DE19926119A1

DE19926119A1 - Strahlwerkzeug und Vorrichtung enthaltend ein Strahlwerkzeug

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Publication number: DE19926119A1
Application number: DE19926119A
Authority: DE
Inventors: Dieter Werner; Christof 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: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: WO2000074897A9; EP1183133B1; DE19926119C2; EP1183133A1; ATE275024T1; AU5531300A; WO2000074897A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Strahlwerkzeug (2) sowie auf eine Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere zur Abreinigung, von Oberflächen (1) mittels eines CO¶2¶-Schnee-Strahles (5). DOLLAR A Erfindungsgemäß weist das Strahlwerkzeug (2) zur Erzeugung eines Strahles aus CO¶2¶-Schnee eine erste Düse (49) zur Erzeugung eines CO¶2¶-Schnee-Strahles und eine zweite Düse (51) zur Erzeugung eines Stütz- bzw. Druckstrahles auf, wobei die zweite Düse (51) die erste Düse (49) konzentrisch umgibt und wobei mittels der zweiten Düse (51) ein überschallschneller Strahl eines Druck-/Stützgases erzeugt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Strahlwerkzeug sowie auf eine Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere zur Abreinigung von Oberflächen mittels eines CO₂-Schnee-Strahles.

Derartige Strahlwerkzeuge und Vorrichtungen werden in der optischen Industrie, der Medizintechnik, der pharmazeutischen Industrie, der Lackiertechnik, der Mikro- und Feinwerktechnik zur Behandlung von Ober flächen, u. a. zur Behandlung weicher Oberflächenbe schichtungen, 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 Verunreinigung von strukturierten sowie aus Elementen unterschiedlicher Materialien zusammengesetzten Oberflächen bis in den Submikrometerbereich eingesetzt.

Die fortschreitende Miniaturisierung bei gleich zeitiger 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 Reinigungs verfahren, wie z. B. Ultraschall oder der Einsatz aggressiver Chemikalien ist aufgrund von Materialun verträglichkeiten 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 Anwen dungsgebiet. Prinzipiell läßt sich das Trockeneis strahlen 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 Eigen schaft von Trockeneis, während des Reinigungspro zesses zu sublimieren und somit kein kontaminiertes Reinigungsmittel zu hinterlassen, konnten Teile in eingebautem Zustand gereinigt und die Reinigungs kosten 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 Auftref fen der CO₂-Kristalle auf die Oberfläche die Verun reinigung bzw. die Beschichtung auf der Oberfläche stark unterkühlt, wodurch diese schrumpfen und verspröden. Aufgrund der unterschiedlichen Wärme ausdehnung von Grundmaterial und Verschmutzung bzw. Beschichtung entstehen Spannungen, so daß die Ver bindung zwischen der Verschmutzung und dem Grundma terial gelockert bzw. gelöst wird. Weiterhin wird durch den von den CO₂-Pellets übertragenen Impuls die versprödeten Verunreinigung weiter gelöst und mecha nisch abgetragen. Zuletzt wird das durch die Trocken eispellets abgelöste Material durch das sublimierte CO₂ und ggf. weiteres Stützgas in der Schwebe gehal ten und von der Reinigungszone abtransportiert.

Das Strahlverfahren unter Verwendung von Trockeneis pellets 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 ent haltener 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 Trocken eispellets 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 Luft feuchtigkeit 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 Reinigungs gutes 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 Strahlver fahrens beeinträchtigt wird. Ein derartiges Verfahren ist in der US 5,725,154 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 Trockeneis pellets erheblich geringer ist.

In der US 5 725 154 wird vorgeschlagen, ein induk tives 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 Oberflä chenbereichen durch den Abtrag, der an anderer Stelle durch den CO₂-Eisstrahl erzeugt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Strahlwerkzeug und eine dieses enthaltende Strahl vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der Oberflächen einfach und zuverlässig ohne Rekonden sation von Wasser oder Querkontamination behandelt, insbesondere abgestrahlt werden können.

Diese Aufgabe wird durch das Strahlwerkzeug nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs gemäßen Strahlwerkzeuges und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben. Erfindungsgemäß können das erfindungsgemäße Strahlwerkzeug und die erfindungsgemäße Vorrichtung wie in den Ansprüchen 35 bis 38 angegeben, verwendet werden.

