[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

CN107532284A - 激光涂覆方法及用于执行该激光涂覆方法的设备 - Google Patents

激光涂覆方法及用于执行该激光涂覆方法的设备 Download PDF

Info

Publication number
CN107532284A
CN107532284A CN201680022469.2A CN201680022469A CN107532284A CN 107532284 A CN107532284 A CN 107532284A CN 201680022469 A CN201680022469 A CN 201680022469A CN 107532284 A CN107532284 A CN 107532284A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mixed airflow
coating material
laser beam
laser
coupled
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
CN201680022469.2A
Other languages
English (en)
Inventor
米夏埃尔·比斯格斯
乌尔里希-安德烈亚斯·希尔特
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.)
Plasma Innovation Co Ltd
Eckart GmbH
Original Assignee
Plasma Innovation Co Ltd
Eckart GmbH
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Plasma Innovation Co Ltd, Eckart GmbH filed Critical Plasma Innovation Co Ltd
Publication of CN107532284A publication Critical patent/CN107532284A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B23K26/147—Features outside the nozzle for feeding the fluid stream towards the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/02—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to soldering or welding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/102—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern by bonding of conductive powder, i.e. metallic powder
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/13—Moulding and encapsulation; Deposition techniques; Protective layers
    • H05K2203/1333—Deposition techniques, e.g. coating
    • H05K2203/1344—Spraying small metal particles or droplets of molten metal

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Nozzles (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

本发明涉及一种将涂覆材料施布到表面上的方法，该方法包括步骤：‑提供包括载气和涂覆材料(2)的混合气流(8)，‑将混合气流(8)输送向表面(3a)，其中，混合气流(8)冲击到表面(3a)，并且在那里所施布的涂覆材料(2)构成在表面(3a)上的冲击区域(11)，‑将至少一束激光束(7)耦入至到混合气流(8)内，‑其中，至少一束激光束(7)的耦入的能量以如下方式确定，即，使固体的涂覆材料(2)至少被部分熔融，‑并且其中，每束激光束(7)以如下方式对准混合气流(8)，即，使激光束(7)不会撞到表面上的冲击区域(11)。此外，本发明还涉及一种用于执行所述方法的设备。

