JP2018520262A

JP2018520262A - レーザーコーティング方法及びそれを実施するための装置

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Publication number: JP2018520262A
Application number: JP2017557115A
Authority: JP
Inventors: ビスゲス・ミヒャエル; ヒルト・ウルリヒ−アンドレアス
Original assignee: Eckart GmbH
Current assignee: Eckart GmbH
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2018-07-26
Also published as: KR20180002603A; DE102015106464A1; WO2016173963A1; CN107532284A; EP3250731B1; US20180117711A1; EP3250731A1

Abstract

本発明は、次のステップを含む表面にコーティング材料を塗布する方法に関する。− キャリアガスとコーティング材料（２）とを含むガス混合物流（８）を提供する工程、− ガス混合物流（８）を表面（３ａ）に供給し、その際、ガス混合物流（８）が表面（３ａ）上に衝突し、そしてそこに適用されたコーティング材料（３ａ）が表面（３ａ）上に衝突領域（１１）を形成する工程、− 少なくとも１つのレーザービーム（７）をガス混合物流（８）にカップリングする工程、− その際、固体のコーティング材料（２）が少なくとも部分的に融解するように、少なくとも１つのレーザビーム（７）のカップリングエネルギーが決定され、および、− その際、各レーザービーム（７）は、レーザービーム（７）が表面上の衝突領域（１１）に衝突しないように、ガス混合物流（８）と位置合わせされる。さらに、本発明は、この方法を実施するための装置に関する。

Description

本発明は、表面上におおよそ任意の固体のコーティング材料を塗布するための方法及び装置に関する。

レーザークラッディング（Ｌａｓｅｒａｕｆｔｒａｇｓｃｈｗｅｉｓｓｅｎ）により、おおよそ任意のコーティング材料を施用することによって、表面塗工がワークピース表面上に適用されることが、従来技術から知られている。レーザービームは、部材の表面上に融解槽を生じさせ、該表面に、コーティング材料が粉末−ガス混合物としてノズルを用いて供給される。そのコーティング材料は、特に、金属粉末である。部材の表面及びコーティング材料の両方が、レーザークラッディング時に融解する。

ＴｒｕｍｐｆＬａｓｅｒ社のパンフレット“レーザークラッディング：表面を最適化し、そして、修復する−Ｉｄｅｎｔ−Ｎｒ．０３７５８４５＿２０１３０６＿Ｆ”（非特許文献１）、そして、ＳｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｉｋＧｍｂＨ，Ｄ７１２５４、Ｄｉｔｚｉｎｇｅｎ（非特許文献２）に開示されているレーザークラッディング装置は、粉末−ガス混合物流を提供するための粉末フィーダーと、粉末ノズルを有する機械加工システムとを有する。粉末ノズルを用いて、粉末フィーダーによって予め供給された粉末−ガス混合物流が被覆すべき表面に供給される。該処理光学システム（Ｂｅａｒｂｅｉｔｕｎｇｓｏｐｔｉｋ）は、ビーム源としてディスクレーザー又はダイオードレーザを有する。該処理光学システムは、粉末−ガス混合物流がそれに対して方向付けられるワークピースの表面上にレーザービームが衝突するように構成される。

レーザークラッディングは、所定の表面にのみ適している。特にプラスチックの場合、部品表面に結合されたレーザービームの高エネルギーが部品表面の損傷を招く。したがって、レーザークラッディングは、高融点プラスチック、金属又はセラミックスの表面上でのみ可能である。

ＴｒｕｍｐｆＬａｓｅｒ社のパンフレット"レーザークラッディング：表面を最適化し、そして、修復する−Ｉｄｅｎｔ−Ｎｒ．０３７５８４５＿２０１３０６＿Ｆ" ＳｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｉｋＧｍｂＨ，Ｄ７１２５４、Ｄｉｔｚｉｎｇｅｎ

本発明は、この技術水準から出発して、温度に敏感な表面上でさえほとんどの所望の固体コーティング材料を適用する方法を提供するという課題に基づいており、それはまたエネルギーも大幅に少なくて済む。さらに、この方法を実施するための有利な装置が与えられる。

この課題は、請求項１の特徴を有する方法、及び請求項２４の特徴を有する装置によって解決される。

少なくとも一つのレーザービームをガス混合物流中へカップリングする工程は、好ましくは、該ガス混合物流が表面上に衝突する直前に行われる。このカップリングによって、レーザービームからのエネルギーは、ガス混合物流中に固体として存在しているコーティング材料に転写され、その際、少なくとも一つのレーザービームのカップリングされたエネルギーは、その固体のコーティング材料が少なくとも部分的に融解するように設定される。

各レーザービームは、表面上に適用されたコーティング材料の衝突領域にレーザービームが衝突しないように、ガス混合物流に合わせて調整される（ａｕｆｄｅｎＧａｓｇｅｍｉｓｃｈｓｔｒｏｍａｕｓｇｅｒｉｃｈｔｅｔ）。これによって、レーザービームのエネルギーが表面上に直接伝達されず、かつ、表面の熱負荷がレーザークラッディングに対抗して大幅に低減されるという結果がもたらされる。表面のより低い熱負荷により、本発明による方法による感熱性材料のコーティングが可能となる。好ましくは、それぞれのレーザービームは、該表面のいずれの箇所においてもレーザービームが表面に当たらないように、表面に対して調整される。これは、例えば、表面に対して、レーザービームを平行又上方に傾斜させてアライメントすることによって達成できる。

