(57)【要約】  本発明は、基板（１００）に少なくとも一つの構造体（２）を作成する方法に関する。低温プラズマ噴流（１０）によって、構造体（２）を作成する原料となる粉末（２０）が、基板（１００）の表面（１）に塗布される。少なくとも一つのレーザビーム（３０）によって、熱が、基板（１００）および／または基板（１００）のレーザ入射領域（３５）内の粉末（２０）に注入される。熱注入が、部分的にまたは全体的にプラズマ噴流（１０）内に溶けた、基板（１００）上の粉末粒子の固化を遅らせるので、それにより、塗布された粉末（２０）と、ひいてはそれから作成された構造体（２）と、基板（１００）とを良好に付着することができる。本発明は、さらに、該方法を実施する装置（３００）に関する。【選択図】図１
2016518523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１００）の表面（１）に少なくとも一つの構造体（２）を粉末（２０）から作成する方法であって、前記方法は、
（ａ）低温プラズマ噴流（１０）によって、前記低温プラズマ噴流（１０）と前記基板（１００）との相対的な移動中に、前記基板（１００）の前記表面（１）に前記粉末（２０）を塗布することと、
（ｂ）少なくとも一つのレーザビーム（３０）を、前記基板（１００）上での前記少なくとも一つのレーザビーム（３０）のレーザ入射領域（３５）と前記基板（１００）上での前記低温プラズマ噴流（１０）のプラズマ入射領域（１５）との規定相対位置（Ｒ）が決まるように、前記基板（１００）に向けることと、
（ｃ）前記少なくとも一つのレーザビームによって、前記レーザ入射領域内の前記基板（１００）、および／または、前記粉末（２０）に熱注入を発生させることと、を含む
ことを特徴とする、構造体を基板上に作成する方法。
【請求項２】
前記レーザ入射領域（３５）と前記プラズマ入射領域（１５）との前記規定相対位置（Ｒ）は、前記レーザ入射領域（３５）が、前記プラズマ入射領域（１５）の外側にあってまだ粉末（２０）に当たっていないようになっている
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも一つのレーザビーム（３０）は、前記低温プラズマ噴流（１０）を横切らないようにガイドされる
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも一つのレーザビーム（３０）は、前記低温プラズマ噴流（１０）を横切るようにガイドされる
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザ入射領域（３５）は、前記プラズマ入射領域（１５）と重なる
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザ入射領域（３５）は、完全にプラズマ入射領域（１５）内に位置する
ことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記レーザ入射領域（３５）の直径（ＤＬ）は、前記プラズマ入射領域（１５）の直径（ＤＰ）より小さい
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記低温プラズマ噴流（１０）と前記少なくとも一つのレーザビーム（３０）とによって作成される前記少なくとも一つの構造体（２）の外側で、前記低温プラズマ噴流（１０）によって前記基板（１００）の表面（１）に塗布された前記粉末（２０）は、前記基板（１００）の前記表面（１）から除去されて元の状態になる
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
低温プラズマ噴流（１０）を形成するためのノズル（１２）を有する加工ヘッド（１１）と、
粉末（２０）を前記低温プラズマ噴流（１０）、または、前記低温プラズマ噴流（１０）を発生させるためのプラズマに供給する粉末供給器（２１）と、を備え、少なくとも一つの構造体（２）を基板（１００）の表面（１）に作成するための装置（３００）であって、
前記基板（１００）上の前記レーザビーム（３０）のレーザ入射領域（３５）と前記基板（１００）上の前記低温プラズマ噴流（１０）のプラズマ入射領域（１５）との規定相対位置（Ｒ）が決まるようにレーザビーム（３０）が前記基板（１００）に向けられるような方法で、前記加工ヘッドに割り当てられる、少なくとも一つのレーザ発光器（３１、３３ｅ）を備える