Description

激光涂覆方法及用于执行该激光涂覆方法的设备
技术领域
本发明涉及用于将几乎任意的固体的涂覆材料施布到表面上的方法和设备。
背景技术
由现有技术公知有激光堆焊，在其中，在工件表面上通过施布几乎任意的涂覆材料来施布表面堆覆部。激光束在构件表面上产生熔池，借助喷嘴向熔池输送作为粉末混合气的涂覆材料。涂覆材料尤其是金属粉末。不仅构件的表面而且涂覆材料在激光堆焊的情况下被熔化。
由通快激光器和系统技术有限公司(Trumpf Laser-und Systemtechnik GmbH,D71254Ditzingen)的样本“Laserauftragschweiβen:optimieren undreparieren.-Indent-Nr.0375845_201306_F(激光堆焊：优化和修复表面，识别号：0375845_201306_F)”公开的用于激光堆焊的设备具有用于提供粉末混合气流的粉末运送器以及带粉末喷嘴的加工光学器件。借助粉末喷嘴将事先由粉末运送器提供的粉末混合气流输送给待涂覆的表面。加工光学器件具有碟片式激光器或二极管激光器作为射束源。加工光学器件以如下方式取向，即，使激光束撞到工件表面上，粉末混合气流对准该工件表面。
激光堆焊只适用于特定的表面。尤其是在塑料中，激光束的耦入到构件表面内的高的能量导致构件表面的损坏。因而，激光堆焊仅在高熔融的塑料、金属或陶瓷的表面上是可行的。
发明内容
从该现有技术出发，本发明任务在于，提供一种用于将几乎任意的固体的涂覆材料也施布到对温度敏感的表面上的方法，此外，该方法需要明显更少的能量。此外，还应当说明一种有利的用于执行该方法的设备。
该任务通过具有权利要求1特征的方法和具有权利要求24的特征的设备解决。
优选紧接在混合气流冲击到表面上之前实现至少一束激光束耦入到混合气流中。通过耦入，使激光束的能量传递到混合气流内作为固体物存在的涂覆材料上，其中，至少一束激光束的耦入的能量以如下方式确定，即，使固体的涂覆材料至少被部分熔融。
每束激光束以如下方式对准混合气流，即，使激光束不会撞到施布在表面上的涂覆材料的冲击区域。由此促使，激光束的能量不直接传递到表面上并且相对于激光堆焊明显降低表面的热负荷。表面的更小热负荷允许利用根据本发明的方法来涂覆对热敏感的材料。每束激光束优选以如下方式对准表面，即，使激光束在任意位置都不撞到表面上。这例如可以通过使激光束相对于表面平行或向上倾斜地取向获得。
作为固体物存在于混合气流内的涂覆材料仅通过至少一束激光束的耦入的能量来部分熔融。涂覆过程因而可以仅借助一个激光器或多个激光器来控制，例如通过切断激光功率、遮住激光束或通过偏转激光束来控制，使其暂时不对准混合气流。固体的涂覆材料的颗粒的至少是表面通过至少一束激光束的耦入的能量熔融，以便产生附着牢固的涂覆部。
由于使激光束直接耦入到混合气流中且无需熔化构件表面，使得根据本发明的方法相对于激光堆焊所需的激光功率明显更少。为了使例如10g/min质量流量的涂覆材料(铜)仅借助激光束以如下方式熔融，即，例如在塑料表面上或在涂覆材料的事先沉淀出的层上发生附着，10瓦特的激光功率已经足够了。
根据本发明，涂覆材料可以仅局部或者也可以大面积施布。针对具有被施布的涂覆材料的大于混合气流的横截面的冲击区域的大面积涂覆，表面和混合气流在施布期间彼此相对运动。该相对运动可以通过待涂覆的表面的运动和/或通过针对混合气流的输送机构的运动来产生。
尤其是被粉末运送器已经供应的混合气流包括固体的涂覆材料。作为涂覆材料尤其使用用于建立能导电的或能导热的涂覆部的纯金属或合金。然而此外，该方法也适用于将塑料、气体或陶瓷作为涂覆材料施布。涂覆材料优选作为粉末存在。为了使激光束能量有效地耦入到涂覆材料内，激光辐射的波长必须与涂覆材料的吸收光谱相协调。
如果被施布的涂覆材料致力于附着，那么涂覆材料被施布到其上的表面优选具有对于涂覆材料来说是附着性强的特性。尤其有利的附着性强的材料例如是：
·聚酰胺，
·PC-ABS(聚碳酸酯丙烯腈丁苯)，
·PPS(聚苯硫醚)
·PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)
·热固性塑料。
上述材料可以作为纯聚合物或作为具有填充物的复合物存在。例如气体、陶瓷或金属可以考虑作为填充物。复合物的最大30重量百分比是填充物。
为了改善涂覆材料在对象物的表面上的附着，在本发明有利的设计方案中，对象物的至少是具有表面的盖覆层可以具有侧凹部。
至少一束激光束根据本发明持续地借助连续激光器产生或不持续地借助脉冲激光器产生。基于高峰值强度，脉冲激光器尤其针对具有更高的熔融温度的涂覆材料使用。
如果至少一束激光束聚焦地耦入到混合气流内，则将辐射成束促使在耦入区域内具有高的能量密度。利用散焦的激光束可以在混合气流内产生更大的耦入区域。
为了增大混合气流内的尤其是聚焦的激光束的耦入区域，在本发明的设计方案中，在至少一束激光束耦入到混合气流中期间，使激光束的取向发生变化。在散焦的激光束的情况下，在激光束耦入到混合气流中期间，取向通常可以保持不变。