ガス混合物流中に固体として存在するコーティング材料は、もっぱら少なくとも一つのレーザービームのカップリングされたエネルギーによって部分的に融解される。したがって、コーティングプロセスは、例えば、レーザー出力を遮断するか、レーザービームをフェードアウトするか、又はレーザービームを偏向させることによって、一時的にガス混合物流に整合（ａｕｓｇｅｒｉｃｈｔｅｔ）しないようにして、複数のレーザー又レーザーを用いて単独で制御することができる。粘着性の強いコーティングを形成するために、固体のコーティング材料の粒子の少なくとも表面は、少なくとも一つのレーザービームのカップリングエネルギーによって融解される。

ガス混合物流中へのレーザービームの直接的なカップリング及び構成部材の表面の不要な融解により、レーザークラッディングと比較して、本発明による方法に必要なレーザー出力は非常に低い。コーティング材料（銅）の質量流量を、例えば、専らレーザービームを用いて１０ｇ／分で融解するには、例えば、プラスチック表面に又は事前にコーティングされたコーティング材料の層に接着が生じており、１０ワットのレーザー出力ですでに十分である。

本発明によれば、コーティング材料は、単に局所的に又は広い領域にわたって適用することができる。施用されたコーティング材料の衝突領域を有する、ガス混合物流の断面積よりも大きい大面積コーティングの場合、表面及びガス混合物流は、施用中相互に相対的に移動される。その相対的な移動は、被覆すべき表面を移動させることによって、及び／又はガス混合物流のための供給要素を移動させることによって起こすことができる。

特に粉末供給装置によって供給されるガス混合物流は、固体のコーティング材料を含む。コーティング材料として、特に、純粋な金属又は導電性又は熱伝導性の被膜を製造するための合金が使用される。しかしながら、この方法は、コーティング材料としてプラスチック、ガラス又はセラミックを適用するのにも適している。コーティング材料は、好ましくは粉末として存在する。レーザービームのエネルギーをコーティング材料中に効果的にカップリングさせるために、レーザービームの波長はコーティング材料の吸収スペクトルに適合させなければならない。

適用されるコーティング材料の粘着性が所望される場合に、好ましくは、コーティング材料が適用される表面は、そのコーティング材料のための粘着促進特性を有する。特に有利には、粘着促進性材料は、例えば次のものである：
・ポリアミド
・ＰＣ−ＡＢＳ（ポリカーボネートアクリロニトリルブタジエンスチレン）
・ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）
・ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）
・熱硬化性樹脂

上記材料は、純粋なポリマーとして、又はフィラーを有する化合物として存在することができる。フィラーとして、例えば、ガラス、セラミック又は金属が考慮される。該化合物の最大３０重量％がフィラーである。

物品の表面上のコーティング材料の粘着性を改善するために、本発明の有利な実施形態では、少なくとも、その物品の、表面を有するカバー層は、アンダーカットを有することができる。少なくとも一つのレーザービームは、本発明に従って、連続波レーザーによって連続的に、又はパルスレーザーによって不連続的に生成される。高いピーク強度のために、パルスレーザーは、特に、より高い溶融温度を有するコーティング材料のために使用される。

少なくとも一つのレーザービームが集束された態様でガス混合物流中にカップリングされる場合、ビームの束はカップリング領域において高いエネルギー密度を生じる。集束されていない（ｄｅｆｏｋｕｓｓｉｅｒｔｅｎ）レーザービームを用いることにより、より大きなカップリング領域をガス混合物流中に生じさせることができる。

特に、集束されたレーザービームのカップリング領域をガス混合物流中で増大させるために、本発明の一実施形態では、少なくとも一つのレーザービームをガス混合物流中にカップリングする間に、レーザービームの方向付けが変更される。集束されていないレーザービームの場合には、レーザービームをガス混合物流中にカップリングする間、方向付けは一般に変更されないまま維持される。

表面上へのコーティング材料の構造化された適用は、ガス混合物流の供給中に、少なくとも一つのレーザービームのカップリングが一時的に中断されることにより、簡単な技術及び方法で行うことができる。その結果、コーティング材料へのエネルギー移動が一時的に防止され、そして、それによって、中断の間に供給されたコーティング材料は溶融しない。表面とガス混合物流と間の相対運動に関連して、カップリングを中止することによって、コーティング材料が付着していない表面上の領域を作り出すことができる。

カップリングを一時的に中断するために、レーザー出力をオフにすることができ、レーザービームはダイアフラムでマスキングされるか、またはレーザー光学系によって偏向され、一時的にガス混合物流と整列しないようにすることができる。

キャリアガスと固体コーティング材料とを含むガス混合物流の供給は、粉末フィーダーを用いて行われる。粉末フィーダーは、例えば、ディスクコンベア、振動コンベア、または粉体ポンプを含み、それらにより、粉末状のコーティング材料をキャリアガス流中に導入する。キャリアガスとしては、特に、アルゴン、窒素、周囲空気等の不活性ガスが好適である。キャリアガスは、１〜５０リットル／分、好ましくは１〜２０リットル／分の範囲の体積流量で供給される。粉末フィーダーのコンベアは、０．１ｇ／分〜１００ｇ／分、好ましくは２ｇ／分〜２０ｇ／分の範囲の質量流量でキャリアガスを導く。供給された粉末状のコーティング材料は、好ましくは１００ｎｍ〜１２０μｍの粒径分布を有する。

