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WO2000074897A1 - Strahlwerkzeug und vorrichtung enthaltend ein strahlwerkzeug - Google Patents

Strahlwerkzeug und vorrichtung enthaltend ein strahlwerkzeug Download PDF

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WO2000074897A1
WO2000074897A1 PCT/EP2000/005323 EP0005323W WO0074897A1 WO 2000074897 A1 WO2000074897 A1 WO 2000074897A1 EP 0005323 W EP0005323 W EP 0005323W WO 0074897 A1 WO0074897 A1 WO 0074897A1
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WO
WIPO (PCT)
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nozzle
tool
jet
blasting
cleaning
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2000/005323
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English (en)
French (fr)
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WO2000074897A9 (de
Inventor
Dieter Werner
Christof Zorn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to AU55313/00A priority Critical patent/AU5531300A/en
Priority to AT00940351T priority patent/ATE275024T1/de
Priority to EP00940351A priority patent/EP1183133B1/de
Publication of WO2000074897A1 publication Critical patent/WO2000074897A1/de
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Publication of WO2000074897A9 publication Critical patent/WO2000074897A9/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for polishing surfaces, e.g. smoothing a surface by making use of liquid-borne abrasives
    • B24C1/086—Descaling; Removing coating films
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/003—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods using material which dissolves or changes phase after the treatment, e.g. ice, CO2
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00—Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/02—Blast guns, e.g. for generating high velocity abrasive fluid jets for cutting materials
    • B24C5/04—Nozzles therefor

Definitions

  • the present invention relates to a blasting tool and a device for treatment, in particular for cleaning surfaces using a CO 2 snow jet.
  • Such blasting tools and devices are used in the optical industry, medical technology, the pharmaceutical industry, painting technology, micro and precision engineering for the treatment of surfaces, including the treatment of soft surface coatings, gels and the like.
  • the basis of this treatment or cleaning process is cleaning using CO 2 ice crystals.
  • the process is also used for the dry local cleaning of particulate and filmic contamination from structured surfaces and surfaces composed of elements of different materials down to the submicrometer range.
  • the progressive miniaturization with simultaneous hybridization of assemblies requires a cleaning process that allows a local cleaning of functional surfaces without contaminating adjacent areas through cross-contamination.
  • the use of conventional cleaning methods such as ultrasound or the use of aggressive chemicals is only rarely possible due to material incompatibility. Radiance with C0 2 -
  • the C0 2 -E ⁇ sre ⁇ n ⁇ gung is a dry, deep cold, residue-free blasting process with a wide range of applications.
  • the dry ice blasting can be divided into two different methods - cleaning with airborne dry ice pellets and cleaning with CO 2 snow.
  • Dry ice pellet blasting has been used since 1987 to strip paint and clean aircraft components and aircraft. Mainly due to the property of dry ice to sublime during the cleaning process and thus not to leave any contaminated cleaning agent behind, parts could be cleaned in the installed state and the cleaning costs on aircraft could be reduced by up to 50%.
  • a disadvantage of the blasting technique using dry ice pellets is that the cooling during and after cleaning causes recontamination of the surface by precipitation of substances previously contained in the air and remaining during the drying of the CO 2 ice film.
  • the ambient moisture is reflected on the cooled surface following the radiation, so that the object to be cleaned becomes damp.
  • dry ice crystals can also be used as a blasting medium instead of dry ice pellets. In this case, a jet of CO 2 snow is generated, which is blasted onto the surface to be cleaned at high speed.
  • a heated plate is used as a base for the items to be cleaned, in order to reheat the items to be cleaned as quickly as possible after they have been swept over by the dry ice jet.
  • the effectiveness of this method as an individual measure is sometimes severely impaired or not given at all by the material, the geometry and the size of the items to be cleaned.
  • the C0 2 - snow beam are surrounded by an enveloping beam that is heated.
  • snow crystals have a significantly lower impulse than dry ice pellets with a diameter of several millimeters, so that the cleaning effect is lower than that of dry ice pellets is significantly lower.
  • US Pat. No. 5,725,154 proposes generating an inductive magnetic field in order to compensate for the charging of the liquid CO 2 flowing in. The ionization that occurs as a result of charge separation during the expansion of the C0 2 and the crystallization of the C0 2 snow is not compensated.
  • Object of the present invention is a
  • a very high jet speed is achieved by using a Laval nozzle, so that the very small ice crystals are sprayed through the to Gas cushions forming on the cleaning surface can be shot.
  • the static charge of the solid carbon dioxide snow which represents a problem when cleaning electronic components, is eliminated by means of the ionization device.
  • a laminar flow is generated in the cleaning chamber by the nozzle and by the arrangement of the cleaning device according to the invention, so that no pockets of dirt are formed inside the cleaning system.
  • the beam diameter is extremely small, so that it is suitable for use in microsystems and precision engineering and the system can be used flexibly in the production of microsystems.
  • the blasting tool is fully mobile and the cleaning process can easily be automated. The overall result is a high level of efficiency with a short cleaning time.
  • the suction device according to the invention advantageously collects the radiated, subli ated CO 2 and the high-volume support or pressure jet, which flows off the sample table without further deflection, and then sucks it off from there, thereby reliably minimizing cross-contamination of other surface areas.
  • the suction device according to the invention also does not generate any vortices or the like outside of the suction device itself, so that the laminar flow of the incoming air is not disturbed and its purity is reliably maintained.
  • FIG. 2 shows a device according to the invention
  • 3 shows a blasting tool according to the invention
  • FIG. 4 shows a suction device according to the invention
  • FIG. 5 shows a section through the suction device according to the invention according to FIG. 4;
  • a surface of an object is irradiated with CO ice crystals (CO 2 - snow) 3 from a spray nozzle 2.
