insbesondere metallische Material, zum Vorschein kommt. Laserablationsverfahren erlauben zwar eine recht gezielte, kantenscharfe Entfernung von Oxiden auf kleinen Teilflächen, haben jedoch den Nachteil, dass Material des Werkstücks abgetragen wird.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduktionsbehandlung eines Werkstücks vorzuschlagen, mit denen eine zuverlässige und ortsselektive Reduktion von Oxidschichten auf einer Werkstückoberfläche ermöglicht wird.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur ortsselektiven Reduktionsbehandlung eines Werkstücks, bei dem eine Oberfläche eines Werkstücks mit einem atmosphärischen Plasmastrahl beaufschlagt wird, wobei der atmosphärische Plasmastrahl unter Verwendung eines reduzierenden Arbeitsgases erzeugt wird oder ein Reduziermittel, insbesondere ein reduzierendes Gas, zugegeben wird, und bei dem eine zu reduzierende Teilfläche der Oberfläche des Werkstücks vor oder während der Beaufschlagung mit dem Plasmastrahl zusätzlich mit einem Laserstrahl beaufschlagt wird, so dass die sowohl mit dem Plasmastrahl als auch mit dem Laserstrahl beaufschlagte Teilfläche ortsselektiv reduziert wird.
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Auf diese Weise kann eine zu reduzierende Teilfläche einer Werkstückoberfläche zielgerichtet einer Reduktionsbehandlung unterzogen werden, so dass an der Teilfläche der Werkstückoberfläche vorhandene Oxide reduziert und somit entfernt werden.
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Unter einer Reduktionsbehandlung einer Oberfläche eines Werkstücks wird insbesondere verstanden, dass Oxide an der Werkstückoberfläche chemisch umgewandelt werden, so dass sich nach der Reduktionsbehandlung an der dann reduzierten Werkstückoberfläche bzw. der reduzierten Teilfläche der Werkstückoberfläche keine oder jedenfalls geringere oxidische Anteile befinden. Die Oxide an der Werkstückoberfläche können insbesondere dadurch reduziert werden, dass den Oxiden Sauerstoff entzogen und dieser zum Beispiel anderweitig, insbesondere durch im Plasmastrahl enthaltene Spezies, chemisch gebunden wird, insbesondere mit im Plasmastrahl enthaltenem Wasserstoff zu Wasser. Durch eine Reduktionsbehandlung zum Beispiel einer Oberfläche eines Werkstücks aus Kupfer können zum Beispiel an der Oberfläche vorhandene Kupferoxide durch Entzug des Sauerstoffs in Kupfer umgewandelt werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass bei den bisherigen Ansätzen zur Reduktionsbehandlung an Werkstückoberflächen mit einem atmosphärischen Plasmastrahl die Werkstückoberfläche sehr großflächig erwärmt wird und es zu einem Wärmestau, bei Relativbewegung von Plasmastrahl zur Werkstückoberfläche insbesondere in Behandlungsrichtung, kommen kann. Diese starke Wärmeeinwirkung hat zur Folge, dass sich die Bereiche der Werkstückoberfläche, die eine für Reduktionsreaktionen ausreichende Oberflächentemperatur erreichen, nur schwer kontrollieren lassen, so dass sich insbesondere kleine Teilflächen der Werkstückoberfläche nicht ortsaufgelöst bzw. kantenscharf einer Reduktionsbehandlung unterziehen lassen. Weiterhin wurde festgestellt, dass die durch den Plasmastrahl in das Werkstück eingebrachte Wärme bei derartigen Verfahren sehr tief in das Werkstück vordringt, wodurch es zu einer erheblichen Erwärmung des Werkstücks im Volumen kommt, wodurch empfindliche Werkstücke beschädigt werden können. Zudem kann es bei einer erheblichen Erwärmung des Werkstücks im Volumen durch Wärmeleitung zu einer signifikanten Erwärmung von Bereichen der Oberfläche und damit zu Reduktionsreaktionen in Bereichen kommen, die vom Plasmastrahl nicht direkt beaufschlagt werden, wodurch eine ortsselektive Reduktionsbehandlung noch weiter erschwert wird.
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Darüber hinaus kann der hohe Wärmeeintrag in das Werkstück nach derartigen Reduktionsbehandlungen zu einer verstärkten Reoxidation der Werkstückoberfläche führen, zum Beispiel wenn das Werkstück nicht ausreichend gekühlt wird.
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Es wurde nun erkannt, dass sich diese Probleme zumindest teilweise dadurch lösen lassen, dass eine zu reduzierende Teilfläche der Oberfläche eines Werkstücks vor oder während der Beaufschlagung mit dem Plasmastrahl zusätzlich mit einem Laserstrahl beaufschlagt wird, so dass die sowohl mit dem Plasmastrahl als auch mit dem Laserstrahl beaufschlagte Teilfläche ortsselektiv reduziert wird.
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Durch die zusätzliche Beaufschlagung mit dem Laserstrahl kann ortsselektiv Wärme in die zu reduzierende Teilfläche der Oberfläche eines Werkstücks eingebracht werden, um dort eine für Reduktionsreaktionen ausreichende Oberflächentemperatur einzustellen. Auf diese Weise wird die für die Reduktionsbehandlung notwendige Erwärmung der Oberfläche von der weniger ortsselektiven Einwirkung des Plasmastrahls zur Bereitstellung der reduzierenden Spezies entkoppelt. Auf diese Weise kann insbesondere die Beaufschlagung der Teilfläche mit dem Plasmastrahl so erfolgen, dass lediglich mit dem Plasmastrahl beaufschlagte Bereiche der Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen unterhalb einer für Reduktionsreaktionen erforderlichen Oberflächentemperatur bleiben und lediglich sowohl mit dem Plasmastrahl als auch mit dem Laserstrahl beaufschlagte Bereiche der Oberfläche des Werkstücks, insbesondere die zu reduzierende Teilfläche, eine für Reduktionsreaktionen erforderliche Oberflächentemperatur überschreiten, so dass es in diesen doppelt beaufschlagten Bereichen zu einer nennenswerten Reduktionsbehandlung kommt.
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Bei dem Verfahren wird eine Oberfläche eines Werkstücks mit einem atmosphärischen Plasmastrahl beaufschlagt, wobei der atmosphärische Plasmastrahl unter Verwendung eines reduzierenden Arbeitsgases erzeugt wird oder ein Reduziermittel, insbesondere ein reduzierendes Gas, zugegeben wird.
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Unter einem atmosphärischen Plasmastrahl wird insbesondere ein Plasmastrahl verstanden, der im Bereich des atmosphärischen Drucks betrieben wird. Auf diese Weise sind Niederdruckumgebungen entbehrlich, so dass sich das Verfahren kostengünstiger durchführen lässt. Weiterhin lässt sich das Verfahren auf diese Weise gut inline in einen Prozess, beispielsweise Produktionsprozess, integrieren.
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Die Beaufschlagung mit dem atmosphärischen Plasmastrahl deckt insbesondere die zu reduzierende Teilfläche ab, muss hierauf jedoch nicht beschränkt sein. Insbesondere bei einer sehr kleinen zu reduzierenden Teilfläche ist es denkbar, dass auch Bereiche außerhalb der Teilfläche mit dem Plasmastrahl beaufschlagt werden, wobei die Ortsselektivität der Reduktionsbehandlung durch die ortsselektive Beaufschlagung mit dem Laserstrahl erreicht wird.