このようにして形成されたガス混合物流は、ラインを介して出口を有する供給要素に導かれ、その際、該出口は、好ましくは、表面から１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲の垂直距離に維持される。供給要素は、ガス混合物流が好ましくは表面に対して垂直に衝突するように、表面上の出口と整列される。

供給要素として中空針が使用される場合、その内径は０．１〜１０ｍｍであり、内径に対してより長い長さの比にある中空針を通って、粉末−ガス混合物の準層流が出口で生成される。準層流のガス混合物流によって、表面上に精密な構造を堆積させることが可能である。

特に、全面的なコーティングのために、より広いトラックを表面上に堆積する場合、ガス混合物流は、好ましくは、出口でのガス混合物流を加速し、衝突領域の方向に広がるガス混合物流を生成するディフューザを介して供給される。

供給要素の出口から表面への途中におけるエネルギー損失を低く保つために、レーザービームは、好ましくは、ガス混合物流の衝突の直前に、表面上でガス混合物流にカップリングさせる。供給要素の出口の表面までの距離に応じて、表面から０．１ｍｍ〜５０ｍｍの距離でレーザービームはガス混合物流にカップリングされる。コーティング材料の適用中に、衝突領域から供給要素の出口までの距離が変化する場合、好ましくは、レーザー出力は、距離が増加するにつれて増加し、距離が減少するにつれて減少する。

本発明による方法では、表面上にコーティングを施すことができるだけでなく、表面適用（Ｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅｎａｕｆｔｒａｇ）として三次元の物体を製造することも可能である。この目的のために、コーティング材料のいくつかの層が互いの上に堆積される。形成されたそれぞれの層は、次の操作でガス混合物流が供給される表面を形成する。相次いで堆積される層は、異なるコーティング材料からなることができる。例えば、最初に、ポリマーからの単層を堆積し、次にその上に、例えば、銅などの金属コーティング材料からの導電性トラックを堆積することができる。その後、ポリマーコーティング材料のさらなる層を構築して、一体化した導体トラック構造を有する複合部品を製造することができる。このようにして、本発明による方法により、ＭＩＤデバイスに匹敵する回路キャリアを構築することができる。

本発明による方法の一実施形態では、ガス混合物流を供給する前に表面に部分的に、供給されるコーティング材料に対する粘着抵抗特性を有するカバー層を設けることによって、表面を構造化してコーティングすることができる。ガス混合物流は、好ましくは、拡大した流れ断面を有する表面に向けられる。カバー層は、コーティング材料が表面のカバー層を備えていない領域にのみしっかりと付着するという効果を有する。最初に、全面的に施用されたカバー層を部分領域において再び除去することによって、表面に、例えば、部分的にカバー層を設けることができる。除去は、例えば、レーザーアブレーションによって行われる。粘着抵抗特性を有するカバー層は、本発明により、１μｍ〜５００μｍの層厚さで表面上に施用される。

表面上へのコーティング材料の構造化された適用は、本発明のさらなる実施形態において、基材または物品が、粘着促進特性を有する部分および粘着抵抗特性を有する部分を有することによって達成できる。表面上に施用されたコーティング材料は、粘着促進性の材料からなる部分にのみ付着することができる。

表面上へのコーティング材料の構造化された適用は、本発明のさらなる実施形態において、表面または被コーティング物が、少なくとも部分的に犠牲材料からなり、その際、犠牲材料が、ガス混合物流と共に、続いて供給されるコーティング材料に対して付着抵抗特性を有することによって達成できる。ガス混合物流を介したエネルギー投入により、犠牲材料は、コーティング材料が表面上へ付着するのを防止するガス状成分を遊離する。部分的な領域における適用前に、犠牲材料からなる表面を、例えば、レーザーを用いてアブレーションまたは不動態化することによって、コーティング材料の構造化された適用が行われる。除去により、粘着促進特性を有する犠牲材料の下にある表面材料が露出する。不動態化により、犠牲材料からなる表面は、完全に除去されることなく、粘着抵抗性である。犠牲材料の不動態化及び除去は、目標とするエネルギーの投入によって行われる。あるいはまた、犠牲材料は、印刷プロセスまたはマスキングによってすでに構造化されて、粘着促進性の表面上に適用することができる。

物品のカバー層または部分を製造するために使用できる犠牲材料は、好ましくは、以下の材料の少なくとも１つを含む。
・ポリカーボネート
・ポリアクリレート
・とりわけアクリレートモノマーを含有するＵＶ硬化塗料（Ｌａｃｋｅ）

粘着抵抗特性を有する犠牲材料は、アクリル基（ＣＨ_２＝ＣＨ−ＣＯＲ）を有する化学物質を含有することが好ましい。ポリマー中のアクリル基の割合１重量％だけで、犠牲材料の粘着抵抗特性が示される。