涂覆材料在表面上的结构化施布能够以简单方式和方法通过如下方式实现，即，在输送混合气流期间，使至少一束激光束的耦入暂时中断。由此，暂时中断了到涂覆材料上的能量传递并因此在中断期间不熔化所输送的涂覆材料。结合表面与混合气流之间的相对运动地，通过中断耦入可以在表面上提供如下区域，涂覆材料在这些区域内未被附着。
为了暂时中断耦入可以切断激光功率、激光束利用遮蔽物遮住或通过激光光学器件以如下方式转向，即，其暂时不对准混合气流。
借助粉末运送器来进行对包括载气和固体的涂覆材料的混合气流的提供。粉末运送器作为运送装置例如包括盘式运送器、振动式运送器或粉末泵，利用它们将粉末状的涂覆材料引入到载气流中。尤其是惰性气体，例如氩、氮气或环境空气适合用作为载气。载气以1至50l/min的，优选是1-20l/min范围内的体积流量提供。粉末运送器的运送装置将具有0.1g/min至100g/min的，优选是2g/min至20g/min范围内的质量流量的涂覆材料输送给载气。所输送的粉末状的涂覆材料优选具有100nm至120μm的粒度分布。
这样形成的混合气流经由管路被引导向具有出口的输送机构，其中，出口优选相对于表面保持1mm至100mm范围内的竖直的间距。输送机构以如下方式利用出口对准表面，即，使混合气流优选垂直冲击到表面上。
如果将具有在0.1至10mm范围内的内直径的空心针用作输送机构，则由于空心针的与内直径相比更大的长度而在出口处产生粉末混合气的准层流式的流动。借助准层流式的混合气流可以在表面上沉淀出精确的结构。
如果要在表面上沉淀出较宽的痕迹，尤其针对全面的涂覆，则混合气流优选经由扩散器输送，扩散器加速出口处的混合气流并且产生朝向冲击区域方向扩展的混合气流。
激光束优选直接在混合气流冲击到表面上之前耦入到混合气流内，以便将从输送机构出口至表面的路径上的能量损失保持得较小。视输送机构的出口相对表面的间距而定地，激光束以在表面上方0.1mm至50mm的间距耦入到混合气流内。如果在施布涂覆材料期间输送机构出口相对冲击区域的间距发生变化，则优选在间距变得更大的情况下提高激光功率，而在间距变得更小的情况下降低激光功率。
利用根据本发明的方法不仅可以在表面上施布涂覆部，而且也可以建立三维对象物作为表面堆覆部。为此，相叠地沉淀出涂覆材料的多个覆层。分别事先沉淀出的覆层形成如下表面，即，使混合气流在下一工步中被输送给该表面。依次沉淀出的覆层可以由不同涂覆材料构成。例如可以首先沉淀出由聚合物构成的单覆层，随后将由金属涂覆材料，例如铜构成的能传导的迹线沉淀到单覆层上。接着可以构建由聚合的涂覆材料构成的另外的覆层，以便产生具有被集成的导体迹线结构的复杂的构件。以该方式可以利用根据本发明的方法构建电路载体，其类似于MID构件。
在根据本发明的方法的设计方案中，可以通过如下方式结构化地涂覆表面，即，在输送混合气流之前，使表面部分地设有盖层，盖层相对于所输送的涂覆材料具有抗附着的特性。混合气流优选以扩展的流动横截面对准表面。盖层促使，涂覆材料仅与表面的没设有盖层的剩余的区域附着牢固地连接。表面例如可以通过如下方式部分地设有盖层，即，首先将全面堆聚的盖层在部分区域中又被消除。消除例如以激光烧蚀的途径来实现。具有抗附着的特性的盖层根据本发明以1μm至500μm的层厚施布到表面上。
涂覆材料在表面上的结构化施布在本发明的另外的设计方案中可以通过如下方式实现，即，使基底或对象物具有带强附着性的特性的区段和带抗附着的特性的区段。施布到表面上的涂覆材料可以仅在由附着性强的材料构成的区段内附着。
将涂覆材料结构化地施布到表面上在本发明的另外的设计方案中可以通过如下方式实现，即，使表面或待涂覆的对象物至少区段式地由牺牲材料构成，其中，牺牲材料相对于随着混合气流输送的涂覆材料具有抗附着的特性。基于通过混合气流的能量输入，牺牲材料释放气态的组成部分，其阻止涂覆材料附着在表面上。通过如下方式实现涂覆材料的结构化施布，即，在施布到部分区域内之前例如利用激光器消除或钝化处理由牺牲材料构成的表面。通过消除露出了位于牺牲材料下方的、具有附着性强的特性的表面。通过钝化处理使得由牺牲材料构成的表面附着性强，而无需将该表面完全消除。对牺牲材料的钝化处理和消除通过有针对性地输入能量来实现。替选地，牺牲材料可以借助压制法或掩膜就已经结构化地施布到附着性强的表面上。
可以用于建立目标物的盖层或区段的牺牲材料优选具有下列材料的至少其中一种：
·聚碳酸酯，
·丙烯酸，
·UV硬化涂料，其主要具有丙烯酸单体。
具有抗附着的特性的牺牲材料优选包含具有丙烯酸基团(CH2＝CH-COR)的化学物质。在聚合物中，从丙烯酸基团的1重量百分比份额起就已经表现出了牺牲材料的抗附着的特性。
附图说明
以下结合附图详细阐述本发明。图中：
图1A示出用于将粉末状的涂覆材料施布到基底的表面上的设备的第一实施例；
图1B示出用于将粉末状的涂覆材料施布到基底的表面上的设备的第二实施例；
图2示出根据图1A的设备，其具有实施为空心针的输送机构；
