DE4413158C2 - Vorrichtung zum großflächigen und umweltschonenden Entfernen einer Schicht aus Lack oder Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluoräthylen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Entfernen einer Schicht aus Lack oder Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, von einem Bauteil sowie zum Reinigen und Dekontaminieren einer mit Lack oder Polytetrafluoräthylen beschichteten Oberfläche mittels eines gepulsten Laserstrahls unter Verwendung eines TEA-CO₂-Lasers als Laserstrahlquelle, wobei der Laserstrahl über spiegelnde und fokussierende optische Einrichtungen geführt wird.

Die Abkürzung TEA steht für transversely excited atmospheric pressure.

Die zur Zeit benutzten Lacksysteme zeichnen sich durch hohe Leistungsfähigkeit und wirkungsvolles Schutzvermögen aus, das auf extremer Haftfähigkeit und Medienresistenz basiert. Derartige Eigenschaften führen jedoch immer häufiger zu Problemen beim Entlacken von mit Lack, beispielsweise PTFE, beschichteten Bauteilen. In bestimmten Zeitintervallen ist eine Entlackung von Bauteilen, beispielsweise im Flugzeugbau mit dem Ziel erforderlich, das Flugzeug beispiels­ weise auch auf Haarrisse und dergleichen genau untersuchen zu können, erforderlich. Hinzu kommt, daß auch widerstandsfähige Beschichtungen einem Verschleiß unterworfen sind. Dadurch ist es notwendig, die Beschichtung in Intervallen zu erneuern, nachdem vorher zunächst die bisherige Beschichtung einschließlich eines darunter befindlichen Haftvermittlers entfernt und die freigelegte Oberfläche des Bauteiles für die Aufbringung einer neuen Beschichtung vorbereitet worden ist.

Aus der EP 0 391 113 A2 ist ein Verfahren zum Entlacken von Werkstücken, insbesondere Faserverbundwerkstücken, bekannt. Bei diesem Verfahren zur berührungslosen großflächigen Entlackung von Lackschichten, insbesondere an Faserverbundwerkstoffen, wird die zu entlackende Oberfläche durch Zuführung von Laserstrahlung - vorzugsweise von einem gepulsten Laser - so schnell erhitzt, daß die bestrahlte Fläche schneller abdampft als absorbierte Energie in tiefere Schichten diffundiert. Hierbei werden die Lichtemissionen des abströmenden Plasmas zur Regulierung der Entlackungstiefe, insbesondere bei Mehrschichtsystemen, ausgenutzt. Alternativ kann dazu auch das erzeugte Geräusch zur Regulierung der Entlackungstiefe ausgenutzt werden.

Aus dem Artikel "Schonend abtragen" von R. Holbein in der Zeitschrift "Industrie­ anzeiger" 1993, Heft 35, Seiten 47-50, ist ein Systemkonzept einer gattungsgemäßen Vorrichtung zum Entlacken von Oberflächen mittels der Laserstrahlung eines TEA-CO₂-Lasers beschrieben, bei der für die Führung und Steuerung der Laserstrahlung ein Bearbeitungsmodul vorgesehen ist, das aus einem Spiegelsystem und einer integrierten Rasteroptik besteht. Das Systemkonzept besteht aus den vier Grundkomponenten Laser, Portal und Manipulator, Bearbeitungsmodul und Leitstand für die Steuerung. Es ist bei solchen Portalanlagen als sehr problematisch anzusehen, daß bei sich bewegendem Portal und Manipulator, d. h. bei einem Verlagern des Bearbeitungsfleckes, die Strahlweglänge variiert, woraus erhebliche Nachteile in bezug auf die optischen Eigenschaften und infolgedessen auf das Bearbeitungsergebnis resultieren.

In der US-5,237,151 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung offenbart, die zum Schneiden oder Schweißen dicker Bleche oder Metallplatten vorgesehen ist. Die Vorrichtung weist im Strahlweg ein bewegliches Spiegelsystem auf, das so gesteuert wird, daß unabhängig von der Stellung des Bearbeitungskopfes über dem zu bearbeitenden Werkstück stets eine konstante Strahlweglänge beibehalten wird. Auf diese Weise soll ein konstanter Strahldurchmesser auf dem bearbeiteten Werkstück garantiert werden. Die Mechanik zur Realisierung dieser konstanten Strahlweglänge bei einer Portalanlage ist jedoch sehr kompliziert, so daß die bekannte Vorrichtung teuer und störungsanfällig ist. Des weiteren ist der Raumbedarf einer derartigen Vorrichtung sehr groß.