以下に、本発明を、図面を参照してより詳細に説明する。

図１Ａは、基材の表面上に粉末状のコーティング材料を施用するための装置の第一の実施形態を示す。図１Ｂは、基材の表面上に粉末状のコーティング材料を施用するための装置の第二の実施形態を示す。図２は、中空針として設計された供給要素を備えた図１Ａによる装置を示す。図３Ａは、粉末状のコーティング材料を、部分的にカバー層が設けられている基板の表面上に施用する方法を説明する概略図である。図３Ｂは、粉末状のコーティング材料を、部分的にカバー層が設けられている基板の表面上に施用する方法を説明する概略図である。図３Ｃは、粉末状のコーティング材料を、部分的にカバー層が設けられている基板の表面上に施用する方法を説明する概略図である。図３Ｄは、粉末状のコーティング材料を、部分的にカバー層が設けられている基板の表面上に施用する方法を説明する概略図である。図３Ｅは、粉末状のコーティング材料を、部分的にカバー層が設けられている基板の表面上に施用する方法を説明する概略図である。図４Ａは、異なる材料特性を有する表面上に粉末状のコーティング材料を塗布する方法を説明するための略図である。図４Ｂは、異なる材料特性を有する表面上に粉末状のコーティング材料を塗布する方法を説明するための略図である。図４Ｃは、異なる材料特性を有する表面上に粉末状のコーティング材料を塗布する方法を説明するための略図である。図５Ａは、三次元オブジェクトを作成する方法を説明するための略図である。図５Ｂは、三次元オブジェクトを作成する方法を説明するための略図である。図５Ｃは、三次元オブジェクトを作成する方法を説明するための略図である。図６は、基材の表面上へのコーティング材料の構造化された塗布のための方法を説明するための概略図である。図７は、粉末状のコーティング材料を複数の基材上に塗布するのに好ましい装置を示す図である。図８は、アンダーカット面を有する基材の表面を示す図である。

基材（３）の表面（３ａ）上に粉末状のコーティング材料（２）を塗布するための図１ａに概略的に示される装置（１）は、本質的に、部分的にのみ示された粉末フィーダー（４）、供給ノズル（５ｂ）として実行される供給要素（５）、並びに、基材（３）の表面（３ａ）に平行なレーザビーム（７）を生成するためのレーザー（６）からなる。

粉末フィーダー（４）は、粉末状のコーティング材料（２）を容器からキャリアガス流中に導入する、図示されていない粉末ポンプを含む。ガス混合物ガス流（８）は、粉末ノズル（５ｂ）の供給ライン（９）を介して供給される。粉末ノズル（５ｂ）の出口（５ａ）は、基材（３）の表面（３ａ）に対して整列し、そして約５０ｍｍの垂直間隔を有する。粉末ノズル（５ｂ）は、図示されていないハンドリングシステムによって矢印（１２）の方向に、かつ、その反対方向に、基材の表面（３ａ）に対して平行に移動可能である。レーザー（６）は、好ましくは、粉末ノズル（５ｂ）に機械的に結合されているため、図１の例示的な実施形態では、固定して保持された基材（３）に対して矢印（１２）の方向にも同様に移動する。レーザービーム（７）がガス混合物流（８）にカップリングされる、カップリング領域（１０）は、基材（３）の表面（３ａ）の真上に位置する。

レーザービーム（７）の平行なビームガイドによって、レーザービーム（７）が表面（３ａ）上のガス混合物流（８）の衝突領域（１１）に確実に衝突しないようにする。その結果、カップリング領域（１０）におけるレーザービーム（７）のエネルギーは、粉末状のコーティング材料（２）上のガス混合物流（８）中でのみ移動する。レーザービーム（７）の作用によってガス混合物流（８）中で少なくとも部分的に既に融解されている粉末状のコーティング材料（２）が、加圧下で表面（３ａ）上に施用される。

図１Ｂ）による装置は、本質的に、レーザービームをカップリング領域（１０）の方向でガス混合物流（８）に向かって拡大する、図示されていないレーザー光学系をレーザー（６）が有する点で図１Ａの装置とは異なる。このようにして、カップリング領域（１０）は、粉末ノズル（５ｂ）の出口（５ａ）と表面（３ａ）との間のガス混合物流（８）のより長い長さにわたって延びている。例えば、より高融点の金属コーティング材料を堆積させることができるよう、その拡大により、デフォーカスされたレーザービーム（７）を、そのレーザー出力の対応する増加時のより高いエネルギーが、粉末状のコーティング材料（２）にカップリングさせることができる。

図２による装置（１）は、供給要素（５）の設計に関してのみ図１Ａの装置と異なる。反復を避けるために、図１Ａの説明を完全に参照する。供給要素（５）は中空針（５ｃ）として設計されており、これは、その長さに対して１０ｍｍ未満の小さな内径を有する。中空針（５ｃ）としての供給要素（５）のその設計によって、出口（５ａ）と基材（３）の表面（３ａ）との間にガス混合物流（８）の準層流が生じる。図３を参照して、カバー層（１３）を部分的に設けた基材（３）の表面（３ａ）上への粉末状のコーティング材料（２）の適用についてより詳細に説明する。基材（３）の表面（３ａ）には、それぞれの端部にカバー層（１３）が設けられている（図３ｂ参照）。カバー層（１３）を有する端部の間で、基材（３ａ）の表面（３ａ）は中間領域（１４）に露出する。カバー層（１３）は、粉末状のコーティング材料（２）に対して粘着抵抗特性を有する。基材（３）の、部分的にカバー層（１３）が設けられた表面（３ａ）に平行な矢印（１２）の方向で粉末ノズル（５ｂ）が移動する場合、図３Ｃ）に示されているように、粉末状のコーティング材料（２）は、その粘着抵抗特性により、カバー層（１３）上に付着しない。図３Ｄ）から分かるように、それにもかかわらず、中央領域（１４）の粉末状のコーティング材料（２）は、基材（３）の表面（３ａ）上に付着性の層（１５）を形成する。コーティング材料（２）の塗布が完了した後、表面を洗浄する。図３Ｅ）は、最終的に洗浄された、基材（３）の中央領域（１４）にのみ選択的にコーティングされたものを示す。

