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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Regelung von Laser-Energieparametern beim
Laserstrahl-Punktschweißen
insbesondere von leitfähigen,
reflektiven Materialien.
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Zum Hintergrund der Erfindung ist
auf die zunehmende Miniaturisierung der Fügezone beispielsweise bei der
Verschweißung
von elektronischen Bauelementen auf Leiterbahnen zu verweisen. Viele in
der Elektronikproduktion eingesetzte Materialien sind für die Laserbearbeitung
nur wenig geeignet, da aufgrund der Geometrie der Fügezonen,
wegen der verwendeten Materialpaarungen etc. Fügesituationen entstehen, bei
denen das sogenannte Prozessfenster sehr klein ist. Ein Beispiel
hierfür
bildet die Cu-Leadframe-Montage,
bei der ein Laserstrahl-Mikroschweißen als Verbindungsprozess
zwar grundsätzlich
in Frage kommt. Eine Sicherstellung der Reproduzierbarkeit der Fügeverbindung
konnte dabei jedoch bisher nur über
Inline-Überwachung
oder Einstellung prozessrelevanter Einflussgrößen und die Applikation einer
komplexen Leistungsregelung erfolgen.
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Ein Lösungsansatz zu dieser Problematik
ist in dem Fachartikel Hoving, W.: Laser Technology in Electronic
Packaging and Joining. In: Geiger, M.; Otto, A. (Hrsg.): Laser in
der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik
(Tagungsband: LEF'99),
Bamberg. Meisenbach, 1999. 19–21
angegeben. Die dort vorgestellte Methode hat sich jedoch nicht als
ausreichend prozesssicher erwiesen. Speziell beim Fügen von
Kupfermaterialien ändert
sich das Absorptionsverhalten bei der Erwärmung durch die Ausbildung von
Oxidschichten auf der Kupfer-Oberfläche stark. Dies bedingt einen
extrein von der Oberfläche
abhängigen
und damit schlecht reproduzierba ren Energieeintrag pro Laserpuls,
was zu signifikanten Prozessschwankungen führt. Damit kann die bei industriellen Fertigungsprozessen
geforderte Zuverlässigkeit nicht
erreicht werden.
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Aus den Fachartikeln von Lim, D.
C.; Gweon, D. G.: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser
spot welding using an infrared sensor – Part 1: the radiation feature
as a criterion for quality monitoring. In: ImechE (Hrsg.): Proc.
Instn. Mech. Engrs. – Volume
213, 1999. 41–49
und Lim, D. C.; Gweon, D. G.: A new criterion for quality monitoring
of pulsed laser spot welding using an infrared sensor – Part 2: quality
estimation using an artifical neural network. In: ImechE (Hrsg.):
Proc. Instn. Mech. Engrs. – Volume 213,
1999. 51–57
ist es bekannt, für
die Prozessüberwachung
einen außerhalb
der Strahlachse angebrachten Infrarot-Sensor zu verwenden. Dieser
detektiert das Temperaturprofil beim Punktschweißen von Elektronenröhren für Fernsehgeräte, was
Rückschlüsse auf
die räumliche
Ausprägung
der Schmelzbadgeometrie und der Wärmeeinflusszone im Schweißpunkt erlaubt.
Um die Vielzahl der Abhängigkeiten
zwischen Signal und interessierenden Kenngrößen der Punktschweißung zu
modellieren, wird ein künstliches
neuronales Netzwerk trainiert, das bis zu 95 % Korrelation erreicht.
Die in diesem Stand der Technik untersuchte Fügesituation schafft hinsichtlich
der Materialauswahl Edelstahl und der Fügegeometrie allerdings nahezu
ideale Bedingungen für
eine Punktschweißung,
sodass nur eine geringe Schwankungsbreite der Sensorsignale zu verzeichnen
ist. Zudem wird hier eine Aussage über die Schweißqualität erst nach
erfolgter Schweißung
getroffen. Eine Regelung des Schweißprozesses selbst ist nicht
vorgesehen.