  • CO 2 - snow forms a C0 2 beam 5, which radiates an impurity 4 from the surface of the object 1.
  • There are two mechanisms of action With a mechanism of action is described in which a C0 2 - crystal 3 hits the surface of the object 1 and the impurity 4 blasts off.
  • Another mechanism is described with b, in which the CO 2 snow crystal impinges on the surface of the object 1 and sublimates there. During this sublimation, the impurity 4 is released from the surface of the object 1 by the gas pressure and is carried along by the outflowing CO 2 .
  • Fig. 2 shows a device according to the invention for treating, in particular for blasting Surfaces.
  • This device has a cleaning chamber 36, in which a sample table 1 and a jet tool 2 are arranged for generating a CO 2 snow jet 5 and laminar air flows around it.
  • the gas jet 5 from the jet tool 2 which is usually aligned perpendicularly to the sample carrier 1, is deflected by 90° on the mostly flat cleaning objects or on the sample table 1 itself and flows radially from the point of impact and parallel to the sample table 1. Due to the high flow speed and the resulting gas volume, it is not possible to suck off the detached material locally at the point of action.
  • the process gases are therefore extracted outside of the sample table 1 by means of the flow trap 21, which is arranged laterally to the sample table 1 in the plane of its surface and completely surrounding the sample table. This flow trap 21 catches the surface flow 35 outflowing CO 2 , which is generated by the CO 2 snow jet 5 on the surface of the sample table 1, on the side.
  • the sample table 1 can be moved in all three dimensions, can be heated via a heater 22 and is connected to a vacuum line from below via a valve 24 and a vacuum connection 23 .
  • the sample table 1 consists of a metal perforated plate so that objects to be blasted can be fixed on the surface of the sample table 1 by means of this negative pressure.
  • em controller 25 for the Heater 22 of the sample table 1 provided to bring it to a constant temperature.
  • a laminar flow 6 is generated in the sample chamber, which flows along the walls 36 of the cleaning chamber and in the direction of the CO 2 snow jet 5 .
  • the jet tool 2 is supplied via a cooler 26, a filter 27 and a high-pressure valve 28 liquid C0 2 from a C0 2 container 34.
  • gaseous N 2 from an N 2 container 33 is supplied to the jet device 2 via a fitting with a pressure reducer 32 , a high-pressure valve 30 and a further valve 31 .
  • the two high-pressure valves 28 and 30 are connected to a controller 29 .
  • the core of the described device according to the invention thus consists of the following components:
  • a cleaning chamber 36 through which ultrapure air flows e.g. cleanliness class 1 according to VDI 2083 sheet 1, flow rate 0.4 m/s
  • This device generates a low-bulence clean air flow in the cleaning chamber 36, which is directed so that the blasting tool 2 is in front of the sample table 1 and the sample table 1 is flown against perpendicularly.
  • uncontrollable contamination from the air caused by the injection effect of the cleaning jet is therefore avoided. At the same time, this prevents accumulations of dirt from forming in the area of the entire system over time.
  • the blasting tool 2 essentially consists of two nozzles that are integrated into one another:
  • the first nozzle is a capillary through which the carbon dioxide liquefied under high pressure is conducted.
  • the liquid carbon dioxide exits at the conically widened end of the capillary, with about 55% of the mass evaporating through expansion and about 45% solidifying through resublimation into small crystals, into the C0 2 ice snow.
  • the amount of outflowing C0 2 can be adjusted by varying and the capillary diameter.
  • the jet tool 2 has a second nozzle which concentrically encloses the first nozzle and the capillary.
  • This second nozzle is a Laval nozzle that ejects supersonic, dry pressurized gas (N 2 ) at room temperature. This pressurized gas supports the jet of dry ice snow, bundles it into a parallel jet and accelerates it.
  • This pressure or support jet can be started or ended with a time delay to the C0 2 snow jet, so that when the C0 2 snow jet is switched on after the start of the compressed gas jet, the ambient air kept away from the cleaning point. This successfully prevents the condensation of humidity at the cleaning point cooled by the cleaning jet.
  • the supporting jet can only be switched off after the C0 2 snow jet.
  • the support jet of dry compressed gas also means that the substrate surface is quickly reheated at the cleaning point after cleaning has taken place.
  • FIG. 3 shows a cross section through a blasting tool according to the invention, which will now be described in more detail.
  • the jet tool consists essentially of two nozzles that are integrated into one another: A capillary 42 through which the liquefied CO 2 is passed under high pressure and at the end 49 of which the CO 2 expands conically. This creates a mixture of gas and dry ice snow. The proportion of snow is about 45% of the total mass escaping. The amount of outflowing C0 2 can be adjusted by varying the diameter of the capillary 42.
  • the capillary 42 is surrounded concentrically by a special Laval nozzle 51 from which dry compressed gas is supplied via a line 56
  • This jet of compressed gas bundles the steel made of dry ice snow into a parallel jet and accelerates it.
  • this compressed gas support jet keeps the ambient air away from the cleaning point and the substrate surface heated up again very quickly after cleaning. The condensation of humidity is thus successfully prevented.
  • the Laval nozzle 51 is formed by the outer contour of a nozzle needle 45 which contains the capillary 42 and by the inner contour of a nozzle head 46 .
  • the Laval nozzle 51 can be finely adjusted and set optimally by changing the minimum cross section by moving the nozzle needle 45 relative to the nozzle head 46 . It is then fixed by placing suitable spacers between a flange 43 arranged on the nozzle needle 45 and the nozzle head 46.
  • Both the liquid C0 2 and the compressed gas is supplied via the nozzle needle 45.
  • the compressed gas then flows for calming purposes via four star-shaped bores arranged on the Laval nozzle 51 on the outlet side into the antechamber of the Laval nozzle 51.