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Die reduzierende Wirkung des atmosphärischen Plasmastrahls kann dadurch erreicht werden, dass der atmosphärische Plasmastrahl unter Verwendung eines reduzierenden Arbeitsgases, insbesondere Wasserstoff-haltigen Arbeitsgases wie zum Beispiel Formiergas (Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff), erzeugt wird. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass ein, insbesondere gasförmiges, Reduziermittel zugegeben wird, insbesondere dem atmosphärischen Plasmastrahl zugeführt oder auf andere Weise mit der Oberfläche des Werkstücks, insbesondere mit der zu reduzierenden Teilfläche, in Kontakt gebracht wird.
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Bei dem Verfahren wird eine zu reduzierende Teilfläche der Oberfläche des Werkstücks vor oder während der Beaufschlagung mit dem Plasmastrahl zusätzlich mit einem Laserstrahl beaufschlagt, so dass die sowohl mit dem Plasmastrahl als auch mit dem Laserstrahl beaufschlagte Teilfläche ortsselektiv reduziert wird. Wie zuvor beschrieben erfolgt die Beaufschlagung mit dem Plasmastrahl und dem Laserstrahl derart, dass in der sowohl mit dem Plasmastrahl als auch mit dem Laserstrahl beaufschlagten Teilfläche eine ortsselektive Reduzierung dort vorhandener Oxide erfolgt. In etwaigen Teilflächen, die lediglich mit dem Plasmastrahl beaufschlagt werden, erfolgt demgegenüber insbesondere keine oder nur eine deutlich geringere Reduzierung von Oxiden. Mit anderen Worten wird die Beaufschlagung mit dem atmosphärischen Plasmastrahl und dem Laserstrahl insbesondere derart durchgeführt, dass erst die kombinierte Beaufschlagung von Plasmastrahl und Laserstrahl eine wesentliche Reduktionsbehandlung bewirkt.
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Die Beaufschlagung mit dem Laserstrahl kann vor oder während der Beaufschlagung mit dem Plasmastrahl erfolgen. Bei einer Relativbewegung zwischen Plasmastrahl und Oberfläche des Werkstücks kann der Laserstrahl beispielsweise in Bewegungsrichtung vorlaufend vor dem Plasmastrahl auf die Oberfläche beaufschlagt werden.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur ortsselektiven Reduktionsbehandlung eines Werkstücks, insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens oder einer Ausführungsform davon, mit einer Plasmadüse zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls, wobei die Plasmadüse eine Düsenöffnung aufweist, aus der im Betrieb der Plasmastrahl austritt, so dass der Plasmastrahl auf eine Oberfläche eines Werkstücks gerichtet werden kann, mit einer Reduziermittelquelle zur Bereitstellung eines Reduziermittels, wobei die Reduziermittelquelle dazu eingerichtet ist, dass Reduziermittel der Plasmadüse als Arbeitsgas zuzuführen oder in den im Betrieb aus der Düsenöffnung austretenden Plasmastrahl einzubringen, und mit einer Laservorrichtung, die eine Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls aufweist sowie eine Laseroptik, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl zusammen mit dem Plasmastrahl auf eine Oberfläche eines Werkstücks zu richten.
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Weiterhin wird die zuvor genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung oder einer Ausführungsform davon zur ortsselektiven Reduktionsbehandlung eines Werkstücks.
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Das zuvor beschriebene Verfahren und die zuvor beschriebene Vorrichtung eignen sich insbesondere zur Reduktionsbehandlung von Werkstücken, die eine Ortsselektivität erfordern. Das Erfordernis der Ortsselektivität kann zum Beispiel darin liegen, dass Oxide nur in einer genau definierten Teilfläche eines Werkstücks entfernt werden sollen, während sie in anderen Teilflächen der Werkstückoberfläche verbleiben sollen. Entsprechend können das Verfahren und/oder die Vorrichtung beispielsweise zur ortsselektiven Reduktionsbehandlung von metallischen Werkstücken mit einer Oxidschicht an einer Oberfläche des Werkstücks verwendet werden, um die Oxidschicht in einer Teilfläche der Oberfläche ortsselektiv in eine metallische Oberfläche umzuwandeln, beispielsweise zur Erzeugung eines Bereichs mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und/oder Temperaturleitfähigkeit oder zu Kennzeichnungszwecken oder dekorativen Zwecken.
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Das Erfordernis der Ortsselektivität kann zum Beispiel auch darin liegen, dass die Temperatur eines Werkstücks lediglich in einer genau definierten Teilfläche über eine, insbesondere für Reduktionsreaktionen ausreichende, Grenztemperatur erhöht werden darf, um Beschädigungen von temperatursensitiven Bereichen oder Komponenten in der Umgebung der Teilfläche zu verhindern. Entsprechend können das Verfahren und/oder die Vorrichtung beispielsweise zur ortsselektiven Reduktionsbehandlung von gehärteten metallischen Werkstücken verwendet werden. Auf diese Weise können Reduktionen der Härte oder anderer mechanischer Parameter wegen übermäßiger Erwärmung des Werkstücks bei der Reduktionsbehandlung verhindert werden. Ebenso können das Verfahren und/oder die Vorrichtung beispielsweise zur ortsselektiven Reduktionsbehandlung von Leiterplatten, insbesondere zumindest teilweise bestückten Leiterplatten, verwendet werden. Auf diese Weise können Beschädigung von wärmeempfindlichen Komponenten in der Umgebung der zu reduzierenden Teilfläche vermieden werden.
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Darüber hinaus kann es für bestimmte Anwendungen erforderlich sein, eine Erwärmung auf eine geringe Tiefe von der zu behandelnden Oberfläche zu beschränken, während die Temperatur in größerer Tiefe von der Oberfläche im Volumen des Werkstücks unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur gehalten wird, bzw. einen Wärmestau im Werkstück zu vermeiden. Entsprechend können das Verfahren und/oder die Vorrichtung beispielsweise zur ortsselektiven Reduktionsbehandlung von folienförmigen Werkstücken, insbesondere Metallfolien, oder von Werkstücken mit zumindest bereichsweise schlechter thermischer Leitfähigkeit verwendet werden. Auf diese Weise können Wärmestaus im Material bei der Reduktionsbehandlung trotz der typischerweise geringen Dicke von Folien bzw. geringer thermischer Leitfähigkeit zur Abführung von eingebrachter Wärme verhindert werden.
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Das Verfahren und/oder die Vorrichtung können weiterhin auch vorteilhaft zur Reduktionsbehandlung eines Werkstücks verwendet werden, das Oberflächenbereiche mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für den Laserstrahl aufweist. Auf diese Weise kann eine zusätzliche inhärente Selektivität bei der Reduktionsbehandlung erreicht werden, indem eine ortsselektive Erwärmung durch den Laserstrahl und somit eine stärkere Reduktionsbehandlung in Bereichen mit hohem Absorptionsvermögen für die Wellenlänge des Laserstrahls erfolgt. Vorzugsweise wird die Wellenlänge des Laserstrahls derart gewählt, dass eine zu reduzierende Teilfläche bei dieser Wellenlänge ein höheres Absorptionsvermögen aufweist als ein nicht zu reduzierender Bereich der Oberfläche des Werkstücks. Entsprechend können das Verfahren und/oder die Vorrichtung insbesondere zur ortsselektiven Reduktionsbehandlung von Leiterplatten, insbesondere zumindest teilweise bestückten Leiterplatten (engl.: printed circuit boards - PCB), verwendet werden. Leiterplatten bestehen im Wesentlichen aus einem nicht-metallischen Träger, beispielsweise faserverstärktem Kunststoff oder Hartpapier, mit Leiterbahnen aus Metall. Die Wellenlänge des Laserstrahls kann insbesondere so gewählt werden, dass das Metall ein höheres Absorptionsvermögen für den Laserstrahl aufweist als der Kunststoff oder das Hartpapier und/oder an den Leiterbahnen vorhandenes Oxid ein höheres Absorptionsvermögen für den Laserstrahl aufweist als das Metall.