In dem Artikel "Optiken für Hochleistungslaser - Untersuchung der transienten Eigenschaften optischer Komponenten und Korrektur durch adaptive Optiken" von M. Bea u. a. in der Zeitschrift "Laser und Optoelektronik" 21(4)/1989, Seiten 60-66, ist eine adaptive Optik für einen CO₂-Hochleistungslaser offenbart. Die adaptive Optik besteht aus reflektierenden Kupferspiegeln, deren eine Verschlechterung der Strahlqualität bewirkenden Deformation unter Bestrahlung sehr gering ist. Diese Optik bietet darüber hinaus die Möglichkeit, durch Brennweitenveränderung die Fokuslage des Laserstrahls relativ zum Werkstück genau einzustellen.

Auf einem anderen Gebiet der Technik, nämlich im Bereich der Oberflächenhärtung von Metallen, sind Anordnungen bekannt, die ähnliche Aufgaben lösen, d. h. einen relativ großen Fleck zu erzeugen, mit dem das Werkstück lückenlos überdeckt werden kann, um die gewünschte Veredelung der Oberfläche zu erreichen.

Dem Stand der Technik entsprechende Anordnungen setzen hierfür Lasersysteme ein, die für Schneid- und Schweißaufgaben konstruiert sind. Der Strahlquerschnitt eines solchen Lasers ist normalerweise rund und eignet sich daher nicht gut dazu einen Arbeitsbereich lückenlos mit einer möglichst gleichmäßigen Energiedichte zu überdecken.

Darüber hinaus sind solche Laser so ausgelegt, daß sie annähernd gaußförmiges Strahlprofil emittieren das sich gut fokussieren läßt. Ein solches Intensitätsprofil vergrößert die angesprochenen Probleme bezüglich gleichmäßiger Überdeckung und ist mit keiner der in diesem Zusammenhang aufzustellenden Forderungen verträglich.

Bisher ging man die Problematik des Entlackens, Reinigens oder Dekontaminierens meist so an, daß mittels eines Integrators ein möglichst homogenes Strahlprofil erzeugt wurde. Solche Integratoren setzen sich aus mehreren auf einer gekrümmten Oberfläche angebrachten ebenen Spiegeln zusammen.

Ein System dieser Art hat unter anderem die unangenehme Eigenschaft, nur in einem bestimmten Arbeitsabstand, nämlich dem Bildabstand der gekrümmten Oberfläche, die gewünschte homogene Intensitätsverteilung zu erzeugen. Die Überbrückung größerer Entfernungen kann dann nicht mehr mit ebenen Spiegeln geschehen, sondern muß über abbildende Optiken vorgenommen werden.

Für die Auslegung einer Entlackungsanlage sind

• a) optimierte Ausleuchtung durch einen homogenen Laserfleck,
• b) Kompensation von Abstandsschwankungen durch große Schärfentiefe,
• c) schnelle präzise Positionierung des Laserflecks und wirtschaftlicher Arbeitsmodus,
• d) Strahlführungssystem zum Transport der Laserenergie und
• e) sichere und effektive Handhabung von Gasen und Stäuben

von Wichtigkeit.

Für ein optimales Arbeitsergebnis ist es erforderlich, den Laser­ strahl so auszubilden, daß

• f) eine möglichst große Abtragrate (Fläche pro Zeiteinheit),
• g) ein möglichst gleichmäßiger Abtrag über der Arbeitsfläche entsteht und
• h) keine Strukturen im abgetragenen Material zurückbleiben.

Demnach ist auf dem Werkstück ein Laserfleck zu erzeugen, der möglichst eine rechteckige Geometrie hat und ein kastenförmiges Intensitätsprofil zeigt.