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Aus dein Fachartikel Tönshoff,
H.K; Schumacher, J.: Genau auf den Punkt gebracht – Prozeßkontrolle
beim Nd: YAG-Laserstrahlschweißen
unter Windows. In: F&M
104 (1996) 9, München:
Carl Hanser, 1996. 605–608
ist es für
das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen
von dünnen
Edelstahlfolien mit Hilfe einer Punktenaht bekannt, dass helle,
spektral breitbandig emittierte Prozessleuchten zu detektieren, das
auch als Sekundärleuchten
bezeichnet wird. Diese Sekundärleuchten
wird On-axis – also
in der Laser-Strahlachse – über die
Laserfaser zum Detektor übertragen,
der innerhalb des Lasergehäuses
angebracht ist. Eine Wandlung dieses Leuchtens in ein Signal ermöglicht somit
die Überwachung
des gesamten Schweißprozesses
und kann für
Rückschlüsse auf
die erzielte Schweißquelle
genutzt werden. Für die
gleiche Spiegelgeometrie ist es aus den Fachartikeln von Bagger,
C: Investigations in On-Line Process Control of the Laser Welding
Process. Publication No. AP.91-02/PI.91.1-A, Procestteknisk Institut, Danmarks
Tekniske H⌀jskole,
1991 und Bagger, C.: Investigations in On-Line Process Control of
the Laser Welding Process. Publication No. AP.91-02/PI.91.1-A, Procestteknisklnstitut,
Danmarks Tekniske H⌀jskole,
1991 bekannt, die On-axis-reflektierte Laserstrahlleistung zu detektieren,
die zur Abschätzung
der Ausbildung der sogenannten Dampfkapillare verwendet wird. Eine
lineare Korrelation dieses Signals mit der durch metallografische
Probenanalysen bestimmten Einschweißtiefe ist hier die Basis für eine Regelung,
die darüber
hinaus auch aus dem Beitrag Beyer, E.: Systeme zur Prozeßüberwachung
und Regelung in der Laserfertigungstechnik. In: Fhg ILT (Hrsg.):
Tagungsband des Aachener Kolloquium für Lasertechnik '95. 2–25 bekannt
ist. Auch hier wird nicht innerhalb eines Schweißpulses geregelt, es erfolgt
vielmehr eine Anpassung der Laserparameter von einem Schweißpunkt zum
nächsten.
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Ein erster Ansatz zu einer Echtzeit-Impulsenergiebegrenzung
bzw. Leistungsregelung wird in dein Fachartikel Kußmaul, K;
Schäfer,
M.: Energiedosierung – eine
neue Perspektive für
den Einsatz des Lasers in der Mikro verbindungstechnik. In: VTE 2/94. 81–87 dargestellt.
Hier wird die in der Laser-Strahlachse reflektierte Leistung im
Zeit- und Frequenzbereich untersucht, um nach Einschalten des Laserpulses
zum Zeitpunkt t0 den Zeitpunkt tM des ersten Aufschmelzens der Oberfläche zu detektieren.
Die Zeitspanne von tM bis zum Pulsende wird
dann konstant gehalten, während
tM – t0 variabel bleibt. Damit werden die Schwankungen
der Leistungsabsorption durch die oberflächliche Oxidschicht aufgefangen.
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Gerade beim Schweißen von
Kupfer in der Elektronikproduktion führen schon leichte Veränderungen
der Oberfläche,
wie geringfügige
Oxidation oder Rauigkeitsunterschiede dazu, dass diese Stellen mit
für ungestörte Oberflächen festgelegten
Prozessparametern nicht mehr fehlerfrei geschweißt werden können, d. h. die Prozessfenster
für das
Verschweißen
auf solchen unterschiedlichen Oberflächen überlappen sich nicht.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung
von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen anzugeben,
mit dem auch kritische Oberflächen-
und damit Prozessfenster-Bedingungen besser beherrschbar werden.
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Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht
durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte wie
folgt gelöst:
- – Beaufschlagung
der jeweiligen Punkt-Schweißstelle
mit einem Laser-Messstrahl
gleicher Wellenlänge
wie der Schweißstrahl,
- – Erfassung
der in der Laser-Strahlachse auftretenden Reflexion des Messstrahles
an der Schweißstelle
und Bestimmung eines dafür
repräsentativen
Reflexionswertes,
- – Erfassung
der außerhalb
der Laser-Strahlachse auftretenden Streuung des Messstrahles an
der Schweißstelle
und Bestimmung eines dafür
repräsentativen
Streuwertes,
- – Ermittlung
eines für
die Oberflächenbeschaffenheit
der jeweiligen Punktschweißstelle
signifikanten Kennwertes aus dem Reflexionswert und dem Streuwert,
und
- – Regeln
eines Laser-Energieparameters für
die Punktschweißung
an der jeweiligen Punktschweißstelle
auf einen oder mehrere Parameterwerte in Abhängigkeit des Kennwertes gemäß einer
vorbestimmten Zuordnung zwischen diesen beiden Werten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren setzt auf das
oberflächenabhängige Reflektions-
und Streuverhalten der Fügezone
auf, das mit Hilfe eines Messstrahles zu einem repräsentativen
Reflektionswert und einem repräsentativen
Streuwert führt.