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Bei dem Werkstück handelt es sich vorzugsweise um ein Werkstück aus Metall, insbesondere ein Metallblech oder eine Metallfolie, oder um eine Leiterplatte, vorzugsweise um eine zumindest teilweise bestückte Leiterplatte, wobei das Werkstück in der zu reduzierende Teilfläche Oxide aufweist. Das Werkstück kann auch in einer nicht zu reduzierenden Teilfläche der Oberfläche Oxide aufweisen, insbesondere in einer an die zu reduzierenden Teilfläche angrenzenden Teilfläche. Bei dem Metall kann es sich beispielsweise um Aluminium, Kupfer, Silber, Nickel, Zinn oder Zink oder eine Legierung eines dieser Metalle handeln.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen des Verfahren, der Vorrichtung und der Verwendung beschrieben, wobei die einzelnen Ausführungsformen jeweils unabhängig voneinander für das Verfahren, die Vorrichtung und die Verwendung gelten. Darüber hinaus können die einzelnen Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden.
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Bei einer Ausführungsform wird die Beaufschlagung der zu reduzierenden Teilfläche mit dem Laserstrahl derart durchgeführt, dass die durch den Laserstrahl in das Werkstück eingebrachte Leistung unterhalb einer Laserablationsleistung für eine Laserablation an der zu reduzierenden Teilfläche liegt. Auf diese Weise wird verhindert, dass es bei der Reduktionsbehandlung zur Laserablation durch den Laserstrahl kommt. Auf diese Weise bleibt die Oberfläche des Werkstücks intakt und es erfolgt lediglich eine Reduzierungsbehandlung, ohne dass Substanz des Werkstücks, insbesondere Metall, abgetragen wird. Dies ermöglicht auch eine wiederholte Anwendung des Verfahrens, zum Beispiel vor mehreren Verarbeitungsschritten in einer Prozesskette, ohne dass es zu einer Beschädigung der Oberfläche durch Laserablation kommt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform werden der atmosphärische Plasmastrahl und die Oberfläche des Werkstücks während der Beaufschlagung mit dem atmosphärischen Plasmastrahl relativ zueinander verfahren. Insbesondere kann der Plasmastrahl gegenüber der Oberfläche des Werkstücks verfahren werden, beispielsweise indem eine den Plasmastrahl erzeugende Plasmadüse, insbesondere die Plasmadüse der Vorrichtung, relativ zum Werkstück verfahren wird. Alternativ kann auch das Werkstück relativ zum Plasmastrahl, insbesondere zu einer den Plasmastrahl erzeugenden Plasmadüse, beispielsweise der Plasmadüse der Vorrichtung, verfahren werden. Die Vorrichtung kann entsprechend insbesondere eine Verfahreinrichtung zum Verfahren der Plasmadüse relativ zum Werkstück aufweisen, beispielsweise einen Linear- oder XY-Antrieb oder einen Roboterarm, an dem die Plasmadüse und/oder die Laservorrichtung montiert sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung eine Verfahreinrichtung zum Verfahren des Werkstücks relativ zur Plasmadüse aufweisen, beispielsweise ein Transportband, durch das ein Werkstück an der Plasmadüse vorbeigefahren werden kann, oder einen verfahrbaren Werkstück-Halter, zum Beispiel an einem Roboterarm.
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Das Verfahren kann beispielsweise in einer linearen oder mäanderförmigen Bewegung erfolgen.
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Durch das Verfahren von Plasmastrahl bzw. Plasmadüse und Oberfläche des Werkstücks bzw. des Werkstücks relativ zueinander können eine größere Teilfläche oder mehrere Teilflächen der Oberfläche des Werkstücks einer Reduktionsbehandlung unterzogen werden.
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Die Relativgeschwindigkeit zwischen Plasmastrahl und Oberfläche bzw. Plasmadüse und Oberfläche ist vorzugsweise so gewählt, dass lediglich mit dem Plasmastrahl beaufschlagte Bereiche der Oberfläche des Werkstücks unterhalb einer für Reduktionsreaktionen erforderlichen Oberflächentemperatur bleiben. Zu diesem Zweck liegt die Relativgeschwindigkeit zwischen Plasmastrahl und Oberfläche vorzugsweise bei mindestens 0,2 m/min., vorzugsweise mindestens 0,5 m/min., weiter bevorzugt mindestens 1,0 m/min. Demgegenüber sind übliche Relativgeschwindigkeiten zur Plasmareduktion allein mit einem atmosphärischen Plasmastrahl geringer und liegen zum Beispiel bei max. 0,15 m/min.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird als Laserstrahl ein gepulster Laserstrahl verwendet. Auf diese Weise kann die Tiefenwirkung des Wärmeeintrags reduziert werden, so dass die Erwärmung des Werkstücks zur Reduktionsbehandlung auf einen oberflächennahen Bereich beschränkt werden kann. Dies ist insbesondere auch vorteilhaft bei dünnen Substraten, da es auf diese Weise zu keinem Wärmestau im Werkstück kommt. Weiterhin kann eine Beschädigung oder Beeinträchtigung der Umgebung der Teilfläche, zum Beispiel durch Veränderung mechanischer Eigenschaften bei gehärteten Werkstücken, insbesondere in die Tiefe des Materials, aufgrund eingebrachte Wärme reduziert werden.
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Insbesondere kann im Werkstück ein gewünschtes orts- und tiefenabhängiges Temperaturfeld für die Reduktionsbehandlung eingestellt werden, indem die Leistung des Laserstrahls, insbesondere der Laserquelle zur Erzeugung des Laserstrahls, die Pulsfrequenz des Laserstrahls, die Pulsdauer und/oder die Positionierung der Laserpulse in der Teilfläche gezielt eingestellt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Laserstrahl derart verschwenkt, insbesondere kontinuierlich verschwenkt, dass sich der Spot des Laserstrahls in der zu reduzierenden Teilfläche relativ zum Spot des Plasmastrahls bewegt, vorzugsweise in zwei Dimensionen. Bei einer entsprechenden Ausführungsform der Vorrichtung ist die Laseroptik dazu eingerichtet, den Laserstrahl gegenüber dem Plasmastrahl zu verschwenken, insbesondere kontinuierlich zu verschwenken, vorzugsweise in zwei Schwenkebenen.
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Der Spot des Laserstrahls, d.h. die vom Laserstrahl zu einem Zeitpunkt auf der Oberfläche des Werkstücks beleuchtete Fläche, ist häufig viel kleiner als die Ausdehnung einer zu reduzierenden Teilfläche und/oder als der Spot des Plasmastrahls, d.h. die vom Plasmastrahl zu einem Zeitpunkt beaufschlagte Fläche auf der Oberfläche des Werkstücks. Durch das Verschwenken des Laserstrahls kann die zu reduzierende Teilfläche gezielt abgefahren werden, um einen ortsselektiven Wärmeeintrag und dadurch in Kombination mit dem Plasmastrahl eine ortsselektive Reduktionsbehandlung der Teilfläche zu erreichen. Insbesondere kann der Laserstrahl in einer die reduzierende Teilfläche nach und nach abtastenden Bewegung über das Substrat bewegt werden.
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Durch das Verschwenken des Laserstrahls kann zudem der lokale Wärmeeintrag begrenzt und/oder ortsselektiv eingestellt werden, zum Beispiel um ein gewünschtes Temperaturprofil auf der Oberfläche des Werkstücks zu erreichen.
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Der Spot des Laserstrahls kann beispielsweise in einer Dimension relativ zum Spot des Plasmastrahls bewegt werden, so dass er auf der Oberfläche des Werkstücks in einer Linie zum Beispiel hin- und herbewegt wird, bei einer Relativbewegung zwischen Plasmastrahl und Oberfläche vorzugsweise quer dazu. Vorzugsweise wird der Spot des Laserstrahls in zwei Dimensionen relativ zum Spot des Plasmastrahls bewegt, beispielsweise auf einer Kurve wie zum Beispiel einer an die Kontur des Plasmastrahlspots auf der Oberfläche des Werkstücks angepassten Kurve.
