eng
Выпуск #5/2013
Ш.Якшик, Ф.Тюршманн
Исследование характеристик спектра частиц, возникающих при работе лазеров ультракоротких импульсов
Исследование характеристик спектра частиц, возникающих при работе лазеров ультракоротких импульсов
Просмотры: 4388
Обработка материалов лазерами с ультракороткими импульсами (УКИ) обеспечивает недостижимые ранее точность и качество. Благодаря многообразию промышленных приложений эта совсем еще новая технология завоевывает все большую популярность. Однако пользователи при этом не всегда обращают внимание, что обработку сопровождает появление частиц удаляемого материала. Они, попадая в окружающую среду, приводят к ее загрязнению. Приведены результаты измерений размеров частиц, обнаруженных в процессе лазерной обработки материалов.
Теги: extraction filtering hazardous substances ultrashort-pulse laser опасные вещества ультракороткоимпульсные лазеры фильтрация экстракция
В компании ULT уделяют повышенное внимание вопросам защиты здоровья человека от воздействия вредных веществ на производстве. Ведь чистый воздух является залогом высокой работоспособности человека и высокого качества продуктов.
Специалисты очень внимательно следят за появлением новых технологий, особенно в области перспективных технологий лазерной обработки, прогнозируя появление возможных загрязнений. Результатом такого "взгляда в будущее" стал целый ряд разработок для обеспечения безопасности процессов создания структур кремниевых пластин для солнечных батарей или промышленного производства высокоэффективных аккумуляторных батарей.
В связи с использованием УКИ-лазера возникает вопрос о характере загрязнений, которые образуются при процессе абляции и попадают в окружающую среду. Эксплуатация подобного оборудования подпадает под действие закона об опасных веществах. Этот закон требует, чтобы опасные вещества улавливались непосредственно на месте их возникновения и утилизировались без нанесения ущерба человеку, оборудованию и окружающей среде. Многолетний опыт инженеров фирмы ULT в области удаления опасных веществ, образующихся при лазерной обработке различных материалов, позволяет сделать следующее предположение. Чем более сфокусировано излучение и чем выше частота импульсов, используемая в процессе обработки, тем меньше размер отдельных частичек, образующих аэрозоли.
Эта тенденция нашла подтверждение в целом ряде лазерных устройств. Соответственно, они требуют применения специальных систем фильтрации (рис.1), чтобы исключить негативное воздействие на процесс, персонал и окружающую среду. Еще одна цель фильтрации ‒ исключить возможность появления претензий к производителям о возмещении ущерба от эксплуатации лазера. Такие претензии могут возникнуть при известных обстоятельствах.
Исследовательское задание: подробное рассмотрение всех деталей
Цель проводимых исследований – получить спектр частиц, возникающих при работе УКИ-лазера, с тем, чтобы определить их размеры. При планировании эксперимента внимание было сфокусировано на том, чтобы определить влияние различных рабочих параметров процесса на распределение частиц по размерам. Другая задача исследования – определить, какая концентрация свободных частиц возникает при работе лазерной установки для структурирования на основе пикосекундного лазера. При этом исследователей интересовало, какое влияние на распределение размеров частиц оказывает состав обрабатываемого материала (легированная сталь, кремний, керамика). Задача инженеров фирмы ULT заключалась в разработке рекомендаций для проектирования установок фильтрации воздуха, которые могли бы обеспечить высокий уровень защиты окружающей среды при работе УКИ-лазеров.
Частота, мощность лазера, удаление от рабочей зоны и позиция устройства всасывания, эффективность системы фильтрации и влияние снятого материала являлись объектами исследования. Были подробнейшим образом изучены параметры и их влияние на появление частиц при обработке различных материалов УКИ-лазером. При этом за определяющие параметры влияния принимали количество, концентрацию и распределение частиц. Для проведения совместных исследований Институт Фрауенхофера по технологии материалов и технологии струйной обработки (IWS) и Институт по технологии вентиляции и холодильной техники (ILK) использовали измерительный стенд, состоящий из всасывающего патрубка, измерительного участка и установки фильтрации LAS 200 на одном из УКИ-лазеров.
Опасные вещества надо улавливать непосредственно на месте их возникновения
На первом этапе исследования экспериментаторы проанализировали влияние частоты импульсов на распределение частиц по размерам и на количественную концентрацию выбросов при обработке легированной стали (рис.2). При частоте до 500 кГц отмечено появление частиц размером около 70 нм со средней или высокой количественной концентрацией. Такая же картина характерна для частоты 200 кГц, обычно используемой в промышленности. Максимальный размер частиц при обработке УКИ-лазером легированной стали – около 100 нм (см.рис.3).
