DE19926084B4

DE19926084B4 - Absaugvorrichtung und Vorrichtung enthaltend eine Absaugvorrichtung

Info

Publication number: DE19926084B4
Application number: DE19926084A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. Werner; Christof Dipl.-Ing. Zorn
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: DE19926084A1

Abstract

Absaugvorrichtung zum Absaugen von Luft von der Oberfläche eines Objektes (1), beispielsweise eines zu reinigenden Werkstückes oder eines Probentisches, mit einem Absaugrohr (65), das das Objekt (1) in der Ebene der Oberfläche vollständig umgibt und längs seines Innenumfangs Gasdurchtrittsöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) einen nierenförmigen Querschnitt mit einer Einbuchtung längs seines Außenumfangs aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Absaugvorrichtung sowie auf eine Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere zur Abreinigung von Oberflächen mittels eines CO₂-Schnee-Strahles. Derartige Absaugvorrichtungen und Vorrichtungen werden in der optischen Industrie, der Medizintechnik, der pharmazeutischen Industrie, der Lackiertechnik, der Mikro- und Feinwerktechnik zur Behandlung von Oberflächen, u.a. zur Behandlung weicher Oberflächenbeschichtungen, Gele und dergleichen verwendet. Die Basis dieses Behandlungs- bzw. Reinigungsverfahrens ist die Reinigung mittels CO₂-Eiskristallen. Das Verfahren wird auch zur trockenen lokalen Abreinigung teilchenförmiger und filmischer Verunreigigung von strukturierten sowie aus Elementen unterschiedlicher Materialien zusammengesetzten Oberflächen bis in den Submikrometerbereich eingesetzt.
Die fortschreitendene Miniaturisierung bei gleichzeitiger Hybridisierung von Baugruppen verlangt nach einem Reinigungsverfahren, welches ein lokales Reinigen von Funktionsflächen erlaubt, ohne dabei angrenzende Bereiche durch Querkontamination zu verunreinigen. Der Einsatz herkömmlicher Reinigungsverfahren, wie z.B. Ultraschall oder der Einsatz agressiver Chemikalien ist aufgrund von Materialunverträglichkeiten nur noch selten möglich. Das Strahlen mit CO₂-Partikeln stellt hier eine interessante Alternative dar.
Die CO₂-Eisreinigung ist ein trockenes, tiefkaltes, rückstandsfreies Strahlverfahren mit breitem Anwendungsgebiet. Prinzipiell läßt sich das Trockeneisstrahlen in zwei verschiedene Verfahren einteilen – dem Reinigen mit luftgetragenen Trockeneispellets und der Reinigung mittels CO₂-Schnee.
Das Strahlen mit Trockeneispellets wird seit 1987 zum Entlacken und Reinigen von Flugzeugkomponenten und Flugzeugen verwendet. Vor allem aufgrund der Eigenschaft von Trockeneis, während des Reinigungsprozesses zu sublimieren und somit kein kontaminiertes Reinigungsmittel zu hinterlassen, konnten Teile in eingebautem Zustand gereinigt und die Reinigungskosten an Flugzeugen bis zu 50 % gesenkt werden.
Heute hat sich das Strahlen mit Trockeneispellets bereits in vielen Bereichen wie z. B. der Entlackung von Flugzeugen, der Fassadenreinigung oder dem Beseitigen grober Verschmutzungen an Maschinen durchgesetzt. Seine Stärke der rückstandsfreien Reinigung spielt es besonders in der Baugruppen reinigung bereits installierter Anlagen aus.
Die Reinigungswirkung stützt sich dabei grundsätzlich auf drei Mechanismen. Zum einen werden beim Auftreffen der CO₂-Kristalle auf die Oberfläche die Verunreinigung bzw. die Beschichtung auf der Oberfläche stark unterkühlt, wodurch diese schrumpfen und verspröden. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Grundmaterial und Verschmutzung bzw. Beschichtung entstehen Spannungen so daß die Verbindung zwischen der Verschmutzung und dem Grundmaterial gelockert bzw. gelöst wird. Weiterhin wird durch den von den CO₂-Pellets übertragenen Impuls die versprödeten Verunreinigung weiter gelöst und mechanisch abgetragen. Zuletzt wird das durch die Trockeneispellets abgelöste Material durch das sublimierte CO₂ und ggf. weiteres Stützgas in der Schwebe gehalten und von der Reinigungszone abtransportiert.