図４は、粉末状のコーティング材料（２）のために粘着抵抗性の材料からなる部分（３ｂ）、およびその間に配置された、粉末状のコーティング材料（２）に対して粘着促進性の材料からなる部分（３ｃ）とからなる部分（３ｃ）を有する不均質な基材（３）を示している。部分（３ｃ、３ｂ）の粘着促進特性または粘着抵抗特性の結果、部分（３ｂ）内の基材（３）の表面（３ａ）上には、コーティング材料（２）と表面との間の粘着固定結合が形成されない。一方で、中央部分３（ｃ）上には、コーティング材料（２）からなる付着性の層（１５）が形成される。コーティング材料（２）の塗布が完了した後、部分（３ｂ）の表面は塗布されたコーティング材料（２）から取り除かれる。最後に、図４Ｃ）は、洗浄された基材３示し、これは、部分（３ｃ）においてのみ選択的にコーティングされている。

図５は、複数の層の上に相前後して堆積された異なるコーティング材料（２ａ、２ｂ）を塗布する方法を概略的に示している。コーティング材料を塗布するための装置（１）は、図１Ａ）による装置に広範囲にわたって対応している。しかしながら、図示されていない粉末フィーダー（４）は、二つの粉体容器を有しており、そこから、粉末ポンプが第１または第２のコーティング材料（２ａ、２ｂ）をキャリアガス流中に交互に導入する。したがって、ガス混合物流（８）は、必要に応じて、第１または第２のコーティング材料（２ａ、２ｂ）を有する。

図５Ａ）は、粉末ノズル（５ｂ）を第１のコーティング材料（２ａ）と矢印（１２）の方向で相対的に移動させることによって、どのように基材（３）の表面（３ａ）が、最初に、衝突領域（１１）においてコーティングされるかを示している。続いて、図５Ｂ）に示すように、第１のコーティング材料（２ａ）の第１の層（１６）の表面上に、第２のコーティング材料（２ｂ）を有する第２の層（１７）を塗布する。最後に、図５Ｃ）に示すように、より小さな衝突領域（１１ｂ）において粉末ノズル（５ｂ）の往復運動を繰り返すことによって、第２の層（１７）の表面上に４つの第３の層（１８）が第１のコーティング材料（２ａ）で適用される。

レーザービーム（７）の照射中に融解した第１および第２のコーティング材料（２ａ、２ｂ）は、互いに粘着固定結合し、その結果、図５Ｃ）において認識可能な物体（１９）を、本発明による方法を用いて生成することができる。

基材（３）の表面の状態に依存して、第１の層（１６）は表面（３ａ）に結合するか、または粘着固定結合しない。後者の場合、表面（３ａ）は物体（１９）の製造の一時的な支持体としてのみ機能する。しかしながら、表面に対するコーティング材料（２）の永続的な付着が所望される限り、図８に示すように表面を粗くすることが推奨され、それにより、倍率Ａから分かるように、コーティング材料（２）がインターロックできるアンダーカット（２０）が形成される。

通常、鋳造法、押出法または圧縮法によって製造された物品は、粗度が低くアンダーカットのない滑らかな表面を有する。物品の表面へのコーティング材料の付着が所望される限り、表面のアンダーカット内の少なくとも部分的に融解したコーティング材料の機械的なクランピングは、実質的な接着機構を構成する。したがって、０．１μｍ〜１００μｍの大きさ程度のアンダーカットが繰り返され、そして、表面上に分布して存在するように表面を設計することが有用である。例えば、表面の粗面化および粘着促進特性を有する表面の領域におけるミクロアンダーカットの同時形成は、レーザーを用いて生成することができる。

あるいは、例えば、第１のプロセスステップにおいて、物品の平滑な表面上のアンダーカットに接着促進セラミックコーティングを付着させることができる。このために、粉末状のセラミックコーティング材料は、溶射され、プラズマコーティングプロセスによって表面上に堆積される。適切な粉末粒径（１〜５０μｍ）およびコーティングパラメータを選択することにより、粒子を完全に融解せずに依然としてコアに残すことで、表面に合目的的にアンダーカットを作成することができる。表面上の部分的に丸い、分割した、あるいは未画定の粉末粒子の蓄積（Ａｎｅｉｎｄｅｒｈａｅｕｆｕｎｇ）は、多数のアンダーカットを有する開放気孔構造につながる。そのようなセラミックの粘着促進性の層は、好ましくは、表面上に１〜５００μｍの厚さで塗布される。本発明の方法によるセラミックの粘着促進性の層に続いて塗布されたコーティング材料は、アンダーカット内で機械的にインターロックする。