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Auf diese Weise kann die Erwärmung der Oberfläche des Werkstücks gezielter erfolgen, insbesondere um ein gewünschtes Temperaturprofil auf der Oberfläche des Werkstücks zu erreichen.
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Bei einer Ausführungsform wird die Laserleistung während des Verschwenkens des Laserstrahls variiert, insbesondere abhängig von der aktuellen Verschwenkposition des Laserstrahls. Beispielsweise kann die Laserleistung reduziert werden, je weiter der Laserstrahl von der Mitte des Plasmastrahls nach außen, insbesondere quer zur Bewegungsrichtung des Plasmastrahls über die Werkstückoberfläche, weggeschwenkt wird. Auf diese Weise können randseitige Wärmestaus verhindert werden, wodurch eine sehr konturscharfe Reduktionsbehandlung erreicht werden kann.
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Entsprechend kann das Temperaturprofil beispielsweise einen zu mindestens einer Seite abfallenden Temperaturgradienten aufweisen, um die Wärmeleitung in Bereichen der Oberfläche des Werkstücks außerhalb der Teilfläche zu reduzieren.
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Weiterhin kann das Temperaturprofil an die Beschaffenheit des Werkstücks angepasst werden, beispielsweise an dessen Wärmeleitfähigkeit, um beispielsweise Wärmestaus zu vermeiden. Weiterhin kann das Temperaturprofil an ein Temperaturprofil des Plasmastrahls angepasst werden, um zum Beispiel heißere Bereiche des Plasmastrahls durch geringeren Wärmeeintrag mit dem Laserstrahl auszugleichen und dadurch eine gleichmäßigere Oberflächentemperatur in der Teilfläche zu erreichen.
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Zum Verschwenken des Laserstrahls kann die Laseroptik insbesondere einen Laserscanner, vorzugsweise einen 2D-Laserscanner, mit ein oder mehreren kontinuierlich verschwenkbaren Spiegeln aufweisen. Beispielsweise kann der 2D-Laserscanner zwei um eine jeweilige Achse verschwenkbare Spiegel oder einen um zwei Achsen verschwenkbaren Spiegel aufweisen.
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Die Laseroptik umfasst vorzugsweise eine F-Theta-Linse. Auf diese Weise kann eine homogenere Laserintensitätsverteilung erreicht werden, insbesondere beim Verschwenken des Laserstrahls.
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Weiterhin weist die Laseroptik vorzugsweise eine Fokussieroptik auf, um den Fokus des Laserstrahls einstellen zu können, insbesondere auf die lokale Ebene der Oberfläche des Werkstücks oder auch in einem bestimmten Abstand darunter oder darüber.
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Bei einer Ausführungsform kann der Laserstrahl in einer festen Position zum Plasmastrahl verlaufen, bei Relativbewegung zwischen Plasmastrahl und Oberfläche insbesondere in Bewegungsrichtung vorlaufend zum Plasmastrahl. Auf diese Weise können höhere Verfahrgeschwindigkeiten erreicht werden.
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Bei einer Ausführungsform weist der Laserstrahl auf der Oberfläche des Werkstücks einen Spot mit einem maximalen Durchmesser von 500 µm oder weniger, vorzugsweise 100 µm oder weniger, insbesondere 50 µm oder weniger auf. Durch einen fokussierten Laserspot kann ein effektiver und ortsselektiver Wärmeeintrag in das Werkstück erreicht werden.
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Bei einer Ausführungsform beaufschlagt der Laserstrahl die zu reduzierende Teilfläche der Oberfläche zumindest teilweise vorlaufend vor dem Plasmastrahl. Auf diese Weise wird die Oberfläche des Werkstücks in der Teilfläche ortselektiv vorgewärmt, so dass bei der nachlaufenden Beaufschlagung mit dem Plasmastrahl eine ortselektive Reduktionsbehandlung erfolgt. Die vorlaufende Ausrichtung des Laserstrahls hat zudem den Vorteil, dass die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Plasmastrahl und dadurch eine Absorption des Laserstrahls im Plasmastrahl vor Erreichen der Oberfläche des Werkstücks reduziert wird.
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Bei einer Ausführungsform wird der atmosphärische Plasmastrahl mit einer Plasmadüse erzeugt, wobei die Plasmadüse eine Düsenöffnung aufweist, aus der im Betrieb der atmosphärische Plasmastrahl austritt. Auf diese Weise kann der Plasmastrahl gezielt ausgerichtet werden, insbesondere auf die Oberfläche des Werkstücks. Insbesondere kann der Plasmastrahl auf diese Weise auf die zu reduzierende Teilfläche ausgerichtet werden. Zwar ist der Beaufschlagungsbereich des Plasmastrahls auf einer Oberfläche typischerweise nicht konturscharf; dies ist bei dem Verfahren jedoch auch nicht erforderlich, da die Ortsselektivität durch den zusätzlichen und genauer positionierbaren Laserstrahl erreicht wird.
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Der Abstand zwischen der Düsenöffnung und der Oberfläche des Werkstücks wird vorzugsweise so gering gewählt, dass der aus der Düsenöffnung austretende Plasmastrahl keine vollständige Plasmakerze bilden kann. Durch den geringen Abstand zwischen Düsenöffnung und Oberfläche können die Wechselwirkungsstrecke zwischen Laserstrahl und Plasmastrahl und damit die Absorption des Laserstrahls im Plasmastrahl reduziert werden. Durch die gleichzeitige Anpassung der Relativbewegung zwischen Plasmastrahl bzw. Plasmadüse und Oberfläche des Werkstücks und/oder durch einen entsprechend hoch eingestellten Gasfluss, insbesondere eines reduzierenden Gases, kann auch bei einem derart geringen Abstand zwischen Düsenöffnung und Oberfläche der Wärmeeintrag in das Werkstück durch den Plasmastrahl ausreichend gering gehalten werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird der atmosphärische Plasmastrahl mittels elektrischen Entladungen in einem Arbeitsgas erzeugt. Ein auf diese Weise erzeugter Plasmastrahl lässt sich gut ausrichten und hat sich als sehr effizient bei der Reduktion von Oxiden an Oberflächen von Werkstücken, insbesondere an Metalloberflächen, erwiesen. Weiterhin ist eine Arbeitsgaszuführung mit unterschiedlichen Gasen möglich. Überdies kann der Arbeitsgasstrom angepasst werden, um ausreichend reduzierendes Gas für die Reduktion zur Verfügung zu stellen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird der atmosphärische Plasmastrahl mittels einer bogenartigen Entladung in einem Arbeitsgas erzeugt, wobei die bogenartige Entladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt wird. Auf diese Weise wird ein reaktiver Plasmastrahl mit vergleichsweise geringer Ionentemperatur erzeugt, wodurch die Erwärmung des Werkstücks bei der Beaufschlagung mit dem Plasmastrahl reduziert werden kann.
