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Partikelfreistrahlen
werden unter anderem zur Erzeugung mechanischer Strukturen verwendet. Zum
einen wird die mechanische Energie der Partikel in erodierenden
Prozessen für
den Materialabtrag benutzt, beispielsweise beim Sandstrahlen. Zum
anderen werden die Partikel selber in additiven Prozessen zum Aufbau
der Strukturen verwendet. Beispiele hierfür finden sich in der Beschichtungstechnik.
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Für viele
Anwendungen ist es wünschenswert
den Freistrahl durch eine geeignete Formung an den jeweiligen Prozeß anzupassen.
Dies geschieht am einfachsten durch mechanische Einrichtungen, zum
Beispiel Düsen
oder Lochblenden. Die Grenze dieser Verfahren liegt üblicherweise
bei einer Positioniergenauigkeit von mehr als einigen hundert Mikrometern
(im folgenden mit μm
abgekürzt).
Es gibt jedoch im industriellen Bereich viele Prozesse, die eine bessere
Genauigkeit wünschenswert
machen. Wegen des unverhältnismäßig hohen
Aufwands für
die Verbesserung der Positioniergenauigkeit sind den rein mechanischen
Verfahren aber nicht nur technologische sondern auch wirtschaftliche
Grenzen gesetzt.
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Die
Flugbahn von sehr kleinen elektrisch geladenen Partikeln wie Elementarteilchen
oder Ionen läßt sich
durch magnetische oder elektrische Felder sehr gut beeinflussen.
Auch elektrisch neutrale Partikel können durch im Handel befindliche
Einrichtungen aufgeladen und danach magnetisch oder elektrisch abgelenkt
werden. Durch entsprechende Einrichtungen lassen sich zum Beispiel
in Partikelmassensprektrometern (PMS) geladene Partikel bis zu einer
maximalen Größe von 10
Nanometern (nm) durch unterschiedliche Flugbahnen selektieren. Für Freistrahlen
mit noch größeren Partikeln
steigt wegen der notwendigen hohen Feldstärken der technologische und
wirtschaftliche Aufwand sehr schnell auf ein für den industriellen Einsatz
nicht vertretbares Maß an.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, die die in einem Feststoff-Aerosol
Freistrahl beförderteten
Partikel mit einer bisher nicht erreichbaren Genauigkeit in Ihrer Flugbahn
beeinflussen kann. Der Partikeldurchmesser kann hierbei im Gegensatz
zu bekannten Einrichtungen auch einige Nanometer bis zu mehrere
hundert Mikrometer betragen.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Schutzanspruch 1 und Schutzanspruch 2 aufgeführten Merkmalen
gelöst.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, den Feststoff-Aerosol Freistrahl
zunächst
durch mechanische Mittel zu formen und hierdurch die benötigte Energie
für die
magnetischen oder elektrischen Felder soweit zu verringern, daß auch mit
relativ geringen Feldstärken
eine ebenso gute Positioniergenauigkeit der mitgeführten geladenen
Partikel realisiert werden kann, wie sie bisher nur für wesentlich kleinere
Partikel möglich
war.
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Die
für die
Erzeugung des Magnetfeldes notwendigen Spulen oder Dauermagnete
oder die für die
Erzeugung des elektrischen Feldes notwendigen Elektroden können hierbei
so klein ausgeführt
werden, daß die
Erfindung die Verwendung von Feststoff-Aerosol Freistrahlen in neuen Anwendungen
ermöglicht
oder zumindest erleichtert.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der 1 bis 8 näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel
besteht erfindungsgemäß im wesentlichen
aus einer konzentrischen Düse,
die in diesem Beispiel angenähert
die Form zweier ineinander geschobenen stumpfen Kegel besitzt. Es
zeigen:
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1 Die
Ansicht eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
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2 Eine
Seitenansicht des Aussenkegels
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3 Details
des schmaleren Kegelendes in 2
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4 Eine
Seitenansicht des Innenkegels
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5 Details
des schmaleren Kegelendes in 4
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6 Einen
Schnitt entlang einer Linie A–A in 1
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7 Eine
Ausschnittvergrößerung aus 6,
die die Form des Strömungskanals
für das Feststoff-Aerosol
zeigt
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8 Details
der Kegelspitzen als Ausschnittvergrößerung aus 6,
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel
dient dazu, einen Feststoff-Aerosol Freistrahl zu fokussieren, dessen
Partikel den Zuschlagstoff beim lasergestützten Mikro-Auftragsschweißen bilden. Die Partikel mit
einem Durchmesser von circa. 1 μm
müssen
hierbei auf wenige μm genau
in den Arbeitspunkt des Laserstrahls gelenkt werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
das das Feststoff-Aerosol in Richtung des Pfeils 4 zwischen
dem Außenkegel 1 und
dem Innenkegel 2 der konzentrischen Düse durch auf dem Umfang des
Innenkegels 2 angeordnete Schlitze 3 in Richtung
des Pfeils 4 zur Düsenspitze
strömt.
Die Strömungsrichtung
des Feststoff-Aerosols wird hierdurch mechanisch in Richtung des
Laserfokusses gelenkt. Die Abbildung zeigt 40 identische Schlitze 3. Die
Anzahl, Form und die Länge
der Schlitze in Richtung der Düsenöffnung ist
grundsätzlich
variabel und richtet sich nach der jeweiligen Anwendung. Die Verbindung
der Düse
mit der Versorgungseinrichtung für das
Feststoff-Aerosol kann entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten
unterschiedlich ausgeführt
sein und ist nicht dargestellt Das Ausführungsbeispiel muß für den industriellen
Einsatz so klein wie möglich ausgeführt werden.
Spannungsbeaufschlagte Elektroden zur Erzeugung eines hinreichend
starken elektrischen Feldes können
wesentlich kleiner sein als stromdurchflossene Spulen zur Erzeugung
eines hinreichend starken magnetischen Feldes. Aus diesem Grund
besitzt das Ausführungsbeispiel
im Bereich der Düsenspitze
erfindungsgemäß jeweils
eine ringförmige
Elektrode innerhalb des inneren und des äußeren Kegels. Andere Ausführungen
der erfindungsgemäßen Einrichtung
können
entsprechend den jeweiligen Anforderungen mehr als zwei Elektroden
oder Spulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes besitzen. Zweckmäßigerweise
bestehen beide Elektroden des Ausführungsbeispiels aus einer einzigen dünnen Drahtwindung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfinderischen Lehre sieht vor,
eine Kombination aus Spulen und Elektroden zu verwenden.
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In 2 und 3 ist
die Elektrode des Außenkegels 1 mit 6 bezeichnet.
Sie wird im Folgenden Außenelektrode
genannt. Entsprechend wird die in 4 und 5 gezeigte
Elektrode 7 des Innenkegels 2 im Folgenden mit
Innenelektrode bezeichnet. Da beide Elektroden ohne Isolierhülle in die
Materialien des Innen- und des Außenkegels eingebettet sind,
bestehen beide Kegel aus elektrisch isolierendem Material. Diese
Isolierung verhindert das Berühren
von unter berührungsgefährlichen
Spannungen stehenden Teilen. Sie ist ebenfalls nach Material und Stärke so ausgelegt,
daß Hochspannungsdurchschläge durch
das Material zuverlässig
verhindert werden und keine Entladung der mit dem Feststoff-Aerosol
transportierten geladenen Partikel gegen die Elektroden stattfindet.
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Der
Innenkegel besitzt wie in 1 gezeigt entlang der Mittelachse
eine vorzugsweise ebenfalls kegelförmige Öffnung 5 für den Laserstrahl.
Die Öffnungswinkel
der kegelförmigen Öffnung und
der konzentrischen Düse
sind vorzugsweise gleich.
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Die
Befestigung des Innenkegels im Außenkegel erfolgt vorzugsweise
durch Verpressen oder Verkleben oder durch eine Kombination beider
Verfahren. Die durch die Schlitze 3 unterbrochene Außenfläche des
Innenkegels liegt hierfür
mit den verbleibenden Flächen 10 an
der Innenfläche
des Außenkegels
an.
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Eine
vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, für diese
Verbindung ein Gewinde vorzusehen.
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Entsprechend
den jeweiligen Anforderungen können
die Schlitze 3 auch in der Innenseite des Außenkegels
oder in beiden Flächen
vorhanden sein.
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Der
in 6 gezeigte Schnitt entlang der Linie A–A in 1 ist
so gewählt,
daß das
Profil der Schlitze sichtbar wird. Die punktierte Linienschar 9 zeigt
die Flugbahnen der in dem Feststoff-Aerosol enthaltenen Partikel.
Ebenfalls gezeichnet ist der Verlauf des Laserstrahls 11 durch
die Öffnung 5 des Innenteils 2.
Wie aus 4 ersichtlich, verlaufen die Schlitze 3 nicht über die
gesamte Länge
der koaxialen Düse.
Vielmehr ist die Länge
der Schlitze so gewählt,
daß zum
einen eine sichere mechanische Verbindung zwischen dem Innenkegel
und dem Außenkegel
gewährleistet
ist, und zum anderen alle im Feststoff-Aerosol enthaltene Partikel
sich in Richtung der geometrischen Kegelspitze bewegen. In 7 ist die
innere Begrenzungsfläche
dieses Kegelabschnitts mit 12 gekennzeichnet. In Richtung
der Kegelspitze reicht dieser Abschnitt bis zu den Begrenzungsflächen 15.
Im Verlauf des in Richtung der Kegelspitze folgenden Abschnitts
mit der Begrenzungsfläche 13 vergrößert sich
der Abstand zwischen dem Innenkegel und dem Außenkegel.
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In 7 ist
die Fläche 13 als
Gerade dargestellt Durch die Vergrößerung des Abstands zwischen
dem Innenkegel und dem Außenkegel
oberhalb der Fläche 13 kann
die Richtung und der Querschnitt der Feststoff-Aerosol Strahl zunehmend
durch das elektrische Feld geformt werden. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel
hat der Festkörper-Aerosol Strahl
beim Eintritt in den in Richtung der Düsenspitze folgenden Abschnitt
oberhalb der Fläche 14 die Form
einer nach innen gekrümmten
Trichterwandung. Um die für
die Erzeugung des Feldes notwendige Elektrodenspannung möglichst
gering zu halten, sieht eine vorteilhafte Weiterentwicklung der
Erfindung vor, die Fläche 13 entsprechend
dem in Richtung Kegelspitze zunehmend gekrümmten Verlauf des Feststoff-Aerosolstrahls
zu gestalten. Hierdurch wird die Form des Strahls nicht nur durch
die in Richtung der Düsenspitze
zunehmende Stärke
des elektrischen Feldes, sondern zunächst auch noch durch die Form
der Fläche 13 beeinflußt.
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Die
Länge der
Fläche 13 und
der Abstand zwischen dem Abschnitt 14 der Innenkegeloberfläche und
der Innenwandung des Aussenkegels ist mindestens so groß, daß das Feststoff-Aerosol
oberhalb der Fläche 14 hinreichend
vollständig
als Freistrahl in Richtung der Kegelspitze strömt.
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8 zeigt
im Detail die Anordnung der Außenelektrode 6 und
der Innenelektrode 7. Vorteilhafter Weise ist die Innenelektrode
mit dem Erdpotential verbunden. Für die elektrische Isolierung
der Innenelektrode 7 reichen in diesem Fall bereits geringe Wandstärken aus.
Im Ausführungsbeispiel
wird davon ausgegangen, daß die
mit dem Feststoff-Aerosol transportierten Partikel elektrisch negativ
geladen sind. Die Außenelektrode
führt ebenfalls
negative Spannung. Durch das zwischen den Elektroden vorhandene
Feld werden die Partikel von der Innenelektrode 7 angezogen
und von der Außenelektrode 6 abgestoßen. Sind
die Partikel positiv geladen, wird durch eine positive Spannung
an der Außenelektrode der
gleiche Effekt hervorgerufen. Hierfür ist keine Änderung
des Ausführungsbeispiels
notwendig. Eine höhere
Strömungsgeschwindigkeit
des Feststoff Aerosols, größere Feststoff-Partikel
oder eine Kombination dieser beiden Eigenschaften erfordern höhere elektrische
Feldstärken.
Um diese zu erzeugen sind eine höhere
Elektrodenspannung und eine höhere elektrische
Durchschlagsfestigkeit des Isoliermaterials für den Außenkegel notwendig. Um das
Ausführungsbeispiel
ohne bauliche Änderungen
auch für diese
Anwendungen benutzen zu können,
ist die Isolierung 18 der Spannung führenden Außenelektrode vorteilhafter
Weise so dick wie möglich
ausgelegt. Die maximale Stärke
der Isolierung 18 ist durch den verbleibenden Spalt 17 gegeben.
Dieser Spalt muß so
groß sein,
daß der
im Bereich der Düsenspitze hinreichend
reine Freistrahl nicht durch einen Kontakt mit der Isolierung 18 verformt
wird. Eine weitere vorteilhafte Weiterentwicklung sieht vor, die
Isolierung getrennt von dem Außenkegel
zu fertigen und hierdurch einen standardisierten Außenkegel
durch Auswahl einer lediglich hinreichend durchschlagfesten Isolierung
leichter an die jeweilige Anwendung anzupassen. Durch Verwendung
einer lösbaren
Verbindung kann diese Weiterentwicklung vorteilhafter Weise auch
nachträglich
an wechselnde Anwendungen angepaßt werden. Die Elektrode 7 des
Innenteils sieht eine weitere vorteilhafte Weiterentwicklung vor diese
nicht vollständig
in das Material des Innenkegels 2 einzubetten. Vielmehr
ist die Spitze 21 des Innenkegels 1 ein separates
Teil. Nach Passieren des Spaltes 17 verläßt der Feststoff-Aerosol
Freistrahl 9 die Düse.
Durch das elektrische Feld wird er jedoch weiterhin in Richtung
der Düsenmittelachse
gelenkt. Da sämtliche
Partikel des Feststoffaerosols bestrebt sind, eine dem Feldverlauf
entsprechende ideale Flugbahn einzunehmen, wird auch die Wandstärke des
trichterförmigen
Freistrahls zunehmend geringer. Die Flugbahnen aller Partikel des
Feststoff-Aerosol Freistrahls fallen hierdurch auf der Mittelachse
der Düse
zu einem sehr kleinen Fokusbereich 19 zusammen. Dies ist
gleichzeitig der Fokuspunkt des Laserstrahls. Durch die Energie
des Laserstrahls werden die Partikel des Feststoff-Aerosolstrahls
im Sinne des Ausführungsbeispiels
versintert oder verschmolzen um auf dem Substrat 20 die
gewünschten
Strukturen zu erzeugen. Die Feinjustage der Fokuslage entlang der
Mittelachse und der Durchmesser des Fokusbereichs kann durch Verändern der
Elektrodenspannung sehr einfach auch während des Betriebs vorgenommen
werden. Es sind Anwendungen bekannt die einen konstanten oder variablen
räumlichen
oder bei bewegtem Substrat 20 zeitlichen Abstand zwischen den
Fokusbereichen des Lasers und des Feststoff-Aerosol Freistrahls erfordern. Dies
ist zum Beispiel beim nachträglichen
Pulvereintrag in eine vom Laser erzeugte Schmelzspur der Fall. Auch
dies ist durch einfaches Einstellen der Elektrodenspannung möglich.
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Um
die gleiche Wirkung wie das durch die Elektroden 6 und 7 erzeugte
elektrische Feld mit magnetischen Feldern zu erzeugen, sieht eine
andere Ausführung
vor, den Innenkegel und den Außenkegel als
Kern einer Zylinderspule zu benutzen. Die Kegel bestehen bei dieser
Ausführung
aus einem magnetisch weichen Material hoher Permeabilität, das die Spule
allseitig umschließt.
Das zwischen den Spalten 3 verbleibende Material stellt
als Joch einen Kurzschluß für die magnetischen
Feldlinien her. Da die Wandstärke
des Außenkegels
in einem größeren Bereich
variiert werden kann, verlaufen die Drähte der Spule vorzugsweise
innerhalb des Außenkegels. Grundsätzlich können sie
aber auch im Innenkegel vorhanden sein. Der Spalt 17 bildet
bei dieser Ausführung
einen Luftspalt für
das magnetische Feld. Der Feldlinienverlauf in der Nähe dieses
Luftspalts wird in der Art einer magnetischen Linse für die Fokussierung
des Feststoff-Aerosol Freistrahls benutzt. Wenn die maximal mögliche Baugröße, die
Masse der einzelnen Partikel und die Strömungsgeschwindigkeit des Freistrahls
das verglichen mit den Elektroden 6 und 7 sehr
viel größere Spulenvolumen
erlauben, besitzt diese Ausführung
den Vorteil, auf die hohen Elektrodenspannungen verzichten zu können.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, das die Flugbahn 9 und
hierdurch die Lage des Fokuspunkts 19 des Feststoff-Aerosol
Freistrahls durch einfache Einstellung der Versorgungsspannung für die Elektroden
des elektrischen Feldes oder der Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes
vorgenommen werden kann. Da dies einfach während des Betriebes geschehen
kann, ist das Auswechseln oder Justieren von mechanischen Teilen
nur noch für sehr
große Änderungen
notwendig.
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Wegen
der beschriebenen Vorteile in Hinsicht auf eine bisher mit vergleichbarem
Aufwand nicht erreichbare Beeinflußbarkeit von Feststoff-Aerosol
Freistrahlen ermöglicht
die Erfindung eine Vielzahl neuer Anwendungen vor allem für die gewerbliche
Serienfertigung von Strukturen im oberen Nanometer und im Mikrometerbereich.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
ist einfach, robust und kostengünstig
herstellbar. Hierdurch kann sie auch wirtschaftlich vorteilhaft
in bereits industriellen Herstellungsprozessen eingesetzt werden,
bzw. diese erst ermöglichen.