ことを特徴とする、構造体を基板上に作成する装置。
【請求項１０】
前記少なくとも一つのレーザ発光器は、前記加工ヘッド（１１）に取り付けられたレーザ（３１）である
ことを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも一つのレーザ発光器は、前記加工ヘッド（１１）に装着された、光ファイバ（３３）の端部（３３ｅ）である
ことを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記光ファイバ（３３）の中でガイドされるレーザ光用のデカップリング光学系（３４）が提供される
ことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記レーザ発光器（３１、３３ｅ）は、前記加工ヘッド（１１）に調整可能に取り付けられる
ことを特徴とする、請求項９乃至請求項１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも一つの可動反射器が、前記レーザビーム（３０）を前記基板（１００）の表面（１）を端から端にガイドするために設けられている
ことを特徴とする、請求項９乃至請求項１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
少なくとも一つの反射器は、前記レーザ発光器（３１、３３ｅ）に、または、前記加工ヘッド（１１）に取り付けられている
ことを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記基板（１００）と前記加工ヘッド（１１）との間の相対運動を発生させる手段を備えている
ことを特徴とする、請求項９乃至請求項１５のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一つの構造体を基板表面に作成する方法に関する。該構造は、粉末を材料とし一つの層として作成される。
【０００２】
また、本発明は、少なくとも一つの構造体を基板表面に作成する装置に関する。特に、ノズルの付いた加工ヘッドを提供するものであって、該加工ヘッドは、低温プラズマ噴流を形成するように作用する。粉末供給部は、この低温プラズマ噴流内に、または、この低温プラズマ噴流を発生させるためのプラズマ内に、粉末を供給するように作用する。
【背景技術】
【０００３】
例えば、ラインハウゼンプラズマ社の「プラズマダスト」という低温プラズマ溶射法が、基板表面を被覆する方法として知られている。この方法では、粉末が、低温プラズマ噴流に供給され、このプラズマ噴流中で一部が溶融されて化学的に活性化され、このプラズマ噴流によって被覆対象の基板表面に塗布される。
【０００４】
この技術では、マスクなしの状態で塗布層のライン幅を約１ミリメートル以上にするしかできない。その結果、このラインのエッジは、あまり明瞭には成形されず、その原因は、ガウス分布に類似した、該プラズマ噴流の不均一な密度輪郭にある。マスクを使用すると、手間がかかるのでコスト高になる。特に、被覆対象の基板の数が少なくても、塗布層の望ましい形状の各々に対応するマスクを提供する必要がある。
【０００５】
ＤＥ  １０  ２００８  ００１  ５８０  Ａ１により、層の材料をナノ粒子を分散する形で基板表面に塗布する方法が知られている。この方法で塗布されたナノ粒子は、ＣＯ２レーザを用いて熱的に後処理することでその層の所望の導電率と透明度が得られる。まだ熱的に後処理されていない層領域は基板表面から容易に除去することができるが、熱的に後処理された層領域は非常によく付着する。（参照：Zieris R他、２００３、レーザ支援型大気プラズマによる付着被膜の特性（Characterization of coatings deposited by laser-assisted atmospheric plasma）、オハイオ州マテリアルズパーク、ＡＳＭインターナショナル、頁５６７〜５７２、ＩＳＢＮ：０−８７１７０−７８５−３）。 
【０００６】
このような熱的な後処理には高レーザ出力が必要となるので、熱に敏感な基板の破壊につながってしまう。
【０００７】