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Zur Erzeugung der bogenartigen elektrischen Entladung können insbesondere mindestens zwei Elektroden vorgesehen sein sowie eine Spannungsquelle, um eine hochfrequente Hochspannung an die Elektroden anzulegen. Die hochfrequente Hochspannung zur Erzeugung einer hochfrequenten bogenartigen Entladung weist insbesondere eine Spannungsstärke im Bereich von 1- 100 kV, vorzugsweise 1- 50 kV, weiter bevorzugt 10 - 50 kV, und eine Frequenz von 1 - 300 kHz, insbesondere 1 - 100 kHz, vorzugsweise 10 - 100 kHz, weiter bevorzugt 10 - 50 kHz, auf.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Laserstrahl durch die Plasmadüse hindurch, geführt, insbesondere durch einen durch eine Innenelektrode der Plasmadüse verlaufenden Innenkanal. Bei einer entsprechenden Ausführungsform der Vorrichtung weist die Plasmadüse eine Innenelektrode und einen durch die Innenelektrode laufenden Innenkanal auf und die Laseroptik ist dazu eingerichtet, den Laserstrahl durch den Innenkanal zur Düsenöffnung zu führen. Auf diese Weise ist eine besonders kompakte Bauweise möglich. Zudem wird auf diese Weise die gemeinsame Ausrichtung des Plasmastrahls und des Laserstrahls auf die Oberfläche des Werkstücks, insbesondere auf die Teilfläche, erleichtert. Der Innenkanal verläuft vorzugsweise bis in den Bereich der Düsenöffnung. Auf diese Weise wird die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Plasmastrahl und damit eine Absorption des Laserstrahls im Plasmastrahl reduziert. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die als Hohlelektrode ausgebildete Innenelektrode bis in den Bereich der Düsenöffnung geführt ist. Alternativ ist aber auch denkbar, dass der Innenkanal zwischen dem unteren Ende der Innenelektrode und dem Bereich der Düsenöffnung durch ein, vorzugsweise elektrisch isolierendes, Hohlelement, beispielsweise ein Keramikröhrchen gebildet wird. Das Hohlelement kann auch durch durch die Innenelektrode verlaufen und auch dort den Innenkanal bilden.
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Weitere Merkmale und Vorteile des Verfahrens, der Vorrichtung und der Verwendung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.
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In der Zeichnung zeigen
- 1a-b ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens zur ortsselektiven Plasmareduktion,
- 2a-b Beispiele für die Verschwenkung des Laserstrahlspots relativ zum Plasmastrahlspot auf der Werkstückoberfläche,
- 3a-b ein Diagramm mit Laserspotkoordinaten für die Verschwenkung des Laserstrahls gemäß dem Beispiel aus 2b,
- 4a-b eine Darstellung des Wärmeeintrags in das Werkstück in zwei Ansichten,
- 5 ein Foto einer plasmareduzierten Werkstückoberfläche,
- 6 ein Foto einer mittels ortsselektiver Plasmareduktion behandelter Werkstückoberfläche und
- 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens zur ortsselektiven Plasmareduktion.
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Die 1a-b zeigen ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens zur ortsselektiven Plasmareduktion in schematischer Darstellung. 1b zeigt den in 1a mit „Ib“ bezeichneten Ausschnitt in größerer Detailtiefe und Schnittansicht.
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Die Vorrichtung 2 umfasst eine Plasmadüse 10 zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls 12, eine Reduziermittelquelle 14 zur Bereitstellung eines Reduziermittels, die im vorliegenden Beispiel als Arbeitsgasquelle für die Plasmadüse 10 ausgebildet ist, und eine Laservorrichtung 50. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 2 noch eine Verfahreinrichtung 70, um die Plasmadüse 10 und somit den von dieser im Betrieb erzeugten atmosphärischen Plasmastrahl 12 und eine Oberfläche 82 eines Werkstücks 80 relativ zueinander zu verfahren.
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Im Folgenden werden zunächst der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise der Plasmadüse 10 anhand der 1b beschrieben, in der diese im Detail dargestellt ist.
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Die Plasmadüse 10 weist eine Düsenöffnung 24 auf, aus der im Betrieb der Plasmastrahl 12 austritt, so dass der Plasmastrahl 12 auf die Oberfläche 82 des Werkstücks 80 gerichtet werden kann.
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Die Plasmadüse 10 weist ein rohrförmiges Gehäuse 18 in Form eines Düsenrohrs aus Metall auf. Das Düsenrohr 18 weist an seinem einen Ende eine konische Verjüngung 20 auf, an dem ein vorzugsweise auswechselbarer Düsenkopf 22 montiert ist, dessen Auslass die Düsenöffnung 24 bildet.
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An dem der Düsenöffnung 24 entgegen gesetzten Ende ist das Düsenrohr 18 an eine Arbeitsgaszuleitung 26 angeschlossen. Die Arbeitsgaszuleitung 26 ist mit der Reduziermittelquelle 14 verbunden, die im vorliegenden Beispiel als Arbeitsgasquelle 14 für die Plasmadüse 10 ausgebildet ist. Bei der Arbeitsgasquelle 14 kann es sich um einen unter Druck stehenden Arbeitsgasvorrat zur Bereitstellung eines reduzierenden Arbeitsgases, beispielsweise Formiergas, handeln. Im Betrieb wird reduzierendes Arbeitsgas 30 von der Arbeitsgasquelle 14 durch die Arbeitsgaszuleitung 26 in das Düsenrohr 18 eingeleitet.
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Im Düsenrohr 18 ist weiterhin eine Dralleinrichtung 32 mit einem Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 34 vorgesehen, durch die das im Betrieb in das Düsenrohr 18 eingeleitete Arbeitsgas 30 verdrallt wird.
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Der stromabwärtige Teil des Düsenrohres 18 wird deshalb von dem Arbeitsgas 30 in Form eines Wirbels 36 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohrs 18 verläuft.
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Im Düsenrohr 18 ist weiterhin mittig eine Innenelektrode 38 angeordnet, die sich im Düsenrohr 18 koaxial in Richtung der Düsenöffnung 24 erstreckt. Die Innenelektrode 38 ist elektrisch mit der Dralleinrichtung 32 verbunden. Die Dralleinrichtung 32 ist durch ein Keramikrohr 40 elektrisch gegen das Düsenrohr 18 isoliert. Über eine Hochfrequenzleitung 42 wird an die Innenelektrode 38 eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die von einem Transformator 44 erzeugt wird. Das Düsenrohr 18 ist über eine Erdungsleitung 46 geerdet. Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens 48 zwischen der Innenelektrode 38 und dem Düsenrohr 18 erzeugt.
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Die Begriffe „Lichtbogen“, „Bogenentladung“ bzw. „bogenartige Entladung“ werden vorliegend als phänomenologische Beschreibungen der Entladung verwendet, da die Entladung in Form eines Lichtbogens auftritt. Der Begriff „Lichtbogen“ wird anderweitig auch als Entladungsform bei Gleichspannungsentladungen mit im Wesentlichen konstanten Spannungswerten verwendet. Vorliegend handelt es sich jedoch um eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens, also um eine hochfrequente bogenartige Entladung.
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Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen 48 im Wirbelkern im Bereich der Achse des Düsenrohrs 18 kanalisiert, so dass er sich erst im Bereich der Verjüngung 20 zur Wand des Düsenrohrs 18 verzweigt.
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Das Arbeitsgas 30, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 48 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen 48 in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so dass ein atmosphärischer Plasmastrahl 12 durch die Düsenöffnung 24 aus der Plasmadüse 10 austritt.
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Die Plasmadüse 10 wird mit Formiergas als Arbeitsgas 30 betrieben. Das Formiergas kann beispielsweise einen Wasserstoffgehalt (H2) im Bereich von 1 bis 15 Vol.-% und einen Stickstoffgehalt (N2) im Bereich von 99 - 85 Vol.-% aufweisen. Aufgrund des Wasserstoffgehalts bewirkt das als Arbeitsgas 30 verwendete Formiergas eine reduzierende Wirkung des Plasmastrahls 12, da der im Plasmastrahl enthaltene Wasserstoff mit dem Sauerstoff von auf der Oberfläche 82 des Werkstücks zum Beispiel vorhandenen Metalloxiden reagieren kann, so dass die Metalloxide zu Metall reduziert werden. Der Wasserstoff verbindet sich mit dem aus den Oxiden entfernten Sauerstoff beispielsweise zu Wasser.