Durch das erfindungsgemäße Strahlwerkzeug wurden 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 erfin dungsgemäße Einrichtung der Reinigungsvorrichtung eine Laminarströmung in der Reinigungskammer erzeugt, so daß keine Schmutznester innerhalb der Reinigungs anlage gebildet werden. Insbesondere ist der Strahl durchmesser 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 Strahl werkzeug ist voll beweglich und der Reinigungsablauf ist ohne weiteres automatisierbar. Insgesamt ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad bei einer kurzen Reini gungszeit.

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 Oberflächen bereiche zuverlässig minimiert wird. Die erfindungs gemäße Absaugvorrichtung erzeugt auch keinerlei Wirbel oder dergleichen außerhalb der Absaugvorrich tung selbst, so daß die Laminarströmung der anflie ßenden Luft nicht gestört wird und deren Reinheit zuverlässig erhalten bleibt.

Insgesamt ergibt sich ein sehr hoher Wirkungsgrad bei kurzer Behandlungsdauer unter Verwendung der erfin dungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Strahlwerkzeuges. 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 des Strahlwerkzeuges.

Insgesamt ist 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 kurz zeitig auftretenden Temperaturschock widerstehen. Bei den auftretenden Strukturen gibt es nur geringfügige Einschränkungen, da es sich beim Trockeneisstrahlen wie bei allen Strahlverfahren um ein Sichtlinien verfahren handelt. Daher können nur Oberflächen abge reinigt 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 subli miertem CO₂ füllen und so das weitere Eindringen der Eiskristalle behindern oder gar verhindern.

Im folgenden wird ein Beispiel eines erfindungs gemäßen Strahlwerkzeuges und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Dabei werden in sämtlichen Figuren gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Es zeigen

Fig. 1 das erfindungsgemäße Strahlverfahren;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Strahlwerkzeug;

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Absaugvorrichtung;

Fig. 5 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Absaugvorrichtung nach Fig. 4;

Fig. 6 ein Reinigungsergebnis nach dem erfindungs gemäßen Verfahren; und

Fig. 7 ein weiteres Reinigungsergebnis nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. 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 Ober fläche des Objektes 1 abstrahlt. Dabei treten zwei Wirkmechanismen auf. Mit a ist ein Wirkmechanismus beschrieben, bei dem ein CO₂-Kristall 3 auf die Ober fläche des Objektes 1 auftrifft und dabei die Verun reinigung 4 absprengt. Mit b ist ein anderer Mecha nismus 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.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Behandeln, insbesondere zum Abstrahlen von Oberflächen.

Diese erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Reini gungskammer 36 auf, in der ein Probentisch 1 und ein Strahlwerkzeug 2 zur Erzeugung eines CO₂-Schnee- Strahles 5 angeordnet sind und von laminar anflie ßender Luft umströmt sind. Der gewöhnlich senkrecht zum Probenträger 1 ausgerichtete Gasstrahl 5 aus dem Strahlwerkzeug 2 wird an den meist flachen Reini gungsobjekten bzw. am Probentisch 1 selbst um 90° umgelenkt und strömt radial vom Auftreffpunkt und parallel zum Probentisch 1 ab. Durch die hohe Strö mungsgeschwindigkeit 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 Oberflächen strömung 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 Loch platte, so daß mittels dieses Unterdruckes abzu strahlende Objekte auf der Oberfläche des Proben tisches 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-Behäl ter 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 Reinigungs kammer 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 Reinigungs kammer 36, die so gerichtet ist, daß das Strahl werkzeug 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 Reinigungs strahles erfolgende unkontrollierbare Verunreinigung aus der Luft vermieden. Zugleich wird verhindert, daß sich mit der Zeit Schmutznester im Bereich der gesam ten 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 ausströ menden CO₂ kann durch Variation und des Kapillar durchmessers 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 überschall schnelles, 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 Stütz strahl erst nach dem CO₂-Schnee-Strahl abgeschaltet werden.

Der Stützstrahl aus trockenem Druckgas führt weiter hin dazu, daß die Substratoberfläche nach erfolgter Reinigung am Reinigungspunkt rasch wieder erwärmt wird.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungs gemäßes Strahlwerkzeug, das nunmehr genauer beschrie ben 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 ausströ menden 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 Reini gungspunkt 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 wechseln 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 Dich tungen, 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 Ionisa tionsspitzen durch einen Isolator 47 isoliert ange bracht, der über ein Hochspannungskabel 53 mit einem regelbaren Ionisator verbunden ist. Über die Ionisa tionsspitzen des Metallrings 50 wird die stark nega tive Aufladung des CO₂-Strahles beim Kristallisieren des CO₂ am Ausgang der Kapillare 42 durch kontinuier liches Deionisieren kompensiert.