Специалисты считают, что сверхмалые частицы размером около 100 нм и меньше проникают в легочные альвеолы, поэтому они получили соответствующее название – "проникающие в легкие человека". Такие наночастицы могут преодолевать естественные барьеры человеческого тела и способны нанести большой ущерб организму. Поэтому их необходимо удерживать вне биологической сферы.
Увеличивая расстояние от места образования загрязнений, специалисты получили следующие результаты. Увеличение на 5 см ведет к снижению концентрации вредных частиц в выбросах приблизительно на 60%; увеличение расстояния на 20 см снижает концентрацию вредных частиц на 95%. Согласно полученным данным, были выработаны рекомендации для конструкторов: вредные выбросы должны быть пойманы непосредственно на месте их возникновения. Имеется в виду, что даже при быстром перемещении точек обработки или обрабатываемых поверхностей всасывающие элементы должны перемещаться вместе с ними. Для каждого конкретного случая ULT использует всасывающие и передающие элементы системы Alsident. При необходимости эти элементы используются в комплексе со специально разработанными и изготовленными элементами всасывания.
Улавливание частиц
Кроме варьирования расстояния до места образования загрязнений при эксперименте изменялась также высота всасывающего патрубка по вертикальной оси над местом обработки. Так как сканирующая головка располагалась вблизи обрабатываемой поверхности, то высота всасывания незначительно влияла на сдвиг максимума в распределении частиц по размерам. В любом случае необходимо обеспечить положение всасывающего устройства в непосредственной близости от места образования вредных веществ и возможность его автоматического перемещения вслед за изменением рабочей зоны процесса обработки.
В достижении высокой степени улавливания вредных веществ аэрогидродинамические условия играют такую же важную роль, как собственная эффективность системы фильтрации. Без них установка не даст должного эффекта очистки воздуха от вредных веществ, какой бы высокой степенью фильтрации она ни обладала. Кроме того, от степени улавливания вредных веществ существенно зависит потребление энергии установкой фильтрации. Увеличение вдвое расстояния от места обработки до места всасывания может привести к увеличению потребления энергии в восемь раз. Правильный выбор всасывающего элемента увеличивает область его эффективного использования и обеспечивает высокое качество всасывания при минимальных эксплуатационных расходах.
Что касается эффективности фильтрации фильтрационной установки, то исследования показали следующее: после прохождения через установку фильтрации выходящий наружу воздух имеет существенно меньшую концентрацию вредных частиц. Степень очистки установки фильтрации фирмы ULT со специальными, высокоэффективными фильтрующими материалами для частиц размером >34 нм составляет 100%. Исследования неожиданно показали, что и при работе УКИ-лазеров незначительная часть компонентов, подвергающихся термическому воздействию, могут появляться в выбросах в виде расплавленных частиц.
Регенерируемые патронные и дополнительные сменные фильтры
Намного критичнее для очистки воздуха – процесс отложения частиц в виде "нановаты". Причина ее появления кроется в существовании между отделенными частицами сил связи, следствием которых становится "процесс спекания". Отложение частиц сильно снижает эффективность установки фильтрации или существенно увеличивает потребление энергии. При неквалифицированном подборе фильтры попросту могут быстро оказаться заблокированными или даже полностью выйти из строя (экстремальный случай). Поэтому в установке фильтрации необходимо предусмотреть функцию автоматической очистки фильтров. Решение, предложенное инженерами фирмы ULT, состоит из комбинации патронных фильтров с автоматической очисткой и дополнительными сменными фильтрами.
Патронные фильтры работают в специальном режиме самоочистки. Дальнейшая тонкая очистка производится фильтрами типа HЕРА с очень большой площадью фильтрации. Таким образом доказано, что и при работе УКИ-лазеров можно обеспечить условия для достижения высокой энергоэффективности и снижения производственных затрат. Концентрация частиц растет не пропорционально увеличению мощности лазера. При изменении мощности лазера максимум в распределении размеров частиц незначительно смещается от 80 до 69 нм. То есть мощность лазера мало влияет на спектр частиц. Поэтому тип фильтра можно сохранить. При этом пропускная способность, размеры фильтра и устройство всасывания должны быть адаптированы к условиям процесса. Количество частиц, появляющихся в месте обработки, и их размер зависят от типа обрабатываемого материала.
Опасность появления мелкой пыли, способной проникать в легкие человека
При обработке легированной стали и кремния при частоте 200 кГц в фирме ULT были установлены сходные значения концентрации частиц. Однако при обработке керамики возникающая концентрация частиц на 80% меньше, чем при обработке легированной стали. При обработке легированной стали и керамики обнаружено появление частиц сходного по размеру спектра. При обработке же кремния появляются частицы большего размера. При обработке керамики или кремния при частоте 4000 кГц образуется сходное количество частиц, в то время как при обработке легированной стали появляется меньшее количество частиц.