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Wie zuvor erläutert stellt die Arbeitsgasquelle 14 daher eine Reduziermittelquelle der Vorrichtung 2 dar, die dazu eingerichtet ist, Reduziermittel, nämlich beispielsweise Formiergas, der Plasmadüse 10 als Arbeitsgas 30 zuzuführen.
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Die in 1a dargestellte Laservorrichtung 50 der Vorrichtung 2 umfasst eine Laserquelle 52 zur Erzeugung eines Laserstrahls 54, sowie eine Laseroptik 56, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl 54 zusammen mit dem Plasmastrahl 12 auf die Oberfläche 82 des Werkstücks 80 zu richten. Die Laserquelle 52 ist vorzugsweise zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls 54 eingerichtet.
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Bei der Vorrichtung 2 sind die Laservorrichtung 50 und die Plasmadüse 10 so zueinander angeordnet, dass der Laserstrahl 54 durch die Plasmadüse 10 hindurch geführt wird und gemeinsam mit dem Plasmastrahl 12 aus der Düsenöffnung 24 austritt.
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Zu diesem Zweck ist die Innenelektrode 38 als Hohlelektrode ausgebildet mit einem Innenkanal 39, durch den der Laserstrahl 54 mittels der Laseroptik 56 hindurchgeleitet wird. Die Innenelektrode 38 erstreckt sich bis in den Bereich der Düsenöffnung 24, so dass der Laserstrahl 54 über eine möglichst kurze Strecke mit dem Plasmastrahl 12 wechselwirkt und damit eine übermäßige Absorption des Laserstrahls 54 im Plasmastrahl 12 vermieden wird.
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Die Laseroptik 56 weist einen 2D-Laserscanner 58 mit einem um zwei Achsen verschwenkbaren Spiegel 60 auf, mit dem der Laserstrahl 54 relativ zum Plasmastrahl 12 verschwenkt werden kann, insbesondere kontinuierlich. Weiterhin weist die Laseroptik 56 eine Fokussieroptik 62 mit einem Fokusshifter 64 und einer Fokussierlinse 66, insbesondere F-Theta-Linse, auf, so dass der Laserstrahl 54 auf die Oberfläche 82 des Werkstücks 80 fokussiert werden kann.
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Mit dem Fokusshifter 64 kann der Laserstrahl 54 abhängig vom Abstand zwischen Düsenöffnung 24 und Oberfläche 82 so verändert werden, dass der Laserstrahl 54 auf die Oberfläche 82 fokussiert wird. Bei Werkstücken mit unebener Oberfläche kann der Fokus durch den Fokusshifter 64 beispielsweise nachgeführt werden, so dass der Fokus des Laserstrahls 54 beispielsweise immer auf der Oberfläche 82 des Werkstücks 80 bleibt.
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Die F-Theta-Linse 66 sorgt insbesondere dafür, dass der Spot des Laserstrahls 54 auf der Oberfläche 82 auch beim Verschwenken des Laserstrahls 54 mit dem 2D-Laserscanner 58 möglichst gleichförmig bleibt.
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Die Vorrichtung 2 weist weiter eine Verfahreinrichtung 70 auf, um das Werkstück 80 und die Plasmadüse 10 relativ zueinander zu verfahren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Verfahreinrichtung 70 zur Bewegung des Werkstücks 80 gegenüber der Plasmadüse 10 ausgebildet und umfasst einen Roboterarm 72 mit einem Werkstückhalter 74, mit dem das Werkstück 80 relativ zur Plasmadüse 10 bewegt werden kann, beispielsweise linear oder mäanderförmig. Alternativ können aber auch Plasmadüse 10 und ggf. Teile der Laservorrichtung 50 an den Roboterarm 72 angeschlossen und relativ zum Werkstück 80 bewegt werden.
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Die Vorrichtung 2 ermöglicht eine ortsselektive Reduktionsbehandlung des Werkstücks 80. Zu diesem Zweck wird das Werkstück 80 wie in 1a gezeigt so auf dem Werkstückhalter 74 positioniert, dass die zu reduzierende Oberfläche 82 des Werkstücks 80 mit dem im Betrieb aus der Düsenöffnung 24 austretenden Plasmastrahl 12 und Laserstrahl 54 beaufschlagt werden kann.
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Bei dem Verfahren wird die Oberfläche 82 des Werkstücks 80 mit dem Plasmastrahl 12 beaufschlagt, während das Werkstück 80 mit der Verfahreinrichtung 70 relativ zur Plasmadüse 10 verfahren wird. Auf diese Weise kann eine zu reduzierende Teilfläche auf der Oberfläche des Werkstücks 80 mit dem Plasmastrahl 12 abgefahren werden.
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Der Plasmastrahl 12 hat durch die Verwendung eines reduzierenden Arbeitsgases 30 eine reduzierende Wirkung. Die Leistung der Plasmadüse 10, der Abstand zwischen Düsenöffnung 24 und Werkstückoberfläche 82 und die Verfahrgeschwindigkeit zwischen Plasmadüse 10 und Werkstück 80, d.h. die Geschwindigkeit, mit der der Plasmastrahl 12 über die Werkstückoberfläche 82 geführt wird, werden so eingestellt, dass die vom Plasmastrahl 12 in das Werkstück 80 eingebrachte Wärmeenergie für sich genommen nicht zu einer Erwärmung der Werkstückoberfläche 82 über eine für Reduktionsprozesse erforderliche Mindesttemperatur führen. Damit führt die Beaufschlagung eines Oberflächenabschnitts mit dem Plasmastrahl 12 allein, trotz dessen reduzierender Wirkung, noch nicht zu einer nennenswerten Reduktionsbehandlung.
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Für eine ortsselektive Reduktionsbehandlung wird eine zu reduzierende Teilfläche der Oberfläche 82 des Werkstücks 80 vor oder während der Beaufschlagung mit dem Plasmastrahl 12 zusätzlich mit dem Laserstrahl 54 beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit dem Laserstrahl 54 führt zu einem lokalen Wärmeenergieeintrag in die Werkstückoberfläche 82, wo der Laserstrahl 54 auf die Oberfläche 82 trifft, das heißt am Spot des Laserstrahls 54 auf der Oberfläche 82. Dadurch wird die Temperatur der Werkstückoberfläche 82 dort lokal erhöht, so dass zusammen mit der Beaufschlagung mit dem Plasmastrahl 12 die für Reduktionsprozesse erforderliche Mindesttemperatur überschritten wird und es somit lokal zu einer Reduktion der Oberfläche 82 kommt, bei der an der Oberfläche des Werkstücks vorhandenen Oxiden Sauerstoff entzogen wird.
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Demnach wird die zu reduzierende Teilfläche der Oberfläche 82 des Werkstücks 80 vor oder während der Beaufschlagung mit dem Plasmastrahl 12 so mit dem Laserstrahl 54 beaufschlagt, dass die sowohl mit dem Plasmastrahl 12 als auch mit dem Laserstrahl 54 beaufschlagte Teilfläche ortsselektiv reduziert wird. Da mit dem Laserstrahl 54 eine viel bessere Ortsselektivität des Wärmeeintrags in die Werkstückoberfläche 82 erreicht wird als mit dem Plasmastrahl 12, erlaubt dieses Verfahren eine Plasmareduktion mit hoher und insbesondere kantenscharfer Ortsselektivität.
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2a zeigt die Werkstückoberfläche 82 des Werkstücks 80 während der Durchführung einer ortsselektiven Plasmareduktion mit der in 1a-b dargestellten Vorrichtung 2. Bei dem beschriebenen Beispiel gibt es auf der Werkstückoberfläche 82 eine zu reduzierende Teilfläche 86 der Oberfläche 82 sowie eine nicht zu reduzierende Teilfläche 88 der Oberfläche 82.