  • the compressed gas flows out of the Laval nozzle with a clear overview, without twisting and symmetrically.
  • the CO: is supplied via the capillary 42, which is guided in the channel of the nozzle needle 45.
  • a plug 48 at the lower end of the nozzle needle 45 centers the capillary 42 and at the same time seals the compressed gas channel from below.
  • At the upper end of the compressed gas channel is closed by the CO 2 -Le ⁇ tung 40 and its screw 41.
  • the two nozzles, the Laval nozzle 41 and the snow nozzle 49 formed at the end of the capillary 42 are arranged in such a way that the supporting gas only current jet of dry ice snow is mixed in. Otherwise the function of the blasting tool would not be guaranteed.
  • the entire system is sealed by two seals, namely a packing 44 with a flange 43 and a thin metal foil between the nozzle head 46 and a connection plate 55.
  • a metal ring 50 with three ionization tips is attached, isolated by an insulator 47, which is connected via a high-voltage cable 53 to an adjustable ionizer.
  • an adjustable ionizer is connected to an adjustable ionizer.
  • the strong negative charge of the CO 2 beam is compensated for the crystallization of the CO 2 at the exit of the capillary 42 by continuous deionization.
  • the capillary 42 is grounded by means of a ground cable, so that the charge separation m the
  • suction device 21 The suction of the material detached by the dry ice jet directly at the point of action is not possible with a conventional suction device due to the high flow speed and the resulting gas volume. Therefore, a suction device 21 according to the invention was used.
  • FIG. 4 shows a cross section through the plane of the sample table 1.
  • the sample table 1 is completely surrounded by a suction pipe 65 of the suction device 21 in the plane of the sample table 1.
  • FIG. The gas jet 5, which is usually aligned perpendicularly to the sample carrier, is directed at the mostly flat cleaning objects or at the
  • the sample table itself is deflected by 90° and flows radially from the impact point on the surface of the object or the sample table as a laminar flow 35.
  • the suction pipe 65 has a kidney-shaped cross section with indentations in the plane of the sample table 1.
  • this indentation is opened as a gas outlet opening.
  • the gas 35 flowing out of the sample table 1 consequently hits the inner wall of the suction ring 65 and is deflected upwards or downwards, supported by the central kink 66 due to the kidney-shaped constriction in the plane of the sample table 1 .
  • the process gas 35 compressed gas, CO 2 gas, removed particles 4
  • the process gas 35 flowing off the sample table 1 at high speed is transferred to a twist flow 63 flowing to the corners of the suction ring 65.
  • Fans 61 are located in the corners of suction ring 65 and are connected to suction ring 65 via suction openings 64 m. These fans generate a suction volume flow via a suction channel 60, which supports the flow of this jet flow and prevents em backflow to the sample carrier.
  • the openings 64 between the suction ring 65 and the suction channel 60 are located above and below the central bend 66, so that the vortices 63 formed are sucked off.
  • the extraction volume of the fans 61 is constantly adjusted to the sum of the laminar supply air gas flow 6 (see FIG. 2) and the cleaning gas flow 5 via a speed controller.
  • the supply air flow is determined via the Free cross-sectional area of the suction ring 65 and the supply air speed (speed of the pure gas flow 6).
  • the cleaning gas flow 5 is calculated essentially based on the diameter of the capillary 42 of the CO 2 supply, the geometry of the Laval nozzle 51 and the form of the pressure/support gas in a conventional manner.
  • the extracted gas is then blown by the fans 61 to a process exhaust air system 62, where the extracted air can be cleaned, processed and/or used further.
  • the C0 2 - supply is designed so that short C0 2 jet shocks can be generated. These are much more effective compared to a continuous CO 2 jet, since higher thermal voltages are generated here compared to the longer exposure time of the dry ice jet.
  • FIG. 6 shows an example of cleaning with the device according to the invention. Above are encrusted nozzles of an ink jet print head which have been cleaned according to the invention. In the lower part of The figure shows a microchip on a ceramic carrier whose scaling can be seen on the right-hand side. The cleaned area can be seen on the left side of this picture.
  • FIG. 7 shows a lacquer layer that was treated with the device according to the invention.
  • the representation in FIG. 7 is magnified 50 times.
  • the paint layer has been partially removed using the method according to the invention.
  • the formation of cracks and the blasting off of the base material can be clearly seen.
  • Jet tool (2) according to the preceding claim, characterized in that the second nozzle is a Laval nozzle (51).
  • Jet tool (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the second nozzle (51) is designed so that it bundles the jet of the first nozzle, preferably parallel b ndelt, and / or accelerated.
  • blasting tool (2) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first nozzle (49) is connected to a capillary (42) as a supply line.
  • blasting tool (2) according to the preceding claim, characterized in that the capillary re (42) is electrically grounded.
  • the blasting tool (2) according to any one of the preceding claims, characterized in that the blasting tool (2) has a nozzle needle (45) and a nozzle head (46) surrounding it, the first nozzle (49) being arranged in the nozzle needle (45). is.
  • blasting tool (2) according to the preceding claim, characterized in that the second nozzle (51) as a space between nozzle needle
  • jet tool (2) according to the preceding claim, characterized in that the contour of the second nozzle (51) through the outer contour of
  • Nozzle needle (45) and/or is formed by the inner contour of the nozzle head (46).
  • jet tool (2) according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the nozzle needle (45) along the nozzle head (46) is displaceable
  • jet tool (2) according to any one of claims 7 to 11, characterized in that at the bottom
  • a device for supporting and centering the nozzle needle (45) m the nozzle head (46) is arranged.
  • blasting tool (2) according to any one of the preceding claims, characterized in that the two te nozzle (51) has at its inlet several star-shaped holes for gas supply.
