DE19747841C2 - Absaugvorrichtung und -verfahren zur Lasermaterialbearbeitung und Laserreinigung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Absaugvor­ richtung zur Lasermaterialbearbeitung und Laserreini­ gung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein entsprechendes Absaugverfahren.

Solche Absaugvorrichtungen und -verfahren dienen der Verhinderung von Verschmutzungen und Kontaminationen von Werkstücken durch die bei der Lasermaterialbear­ beitung und Laserreinigung entstehenden abgereinigten Substanzen. Sie sind vor allem in Bereichen der Fein­ werktechnik, der Mikrosystemtechnik und der Aufbau- und Verbindungstechnik zu verwenden.

Die bei der Lasermaterialbearbeitung und Laserreini­ gung entstehenden Abtragsprodukte werden prozeßbe­ dingt mit hoher Geschwindigkeit und Temperatur (Plas­ mawolke) von der Arbeitsstelle weggeschleudert. Durch diese hohe Geschwindigkeit und Temperatur kann bei fehlender Absaugung eine sehr feste Anlagerung von Abtragsprodukten an der Umgebung der Arbeitsstelle erfolgen. Eine globale Reinigung der Arbeitsstelle nach Beendigung der Bearbeitung ist sehr aufwendig und in vielen Fällen sogar unmöglich.

Bei den Absaugvorrichtungen und -verfahren nach dem Stand der Technik handelt es sich um solche, die den Menschen und die Umwelt vor schädlichen Gasen oder Dämpfen schützen sollen. Sie sind so konzipiert, daß der Arbeiter einen freien Zugang zum Arbeitsbereich hat. Es sind zum Beispiel Absaugvorrichtungen und -verfahren zum simultanen Entstauben und Entladen flächiger Werkstücke mittels elektrischer Beaufschla­ gung und Absaugung bekannt. Diese entfernen jedoch nur partikuläre Verunreinigungen von Werkstückober­ flächen, verhindern jedoch nicht ihren Niederschlag und Folgeschäden der Werkstückbearbeitung. Weiterhin ist in der Mikrosystemtechnik mit ihren gegen elek­ trostatische Einflüsse empfindlichen Bauelementen eine solche Art der Reinigung aufgrund der dabei ver­ wendeten hohen elektrischen Spannungen nicht zu ver­ wenden.

Es sind weiterhin stationäre Saughauben bekannt, die einen größeren Arbeitsbereich umspannen. So ist aus der DE 39 23 829 C2 eine Absaugvorrichtung bekannt, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht. Es handelt sich hierbei um eine Absaugvorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung und Laserreinigung, die eine über eine Gaszuführeinheit mit Zuführöffnungen und eine Absaugeinheit verfügende Absaugglocke, durch die ein von einer Laserquelle ausgestrahlter Laserstrahl auf eine Auftreffstelle eines zu bearbeitenden oder zu reinigenden Werkstücks geleitet wird. Die Absaug­ vorrichtung wird bei der Laserbearbeitung von Werk­ stücken in der Massenfertigung eingesetzt. Die Vor­ richtung entfernt zwar im großindustriellen Einsatz z. B. toxische Reaktionsprodukte weitgehend, die zu bearbeitende Stelle wird jedoch aufgrund der sich in­ nerhalb der Absaugglocke ausbildenden Spülströmung (etwa für Bauteile der Mikrosystemtechnik) nicht aus­ reichend gereinigt. Durch die Spülströmung kann es sogar zu einer ungewünschten Verteilung der Ver­ schmutzung im Bereich der von der Absaugglocke be­ deckten Fläche des Werkstücks kommen.

Die gattungsbildende US-PS 3866398 zeigt eine Absaug­ vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung und Laser­ reinigung, die eine über eine Gaszuführeinheit mit Zuführöffnungen und eine Absaugeinheit verfügende Ab­ saugglocke aufweist. Durch die Absaugglocke wird ein von einer Laserquelle ausgestrahlter Laserstrahl auf eine Auftreffstelle eines zu bearbeitenden oder zu reinigenden Werkstücks geleitet. Die Absaugglocke verfügt über eine dem Werkstück zugewandte Reaktions­ kammer, die über einen licht- und gasdurchlässigen Durchgang mit einer Absaugkammer verbunden ist.

Nach dieser Entgegenhaltung sind die Zuführöffnungen der Gaszuführeinheit nicht zur Unterspülung einer durch das Auftreffen des Laserstrahls auf das Werk­ stück entstehenden Plasmawolke gerichtet. Statt des­ sen sind sie, sofern sie überhaupt gerichtet sind, im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des Werk­ stücks gerichtet, die Richtung des Spülgasstroms wird lediglich durch den von der Absaugeinheit erzeugten Unterdruck vorgegeben. Hierdurch kommt es jedoch nicht zu einem gezielten Unterspülen der Plasmawolke mit dem Ziel, diese zu begrenzen. Es ist ein ungehindertes Ausbreiten in der großvolumigen Reaktionskam­ mer möglich. Zusätzlich werden durch die undefinier­ ten Strömungsverhältnisse in der Reaktionskammer Ver­ wirbelungen zugelassen, die ein großflächiges Ver­ schmieren abgetragener Partikel im gesamten Überdeck­ kungsbereich der Reaktionskammer zuläßt.

Schließlich zeigt die US-PS 4992643 eine die Auf­ treffstelle des Lasers ringförmig umschließende, sich nach oben hin kraterförmig öffnende Vorrichtung, wel­ che in Richtung der Auftreffstelle hin gerichtete Gaszuführöffnungen aufweist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrun­ de, eine Absaugvorrichtung bzw. ein Absaugverfahren zur Lasermaterialbearbeitung und Lasermaterialreini­ gung zu schaffen, um höchste Anforderungen an die Reinheit der Oberflächen der zu bearbeitenden bzw. zu reinigenden Werkstücke zu erfüllen.

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Absaugvorrich­ tung die Zuführöffnungen der Gaszuführeinheit zur Un­ terspülung einer durch das Auftreffen des Laser­ strahls auf das Werkstück entstehenden Plasmawolke schräg in das Innere der Reaktionskammer weisen und im Betriebszustand auf die Auftreffstelle gerichtet sind und die Absaugeinheit an die Absaugkammer ange­ schlossen ist, wird der Ausbreitung entstehender Ab­ tragsprodukte direkt am Ort der Entstehung vorge­ beugt. Diese vorzugsweise mit sehr hohen Massenströ­ men durchgeführte lokale Absaugung sorgt damit be­ reits frühzeitig für eine sehr reine Werkstückober­ fläche. Die Anordnung der Zuführöffnungen erlaubt ei­ ne Spülung mittels Gas, die der Ausbreitung von Ver­ schmutzungen entgegengerichtet ist und somit zu einer frühzeitigen räumlichen Begrenzung des Ausbreitungs­ prozesses der abgetragenen Materialien führt.

Die Absaugglocke verfügt über eine dem Werkstück zu­ gewandte Reaktionskammer, in welche die Zuführöffnun­ gen münden, und die über einen licht- und gasdurch­ lässigen Durchgang mit einer Absaugkammer verbunden ist, die an die Absaugeinheit angeschlossen ist. Durch die Ausbildung einer Reaktionskammer, die die entstehende Plasmawolke umschließt, wird der Ausbrei­ tung der Plasmawolke zusätzlich vorgebeugt. Es wird außerdem die Positionierung der Zuführöffnungen nahe der Auftreffstelle ermöglicht.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß die Absaugkammer auf mindestens einer Seite von einem strahlformenden oder nicht strahlformenden optischen Element begrenzt ist. Dadurch, daß die an die Reakti­ onskammer anschließende Absaugkammer auf einer Seite von einem optischen Element begrenzt (und damit das optische Element einen integralen Bestandteil der Ab­ saugvorrichtung darstellt) ist, ist die Plazierung der Absaugvorrichtung sehr nahe der Auftreffstelle des Laserstrahls möglich.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß der Rauminhalt der Reaktionskammer kleiner ist (bzw. sogar um eine Größenordnung kleiner ist) als der Rauminhalt der Absaugkammer. Hiermit wird unter anderem einer raschen Verschmutzung des optischen Elements vorgebeugt, da sowohl der Abstand des opti­ schen Elementes zur Reaktionskammer als auch dessen Fläche vergleichsweise groß gestaltet werden kann.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zur Unterspülung der Plasmawolke ein Inertgas eingesetzt wird, um unerwünschte Reaktionen zwi­ schen Laser und spülendem Gas zu vermeiden.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen Unteransprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Absaugvorrichtung sowie ein zu bearbeitendes Werk­ stück und eine Laserquelle, und

Fig. 2 eine sich auf dem Werkstück aus­ bildende Plasmawolke, die von einer Spülströmung unterspült wird.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Absaugglocke 2 mit einer Reaktionskammer 5, die über einem Werkstück 4 angeordnet ist. Eine Laserquelle 3 (bevorzugt ein gepulster Laser) ist so ausgerichtet, daß ein von ihr ausgesandter Laserstrahl auf eine Auftreffstelle 14 trifft. Vorteilhaft ist die Verwendung besonders lei­ stungsfähiger Pulslaser, wie etwa Eximer-, Nd-YAG-, Kupferdampf-, Stickstoff- und Golddampflasern. Infol­ ge dieses Auftreffens bildet sich eine Plasmawolke im wesentlichen in der Reaktionskammer 5 aus. Über einen Gasanschluß 10 sowie einen Ringspalt 11 und Zuführ­ öffnungen 9 wird Gas (bevorzugt ein Inertgas) mit hohem Druck in die Reaktionskammer 5 geleitet, um die sich ausbildende Plasmawolke zu unterspülen und damit zu begrenzen bzw. vom Werkstück abzulösen. Abhängig von den Einsatzbedingungen ist hierzu Luft, Kohlendioxid, Stickstoff oder Edelgas verwendbar. Die Aus­ führung der Zuführöffnungen 9, etwa deren Neigung, kann je nach Verwendungszweck (Material des Werkstücks 4 bzw. Dicke und Zusammensetzung darauf befindlicher Verschmutzungen, Leistung der Laserquel­ le 3) sowie weiterer Faktoren, die die Art und Größe der sich ausbildenden Plasmawolke bestimmen, variie­ ren. Dies gilt analog für die Ausgestaltung der Reak­ tionskammer 5, die im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel die (leicht zu fertigende) Form eines Kegel­ stumpfes aufweist, jedoch auch andere Formen (sphäri­ sche Ausbildungen etc.) annehmen kann. Die Reaktions­ kammer 5 ist zum Werkstück 4 hin offen. Zwischen der Absaugglocke 2 und dem Werkstück 4 besteht ein Luft­ spalt. Das Ansaugen von Umgebungsluft durch diesen Luftspalt bei der Ausführung der Absaugung ist nicht schädlich, da durch das Ansaugen benachbarter (ver­ schmutzungsfreier) Umgebungsluft die Ausbreitung der Plasmawolke, die sich im wesentlichen in der Reak­ tionskammer 5 bildet, zusätzlich behindert wird. We­ gen der hohen Reinheitsanforderungen, etwa in der Mikrosystemtechnik, ist eine berührungslose Art der Dichtung zwischen Absaugglocke 2 und Werkstück 4 vor­ teilhaft. Um höchste Reinheitsanforderungen zu errei­ chen, ist es möglich, zur weiteren Abdichtung einen Luftvorhang (mit sehr reiner Luft bzw. sehr reinem Gas) um die Absaugglocke herum vorzusehen. An die Re­ aktionskammer schließt sich nach oben hin über einen in diesem Fall als einfache Öffnung gestalteten Durchgang 6 eine Absaugkammer 7 an. Der Durchgang kann selbstverständlich auch weitere Formen, z. B. zylindrische Formen, annehmen. An die Absaugkammer 7 ist außerdem ein zur Absaugeinheit gehörendes Abführ­ rohr 12 angeschlossen, das wiederum an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe gekoppelt ist.

In Fig. 2 ist die Ausbildung einer Plasmawolke 15 auf einem Werkstück 4 infolge eines von der Laserquelle 3 ausgestrahlten Laserstrahls verdeutlicht. Der Aus­ breitung der Plasmawolke 15 bzw. dem Ausbreiten darin enthaltener Verschmutzungen wird durch die Strömung 16, die mit hohem Druck auf den Kontaktbereich der Plasmawolke 15 mit dem Werkstück 4 hinzielt, vorge­ beugt. Die Auftreffstelle 14 auf dem Werkstück 4 bil­ det in der Regel den Mittelpunkt der Plasmawolke auf dem Werkstück 4. Eine Anströmung der Plasmawolke 15 ist vorzugsweise so zu gestalten, daß die Strömung 16 radial auf die Auftreffstelle 14 gerichtet ist und den Kontaktbereich von Plasmawolke 15 und Werkstück 4 um die Plasmawolke herum umfaßt. Die Absaugung der Strömung 16 sowie der mitgeführten, in der Plasmawol­ ke 15 enthaltenen Schadstoffpartikel etc. erfolgt genau in Richtung der Laserquelle 3. Dieses Verfahren kann mit Hilfe der Absaugvorrichtung 1 durchgeführt werden, die beschriebenen Strömungsprozesse bzw. die sich ausbildende Plasmawolke 15 bilden sich dabei unterhalb der Absaugglocke 2 aus. (Die Bezeichnung Absaugglocke soll jedoch nicht die Beschränkung auf die Glockenform beschreiben, vielmehr soll damit die Funktion klargestellt werden, die darin besteht, ein zu bearbeitendes Werkstück partiell abzudecken.) In­ folge des Einleitens eines druckbehafteten Gases am Gasanschluß 10 und des durch die nicht näher darge­ stellte Vakuumpumpe erzeugten Unterdrucks am Abführ­ rohr 12 kommt es zur Ausbildung einer Strömung, die die sich in der Reaktionskammer 5 ausbildende Plasma­ wolke auf die oben beschriebene Art und Weise unter­ spült und zusammen mit dem zugeführten Gas durch ei­ nen Durchgang 6 erst in die Absaugkammer 7 führt und dann über das Abführrohr 12 absaugt. Innerhalb der Absaugglocke 12 können sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen. Zwischen dem Gasanschluß 10 und dem Abführrohr 12 kann es daher zu einem erheblichen Druckabfall kommen. Die Absaugkammer 7 ist auf der Oberseite durch ein optisches Element 8 begrenzt, das auf einem Grundkörper 13 aufliegt oder mit diesem fest verbunden ist. Es ist erstrebenswert, die Fläche des optischen Elements 8 möglichst groß zu gestalten, um den Einfluß der Verschmutzungen auf die optischen Eigenschaften des strahlformenden oder nicht strahl­ formenden optischen Elements 8 zu minimieren. Bei einem bevorzugten Anwendungsgebiet der erfindungsge­ mäßen Absaugvorrichtung, der Entfernung organischer Verschmutzungen auf Bauteilen von Mikrosystemen, kommt es auf eine besonders gründliche Reinigung des Werkstücks 4 an. Die absolute Reinigung des Werk­ stücks 4 geht sogar der Sauberkeit des optischen Ele­ ments 8 im wesentlichen vor (anders als bei der La­ serbearbeitung bzw. Laserreinigung in der großindu­ striellen Massenfertigung). Die Masse der Verunreini­ gungen ist außerdem im vorliegenden Fall vergleichs­ weise gering, da die zu bearbeitenden Flächen im all­ gemeinen sehr klein (z. B. im Bereich von 1 mm²) und meist nur mit einem dünnen Verschmutzungsfilm belegt sind. Es ist günstig, das Volumen der Reaktionskammer 5 deutlich (teilweise um mindestens eine Größenord­ nung) kleiner zu gestalten als das der Absaugkammer 7. Zunächst ist es günstig, die Reaktionskammer 5 so klein zu gestalten, daß sie der Ausbreitung aus der Plasmawolke 15 herausgeschleuderte Partikel bereits konstruktiv vorbeugt. Außerdem ist es günstig, die Absaugkammer 7 relativ groß zu gestalten, da sich hiermit auch die Fläche des optischen Elements 8 groß gestalten lassen kann und der Abstand von dem Werk­ stück 4 zum optischen Element 8 auch groß gestaltet werden kann und somit die Gefahr von Verschmutzungen des optischen Elements 8 verringert wird. Im vorlie­ genden Ausführungsbeispiel sind die Reaktionskammer 5 und die Absaugkammer 7 jeweils kegelstumpfförmig aus­ gebildet, wobei die jeweils kleineren Stirnflächen der Kegelstümpfe im Bereich des Durchgangs 6 aufein­ anderstoßen. Dieses Ausführungsbeispiel ist aller­ dings keinesfalls einschränkend zu verstehen, es sind auch beliebige andere Anordnungen der Kammern (z. B. zylindrische Formen) und des Durchgangs (größerer Abstand zwischen Reaktionskammer 5 und Absaugkammer 7) möglich.

Claims (13)

1. Absaugvorrichtung (1) zur Lasermaterialbearbei­ tung und Laserreinigung, die eine über eine Gas­ zuführeinheit mit Zuführöffnungen (9) und eine Absaugeinheit verfügende Absaugglocke (2), durch die ein von einer Laserquelle (3) ausgestrahlter Laserstrahl auf eine Auftreffstelle (14) eines zu bearbeitenden oder zu reinigenden Werkstücks (4) geleitet wird, enthält, wobei die Ab­ saugglocke (2) über eine dem Werkstück zugewand­ te Reaktionskammer (5) verfügt, die über einen licht- und gasdurchlässigen Durchgang (6) mit einer Absaugkammer (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführöffnungen (9) der Gaszuführeinheit zur Unterspülung einer durch das Auftreffen des Laserstrahls auf das Werkstück (4) entstehenden Plasmawolke (15) schräg in das Innere der Reak­ tionskammer (5) weisen und im Betriebszustand auf die Auftreffstelle (14) gerichtet sind und die Absaugeinheit an die Absaugkammer (7) ange­ schlossen ist.

2. Absaugvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugkammer auf einer Seite von einem strahlformenden oder nicht strahlformenden optischen Element (8) begrenzt ist.

3. Absaugvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauminhalt der Reaktionskammer (5) kleiner ist als der Rauminhalt der Absaugkammer (7).

4. Absaugvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raumin­ halt der Reaktionskammer (5) um mindestens eine Größenordnung kleiner ist als der Rauminhalt der Absaugkammer (7).

5. Absaugvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reakti­ onskammer (5) und/oder die Absaugkammer (7) die Form eines Kegelstumpfes besitzt.

6. Absaugvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinere Stirnfläche der Reaktionskammer (5) an die kleinere Stirnfläche der Absaugkammer (7) anschließt.

7. Absaugvorrichtung (1) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführöffnungen (9) mit einem Gasanschluß (10) zum Anschluß einer Druckgasquelle für ein Gas verbunden sind.

8. Absaugvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführöffnungen über ei­ nen Ringkanal (11) mit dem Gasanschluß (10) ver­ bunden sind.

9. Absaugvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Absauge­ inheit über mindestens ein Abführrohr (12) zur Absaugung aus der Absaugkammer (7) sowie zum An­ schluß an eine Vakuumpumpe verfügt.

10. Absaugvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlformende oder nicht strahlformende optische Ele­ ment (8) fest mit einem Grundkörper (13) der Ab­ saugglocke (2) verbunden ist.

11. Absaugvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlformende oder nicht strahlformende opti­ sche Element (8) die größere Stirnfläche der Ab­ saugkammer (7) abschließt.

12. Absaugvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Inertgas ist.

13. Absaugvorrichtung (1) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle (3) einen gepulsten Laser ent­ hält.