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2a zeigt weiter den Spot 102 des Plasmastrahls 12 (Plasmastrahl-Spot 102) und den Spot 104 des Laserstrahls 54 (Laserstrahl-Spot 104) auf der Werkstückoberfläche 82.
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Der Laserstrahl-Spot 104 ist deutlich kleiner und kantenschärfer als der Plasmastrahl-Spot 102. Der Laserstrahl-Spot 104 kann zum Beispiel einen Durchmesser von weniger als 100 µm, beispielsweise 20-30 µm, aufweisen. Der Plasmastrahl-Spot 102 kann zum Beispiel einen Durchmesser von einem Millimeter oder mehr aufweisen kann. Der Plasmastrahl-Spot 102 kann am Rand eine gewissen Kantenunschärfe aufweisen (in 2a durch mehrere gestrichelte konzentrische Kreise angedeutet), so dass die vom Plasmastrahl 12 auf die Werkstückoberfläche 82 übertragene Energie zum Rand des Plasmastrahl-Spots 102 nicht schlagartig, sondern recht langsam abfällt, unter anderem weil die Strömung des Plasmastrahls 12 durch die Werkstückoberfläche 82 nach außen abgelenkt wird.
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Durch die Verfahreinrichtung 70 werden die Plasmadüse 10 und die Werkstückoberfläche 82 während des Verfahrens relativ zueinander verfahren, so dass sich der Plasmastrahl-Spot 104 über die Werkstückoberfläche 82 bewegt (Pfeil 106).
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Der Laserstrahl 54 wird durch den Laserscanner 58 kontinuierlich verschwenkt, so dass sich der Laserstrahl-Spot 104 relativ zum Plasmastrahl-Spot 102 bewegt. 2a zeigt ein erstes Beispiel für eine solche Bewegung, bei der sich der Laserstrahl-Spot 104 in einer eindimensionalen Bewegung quer zur Bewegungsrichtung (Doppelpfeil 108) des Plasmastrahl-Spot 102 über die Werkstückoberfläche 82 kontinuierlich hin und herbewegt. Die Bewegung des Laserstrahls 54 erfolgt derart, dass der Laserstrahl-Spot 102 innerhalb der zu reduzierenden Teilfläche 86 der Werkstückoberfläche 82 bewegt wird.
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Der mit einem reduzierenden Arbeitsgas, insbesondere Formiergas, erzeugte Plasmastrahl 12 hat eine reduzierende Wirkung. Die Geschwindigkeit, mit der der Plasmastrahl-Spot 104 über die Werkstückoberfläche 82 gefahren wird, die Leistung der Plasmadüse 10 und der Abstand zwischen Düsenöffnung 24 und Werkstückoberfläche 82 sind so eingestellt, dass die vom Plasmastrahl 12 in die Werkstückoberfläche 82 eingebrachte Wärmeenergie allein noch nicht für eine substantielle Reduktionsbehandlung ausreicht. Erst die zusätzlich durch den Laserstrahl 54 eingebrachte Wärmeenergie führt zu einer lokalen Erwärmung der Werkstückoberfläche 82, die eine substantielle Reduktionsbehandlung ermöglicht, insbesondere die Werkstückoberfläche lokal auf eine für Reduktionsprozesse erforderliche Temperatur erwärmt. Durch die geringe Spotgröße des Laserstrahl-Spots 104 kann auf diese Weise die zu reduzierende Teilfläche 86, die sowohl vom Plasmastrahl-Spot 102 als auch vom Laserstrahl-Spot 104 überstrichen wird, ortsselektiv reduziert werden, während die nicht zu reduzierende Teilfläche 88, die lediglich vom Plasmastrahl-Spot 104 oder auch von keinem der Spots überstrichen wird, im Wesentlichen unreduziert bleibt.
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2b zeigt ein der 2a entsprechende Darstellung mit einem alternativen Beispiel des Verfahrens aus 1a-b, wobei dieselben Bezugszeichen wie in 2a verwendet werden. Das Beispiel in 2b unterscheidet sich vom Beispiel aus 2a lediglich dadurch, dass der Laserstrahl 54 durch den Laserscanner 58 in anderer Weise kontinuierlich verschwenkt wird, nämlich derart, dass sich der Laserstrahl-Spot 104 in einer zweidimensionalen Bewegung, zum Beispiel wie dargestellt in einer kreisbogenartigen Bewegung (Doppelpfeil 108'), relativ zum Plasmastrahl-Spot 102 bewegt. Zudem ist der Laserstrahl 54 so zum Plasmastrahl 12 ausgerichtet, dass der Laserstrahl in Bewegungsrichtung (Pfeil 106) des Plasmastrahl-Spots 102 über die Werkstückoberfläche 82 zum Teil vorlaufend vor dem Plasmastrahl 12 auf die Oberfläche 82 beaufschlagt wird. Die zu reduzierende Teilfläche 86 der Werkstückoberlfäche 82 wird auf diese Weise durch den Laserstrahl 54 vorgewärmt, so dass das nachfolgende Überstreichen der Teilfläche 86 mit dem Plasmastrahl 12 zu einer ortsselektiven Reduktionsbehandlung in diesem Bereich führt. Durch die an die Form des Plasmastrahl-Spots 102 angepasste Form der der zweidimensionalen Bewegung des Laserstrahl-Spots 104 wird eine gleichmäßigere Reduktionsbehandlung der Teilfläche 86 quer zur Bewegungsrichtung (Pfeil 106) erreicht.
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Die 3a-b zeigen Diagramme mit einem Beispiel für die Steuerung der Laservorrichtung 50 gemäß dem Beispiel aus 2b. Die Abszisse zeigt jeweils die Position in X-Richtung und die Ordinate die Position in Y-Richtung gemäß dem in 2b dargestellten Koordinatenkreuz in der Ebene der Werkstückoberfläche 82. Im Diagramm ist als Linie die Trajektorie des Mittelpunkts des Plasmastrahl-Spots 102 auf der Werkstückoberfläche 82 eingezeichnet. Zum Zeitpunkt 0 s befindet sich der Mittelpunkt des Plasmastrahl-Spots 102 bei der Koordinate (0 mm, 0 mm). Weiterhin sind als Kreise die Positionen der Laserstrahl-Spots 104 der Laserpulse des gepulsten Laserstrahls 54 eingezeichnet, die zusammen die Trajektorie des Laserstrahl-Spots 104 auf der Werkstückoberfläche 82 ergeben. 3a zeigt die Trajektorien vom Zeitpunkt 0 ms bis 1,5 ms und 3b zeigt die Trajektorien vom Zeitpunkt 0 ms bis 50 ms. Der Laserstrahl kann beispielsweise eine mittlere Leistung von 15 W aufweisen.
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3c zeigt eine mögliche Anpassung der Laserleistung der einzelnen Laserpulse abhängig von der Y-Position des zugehörigen Laserstrahl-Spots 104. Die Laservorrichtung 50 wird derart gesteuert, dass die Laserleistung in der Mitte der Laser-Trajektorie in Bezug auf die Y-Position (Y = 0 mm) maximal ist und zu den Rändern der Trajektorie in Bezug auf die Y-Position hin absinkt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die engere Pulsdichte zu den Rändern aufgrund der gekrümmten Laserstrahl-Trajektorie eine übermäßige Erwärmung an den Rändern bewirkt, die zu einer geringeren Konturschärfe der reduzierten Fläche führen könnte, etwa wenn auch angrenzende Bereiche der nicht zu reduzierenden Teilfläche 88 durch einen Wärmestau an den Rändern zu stark erwärmt werden, so dass diese mitreduziert werden.