Das Strahlverfahren unter Verwendung von Trockeneispellets ist beispielsweise in "Kantig oder rund, Metallsalze und Kohlendioxidpellets sind exotische Mittel in der Strahltechnik" von Reinhold Schäfer in Maschinenmarkt Würzburg 98 (1992) beschrieben.

Nachteilig an der Strahltechnik unter Verwendung von Trockeneispellets ist, daß die Abkühlung während und nach der erfolgten Reinigung eine Rekontamination der Oberfläche durch Abscheidung vormals in der Luft enthaltener und während der Abtrocknung des CO₂-Eis-Films zurückbleibender Stoffe bewirkt. Insbesondere schlägt sich auf der abgekühlten Oberfläche im Anschluß an die Abstrahlung die Umgebungsfeuchtigkeit nieder, so daß der zu reinigende Gegenstand feucht wird.

Alternativ können als Strahlmittel statt Trockeneispellets auch Trockeneiskristalle verwendet werden. In diesem Falle wird ein Strahl aus CO₂-Schnee erzeugt, der unter hoher Geschwindigkeit auf die zu reinigende Oberfläche gestrahlt wird.

Zur Verhinderung der durch Resublimieren der Luftfeuchtigkeit während der Reinigung stattfindenden Vereisung der Oberfläche, durch die ein weiteres reinigendes Einwirken der CO₂-Schnee-Kristalle erschwert bis verhindert wird, sind nach dem Stand der Technik zwei Methoden bekannt. Zum einen wird eine beheizte Platte als Unterlage des Reinigungsgutes verwendet, um das Reinigungsgut möglichst rasch nach dem Überstreichen des Trockeneisstrahles wieder zu erwärmen. Die Wirksamkeit dieses Verfahrens als Einzelmaßnahme ist durch das Material, die Geometrie und die Baugröße des Reinigungsgutes teilweise stark beeinträchtigt oder gar nicht gegeben. Alternativ kann der CO₂-Schnee-Strahl von einem Hüllstrahl umgeben werden, der beheizt wird. Damit wird beim Überstreichen einer Oberfläche durch den CO₂-Strahl unmittelbar anschließend die Oberfläche wieder durch den Stützstrahl aufgewärmt, so daß die Kondensation der Luftfeuchtigkeit verringert bzw. verhindert wird. Dieses Verfahren bewirkt jedoch eine unerwünschte Aufheizung des CO₂-Eis-Strahles durch den warmen Stützstrahl, so daß die Wirksamkeit des Strahlverfahrens beeinträchtigt wird. Ein derartiges Verfahren ist in der US 5,725,154 A beschrieben.

Nachteilig am Strahlverfahren unter Verwendung von CO₂-Schneekristallen ist, daß diese einen erheblich geringeren Impuls als die Trockeneispellets mit einem Durchmesser von mehreren Millimetern besitzen, so daß die Reinigungswirkung verglichen mit Trockeneispellets erheblich geringer ist.

In der US 5 725 154 A wird vorgeschlagen, ein induktives Magnetfeld zu erzeugen, um die Aufladung des heranfließenden flüssigen CO₂ zu kompensieren. Die durch Ladungstrennung bei der Expansion des CO₂ und der Auskristallisierung des CO₂-Schnees erfolgende Ionisierung wird nicht kompensiert.

Problematisch bei all diesen Verfahren nach dem Stand der Technik ist die Querkontamination von Oberflächenbereichen durch den Abtrag, der an anderer Stelle durch den CO₂-Eisstrahl erzeugt wird.

Die US 4,594,747 offenbart eine Vorrichtung, mittels der beispielsweise Tierhaare von einem Tisch abgesaugt werden können. Hierzu ist der Tisch mit einer umlaufenden Borde versehen, die unterhalb des Tisches trichterförmig auf eine Saugpumpe zuläuft. Auf diese Weise werden seitlich von der Tischkante her die Tierhaare nach unten abgesaugt.

Die DE 28 31 961 A1 betrifft ein Teilewaschgerät mit einer Wanne, in der zu reinigende Teile mittels lösungsmittelhaltiger Reinigungsmittel gewaschen werden. Die Wanne weist längs ihres Randes eine U- bzw. C-förmige Rinne auf, die Dämpfe, die schwerer als Luft sind, am Überlaufen über den Rand der Wanne hindern sollen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Absaugvorrichtung und eine diese enthaltende Strahlvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der Oberflächen einfach und zuverlässig ohne Rekondensation von Wasser oder Querkontamination behandelt, insbesondere abgestrahlt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Absaugvorrichtung nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Strahlwerkzeugs und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben. Erfindungsgemäß können die erfindungsgemäße Absaugvorrichtung und die erfindungsgemäße Vorrichtung wie in den Ansprüchen 42 bis 44 angegeben, verwendet werden.