Bei diesen beiden Werten kann es sich beispielsweise um das Messsignal
entsprechender Fotodetektoren handeln. Wie Versuche im Rahmen der
Entwicklung der Erfindung gezeigt haben, können Reflektions- und Streuwert
zu einen Kennwert verknüpft
werden, der für
die Oberflächenbeschaffenheit
der erfassten Punktschweißstelle
signifikant ist. Aufgrund dieses Kennwertes können ein oder mehrere Laser-Energieparameter
für die
an der untersuchten Stelle erfolgende Punktschweißung, also
die Pulsleistung und/oder Pulsdauer und/oder Pulsform gemäß einer vorbestimmten
Zuordnung geregelt werden. Diese Zuordnung ist beispielsweise durch
die Bestimmung der verschiedenen Prozessfenster für bestimmte Oberflächenbeschaffenheiten
ermittelt worden. Näheres
hierzu ergibt sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
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Dieses Verfahren wird vor oder zu
Beginn jedes Punktschweißvorganges – also von
Punkt zu Punkt – durchgeführt, ist
also eine Echtzeit- Laserparameterregelung
durch eine Vermessung des lokalen Oberflächenzustandes in der jeweiligen
Fügezone. Damit
ist für
jeden Schweißpunkt
eine hohe Zuverlässigkeit
für eine
ordnungsgemäße Schweißverbindung
gegeben.
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Gemäß bevorzugten Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann als Messstrahl ein gesonderter, dem eigentlichen Schweißstrahl zeitlich
vorgelagerter Probestrahl verwendet werden. Als Alternative dazu
kann der eigentliche Schweißstrahl
am Pulsanfang als Messstrahl verwendet und während seiner verbleibenden
Pulsdauer auf den signifikanten Parameterwert geregelt werden. In
der Praxis bedeutet dies, dass beispielsweise bei Verwendung einer
festen Pulsleistung die Pulsdauer entsprechend eingestellt wird.
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Durch die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
vorgesehene Verwendung mindestens zweier Off-axis-Photodioden zur
Erfassung der seitlichen Streuung werden Fehlmessungen, wie sie
beispielsweise durch eine Verkippung der Werkstückoberfläche relativ zum Laserstrahl
auftreten könnten, vermieden.
Für den
Streuwert wird dabei ein aus den Signalen der mindestens zwei Off-axis-Detektoren gemittelter
Wert angesetzt.
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In rechentechnischer Hinsicht hat
es sich als besonders einfach herausgestellt, zur Ermittlung des signifikanten
Kennwertes aus dem Reflexionswert und Streuwert einen Quotienten
zu bilden. Dies ist die am einfachsten zu realisierende aussagefähige Rechenoperation
zwischen den zwei Größen.
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Die weiterhin beanspruchte Vorrichtung
zur Regelung von Energieparametern eines Schweißlasers wird neben einem Ausführungsbeispiel
des erfindungsgeinäßen Verfahrens
in der folgenden Beschreibung anhand der bei gefügten Zeichnungen näher erläutert. Insoweit
erübrigen
sich nähere
Ausführungen
an dieser Stelle. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Laserstrahl-Punktschweißeinrichtung mit einer Regelungsvorrichtung
für die
Laser-Energieparameter,
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2 ein
Prozessfenster-Diagramm von Pulsleistung in Abhängigkeit von Pulsdauer bei
einem Punktschweißvorgang,
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3 ein
Korrelationsdiagramm zwischen Reflektions- und Streuwert, und
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4 ein
Korrelationsdiagramm der Pulsleistung in Abhängigkeit des Kennwertes aus
Reflektions- und Streuwert.
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Die 1 zeigt
einen gepulsten Laser 1, dessen Laserstrahl 2 über eine
Lichtleitfaser 3 zu dem eigentlichen Bearbeitungskopf herangeführt wird.