ＲＵ  ２０１０  １２０  ８６８により、粉末が詰まったプラズマビームにプラズマノズル内のレーザ光を当てて粉末をもっと溶かす方法が知られている。粉末は、レーザ照射後にノズルを通って流れるので、レーザ照射は、より微細な構造体の形成に寄与しない。
【０００８】
ＤＥ  １０  ２００７  ０１１  ２３５  Ａ１により、レーザビームとプラズマ噴流を基板表面で同時に動作させる方法が知られている。この方法では、レーザビームとプラズマ噴流の両方が、基板表面をきれいにするように作用する。プラズマ噴流による、特に、レーザビームと連携した状態での、表面の被膜には言及していない。
【０００９】
ＥＰ  ０  ９０３  ４２３  Ａ２および類似のＤＥ  １９７  ４０  ２０５  Ｂ４には、プラズマ溶射によって層を塗布する方法が記載されている。それによれば、少なくとも一つの連続レーザビームを、霧状噴流の中を通って、基板表面、または、既にそこに塗布された層に、所定の相互作用時間、直接に当てて、部分的に溶かす。この方法は、プラズマトーチを用いた、ほぼ１５００〜２０００℃程度の融点を有する材料の処理を対象とする高温法である。レーザビームは、霧状噴流の入射領域内で基板表面に当たる。
【００１０】
ＤＥ  １９９  ４１  ５６３  Ａ１およびＤＥ  １９９  ４１  ５６４  Ａ１には、各々、レーザと共にプラズマトーチを用いたプラズマ被膜方法が記載されている。被膜される表面はレーザビームによって局所的に溶かされ、プラズマビームが、レーザビームの後に続いてプラズマに含まれた被膜材料を溶かす。別のやり方として、レーザビームで融かすことが、被膜材をプラズマビームで塗布した後に行なわれてもよい。
【００１１】
レーザを使用することとプラズマ溶射方法との組み合わせに関する概要は、Ｓ．Ｅ．ニールセンによる「表面改善のためにレーザ技術とプラズマ溶射技術を組み合わせたレーザー溶融」(Laser fusing - combining laser and plasma spraying techniques for surface improvements)に記載されている。
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、構造体を基板表面に容易にかつコスト効率よく作成することができる方法を提供することを目的とする。この方法によれば、典型的な寸法が１ミリメートルを大きく下回る構造体を作成することも当然可能となる。
【００１３】
この目的は、請求項１に係る方法によって実現される。
【００１４】
また、本発明は、構造体を基板表面に容易にかつコスト効率よく作成することができる装置を提供することを目的とする。この装置によれば、典型的な寸法が１ミリメートルを大きく下回る構造体を作成することも当然可能となる。
【００１５】
この目的は、請求項９に係る装置によって実現される。
【００１６】
プラズマ内には、粉末粒子が部分的または全体的に溶けた状態で、したがって後者の場合には溶滴として、存在する。このような粉末粒子と基板表面とが十分に付着するためには、粉末粒子の材料が表面に拡散することが必要であり、粉末粒子の材料と基板表面との間の接触面積が増加すれば、粉末粒子の基板上での付着度が改善する。このように基板表面で粉末粒子材料を拡散させることができるためには、粉末粒子の材料が表面に拡散することができるように、粉末粒子が、表面に当たった後に、部分的または全体的に溶けた状態で、十分な時間、留まる必要がある。
【００１７】
基板表面が冷たすぎる場合、少なくとも、基板と溶けた粉末材料の熱伝導率、粉末粒子と基板との間の温度差、基板と溶けた粉末材料との間の熱伝達、粉末の溶融温度および粉末粒子の熱容量が関与して、溶けた材料が速く固化し過ぎ、この物質の拡散が十分にはできなくなる。
【００１８】
本発明の基本的な考え方は、溶けた粉末粒子の材料が固化するのが遅れるように、少なくとも一つのレーザビームによって、基板表面または基板表面に塗布された粉末に有向熱注入を発生させることである。有向熱注入とは、ここでは、構造体を作成するために被膜される、場合によっては空間的に隙間なく限定された、基板表面の規定領域だけにレーザビームが当てられ、そして、被膜する前に規定領域から注入熱が大量に失われて熱注入がそれ以上は所望の効果を出すことができなくなるので、基板のある位置に不必要に長くレーザが作用することによって基板に損傷を与えることがないように、レーザ照射も時間的にみて被膜する直近に行なわれることを意味している。