图3A-E示出用于说明用来将粉末状的涂覆材料施布到部分设有盖层的基底的表面上的方法的示意图；
图4A-C示出用于说明用来将粉末状的涂覆材料施布到具有不同材料特性的表面上的方法的示意图；
图5A-C示出用于说明用来制造三维对象物的方法的示意图；
图6示出用于说明用来将涂覆材料结构化地施布到基底的表面上的方法的示意图；
图7示出用于将粉末状的涂覆材料施布到多个基底上的优选的设备；以及
图8示出用于说明基底的具有侧凹部的表面的图示。
具体实施方式
在图1a中示意性示出的用于将粉末状的涂覆材料(2)施布到基底(3)的表面(3a)上的设备(1)基本上由仅部分示出的粉末运送器(4)、实施为粉末喷嘴(5b)的输送机构(5)以及用于产生平行于基底(3)表面(3a)的激光束(7)的激光器(6)构成。
粉末运送器(4)包括未示出的粉末泵，粉末泵将来自容器的粉末状的涂覆材料(2)引入到载气流中。混合气流(8)经由粉末喷嘴(5b)的输送线路(9)输送。粉末喷嘴(5b)的出口(5a)对准基底(3)的表面(3a)并且具有大约50mm的竖直的间距。粉末喷嘴(5b)借助未示出的操纵系统能够沿着或反向于箭头(12)的方向地平行于基底的表面(3a)运动。激光器(6)优选与粉末喷嘴(5b)机械连接并因而同样沿着箭头(12)方向相对于在根据图1的实施例中方位固定地保持的基底(3)运动。在其内使激光束(7)耦入到混合气流(8)中的耦入区域(10)直接位于基底(3)表面(3a)的上方。
通过激光束(7)的平行射束引导确保的是，激光束(7)不会撞到表面(3a)上的混合气流(8)冲击区域(11)。因而，在耦入区域(10)内，激光束(7)的能量仅传递到混合气流(8)内的粉末状的涂覆材料(2)上。在混合气流(8)内已经通过激光束(7)的作用而至少部分熔融的粉末状的涂覆材料(2)在压力下被施布到表面(3a)上。
根据图1B)的设备与根据图1A)的设备的区别基本上在于，激光器(6)具有未示出的激光光学器件，其朝向耦入区域(10)的方向将激光束扩展到混合气流(8)内。由此，耦入区域(10)在粉末喷嘴(5b)的出口(5a)与表面(3a)之间的混合气流(8)的更大长度上延伸。在散焦的激光束(7)的激光功率相应提高的情况下，通过扩展使更高的能量能够被耦入到粉末状的涂覆材料(2)中，以便例如能够沉淀出更高熔融的金属的涂覆材料。
根据图2的设备(1)与根据图1A)的设备仅在于输送机构(5)的设计方面有所区别。因而为了避免重复而完全参引图1A)的实施方案。输送机构(5)被设计为空心针(5c)，其具有与长度相比更小的小于10mm的内直径。由于输送机构(5)被构造为空心针(5c)，使得出口(5a)与基底(3)表面(3a)之间出现了混合气流(8)的准层流式的流动。
结合图3进一步阐述，将粉末状的涂覆材料(2)施布到部分地设有盖层(13)的基底(3)的表面(3a)上：基底(3)的表面(3a)在边缘侧分别设有盖层(13)(参见图3b)。在具有盖层(13)的边缘侧的区段之间，在中间区域(14)内露出基底(3a)的表面(3a)。盖层(13)具有相对于粉末状的涂覆材料(2)的抗附着的特性。如果现在粉末喷嘴(5b)沿箭头(12)的方向平行于部分地设有盖层(13)的基底(3)的表面(3a)运动，如图3C)所示，则粉末状的涂覆材料(2)基于抗附着的特性而不会附着在盖层(13)上。然而如根据图3D)能看出，粉末状的涂覆材料(2)在中间区域(14)内形成在基底(3)的表面(3a)上的附着牢固的层(15)。在施布涂覆材料(2)结束之后，清洁表面。图3E)仅示出了已清洁的、仅在中间区域(14)内选择性被涂覆的基底(3)。
图4示出了具有由对于粉末状的涂覆材料(2)来说是抗附着的材料构成的区段(3b)以及布置在其之间的由相对于粉末状的涂覆材料(2)是附着性强的材料构成的区段(3c)的不均匀的基底(3)。由于区段(3c、3b)的附着性强的或者抗附着的特性，在基底(3)的表面(3a)上在区段(3b)中没有产生涂覆材料(2)与表面之间的附着牢固的连接。然而在中间的区段(3c)上构造有由涂覆材料(2)构成的附着牢固的层(15)。在结束施布涂覆材料(2)之后，清除区段(3b)的表面上的所施布的涂覆材料(2)。图4C)仅示出已清洁的、仅在区段(3c)内被选择性涂覆的基底(3)。
图5示意性说明了用于施布不同涂覆材料(2a、2b)的方法，这些涂覆材料依次在多个覆层内被相叠地沉淀出。用于对涂覆材料进行施布的设备(1)很大程度上相应于根据图1A)的设备。然而，未示出的粉末运送器(4)具有两个粉末容器，从其中，粉末泵交替将第一或第二涂覆材料(2a、2b)引入到载气流中。因而，混合气流(8)可选地具有第一或第二涂覆材料(2a、2b)。
图5A)示出，首先在冲击区域(11)内通过粉末喷嘴(5b)沿着箭头(12)方向的相对运动向基底(3)表面(3a)涂覆以第一涂覆材料(2a)。随后，如图5B)所示，将具有第二涂覆材料(2b)的第二覆层(17)施布到由第一涂覆材料(2a)构成的第一覆层(16)的表面上。最后，如图5C)所示，在第二覆层(17)的表面上通过粉末喷嘴(5b)的在较小的冲击区域(11b)内多次往复运动来施布具有第一涂覆材料(2a)的四个第三覆层(18)。