Der Laserstrahl 2 wird über
eine dichroitischen Spiegel 4 und eine Strahlformungslinse 5 auf
die Fügezone 6 einer
Punktverschweißung
zwischen einer dünnen
Kupferschicht 7 auf einem Substrat 8 und dem Anschlussbeinchen 9 eines
nicht näher
dargestellten elektronischen Bauelements gerichtet. In Verlängerung
der Lichtleitfaser 3 überwacht
koaxial zur Laserstrahlachse A jenseits des dichroitischen Spiegels 4 eine
erste Fotodiode 10 – die
Laser-Monitor-Diode – die
vom Laser emittierte Leistung, um diese für die im Folgenden erläuterten
Regelungszwecke als Sollgröße zur Verfügung zu
haben.
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Oberhalb des dichroitischen Spiegels 4 ist ebenfalls
koaxial zur Laserstrahlachse A eine Fotodinde 11, im Folgenden „On-axis-Dinde" genannt, angeordnet,
die die in der Laserstrahlachse A auftretende Reflektion R des Laserstrahls 2 in
der Fügezone 6 erfasst.
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Ferner sind in einem Winkel W von
beispielsweise 60° zur
die Werkstückebene
darstellenden Horizontalen zwei weitere Fotodioden 12, 13 – die Off-axis-Dioden – radial
gegenüberliegend
bezogen auf die Laserstrahlachse A angeordnet, die die außerhalb
der Strahlachse A auftretende Streuung S des Laserstrahls 2 in
der Fügezone 6 erfassen.
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Schließlich ist eine Signalauswerte-
und Regeleinrichtung 14 vorgesehen, die mit dem Laser 1, der
Laser-Monitor-Photodiode 10, der On-axis-Photodiode 11 und
den beiden Off-axis-Photodioden 12, 13 in mess-
und regeltechnischer Weise gekoppelt ist. In dieser Regeleinrichtung 14 werden
die im Folgenden näher
erläuterten
Bestimmungen und Berechnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgenommen und der Laser 1 entsprechend in seiner Pulsdauer τH und/oder
Pulsleistung PH und/oder Pulsform gesteuert.
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Bevor hierauf näher eingegangen wird, wird anhand
von 2 das Prozessfenster-Diagramm
eines Punktschweißvorgangs
bei einer Kupfer-Oberfläche erläutert. In
dem Diagramm ist die Pulsleistung PH gegenüber der
Pulsdauer τH aufgetragen und dabei die Leistungsgrenze
des Lasers strichliert mit dem Bezugszeichen 15 angedeutet.
Explizit schafft der von dem Diagramm repräsentierte Laser also eine Leistung
von 4 kW bis zu einer Pulsdauer von knapp 6 ms. Anschließend sinkt
bei steigender Pulsdauer die maximale Laserleistung auf 2,5 kW bei
10 ms.
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Für
eine geschliffene Kupfer-Oberfläche
gilt das von der Laser-Leistungsgrenze 15 und
der mit durchgezogener Linie gezeigten Unter grenze 16 markierte
Prozessfenster ➀. Eine geschliffene Oberfläche ist
relativ gut reflektierend, sodass zur Erzeugung einer zuverlässigen Schweißverbindung
eine relativ hohe Laserenergie, also eine hohe Leistung bei geringer
Pulsdauer oder eine hohe Pulsdauer bei geringerer Laserleistung
eingebracht werden muss. Zuverlässige
Verbindungen werden bei Laserparametern erreicht, die in der Mitte
des Prozessfensters liegen, beispielsweise bei einer Pulsdauer von
5 ms und einer Leistung von 3,5 kW oder einer Pulsdauer von 8 ms
und einer Pulsleistung von 2,5 kW. Bei gleicher Pulsdauer würde eine
Laserleistung von 2 kW unterhalb des Prozessfensters ➀ liegen
und damit zu keiner Verbindung führen.
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Die beiden strichpunktierten Linien 17 geben die
Obergrenzen der Prozessfenster ➁ und ➂ für eine oxidierte
bzw. geschliffene, oxidierte Kupfer-Oberfläche an. Die Untergrenzen 18 sind
punktiert angedeutet. Gut erkennbar liegen diese Prozessfenster ➁ und ➂ deutlich
unterhalb des Prozessfensters ➀ für eine geschliffene
Kupfer-Oberfläche.