Durch die erfindungsgemäße Absaugvorrichtung wird vorteilhafterweise das aufgestrahlte, sublimierte CO₂ und der volumenstarke Stütz- bzw. Druckstrahl, der ohne weitere Umlenkung vom Probentisch abströmt, aufgefangen und anschließend von dort abgesaugt, wodurch eine Querkontamination anderer Oberflächenbereiche zuverlässig minimiert wird. Die erfindungsgemäße Absaugvorrichtung erzeugt auch keinerlei Wirbel oder dergleichen außerhalb der Absaugvorrichtung selbst, so daß die Laminarströmung der anfließenden Luft nicht gestört wird und deren Reinheit zuverlässig erhalten bleibt.

Insgesamt ergibt sich ein sehr hoher Wirkungsgrad bei kurzer Behandlungsdauer unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der erfindungsgemäßen Absaugvorrichtung. Weitere vorteilhafte Eigenschaften sind ein einfacher, kompakter Geräteaufbau, eine hohe Gerätesicherheit, geringe Anlagen,- Betriebs- und Wartungskosten, ein hoher Automatisierungsgrad, gute Reproduzierbarkeit des Reinigungsergebnisses sowie eine einfache Handhabung der Vorrichtung und der Absaugvorrichtung.

Durch die erfindungsgemäße Weiterbildung der Strahlvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Strahlwerkzeug werden folgende Verbesserungen erzielt:
Zum einen wird eine sehr hohe Strahlgeschwindigkeit durch Verwendung einer Lavaldüse erzielt, so daß die sehr kleinen Eiskristalle durch das sich auf der zu reinigenden Oberfläche bildende Gaspolster geschossen werden können. Weiterhin wird die statische Aufladung des festen Kohlendioxid-Schnees, die ein Problem bei der Reinigung elektronischer Bauteile darstellt, mittels der Ionisierungsvorrichtung aufgehoben. Weiterhin wird durch die Düse und durch die erfindungsgemäße Einrichtung der Reinigungsvorrichtung eine Laminarströmung in der Reinigungskammer erzeugt, so daß keine Schmutznester innerhalb der Reinigungsanlage gebildet werden. Insbesondere ist der Strahldurchmesser äußerst gering, so daß er sich für Anwendung in der Mikrosystem- bzw. Feinwerktechnik eignet und die Anlage flexibel in der Produktion von Mikrosystemen eingesetzt werden kann. Das Strahlwerkzeug ist voll beweglich und der Reinigungsablauf ist ohne weiteres automatisierbar. Insgesamt ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad bei einer kurzen Reinigungszeit.

Insgesamt ist durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine schnelle und vereisungsfreie Reinigung von Bauteilen während der Produktion möglich unter Wegfall komplizierter und aufwendiger Reinigungsvorbereitungen. Mit dem erfindungsgemäßen Trockeneisstrahlverfahren kann eine Vielzahl von Materialien gereinigt werden, sofern sie dem kurzzeitig auftretenden Temperaturschock widerstehen. Bei den auftretenden Strukturen gibt es nur geringfügige Einschränkungen, da es sich beim Trockeneisstrahlen wie bei allen Strahlverfahren um ein Sichtlinienverfahren handelt. Daher können nur Oberflächen abgereinigt werden, die in Strahlrichtung liegen. Das Reinigen von uneinsehbaren Hinterschneidungen ist somit nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Gleiches gilt für Vertiefungen mit relativ großem Aspektverhältnis, die sich relativ rasch mit sublimiertem CO₂ füllen und so das weitere Eindringen der Eiskristalle behindern oder gar verhindern.