  • blasting tool (2) according to any one of the preceding claims, characterized in that in
  • Jet direction behind the first nozzle (49) a device (50) for deionization of the Co 2 - snow jet is arranged.
  • the blasting tool (2) according to the preceding claim, characterized in that the device (50) for deionization has a metal ring concentric with the first nozzle (49).
  • Beam tool (2) according to the preceding claim characterized in that the metal ring has at least one ionization tip projecting into the beam area.
  • Beam tool (2) according to any one of claims 14 to 16, characterized in that the device (50) for deionization via a high-voltage cable (53) is connected to an ionizer.
  • a device for treating, for example for cleaning, the surface of an object (1) for example a workpiece or a sample table, characterized by blasting the surface with C0 2 snow by a blasting tool (2) for generating a beam les from C0 2 snow according to any one of the preceding claims.
  • sample table (1) is electrically heatable.
  • Device according to one of claims 21 to 27, characterized in that the object is arranged in the cleaning chamber (36) in such a way that its surface is subjected to a perpendicular flow of the ultra-pure air (6).
  • Remistr (36) arranged suction device (21) for sucking air from the surface of the object (1), with a suction tube (65) m the surface level of the object (1) completely surrounds and along its inner circumference
  • suction pipe (65) has a kidney-shaped cross-section with an indentation along its outer circumference.
  • Device according to one of Claims 29 to 41, characterized in that a treatment plant for extracted air and any particles contained therein is provided.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Cleaning In General (AREA)
  • Nozzles (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Strahlwerkzeug (2) sowie auf eine Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere zur Abreinigung von Oberflächen (1) mittels eines CO2-Schnee-Strahles (5). Erfindungsgemäss weist das Strahlwerkzeug (2) zur Erzeugung eines Strahles aus CO2-Schnee eine erste Düse (49) zur Erzeugung eines CO2-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

Strahlwerkzeug und Vorrichtung enthaltend ein
Strahlwerkzeug
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Strahlwerkzeug sowie auf eine Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere zur Abreinigung von Oberflächen mittels eines C02-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 Oberflächen, u.a. zur Behandlung weicher Oberflächenbeschichtungen, Gele und dergleichen verwendet. Die Basis dieses Behand- lungs- bzw. Reinigungsverfahrens ist die Reinigung mittels C02-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 Submikrometer- bereich eingesetzt. Die fortschreitendene Miniaturisierung bei gleichzeitiger Hybridisierung von Baugruppen verlangt nach einem Reinigungsverfahren, welches ein lokales Reini- gen von Funktionsflachen 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 Materialunvertraglichkeiten nur noch selten möglich. Das Strahlen mit C02-
Partikeln stellt hier eine interessante Alternative dar.
Die C02-Eιsreιnιgung ist ein trockenes, tiefkaltes, ruckstandsfreies Strahlverfahren mit breitem Anwendungsgebiet. Prinzipiell laßt sich das Trockeneis- Strahlen m zwei verschiedene Verfahren einteilen - dem Reinigen mit luftgetragenen Trockeneispellets und der Reinigung mittels C02-Schnee.
Das Strahlen mit Trockeneispellets wird seit 1987 zum Entlacken und Reinigen von Flugzeugkomponenten und Flugzeugen verwendet. Vor allem aufgrund der Eigenschaft von Trockeneis, wahrend des Reimgungspro- zesses zu subli ieren und somit kein kontaminiertes Reinigungsmittel zu hinterlassen, konnten Teile m eingebautem Zustand gereinigt und die Reinigungskosten an Flugzeugen bis zu 50 % gesenkt werden.
Heute hat sich das Strahlen mit Trockeneispellets bereits m vielen Bereichen wie z. B. der Entlackung von Flugzeugen, der Fassadenreinigung oder dem Beseitigen grober Verschmutzungen an Maschinen durchgesetzt. Seine Starke der ruckstandsfreien Reinigung spielt es besonders in der Baugruppenreinigung bereits installierter Anlagen aus. Die Reinigungswirkung stützt sich dabei grundsätzlich auf drei Mechanismen. Zum einen werden beim Auftreffen der C02-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 Grundmaterial gelockert bzw. gelöst wird. Weiterhin wird durch den von den C02-Pellets übertragenen Impuls die versprödeten Verunreinigung weiter gelöst und mechanisch abgetragen. Zuletzt wird das durch die Trocken- eispellets abgelöste Material durch das sublimierte C02 und ggf. weiteres Stützgas in der Schwebe gehalten 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 enthaltener und während der Abtrocknung des C02-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 C02-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 rei- nigendes Einwirken der CO?-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 Über- streichen 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 C02- Schnee-Strahl von einem Hüllstrahl umgeben werden, der beheizt wird. Damit wird beim Überstreichen einer Oberfläche durch den C02-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 C02- Eis-Strahles durch den warmen Stützstrahl, so daß die Wirksamkeit des Strahlverfahrens beeinträchtigt wird. Ein derartiges Verfahren ist in der US 5,725,154 be- schrieben.
Nachteilig am Strahlverfahren unter Verwendung von CO?-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 induktives Magnetfeld zu erzeugen, um die Aufladung des heranfließenden flüssigen C02 zu kompensieren. Die durch Ladungstrennung bei der Expansion des C02 und der Auskristallisierung des C02-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 C02-Eisstrahl erzeugt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Strahlwerkzeug und eine dieses enthaltende Strahlvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der Oberflächen einfach und zuverlässig ohne Rekondensation von Wasser oder Querkontamination behandelt, insbe- sondere abgestrahlt werden können.
Diese Aufgabe wird durch das Strahlwerkzeug nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen 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, mit- tels 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 Reinigungs- anläge 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 Mikro- systemen 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.
Durch die erfindungsgemäße Absaugvorrichtung wird vorteilhafterweise das aufgestrahlte, subli ierte C02 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 er- halten bleibt.
