DE19821210A1

DE19821210A1 - Verfahren zum Entfernen eines Beschichtungsfilms und Laserverarbeitungssystems

Info

Publication number: DE19821210A1
Application number: DE19821210A
Authority: DE
Inventors: Akira Tsunemi
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 1998-11-19
Also published as: JPH10309899A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen eines Beschichtungsfilms mit Laserstrahlen und auf ein Laserverarbeitungssystem, welches dazu geeig net ist, bei der Beschichtungsfilmentfernung verwendbar zu sein.

Bislang wurden Chemikalien, wie Methylenchlorid, die hoch giftig sind, hauptsächlich zur Verwendung einer Schicht oder Beschichtung auf einem Außenrahmen einer Maschine, wie beispielsweise einem Flugzeug, verwendet. Herkömm licherweise wird dieser chemische Stoff auf die Ober fläche eines Beschichtungsfilms oder einer Filmbeschich tung aufgeblasen, um die Beschichtung oder den Überzug in Bruchstücke zu zerlegen, sodann wird der Beschich tungsfilm von der Außenrahmenoberfläche einer Maschine abgekratzt.

Ein solches herkömmliches Verfahren des Entfernens eines Beschichtungsfilms besitzt eine geringe Arbeitseffizienz und es treten Probleme beim Sammeln und beim Beseitigen des toxischen Abfalls auf.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Entfernung eines Beschichtungsfilms vorzusehen, und zwar ohne die Verwendung von Chemikalien. Die Erfindung sieht ferner ein Laserverarbeitungs- oder Bearbeitungs system vor, welches dazu geeignet ist, bei dem Beschich tungsfilmentfernungsverfahren eingesetzt zu werden.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein La serverarbeitungssystem vorgesehen, was folgendes auf weist: eine Linse zum Konvergieren oder Divergieren von Laserlicht und zum Anlegen des Laserlichts auf eine Ober fläche eines zu bearbeitenden Objektes; eine Linsentrag mechanismus zum Tragen der Linse und zum Einstellen einer Höhe der Linse gegenüber einer Oberfläche des Objektes; und Mittel zum Strahlen von Gas auf eine Laserlichtbe strahlungsregion auf der Oberfläche des Objektes.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Entfernung eines Beschichtungsfilms vorge sehen, und zwar durch Auftreffenlassen von Laserlicht auf eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Objektes mit einem darauf ausgebildeten Beschichtungsfilm, wobei zumindest ein oberer Teil des Beschichtungsfilms durch Abrasion entfernt wird, und zwar durch Verwendung eines in einer Energiedichte variablen optischen Systems, welches in der Lage ist, Laserlicht auf die Oberfläche des Objektes an zubringen, und wobei die Energiedichte des Laserlichtes auf der Oberfläche des Objektes verändert wird, wobei ferner das Verfahren den Schritt des Entfernens des Be schichtungsfilmes aufweist, und zwar durch Anlegen oder Aufbringen von Laserlicht, während ein Gas auf die Ober fläche des Objektes geblasen wird.

Wenn die Energiedichte von aufgestrahltem Laserlicht zu gering ist, so tritt keine Abrasion oder kein Abrieb auf, wohingegen dann, wenn die Energiedichte zu hoch ist, das darunterliegende Material unter dem Beschichtungsfilm be schädigt wird. Es gibt daher einen richtigen Bereich für die Energiedichte, wenn der Beschichtungsfilm durch Abra sion entfernt wird. Durch Verwendung des erfindungsge mäßen optischen Systems mit variabler Energiedichte kann die Energiedichte auf den richtigen Bereich eingestellt werden. Dadurch, daß man Gas auf die Laserstrahlungs region aufbläst, kann ein Anstieg der Oberflächentem peratur des Objektes unterdrückt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Laserbearbeitungssystem vorgesehen, welches fol gendes aufweist: eine Linse zum Konvergieren oder Diver gieren von Laserlicht und zum Aufbringen oder Aufstrahlen des Laserlichts auf eine Oberfläche eines zu bearbeiten den Objektes; einen ersten Deflektor oder eine Ablenkvor richtung angeordnet in einem optischen Pfad des Laser lichtes, das auf die Linse auftreffen soll, und zwar zur Bewegung einer Strahlungsposition des Laserlichtes längs einer ersten Richtung auf der Oberfläche des Objektes durch Änderung einer Übertragungsrichtung der Laserlich tes; einen zweiten Deflektor oder eine zweite Ablenkvor richtung angeordnet in einem optischen Pfad des Laser lichtes, um auf die Linse aufzufallen, und zwar zur Bewe gung einer Strahlungsposition des Laserlichtes entlang einer zweiten Richtung, die die erste Richtung auf der Oberfläche des Objektes schneidet, und zwar durch Ände rung einer Übertragungsrichtung des Laserlichtes; und Steuermittel zum Steuern der ersten und zweiten Deflek toren oder Ablenkvorrichtungen, um ein Verfahren des Ab tastens einer Strahlungsposition des Laserlichtes vor zusehen, und zwar in der ersten Richtung eine Vielzahl von Malen, während die Strahlungsposition in die zweite Richtung, die sich mit der ersten Richtung schneidet, verschoben wird, und zwar jedes Mal dann, wenn ein Prozeß ausgeführt ist, so daß eine Laserbestrahlungsregion durch einen Prozeß beabstandet ist, gegenüber einer Laserbe strahlungsregion des nächsten Prozesses.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Laser bearbeitungssystem vorgesehen, welches folgendes auf weist: eine Linse zum Konvergieren oder Divergieren von Laserlicht und zum Aufstrahlen des Laserlichts auf eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Objektes; einen ersten in einem optischen Pfad des Laserlichtes angeordneten De flektor, was auf die Linse auftreffen soll, um eine Strahlungsposition des Laserlichtes entlang einer ersten Richtung auf der Oberfläche des Objektes zu bewegen, und zwar durch Änderung einer Übertragungsrichtung des Laser lichtes; einen zweiten Deflektor angeordnet in einem op tischen Pfad des Laserlichtes um auf der Linse aufzu treffen, und zwar zur Bewegung einer Strahlungsposition des Laserlichtes entlang einer zweiten Richtung, die sich mit der ersten Richtung auf der Oberfläche des Objektes schneidet, und zwar durch Änderung einer Übertragungs richtung des Laserlichtes; und Steuermittel zum Steuern der ersten und zweiten Deflektoren zur Ausführung eines Prozesses oder Vorgangs des Abtastens einer Strahlungspo sition des Laserlichtes in der ersten Richtung eine Viel zahl von Malen, während die Strahlungsposition in der zweiten Richtung, die sich mit der ersten Richtung schneidet, jedes Mal dann verschoben wird, wenn ein Pro zeß ausgeführt wird, so daß eine Vielzahl von Einheitsre gionen kontinuierlich in der zweiten Richtung abgetastet wird, und zwar mindestens jede zweite Region, wobei die Einheitsregion eine mit Laserlicht durch einen Prozeß in der ersten Richtung abgedeckte Region ist.