Im folgenden wird ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Absaugvorrichtung und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Dabei werden in sämtlichen Figuren gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen
1 das erfindungsgemäße Strahlverfahren;
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
3 eine erfindungsgemäße Absaugvorrichtung;
4 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Absaugvorrichtung nach 3;
5 ein erfindungsgemäßes Strahlwerkzeug;
6 ein Reinigungsergebnis nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
7 ein weiteres Reinigungsergebnis nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren. Eine Oberfläche eines Objektes 1, beispielsweise eines Probentisches wird mit CO₂-Eiskristallen (CO₂-Schnee) 3 aus einer Sprühdüse 2 bestrahlt. Der CO₂-Schnee bildet dabei einen CO₂-Strahl 5, der eine Verunreinigung 4 von der Oberfläche des Objektes 1 abstrahlt. Dabei treten zwei Wirkmechanismen auf. Mit a ist ein Wirkmechanismus beschrieben, bei dem ein CO₂-Kristall 3 auf die Oberfläche des Objektes 1 auftrifft und dabei die Verunreinigung 4 absprengt. Mit b ist ein anderer Mechanismus beschrieben, bei dem der CO₂-Schneekristall auf die Oberfläche des Objektes 1 auftrifft und dort sublimiert. Bei dieser Sublimation wird durch den Gasdruck die Verunreinigung 4 von der Oberfläche des Objektes 1 gelöst und wird von dem abfließenden CO₂ mitgenommen.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Behandeln, insbesondere zum Abstrahlen von Oberflächen.
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Reinigungskammer 36 auf, in der ein Probentisch 1 und ein Strahlwerkzeug 2 zur Erzeugung eines CO₂-Schnee-Strahles 5 angeordnet sind und von laminar anfließender Luft umströmt sind. Der gewöhnlich senkrecht zum Probenträger 1 ausgerichtete Gasstrahl 5 aus dem Strahlwerkzeug 2 wird an den meist flachen Reinigungsobjekten bzw. am Probentisch 1 selbst um 90° umgelenkt und strömt radial vom Auftreffpunkt und parallel zum Probentisch 1 ab. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit und das entstehende Gasvolumen ist es nicht möglich, das abgelöste Material lokal an der Wirkungsstelle abzusaugen. Die Absaugung der Prozeßgase erfolgt daher außerhalb des Probentisches 1 mittels der Strömungsfalle 21, die seitlich zu dem Probentisch 1 in der Ebene seiner Oberfläche und den Probentisch vollständig umgebend angeordnet ist. Diese Strömungsfalle 21 fängt das als Oberflächenströmung 35 abströmende CO₂, das von dem CO₂-Schnee-Strahl 5 auf der Oberfläche des Probentisches 1 erzeugt wird, seitlich auf.
Der Probentisch 1 ist in allen drei Dimensionen beweglich, über eine Heizung 22 beheizbar und ist von unterhalb über ein Ventil 24 und einen Vakuumanschluß 23 an einer Vakuumleitung angeschlossen. Der Probentisch 1 besteht aus einer metallischen Lochplatte, so daß mittels dieses Unterdruckes abzustrahlende Objekte auf der Oberfläche des Probentisches 1 fixiert werden können. Weiterhin ist ein Regler 25 für die Heizung 22 des Probentisches 1 vorgesehen, um diesen auf eine konstante Temperatur zu bringen.
In der Probenkammer wird eine Laminarströmung 6 erzeugt, die längs der Wände 36 der Reinigungskammer und in Richtung des CO₂-Schnee-Strahles 5 fließt.
Dem Strahlwerkzeug 2 wird über einen Kühler 26, einen Filter 27 und ein Hochdruckventil 28 flüssiges CO₂ aus einem CO₂-Behälter 34 zugeführt. In gleicher Weise wird der Strahlvorrichtung 2 über eine Armatur mit Druckminderer 32, ein Hochdruckventil 30 und ein weiteres Ventil 31 gasförmiges N₂ aus einem N₂-Behälter 33 zugeführt. Die beiden Hochdruckventile 28 und 30 sind an eine Steuerung 29 angeschlossen.
Damit besteht die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung im Kern aus folgenden Komponenten:

1. Eine mit Reinstluft durchströmte Reinigungskammer 36 (z.B. Reinheitsklasse 1 gemäß VDI 2083 Blatt 1, Strömungsgeschwindigkeit 0,4 m/s),
2. ein Strahlwerkzeug 2 mit einer Beschleunigungs- und Mischdüse sowie einer Ionisierungseinheit (nicht gezeigt),
3. der Absaugvorrichtung 21,
4. einer Aufbereitungsanlage (nicht gezeigt) für das von der Absaugvorrichtung 21 abgesogene Gas, und
5. einem beheizten Probentisch 1.