Insgesamt ergibt sich ein sehr hoher Wirkungsgrad bei kurzer Behandlungsdauer unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Strahlwerkzeuges. Weitere vorteilhafte Eigenschaften sind ein einfacher, kompakter Geräteaufbau, eine hohe Geratesicherheit, 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 wahrend der Produktion möglich unter Wegfall komplizierter und aufwendiger Reini- gungsvorbereitungen. Mit dem erfmdungsgemaßen Trok- keneisstrahlverfahren kann eine Vielzahl von Materialien gereinigt werden, sofern sie dem kurzzeitig auftretenden Temperaturschock widerstehen. Bei den auftretenden Strukturen gibt es nur geringfügige Em- schrankungen, da es sich beim Trockeneisstrahlen wie bei allen Strahlverfahren um ein Sichtlinienverfahren handelt. Daher können nur Oberflachen abgereinigt werden, die m Strahlrichtung liegen. Das Reinigen von uneinsehbaren Hmterschneidungen ist somit nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Gleiches gilt für Vertiefungen mit relativ großem Aspektverhaltnis, die sich relativ rasch mit sublimiertem C02 füllen und so das weitere Eindringen der Eiskristalle behindern oder gar verhindern.
Im folgenden wird ein Beispiel eines erfmdungs- gemaßen Strahlwerkzeuges und einer erfmdungsgemaßen Vorrichtung beschrieben. Dabei werden in sämtlichen Figuren gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen be- zeichnet.
Es zeigen
Fig. 1 das erfmdungsgemaße Strahlverfahren;
Fig. 2 eine erfmdungsgemaße Vorrichtung; Fig. 3 ein erfindungsgemaßes Strahlwerkzeug;
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Absaugvorrichtung;
Fig. 5 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Absaugvorrichtung nach Fig. 4;
Fig. 6 ein Reinigungsergebnis nach dem erf dungs- gemäßen Verfahren; und
Fig. 7 ein weiteres Reinigungsergebnis nach dem er- f dungsgemaßen Verfahren.
Fig. 1 zeigt schematisch das erf dungsgemaße Verfahren. Eine Oberflache eines Objektes 1, beispielsweise eines Probentisches wird mit C0-Eiskrιstallen (C02- Schnee) 3 aus einer Spruhduse 2 bestrahlt. Der C02- Schnee bildet dabei einen C02-Strahl 5, der eine Ver- unre igung 4 von der Oberfläche des Objektes 1 abstrahlt. Dabei treten zwei Wirkmechanismen auf. Mit a ist ein Wirkmechanismus beschrieben, bei dem ein C02- Kristall 3 auf die Oberflache des Objektes 1 auftrifft und dabei die Verunreinigung 4 absprengt. Mit b ist ein anderer Mechanismus beschrieben, bei dem der C02-Schneekrιstall auf die Oberflache des Objektes 1 auftrifft und dort sublimiert. Bei dieser Sublimation wird durch den Gasdruck die Verunreinigung 4 von der Oberflache des Objektes 1 gelost und w rd von dem abfließenden C02 mitgenommen.
Fig. 2 zeigt eine erfmdungsgemaße Vorrichtung zum Behandeln, insbesondere zum Abstrahlen von Oberflachen.
Diese erfmdungsgemaße Vorrichtung weist eine Reinigungskammer 36 auf, m der em Probentisch 1 und e Strahlwerkzeug 2 zur Erzeugung eines C02-Schnee- Strahles 5 angeordnet sind und von laminar anfließender Luft umströmt sind. Der gewohnlich senkrecht zum Probentrager 1 ausgerichtete Gasstrahl 5 aus dem Strahlwerkzeug 2 wird an den meist flachen Reinigungsobjekten bzw. am Probentisch 1 selbst um 90° um- gelenkt und strömt radial vom Auftreffpunkt und parallel zum Probentisch 1 ab. Durch die hohe Stromungsgeschwindigkeit und das entstehende Gasvolumen ist es nicht möglich, das abgelöste Material lokal an der Wirkungsstelle abzusaugen. Die Absaugung der Pro- zeßgase erfolgt daher außerhalb des Probentisches 1 mittels der Stromungsfalle 21, die seitlich zu dem Probentisch 1 der Ebene seiner Oberflache und den Probentisch vollständig umgebend angeordnet ist. Diese Stromungsfalle 21 fangt das als Oberflachen- Strömung 35 abströmende C02, das von dem CO?-Schnee- Strahl 5 auf der Oberflache des Probentisches 1 erzeugt wird, seitlich auf.
Der Probentisch 1 ist in allen drei Dimensionen be- weglich, über eine Heizung 22 beheizbar und ist von unterhalb über em Ventil 24 und einen Vakuumanschluß 23 an einer Vakuumleitung angeschlossen. Der Probentisch 1 besteht aus einer metallischen Lochplatte, so daß mittels dieses Unterdruckes abzustrahlende Objek- te auf der Oberflache des Probentisches 1 fixiert werden können. Weiterhin ist em 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 er- zeugt, die längs der Wände 36 der Reinigungskammer und in Richtung des C02-Schnee-Strahles 5 fließt.
Dem Strahlwerkzeug 2 wird über einen Kühler 26, einen Filter 27 und ein Hochdruckventil 28 flüssiges C02 aus einem C02-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 tur- bulenzarme 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 un- ter 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 C02-Eisschnee, verfestigt. Die Menge des ausströmenden C02 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 Laval- düse, die bei Raumtemperatur überschallschnelles, trockenes Druckgas (N2) ausstößt. Durch dieses Druckgas wird zum einen der Trockeneisschnee-Strahl ge- stützt und weiterhin zu einem parallelen Strahl gebündelt und beschleunigt.
Dieser Druck- bzw. Stützstrahl kann zeitversetzt zu dem C02-Schnee-Strahl gestartet bzw. beendet werden, so daß bei einem Zuschalten des C02-Schnee-Strahls nach dem Start des Druckgasstrahles die Umgebungsluft vom Remigungspunkt ferngehalten wird. Damit wird die Kondensation von Luftfeuchtigkeit an dem durch den Reinigungsstrahl gekühlten Reinigungspunkt erfolgreich unterbunden. Zum selben Zweck kann der Stütz- strahl erst nach dem C02-Schnee-Strahl abgeschaltet werden.
Der Stützstrahl aus trockenem Druckgas führt weiterhin dazu, daß die Substratoberfläche nach erfolgter Reinigung am Reinigungspunkt rasch wieder erwärmt wird.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes 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 verflüs- sigte C02 geleitet wird und an deren konisch erweitertem Ende 49 das C02 expandiert. Hierbei entsteht ein Gemisch aus Gas- und Trockeneisschnee. Der Schneeanteil beträgt ungefähr 45 % der ausströmenden Gesamtmasse. Die Menge des ausströmenden C02 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 Dusennadel 45, die d e Kapillare 42 enthalt und durch die Innenkontur eines Dusenkopfes 46 gebildet. Die Lavaldüse 51 kann durch Veränderung des minimalen Querschnitts mittels Verschiebens der Dusennadel 45 relativ zum Dusenkopf 46 feinjustiert und optimal eingestellt werden. Die Fixierung erfolgt dann durch Unterlegen von geeigneten Distanzscheiben zwischen einem an der Dusennadel 45 angeordneten Flansch 43 und dem Dusenkopf 46.
Sowohl das flussige C02 als auch das Druckgas wird über die Dusennadel 45 zugeführt. Das Druckgas strömt dann zur Beruhigung über vier emlaßseitig an der Lavaldüse 51 angeordnete sternförmigen Bohrungen in die Vorkammer der Lavaldüse 51. Aus der Lavaldüse strömt das Druckgas mit Überschau, drallfrei und symmetrisch aus.
Das CO: wird über die Kapillare 42 zugeführt, die im Kanal der Dusennadel 45 gefuhrt wird. Em Stopfen 48 am unteren Ende der Dusennadel 45 zentriert die Kapillare 42 und dichtet zugleich den Druckgaskanal nach unten ab. Am oberen Ende wird der Druckgaskanal durch die C02-Leιtung 40 und deren Verschraubung 41 verschlossen.
Da das C02 aufgrund von Druckanderung innerhalb der Geometrie der Lavaldüse 51 den Aggregatzustand wech- sen wurde, sind die beiden Düsen, die Lavaldüse 41 und die am Ende der Kapillare 42 ausgebildete Schnee- Duse 49 so angeordnet, daß das Stutzgas erst dem fer- tigen Trockeneisschnee-Strahl zugemischt wird. Ansonsten wäre die Funktion des Strahlwerkzeugs nicht gewährleistet .
Abgedichtet wird das ganze System durch zwei Dichtungen, namlich einer Packung 44 mit Flansch 43 sowie einer dünnen Metallfolie zwischen Dusenkopf 46 und einer Anschlußplatte 55.
Am Dusenende ist em Metallring 50 mit drei Ionisationsspitzen durch einen Isolator 47 isoliert angebracht, der über em Hochspannungkabel 53 mit einem rgelbaren Ionisator verbunden ist. Über die Ionisationsspitzen des Metallrings 50 wird die stark nega- tive Aufladung des C02-Strahles beim Kristallisieren des C02 am Ausgang der Kapillare 42 durch kontinuierliches Deionisieren kompensiert.
Weiterhin ist die Kapillare 42 mittels eines Masse- kabeis geerdet, so daß die Ladungstrennung m der
Randschicht des durch die Kapillare stromenden flussigen C02 hmeichend aufgehoben wird.
Die Absaugung des vom Trockeneisstrahl abgelösten Ma- terials direkt an der Wirkungsstelle, ist aufgrund der hohen Stromungsgeschwindigkeit und des entstehenden Gasvolumens mit einer herkömmlichen Absaugvorrichtung nicht möglich. Daher wurde eine erfmdungsgemaße 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 Probentrager ausgerichtete Gasstrahl 5 wird an den meist flachen Reinigungsobjekten bzw. am Probentisch selbst um 90° umgelenkt und strömt radial vom Auftreffpunkt auf der Oberflache des Objektes oder des Probentisches als laminare Strömung 35 ab. Die Absaugung der Prozeßgase erfolgt bei der erfm- dungsgemaßen Absaugvorrichtung 21 daher nur außerhalb des Probentisches. Wie in Fig. 5 zu erkennen ist, weist das Absaugrohr 65 einen nierenformigen Querschnitt mit Einbuchtungen m der Ebene des Probentisches 1 auf. Auf der Seite des Probentisches 1 ist diese Einbuchtung als Gasemlaßoffnung geöffnet. Das vom Probentisch 1 abströmende Gas 35 trifft folglich auf die Innenwand des Absaugringes 65 und wird, unterstutzt durch den Mittenknick 66 aufgrund der nierenformigen Einschnürung m der Ebene des Probenti- sches 1, nach oben bzw. nach unten umgelenkt. Durch die Geometrie dieser Stromungsfalle 21 wird das mit hoher Geschwindigkeit vom Probentisch 1 abströmende Prozeßgas 35 (Druckgas, C02-Gas, abgetragene Partikel 4) m eine zu den Ecken des Absaugringes 65 fließende Drallstromung 63 überfuhrt. In den Ecken des Absau- gnnges 65 befinden sich Ventilatoren 61, die mit dem Absaugring 65 über Absaugoffnungen 64 m Verbindung stehen. Diese Ventilatoren erzeugen einen Absaugvolumenstrom über einen Absaugkanal 60, der den Fluß die- ser Strahlstromung unterstutzt und em Ruckfließen zum Probentrager verhindert.