【００１９】
表面を被膜することによって構造体を作成する基板表面の構造体に材料を塗布するのは、材料が粉末として添加されたプラズマ噴流によって行なわれる。このプラズマ噴流は、低温プラズマ噴流である。プラズマ噴流のプラズマに粉末を供給することは、プラズマ溶射法として当業者に公知のいずれかの方法で行なわれる。粉末は、プラズマ噴流を形成する前にプラズマに供給することもでき、すなわち、プラズマが生成されるガスに粉末を供給することも考えられる。基板表面に粉末を塗布するために、低温プラズマ噴流と基板は、構造体が作成される基板表面の少なくとも規定領域に粉末が当たるように、互いに相対的に移動される。
【００２０】
構造体が作成される基板表面の被膜すべき規定領域、すなわち、規定領域内への有向熱注入を実現するためには、前述したように、基板上に向けられた少なくとも一つのレーザビームが使用される。これによって基板上に少なくとも一つのレーザビームのレーザ入射領域ができるが、この領域では、基板に既に粉末が当たった状態であり、この場合、レーザビームは、主として基板上の粉末に当たる。低温プラズマ噴流は、基板上のプラズマ入射領域に作用する。任意の時点において、基板上のレーザ入射領域とは、この時にレーザ照射が当てられた基板の、または、基板上に塗布された粉末の領域のことである。ある時点でレーザ光が当たっていない基板上の、または基板上に塗布された粉末の位置は、レーザ入射領域に含まれない。類似の定義は、プラズマ入射領域にもあてはまる。該少なくとも1つのレーザビームは、レーザ入射領域とプラズマの発生領域との規定相対位置が決まるように、基板上に向けられる。レーザ入射領域は、常に被覆すべき規定領域内に位置し、それを端から端に移動する。レーザ入射領域内の熱注入量は、レーザが基板表面を端から端に移動する、レーザビームの出力や速度などによって影響される。
【００２１】
規定領域の外側、すなわち、レーザによる熱注入が発生しない場所では、上記の理由によって、基板表面と、プラズマ噴流によってそこに塗布された粉末粒子とが十分に付着することはできないので、規定領域の外側にあるこれらの粉末粒子は、表面から容易に除去することができる。このようにして、典型的な小さいサイズの規模として５０マイクロメートルまでの構造体を、マスクを使用しなくても作成することができる。典型的なサイズの規模の例としては、線として塗布された被膜の幅が挙げられる。規定領域内のみ十分に付着させることによって、これらの線は、端部が今まで以上に明確な形状となり、その結果、ガウス分布と同様の線輪郭とは対照的に、上記したプラズマダスト法によって得られる矩形断面を有している。
【００２２】
方法に関する一つの実施形態では、レーザ入射領域とプラズマの発生領域との規定相対位置は、レーザ入射領域が、プラズマ入射領域の外側にあってまだ粉末に当たっていないようになっている。この実施形態では、粉末粒子は、部分的にまたは完全に溶けた状態で基板表面に当たる。熱注入は、レーザビームで表面の被膜すべき規定領域内で行なわれ、規定領域内にある基板の温度上昇を引き起こすので、規定範囲内において粉末粒子と基板との間の温度差は低減される。したがって、粉末粒子から基板への熱流出が低減され、粉末粒子が溶けた材料の固化は、規定領域の外側に塗布された粉末粒子と比較して遅くなる。この実施形態での該方法に明らかに求められるのは、基板が、必要な熱注入を基板に対して行なうのに十分な程度にレーザ光を吸収するということである。
【００２３】
この実施形態をさらに発展させたものでは、該少なくとも一つのレーザビームは、低温プラズマ噴流を横切らないように向けられている。レーザ光に対する粉末粒子の吸収特性は、この方法の開発では重要ではない。
【００２４】
先に論じた実施形態をさらに発展させた別のものでは、該少なくとも一つのレーザビームは、低温プラズマ噴流を横切るように向けられている。したがって、該方法をこのように発展させたものでは、レーザ光を通過する、プラズマ噴流の粉末粒子がレーザ光を吸収することができる限り、これらの粉末粒子に追加の熱注入が発生する。粉末粒子に追加の熱注入を行なうと、これらの粉末粒子が溶けた材料が、基板表面の規定領域に当たった後に固化するのを遅らせることに寄与する。
【００２５】