施布期间通过激光束(7)熔融的第一和第二涂覆材料(2a、2b)彼此结合成附着牢固的复合体，从而可以借助根据本发明的方法产生能在图5C)中看到的对象物(19)。
第一覆层(16)与表面(3a)连接或者与该表面没有结合成附着牢固的复合体与基底(3)的表面特性有关。在后一种情况下，表面(3a)仅充当用于制造对象物(19)的临时载体。然而如果期望涂覆材料(2)持久附着在表面上，则建议根据图8对表面进行粗糙化，由此如放大图A可见，形成侧凹部(20)，涂覆材料(2)可以咬合在其内。
通常，对象物具有借助浇注法、挤压法或冲压法产生的光滑的表面，该表面具有较小的粗糙度且没有侧凹部。如果期望涂覆材料附着在对象物的表面上，则至少部分熔融的涂覆材料在表面的侧凹部内的机械夹紧方式是主要的附着机制。因而有意义地以如下方式设计表面，即，侧凹部以数量级为0.1μm-100μm重复的并且在表面上分布的方式存在。为此，例如可以借助激光器在具有附着性强的特性的表面的区域内产生对表面的粗糙化并且同时形成微型侧凹部。
替选地，例如可以在第一方法步骤中，在对象物的光滑表面上沉淀出具有侧凹部的、附着性强的陶瓷涂覆部。为此，熔化粉末状的陶瓷涂覆材料并且在表面上借助等离子涂覆方法将其沉淀出。通过选择适当的粉末粒径(1-50μm)和涂覆参数可以通过如下方式有针对性地在表面上产生侧凹部，即，颗粒不完全熔融，而是仍保留核心。部分圆形的、飞溅的或未限定的粉末颗粒在表面上聚积导致具有大量侧凹部的多孔的形成物。这种陶瓷的、附着性强的层优选以1-500μm的厚度施布在表面上。后续利用根据本发明的方法施布到该陶瓷的、附着性强的层上的涂覆材料机械咬合在侧凹部内。
结合图6阐述利用根据图1A)的设备进行的区段式结构化地施布粉末状的涂覆材料(2)：在持续输送混合气流(8)期间，激光束(7)有时中断，这例如通过接通或断开激光功率实现。接通激光器(6)并且激光束(7)耦入到混合气流(8)内期间，涂覆材料(2)附着牢固地被沉淀在基底(3)的表面(3a)上。在激光器(6)中断阶段中，虽然仍将涂覆材料(2)施布到表面(3a)上。但是因为没有激光能量耦入到涂覆材料(2)内，所以该涂覆材料并未熔出并因而并不附着牢固地与表面(3a)连接。通过周期性接通和断开，在去除并不附着牢固的涂覆材料(2)之后得到图6可见的成序的附着牢固的层(15)。
以下结合图7描述优选的用于执行根据本发明的方法的设备(1)。该设备(1)具有能围绕转动轴线(23)转动的转动台(24)。为了使转动台(24)围绕转动轴线(23)沿着和反向于箭头(25)的方向处于转动中，转动台(24)具有驱动器(26)。具有向外指向的表面(3a)的基底(3)可松开地紧固在转动台(24)的外圆周上。
设备(1)还具有线性系统(27)，例如受驱动的线性滑架，其可沿着线性的移动轴线(28)的方向运动输送机构(5)。输送机构(5)的出口(5a)依次分别指向基底(3)的表面(3a)，以便可以将混合气流(8)输送给基底表面(3a)。输送机构(5)以如下方式布置在线性系统(27)上，即，使混合气流(8)垂直冲击到每个基底(3)的表面(3a)上。移动轴线(28)平行于转动台(24)的转动轴线(23)延伸。因而通过沿着和/或反向于移动轴线(28)移动输送机构(5)可以将涂覆材料(2)呈轨迹地施布在分别借助转动台来相对于输送机构(5)的出口(5a)定位的基底(3)上。如果涂覆部不能以一道痕迹施布到基底(3)上，则可以通过如下方式并排施布更多的竖直的痕迹，即，转动台(24)在施布每道痕迹后略微转动。
激光器(6)可以如图7所示方位固定地布置或布置在操纵设备上。激光光学器件以如下方式取向，即，使激光束(7)在耦入区域(10)内垂直冲击到混合气流(8)上。
设备(22)最终被用于构成工作空间的围栏(29)包围。不仅转动台(24)的而且线性系统(27)的驱动设备以及激光器(6)都是受程序控制的，以确保全自动涂覆基底(3)。
以下示例性提及根据本发明的方法的一些应用情况：
1.在电子工业中，可以将该方法应用于将结构化的导体迹线沉淀到尤其由塑料和陶瓷构成的三维体上。此外，将该方法应用于将结构化的导体迹线沉淀在平坦的导体迹线电路板上。
2.在半导体工业中，可以将该方法应用于将多孔的金属层沉淀到晶片上，例如用以制造IGBT模块。此外，还可以利用根据本发明的方法建立半导体与载体之间的接触部作为压焊连接的替代。
3.尤其是医疗技术中，也可以在抽真空的工作区域内执行该方法，以便在排除大气情况下，例如建立针对植入物的医学上有效的涂覆部。
4.在光电领域内，可以利用根据本发明的方法将能导电的接触结构和/或半导体材料沉淀到太阳能电池上。
5.在屏幕制造领域内，可以利用根据本发明的方法例如将能导电的结构沉淀到玻璃表面上用来制造屏幕。
6.在工业化的卷到卷式的涂覆过程中，薄膜幅面和拱形结构例如可以设有多孔的金属层，它们借助优选扩展的混合气流施布。
附图标记列表