図１Ａ）による装置を用いた粉末状のコーティング材料（２）の部分ごとに構造化された適用を、図６を参照して説明する。ガス混合物流（８）が連続的に供給される間、レーザービーム（７）は一時的に遮断され、これは、例えば、レーザーパワーのオン／オフを切り替えることによって行われる。レーザー（６）がオンにされ、レーザービーム（７）がガス混合物流（８）にカップリングされる間、コーティング材料（２）は基材（３）の表面（３ａ）上に付着して堆積される。レーザー（６）の中断段階では、コーティング材料（２）は、確かに表面（３ａ）上に適用される。しかしながら、レーザーエネルギーはコーティング材料（２）にカップリングされないので、これは融解せずに、表面（３ａ）上に付着して結合しない。周期的にオンとオフとを切り替えることによって、付着していないコーティング材料（２）が除去された後に、図６から認識可能な一連の付着性の層（１５）が得られる。以下、本発明の方法を実施するための好ましい装置（１）を、図７を参照して説明する。装置（１）は、回転軸（２３）を中心に回転可能なターンテーブル（２４）を有する。ターンテーブル（２４）が矢印（２５）の方向とは反対の方向に回転軸（２３）を中心に回転することを可能にするために、ターンテーブル（２４）は駆動装置（２６）を有する。ターンテーブル（２４）の外周には、外向きの面（３ａ）を有する基材（３）が取り外し可能に取り付けられている。

装置（１）は、リニアシステム（２７）、例えば、リニアの変位軸（２８）の方向に供給要素（５）を移動させることができる、駆動される駆動リニアスライドをさらに備える。供給要素（５）の出口（５ａ）は、ガス混合物流（８）を基材表面（３ａ）に供給できるように、基材（３）の各表面（３ａ）に対して相次いで向けられる。供給要素（５）は、ガス混合物流（８）が基材（３）の各表面（３ａ）に垂直に衝突するようにリニアシステム（２７）上に配置される。変位軸（２８）は、ターンテーブル（２４）の回転軸（２３）と平行に延びている。それゆえ、供給部材（５）を変位軸（２８）の中へおよび／またはそれに対して動かすことによって、それぞれ、供給要素（５）の出口（５ａ）に対抗するターンテーブルによって配置された基材（３）上にコーティング材料（２）をウェブ形態で塗布することができる。コーティングが基材（３）上にトラックで塗布できない限り、各トラックの適用後にターンテーブル（２４）をわずかに回すことによって、複数の垂直トラックを互いに隣接して適用することができる。

図７に示すように、レーザー（６）は、固定式であるか、またはハンドリング装置に配置することができる。レーザー光学系は、カップリング領域（１０）におけるレーザービーム（７）が、ガス混合物流（８）に対して垂直になるように整列される。

装置（２２）は、最終的に、作業空間を形成するためにハウジング（２９）で取り囲まれる。ターンテーブル（２４）だけでなく、リニアシステム（２７）並びにレーザー（６）の駆動は、基材（３）の完全自動コーティングを保証するようにプログラム制御される。

以下に、本発明による方法の適用例をいくつか示す。
１．エレクトロニクス産業では、この方法は、３次元物体、特にプラスチックおよびセラミックからなる物体上に、構造化された導体経路を堆積させるために使用することができる。さらに、平面プリント回路基板上にパターン化導体経路白金を堆積させる方法が使用される。
２．半導体産業では、この方法は、例えば、ＩＧＢＴモジュールの製造のために、ウェーハ上に多孔質金属層を堆積するために使用することができる。加えて、本発明による方法では、半導体とキャリア本体との間の接触は、ボンド接続の代替として製造することができる。
３．特に、医療技術では、この方法は、例えば、排気下でインプラントのための医学的に有効なコーティングを製造するために、排気された作業空間で行うこともできる。
４．光起電力の分野では、本発明による方法を用いて、太陽電池上に導電性接触構造および／または半導体材料を堆積させることができる。
５．ディスプレイ製造の分野では、本発明による方法を用いてディスプレイを製造するために、例えば、導電性構造をガラスの表面上に堆積させることができる。
６．産業用のロール・ツー・ロールコーティング法では、例えば、フィルムウェブおよびシートに、好ましくは膨張性のガス混合物流によって塗布される多孔質金属層を設けることができる。

１．装置
２．コーティング材料
２ａ．第１のコーティング材料
２ｂ．第２のコーティング材料
３．基材
３ａ．表面
３ｂ．基材の部分
３ｃ．基材の部分
４．粉末フィーダー
５．供給要素
５ａ．出口
５ｂ．粉末ノズル
５ｃ．中空針
６．レーザー
７．レーザービーム
８．ガス混合物流
９．供給ライン
１０．カップリング領域
１１／１１ｂ．衝突領域
１２．矢印
１３．カバー層
１４．中央領域
１５．付着性の層
１６．第１の層
１７．第２の層
１８．第３の層
１９．物体
２０．アンダーカット
２１． −
２２．装置
２３．回転軸
２４．ターンテーブル
２５．矢印
２６．駆動装置
２７．リニアシステム
２８．変位軸
２９．ハウジング

ドイツ国特許第１９６０６３８３Ａ１号明細書（特許文献１）は、基材の表面上にコーティング材料を塗布する装置を開示しており、その際、粉末コーティング流が粉末アプリケータヘッドに供給される。この粉末アプリケータヘッドでは、粉末コーティング流は溶融ゾーンを通過する。アプリケータヘッドを出るコーティング粉末流は、基材に向かって広がり、粉末アプリケータヘッドが基材に対して移動すると、その表面にコーティング粉末の層を形成する。溶融ゾーンでコーティング粉末を融解させるために、レーザービームが提供される。レーザービームは、レーザーから粉末アプリケータヘッドに進入し、ビームガイド光学システムによって案内され、溶融ゾーン内のレーザービームが、その通過方向に対して横方向にコーティング粉末流を繰り返し通過する。溶融ゾーンを離れるとき、コーティング粉末は融解する。公知の装置では、コーティング粉末が基材に衝突する前に完全に融解するという目標が追求されている。