Da die Laserlichtstrahlungsregionen oder -bereiche in der zweiten Richtung beabstandet sind, kann ein Oberflächen temperaturanstieg des Objektes unterdrückt werden.

Da die Abrasion oder Abrieb verwendet wird, kann der Be schichtungsfilm auf der Oberfläche des Objektes ohne Ver wendung von Chemikalien entfernt werden.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbei spielen anhand der Zeichnungen, in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Umrisses eines Laserbearbeitungssystems gemäß einem Ausführungs beispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Querschnitt des Laserstrahlungskopfes gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein die Laserstrahlabtastung veranschaulichendes Diagramm;

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die eine Änderung der Oberflächentemperatur einer Aluminiumplatte unmit telbar nach der Beendigung der Laserstrahlbe strahlung zeigt;

Fig. 5A und 5B graphische Darstellungen, die Änderungen in der Oberfläche von Kompositmaterial zeigen, und zwar unmittelbar nach dem Stoppen der Laserstrahl bestrahlung mit und ohne braunem Blasgas, und

Fig. 6 ein Beispiel einer Bewegungshistorie eines Laser strahlbereichs auf der Oberfläche eines Objekts veranschaulichendes Diagramm.

Ins Einzelne gehende Beschreibung bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht ei ner Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einem Ausführungs beispiel der Erfindung. Ein Laserstrahlkopf 10 steht in Berührung mit einem zu bearbeitenden Objekt 1. Der Laser strahlkopf 10 wird durch einen kastenförmigen Behälter 11 gebildet mit einer Öffnung auf einer Seite des Objektes 1 und mit optischen Komponenten, die in dem kastenförmigen Behälter untergebracht sind. Ein transparentes Fenster 12 ist in der Seitenwand des kastenförmigen Behälters 11 derart ausgebildet, daß die Innenseite des Behälters 11 dahindurch beobachtet werden kann. Der kastenartige Be hälter 11 selbst kann aus einem transparenten Material hergestellt sein.

Der Laserstrahlungskopf 10 ist am entfernt gelegenen Ende eines Manipulators 50 angebracht. Der Manipulator 50 wird durch eine Manipulatorsteuereinheit 51 gesteuert, die den Lasertrahlungskopf 10 trägt und in eine gewünschte Posi tion der Oberfläche des Objektes 1 bewegt. Vorzugsweise ist der Laserstrahlungskopf 10 mindestens in einem Qua drat der Größe 1 m × 1 m beweglich, um einen Beschich tungsfilm auf einem Flugzeug oder dergleichen zu ent fernen.

Eine Laserstrahlausgangsgröße von einem Laserstrahlgene rator 60 wird in den Laserstrahlungskopf 10 über eine strahlformende optische Einheit 61 und einen Strahlüber tragungsarm 62 eingegeben.

Der Laserstrahlgenerator 60 kann ein Lasersystem der Transversalrichtungsanregung mit atmosphärischem Druck des CO₂-Lasertyp sein (TEA-CO₂-Lasersystem). Das TEA-CO₂-Laser system gibt einen Laserstrahl impulsförmig ab, und zwar mit einer Wellenlänge von 9 bis 11 µm.

Die optische Strahlformungseinheit 61 formt den Quer schnitt einer Laserstrahlausgangsgröße von dem Laser strahlgenerator 60 auf eine gewünschte Form. Beispiels weise besitzt diese Einheit eine Öffnung mit einem recht eckigen hindurchgehenden Loch, welches den Laser strahlquerschnitt auf ein Rechteck formt.

Der Strahlübertragungsarm 62 ist derart aufgebaut, daß er ausfahrbar ist, beispielsweise dadurch, daß eine Vielzahl von Gelenken vorgesehen ist. Der Strahlübertragungsarm 62 bewegt sich einer Bewegung des Laserstrahlkopf 10 fol gend, um auf diese Weise den durch die optische Strahl formungseinheit 61 gelangten Strahl zum Laserstrahlkopf 10 zu leiten.

Der Laserstrahlkopf 10 besitzt ein Gaseinlaßrohr 13 und ein Gasauslaßrohr 15 darauf angeordnet. Das Gaseinlaßrohr 13 ist mit einer Gasversorgungseinheit 14 verbunden, die Gas über die Gaseinlaßleitung bzw. das Gaseinlaßrohr 13 zur Innenseite des Laserstrahlungskopfes 10 liefert. Das Gasauslaßrohr 15 ist mit einer Gasablaßeinheit 16 gekop pelt, welche das Gas im Laserstrahlkopf 10 über das Gas auslaßrohr 15 abläßt.

Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Laserstrahlungskopfes 10. Der vorzugsweise ka stenförmige Behälter 11 besitzt eine Öffnung, die zum Objekt 1 hinweist und ist derart gehaltert, daß das nahe gelegene Gebiet seiner Öffnung nahezu in Kontakt mit der Oberfläche des Objektes 1 steht. Der Laserübertragungsarm 62 ist mit einem hindurchgehenden Loch 17 gekoppelt, wel ches in der Wand entgegengesetzt zur Öffnung des kasten artigen Behälters 11 ausgeformt ist. Ein Laserstrahl 63 übertragen in dem Laserübertragungsarm 62 wird über das hindurchgehende Loch 17 in den kastenförmigen Behälter 11 eingeführt.

Der in den kastenförmigen Behälter 11 eingeführte La serstrahl wird durch einen Halbspiegel 20 und eine Ho mogenisiervorrichtung 21 übertragen und wird durch De flektoren 21 und 22 reflektiert und trifft auf eine Kon vergierlinse 23 auf. Die durch eine Deflektorsteuer einheit 47 gesteuerten Deflektoren 21 und 22 deflektieren oder lenken den Laserstrahl ab, um die Laserstrahlposi tion längs orthogonaler X- und Y- Achsen auf der Oberflä che des Objektes 1 zu bewegen, wobei diese Deflektoren oder Ablenkvorrichtungen Galvanospiegel sein können. Der durch die Konvergierlinse 23 konvergierte Laserstrahl wird auf die Oberfläche des Objektes 1 aufgebracht.

Der Halbspiegel 20 reflektiert den Laserstrahl partiell, um ihn auf einen Energiesensor 30 auffallen zu lassen, der die Energie des Laserstrahls mißt.

Die Homogenisiervorrichtung 31 macht die Intensitäts verteilung des Laserstrahls in seiner Querschnittsebene nahezu gleichförmig.

Wenn die Deflektoren oder Ablenkvorrichtungen 21 und 22 als Galvanospiegel ausgebildet sind, so ist es vorzuziehen eine arcus sinus-Linse als Konvergierlinse 23 zu verwen den, um die Bewegungsgeschwindigkeit des Laser strahlungspunktes konstant zu halten. Aus dem gleichen Grund ist eine fθ Linse als Konvergierlinse 23 vorzuzie hen, wenn ein Deflektions- oder Ablenkungswinkel des La serstrahls gegeben durch die Deflektoren 21 und 22 sich proportional mit der Zeit ändert. Die Deflektoren 21 und 22 können drehbare Polygonspiegel sein. Selbst wenn die fθ-Linse verwendet wird, ist es möglich, die Bewegungsge schwindigkeit der Laserstrahlungsposition konstant zu halten, und zwar durch Steuern der Winkeländerung der Galvanospiegel auf eine nicht-lineare Änderung mit der Zeit.

Die Konvergierlinse 23 ist an der Seitenwand des kasten förmigen Behälters 11 angebracht, und zwar durch einen Konvergierlinsentragmechanismus 24. Dieser Konvergierlin sentragmechanismus 24 kann die Höhe der Konvergierlinse 23 von der Oberfläche des Objektes 1 einstellen. Ein Hö hensensor 25 ist auf der Konvergierlinse 23 angebracht. Der Höhensensor 25 detektiert die Höhe der Konvergier linse 23 von der Oberfläche des Objekts 1 und schickt ein Detektionssignal an eine Höhensteuervorrichtung 26.

Die Höhensteuervorrichtung 26 speichert im voraus einen Höhenziel- oder Targetwert. Gemäß einem vom Höhensensor 25 ausgesandten Detektionssignal stellt die Höhensteuer vorrichtung 26 die Höhe der Konvergierlinse 23 ein, und zwar durch Steuern des Konvergierlinsentragmechanismus 24, um so die Höhe der Konvergierlinse 23 auf einem Wert nahe dem Höhenzielwert zu bringen.

Ein visuelles Lichtlasersystem 32 ist in dem kastenför migen Behälter 11 installiert. Das visuelle Lichtlaser system 32 kann ein He-Ne-Lasersystem sein. Die visuelle Lichtlaserstrahlausgangsgröße von dem visuellen Licht lasersystem 32 wird durch den Halbspiegel 20 reflektiert und entlang der gleichen optischen Achse übertragen wie der aus dem hindurchgehenden Loch 17 austretende Laser strahl. Daher wird der visuelle Lichtstrahl im allge meinen auf das gleiche Oberflächengebiet des Objektes aufgebracht, wie der TEA-CO₂ Laserstrahl. Es ist daher möglich, die Laserstrahlstrahlungsposition durch das transparente Fenster 12 gemäß Fig. 1 zu beobachten. An stelle von visuellen Laserstrahlen können visuelle Licht strahlen verwendet werden.

Düsen 40 und 41 sind in bzw. an dem kastenförmigen Behäl ter 11 angebracht. Diese Düsen 40 und 41 stehen mit dem Gaseinlaßrohr 13 angebracht auf der Seitenwand des ka stenförmigen Behälters 11 in Verbindung. Die Düse 40 strahlt Gas zu der Laserstrahlungsposition und ihres na hebei gelegenen Gebietes auf der Oberfläche des Objektes 1. Diese Gasströmung kühlt die Oberfläche des Objektes 1 derart, daß ein Anstieg der Oberflächentemperatur unter drückt werden kann. Die Düse 41 strahlt Gas heraus zu der Konvergierlinse 23 zur Vorderoberfläche auf der Seite des Objektes 1. Diese Gasströmung unterdrückt das Anhaften der von der Oberfläche des Objekts 1 wegfliegenden Fremd materialien an der Oberfläche der Konvergierlinse 23.