さらなる実施形態では、レーザ入射領域がプラズマ入射領域と重なる。レーザ入射領域は、完全にまたは部分的にプラズマ入射領域内に位置してもよい。したがって、この実施形態では、レーザ放射の少なくとも一部は、既に基板表面に塗布された、レーザ入射領域内の粉末に当たる。この実施形態の場合は粉末粒子がレーザ光を吸収することが必要であるが、該方法は、基板がレーザ光を直接吸収することによって基板表面の規定領域に十分な熱注入を行なうことは不可能であるぐらい、基板自体が使用レーザ光を通過させる場合にも適用することができる。レーザ入射領域内の粉末は、レーザ放射を吸収する。このようにして生じる粉末粒子への熱注入は、粉末粒子から基板への熱流出と相殺される。したがって、この実施形態においても、粉末粒子が溶けた材料の固化は、規定領域の外側に塗布される粉末粒子と比較して遅くなる。
【００２６】
レーザ入射領域とプラズマ入射領域の相対位置は、レーザ入射領域が一部はプラズマ入射領域の内側に一部はその外側に位置し、さらにプラズマ入射領域の外側にあるレーザ入射領域の部分がまだ粉末に当たっていない場合、前述した実施形態の効果の組み合わせと見なすことができる効果を得ることができる。一方では、粉末粒子と被膜すべき規定領域との温度差は基板自体へのレーザ光の効果によって低減され、他方では、これらの粉末粒子から基板への熱流出はレーザビームの一部が既に基板表面に塗布されている粉末粒子に当たることによって相殺される。
【００２７】
少なくともニつのレーザビームを使用し、そのうち少なくとも一つは完全にプラズマ入射領域の外側に位置するレーザ入射領域の一部を形成し、そのうち上記とは別の少なくとも一つは完全にプラズマ入射領域の内側に位置するレーザ入射領域の一部を形成することが考えられる。したがって、この場合には、レーザ入射領域がつながっていない。
【００２８】
この方法の一つの実施形態では、レーザ入射領域の直径は、プラズマ入射領域の直径より小さい。レーザ放射は、プラズマ噴流を用いて可能となる場合よりも小さい直径の領域に焦点を合わせることができるので、該方法のこの実施形態によれば、標準的な大きさの規模が、マスクなしにプラズマ噴流によって生成することができる大きさの規模や幅を大幅に下回る構造体、例えば、幅を有する線、を生成することができる。１ミリメートルを下回る線幅はマスクなしにプラズマ噴流のみではほとんど不可能であるのに対し、該方法のこの実施形態によれば、線幅を５０マイクロメートルにまで小さくして作成することができる。
【００２９】
上述のように、レーザビームは、プラズマ噴流よりも小径の領域に焦点を合わせることができる。したがって、プラズマ入射領域の直径よりも小さい幅を有する線など、それに応じて小さい寸法を有する構造体を作成する際、まず、被膜すべき規定領域の外側に、したがって、レーザビームとプラズマ噴流とによって基板に作成される構造体の外側にある基板領域にも、粉末がプラズマ噴流によって塗布される。基板上に粉末粒子を付着させるというこの事前説明から、構造体の外に堆積した粒子は、せいぜい弱く基板に付着することになる。このような粒子は、基板表面から容易に除去することができ、例えば、基板上に作成された構造体のみが残るように吹き飛ばすことができる。ときには、被膜すべき規定領域の外側に塗布されてすぐに固化する粒子があるが、その前にプラズマ噴流自体のガス流によって一掃される。
【００３０】
この方法は、平面基板に限定されるものではなく、任意に設計された基板に適用することができる。
【００３１】
少なくとも一つの構造体を基板の表面に作成するための、本発明に係る装置は、低温プラズマ噴流を形成するためのノズルを有する加工ヘッドを提示している。低温プラズマを発生させるためには、既知のプラズマ発生器を使用することができる。本発明に係る装置は、さらに、構造体を作成する基となる粉末を、プラズマ噴流自体に、または、これからプラズマ噴流を発生させる基となるプラズマに、または、プラズマを生成する基となるガスに供給することができる粉末供給器を備える。本発明によれば、少なくとも一つのレーザ発光器が、加工ヘッドに割り当てられる。この割り当てによって、レーザ発光器からのレーザビームを、基板上のレーザビームのレーザ入射領域と基板上の低温プラズマ噴流のプラズマ入射領域との規定相対位置を実現できるように基板に向けることができる。例えば、レーザ発光器は、レーザ入射領域とプラズマ入射領域との規定相対位置が決まる、プラズマ噴流の中心軸に対する規定角度でレーザビームが発光されるように、加工ヘッドに取り付けられる。