Claims (27)

1.一种用于将涂覆材料(2)施布到表面(3a)上的方法，所述方法包括步骤：
-提供包括载气和固体的涂覆材料(2)的混合气流(8)，
-将所述混合气流(8)输送向所述表面(3a)，其中，所述混合气流(8)冲击到所述表面(3a)上，并且在那里所施布的涂覆材料(3a)构成在所述表面(3a)上的冲击区域(11)，
-将至少一束激光束(7)耦入到所述混合气流(8)内，
-其中，所述至少一束激光束(7)的耦入的能量以如下方式确定，即，使固体的涂覆材料(2)至少被部分熔融，并且
-其中，每束激光束(7)以如下方式对准所述混合气流(8)，即，使激光束(7)不会碰到所述表面上的冲击区域(11)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面(3a)和所述混合气流(8)在施布所述涂覆材料(2)期间彼此相对运动。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述固体的涂覆材料仅通过所述至少一束激光束(7)的耦入的能量部分熔融。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所提供的混合气流(8)包括粉末状的涂覆材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，至少粉末颗粒的表面被熔融。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一束激光束(7)持续地借助持续激光器耦入或不持续地借助脉冲激光器耦入。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一束激光束(7)利用激光光学器件聚焦地耦入或散焦地耦入。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一束激光束(7)耦入到所述混合气流(8)内期间，每束激光束(7)的取向保持不变。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一束激光束(7)耦入到所述混合气流(8)内期间，每束激光束(7)的取向发生变化。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在输送所述混合气流(8)期间，至少一束激光束(8)的耦入暂时中断。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，提供具有在1-50l/min的，优选是1-20l/min范围内的载气的体积流量的混合气流(8)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，提供具有在0.1g/min-100g/min的，优选是2g/min-20g/min范围内的涂覆材料(2)的质量流量的混合气流(8)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述载气是惰性气体、氮气或环境空气。
14.根据权利要求5至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述固体的粉末状的涂覆材料(2)具有100nm至120μm的粒度分布。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，对所述混合气流(8)的输送借助输送机构(5)实现，所述输送机构具有针对所述混合气流(8)的出口(5a)，其中，所述出口相对于冲击区域保持1mm至100mm范围内的竖直的间距。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，对所述混合气流(8)的输送借助空心针(5c)实现，所述空心针具有0.1至10mm范围内的内直径。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，对所述混合气流(8)的输送借助扩散器实现，所述扩散器扩展了所述混合气流的流动横截面。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其特征在于，具有冲击区域(11)的表面(3a)是所述基底(3)的组成部分。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其特征在于，涂覆材料(2、2a、2b)的多个覆层(16、17、18)被相叠地沉积出。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其特征在于，具有冲击区域(11)的表面(3a)具有侧凹部(20)。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其特征在于，在输送混合气流(8)之前，表面(3a)部分地设有盖层(13)，所述盖层相对于随着所述混合气流(8)输送的涂覆材料(2)具有抗附着的特性。
22.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其特征在于，所述表面(3a)或具有所述表面(3a)的对象物至少区段式地由牺牲材料构成，其中，所述牺牲材料相对于随着所述混合气流(8)输送的涂覆材料(2)具有抗附着的特性。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述牺牲材料包括至少一个丙烯酸基团(CH2＝CH-COR)，其中，所述丙烯酸基团的份额优选为所述牺牲材料的至少1重量百分比。
24.一种用于将涂覆材料(2)施布到表面(3a)上的设备(1)，所述设备用于执行根据权利要求1至23中任一项所述的方法，所述设备包括
-粉末运送器(4)，所述粉末运送器被设立成用于提供包括载气和涂覆材料(2)的混合气流(8)，
-输送机构(5)，所述输送机构将所述混合气流(8)输送向所述表面(3a)，其中，所述输送机构(5)以如下方式设立，即，使所述混合气流(8)冲击到所述表面(3a)上，并且在那里所施布的涂覆材料构成在所述表面上的冲击区域(11)，
-激光器(6)，所述激光器用于产生激光束(7)，所述激光器被设立成用于使所述激光束(7)耦入到所述混合气流(8)内，
-其中，每束激光束(7)以如下方式对准所述混合气流(8)，即，使所述激光束不会碰到所述表面上的冲击区域(11)。
25.根据权利要求24所述的设备，其包括用于产生所述输送机构(5)与待涂覆的表面(3a)之间的相对运动的操纵系统。
26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，
-所述操纵系统具有能围绕转动轴线(23)转动的转动台(24)，所述转动台被设立成用于容纳至少一个具有待涂覆的表面(3a)的对象物，
-所述操纵系统具有线性系统(27)，所述线性系统被设立成用于产生所述输送机构(5)沿着移动轴线(28)方向的线性运动，
-其中，所述移动轴线(28)平行于所述转动轴线(23)延伸。
27.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述激光器(6)具有被设立成用于所述激光束(7)定向的激光光学器件，并且/或者所述激光器(6)布置在被设立成用于所述激光束(7)定向的操纵设备上。
CN201680022469.2A 2015-04-27 2016-04-25 激光涂覆方法及用于执行该激光涂覆方法的设备 Pending CN107532284A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015106464.2A DE102015106464A1 (de) 2015-04-27 2015-04-27 Laserbeschichtungsverfahren und Vorrichtung zu dessen Durchführung
DE102015106464.2 2015-04-27
PCT/EP2016/059126 WO2016173963A1 (de) 2015-04-27 2016-04-25 Laserbeschichtungsverfahren und vorrichtung zu dessen durchführung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107532284A true CN107532284A (zh) 2018-01-02

