DE19926119A1 - Strahlwerkzeug und Vorrichtung enthaltend ein Strahlwerkzeug - Google Patents
Strahlwerkzeug und Vorrichtung enthaltend ein StrahlwerkzeugInfo
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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.
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 (45)
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.
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