Bekannte Lösungsansätze für die Oberflächenbearbeitung verwenden facettierte Optiken, sogenannte Strahlintegratoren, die den ankommenden Strahl in viele Teilstrahlen aufspalten und so überlagern, daß in der Bildebene ein homogenes Strahlprofil entsteht.

Die prinzipiellen Probleme von Strahlintegratoren bestehen in fol­ gendem:

• 1) Die Überlagerung vieler Teilstrahlen ergibt eine geringe Schärfentiefe, selbst wenn der ankommende Strahl eine große Schärfentiefe zuläßt.
• 2) Durch die vielen Kanten im Strahl treten Beugungsstrukturen auf, sogenannte "Hot Spots".
• 3) Der vom Laser kommende Strahl muß normalerweise zirkulare Symmetrie zeigen.

Das Problem der Beugungsstrukturen wird bei den bekannten Lö­ sungen häufig dadurch gemildert, daß man den Strahl mit Hilfe eines vibrierenden Spiegels während der Bearbeitung um seine Soll-Lage zittern läßt und die Strukturen auf diese Weise vermin­ dert. Diese Lösung läßt sich nicht bei gepulsten Lasersystemen einsetzen, die Pulse im Mikrosekundenbereich emittieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, die Fleckfläche eines Laserflecks konstant zu halten und eine homogene Intensitätsverteilung über den Laserfleck zu gewährleisten sowie die Brennweite eines der fokussierenden Spiegel im Bearbeitungskopf so zu verändern, daß die gewünschte Laserfluenz, nämlich die erforderliche Laserenergiedichte, erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein TEA-CO₂-Laser hoher Fresnelzahl vorgesehen ist, wobei für die Führung des Laserstrahls ein flexibler opto-mechanischer Gelenkarm vorgesehen ist, der aus wenigstens zwei Strahlrohren besteht, von denen das eine Strahlrohr gelenkig und drehbeweglich mit der Laserstrahlquelle und das andere Strahlrohr gelenkig und drehbeweglich mit einem Bearbeitungskopf verbunden ist sowie jeweils zwei der Strahlrohre gelenkig und drehbeweglich miteinander verbunden sind und daß zum Konstanthalten der auf dem Bauteil oder der beschichteten Oberfläche (30) wirksamen Energiedichte über einen größeren Bereich der Laserstrahl (25) in zwei Ebenen unterschiedlich fokussiert ist.

Auf diese Weise gelangt man zu einer Vorrichtung, mit der es möglich ist, den Laserfleck konstant zu halten und die gewünschte Laserfluenz zu erzielen.

Durch die unterschiedliche Fokussierung des Laserstrahls in zwei Ebenen wird die auf dem Werkstück wirksame Energiedichte des Laserstrahls über einen größeren Bereich dieser Werkstückfläche konstant gehalten.

Für die Konstanthaltung der Fleckfläche empfiehlt sich, zusätzlich eine adaptive Optik zu verwenden, deren Krümmungsradius zweckmäßig über Piezostellelemente einstellbar ist. Das führt zu dem weiteren Vorteil, daß die Brennweite dem Arbeitsabstand angepaßt und somit die Fleckfläche konstant gehalten werden kann.

Zur Konstanthaltung der Laserenergiedichte auf dem Bauteil oder der beschichteten Oberfläche wird bei Verwendung eines Gelenkarmes stets die gleiche optische Strahllänge eingehalten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Intensitätsprofil des Laserstrahls kastenförmig sein. Ein solches Intensitätsprofil ist für die Entlackung optimal.

Außerdem empfiehlt es sich, den Strahlquerschnitt rechteckig oder quadratisch zu halten.

Schließlich ist das Strahlprofil des Laserstrahls mit üblichen fokussierenden Optiken auf die zu behandelnde Oberfläche abzubilden.

Aufgrund der Überlagerung sehr vieler Moden zeigt solch ein TEA-CO₂-Laser hoher Fresnelzahl aber gerade ein befriedigend homogenes Strahlprofil. Es kommt hinzu, daß zum Beispiel bei der Entlackung im allgemeinen mehrere Laserimpulse pro Flächenelement erforderlich sind. Durch geeigneten Strahlversatz aufeinanderfolgender Pulse läßt sich dann eine integrierende Wirkung erzeugen.