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4a illustriert ein durch das Verfahren gemäß 2b und 3a-b bewirktes Temperaturprofil auf der Werkstückoberfläche 82. Die Temperatur wird durch unterschiedliche Punktschraffuren dargestellt, wobei dichtere Schraffuren für eine höhere Temperatur stehen. Die stufenartige Darstellung der Schraffurdichten ist lediglich zeichnungsbedingt und bedeutet nicht, dass die Temperatur sich stufenartig verändert; vielmehr ist von einem kontinuierlichen Temparaturabfall von den dicht schraffierten Bereichen zu den weniger dicht schraffierten Bereichen auszugehen. Die nicht mit Punktschraffuren versehenen Bereiche sind deutlich kühler als die mit Punktschraffuren versehenen Bereiche.
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4b zeigt weiter einen schematischen Schnitt durch das Werkstück 80 gemäß der in 4a mit „IVb“ bezeichneten Linie mit dem Temperaturprofil in der Tiefe des Werkstücks 80.
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Wie 4a illustriert, bewirkt die oben zu 2b und 3a-b beschriebene Bewegung des Laserstrahl-Spots 104 über die Werkstückoberfläche 82 eine ortsselektive Erwärmung der Werkstückoberfläche 82 in der zu reduzierenden Teilfläche 86. Insbesondere wird im Bereich des Plasmastrahl-Spots 102 eine gleichmäßige Erwärmung der Oberfläche quer zur Bewegungsrichtung (Pfeil 106) erreicht, so dass der Plasmastrahl-Spot 102 eine gleichmäßige Reduktionsbehandlung in der zu reduzierenden Teilfläche 86 bewirkt. Dies wird insbesondere auch dadurch erreicht, dass die Werkstückoberfläche 82, wie in 2b gezeigt, lediglich recht oberflächlich erwärmt wird, während tiefere Bereiche des Werkstücks 80 kühl bleiben, so dass es nicht zu Wärmestaus im Werkstück 80 kommt. Die zielgerichtete oberflächennahe Erwärmung der Oberfläche 82 wird insbesondere bei Einsatz eines gepulsten Laserstrahls erreicht.
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Aufgrund der zielgerichteten und lediglich oberflächennahen Erwärmung des Werkstücks 80, kühlt die Werkstückoberfläche 82 nach der Reduktionsbehandlung recht schnell wieder ab, wie der linke Bereich in 4a-b zeigt. Auf diese Weise wird die Anfälligkeit der reduzierten Oberfläche für eine Reoxidation reduziert.
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5 zeigt ein Foto eines Kupferblechs, das einer Plasmareduktion mittels eines reduzierenden Plasmastrahls unterzogen wurde. Die Oberfläche des Kupferblechs wurde hierzu mit einem Plasmastrahl aus einer Plasmadüse wie der in 1b dargestellten Plasmadüse 10 beaufschlagt, jedoch ohne den Einsatz eines Laserstrahls. Die Plasmaleistung, die Relativbewegung von Plasmadüse und Werkstückoberfläche (Pfeil 106) und der Abstand von Plasmadüse und Werkstückoberfläche wurden so eingestellt, dass allein die durch den Plasmastrahl in die Werkstückoberfläche eingebrachte Wärmeenergie eine substantielle Reduktionsbehandlung der Oberfläche bewirkt. Wie aus 5 ersichtlich, ist der Rand des reduzierten Bereichs recht ungleichmäßig und nicht konturscharf. Vielmehr nimmt der Grad der Reduktionsbehandlung zum Rand hin ab. Dies liegt an der geringen Konturschärfe des Plasmastrahls sowie an dem hohen Wärmeeintrag in das Werkstück, das einen Temperaturstau im Werkstück zur Folge hat, wodurch sich die Werkstückoberfläche über einen größeren Bereich als mit dem Plasmastrahl beaufschlagt so stark erwärmt, dass es zu einer, zum Teil lediglich teilweisen Reduktionsbehandlung kommt.
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6 zeigt ein Foto eines Kupferblechs, das mit dem in 1a-b erläuterten Verfahren ortsselektiv plasmareduziert wurde. Die Spuren A - C zeigen sehr konturscharfe Muster mit plasmareduzierten Bereichen und nicht-plasmareduzierten Bereichen. Dies wurde dadurch erreicht, dass beim Überfahren der Spuren A-C mit dem Plasmastrahl die in 6 reduzierten Teilflächen ortsselektiv mit dem Laserstrahl beaufschlagt wurden, so dass diese Teilflächen ortsselektiv reduziert wurden.
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Die Plasmaleistung, die Relativbewegung von Plasmadüse und Werkstückoberfläche (Pfeil 106) und der Abstand von Plasmadüse und Werkstückoberfläche wurden so eingestellt, dass der Plasmastrahl allein zu keiner ausreichenden Erwärmung der Werkstückoberfläche für eine Reduktionsbehandlung führt. Dies ist in 6 ersichtlich an Spur E, die bei abgeschaltetem Laserstrahl mit dem Plasmastrahl bei diesen Einstellungen überfahren wurde.
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Weiterhin war auch der Laserstrahl so eingestellt, dass dieser keinen Materialabtrag von der Werkstückoberfläche bewirkte. Dies ist in 6 ersichtlich an Spur D, die bei abgeschaltetem Plasmastrahl mit angeschaltetem Laserstrahl bei diesen Einstellungen überfahren wurde.
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7 zeigt in schematischer Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens zur ortsselektiven Plasmareduktion in schematischer Darstellung. Die Vorrichtung 2' weist einen ähnlichen Aufbau und eine ähnliche Funktionsweise auf wie die Vorrichtung 2 aus 1a, wobei einander entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen sind und insoweit auf die Beschreibung zur Vorrichtung 2 verwiesen wird.
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Die Vorrichtung 2' unterscheidet sich dadurch von der Vorrichtung 2, dass der Laserstrahl 54 nicht durch die Plasmadüse 10' geführt wird sondern separat von der Plasmadüse 10' auf die Oberfläche 82 beaufschlagt wird. Entsprechend kann die Plasmadüse 10' ohne Innenkanal ausgebildet werden und beispielsweise anstelle einer Hohlelektrode eine Stiftelektrode aufweisen.
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Bezugszeichenliste:
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- 2, 2'
- Vorrichtung
- 10, 10'
- Plasmadüse
- 12
- Plasmastrahl
- 14
- Reduziermittelquelle
- 18
- Düsenrohr
- 20
- Verjüngung
- 22
- Düsenkopf
- 24
- Düsenöffnung
- 26
- Arbeitsgaszuleitung
- 30
- Arbeitsgas
- 32
- Dralleinrichtung
- 34
- Bohrungen
- 36
- Wirbel
- 38
- Innenelektrode
- 39
- Innenkanal
- 40
- Keramikrohr
- 42
- Hochfrequenzleitung
- 44
- Transformator
- 46
- Erdungsleitung
- 48
- Lichtbogen
- 50
- Laservorrichtung
- 52
- Laserquelle
- 54
- Laserstrahl
- 56
- Laseroptik
- 58
- Laserscanner
- 60
- Spiegel
- 62
- Fokussieroptik
- 64
- Fokusshifter
- 66
- Fokussierlinse
- 70
- Verfahreinrichtung
- 72
- Roboterarm
- 74
- Werkstückhalter
- 80
- Werkstück
- 82
- Werkstückoberfläche
- 86
- zu reduzierende Teilfläche
- 88
- nicht zu reduzierende Teilfläche
- 102
- Plasmastrahl-Spot
- 104
- Laserstrahl-Spot
- 106
- Pfeil
- 108, 108'
- Doppelpfeil
- A-D
- Spur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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