Компания 3D-Micromac является одним из ведущих производителей высокоэффективных станков для лазерной микрообработки. В деле сохранения окружающей среды и здоровья человека 3D-Micromac давно и успешно сотрудничает с ULT AG. Для проведения данных исследований компания предоставила свою новую установку для лазерного структурирования (рис.4). Результаты исследования показали, что такие параметры, как частота и растояние между местом обработки и устройством всасывания, являются решающими факторами для улавливания частиц и их удаления. Тесты однозначно показали, что имеет место опасность появления частиц мелкой пыли, способных проникать в легкие человека, но она может быть предотвращена благодаря эффективному улавливанию и фильтрации таких частиц. Максимум распределения размеров частиц находится на уровне около 100 нм. Как и следовало ожидать, при увеличении мощности лазера количество частиц растет. Комбинация фильтров, разработанная фирмой ULT, состоит из самоочищающихся патронных фильтров и пакетных фильтров Н13 с большой площадью фильтрации. Устройство очень хорошо подходит для отделения частиц, образующихся при обработке легированной стали. Степень фильтрации частиц размером более 34 нм составляет почти 100%.
Безопасные процессы – чистая атмосфера
Выбор и конструкция всасывающих устройств, а также их расположение или перемещение являются решающим фактором для обеспечения безопасности процесса и чистой атмосферы. В зависимости от типа обрабатываемого материала смещается максимум размеров частиц во всем спектре. Однако это не оказывает большого влияния на конфигурацию системы фильтрации. Обработка керамики и кремния влечет за собой образование большего количества частиц, чем обработка легированной стали. Этот факт нужно учитывать при определении размеров и техническом обслуживании фильтров.
В результате проведенного исследования и полученных выводов фирмой ULT разработана конструктивная и технологическая база для оснащения лазеров ультракоротких импульсов установками фильтрации воздуха. ▪
ULT AG has always paid great attention to new developments in processing technology, especially in the future-oriented laser-processing technologies. This "looking ahead" has resulted in a series of developments, for instance in process safety in the structuring of silicon wafers in the photovoltaic industry, or, more recently, in the large-scale production of high-power battery cells.
In the case of the ultrashort-pulse laser, the question arises about the type of particles that are created through the specific ablation process and which then enter the environment. Plant operators are of course subject to the Ordinance on Hazardous Substances (GefStoffV). This stipulates that hazardous substances are to be captured directly at the point of generation and discharge, and disposed of without posing any risk to persons, machines or the environment. With the many years of experience that ULT engineers have gained in the field of hazardous substance disposal in laser-supported processing, we came to the assumption that the more focussed and high-frequency the energy used in processing is, the tinier the particulate components of an aerosol are.
A whole series of laser systems have confirmed this tendency, and require specially adapted filter systems (Fig.1) so that process, employees and the environment are not negatively impacted. Claims for damages against operators could also be prevented, though these might be justifiably asserted at future points in time. Besides protecting people from hazardous substances, pure air is also a condition for the smooth running of machines and the production of high quality products.
The investigation’s remit: toscrutinize everything closely
The goal of the investigation was to characterise the particle phase in an ultrashort-pulse laser. The question was what influence different process parameters have on particle size distribution and furthermore what concentration of released particles is exhibited at a laser structuring system – a picosecond laser. The influence of the material (stainless steel, silicon, ceramic) on the particle size distribution was also examined. The objective for the ULT engineers was to reach conclusions that would aid the construction of process-secure systems which purify air, so that ultrashort-pulse lasers can be operated in a way that is environmentally acceptable.
The investigation examined repetition rate, laser performance, distance and position of capturing equipment, separation efficiency of the filter device, and the influence of the removed material. These parameters and their influence on particle emission when processing different materials with the ultrashort-pulse laser were scrutinized closely. In so doing, the influences on particle number, concentration and distribution were determined. To carry out the investigation, the Fraunhofer IWS and the Institute of Air Handling and Refrigeration (ILK) installed a measuring structure onto an ultrashort-pulse laser, consisting of exhaust pipe, measuring path and exhaust device.
Hazardous substances have to be captured at the place they are generated
The first step taken by the experimenters was to investigate the influence of repetition rate on the particle size distribution and the number concentration of emissions during the processing of stainless steel (Fig.2). Up to a repetition rate of 500 kHz, this affects particles with a size of around 70 nanometres at medium to high number concentration, and also, demonstrably, at a frequency of 200 kHz that is usual in industry. A particle size of around 100 nanometres represents the maximum in the rising particle spectrum when processing stainless steel with the short-pulse laser (Fig.3).