Family

ID=55910224

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680022469.2A Pending CN107532284A (zh) 2015-04-27 2016-04-25 激光涂覆方法及用于执行该激光涂覆方法的设备

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20180117711A1 (zh)
EP (1) EP3250731B1 (zh)
JP (1) JP2018520262A (zh)
KR (1) KR20180002603A (zh)
CN (1) CN107532284A (zh)
DE (1) DE102015106464A1 (zh)
WO (1) WO2016173963A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116463623A (zh) * 2023-04-19 2023-07-21 宁波大学 一种金属多孔材料及其制备方法和装置

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015117558A1 (de) * 2015-10-15 2017-04-20 Lpkf Laser & Electronics Ag Verfahren zum Herstellen von strukturierten Beschichtungen auf einem Formteil und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
JP7133798B2 (ja) * 2018-03-05 2022-09-09 国立大学法人大阪大学 粉末溶融による線材の製造方法
KR20240080571A (ko) * 2022-11-30 2024-06-07 (주)코미코 반도체 장비용 코팅방법

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4947463A (en) * 1988-02-24 1990-08-07 Agency Of Industrial Science & Technology Laser spraying process
US5993549A (en) * 1996-01-19 1999-11-30 Deutsche Forschungsanstalt Fuer Luft- Und Raumfahrt E.V. Powder coating apparatus
EP1123772A1 (en) * 2000-01-14 2001-08-16 Rexam Beverage Packaging AB Laser unit for marking the surface of a metal strip
US20030020768A1 (en) * 1998-09-30 2003-01-30 Renn Michael J. Direct write TM system
US20040197493A1 (en) * 1998-09-30 2004-10-07 Optomec Design Company Apparatus, methods and precision spray processes for direct write and maskless mesoscale material deposition
US20050215686A1 (en) * 2002-05-24 2005-09-29 Alstom Technology Ltd. Process of masking cooling holes of a gas turbine component
US20060008590A1 (en) * 1998-09-30 2006-01-12 Optomec Design Company Annular aerosol jet deposition using an extended nozzle
CN102555434A (zh) * 2010-12-27 2012-07-11 Jds尤尼弗思公司 用于在衬底上形成图像的系统和方法
US20140234555A1 (en) * 2013-02-21 2014-08-21 Pratt & Whitney Canada Corp. Method of protecting a surface
EP2774714A1 (de) * 2013-03-06 2014-09-10 Siemens Aktiengesellschaft Laserauftragsschweißen mit geringem Energieeintrag im Substrat