【００３２】
一つの実施形態では、レーザ発光器は、加工ヘッドに取り付けられたレーザである。レーザは、例えば、半導体レーザである。
【００３３】
あるいは、少なくとも一つのレーザビーム用のレーザ光は、少なくとも一つの光ファイバを介して加工ヘッドにガイドし、そこで該少なくとも一つの光ファイバからデカップリングすることができる。ここで、レーザ発光器は、加工ヘッドに装着された、光ファイバの端部であって、レーザ光を光ファイバからデカップリングするデカップリング光学系によって補完された開発成果である。
【００３４】
装置に関するこれらの実施形態は、プラズマ噴流と少なくとも一つのレーザビームとの幾何学的関係が、レーザ入射領域とプラズマ入射領域との規定相対位置も容易に設定可能となるように、必要に応じてデカップリング光学系を包み込んで、レーザまたは光ファイバの端部をそれぞれ加工ヘッドに取り付けることによって、設定可能になるという利点を有している。
【００３５】
レーザ発光器も同様に、加工ヘッドに調整可能に取り付けることができる。この調整作業は、装置のユーザまたは制御システムによって生成される制御信号の結果として、オペレータによって、またはアクチュエータによって行なうことができ、これも同様に、基板に構造体を作成する間に行なうことができる。
【００３６】
別の実施形態では、少なくとも一つの可動反射器が、基板の端から端にレーザビームをガイドするために設けられている。この少なくとも一つの可動反射器は、レーザ入射領域が基板上で被覆すべき規定領域内の所望経路を描くように制御することができる。このような実施形態では、プラズマ噴流と少なくとも一つのレーザビームとの幾何学的関係は必ずしも固定されている必要はなく、この幾何学的関係は、該少なくとも一つの反射器を制御することによって変更可能である。少なくとも一つの制御可能なレーザ光用可動反射器を、加工ヘッド自体に取り付けることも考えられる。
【００３７】
プラズマ噴流と該少なくとも一つのレーザビームとの幾何学的関係は、例えば、該少なくとも一つのレーザビームとプラズマ噴流との間の角度として、より一般的には、基板表面のプラズマ入射領域と基板表面のレーザ入射領域との間の相対位置も決定する、プラズマ噴流と該少なくとも一つのレーザビームとの間の相対経路として理解することができる。この相対位置は、該方法の実施形態や、粉末および基板など、例えば基板の材料や形状あるいは他のパラメータ、に応じて合わせることができる。
【００３８】
該装置は、さらに、基板と加工ヘッドとの間の相対運動を発生させることができる手段を備えることができる。したがって、ロボットアームを設けて加工ヘッドを基板に対して移動させるか、あるいは、ガントリーロボットを使用することなどができる。同様に、基板を可動ステージ上に配置したり、ロボットが基板をプラズマ噴流に対して移動したりすることもできる。
【００３９】
特に、本発明に係る装置は、本発明に係る方法を実行するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
以下、本発明は、対応する図面を用いながら実施形態によってさらに詳細に記述されている。
【図１】レーザビームがプラズマ噴流の前にガイドされる、本発明に係る方法の第一実施形態を示している。
【図２】図１の実施形態に対応する、基板表面の平面図を示している。
【図３】レーザビームがプラズマ噴流を横切る、本発明に係る方法の第二実施形態を示している。
【図４】レーザビームがプラズマ噴流に向けられる、本発明に係る方法の第三実施形態を示している。
【図５】図２と同様であるが、図４の実施形態の平面図を示している。
【図６】本発明に係る装置の実施形態を示している。