Ultra-fine particles of 100 nanometres or smaller are viewed as respirable. This means that they can penetrate into alveoli. Nanoparticles can permeate through the natural barriers of the human body and can cause severe damage over a long period of time. For this reason, it is absolutely necessary to keep them out of the biosphere.
An increase by 5 cm in the distance to the emission source leads to an approximately 60 per cent lowering of particle concentration in the exhaust. An increase in the distance by a total of 20 cm leads to a lowering of 95 per cent compared to a distance of 0 cm. Therefore, the requirements for construction are that hazardous substances must be captured directly at the place where they are generated. The capturing equipment also has to follow fast-moving and changeable processing points. Depending on the application, ULT used capturing and transfer elements from the Alsident system, combined, where required, with our own specially constructed capturing elements.
Capturing the particles
The height of the vertical central axis of the intake manifold above the processing point was changed in addition to the distance. Because the scanner head was arranged near the workpiece surface, the capturing height influenced the position of the maximum particle size distribution only slightly. It had to be ensured that the capturing equipment was positioned very close to the place where the hazardous substances were generated, and if required, automatically tracked for locally changeable processes.
The flow conditions cause the achievable capture efficiency for the entire system to have the same level of importance as the actual effectiveness of the filter device. Extreme filter efficiencies remain without effect on the air pollution control unless the hazardous substances are captured at a high level. Capturing also has a fundamental influence on an exhaust system’s energy consumption. Even a doubling of the distance could lead to four times the volume flow, thus resulting in eight times the energy consumption. The correct choice of capturing element improves its range and ensures high exhaust quality while minimising running costs.
In terms of the separation efficiency of the filter device, the investigation concluded the following: after passing through the filter device, air with clearly reduced particle concentration is released on the pure gas side. The separation efficiency of the ULT filter device with specific high-performance filter materials for particles >34 nm is almost 100 per cent. Surprisingly, the tests also show that during the operating process of short-pulse lasers, small proportions of thermally-influenced components can appear in the form of molten particles.
Regenerable cartridge filters and downstream storage filters
Much more critical when it comes to air cleaning, is the depositing of particles in the form of a "nano wool". This is caused by the binding force of removed particles to one another that leads to a "cohesive sintering process". The deposits quickly reduce the efficiency of the exhaust system and significantly increase energy requirements. The filters can become clogged if selected incorrectly, and in extreme cases, they may even become breached. For this reason, the filter system has to demonstrate a self-cleaning function. The solution by the ULT engineers was to combine regenerable cartridge filters and downstream storage filters.
The cartridge filter has a special automatic self-cleaning regime. The subsequent fine cleaning is done using Hepa filters with very large surfaces. In this way, even for ultrashort-pulse processes, basic energy efficiency can be maintained and operating costs reduced. When laser performance increases, the particle concentration does not rise to the same degree. The maximum particle size distribution shifts slightly across the different performance ranges from 80 to 69 nm. The influence of laser performance on the particle distribution therefore has little meaning. The type of filter does not need to be changed. Naturally, the capacity and size of the filter, as well as the device for capturing particles, have to be adapted to the process conditions. The number of particles released at the processing location and their size depend on the material.
Danger of the emission of respirable fine dust particles
At a repetition rate of 200 kHz, ULT discovered similar concentration levels during the processing of stainless steel and silicon. In contrast, when ceramic was being processed, an 80 per cent smaller particle concentration occurred compared with stainless steel processing. When stainless steel and ceramic are processed, particles of a similar size spectrum are released. Conversely, larger particles are discovered when silicon is processed. At a repetition rate of 4,000 kHz, ceramic and silicon processing releases a similar number of particles, while for stainless steel, less particles are generated.
3D-Micromac AG is a leading manufacturer of highly-efficient machines for laser micro-processing. To ensure the environmental and health compatibility of the process, 3D-Micromac has been working successfully with ULT AG for a long time. For these investigations they allowed us use their new ultrashort-pulse laser structuring system (Fig.4). The results have shown that the parameter repetition rate and distance between capturing device and processing location are the decisive factors for the emission of particles and their removal. The tests clearly show that while the danger of the emission of respirable fine dust particles does exist, effective capture and filtration prevents this. The maximum particle size distribution lies at around 100 nm. With increasing laser performance, the number of particles rises as expected. The filter combination of cleanable cartridge filter and large surface area H13 pocket filters is very suitable for separating particles that are released during the processing of stainless steel. The separation efficiency for particles >34 nm is almost 100 per cent.