Diese erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt eine turbulenzarme Reinstluftströmung in der Reinigungskammer 36, die so gerichtet ist, daß das Strahlwerkzeug 2 vor dem Probentisch 1 liegt und der Probentisch 1 senkrecht prallend angeströmt wird. In Kombination mit der Absaugvorrichtung 21 wird daher eine durch die Injektionswirkung des Reinigungsstrahles erfolgende unkontrollierbare Verunreinigung aus der Luft vermieden. Zugleich wird verhindert, daß sich mit der Zeit Schmutznester im Bereich der gesamten Anlage bilden.
Das Strahlwerkzeug 2 setzt sich im wesentlichen aus zwei ineinander integrierten Düsen zusammen: Zum einen als erste Düse eine Kapillare, durch die das unter hohem Druck verflüssigte Kohlendioxid geleitet wird. Am konisch erweiterten Ende der Kapillare tritt das flüssige Kohlendioxid aus, wobei etwa 55 % der Masse durch Expansion verdampft und etwa 45 % sich durch Resublimation zu kleinen Kristallen, zu dem CO₂-Eisschnee, verfestigt. Die Menge des ausströmenden CO₂ kann durch Variation und des Kapillardurchmessers eingestellt werden.
Zum anderen weist das Strahlwerkzeug 2 eine zweite Düse auf, die konzentrisch die erste Düse und die Kapillare umschließt. Diese zweite Düse ist eine Lavaldüse, die bei Raumtemperatur überschallschnelles, trockenes Druckgas (N₂) ausstößt. Durch dieses Druckgas wird zum einen der Trockeneisschnee-Strahl gestützt und weiterhin zu einem parallelen Strahl gebündelt und beschleunigt.
Dieser Druck- bzw. Stützstrahl kann zeitversetzt zu dem CO₂-Schnee-Strahl gestartet bzw. beendet werden, so daß bei einem Zuschalten des CO₂-Schnee-Strahls nach dem Start des Druckgasstrahles die Umgebungsluft vom Reinigungspunkt ferngehalten wird. Damit wird die Kondensation von Luftfeuchtigkeit an dem durch den Reinigungsstrahl gekühlten Reinigungspunkt erfolg reich unterbunden. Zum selben Zweck kann der Stützstrahl erst nach dem CO₂-Schnee-Strahl abgeschaltet werden.
Der Stützstrahl aus trockenem Druckgas führt weiterhin dazu, daß die Substratoberfläche nach erfolgter Reinigung am Reinigungspunkt rasch wieder erwärmt wird.
Die Absaugung des vom Trockeneisstrahl abgelösten Materials direkt an der Wirkungsstelle, ist aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit und des entstehenden Gasvolumens mit einer herkömmlichen Absaugvorrichtung nicht möglich. Daher wurde eine erfindungsgemäße Absaugvorrichtung 21 eingesetzt.
3 zeigt einen Querschnitt durch die Ebene des Probentisches 1. Der Probentisch 1 ist vollständig von einem Absaugrohr 65 der Absaugvorrichtung 21 in der Ebene des Probentisches 1 umgeben. Der gewöhnlich senkrecht zum Probenträger ausgerichtete Gasstrahl 5 wird an den meist flachen Reinigungsobjekten bzw. am Probentisch selbst um 90° umgelenkt und strömt radial vom Auftreffpunkt auf der Oberfläche des Objektes oder des Probentisches als laminare Strömung 35 ab. Die Absaugung der Prozeßgase erfolgt bei der erfindungsgemäßen Absaugvorrichtung 21 daher nur außerhalb des Probentisches. Wie in 4 zu erkennen ist, weist das Absaugrohr 65 einen nierenförmigen Querschnitt mit Einbuchtungen in der Ebene des Probentisches 1 auf. Auf der Seite des Probentisches 1 ist diese Einbuchtung als Gaseinlaßöffnung geöffnet. Das vom Probentisch 1 abströmende Gas 35 trifft folglich auf die Innenwand des Absaugringes 65 und