【図７】本発明に係る装置の追加的な実施形態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、本発明に係る、構造体２を基板１００上に作成する方法の第一実施形態を示している。粉末２０は、低温プラズマ噴流１０に供給され、プラズマ噴流によって基板１００の表面１に堆積される。粉末２０は、ここでは概略的にのみ示した粉末供給器２１によってプラズマ噴流１０に供給される。プラズマ噴流１０は、ここでは示されていないプラズマ発生器に接続された加工ヘッド１１から出る。ここでレーザ３１によって発生されたレーザビーム３０は、基板の表面１に向けられ、まだプラズマ噴流１０によって粉末２０が当たっていない領域において、レーザ入射領域３５（図２参照）が規定される。加工ヘッド１１、レーザ３１、および粉末供給部２１の配置は、基板１００の表面１に対して矢印５０の方向にガイドされる。こうすることによって、プラズマ噴流１０およびレーザビーム３０も、基板１００の表面１に対して矢印５０の方向にガイドされる。
【００４２】
この図および次の図において、粉末２０は、加工ヘッド１１の外側でプラズマ噴流１０に供給される。しかし、これは本発明を限定するものではない。粉末２０がプラズマに供給された後に、低温プラズマ溶射業者に公知の任意の方法でプラズマ噴流１０を形成することができる。同様に、レーザビーム３０がレーザ３１によって直接に基板１００上に向けられることと、レーザ３１が表面1に対して移動されることとは、本発明を限定するものではない。レーザビーム３０が基板１００上に当たることと、レーザビーム３０が表面１に対して移動することとは、レーザビーム３０がどこで発生され最終的にどのように基板１００に向けられるのかとは無関係に、該方法に関連している。
【００４３】
図２は、基板１００の表面１の平面図を示していて、この平面図は、図１で示した、本方法の実施形態に対応している。レーザ入射領域３５、すなわち、レーザビーム３０（図１参照）が基板１００上に当たる領域、が示され、レーザ入射領域３５の図示した円形形状は、本発明を限定するものではない。被膜すべき規定領域３７の一部も示されている。レーザ入射領域３５は、矢印５０の方向に規定領域３７を端から端にガイドされ、基板１００に熱注入を行なう。したがって、レーザ入射領域３５は、矢印５０の方向に動かされるときに、まだ粉末２０（図１参照）と当たっていない予熱領域３６を基板１００の表面１に残す。図１に示したプラズマ噴流１０は、ここでは円形状であるとして示されている、基板１００の表面１のプラズマ入射領域１５に当たるが、この円形形状は、本発明を限定するものではない。レーザ入射領域３５とプラズマ入射領域１５は、互いに対して規定相対位置Ｒを有している。まだ粉末２０と当たっていない予熱領域３６は、プラズマ入射領域１５とレーザ入射領域３５との間に位置している。プラズマ噴流１０、したがって、プラズマ入射領域１５もまた矢印５０の方向に表面１を端から端に動かされた場合、粉末２０は、表面１のプラズマ入射領域１５のトレースＳに沿って堆積されるが、プラズマ噴流１０はレーザビーム３０の後に続き、その結果、プラズマ入射領域１５がレーザ入射領域３５の後に続くので、この移動でプラズマ入射領域１５もそれぞれの予熱領域３６を全体に亘って掃引する。上記の説明によれば、とりわけ、プラズマ噴流１０内の粉末粒子と予熱領域３６との温度差が領域３６を予熱することによって減少するので、予熱領域３６内に堆積した粉末２０と基板１００の表面１との付着性を良くすることができる。こうして、ここでは幅３の線状をした構造体２が、基板１００の表面１に最終的に作成される。
【００４４】
プラズマ噴流１０内の粉末粒子と対応する領域１６との温度差のこのような減少は、予熱領域３６の外側の領域１６では発生しないので、粉末粒子の基板１００への付着性が領域１６で良くなることはない。堆積した粉末２０は、これらの領域１６から公知の方法によって容易に除去することができる。
【００４５】
冒頭で述べたように、本発明の方法によれば、低温プラズマ噴流だけで、すなわち、レーザビームを使用しないで実現可能な線幅よりもはるかに小さい線幅３が可能となる。この理由は、レーザビーム３０をそれに対応した、ほぼ所望の線幅３に相当する、小径に集束させることは、プラズマ噴流１０の同様の集束動作よりも容易であるからである。したがって、図２において、プラズマ入射領域１５の直径ＤＰは、レーザ入射領域３５の直径ＤＬよりも大きく示してある。
【００４６】