Safe process – clean atmosphere
Selection and construction of the capturing devices, as well as how they are mounted or tracked, are decisive when it comes to achieving a safe process and a clean atmosphere. Depending on the type of material being processed, the maximum particle sizes differ in the spectrum of the complete particle, which nonetheless has little influence on the configuration of the filter device. Processing ceramic and silicon allows a larger particle number to be generated than stainless steel, which should be taken into account during the measuring and servicing of the filters.
With the results of the investigations and the conclusions regarding construction, ULT have made a technical advance towards the safe equipping of short-pulse laser systems with air cleaning systems. ▪
Специалисты очень внимательно следят за появлением новых технологий, особенно в области перспективных технологий лазерной обработки, прогнозируя появление возможных загрязнений. Результатом такого "взгляда в будущее" стал целый ряд разработок для обеспечения безопасности процессов создания структур кремниевых пластин для солнечных батарей или промышленного производства высокоэффективных аккумуляторных батарей.
В связи с использованием УКИ-лазера возникает вопрос о характере загрязнений, которые образуются при процессе абляции и попадают в окружающую среду. Эксплуатация подобного оборудования подпадает под действие закона об опасных веществах. Этот закон требует, чтобы опасные вещества улавливались непосредственно на месте их возникновения и утилизировались без нанесения ущерба человеку, оборудованию и окружающей среде. Многолетний опыт инженеров фирмы ULT в области удаления опасных веществ, образующихся при лазерной обработке различных материалов, позволяет сделать следующее предположение. Чем более сфокусировано излучение и чем выше частота импульсов, используемая в процессе обработки, тем меньше размер отдельных частичек, образующих аэрозоли.
Эта тенденция нашла подтверждение в целом ряде лазерных устройств. Соответственно, они требуют применения специальных систем фильтрации (рис.1), чтобы исключить негативное воздействие на процесс, персонал и окружающую среду. Еще одна цель фильтрации ‒ исключить возможность появления претензий к производителям о возмещении ущерба от эксплуатации лазера. Такие претензии могут возникнуть при известных обстоятельствах.
Исследовательское задание: подробное рассмотрение всех деталей
Цель проводимых исследований – получить спектр частиц, возникающих при работе УКИ-лазера, с тем, чтобы определить их размеры. При планировании эксперимента внимание было сфокусировано на том, чтобы определить влияние различных рабочих параметров процесса на распределение частиц по размерам. Другая задача исследования – определить, какая концентрация свободных частиц возникает при работе лазерной установки для структурирования на основе пикосекундного лазера. При этом исследователей интересовало, какое влияние на распределение размеров частиц оказывает состав обрабатываемого материала (легированная сталь, кремний, керамика). Задача инженеров фирмы ULT заключалась в разработке рекомендаций для проектирования установок фильтрации воздуха, которые могли бы обеспечить высокий уровень защиты окружающей среды при работе УКИ-лазеров.
Частота, мощность лазера, удаление от рабочей зоны и позиция устройства всасывания, эффективность системы фильтрации и влияние снятого материала являлись объектами исследования. Были подробнейшим образом изучены параметры и их влияние на появление частиц при обработке различных материалов УКИ-лазером. При этом за определяющие параметры влияния принимали количество, концентрацию и распределение частиц. Для проведения совместных исследований Институт Фрауенхофера по технологии материалов и технологии струйной обработки (IWS) и Институт по технологии вентиляции и холодильной техники (ILK) использовали измерительный стенд, состоящий из всасывающего патрубка, измерительного участка и установки фильтрации LAS 200 на одном из УКИ-лазеров.
Опасные вещества надо улавливать непосредственно на месте их возникновения
На первом этапе исследования экспериментаторы проанализировали влияние частоты импульсов на распределение частиц по размерам и на количественную концентрацию выбросов при обработке легированной стали (рис.2). При частоте до 500 кГц отмечено появление частиц размером около 70 нм со средней или высокой количественной концентрацией. Такая же картина характерна для частоты 200 кГц, обычно используемой в промышленности. Максимальный размер частиц при обработке УКИ-лазером легированной стали – около 100 нм (см.рис.3).
Специалисты считают, что сверхмалые частицы размером около 100 нм и меньше проникают в легочные альвеолы, поэтому они получили соответствующее название – "проникающие в легкие человека". Такие наночастицы могут преодолевать естественные барьеры человеческого тела и способны нанести большой ущерб организму. Поэтому их необходимо удерживать вне биологической сферы.