wird, unterstützt durch den Mittenknick 66 aufgrund der nierenförmigen Einschnürung in der Ebene des Probentisches 1, nach oben bzw. nach unten umgelenkt. Durch die Geometrie dieser Strömungsfalle 21 wird das mit hoher Geschwindigkeit vom Probentisch 1 abströmende Prozeßgas 35 (Druckgas, CO₂-Gas, abgetragene Partikel 4) in eine zu den Ecken des Absaugringes 65 fließende Drallströmung 63 überführt. In den Ecken des Absaugringes 65 befinden sich Ventilatoren 61, die mit dem Absaugring 65 über Absaugöffnungen 64 in Verbindung stehen. Diese Ventilatoren erzeugen einen Absaugvolumenstrom über einen Absaugkanal 60, der den Fluß dieser Strahlströmung unterstützt und ein Rückfließen zum Probenträger verhindert.
Die Öffnungen 64 zwischen dem Absaugring 65 und dem Absaugkanal 60 befinden sich dabei ober- und unterhalb des Mittenknicks 66, so daß die gebildeten Wirbel 63 abgesaugt werden.
Das Absaugvolumen der Ventilatoren 61 wird über eine Drehzahlsteuerung ständig der Summe von laminarem Zuluft-Gasstrom 6 (siehe 2) und Reinigungsgasstrom 5 angepaßt. Der Zuluftstrom ermittelt sich über die freie Querschnittsfläche des Absaugringes 65 und die Zuluftgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Reinstgasstromes 6). Die Berechnung des Reinigungsgasstromes 5 erfolgt im wesentlichen anhand des Durchmesseres der Kapillare 42 der CO₂-Zuführung, der Geometrie der Lavaldüse 51 sowie des Vordruckes des Druck/Stützgases in herkömmlicher Weise.
Das abgesaugte Gas wird anschließend von den Ventilatoren 61 zu einer Prozeßabluftanlage 62 geblasen, wo die abgesaugte Luft gereinigt, aufbereitet und/oder weiterverwertet werden kann.
5 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Strahlwerkzeug, das nunmehr genauer beschrieben werden soll.
Das Strahlwerkzeug setzt sich im wesentlichen aus zwei ineinander integrierte Düsen zusammen: Eine Kapillare 42, durch die das unter hohem Druck verflüssigte CO₂ geleitet wird und an deren konisch erweitertem Ende 49 das CO₂ expandiert. Hierbei entsteht ein Gemisch aus Gas- und Trockeneisschnee. Der Schneeanteil beträgt ungefähr 45 % der ausströmenden Gesamtmasse. Die Menge des ausströmenden CO₂ kann durch Variation des Durchmessers der Kapillare 42 eingestellt werden.
Weiterhin wird die Kapillare 42 konzentrisch von einer speziellen Lavaldüse 51 umschlossen, aus der über eine Leitung 56 zugeführtes trockenes Druckgas (Reinstluft oder Reinststickstoff) überschallschnell ausströmt. Dieser Druckgasstrahl bündelt den Stahl aus Trockeneisschnee zu einem Parallelstrahl und beschleunigt diesen. Zusätzlich wird durch diesen Druckgas-Stützstrahl die Umgebungsluft vom Reinigungspunkt ferngehalten und die Substratoberfläche nach erfolgter Reinigung recht schnell wieder erwärmt. Die Kondensation von Luftfeuchtigkeit wird somit erfolgreich unterbunden.
Die Lavaldüse 51 wird durch die Außenkontur einer Düsennadel 45, die die Kapillare 42 enthält und durch die Innenkontur eines Düsenkopfes 46 gebildet. Die Lavaldüse 51 kann durch Veränderung des minimalen Querschnitts mittels Verschiebens der Düsennadel 45 relativ zum Düsenkopf 46 feinjustiert und optimal eingestellt werden. Die Fixierung erfolgt dann durch Unterlegen von geeigneten Distanzscheiben zwischen einem an der Düsennadel 45 angeordneten Flansch 43 und dem Düsenkopf 46.