Weiterhin ist die Kapillare 42 mittels eines Masse kabels geerdet, so daß die Ladungstrennung in der Randschicht des durch die Kapillare strömenden flüs sigen CO₂ hinreichend aufgehoben wird.

Die Absaugung des vom Trockeneisstrahl abgelösten Materials direkt an der Wirkungsstelle, ist aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit und des entste henden Gasvolumens mit einer herkömmlichen Absaugvor richtung nicht möglich. Daher wurde eine erfindungs gemäße Absaugvorrichtung 21 eingesetzt.

Fig. 4 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 Fig. 5 zu erkennen ist, weist das Absaugrohr 65 einen nieren förmigen Querschnitt mit Einbuchtungen in der Ebene des Probentisches 1 auf. Auf der Seite des Proben tisches 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 auf grund der nierenförmigen Einschnürung in der Ebene des Probentisches 1, nach oben bzw. nach unten umge lenkt. 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 Strahl strömung unterstützt und ein Rückfließen zum Probenträger verhindert.

Die Öffnungen 64 zwischen dem Absaugring 65 und dem Absaugkanal 60 befinden sich dabei ober- und unter halb 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 Fig. 2) und Reinigungsgas strom 5 angepaßt. Der Zuluftstrom ermittelt sich über die freie Querschnittsfläche des Absaugringes 65 und die Zuluftgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Reinstgasstromes 6). Die Berechnung des Reinigungs gasstromes 5 erfolgt im wesentlichen anhand des Durchmessers 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 Ventila toren 61 zu einer Prozeßabluftanlage 62 geblasen, wo die abgesaugte Luft gereinigt, aufbereitet und/oder weiterverwertet werden kann.

Mit diesem System wurden bereits verschiedene Teile aus der Mikrosystem- bzw. Feinwerktechnik erfolgreich gereinigt. Dazu gehören beispielsweise Kontaktflächen von Mikroschaltern, Düsenelemente aus der Druck technik, auf einem Keramikträger aufgebaute Mikro chips und Stanzteile für den Bau von Schaltelementen. Dabei wurden sowohl partikuläre Ablagerungen als auch biotische und/oder abiotische Beschichtung wie bei spielsweise 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 effek tiver, da hier im Vergleich zu der längeren Einwirk zeit des Trockeneisstrahles höhere Thermospannungen erzeugt werden.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine Reinigung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Oben sind verkrustete 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.

Fig. 7 zeigt eine Lackschicht, die mit der erfin dungsgemäßen Vorrichtung behandelt wurde. Die Dar stellung in Fig. 7 ist 50fach vergrößert. Wie zu erkennen ist, ist die Lackschicht teilweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgetragen worden. Deut lich ist die Rißbildung und die Absprengung vom Grundmaterial zu erkennen.

Claims

1. Strahlwerkzeug (2) zur Erzeugung 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, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) eine Düse zur Erzeugung eines Überschall-Strahles ist.

2. Strahlwerkzeug (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse eine Laval-Düse (51) ist.

3. Strahlwerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) so ausgebildet ist, daß sie den Strahl der ersten Düse bündelt, vorzugsweise parallel bündelt, und/oder beschleunigt.

4. Strahlwerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Düse (49) mit einer Kapillare (42) als Zuleitung verbunden ist.

5. Strahlwerkzeug (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (42) elektrisch geerdet ist.

6. Strahlwerkzeug (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Düse (49) als konische Erweiterung der Kapillare (42) ausgebildet ist.

7. Strahlwerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) die erste Düse (49) konzentrisch umschließt.

8. Strahlwerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlwerkzeug (2) eine Düsennadel (45) und einen diese umgebenden Düsenkopf (46) aufweist, wobei die erste Düse (49) in der Düsennadel (45) angeordnet ist.

9. Strahlwerkzeug (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) als Zwischenraum zwischen Düsennadel (45) und Düsenkopf (46) ausgebildet ist.

10. Strahlwerkzeug (2) 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.

11. Strahlwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (45) längs des Düsenkopfes (46) verschiebbar ist.

12. Strahlwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende der Düsennadel (45) ein Vorrichtung zur Lagerung und Zentrierung der Düsennadel (45) in dem Düsenkopf (46) angeordnet ist.

13. Strahlwerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) an ihrem Einlaß mehrere sternförmige Bohrung zur Gaszufuhr aufweist.

14. Strahlwerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung hinter der ersten Düse (49) eine Vorrichtung (50) zur Deionisation des CO₂- Schnee-Strahles angeordnet ist.

15. Strahlwerkzeug (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zur Deionisation einen zur ersten Düse (49) konzentrischen Metallring aufweist.

16. Strahlwerkzeug (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring mindestens eine in den Strahlbereich ragende Ionisationsspitze aufweist.

17. Strahlwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zur Deionisation über ein Hochspannungskabel (53) mit einem Ionisator verbunden ist.

18. Strahlwerkzeug (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisator regelbar ist.

19. Vorrichtung zur Behandlung, beispielsweise zur Abreinigung, der Oberfläche eines Objektes (1), beispielsweise eines Werkstückes oder eines Probentisches, durch Anstrahlen der Oberfläche mit CO₂-Schnee, gekennzeichnet durch ein Strahlwerkzeug (2) zum Erzeugen eines Strahles aus CO₂-Schnee nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

20. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlwerkzeug (2) und das Objekt (1) in einer Reinigungskammer (36) angeordnet sind.

21. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungskammer (36) von Reinstluft (6) durchströmt ist.

22. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungskammer (36) von der Reinstluft (6) turbulenzarm, quasilaminar durchströmt ist.

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden drei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungskammer (36) einen Probentisch (1) zur Montage eines zu behandelnden oder abzureinigen den Werkstückes aufweist.

24. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Probentisch (1) beheizbar ist.

25. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Probentisch (1) elektrisch beheizbar ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Probentisch (1) eine flache Metallplatte zur Befestigung des zu behandelnden oder abzureinigenden Werkstücks aufweist.

27. 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.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt derart in der Reinigungskammer (36) angeordnet ist, daß seine Oberfläche von der Reinstluft (6) senkrecht prallend angeströmt ist.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 28, gekennzeichnet durch eine, gegebenenfalls in der Reinigungskammer (36) angeordnete Absaugvorrichtung (21) zum Absaugen von Luft von der Oberfläche des Objektes (1), mit einem Absaugrohr (65), das das Objekt (1) in der Ebene der Oberfläche vollständig umgibt und längs seines Innenumfangs Gasdurchtrittsöffnungen aufweist.

30. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Absaugrohres (65) derart ausgebildet ist, daß die abgesaugte Luft innerhalb des Rohres (65) längs seines Querschnitts Wirbel (63) bildet.

31. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) einen nierenförmigen Querschnitt mit einer Einbuchtung längs seines Außenumfangs aufweist.

32. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) längs der Einbuchtung längs seines Innenumfangs als Gasdurchtrittsöffnung geöffnet ist.

33. Vorrichtung 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.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) mit mindestens einem Ventilator (61) zur Absaugung der Luft aus dem Absaugrohr (65) verbunden ist.

35. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Ventilator (61) in seiner Drehzahl regelbar ist.

36. Vorrichtung 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.

37. Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Ventilator (61) über Öffnungen (64) mit dem Absaugrohr (65) verbunden ist, die seitlich des Mittenknicks (66) angeordnet sind.

38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) ringförmig ausgebildet ist.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) als Vieleck ausgebildet ist.

40. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) zwischen je zwei benachbarten Ecken bogenförmig in Richtung des Objektes (1) gekrümmt ist.

41. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Ecke des Vielecks ein, vorzugsweise regelbarer, Ventilator (61) gemäß einem der Ansprüche 34 bis 37 angeordnet ist.

42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufbereitungs anlage für abgesaugte Luft und darin gegebenen falls enthaltene Partikel vorgesehen ist.

43. Verwendung eines Strahlwerkzeugs (2) und/oder einer Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere Abreinigung, von Oberflächen nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Reinigen von Ober flächen und/oder der Entfernung von Beschich tungen im Bereich der optischen Industrie, der Medizintechnik, der pharmazeutischen Industrie, der Lackiertechnik, der Mikrotechnik und/oder der Feinwerktechnik und anderen.

44. 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.

45. Verwendung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche zur Behandlung von Oberflächen im sub-µm-Bereich.