Ein Strahlprofil mit einem hohen Anteil transversaler Moden gilt gemeinhin als "schlecht", weil die zusätzlichen Moden zu einem Verschmieren des Strahlprofils im Zeitmaßstab der Lichtfrequenz führen. Feste Beugungsstrukturen, wie sie bei den bisher benutzten Systemen auftreten, werden daher stark unterdrückt.

Der annähernd rechteckige Querschnitt einer solchen Anordnung zusammen mit dem kastenförmigen Intensitätsprofil ermöglicht eine besonders effektive und ökonomische Arbeitsweise, da hier einfach Fleck neben Fleck gesetzt werden kann und eine vollständige Oberdeckung des Bearbeitungsbereiches erreicht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles des näheren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Gelenkarmes,

Fig. 2 eine Seitenansicht auf den Gelenkarm gemäß Fig. 1 in Ruhestellung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer geneigten zu bearbeitenden Oberfläche mit adaptiver Optik,

Fig. 4 einen fokussierenden Hohlspiegel mit Strahlführung, wobei die Strahlquelle ein Laser hoher Fresnelzahl sei, und

Fig. 5 unterschiedliche Fokussierung in zwei Ebenen des Ausgangsflecks.

Das in Fig. 1 dargestellte Gelenkarmsystem besteht aus einem ersten Strahlrohr 1 und einem zweiten Strahlrohr 2, die über ein mittleres Gelenk 3 miteinander verbunden sind und über ein lasernahes Gelenk 4 mit einer Laserstrahlquelle 5 und über ein arbeitskopfnahes Gelenk 6 mit einem Arbeitskopf gelenkig verbunden ist.

Eine erste 90°-Spiegel-Umlenkeinheit 8 ist über einen Befesti­ gungsflansch 9 unter Anordnung einer Dreheinheit 10 mit der Laserstrahlquelle 5 verbunden. Mit der Umlenkeinheit 8 ist über eine weitere Dreheinheit 11 eine zweite 90°-Spiegel-Umlenkein­ heit 12 drehbeweglich befestigt, von der aus über eine weitere Dreheinheit 13 das Strahlrohr 1 angeordnet ist. Am oberen Ende 14 des Strahlrohres 1 ist eine dritte 90°-Spielgel-Umlenkeinheit vorgesehen, die über eine weitere Dreheinheit 16 mit einer vierten 90°-Spiegel-Umlenkeinheit 17 drehbeweglich verbunden ist. Letztere (17) ist mit dem oberen Ende 18 des zweiten Strahlrohres verbunden, welches über eine weitere Dreheinheit mit einer fünften 90°-Spiegel-Umlenkeinheit 20 drehbeweglich verbunden ist. Die Umlenkeinheit 20 ist über eine Dreheinheit 21 mit einer sechsten 90°-Spiegel-Umlenkeinheit 22 drehbeweglich verbunden, mit der über eine Dreheinheit 23 und einen Flansch 24 ein Laserbearbeitungskopf vorgesehen ist.

Alle Umlenkeinheiten sind über die angegebenen Bauteile beliebig drehbeweglich miteinander und gelenkig miteinander verbunden, so daß mit dem in der Zeichnung dargestellten Gelenkarm alle beliebigen Bewegungen innerhalb eines kugelförmigen Raumes ausgeübt werden können.

Der aus dem Laser 5 austretende Laserstrahl 25 hat zunächst die Richtung des Pfeiles 26 und wird in der Umlenkeinheit 8 um 90° sowie in der Umlenkeinheit 12 um weitere 90° gespiegelt, so daß der Laserstrahl im Strahlrohr 1 in Richtung des Pfeiles 27 weist. Im mittleren Gelenk 3 wird der Laserstrahl in der Umlenkeinheit 15 um 90° und in der benachbarten Umlenkeinheit 17 ebenfalls um 90° gespiegelt, so daß er in dem Strahlrohr 2 die Richtung des Pfeiles 28 aufweist. In dem Gelenk 6 wird der Laserstrahl an der Umlenkeinheit 20 um 90° und schließlich an der Umlenkeinheit 22 nochmals um 90° gespiegelt, so daß er in Richtung des Pfeiles 29 weist und in dieser Richtung in den Bearbeitungskopf eintritt.