Sowohl das flüssige CO₂ als auch das Druckgas wird über die Düsennadel 45 zugeführt. Das Druckgas strömt dann zur Beruhigung über vier einlaßseitig an der Lavaldüse 51 angeordnete sternförmigen Bohrungen in die Vorkammer der Lavaldüse 51. Aus der Lavaldüse strömt das Druckgas mit Überschall, drallfrei und symmetrisch aus.
Das CO₂ wird über die Kapillare 42 zugeführt, die im Kanal der Düsennadel 45 geführt wird. Ein Stopfen 48 am unteren Ende der Düsennadel 45 zentriert die Kapillare 42 und dichtet zugleich den Druckgaskanal nach unten ab. Am oberen Ende wird der Druckgaskanal durch die CO₂-Leitung 40 und deren Verschraubung 41 verschlossen.
Da das CO₂ aufgrund von Druckänderung innerhalb der Geometrie der Lavaldüse 51 den Aggregatzustand wechsen würde, sind die beiden Düsen, die Lavaldüse 41 und die am Ende der Kapillare 42 ausgebildete Schnee-Düse 49 so angeordnet, daß das Stützgas erst dem fertigen Trockeneisschnee-Strahl zugemischt wird. Ansonsten wäre die Funktion des Strahlwerkzeugs nicht gewährleistet.
Abgedichtet wird das ganze System durch zwei Dichtungen, nämlich einer Packung 44 mit Flansch 43 sowie einer dünnen Metallfolie zwischen Düsenkopf 46 und einer Anschlußplatte 55.
Am Düsenende ist ein Metallring 50 mit drei Ionisationsspitzen durch einen Isolator 47 isoliert angebracht, der über ein Hochspannungkabel 53 mit einem regelbaren Ionisator verbunden ist. Über die Ionisationsspitzen des Metallrings 50 wird die stark negative Aufladung des CO₂-Strahles beim Kristallisieren des CO₂ am Ausgang der Kapillare 42 durch kontinuierliches Deionisieren kompensiert.
Weiterhin ist die Kapillare 42 mittels eines Massekabels geerdet, so daß die Ladungstrennung in der Randschicht des durch die Kapillare strömenden flüssigen CO₂ hineichend aufgehoben wird.
Mit diesem System wurden bereits verschiedene Teile aus der Mikrosystem- bzw. Feinwerktechnik erfolgreich gereinigt. Dazu gehören beispielsweise Kontaktflächen von Mikroschaltern, Düsenelemente aus der Drucktechnik, auf einem Keramikträger aufgebaute Mikrochips und Stanzteile für den Bau von Schaltelementen. Dabei wurden sowohl partikuläre Ablagerungen als auch biotische und/oder abiotische Beschichtung wie beispielsweise Fingerabdrücke oder dünne Lackschichten entfernt.
Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung, ist die CO₂-Zuführung so ausgebildet, daß kurze CO₂-Strahlstöße erzeugt werden können. Diese sind verglichen mit einem kontinuierlichen CO₂-Strahl wesentlich effektiver, da hier im Vergleich zu der längeren Einwirkzeit des Trockeneisstrahles höhere Thermospannungen erzeugt werden.
6 zeigt ein Beispiel für eine Reinigung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Oben sind verkrustetet Düsen eines Tintenstrahldruckkopfes dargestellt, die erfindungsgemäß gereinigt wurden. Im unteren Teil der Abbildung ist ein Mikrochip auf einem Keramikträger dargestellt, dessen Verzunderung auf der rechten Seite zu sehen ist. Linksseitig ist in diesem Bild der gereinigte Bereich zu erkennen.
7 zeigt eine Lackschicht, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung behandelt wurde. Die Darstellung in 7 ist 50fach vergößert. Wie zu erkennen ist, ist die Lackschicht teilweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgetragen worden. Deutlich ist die Rißbildung und die Absprengung vom Grundmaterial zu erkennen.