ドイツ国特許第１９６０６３８３Ａ１号明細書

本発明は、この技術水準から出発して、温度に敏感な表面上でさえ粉末状の固体コーティング材料の構造化された適用の方法を提供するという課題に基づいており、それはまたエネルギーも大幅に少なくて済む。さらに、この方法を実施するための有利な装置が与えられる。

この課題は、請求項１の特徴を有する方法、及び請求項２１の特徴を有する装置によって解決される。

表面上へのコーティング材料の構造化された適用は、ガス混合物流の供給中に、少なくとも一回のレーザービームのカップリングが一時的に中断されることにより、簡単な技術及び方法で行うことができる。その結果、コーティング材料へのエネルギー移動が一時的に防止され、そして、それによって、中断の間に供給されたコーティング材料は融解しない。表面とガス混合物流と間の相対運動に関連して、カップリングを中止することによって、コーティング材料が付着していない表面上の領域を作り出すことができる。

カップリングを一時的に中断するために、レーザー出力をオフにすることができ、レーザービームはダイアフラムでマスキングされるか、またはレーザー光学システムによって偏向され、一時的にガス混合物流と整列しないようにすることができる。

本発明によれば、コーティング材料は、広い領域にわたって適用される。施用されたコーティング材料の衝突領域を有する、ガス混合物流の断面積よりも大きい大面積コーティングの場合、表面及びガス混合物流は、施用中相互に相対的に移動される。その相対的な移動は、被覆すべき表面を移動させることによって、及び／又はガス混合物流のための供給要素を移動させることによって起こすことができる。

特に粉末供給装置によって供給されるガス混合物流は、固体のコーティング材料を含む。コーティング材料として、特に、純粋な金属又は導電性又は熱伝導性の被膜を製造するための合金が使用される。しかしながら、この方法は、コーティング材料としてプラスチック、ガラス又はセラミックを適用するのにも適している。コーティング材料は、粉末として存在する。レーザービームのエネルギーをコーティング材料中に効果的にカップリングさせるために、レーザービームの波長はコーティング材料の吸収スペクトルに適合させなければならない。

本発明による方法では、表面上に構造化されたコーティングを施すことができるだけでなく、表面適用（Ｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅｎａｕｆｔｒａｇ）として三次元の物体を製造することも可能である。この目的のために、コーティング材料のいくつかの層が互いの上に堆積される。形成されたそれぞれの層は、次の操作でガス混合物流が供給される表面を形成する。相次いで堆積される層は、異なるコーティング材料からなることができる。例えば、最初に、ポリマーからの単層を堆積し、次にその上に、例えば、銅などの金属コーティング材料からの導電性トラックを堆積することができる。その後、ポリマーコーティング材料のさらなる層を構築して、一体化した導体トラック構造を有する複合部品を製造することができる。このようにして、本発明による方法により、ＭＩＤデバイスに匹敵する回路キャリアを構築することができる。

以下に、本発明を、図面を参照してより詳細に説明する。

図１Ａ）による装置を用いた、本発明による粉末状のコーティング材料（２）の部分ごとに構造化された適用を、図６を参照して説明する。ガス混合物流（８）が連続的に供給される間、レーザービーム（７）は一時的に遮断され、これは、例えば、レーザーパワーのオン／オフを切り替えることによって行われる。レーザー（６）がオンにされ、レーザービーム（７）がガス混合物流（８）にカップリングされる間、コーティング材料（２）は基材（３）の表面（３ａ）上に付着して堆積される。レーザー（６）の中断段階では、コーティング材料（２）は、確かに表面（３ａ）上に適用される。しかしながら、レーザーエネルギーはコーティング材料（２）にカップリングされないので、これは融解せずに、表面（３ａ）上に付着して結合しない。周期的にオンとオフとを切り替えることによって、付着していないコーティング材料（２）が除去された後に、図６から認識可能な一連の付着性の層（１５）が得られる。以下、本発明の方法を実施するための好ましい装置（１）を、図７を参照して説明する。装置（１）は、回転軸（２３）を中心に回転可能なターンテーブル（２４）を有する。ターンテーブル（２４）が矢印（２５）の方向とは反対の方向に回転軸（２３）を中心に回転することを可能にするために、ターンテーブル（２４）は駆動装置（２６）を有する。ターンテーブル（２４）の外周には、外向きの面（３ａ）を有する基材（３）が取り外し可能に取り付けられている。