Увеличивая расстояние от места образования загрязнений, специалисты получили следующие результаты. Увеличение на 5 см ведет к снижению концентрации вредных частиц в выбросах приблизительно на 60%; увеличение расстояния на 20 см снижает концентрацию вредных частиц на 95%. Согласно полученным данным, были выработаны рекомендации для конструкторов: вредные выбросы должны быть пойманы непосредственно на месте их возникновения. Имеется в виду, что даже при быстром перемещении точек обработки или обрабатываемых поверхностей всасывающие элементы должны перемещаться вместе с ними. Для каждого конкретного случая ULT использует всасывающие и передающие элементы системы Alsident. При необходимости эти элементы используются в комплексе со специально разработанными и изготовленными элементами всасывания.
Улавливание частиц
Кроме варьирования расстояния до места образования загрязнений при эксперименте изменялась также высота всасывающего патрубка по вертикальной оси над местом обработки. Так как сканирующая головка располагалась вблизи обрабатываемой поверхности, то высота всасывания незначительно влияла на сдвиг максимума в распределении частиц по размерам. В любом случае необходимо обеспечить положение всасывающего устройства в непосредственной близости от места образования вредных веществ и возможность его автоматического перемещения вслед за изменением рабочей зоны процесса обработки.
В достижении высокой степени улавливания вредных веществ аэрогидродинамические условия играют такую же важную роль, как собственная эффективность системы фильтрации. Без них установка не даст должного эффекта очистки воздуха от вредных веществ, какой бы высокой степенью фильтрации она ни обладала. Кроме того, от степени улавливания вредных веществ существенно зависит потребление энергии установкой фильтрации. Увеличение вдвое расстояния от места обработки до места всасывания может привести к увеличению потребления энергии в восемь раз. Правильный выбор всасывающего элемента увеличивает область его эффективного использования и обеспечивает высокое качество всасывания при минимальных эксплуатационных расходах.
Что касается эффективности фильтрации фильтрационной установки, то исследования показали следующее: после прохождения через установку фильтрации выходящий наружу воздух имеет существенно меньшую концентрацию вредных частиц. Степень очистки установки фильтрации фирмы ULT со специальными, высокоэффективными фильтрующими материалами для частиц размером >34 нм составляет 100%. Исследования неожиданно показали, что и при работе УКИ-лазеров незначительная часть компонентов, подвергающихся термическому воздействию, могут появляться в выбросах в виде расплавленных частиц.
Регенерируемые патронные и дополнительные сменные фильтры
Намного критичнее для очистки воздуха – процесс отложения частиц в виде "нановаты". Причина ее появления кроется в существовании между отделенными частицами сил связи, следствием которых становится "процесс спекания". Отложение частиц сильно снижает эффективность установки фильтрации или существенно увеличивает потребление энергии. При неквалифицированном подборе фильтры попросту могут быстро оказаться заблокированными или даже полностью выйти из строя (экстремальный случай). Поэтому в установке фильтрации необходимо предусмотреть функцию автоматической очистки фильтров. Решение, предложенное инженерами фирмы ULT, состоит из комбинации патронных фильтров с автоматической очисткой и дополнительными сменными фильтрами.
Патронные фильтры работают в специальном режиме самоочистки. Дальнейшая тонкая очистка производится фильтрами типа HЕРА с очень большой площадью фильтрации. Таким образом доказано, что и при работе УКИ-лазеров можно обеспечить условия для достижения высокой энергоэффективности и снижения производственных затрат. Концентрация частиц растет не пропорционально увеличению мощности лазера. При изменении мощности лазера максимум в распределении размеров частиц незначительно смещается от 80 до 69 нм. То есть мощность лазера мало влияет на спектр частиц. Поэтому тип фильтра можно сохранить. При этом пропускная способность, размеры фильтра и устройство всасывания должны быть адаптированы к условиям процесса. Количество частиц, появляющихся в месте обработки, и их размер зависят от типа обрабатываемого материала.
Опасность появления мелкой пыли, способной проникать в легкие человека
При обработке легированной стали и кремния при частоте 200 кГц в фирме ULT были установлены сходные значения концентрации частиц. Однако при обработке керамики возникающая концентрация частиц на 80% меньше, чем при обработке легированной стали. При обработке легированной стали и керамики обнаружено появление частиц сходного по размеру спектра. При обработке же кремния появляются частицы большего размера. При обработке керамики или кремния при частоте 4000 кГц образуется сходное количество частиц, в то время как при обработке легированной стали появляется меньшее количество частиц.