Ein Gasansauganschluß 42 ist in dem kastenförmigen Be hälter 11 angeordnet und steht mit dem Gasauslaßrohr an gebracht an der Seitenwand des kastenförmigen Behälters 11 in Verbindung. Die Spitze des Gassauganschlusses weist zu der Laserstrahlposition auf der Oberfläche des Ob jektes 1 hin. Der Gasansauganschluß 42 kann Gas in den kastenförmigen Behälter 11 ablassen und kann von der La serstrahlungsfläche weg fliegende Substanzen ableiten.

Ein Farbsensor 43 und ein Temperatursensor 44 sind nahe der Spitze des Gasansauganschlusses 42 angebracht.

Der Farbsensor 43 kann einen CCD aufweisen, um Farben der Laserstrahlungsposition zu detektieren und von der nahe gelegenen Fläche des Objekts 1. Ein Ausgangssignal des Farbsensors 43 wird an eine Farbdiskriminiereinheit 46 geliefert, die einen Bereich von Bezugsfarben zuvor spei chert, die dazu verwendet werden als Diskriminations- oder Unterscheidungskriterium zu dienen. Der Bereich von Bezugsfarben kann durch eine Bezugsfläche definiert wer den, die in einem Chromatizitätsdiagramm bestimmt ist.

Die Farbdiskriminiereinheit 46 beurteilt, ob die mit dem Farbsensor 43 detektierte Farbe in einem Innenbereich der Bezugsfarbe liegt, d. h. ob die detektierte Farbe die gleiche ist wie die Bezugsfarbe oder annähernd gleich der Bezugsfarbe ist. Beispielsweise wird beurteilt, ob die Position der detektierten Farbe in dem Chromatizitäts diagramm in der Bezugsfläche designiert in dem Chroma tizitätsdiagramm ist.

Wenn sich die Farbe des Beschichtungsfilms von der der Oberfläche eines darunterliegenden Filmes unterscheidet, oder davon, ob die darunterliegende Filmoberfläche frei liegt oder nicht, kann durch die Einstellung des Bereichs der Referenzfarbe detektiert werden, um so die Farbe der darunterliegenden Filmoberfläche einzuschließen.

Der Temperatursensor 44 kann ein Strahlungsthermometer sein, um die Temperatur der Laserstrahlstrahlungsposition und ihrer nahebei gelegenen Fläche des Objektes 1 zu de tektieren. Ein Ausgangssignal des Temperatursensors 44 wird an eine Abnormal-Temperaturdetektoreinheit 45 ge liefert, die ein Bezugssignal zuvor speichert, das als ein Detektionskriterium verwendet wird.

Diese Bezugstemperatur wird mit einer mit dem Temperatur sensor 44 durch die Abnormal-Temperaturdetektoreinheit 45 verglichen. Wenn die detektierte Temperatur größer wird als die Bezugstemperatur, so wird ein Abnormalitäts- Gegenmaßnahmenprozesß durchgeführt, der in einem Halt- oder Stoppen der Laserstrahlstrahlung oder dergleichen bestehen kann.

Obwohl der kastenförmige Behälter 11 eine rechteckige fe ste Form, wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt, kann der Behäl ter auch irgendwelche anderen Formen einnehmen, so lange nur eine mechanische Tragkraft vorgesehen wird, die not wendig ist, um den Konvergierlinsentragmechanismus 24 oberhalb der Oberfläche des Objektes 1 zu halten. Um in effizienter Weise die entfernten Abfallmaterialien zu sammeln, bildet die Form des Behälters 11 vorzugsweise einen geschlossenen Raum definiert partiell und grob ge sagt durch die Oberfläche des Objektes 1 in der La serstrahlungsregion. Beispielsweise kann folgendes ver wendet werden: ein kastenartiger Behälter, ein zylin drischer Behälter, ein halbkugelförmiger Behälter oder dergleichen, wobei eine Öffnung auf der Seite der Ober fläche des Objektes 1 vorgesehen ist.

Als nächstes sei die Arbeitsweise des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Laserbearbeitungssystems beschrieben, wobei als ein Beispiel das Entfernen einer Beschichtung (Überzugs film,) auf der Oberfläche eines Objektes betrachtet sei.

Ein in den in Fig. 2 gezeigten Laserstrahlungskopf 10 eingetretener Laserstrahl wird auf die Oberfläche des Ob jektes 1 auftreffen lassen, um durch Abrasion einen Be schichtungsfilm oder Überzugsfilm (Überzug) zu entfernen. Wenn die auf die Oberfläche des Objektes 1 aufgebrachte Energiedichte (Flußrate) des Laserstrahls zu niedrig ist, so kann der Beschichtungsfilm durch Abrasion oder Abrieb nicht entfernt werden, wohingegen dann, wenn die Energie dichte zu hoch ist, das unter dem Beschichtungsfilm lie gende Material beschädigt werden kann. Es ist daher vor zuziehen, die Energiedichte in einem Bereich einzustel len, der für das darunterliegende Material nicht schäd lich ist und die Entfernung des Beschichtungsfilms durch Abrasion gestattet. Wenn die Energiedichte der Laser strahlausgangsgröße vom Laserstrahlgenerator hinreichend hoch ist, so kann möglicherweise an Stelle der Konver gierlinse 23 eine Divergierlinse verwendet werden.

Die Energiedichte kann dadurch eingestellt werden, daß man die Strahlungsfläche ändert, und zwar durch Verä nderung der Höhe der Konvergierlinse 23 gegenüber der Oberfläche des Objektes mittels des Konvergierlin sentragmechanismus 24. Der richtige Bereich für die Ener giedichtenänderung hängt von der Art des darunter liegenden Materials und des Beschichtungsfilmes ab. Es ist daher vorzuziehen, vorläufige Experimente bei un terschiedlichen Energiedichten vorzunehmen, um einen richtigen Energiedichtebereich zu bestimmen, d. h. die richtige Höhe für die Konvergierlinse 23.

Die Höhensteuervorrichtung 26 speichert im voraus eine richtige Höhe der Konvergierlinse 23. Die Höhensteuer vorrichtung 26 vergleicht die zuvor gespeicherte richtige Höhe mit einer durch den Höhensensor 25 detektierten Höhe und steuert den Konvergierlinsentragmechanismus 24 der art, daß die Höhe der Konvergierlinse 23 einen Wert nahe der richtigen Höhe einnimmt. Durch diese Höhensteuerung wird die Abrasion oder der Abrieb stets mit einer richti gen Energiedichte realisiert.

Der Deflektor 22 tastet die Laserstrahlstrahlungsposition entlang der X-Achsenrichtung und danach sieht der Deflek tor 21 die Verschiebung entlang der Y-Achsenrichtung vor. Als nächsten tastet der Deflektor 22 wiederum den Laser strahl entlang der X-Achsenrichtung durch die gleiche Größe wie die vorhergehende Abtastung. Diese Abtastungen werden wiederholt, so daß der Beschichtungsfilm in einer gewünschten Oberfläche oder in einem gewünschten Oberflä chengebiet des Objektes 1 durch Abrasion entfernt werden kann.

Der Laserstrahlungskopf 10 wird entlang der Oberfläche des Objekts 1 bewegt, und an einer geeigneten Position wird die Abtastung entlang der X- und Y-Achsen wieder holt. Auf diese Weise kann der Beschichtungsfilm in einem breiteren Oberflächengebiet des Objektes 1 durch Abrasion entfernt werden.

Die Höhe der Konvergierlinse 23 von der Oberfläche des Objekts 1 kann sich bei der Bewegung des Laserstrahlkopfs 10 verändern, da eine Änderung der Oberflächenkrümmung des Objekts 1 oder eine unregelmäßige Oberfläche des Ob jekts 1 vorliegen kann. In einem solchen Fall kann die Höhe der Konvergierlinse 23 mit Hilfe des Höhensensors 25 und der Höhensteuervorrichtung 26 konstant gehalten wer den. Es ist daher möglich, die Energiedichte des Laser strahls auf der Oberfläche des Objekts 1 konstant zu hal ten und eine stabile Abrasion oder einen stabilen Abrieb zu gestatten.

Der Laserstrahlungskopfs 10 kann automatisch durch die Manipulatorsteuereinheit 51 gemäß Fig. 1 bewegt werden oder kann auch von Hand bewegt werden. Im Falle einer Be wegung von Hand ist die Positionsausrichtung während ei ner visuellen Beobachtung durch das transparente Fenster 12 in einem Strahlungsgebiet oder einer Strahlungsfläche der visuellen Laserlichtausgangsgröße von dem visuellen Lichtlasersystem 32 ausgeführt. Da die visuelle Beobach tung durch die Verwendung eines visuellen Lichtlasers möglich wird, kann die Positionsausrichtung mit Leichtig keit ausgeführt werden. Die automatische Bewegung des La serstrahlungskopfes 10 ist insbesondere dann schwierig, wenn die Oberfläche der Objekte Stufen, örtliche Ausneh mungen oder dergleichen besitzt. In solchen Fällen ist die Positionsausrichtung unter Verwendung visuellen La serlichts effektiv.

Die Abtastrichtungen durch die Deflektoren 21 und 22 sind nicht notwendigerweise orthogonal, sondern es können auch andere Richtungen verwendet werden, wenn sie sich gegen seitig schneiden.

In dem oben beschriebenen Abtastverfahren wird eine zwei dimensionale Abtastung durch die Deflektoren oder Ablenk vorrichtungen 21 und 22 verwendet. Die eindimensionale Abtastung kann durch Verwendung eines der Deflektoren 21 und 22 ausgeführt werden. In diesem Falle wird der Laser strahlungskopf 10 entlang einer Richtung bewegt, die die Abtastrichtung schneidet, und zwar unter Verwendung des Manipulatorarms 50, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. In den oben beschriebenen Arten kann der Laserstrahl auf ein breiteres Oberflächengebiet des Objektes 1 aufgebracht werden.

Ein Temperaturanstieg an der Oberfläche des Objektes 1 kann dadurch unterdrückt werden, daß man Gas von der Düse 40 auf die Oberfläche des Objektes 1 bläst. Als das abzu blasende Gas ist ein das Objekt 1 nicht oxidierendes Gas vorzuziehen, wobei dafür inertes Gas, wie beispielsweise Ar-Gas und He-Gas und N₂-Gas in Frage kommt. Wenn Mate rial mit hohem Oxidationswiderstand verarbeitet werden soll, so kann Luft aufgeblasen werden. Die von der Ober fläche des Objektes 1 entfernten und weg fliegenden Sub stanzen werden durch den Gassauganschluß 42 abgeführt.

Die Abnormal-Temperaturdetektoreinheit 45 überwacht stets eine Oberflächenabnormalität des Objektes auch während der Entfernung des Beschichtungsfilmes durch die Laserab rasion. Wenn die Oberflächentemperatur des Objektes 1 ei ne voreingestellte Bezugstemperatur übersteigt, so wird ein Abnormalitäts-Gegenmaßnahmenprozeß ausgeführt. Dieser Prozeß kann ein Stoppen der Laserstrahlung sein, ein Er zeugung von Alarmtönen oder dergleichen. Wenn die detek tierte Temperatur die Bezugstemperatur übersteigt, so kann die Pulswiederholfrequenz der Laserstrahlen abge senkt werden.

Die Verwendung der Laserabrasion gestattet die Entfernung des Beschichtungsfilms ohne die Verwendung von toxischen Chemikalien. Da die Oberflächentemperatur des Objektes 1 während der Laserabrasion überwacht wird, ist es möglich Schädigungen, Zerlegungen und dergleichen des Objektes 1 zu verhindern.

Gemäß den Normen der internationalen Luftfahrtassoziation (IATA) ist es notwendig, daß während des Entfernens eines Beschichtungsfilms an einer Außenrahmenoberfläche eines Flugzeugs die Temperatur der Außenrahmenoberfläche auf 80°C oder niedriger gehalten wird. Wenn beispielsweise die Bezugstemperatur von 75°C bei der Abnormaltempera turdetektoreinheit eingestellt wird, so kann der Be schichtungsfilm entfernt werden, wobei die Außenrahmen oberflächentemperatur den IATA-Normen (Standards) genügt.

Da die Oberflächenfarbe des Objektes 1 mit der Farbdis kriminiereinheit 46 überwacht wird, ist es möglich, zu urteilen, ob der Beschichtungsfilm vollkommen entfernt ist. Im allgemeinen besteht ein Beschichtungsfilm bei ei nem Flugzeug aus einer Primärschicht zur Adhäsion und zur Korrosionsverhinderung und einer Oberbeschichtungsschicht gebildet auf der Primärlage zum Zwecke der Dekoration. Wenn die Farben der primären und Oberbe schichtungsschichten unterschiedlich sind, so kann die Farbdiskriminiereinheit 46 detektieren, daß die Ober beschichtungsschicht entfernt ist und die Primärschicht freiliegt.

Wenn die Dicke eines Beschichtungsfilms unregelmäßig ist und die Laserstrahlung für die gesamte Oberfläche unter den gleichen Bedingungen ausgeführt wird, so kann es ein Gebiet oder eine Fläche geben, wo der Beschichtungsfilm nicht vollständig entfernt wird. Da jedoch die Laser strahlung ausgeführt wird, während die Farbdiskriminier einheit 46 überwacht, ob die Oberfläche der darunter liegenden Schicht freiliegt, so kann eine derartige Flä che oder ein derartiges Gebiet, wo der Beschichtungsfilm noch nicht vollständig entfernt wurde, vermieden werden.

Als nächstes werden die Ergebnisse der Experimente des Entfernens von Beschichtungsfilmen unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. Für die Experimente verwendete Proben sind Aluminiumplatten mit einem Beschichtungsfilm von un gefähr 80 µm Dicke, wie er möglicherweise für den An strich der Rahmenoberfläche eines Flugzeugs verwendet wird. Der Laserlichtgenerator 60 war ein TEA-CO₂ Laser system, das einen gepulsten Laserstrahl mit einer Wieder holfrequenz von 100 Hz abgibt. Die Energiedichte des La serstrahls auf der Oberfläche des Objektes 1 war ungefähr 5 J/cm² und die Form der Strahlungsfläche war ein Recht eck von ungefähr 14 mm × 1 mm länger in der Y-Ach senrichtung. Eine Fläche oder ein Gebiet entfernt durch die Abrasion war ein Rechteck von ungefähr 5 mm × 0,5 mm. Ein Bewegungsabstand zwischen Läufen entlang der X-Ach senrichtung betrug ungefähr 0,5 mm und die Abtastge schwindigkeit der Laserstrahlstrahlungsposition entlang der X-Achsenrichtung war 25 mm/s.

Fig. 3 veranschaulicht eine Laserstrahlstrahlungsge schichte oder -historie. Als erstes war der Laserstrahl um ungefähr 5 cm in der X-Achsenrichtung durch den De flektor 22, wie durch einen Pfeil S1 gezeigt, getastet. Als nächstes wurde der Laserstrahl um ungefähr 0,5 cm in der Y-Achsensrichtung durch den Deflektor 21 verschoben und die Abtastung in der X-Achsenrichtung um die gleiche Größe wie die erste Abtastung ist durch den Pfeil S2 dar gestellt. Der Laserstrahl war ferner verschoben um unge fähr 0,5 cm in der y-Achsenrichtung und abgetastet in der X-Achsenrichtung durch die gleiche Größe, wie dies durch einen Pfeil S3 gezeigt ist. Mit den durch die Pfeile S1 bis S3 gezeigten Abtastungen war der Laserstrahl in der Lage, auf eine rechteckige Fläche von ungefähr 5 cm × 1,5 cm aufgestrahlt zu werden. Die Abtastungen gezeigt durch die Pfeile S1 bis S3 wurden dreimal wiederholt.

Gemäß der experimentellen Ergebnisse wurde der Beschich tungsfilm auf der Oberfläche der Aluminiumplatte im all gemeinen perfekt entfernt und die Oberfläche der Alumini umbasismaterialplatte wurde freigelegt. Auf der Oberflä che der Aluiniumplatte wurde keine Schädigung beobachtet. In den obigen Experimenten wurde die gleiche Oberfläche oder das gleiche Oberflächengebiet des Objektes dreimal mit dem Laserstrahl beaufschlagt. Durch Reduzierung der Anzahl der Laserstrahlbestrahlungen kann nur der Ober schichtteil des Beschichtungsfilms entfernt werden, wobei der untere Schichtteil zurückgelassen wird. Der Beschich tungsfilm auf der Außenrahmenoberfläche eines Flugzeugs wird im allgemeinen durch eine Primärschicht und eine darauf ausgebildete Oberbeschichtungsschicht gebildet, wobei die Primärschicht als eine bindende und rostsichere Schicht dient und wobei die Oberbeschichtungsschicht als eine dekorative Schicht dient. Beispielsweise kann durch Einstellung der Anzahl von Laserstrahlungen nur die obere Beschichtungsschicht entfernt werden.

Eine Oberflächentemperatur eines Beschichtungsfilms auf dem Objekt, auf welches Laserstrahlen aufgebracht werden, wird nun mehr beschrieben:

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung einer Änderung der Oberflächentemperatur einer Aluminiumplatte unmit telbar nach dem Stoppen der Laserpulsstrahlung auf die Oberfläche der Aluminiumplatte. Die Ordinate repräsen tiert eine Temperatur mit der Einheit °C und die Abszisse repräsentiert die vergangene Zeit. Die Skala auf der Ab szisse ist eine Sekunde pro Unterteilung. Der verwendete Laserstrahl war TEA-CO₂ Laser, und die Impulswiederho lungsfrequenz war 100 Hz und die Energiedichte auf der Oberfläche der Aluminiumplatte war ungefähr 5 J/cm².

Wenn die Temperatur unmittelbar nach dem Stoppen der La serstrahlung gemessen wird, so steigt die gemessene Tem peratur schnell an. Nachdem die gemessene Temperatur ein Maximalwert annimmt, senkt sie sich allmählich ab. Eine auftretende Zeitverzögerung bis zum Erreichen des Maxi malwertes entspricht einer Ansprechverzögerung des ver wendeten Thermometers oder anderen Gründen und es wird angenommen, daß dieser Maximalwert annähernd der Ober flächentemperatur der Aluminiumplatte, die unter Laser bestrahlung steht, entspricht.

Die in Fig. 4 gezeigte Maximaltemperatur ist ungefähr 32°C. Wenn daher der Beschichtungsfilm durch Abrasion unter den obigen Bedingungen entfernt wird, so kann die Oberflächentemperatur auch nicht mehr als 80°C gehalten werden und der Beschichtungsfilm kann entfernt werden, wobei den IATA-Standards Genüge getan wird.

Fig. 5A ist eine graphische Darstellung, die eine Ände rung der Oberflächentemperatur von Kompositmaterial zeigt, wie es üblicherweise für den Außenrahmen eines Flugzeugs verwendet wird, und zwar unmittelbar nach dem Stoppen der Laserpulsstrahlung auf die Oberfläche davon, wobei die Laserpulse unter den gleichen Bedingungen wie die oben angelegt wurden. Die gemessene Maximaltemperatur übersteigt 100°C, was nicht den IATA-Normen entspricht. Dies liegt daran, daß das Kompositmaterial einen hohen Laserstrahlabsorptionsfaktor besitzt und eine geringe thermische Leitfähigkeit.

Fig. 5B ist eine graphische Darstellung, die eine Ände rung der Oberflächentemperatur des Kompositmaterials zeigt bei angelegten Laserimpulsen, wobei Stickstoffgas aus der Düse 40 gemäß Fig. 2 aufgestrahlt wird. Die ge messene Maximaltemperatur ist ungefähr 70°C, was den IATA-Standards entspricht. Dadurch, daß man Stickstoffgas auf die Laserstrahlungszone oder -region bläst, wird es möglich, einen Oberflächentemperaturanstieg zu unterdrüc ken und den Beschichtungsfilm unter den Bedingungen, die den IATA-Normen genügen, zu entfernen.

Bei dem in Fig. 5B gezeigten Experiment wurde Stickstoff gas als Kühlmittelgas verwendet. Auch können andere Gase verwendet werden. Wenn das Material leicht auf der frei liegenden Oberfläche eines Objekts oxidiert werden kann, so ist vorzuziehen, inerte Gase zu verwenden, wie bei spielsweise Helium. Neon oder Argon oder auch andere nicht-oxidierende Gase, wie beispielsweise Stickstoffgas.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 ein Laser strahlungsverfahren beschrieben, welches in der Lage ist, einen Oberflächentemperaturanstieg eines Objektes zu un terdrücken.

Fig. 6 zeigt die Abtastgeschichte der Laserstrahlregion des Gebietes auf der Oberfläche eines Objektes. Es sei ein X-Y-rechteckiges Koordinatensystem betrachtet und auf die Oberfläche eines Objektes gelegt. Durch Wiederholung eines Prozesses des Abtastens einer Laserstrahlregion in der X-Richtung eine Vielzahl von Malen während die Laser strahlungsregion in Y-Richtung verschoben wird, jedes Mal wenn eine Abtastung in X-Richtung ausgeführt wird, wird die gesamte Region (Bereich), wo der Beschichtungsfilm entfernt wird, mit einem Laserstrahl beaufschlagt.

Eine Region oder ein Bereich, wo ein Laserstrahl während einer Abtastung in der X-Richtung aufgebracht wird, ist eine Einheitsregion. Diese Einheitsregionen sind Seite an Seite in Y-Richtung angeordnet und sind mit U1, U2, U3 . . . U10 von oben nach unten bezeichnet. Als erstes wird die Einheitsregion U1 abgetastet, sodann wird die Ein heitsregion U3 durch überspringende Einheitsregion U2 ab getastet und in der Folge werden die Einheitsregionen U5, U7 und U9 abgetastet. Nachdem die Einheitsregion U9 abge tastet ist, werden die verbleibenden Einheitsregionen je de zweite Einheitsregion, startend von einer Einheitsre gion U2 abgetastet.

Durch Abtasten jeder zweiten Einheitsregion angeordnet in Y-Richtung in der oben beschriebenen Art und Weise kann ein Anstieg der Oberflächentemperatur unterdrückt werden. Die Ordnung oder Reihenfolge der Abtastung in Y-Richtung ist nicht auf jede zweite Einheitsregion beschränkt, son dern es kann auch jede dritte und mehrere Einheitsregio nen verwendet werden. Es wird nicht als notwendig angese hen, jede Einheitsregion in einem konstanten Intervall in der Y-Richtung abzutasten, wenn ein gewisser Raum in Y-Richtung zwischen der abgetasteten Einheitsregion und der als nächstes abzutastenden Einheitsregion vorhanden ist.

Obwohl im obigen Ausführungsbeispiel ein Pulsoszilla tionslasersystem als der Laserlichtgenerator verwendet wird, können auch andere Lasersysteme verwendet werden, wie beispielsweise ein Nd:YAC-Lasersystem, ein Nd:YLF-Laser system, ein Anregungslasersystem, ein Kupfer dampflasersystem, ein CO-Lasersystem und eine Halblei terlasersytem. Die Art der Oszillation oder Schwingung ist nicht nur auf den Pulsoszillationstyp beschränkt, sondern es kann auch ein kontinuierlicher Oszillationstyp verwendet werden. Höhere Harmonische, beispielsweise zweite bis fünfte Harmonische oder Raman-gestreutes Licht ein Laserstrahlausgangsgröße von diesen Lasersystemen kann auch verwendet werden
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausfüh rungsbeispiele beschränkt.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Ein Laserbearbeitungssystem mit einer Linse zum Konver gieren und Divergieren eines Laserlichts und zum Anlegen des Laserlichts an die Oberfläche eines zu bearbeitenden Objektes, wobei folgendes vorgesehen ist: ein Linsen tragmechanismus zum Tragen der Linse und zum Einstellen der Höhe der Linse gegenüber der Oberfläche des Objekts, und eine Einheit um ein Gas auf einen Laserlichtbestrah lungsregion der Oberfläche eines Objektes aufzustrahlen. Durch das Blasen des Gases auf die Laserstrahlungsregion wird ein Temperaturanstieg des Objekts unterdrückt.

Claims

1. Laserbearbeitungssystem, das folgendes aufweist:
eine Linse (23) zum Konvergieren oder Divergieren von Laserlicht und zum Aufbringen des Laserlichtes auf eine Oberfläche eines Objektes, das verarbeitet oder bearbeitet werden soll;
einen Linsentragmechanismus (24) zum Tragen der Lin se (23) und zum Einstellen der Höhe der Linse von der Oberfläche des Objektes; und Mittel zum Heraus strahlen eines Gases auf eine Laserlichtstrah lungsregion auf der Oberfläche des Objektes.

2. Verfahren zur Entfernung eines Beschichtungsfilmes durch Aufbringen eines Laserlichtes auf eine Ober fläche eines zu bearbeitenden Objektes mit einem darauf ausgebildeten Beschichtungsfilm, wobei minde stens ein oberer Teil des Beschichtungsfilmes durch Abrasion entfernt wird, und zwar unter Verwendung eines in seiner Energiedichte variablen optischen Systems, welches in der Lage ist, Laserlicht auf die Oberfläche des Objektes aufzubringen und die Ener giedichte des Laserlichtes auf der Oberfläche des Objektes zu verändern, wobei das Verfahren den Schritt des Entfernens des Beschichtungsfilmes um faßt, und zwar durch Aufbringen von Laserlicht wäh rend Gas auf die Oberfläche des Objektes geblasen wird.

3. Laserverarbeitungssystem, das folgendes aufweist:
eine Linse (23) zum Konvergieren oder Divergieren von Laserlicht und zum Aufbringen oder Vorsehen von Laserlicht auf eine Oberfläche eines zu bearbeiten den Objektes;
ein erster Deflektor (21) angeordnet in einem opti schen Pfad des Laserlichtes, das auf die Linse auf fallen soll, und zwar zur Bewegung einer Strahlungs position des Laserlichtes entlang einer ersten Rich tung auf der Oberfläche des Objektes durch Änderung der Durchlaßrichtung des Laserlichtes;
ein zweiter Deflektor (22) angeordnet in einem opti schen Pfad des Laserlichtes, das auf die Linse auf fallen soll, und zwar zur Bewegung einer Strah lungsposition des Laserlichtes entlang einer zweiten Richtung, die die erste Richtung schneidet, und zwar auf der Oberfläche des Objektes, und durch Änderung einer Übertragungsrichtung des Laserlichts, und Steuermittel zum Steuern des ersten Deflektors und des zweiten Deflektors zur Ausführung eines Prozes ses des Abtastens einer Strahlungsposition von La serlicht in der ersten Richtung einer Vielzahl von Malen während die Strahlungsposition in der zweiten Richtung verschoben wird, die sich mit der ersten Richtung schneidet, und zwar jedes Mal, wenn ein Prozeß ausgeführt ist, so daß eine Laserstrahlungs region durch einen Prozeß beabstandet ist von einer Laserstrahlungsregion durch den nächsten Prozeß.

4. Laserverarbeitungssystem, wobei folgendes vorgesehen ist:
eine Linse zum Konvergieren oder Divergieren von La serlicht und zum Anlegen des Laserlichtes an eine Oberfläche eines Objektes, welches verarbeitet wer den soll;
ein ersten Deflektor angeordnet in einem optischen Pfad des Laserlichtes, das auf die Linse auffallen soll, und zwar zur Bewegung einer Strahlungsposition des Laserlichtes entlang einer ersten Richtung auf der Oberfläche des Objektes durch Ändern einer Über tragungsrichtung des Laserlichtes;
ein zweiter Deflektor angeordnet in einem optischen Pfad des Laserlichtes, das auf die Linse auffallen soll, und zwar zur Bewegung einer Strahlungsposition des Laserlichtes entlang einer zweiten Richtung, die sich mit der ersten Richtung schneidet, und zwar an der Oberfläche des Objektes, und zwar ferner durch Ändern der Übertragungsrichtung des Laserlichtes; und
Steuermittel zum Steuern des ersten Deflektors und des zweiten Deflektors zur Ausführung eines Prozes ses des Abtastens einer Strahlungsposition des La serlichtes in der ersten Richtung eine Vielzahl von Malen, wobei die Strahlungsposition in der zweiten Richtung verschoben wird, die sich mit der ersten Richtung schneidet, und zwar jeweils wenn ein Prozeß ausgeführt ist derart, daß eine Vielzahl von Ein heitsregionen kontinuierlich in der zweiten Richtung angeordnet mindestens hinsichtlich jeder zweiten Re gion abgetastet werden, wobei die Einheitsregion ei ne Region ist, die durch Laserlicht durch einen Pro zeß in der ersten Richtung abgedeckt ist.