Claims

表面（３ａ）上にコーティング材料（２）を施用する方法であって、
− キャリアガス及び固体のコーティング材料（２）を含むガス混合物流（８）を提供するステップ；
− ガス混合物流（８）を表面（３ａ）に供給するステップであって、その際、該ガス混合物流（８）が該表面（３ａ）に衝突し、そして、そこに施用されたコーティング材料（３ａ）が、該表面（３ａ）上に衝突領域（１１）を形成する、該ステップ；
− 該ガス混合物流（８）中へ少なくとも一つのレーザービーム（７）をカップリングさせるステップ；
を含み、
− その際、該少なくとも一つのレーザービーム（７）のカップリングさせたエネルギーは、該固体のコーティング材料（２）が少なくとも部分的に融解するように決定され、そして、
− その際、各レーザービーム（７）は、該ガス混合物流（８）に対して、そのレーザービーム（７）が、該表面上の衝突領域（１１）に衝突しないように方向付けられる、上記の方法。
前記表面（３ａ）と前記ガス混合物流（８）とが、前記コーティング材料（２）を施用する間、相互に対して移動することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記固体のコーティング材料が、前記少なくとも一つのレーザービーム（７）のカップリングさせたエネルギーだけによって、部分的に融解することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
前記提供されたガス混合物流（８）が、粉末状のコーティング材料を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
前記粉末粒子の少なくとも表面が融解することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
前記少なくとも一つのレーザービーム（７）が、連続波レーザーを使って連続的に、又はパルスレーザーを使って不連続的にカップリングされることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
前記少なくとも一つのレーザービーム（７）が、レーザー光学システムを使って焦点を合わされるか、又は焦点を合わせずにカップリングされることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記ガス混合物流（８）中へ前記少なくとも一つのレーザービーム（７）をカップリングさせる間、各レーザービーム（７）の方向付けは変わらずに維持されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
前記ガス混合物流（８）中へ前記少なくとも一つのレーザービーム（７）をカップリングさせる間、各レーザービーム（７）の方向付けが変更されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
前記ガス混合物流（８）の供給の間、前記少なくとも一つのレーザービーム（８）のカップリングが、一時的に中断されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。
１〜５０ｌ／分、好ましくは１〜２０ｌ／分の範囲の体積流量の前記キャリアガスを有する前記ガス混合物流（８）が供給されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の方法。
０．１ｇ／分〜１００ｇ／分、好ましくは、２ｇ／分〜２０ｇ／分の範囲の質量流量のコーティング材料（２）を有する前記ガス混合物流（８）が供給されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の方法。
前記キャリアガスが、不活性ガス、窒素ガス又は周囲空気であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の方法。
前記固体の粉末状のコーティング材料（２）が、１００ｎｍ〜１２０μｍの粒度分布を有することを特徴とする、請求項５〜１３のいずれか一つに記載の方法。
前記ガス混合物流（８）の供給が、該ガス混合物流（８）のための出口（５ａ）を備えた供給部材（５）を使って行われ、その際、該出口は、衝突領域に対して１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲の垂直距離に保持されることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一つに記載の方法。
前記ガス混合物流（８）の供給が、０．１〜１０ｍｍの範囲の内径を有する中空針（５ｃ）を使って行われることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一つに記載の方法。
前記ガス混合物流（８）の供給が、該ガス混合物流の流れ横断面を広げるディフューザを使って行われることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一つに記載の方法。
衝突領域（１１）を有する表面（３ａ）が、基板（３）の構成要素であることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一つに記載の方法。
コーティング材料（２、２ａ、２ｂ）のいくつかの層（１６、１７、１８）が相互に上下に堆積されることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一つに記載の方法。
衝撃領域（１１）を有する表面（３ａ）がアンダーカット（２０）を有することを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一つに記載の方法。
ガス混合流（８）が供給される前に、引き続いてガス混合物流（８）に供給されるコーティング材料（２）に対して粘着抵抗特性を有するカバー層（１３）が、前記表面（３ａ）に部分的に設けられることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか一つに記載の方法。
前記表面（３ａ）又は該表面（３ａ）を有する物品が、少なくとも部分的に、犠牲材料からなり、その際、該犠牲材料は、前記ガス混合物流（８）に供給されたコーティング材料（２）に対して粘着抵抗特性を有することを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか一つに記載の方法。
前記犠牲材料が、少なくとも一つのアシル基（ＣＨ２＝ＣＨ−ＣＯＲ）を含み、その際、該アシル基の割合が、好ましくは、該犠牲材料少なくとも１重量％であることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
表面（３ａ）上にコーティング材料（２）を施用するために請求項１〜２３のいずれか一つに記載の方法を実施するための装置（１）であって、
− キャリアガス及びコーティング材料（２）を含むガス混合物流（８）を供給するように構成された粉末フィーダー（４）、
− ガス混合物流を表面（３ａ）に供給する供給部材（５）であって、その際、前記ガス混合物流（８）が前記表面（３ａ）上に衝突し、そしてそこに施用されたコーティング材料が、その表面上に衝撃領域（１１）を形成するように構成されている、該供給部材（５）、
− レーザービーム（７）を前記ガス混合物流（８）中へカップリングさせるように構成された、レーザービーム（７）を発生させるためのレーザー（６）、
を含み、
− その際、各レーザービーム（７）が、該レーザービームが前記表面上の衝突領域（１１）に衝突しないようにガス混合物流（８）に対して方向付けられている、上記の装置。
前記供給部材（５）とコーティングされる表面（３ａ）との間に相対運動を生じさせるよう構成されたハンドリングシステムを含む、請求項２４に記載の装置。
− 前記ハンドリングシステムが、回転軸（２３）を中心に回転可能なターンテーブル（２４）を有し、該ターンテーブルは、コーティングされる前記表面（３ａ）を有する少なくとも一つの物品を受容するように構成されており、
− 該ハンドリングシステムが、リニアシステム（２７）を有し、該リニアシステムは、変位軸（２８）の方向で前記供給部材（５）の直線運動を生じるように構成されており、
− その際、該変位軸（２８）は、前記回転軸（２３）に対して平行に延びていることを特徴とする、請求項２５に記載の装置。
前記レーザー（６）が、レーザービーム（７）を方向付けるように構成されたレーザー光学システムを有し、及び／又はレーザー（６）が、レーザービーム（７）を方向付けるように構成されたハンドリング装置に配置されていることを特徴とする、請求項２６に記載の装置。