Die Offnungen 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 standig der Summe von laminarem Zu- luft-Gasstrom 6 (siehe Fig. 2) und Reinigungsgasstrom 5 angepaßt. Der Zuluftstrom ermittelt sich über die freie Querschnittsflache des Absaugringes 65 und die Zuluftgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Reinstgasstromes 6) . Die Berechnung des Reinigungs- gasstromes 5 erfolgt im wesentlichen anhand des Durch esseres der Kapillare 42 der C02-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 Drucktechnik, 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 beispielsweise Fingerabdrücke oder dünne Lackschichten entfernt .
Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung, ist die C02- Zuführung so ausgebildet, daß kurze C02-Strahlstöße erzeugt werden können. Diese sind verglichen mit einem kontinuierlichen C02-Strahl wesentlich effektiver, 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 erfmdungsgemaßen Vorrichtung. Oben sind verkrustetet Düsen eines Tintenstrahldruckkopfes dargestellt, die erfindungsgemäß gereinigt wurden. Im unteren Teil der Abbildung ist em Mikrochip auf einem Keramiktrager dargestellt, dessen Verzunderung auf der rechten Seite zu sehen ist. Linksseitig ist m diesem Bild der gereinigte Bereich zu erkennen.
Fig. 7 zeigt eine Lackschicht, die mit der erfm- dungsgemaßen Vorrichtung behandelt wurde. Die Darstellung in Fig. 7 ist 50fach vergoßert. Wie zu erkennen ist, ist die Lackschicht teilweise mit dem er- fmdungsgemaßen Verfahren abgetragen worden. Deutlich ist die Rißbildung und die Absprengung vom Grundmaterial zu erkennen.
Patentansprüche
1. Strahlwerkzeug (2) zur Erzeugung eines Strahles aus C02-Schnee mit einer ersten Düse (49) zur Erzeugung eines C02-Schnee-Strahles und einer zweiten Düse (51) zur Erzeugung eines Stutzbzw. Druckstrahles, wobei die zweite Düse (51) die erste Düse (49) umgibt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die zweite Düse (51) eine Düse zur Erzeugung eines Uberschall-Strahles ist.
2. Strahlwerkzeug (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse eine Laval-Duse (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 b ndelt, 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 Kapilla- re (42) elektrisch geerdet ist.
6. Ξtrahlwerkzeug (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 Dusennadel (45) und einen diese umgebenden Dusenkopf (46) aufweist, wobei die erste Düse (49) m der Dusennadel (45) angeordnet ist.
9. Strahlwerkzeug (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) als Zwischenraum zwischen Dusennadel
(45) und Dusenkopf (46) ausgebildet ist.
10. Strahlwerkzeug (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der zweiten Düse (51) durch die Außenkontur der
Dusennadel (45) und/oder durch die Innenkontur des Dusenkopfes (46) ausgebildet ist.
11. Strahlwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dusennadel (45) längs des Dusenkopfes (46) verschiebbar
Figure imgf000021_0001
12. Strahlwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren
Ende der Dusennadel (45) eine Vorrichtung zur Lagerung und Zentrierung der Dusennadel (45) m dem Dusenkopf (46) angeordnet ist.
13. Strahlwerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei- te Düse (51) an ihrem Einlaß mehrere sternförmige Bohrungen 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 C02-Schnee g e k e n n z e i c h n e t durch ein Strahlwerkzeug (2) zum Erzeugen eines Strah- les aus C02-Schnee nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
20. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlwerkzeug
(2) und das Objekt (1) m 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 Rei- nigungskam er (36) von der Reinstluft (6) turbulenzarm, quasilaminar durchströmt ist.
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden drei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rei- nigungskammer (36) einen Probentisch (1) zur
Montage eines zu behandelnden oder abzuremigen- den Werkst ckes 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 abzuremigenden Werkstucks 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 Oberflache von der Reinstluft (6) senkrecht prallend angeströmt ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 28, gekennzeichnet durch eine, gegebenenfalls in der
Remigungskämmer (36) angeordnete Absaugvorrich- tung (21) zum Absaugen von Luft von der Oberflache des Objektes (1), mit einem Absaugrohr (65), das das Objekt (1) m der Ebene der Oberflache vollständig umgibt und längs seines Innenumfangs
Gasdurchtπttsoffnungen 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 Ab- saugrohr (65) einen nierenformigen 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 in- destens 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 e 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 em, 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 Aufbereitungsanlage 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 Oberflachen nach einem der vor- hergehenden Ansprüche zum Reinigen von Oberflachen und/oder der Entfernung von Beschichtungen im Bereich der optischen Industrie, der Medizintechnik, der pharmazeutischen Industrie, der Lackiertechnik, der Mikrotechnik und/oder der Femwerktechnik und anderen.
44. Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch zur Behandlung weicher Oberflachen, zur Entfernung partikularer, biotischer und/oder abiotischer Beschichtungen und/oder Ablagerungen und/oder zur Entfernung von Lackschichten. 5. Verwendung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche zur Behandlung von Oberflächen im sub- μm-Bereich .

Claims

1. Strahlwerkzeug (2) zur Erzeugung eines Strahles aus C0 -Schnee mit einer ersten Düse (49) zur Erzeugung eines C02-Schnee-Strahles und einer zweiten Düse (51) zur Erzeugung eines Stutzbzw. Druckstrahles, wobei die zweite Düse (51) die erste Düse (49) umgibt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Düse (51) eine Düse zur Erzeugung eines Überschall-Strahles ist.
2 Strah[iota]wer zeug (2) nacn dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Düse eine Laval-Duse (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 vornergehenden Ansprucne, dadurcn gekennzeichnet, dass die erste Düse (49) mit einer Kapillare (42) als Zuleitung verbunden ist .
5. Strahlwerkzeug (2) nacn 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. Strahlwerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Düse (51j die erste Düse (49) konzentrisch umschliess .
8. Strahlwerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oas Strahlwerkzeug (2) eine Dusennadel (45) und einen diese umgebenden Dusenkopf (46) aufweist, wobei die erste Düse (49) m der Dusennadel (45) angeordnet i st .
9. Straahlwerkzeug ( 2)nach de.m vorhergehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei te Düse(51) als Zwischenraum zwischen Düsennadel
(45 unc DusenKopf (46)ausgebildet ist
10 strahlwerzeug ( 2)nach demvorhergehenden Ansprucn dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der zweiten Düse ( 51)durch die Aussenkontur der
Dü s ennadel ( 45)und/oder durch des Düsenkopies (46) aus gebildet ist
11 Strahlwerkzeug (2) nach einem der Anspruche 8 bi 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dusennadel (45 l ngs des Dusenkopfes (46) versch[iota]ebba[tau] st .
12. Strahlwerkzeug (2) nacn einem der Ansprüche / bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass am unteren
Ende der Dusennadel (45) eine Vorrichtung zur Lagerung und Zentrierung der Dusennadel (45) dem Dusenkopf (46) angeordnet ist.
13. Strahlwerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass d e zwei te Düse (51) an ihrem Einlass mehrere sternförmige Bohrungen 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 Co2Schnee-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 m den Strahlbereich ragende Ionisationsspitze aufweist.
17. Strahlwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (50) zur Deionisation über e 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 Abremigung, der Oberflache eines Objektes (1), beispielsweise eines Werkstückes oder eines Prooentisches, durch Anstrahlen der Oberflache mit C0:-Schnee g e k e n n z e i c h n e t durch em Strahlwerkzeug (2) zum Erzeugen eines Strah les aus C0--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 (3b) angeordnet sind.
21. Vorrichtung nach dem vornergenen[alpha]en Ausspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die ReinigungsKammer
(36) von Pemstlurt (6) durchströmt ist.
22. vorrrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche: , dadurch gekennzeichne , dass dieReinigungkammer (36) von der Re ins t luf t (6) turb[upsilon]lenzarm, quas laminar durchstrom is.t
23. . Vorrichtung nach einem oer vorhergehenden drei Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungskammer (36 emei Prooentisch (.' zu
Monlage eines zu behandeinder oder abzureinigenden Werkstückesaufweist
2 . Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass de<v>Probentisch (]' behcizbar ist.
25. Vorrichtung nach dem vornergehenden Anspruch, [alpha]a[alpha]urcn ge[kappa]ennze[iota]cnnct , 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 abzuremigenden 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 m der Reinigungskammer (36) angeordnet ist, dass seine Oberflache von der Remstluft (6) senkrecht prallend angeströmt ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 28, gekennzeichnet durch eine, gegebenenfalls m der
Reinigungskammer (36) angeordnete Absaugvor[pi]chtung (21) zum Absaugen von Luft von der Oberfl che des Objektes (1), mit einem Absaugrohr (65), das das Objekt (1) m der Ebene der Oberflache vollständig umgibt und längs seines Innenumfangs
Ga durchtrittsöffnungen 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, dadurcn gekennzeichnet, dass das Absau[sigma]rohr (65) einen merenforangen Querschnitt mit einer Einbuchtung längs seines Aussenumfangs aufweist .
32. Vorrichtung nacn dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Absaugrohr (65) längs der Einbuchtung längs seines Innenumfangs als Gasdurchtrittsoffnung geöffnet ist.
33. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die längs des Aussenumfangs des Absaugrohres (65) Vorhände ne Einbuchtung einen als spitz zusamnenlautende, nacl innen weisende Kante ausgebildeten Mitten knie' { b b ) auf eist
34 Vorrichtung nach einem oer Ansprüche 29 bis 33 dadurch gekennzeichnet, dass dm Absaugrohr (65) mit mindestens einem Ventilator (61) zurAbsaugung r l f mAbsau rohr (6 verbLiicien
3 orr c ung n c de vor erge en en dadurch gekennzeichnet das- derrmindestens em*venmlato (61) in seiner Drehzahl regelbar ist
36- Vorrichtung nach einem der beiden vorhergenende Anspruche, dadurchgekennzeichnet d deerni' je<or>em ent^a,"'- 'Gjj übe- Ottnun[alpha]ei (6^ mi den Arjsau[sigma]rom (b [iota] verbunden ist die a de 0oe - und/ode nterseite de" Absau[alpha]rohre.
(65 an[alpha]eordnct smo
37. Vorrichtung nach einem der drei vorhergehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mmdestens e ne Ventmatoi (61) über Offnungen (64; mit dem Absaugrohr (63) verbunden ist, die seitlich des Mittenknicks (66) angeordnet sind.
38. Vomchtun[sigma] 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 Absaugrchr (65) als Vieleek ausgebildet ist.
40. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Absaugrohr (65) zwischen je zwei benachbarten Ecken bogenförmig m Richtung des Objektes (1) gekrümmt ist.
41. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprucne, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Ecke des Vielecks em, 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 eme Aufbereitungsanlage für abgesaugte Luft und darin gegebenenfalls enthaltene Partikel vergesehen ist.
43. Verwendung eines Strahlwerkzeugs (2) und/dder einer Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere Abremigung, von Oberflachen nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Reinigen von Oberfl chen und/oder der Entfernung von Beschichtungen 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 Oberflachen, zur Entfernung partikularer, 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[mu]m-Bereich .
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