Reinigung und Strukturierung empfindlicher Oberflächen mittels Excimerlaserstrahlung - Entwicklung und Anwendung eines Applikationsgerätes
Creators: name: Steglich, Karl-Heinz
Publisher: name: Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH
Year: 2007
Subjects: subject: Laserreinigung
subject: Laserstrukturierung
subject: Laser-Dekontamination
subject: Laserablation
subject: Excimerlaser
subject: 620 Ingenieurwissenschaften

description: Die Reinigung und Strukturierung empfindlicher Oberflächen wie die von Polymeren ist aufwendig und stark ressourcenbindend. Zumeist werden nasschemische, thermische oder mechanische Verfahren eingesetzt, die jedoch problematisch oder gar ungeeignet für den Einsatz an empfindliche Oberflächen wie die von Kleingeräten, elektronischen, optischen Komponenten, Kunstwerken etc. sind. Demgegenüber wird hier mittels Excimerlaserstrahlung ein masseloses Medium eingesetzt, mit dem ein berührungsloser, schonender Reinigungs- oder definierter Strukturierungsprozess durch Ablation zur realisieren ist. Im Falle der Reinigung ist zu gewährleisten, dass kein Oberflächenabtrag bzw. keine Zerstörung vorliegt. --- Für die effiziente und zugleich schonende, definierte Oberflächenreinigung und -strukturierung wird ein technisches System (Gerät) auf Basis von Excimerlaserstrahlung entwickelt und realisiert. Unter Berücksichtigung der dominanten Partikelhaftkräfte an Oberflächen erfolgt die Gegenüberstellung optionaler Lasertypen bezüglich deren Strahlungseigenschaften und physikalischen Wirkungen (optische und thermische Eindringtiefe). Hier erweist sich der Excimerlaser als besonders passend für eine empfindliche, dünnschichtige Ablation, so dass das Gerät für dessen UV-Strahlung konzipiert wird. Zur Realisierung werden unterschiedliche Konzepte und Methoden erarbeitet und bezüglich ihrer Eignung untersucht bzw. optimiert: --- - Optimale Versatzstrategie der Laserstrahlung relativ zum Objekt (minimale Versatzzahl, geringster Aufwand, schnellste Bearbeitung) - Versatz des Objektes relativ zum raumfesten Laserstrahl, Versatz und Bestrahlung sequentiell (statisch) oder zeitgleich (dynamisch) - Versatz des Laserstrahls: Lichtführung durch flexible Lichtwellenleiter Analyse von Einkoppelbarkeit und Transmissionsverhalten von Quarzglas- und Flüssigkeitsfasern, Analyse möglicher Kernflüssigkeiten - Versatz des Laserstrahls: Lichtführung durch Gelenkarmsysteme - Versatz des Laserstrahls: Lichtführung durch Galvanometrische Scanner --- Wesentlich für eine gleichförmige, definierte Bestrahlung und Realisierung einer homogenen Flächenbearbeitung ist eine ebenso homogene Intensitätsverteilung (TopHat) über dem Strahlenprofil. Diesbezüglich werden folgende Homogenisierungsverfahren analysiert: --- - Starre Lichtwellenleiter Quarz-Vollglasstäbe (Mantelfläche poliert/unpoliert), Spiegelhohlleiterkanäle - Diffraktive optische Elemente (DOE) - Zylinderlinsenhomogenisierer 1-Array (konvex und konkav), 2-Array (quadratisch und rechteckförmig variabel)--- Anhand der aus den Untersuchungen ermittelten, optimalen Lösungen wird ein Gerät Namens SELCU (Scaning Excimer Laser Cleaning Unit) realisiert, dass eine automatisierte, definierte, reproduzierbare und schnelle (Flächenrate ca. 4 cm2/s) Oberflächenbearbeitung ermöglicht. Zur Steigerung des Automatisierungsgrades wird ein Ablationssensor nach dem Prinzip der differentiellen Lasertriangulation sowie eine integrierte Echtzeit-Intensitätsregelung entworfen. --- Anwendung des Excimerlaser-Reinigungsgerätes und Wechselwirkungsuntersuchungen Mit dem SELCU-Gerät werden die Wirkungen gepulster Excimerlaserstrahlung an Polymeroberflächen bzw. die Effizienz der Partikeldekontamination untersucht. Über analytische Betrachtungen der Wechselwirkungsvorgänge werden modellhafte Prozessbeschreibungen formuliert. Dieses sind insbesondere die photothermischen und –chemischen Reaktionsabläufe, der Einfluss der Plasmabildung sowie die nichtlineare Mehrphotonenabsorption. --- Die experimentellen Ablationsanalysen erfolgen an Polymerlackschichten für die Kunststoffgruppen Elastomer, Duromer und Plastomer sowie explizit für Polyurethan. Für diese werden die Ablationsmodelle verifiziert und deren Parameter über Regressionsanalysen determiniert. Des Weiteren wird die qualitative Oberflächenwirkung und die Plasmaausbildung untersucht sowie ein Modell für das spezifische Partikelabströmverhalten formuliert. --- Zur Analyse der Partikeldekontamintation wird mittels des Isotops Europium152m eine künstliche, definierte Kontamination hergestellt. Dessen Vorkommen (Masse) auf Polyurethanträgern wird über die Neutronenaktivierungsanalyse und y-Spektroskopie bestimmt. Der Bearbeitungserfolg ergibt sich durch die Vorher-Nachher-Analyse. Von besonderer Relevanz ist dabei der Einfluss der signifikanten Strahlenparameter sowie der Effizienz der indirekten, feuchtigkeitsgestützen Wirkung. Ebenso wie für die Polymerablation wird über die Regressionsanalyse eine modellhafte Beschreibung des Dekontaminationsverhaltens erarbeitet. --- Das Reinigungsvermögen des SELCU-Gerätes wird an realen Objekten verifiziert, die je nach Einsatz unterschiedliche, natürliche Kontaminationen aufweisen. Dabei ergibt sich für die Laserreinigung von Rasterdruckwalzen eine gute Funktionalität. Mit der Entwicklung eines Verfahrens zur Luminanzanalyse von Aufnahmen der relevanten Oberflächen vor/nach der Lasereinwirkung existiert eine zuverlässige Messmethode zur Quantifizierung des Reinigungserfolges. Diese Methode wird ebenso erfolgreich bei der Laserreinigung von Ölgemälden eingesetzt. Hierdurch ergibt sich eine zuverlässige, homogene, schnelle und neutrale Objektrestaurierung. --- Eine weitere Anwendung besteht in der Reinigung von Glaslinsen (Scheinwerferlinsen). Während des Herstellungsprozesses werden sie durch Öle und Fette kontaminiert und werden nasschemisch gereinigt. Die Bearbeitung mit dem SELCU-Gerät ermöglicht dagegen eine schnelle und schonende Reinigung. Die Wirksamkeit wird dabei durch Auftrag eines Alkoholfilms (Ethanol) oder fester Filmbildner (Kunstharzlacke) gesteigert. Hierdurch ergibt sich schon mit geringen Pulszahlen und Pulsfluenzen eine vollständige, zuverlässige Reinigung.