Компания 3D-Micromac является одним из ведущих производителей высокоэффективных станков для лазерной микрообработки. В деле сохранения окружающей среды и здоровья человека 3D-Micromac давно и успешно сотрудничает с ULT AG. Для проведения данных исследований компания предоставила свою новую установку для лазерного структурирования (рис.4). Результаты исследования показали, что такие параметры, как частота и растояние между местом обработки и устройством всасывания, являются решающими факторами для улавливания частиц и их удаления. Тесты однозначно показали, что имеет место опасность появления частиц мелкой пыли, способных проникать в легкие человека, но она может быть предотвращена благодаря эффективному улавливанию и фильтрации таких частиц. Максимум распределения размеров частиц находится на уровне около 100 нм. Как и следовало ожидать, при увеличении мощности лазера количество частиц растет. Комбинация фильтров, разработанная фирмой ULT, состоит из самоочищающихся патронных фильтров и пакетных фильтров Н13 с большой площадью фильтрации. Устройство очень хорошо подходит для отделения частиц, образующихся при обработке легированной стали. Степень фильтрации частиц размером более 34 нм составляет почти 100%.
Безопасные процессы – чистая атмосфера
Выбор и конструкция всасывающих устройств, а также их расположение или перемещение являются решающим фактором для обеспечения безопасности процесса и чистой атмосферы. В зависимости от типа обрабатываемого материала смещается максимум размеров частиц во всем спектре. Однако это не оказывает большого влияния на конфигурацию системы фильтрации. Обработка керамики и кремния влечет за собой образование большего количества частиц, чем обработка легированной стали. Этот факт нужно учитывать при определении размеров и техническом обслуживании фильтров.
В результате проведенного исследования и полученных выводов фирмой ULT разработана конструктивная и технологическая база для оснащения лазеров ультракоротких импульсов установками фильтрации воздуха. ▪
ULT AG has always paid great attention to new developments in processing technology, especially in the future-oriented laser-processing technologies. This "looking ahead" has resulted in a series of developments, for instance in process safety in the structuring of silicon wafers in the photovoltaic industry, or, more recently, in the large-scale production of high-power battery cells.
In the case of the ultrashort-pulse laser, the question arises about the type of particles that are created through the specific ablation process and which then enter the environment. Plant operators are of course subject to the Ordinance on Hazardous Substances (GefStoffV). This stipulates that hazardous substances are to be captured directly at the point of generation and discharge, and disposed of without posing any risk to persons, machines or the environment. With the many years of experience that ULT engineers have gained in the field of hazardous substance disposal in laser-supported processing, we came to the assumption that the more focussed and high-frequency the energy used in processing is, the tinier the particulate components of an aerosol are.
A whole series of laser systems have confirmed this tendency, and require specially adapted filter systems (Fig.1) so that process, employees and the environment are not negatively impacted. Claims for damages against operators could also be prevented, though these might be justifiably asserted at future points in time. Besides protecting people from hazardous substances, pure air is also a condition for the smooth running of machines and the production of high quality products.
The investigation’s remit: toscrutinize everything closely
The goal of the investigation was to characterise the particle phase in an ultrashort-pulse laser. The question was what influence different process parameters have on particle size distribution and furthermore what concentration of released particles is exhibited at a laser structuring system – a picosecond laser. The influence of the material (stainless steel, silicon, ceramic) on the particle size distribution was also examined. The objective for the ULT engineers was to reach conclusions that would aid the construction of process-secure systems which purify air, so that ultrashort-pulse lasers can be operated in a way that is environmentally acceptable.
The investigation examined repetition rate, laser performance, distance and position of capturing equipment, separation efficiency of the filter device, and the influence of the removed material. These parameters and their influence on particle emission when processing different materials with the ultrashort-pulse laser were scrutinized closely. In so doing, the influences on particle number, concentration and distribution were determined. To carry out the investigation, the Fraunhofer IWS and the Institute of Air Handling and Refrigeration (ILK) installed a measuring structure onto an ultrashort-pulse laser, consisting of exhaust pipe, measuring path and exhaust device.
Hazardous substances have to be captured at the place they are generated
The first step taken by the experimenters was to investigate the influence of repetition rate on the particle size distribution and the number concentration of emissions during the processing of stainless steel (Fig.2). Up to a repetition rate of 500 kHz, this affects particles with a size of around 70 nanometres at medium to high number concentration, and also, demonstrably, at a frequency of 200 kHz that is usual in industry. A particle size of around 100 nanometres represents the maximum in the rising particle spectrum when processing stainless steel with the short-pulse laser (Fig.3).
Ultra-fine particles of 100 nanometres or smaller are viewed as respirable. This means that they can penetrate into alveoli. Nanoparticles can permeate through the natural barriers of the human body and can cause severe damage over a long period of time. For this reason, it is absolutely necessary to keep them out of the biosphere.