Claims

Absaugvorrichtung zum Absaugen von Luft von der Oberfläche eines Objektes (1), beispielsweise eines zu reinigenden Werkstückes oder eines Probentisches, mit einem Absaugrohr (65), das das Objekt (1) in der Ebene der Oberfläche vollständig umgibt und längs seines Innenumfangs Gasdurchtrittsöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) einen nierenförmigen Querschnitt mit einer Einbuchtung längs seines Außenumfangs aufweist.
Absaugvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) längs der Einbuchtung längs seines Innenumfangs als Gasdurchtrittsöffnung geöffnet ist.
Absaugvorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die längs des Außenumfangs des Absaugrohres (65) vorhandene Einbuchtung einen als spitz zusammenlaufende, nach innen weisende Kante ausgebildeten Mittenknick (66) aufweist.
Absaugvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Absaugrohres (65) derart ausgebildet ist, daß die abgesaugte Luft innerhalb des Rohres längs seines Querschnitts Wirbel (63) bildet.
Absaugvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ab saugrohr (65) mit mindestens einem Ventilator (61) zur Absaugung der Luft aus dem Absaugrohr (65) verbunden ist.
Absaugvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Ventilator (61) in seiner Drehzahl regelbar ist.
Absaugvorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Ventilator (61) über Öffnungen (64) mit dem Absaugrohr (65) verbunden ist, die an der Ober- und/oder Unterseite des Absaugrohres (65) angeordnet sind.
Absaugvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Ventilator (61) über Öffnungen (64) mit dem Absaugrohr (65) verbunden ist, die seitlich des Mittenknicks (66) angeordnet sind.
Absaugvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) ringförmig ausgebildet ist.
Absaugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) als Vieleck ausgebildet ist.
Absaugvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) zwischen je zwei benachbarten Ecken bogenförmig in Richtung des Objektes (1) gekrümmt ist.
Absaugvorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Ecke des Vielecks ein, vorzugsweise regelbarer, Ventilator (61) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 angeordnet ist.
Vorrichtung zur Behandlung, beispielsweise zur Abreinigung, einer Oberfläche eines Objektes (1), beispielsweise eines Werkstückes oder eines Probentisches, durch Anstrahlen der Oberfläche mit CO₂-Schnee gekennzeichnet durch, eine Absaugvorrichtung zum Absaugen des von der Oberfläche abströmenden Gases und von der Oberfläche abgetragenen Materials nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugvorrichtung und das Objekt (1) in einer Reinigungskammer (36) angeordnet sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungskammer (36) von Reinstluft (6) durchströmt ist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungskammer (36) von der Reinstluft (6) turbulenzarm, quasilaminar durchströmt ist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (1) derart in der Reinigungskammer (36) angeordnet ist, daß seine Oberfläche von der Reinstluft (6) senkrecht prallend angeströmt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungskammer (36) einen Probentisch (1) zur Montage eines zu behandelnden oder abzureinigenden Werkstückes aufweist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Probentisch (1) beheizbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Probentisch (1) elektrisch beheizbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Probentisch (1) eine flache Metallplatte zur Befestigung des zu behandelnden oder abzureinigenden Werkstücks aufweist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte mehrere Bohrungen aufweist und eine Vakuumpumpe (23) zum Anlegen eines Vakuums an die Bohrungen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufbereitungsanlage für abgesaugte und darin gegebenenfalls enthaltene Partikel vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, gekennzeichnet durch eine Strahlvorrichtung (2) zum Erzeugen eines Strahles aus CO₂-Schnee mit einer ersten Düse (49) zur Erzeugung eines CO₂-Schnee-Strahles und einer zweiten Düse (51) zur Erzeugung eines Stütz- bzw. Druckstrahles, wobei die zweite Düse (51) die erste Düse (49) umgibt, und wobei die zweite Düse (51) eine Düse zur Erzeugung eines Überschall-Strahles ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) eine Laval-Düse ist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) so ausgebildet ist, daß sie den Strahl der ersten Düse (49) bündelt, vorzugsweise parallel bündelt, und/oder beschleunigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Düse (49) mit einer Kapillare (42) als Zuleitung verbunden ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (42) elektrisch geerdet ist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Düse (49) als konische Erweitung der Kapillare (42) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) die erste Düse (49) konzentrisch umschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlwerkzeug (2) eine Düsennadel (45) und einen diese umgebenden Düsenkopf (46) aufweist, wobei die erste Düse in der Düsennadel (45) angeordnet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) als Zwischenraum zwischen Düsennadel (45) und Düsenkopf (46) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der zweiten Düse (51) durch die Außenkontur der Düsennadel (45) und/oder durch die Innenkontur des Düsenkopfes (46) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (45) längs des Düsenkopfes (46) verschiebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende der Düsennadel (45) ein Vorrichtung zur Lagerung und Zentrierung der Düsennadel in dem Düsenkopf (46) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) an ihrem Einlaß mehrere sternförmige Bohrung zur Gaszufuhr aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung hinter der ersten Düse (49) eine Vorrichtung (50) zur Deionisation des CO₂-Schnee-Strahles angeordnet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zur Deionisation einen zur ersten Düse (49) konzentrischen Metallring aufweist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring mindestens eine in den Strahlbereich ragende Ionisationsspitze aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 37 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zur Deionisation über ein Hochspannungskabel (53) mit einem Ionisator verbunden ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisator regelbar ist.
Verwendung einer Absaugvorrichtung und/oder einer Vorrichtung zur Behandlung, beispielsweise Abreinigung, von Oberflächen nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Reinigen von Oberflächen und/oder der Entfernung von Beschichtung im Bereich der optischen Industrie, der Medizintechnik, der pharmazeutischen Industrie, der Lackiertechnik, der Mikrotechnik und/oder der Feinwerktechnik und anderen.
Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch zur Behandlung weicher Oberflächen, zur Entfernung partikulärer, biotischer und/oder abiotischer Beschichtungen und/oder Ablagerungen und/oder zur Entfernung von Lackschichten.
Verwendung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche zur Behandlung von Oberflächen im sub-μm-Bereich.