In Fig. 3 ist die zu bearbeitende Oberfläche 30 dargestellt, gegenüber der ein Spiegel 31 mit veränderbarer Krümmung 32 veranschaulicht ist, wobei die Krümmung so ausgebildet ist, daß auf der zu bearbeitenden Oberfläche 30 die gewünschte Fluenz, also die erforderliche Laserstrahlenergiedichte erreicht wird. Durch die adaptive Optik wird es ermöglicht, unabhängig von der Schräglage der zu bearbeitenden Oberfläche 30 den im wesentlichen parallel gehaltenen in Richtung der Pfeile 33, 34 einfallenden Laserstrahl als Fleck 37 bzw. beleuchtetes Flächenelement 37 darzustellen. Hierbei ist sichergestellt daß unabhängig von der Schräglage der zu bearbeitenden Oberfläche 30 die Fluenz des Flecks 37 weitgehend konstant bleibt.

Anhand der Fig. 4 ist schematisch und vereinfacht die Fokussie­ rung mit einem Hohlspiegel 31 für den Fall veranschaulicht, daß die Strahlung von einem Laser hoher Fresnelzahl kommt. Dabei fällt der Laserstrahl innerhalb der ihn begrenzenden im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Strahlen 33, 34 auf die gekrümmte Fläche 32 und wird von dieser in einem von den Strahlen 38, 39 begrenzten Bereich in Richtung der Pfeile 35, 36 reflektiert und bildet in dem Bereich 40 eine homogene Intensitätsverteilung des reflektierten Laserstrahls.

In Fig. 5 ist dargestellt, wie ein quadratischer Ausgangsfleck 41 durch unterschiedliche Fokussierung in der x-Richtung 42 und in der y-Richtung 43 zu einem Rechteck 44 bzw. zu einem Rechteck 45 geändert werden kann, wobei die Flächen von Rechteck 44 und Rechteck 45 gleichgroß sind. Dadurch kann die Intensitätsverteilung über eine längere Strecke in z-Richtung konstant gehalten werden, als im Fall, wenn die Fokussierung in y-Richtung 43 mit der in x-Richtung 42 übereinstimmen würde.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum berührungslosen Entfernen einer Schicht aus Lack oder Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, von einem Bauteil sowie zum Reinigen und Dekontaminieren einer mit Lack oder Polytetrafluoräthylen beschichteten Oberfläche mittels eines gepulsten Laserstrahls unter Verwendung eines TEA-CO₂-Lasers als Laserstrahlquelle, wobei der Laserstrahl über spiegelnde und fokussierende optische Einrichtungen geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein TEA-CO₂-Laser hoher Fresnelzahl vorgesehen ist, wobei für die Führung des Laserstrahls (25) ein opto­ mechanischer Gelenkarm (1, 2, 3, 4, 6) vorgesehen ist, der aus wenigstens zwei Strahlrohren (1, 2) besteht, von denen das eine Strahlrohr (1) gelenkig und drehbeweglich mit der Laserstrahlquelle (5) und das andere Strahlrohr (2) gelenkig und drehbeweglich mit einem Bearbeitungskopf verbunden ist sowie jeweils zwei der Strahlrohre (1, 2) miteinander gelenkig und drehbeweglich verbunden sind, und daß zum Konstanthalten der auf dem Bauteil oder der beschichteten Oberfläche (30) wirksamen Energiedichte über einen größeren Bereich der Laserstrahl (25) in zwei Ebenen unterschiedlich fokussiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Konstant­ halten der Fleckfläche auf dem Bauteil oder der beschichteten Oberfläche (30) eine adaptive Optik (31) mit veränderlichem Krümmungsradius (32) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungs­ radius (32) der adaptiven Optiken (31) über Piezostellelemente einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der fokussierenden Optik (31) in zwei zueinander senkrechten Ebenen unterschiedlich groß ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung der Laserenergiedichte auf dem Bauteil oder der beschichteten Oberfläche (30) stets die gleiche optische Strahllänge eingehalten ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitätsprofil des Laserstrahls (25) kastenförmig ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlquerschnitt rechteckig oder quadratisch ist.