An increase by 5 cm in the distance to the emission source leads to an approximately 60 per cent lowering of particle concentration in the exhaust. An increase in the distance by a total of 20 cm leads to a lowering of 95 per cent compared to a distance of 0 cm. Therefore, the requirements for construction are that hazardous substances must be captured directly at the place where they are generated. The capturing equipment also has to follow fast-moving and changeable processing points. Depending on the application, ULT used capturing and transfer elements from the Alsident system, combined, where required, with our own specially constructed capturing elements.
Capturing the particles
The height of the vertical central axis of the intake manifold above the processing point was changed in addition to the distance. Because the scanner head was arranged near the workpiece surface, the capturing height influenced the position of the maximum particle size distribution only slightly. It had to be ensured that the capturing equipment was positioned very close to the place where the hazardous substances were generated, and if required, automatically tracked for locally changeable processes.
The flow conditions cause the achievable capture efficiency for the entire system to have the same level of importance as the actual effectiveness of the filter device. Extreme filter efficiencies remain without effect on the air pollution control unless the hazardous substances are captured at a high level. Capturing also has a fundamental influence on an exhaust system’s energy consumption. Even a doubling of the distance could lead to four times the volume flow, thus resulting in eight times the energy consumption. The correct choice of capturing element improves its range and ensures high exhaust quality while minimising running costs.
In terms of the separation efficiency of the filter device, the investigation concluded the following: after passing through the filter device, air with clearly reduced particle concentration is released on the pure gas side. The separation efficiency of the ULT filter device with specific high-performance filter materials for particles >34 nm is almost 100 per cent. Surprisingly, the tests also show that during the operating process of short-pulse lasers, small proportions of thermally-influenced components can appear in the form of molten particles.
Regenerable cartridge filters and downstream storage filters
Much more critical when it comes to air cleaning, is the depositing of particles in the form of a "nano wool". This is caused by the binding force of removed particles to one another that leads to a "cohesive sintering process". The deposits quickly reduce the efficiency of the exhaust system and significantly increase energy requirements. The filters can become clogged if selected incorrectly, and in extreme cases, they may even become breached. For this reason, the filter system has to demonstrate a self-cleaning function. The solution by the ULT engineers was to combine regenerable cartridge filters and downstream storage filters.
The cartridge filter has a special automatic self-cleaning regime. The subsequent fine cleaning is done using Hepa filters with very large surfaces. In this way, even for ultrashort-pulse processes, basic energy efficiency can be maintained and operating costs reduced. When laser performance increases, the particle concentration does not rise to the same degree. The maximum particle size distribution shifts slightly across the different performance ranges from 80 to 69 nm. The influence of laser performance on the particle distribution therefore has little meaning. The type of filter does not need to be changed. Naturally, the capacity and size of the filter, as well as the device for capturing particles, have to be adapted to the process conditions. The number of particles released at the processing location and their size depend on the material.
Danger of the emission of respirable fine dust particles
At a repetition rate of 200 kHz, ULT discovered similar concentration levels during the processing of stainless steel and silicon. In contrast, when ceramic was being processed, an 80 per cent smaller particle concentration occurred compared with stainless steel processing. When stainless steel and ceramic are processed, particles of a similar size spectrum are released. Conversely, larger particles are discovered when silicon is processed. At a repetition rate of 4,000 kHz, ceramic and silicon processing releases a similar number of particles, while for stainless steel, less particles are generated.
3D-Micromac AG is a leading manufacturer of highly-efficient machines for laser micro-processing. To ensure the environmental and health compatibility of the process, 3D-Micromac has been working successfully with ULT AG for a long time. For these investigations they allowed us use their new ultrashort-pulse laser structuring system (Fig.4). The results have shown that the parameter repetition rate and distance between capturing device and processing location are the decisive factors for the emission of particles and their removal. The tests clearly show that while the danger of the emission of respirable fine dust particles does exist, effective capture and filtration prevents this. The maximum particle size distribution lies at around 100 nm. With increasing laser performance, the number of particles rises as expected. The filter combination of cleanable cartridge filter and large surface area H13 pocket filters is very suitable for separating particles that are released during the processing of stainless steel. The separation efficiency for particles >34 nm is almost 100 per cent.
Safe process – clean atmosphere
Selection and construction of the capturing devices, as well as how they are mounted or tracked, are decisive when it comes to achieving a safe process and a clean atmosphere. Depending on the type of material being processed, the maximum particle sizes differ in the spectrum of the complete particle, which nonetheless has little influence on the configuration of the filter device. Processing ceramic and silicon allows a larger particle number to be generated than stainless steel, which should be taken into account during the measuring and servicing of the filters.
With the results of the investigations and the conclusions regarding construction, ULT have made a technical advance towards the safe equipping of short-pulse laser systems with air cleaning systems. ▪
Отзывы читателей