図３は、かなりの程度まで図１と同様である。しかし、図３に示した実施形態では、レーザビーム３０は、プラズマ噴流１０を通り抜けて基板１００の表面１に向けられている。レーザビーム３０は、プラズマ噴流１０の外側で基板１００の表面１に当たる。平面図では、図２のような配置になる。図３に示す方法の実施形態では、レーザビーム３０によって規定される基板１００のレーザ入射領域３５は、移動方向５０に対してプラズマ入射領域１５の前方に位置しているので、本実施形態においても、プラズマ噴流１０はレーザ入射領域３５の後追いとなる。基板１００の領域への熱注入に加えて、ここでは、レーザビーム３０も、プラズマ噴流１０内のレーザビーム３０を横切る粉末粒子を加熱することができる。このように粉末粒子をさらに加熱することで、上述したように、粉末粒子が基板１００に当たった後に固化するのを遅らせることにつながる。
【００４７】
図４は、図１に示したものと同様の、本発明に係る方法の実施形態をさらに示している。図示したほとんどの要素は、図１との関連で既に議論されている。分かりやすくするために、プラズマ噴流１０とレーザビーム３０は、図１に比べて大きく示してある。また、プラズマ噴流１０内の粉末２０の密度輪郭２２、および密度輪郭２２によって決定されるプラズマ入射領域１５が、図４に示してある。この実施形態では、レーザビーム３０は、すでに粉末２０が当たった基板１００の表面１の領域に向けられている。より正確には、レーザービーム３０は、プラズマ噴流１０が表面１に対して方向５０に移動することを考慮して、密度輪郭２２の先端傾斜面２２Ｆに当たるように、プラズマ噴流１０に向けられる。したがって、既に基板１００でこの先端傾斜面２２Ｆに堆積された薄い粉末層２ｄは、レーザー放射線と当たる。こうすることで、薄い粉末層２ｄにある粉末粒子に熱注入が行なわれる。この熱注入は、これらの粉末粒子から基板１００への熱流出を妨げ、上記のように、粉末粒子が溶けた材料の固化を遅らせるので、十分に付着する構造体２が最終的に基板１００の表面１に作成される。
【００４８】
図５は、図４に示した、方法の実施形態に対応する、基板１００の表面１の平面図を示している。図示したすべての要素は、図１に示した、方法の実施形態の対応する描写である図２ですでに説明されている。図２とは対照的に、図５では、レーザ入射領域３５は、プラズマ入射領域１５内に位置している。レーザ入射領域３５内の熱注入は、図４に示したように、既に表面１に堆積された粉末に行なわれるので、図２のような予熱領域３６はここでは存在しない。図４および図５に示した実施形態に必要なことは、粉末２０がレーザ光を十分に吸収することができることである。一方、この実施形態では、基板１００がレーザ光を通過させてもよい。
【００４９】
図６は、本発明に係る装置３００の実施形態を示している。加工ヘッド１１は、プラズマからプラズマ噴流１０を形成するためのノズル１２を有している。プラズマを発生させるためには、当業者に公知のプラズマ発生器を使用することができる。レーザ３１は、加工ヘッド１１に取り付けられている。レーザ３１は、特に、上述した、プラズマ入射領域１５とレーザ入射領域３５との相対位置Ｒを設定することができるように、アクチュエータ３２によって調整可能である。レーザは、半導体レーザであってもよい。
【００５０】
図７は、本発明に係る装置３００の実施形態をさらに示している。図示した要素のうちのいくつかは、図６との関連ですでに説明されている。光ファイバ３３の端部３３ｅは、加工ヘッド１１の保持部３３ｈに取り付けられている。保持部３３ｈは、特に、上述した、プラズマ入射領域１５とレーザ入射領域３５との相対位置Ｒを設定することができるように、アクチュエータ３２によって調整可能である。また、この実施形態は、光ファイバ３３からのレーザ光をデカップリングするためのデカップリング光学系３４を備えている。この実施形態では、デカップリング光学系３４が加工ヘッド１１に取り付けられている。レーザ光は、当業者に公知の方法で、レーザ３１によって光ファイバ３３に供給される。レーザは、半導体レーザであってもよい。
【図１】
2016518523.tif 000003
【図２】
2016518523.tif 000004
【図３】
2016518523.tif 000005
【図４】
2016518523.tif 000006
【図５】
2016518523.tif 000007
【図６】
2016518523.tif 000008
【図７】
2016518523.tif 000009
【国際調査報告】
2016518523.tif 000010
2016518523.tif 000011
2016518523.tif 000012
2016518523.tif 000013