Dies ist dadurch bedingt, dass durch die oberflächliche Oxidation das Reflektionsvermögen herabgesetzt
ist und damit ein höherer
Energieeintrag in die Fügezone
stattfindet. Insoweit wird die Laserenergie besser umgesetzt, womit
entsprechend eine geringere Leistung und/oder Pulsdauer verwendet
werden kann. Gute Schweißverbindungen
werden bei einer oxidierten Oberfläche beispielsweise mit einer
Laserleistung von 3 kW bei einer Pulsdauer von 4 ms, einer Leistung
von 2 kW und einer Pulsdauer von 7 ms usw. erzielt.
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Um nun die Beschaffenheit der Oberfläche an der
jeweiligen Punktschweißstelle,
also in der jeweiligen Fügezone 6,
zu erfassen, werden die Reflektion R und die Streuung S mit Hilfe
der Dioden 11, 12, 13 nach Aufbringen
eines pulsartigen Messstrahles auf die Fügezone erfasst. Der Messstrahl
kann dabei ein niedrigenergetischer, vom Laser 1 ausgesandter Strahl
bzw. der eigentliche Schweißstrahl
in seiner Startphase sein. Als Zeitfenster kann beispielsweise eine
Messdauer von 100 bis 300 μs
am Anfang des bis zu 10 ms dauernden Schweißpulses verwendet werden.
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In 3 ist
nun für
verschiedene Oberflächenzustände die
maximale Diodenspannung der Fotodiode 11 – das grauunterlegte
On-axis-Signal UON im Diagramm – als repräsentativer
Reflektionswert, die gemittelte maximale Diodenspannung der beiden
Dioden 12, 13 – das kreuzschraffiert unterlegte
Off-axis-Signal UOFF – als repräsentativer Streuwert aufgetragen.
So ergibt sich bei einer spiegelnden, blanken Oberfläche (linke
Balkengruppe in 3) ein
hoher Reflektionswert UON von über 8 V Diodenspannung,
wogegen der Streuwert UOFF mit 2 V gemittelter
maximaler Diodenspannung demgegenüber gering ist. Bei blank oxidierter
Oberfläche (zweite
Balkengruppe von links) kehren sich die Verhältnisse um, indem das On-axis-Signal UON niedrig ist
(geringere Reflektion) und das Off-axis-Signal UOFF sich
vervielfacht hat (Streuung durch raue oxidierte Oberfläche). Ähnliche
Verhältnisse
ergeben sich bei einer geschliffenen, oxidierten Oberfläche (rechte
Balkengruppe in 3) bzw.
etwas abgeschwächt
bei einer geschliffenen Oberfläche
(zweite Balkengruppe von rechts in 3).
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Aus dem On-axis- UON und
Off-axis-Signal UOFF wird beim erfindungsgemäßen Regelungsverfahren
nun ein signifikanter Kennwert in Form des Quotienten Q = UON/UOFF dieser beiden
Werte gebildet, der in 3 als
weißpunktiert
unterlegter Balken dargestellt ist. Wie sich ohne weiteres aus einem
Vergleich der Signalquotienten Q bei den unterschiedlichen Oberflächenzuständen ergibt,
sind diese Quotienten signifikant für den jeweiligen Oberflächenzustand.
Insofern kann der so in Echtzeit ermittelte Signalquotient Q als
Kennwert für
die Regelung der Pulsleistung, Pulsdauer oder Pulsforin des für die Punktverschweißung an
dieser Stelle verwende ten Laserpulses herangezogen werden. Der entsprechende
Parameter wird dabei beispielsweise aus der in 4 gezeigten mathematischen Näherungsfunktion
ermittelt, die die zu verwendende Pulsleistung PH bei
sich ändernden
Signalquotienten Q zeigt. Die beiden Linien 19 und 20 stellen
dabei die untere und obere Prozessfenstergrenze und die Linie 21 die
optimale Leistung in Abhängigkeit
des Signalquotienten dar. Oben ist im Diagramm gemäß 4 wieder die Leistungsgrenze 15 des
Lasers strichliert eingetragen.
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Statt der in 1 gezeigten, getrennten Fotodioden 11, 12, 13 für die On-axis-Erfassung der
Reflektion und die Off-axis-Erfassung der Streuung des Laserstrahles
kann anstelle der On-axis-Photodiode 11 ein Mehrquadranten-Fotodetektor
angebracht werden. Dieser weist zentral eine On-axis-Photodiode und außerhalb
der Strahlachse A radial beabstandete Dioden auf, die dann als Off-axis-Detektoren
arbeiten.