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19606383C2 (de) * 1996-01-19 1998-04-30 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Pulverbeschichtungseinrichtung
JP2005256017A (ja) * 2004-03-09 2005-09-22 Canon Inc 粒子配置装置及び粒子の配置方法
RU2449048C2 (ru) * 2010-05-24 2012-04-27 ГОУ ВПО "Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева" Способ лазерно-плазменного напыления покрытий
DE102013103693A1 (de) * 2013-04-12 2014-10-16 Reinhausen Plasma Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Aufbau einer Struktur auf einem Substrat

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4947463A (en) * 1988-02-24 1990-08-07 Agency Of Industrial Science & Technology Laser spraying process
US5993549A (en) * 1996-01-19 1999-11-30 Deutsche Forschungsanstalt Fuer Luft- Und Raumfahrt E.V. Powder coating apparatus
US20030020768A1 (en) * 1998-09-30 2003-01-30 Renn Michael J. Direct write TM system
US20040197493A1 (en) * 1998-09-30 2004-10-07 Optomec Design Company Apparatus, methods and precision spray processes for direct write and maskless mesoscale material deposition
US20060008590A1 (en) * 1998-09-30 2006-01-12 Optomec Design Company Annular aerosol jet deposition using an extended nozzle
EP1123772A1 (en) * 2000-01-14 2001-08-16 Rexam Beverage Packaging AB Laser unit for marking the surface of a metal strip
US20050215686A1 (en) * 2002-05-24 2005-09-29 Alstom Technology Ltd. Process of masking cooling holes of a gas turbine component
CN102555434A (zh) * 2010-12-27 2012-07-11 Jds尤尼弗思公司 用于在衬底上形成图像的系统和方法
US20140234555A1 (en) * 2013-02-21 2014-08-21 Pratt & Whitney Canada Corp. Method of protecting a surface
EP2774714A1 (de) * 2013-03-06 2014-09-10 Siemens Aktiengesellschaft Laserauftragsschweißen mit geringem Energieeintrag im Substrat

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116463623A (zh) * 2023-04-19 2023-07-21 宁波大学 一种金属多孔材料及其制备方法和装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180002603A (ko) 2018-01-08
DE102015106464A1 (de) 2016-10-27
US20180117711A1 (en) 2018-05-03
WO2016173963A1 (de) 2016-11-03
EP3250731A1 (de) 2017-12-06
EP3250731B1 (de) 2018-12-26
JP2018520262A (ja) 2018-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10759002B2 (en) Stack forming apparatus and manufacturing method of stack formation
CN107532284A (zh) 激光涂覆方法及用于执行该激光涂覆方法的设备
US10442001B2 (en) Rapid manufacturing method and device for the same comprising oppositely-directed protective gas streams parallel to the powder layer
ES2745711T3 (es) Procedimiento y dispositivo para producir un objeto tridimensional
CN1319697C (zh) 手持式粉末供给的激光熔化焊炬
US9381603B2 (en) Integrated laser material processing cell
EP2862651B1 (en) Method and apparatus for producing a large three-dimensional work piece
US7728258B2 (en) Laser machining of a workpiece
US5620552A (en) Method of producing a slip-resistant substrate by depositing raised bead-like configurations of a compatible material at select locations thereon, and a substrate including same
CN103906595B (zh) 采用粉末气流方式焊接经涂层的板材的方法和装置
CN105392920A (zh) 功能性梯度热障涂层系统
US20170282463A1 (en) Method, Apparatus, and Control Unit for Producing a Three-Dimensional Object
KR20170102984A (ko) 경사진 lift 제팅
CA3051297A1 (en) Method to additively manufacture a fiber-reinforced ceramic matrix composite
EP2707172B1 (en) Process for cladding a substrate
US20160311059A1 (en) Nozzle device and manufacturing method of layered object
CN114302787A (zh) 具有多个材料聚焦区的材料沉积单元以及用于堆焊的方法
WO2012124289A1 (ja) レーザクラッディング方法
WO2018212193A1 (ja) 積層造形装置及び積層造形方法
US20220305559A1 (en) Liquid metal ejection printing
US20190099943A1 (en) Additive manufacturing method and apparatus
US20180020553A1 (en) Structure formed on substrate, structure manufacturing method and line pattern
CN105750548A (zh) 电子束金属喷射增材制造装置及方法
US20020170890A1 (en) Precision spray processes for direct write electronic components
Volpp et al. Powder particle attachment mechanisms onto liquid material

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180102

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication