DE19749981A1

DE19749981A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abtragung von Oberflächenverunreinigungen von metallischen, mineralischen, organischen Untergründen durch Einsatz eines Lasers

Info

Publication number: DE19749981A1
Application number: DE19749981A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr Ing Mueller; Thomas Fricke
Original assignee: LASER- und MEDIZIN-TECHNOLOGIE GGMBH BERLIN 12207 BERLIN DE; Laser und Medizin Technologie GmbH
Current assignee: WOM World of Medicine GmbH
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1997-11-12
Publication date: 1999-05-20
Also published as: EP0916442A2; DE59811538D1; US20010004480A1; US6419996B2; EP0916442A3; EP0916442B1; ES2224332T3

Description

Aufgabenstellung

Es soll eine Vorrichtung entwickelt werden, die es ermög licht, im Rahmen von Oberflächenreinigung die Abtragung von Farb- oder Oxidschichten zu gewährleisten.

Stand der Technik

Soweit nach dem Stand der Technik CO₂ Laser zur Reini gung kontaminierter Oberflächen verwendet werden, sind dieses sogenannte Dauerstrichlaser, die das Abtragen organi scher/metallo-organischer Kontaminationen über den Pro zeß der thermischen Verbrennung und Verdampfung her beiführen. Dabei entstehen naturgemäß sehr hohe Tempe raturen, die nur von wenigen metallischen Untergründen toleriert werden und damit nicht zu einer zusätzlichen Schä digung der zu reinigenden Oberfläche führen. Bei allen nichtmetallischen Untergründen insbesondere bei Kunst stoffen und Biomaterialien führt die Behandlung der Ober flächen zu einer Entkohlung, die die Oberfläche selbst zer stört bzw. bei Keramiken und Laser und ähnlichen Substra ten aufgrund der niederen Wärmeleitung des Substrats zu lokalen extrem hohen Temperaturspannungen, die zu einem Abplatzen der Oberfläche führen. Somit ist das Reinigen von Oberflächen mit Dauerstrich- CO₂ Laser nur auf wenige Spezialgebiete eingeschränkt.

Erfindungsgemäße Lösung

Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß die Nach teile eines Dauerstrich- CO₂ Laser durch die Kombination dreier erfindungsgemäßer Verfahrenstechniken vermieden werden können. Zum einen wird der Strahl des Lasers nicht mehr flächig über das zu reinigende Substrat geführt, was zu relativ niederen Leistungsdichten führt sondern nahezu beugungsbegrenzt fokussiert, um extrem hohe Leistungs dichten (größer 50 kW/cm², typisch 250 kW/cm²) herbeizu führen. Gleichzeitig wird unmittelbar vor Beaufschlagung mit der Laserstrahlung die zu reinigende Oberfläche mit einem dünnen Fluidfilm bzw. Tröpfchenteppich benetzt, der in Form einer Aerosolsprühung aus einem Fluid-Gasgemisch durch eine auf den Prozeßort gerichtete Sprühdüse aufge bracht wird. Die Vorabbenetzung der mit Laserstrahlung zu beaufschlagenden und damit zu reinigenden Oberfläche erfüllt gleichzeitig mehrere erfindungsgemäße Prozeß schritte. Zum einen wird wie bei einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel als Fluid Wasser verwendet und als Gas Luft. Dies führt dazu, daß die CO₂ Laserstrahlung in der Wasser benetzung nahezu vollständig absorbiert wird und bei den eingesetzten sehr hohen Leistungsdichten und einem Fo kusdurchmesser von typischerweise kleiner 2/10 mm führt dies zu einer lokalen explosionsartigen Verdampfung des Wassers. Durch die Oberflächenadhäsion des Wasserfilms und die bei der explosionsartigen Verdampfung entstehen den Stoßwellen wird der auf der reinigenden Oberfläche aufsitzende Kontaminationsbelegung abgelöst und in dem abströmenden Wasserdampf mitweggerissen.

Als weitere erfindungsgemäße Maßnahme wird der hochfo kussierte CO₂ Laserstrahl schnell über die zu reinigende Oberfläche hinweggeführt. Typische Abtastgeschwindigkei ten liegen bei deutlich mehr als einem 1 mm pro Sekunde, dies hat zur Folge, daß das zu reinigende Oberflächenele ment nur sehr kurzzeitig der hoch intensiven CO₂ Laser strahlung ausgesetzt ist, was zum einen den bereits be schriebenen explosionsartigen Verdampfungsprozeß zur Folge hat, zum anderen erfindungsgemäß dazu dient, daß die durch die Transmissionsänderung des Wasserfilms beim Verdampfungsprozeß (Wasserdampf ist für CO₂ Laser strahlung um mehr als eine Größenordnung transparenter als der Wasserfilm) nicht zu einer Überhitzung des bereits behandelten Oberflächenelements führt, sondern lediglich noch abhängig von Fokusdurchmesser und Scangeschwin digkeit und eingesetzter Leistungsdichte zu einer interme diären Beaufschlagung mit deutlich verminderter Energie dichte führt, was zum einen eine Überhitzung des zum je weiligen Zeiteinheit behandelten Oberflächenelements ver meidet zum anderen und so sind in Abhängigkeit von dem jeweils zu reinigenden Oberflächen die Prozeßparameter einzustellen gerade noch ausreicht, Restkontamination an der Oberfläche thermisch abzudampfen.

Neben den beschriebenen erfindungsgemäßen Vorteilen hat die Kombination dieser Verfahrensschritte eine weiteren entscheidenden Vorteil, der darin besteht, daß bei geeigne ter Wahl des Fluids zur Aerosolerzeugung in einem bevor zugten Ausführungsbeispiel ist dieses Wasser. Die Wasser dampfmoleküle, mit denen bei der explosionsartigen Ver dampfung der Kontaminate entstehenden Radikale sponta ne Verbindungen eingeht und somit die bekanntermaßen aggressiven und toxischen Verbrennungsradikale abrea giert. Die so entstandene Dampfwolke aus verdampften Wasser, verdampfter Oberflächenverunreinigung und im Wasser gebundener Radikale aus der Verunreinigung wird dann in einem weiteren Schritt erfindungsgemäß abgesaugt und in einem Filtersystem nach dem Stand der Technik auf gefangen.

Durch dieses Maßnahmenpaket wird verhindert, daß um weltgefährdende Stoffe bei der Reinigung der Oberfläche freigesetzt werden. Weder entstehen volatile toxische Gase noch verbleiben auf der Oberfläche chemisch aktive Reste wie bei anderen Reinigungstechniken nach dem Stand der Technik üblich. Für die Erzeugung des Aerosols werden nach dem Stand der Technik extrem geringe Flüssigkeits mengen benötigt, beispielsweise wird in den bevorzugten Ausführungsbeispiel nur ca. 1 Liter Fluid pro 10 m² zu reini gender Oberfläche benötigt. In Weiterführung des Erfin dungsgedankens wird zu dem das eingesetzte Fluid durch einen Flüssigkeitsabscheider im Filtersystem rückgewon nen.

Erfindungsgemäß ist jedoch auch der Einsatz anderer Fluide als Wasser soweit diese unter Ausnutzung des Erfindungs gedankens in der Funktion als Radikalfänger für entstehen de kontaminante Abgasprodukte des Abtragungsprozesses notwendig erscheint bzw. bei der Reinigung hydrophober Oberflächen zur Erzielung einer Benetzung notwendig ist.

Die Implementierung der erfindungsgemäßen Verfahrens schritte in eine erfindungsgemäße Vorrichtung werden an hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels nachstehend näher beschrieben. In einem bevorzugten Ausführungsbei spiel wird die Strahlung des CO₂ Laser über ein Mehr- Spiegel-Gelenkarm nach dem Stand der Technik bzw. über optische Wellenleiter nach dem Stand der Technik zu einem Bearbeitungshandstück geführt, das zum einen die Kollima tions- und Fokussieroptik für die CO₂ Laserstrahlung enthält zum anderen einen Abtastmechanismus, der es gestattet, den fokussierten Laserstrahl flächig über die zu behandeln de Oberfläche zu führen, in einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel ist dabei der Abtastmechanismus so ausge legt, daß keine Umkehrpunkte mit Abtastgeschwindigkeit Null durch Richtungsänderung entstehen, also typischerwei se kreisförmig, ellipsenförmig oder in Form von Lissajous- Figuren. Gleichzeitig wird die Laserstrahlung unter einem von 90° abweichenden Anstellwinkel auf die Oberfläche ge führt, um zu verhindern, daß das von der Oberfläche explo sionsartig abdampfende Material bevorzugt rückwärts gegen die Fokussieroptik strömt und diese somit beschädigt. Die Sprühdüse für das Aerosol wird im wesentlichen paraxial jedoch unter einem leichten Anstellwinkel zur Achsrichtung der Applikation Richtung der Laserstrahlung angeordnet dergestalt, daß primär nur eine begrenzte Fläche, die nur unwesentlich von dem mit dem abtastenden Laserstrahl beaufschlagten Oberflächenfeld abweicht. Beide Vorrich tungen Laseroptik inklusive Abtasteinrichtung und Aero soldüse werden im Inneren eines Saugkäfigs angeordnet, der dergestalt ausgebildet ist, daß er zum einen durch n- ständig angeordnete Verfahreinrichtungen typischerweise durch zwei bis drei lenkbare Rollen bzw. in einem bevor zugten Ausführungsbeispiel durch drei Kugelverfahrlager in einem geringen Abstand zur zur reinigenden Oberfläche geführt werden kann, so daß aufgrund der Absaugleistung im Saugrüssel durch den engen Spalt zwischen Saugkäfig und Oberfläche eine hohe Querströmung entsteht, die zu sätzlich verhindern soll, daß wesentliche Anteile der Ab dampfprodukte in Richtung der Arbeitsoptik gelangen. Wei terhin ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Saugkäfig derart ausgelegt, daß er den freien Blick auf die zu behandelnde Oberfläche durch geeignete Fenster bzw. durch die Ausführung in transparentem Material ermöglicht. Die gesamte erfindungsgemäße Anordnung wird auf einem ergonomisch geformten Handgriff montiert, so daß eine er gonomisch einfache Bedienerführung möglich ist. In diesem Handgriff sind zusätzlich die Bedienelemente zur Auslösung der Laserstrahlung, Regulierung der Saugstärke und Regu lierung des Aerosolgemisches angeordnet. Zusätzlich wird in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Fenstermate rial des Saugkäfigs derart gewählt, daß es die benutzte La serstrahlung absorbiert, so daß bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Handstückes die gesamte Laseranlage als eigensicher und damit nach Industriestandard benutzbar eingestuft werden kann. Als erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung ist anhand der Abb. 1 bis 6 im Ein zelnen beschrieben und erläutert.

Abb. 1 zeigt das grundsätzliche Verfahren. Der Laserstrahl (1.1) wird durch eine Fokussiereinrichtung (1.2) , die im einfachsten Fall eine optische Linse sein kann, so auf die zu bearbeitende Oberfläche (1.6) fokussiert, daß der Fokus (1.5) genau auf der Oberfläche liegt. Der La serstrahl (1.1) wird schnell über die zu bearbeitende Oberfläche (1.6) geführt, wobei gleichzeitig der Ober flächenbereich um den Fokus (1.5) durch eine Aerosol sprühung (1.4) konditioniert wird. Durch eine Ab saugeinrichtung (1.3) werden das Aerosol (1.4) und die von der zu bearbeitenden Oberfläche (1.6) abgelösten Partikel abgesaugt und gebunden.

Abb. 2 Durch Einsatz eines Scanners (2.8) ist es möglich, eine konstante Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls (1.1) auf der zu bearbeitenden Oberfläche (1.6) zu erreichen. Der Laserstrahl (1.1) kann über eine optische Faser, einen optischen Wellenleiter oder einen Spiegelgelenk arm mit Hilfe eines entsprechenden Adapters (2.7) in den Scanner (2.8) eingekoppelt werden. Die Fokussiereinrichtung (1.2) ist hierbei nach dem Scan ner (2.8) angeordnet. Die Aerosolsprühung (1.4) wird durch eine Sprühdüse (2.9) realisiert, die winklig zu der zu bearbeitenden Oberfläche (1.6) angeordnet ist und den Oberflächenbereich um den Fokus (1.5) kondi tioniert.

Abb. 3 entspricht Abb. 2, wobei in Abb. 3 die Fokussierein richtung (1.2) vor dem Scanner (2.8) angeordnet ist.

Abb. 4 zeigt die Anordnung aller wesentlichen Einzelteile und Bausteine in einem Arbeitskopf zur Realisierung der lasergestützten Oberflächenreinigung. Das Führung ssystem des Laserstrahls (1.1) wird über einen ent sprechenden Adapter (2.7) mit dem Scanner (2.8) und der Fokussiereinrichtung (1.2) verbunden. Eine Gasspülung (3.12) ist vor der Fokussiereinrichtung (1.2) und dem Scanner (2.8) angeordnet, so daß keine Schädigung der optischen Oberflächen durch Aerosol (1.4) und abgesprengte Partikel der zu bearbeitenden Oberfläche (1.6) erfolgen kann. In der winklig ange ordneten Sprühdüse (2.9) wird Fluid (3.10) und Pro zeßgas (3.11) gemischt und als Aerosol auf den Ober flächenbereich um den Fokus (1.5) gesprüht. Sprühdüse (2.9), Fokussiereinrichtung (1.2) mit Gasspülung (3.12) und der Oberflächenbereich um den Fokus (1.5) sind von einem Absaugkäfig (3.13) umgeben, der an die Abgaseinrichtung (1.4) angeschlossen ist.

Abb. 5 Zur Erzielung optimaler Ergebnisse müssen alle Pro zeßparameter dem jeweiligen Anwendungsfall ent sprechend eingestellt, geregelt und überwacht werden. Dazu dient die Prozeßablaufsteuerung (5.18). Ent sprechend Abb. 5 sind alle Funktionseinheiten, die den Oberflächenreinigungseffekt beeinflussen mit dieser Prozeßablaufsteuerung (5.18) verbunden und werden von dieser geregelt und überwacht. An die Vakuum pumpe (5.16), die Bestandteil der Absaugeinrichtung (1.4) ist, kann ein Filter oder Filtersystem ange schlossen werden, das die umweltbelastenden Bestandteile der Oberflächenpartikel, des Aerosols und deren Reaktionsprodukte zurückhält

Abb. 6 zeigt eine als Funktionsmuster realisierte Vorrichtung, die für eine Oberflächenreinigung mit Hilfe der Laser strahlung eingesetzt wurde. Fokussiereinrichtung und Scanner (6.14), sowie der Adapter für einen Spiegel gelenkarm oder optischen Wellenleiter (6.7) sind in einem Gehäuse eingebaut, das mit einem ergonome trisch geformten Handgriff (6.21) versehen ist. Die Be dienelemente (6.20) sind am Gehäuse und am Hand griff (6.21) so angeordnet, daß sie mit einer Hand si cher zu bedienen sind. Zusätzlich zu den in Abb. 3 auf geführten Teilen verfügt die Vorrichtung in Abb. 6 über eine Abstandhalte- und Vorschubeinrichtung (6.19), die im einfachsten Fall aus zwei oder drei unterschiedlich großen Rädern besteht. Mit dieser Abstandhalte- und Vorschubeinrichtung wird sichergestellt, daß der Ab stand der Fokussiereinrichtung mit Scanner (6.14) zu der zu bearbeitenden Oberfläche (1.6) konstant bleibt. Gleichzeitig wird durch den kleinen und konstanten Luftspalt zwischen zu bearbeitender Oberfläche (1.6) und Absaugkäfig (6.13) eine hohe Strömungsgesch windigkeit der angesaugten Umgebungsluft erreicht, was zu einer Minimierung der Wahrscheinlichkeit des Austrittes umweltbelastender Substanzen aus dem Ab saugkäfig führt. Zusätzlich wird das Austreten von gestreuter unsichtbarer Laserstrahlung verhindert wenn der Absaugkäfig aus einem Material besteht, das für unsichtbare Laserstrahlung undurchlässig aber für sichtbares Licht durchlässig ist.

In Weiterführung des Erfindungsgedankens kann zum einen auch jede andere Laserwellenlänge eines kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich abstrahlenden Lasers eingesetzt wer den, soweit der damit eingangs beschriebene Prozeßablauf erreicht werden kann. Beispielsweise können auch andere Wellenlängen des CO₂ Laser insbesondere im Bereich zwi schen 9,2 und 9,8 µm zum Einsatz gelangen, ebenso sind auch Wellenlängen im Bereich zwischen 1,5 und 3 µm verwend bar sowie Wellenlängen im UV kleiner 380 nm. Wellenlän gen im sichtbaren Bereich sind aufgrund der dann einzuset zenden Fluide, die zur Erreichung des Prozesses die Laser strahlung ja absorbieren müssen und damit selber Chromo phore sind, nicht empfehlenswert, da dann diese Fluide auch, wenn sie nur in geringen Mengen zum Einsatz kom men, selber die Oberfläche anfärben.

Ebenso können in konsequenter Weiterführung des Erfin dungsgedankens auch gepulste oder getaktete Laser zum Einsatz kommen, sodann bei hinreichender Einzelpulsener gie die zusätzliche Implementierung einer Abtastvorrichtung überflüssig macht, da sodann der Strahl auf die Größe des gewünschten Bearbeitungsfeldes bei Einhalten der für den Prozeß notwendigen Mindestenergiedichten möglich macht und damit zu einer weiteren konstruktionstechnischen Ver einfachung von Verfahren und Vorrichtung führt. Insbeson dere kommen hier erfindungsgemäß sogenannte TE bzw. TEA CO₂ Laser in Betracht sowie auch gepulste Festkör perlasersysteme auf der Basis Nd:YAG, Ho:YAG, Er:YAG bzw. unter Verwendung der gleichen seltenen Erden Dotie rung anderer Wirtsgitter wie YSSG, YLF und verwandte. Ebenso kommen aber auch nicht-kristalline Wirtsmaterialien für die laseraktive Dotierung in Betracht wie beispielsweise Nd:Glas Laser und ähnliche Laserquellen nach dem Stand der Technik.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur substratschonenden Abtragung von Oberflächenschichten auf der Basis lasergestützter Prozeßenergie dadurch gekennzeichnet, daß

i) die prozeßstützende Laserstrahlungsenergie das zu behandelnde Oberflächenelement je Behandlungs intervall nur kurzzeitig typischerweise kleiner 10 ms beaufschlagt und daß
ii) während dieser Beaufschlagungszeit ein die Oberflä che bedeckender Fluidfilm bzw. Tröpfchenteppich explosionsartig verdampft wird und durch diesen Prozeß, die der Oberfläche anhaftenden oberflächli chen Schichten mit weggerissen werden und
iii) durch geeignete Wahl der Prozeßparameter Strah lungsbeaufschlagungszeit, Adhäsion des Fluids an der Oberfläche, Absorptionsverhalten des Fluids für die Wirkwellenlänge des Lasers und Absorptionsver halten des dampfförmigen Fluids, nur so viel Rest strahlung des Lasers die Oberfläche beaufschlagt, daß die durch den Explosionsprozeß noch lose an haftenden Residuen der Oberflächenbeschichtung thermisch abgedampft werden

2. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussier- und Abtastoptik des Laserstrahles ge meinsam mit der Aerosolsprühdüse und einem Sau grüssel in einem auf einem Handgriff montierten Saugkä fig, der im wesentlichen optisch transparent bei gleichzei tiger Schutzwirkung für die Laserstrahlung mit einem Mi nimalabstand zur Oberfläche verfahrbar ausgelegt ist.