DE102005061401A1

DE102005061401A1 - Verfahren zur Mikrostrukturierung einer Oberfläche eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102005061401A1
Application number: DE200510061401
Authority: DE
Inventors: Uwe Iben; Martin Voss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-06-28

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Mikrostrukturierung einer Oberfläche (1) eines Werkstückes (5) mittels eines Materialstrahls vorgeschlagen, wobei der Materialstrahl ein Wasserstrahl (10) ist und der Wasserstrahl (10) auf die Oberfläche (1) des Werkstücks (5) gerichtet und dadurch die Oberfläche (1) modifiziert wird. Bei Bedarf kann der Wasserstrahl (10) Abrasionsstoffe oder Luftblasen enthalten. Auch ist es möglich, dass der Wasserstrahl (10) gepulst wird.

Description

Stand der Technik
Es besteht bei der Herstellung von bestimmten Werkstücken der Bedarf, Oberflächen dieser Werkstücke derart zu bearbeiten, dass diese nach der Bearbeitung Mikrostrukturen aufweisen. So werden beispielsweise an Oberflächen von Bauteilen, die tribologisch besonders beansprucht werden, durch gezielte Verfahren Mikrostukturen gebildet, um Reibung und Verschleiß der Bauteile maßgeblich zu beeinflussen.

Eine bekannte Möglichkeit zur Erzeugung der Mikrostrukturen besteht darin, die Oberfläche eines Werkstückes mittels eines Laserstrahls aufzuschmelzen. In DE-42 24 282 A1 wird zur Mikrostukturierung einer Glasoberfläche vorgeschlagen, die Glasoberfläche mit einem gepulsten Laserstrahl zu bestrahlen. Ein Festkörper-Laser erzeugt dabei einen feinen Laserstrahl, der auf die Oberfläche des zu strukturierenden Werkstückes fokussiert wird und mit solch einer Wärme auf die fokussierte Stelle einwirkt, dass das Werkstück an der Stelle schmilzt. Die so erzeugten Strukturen können gemäß der Lehre eine Breite bis herunter zu 10 μm aufweisen. Wenn Strukturen im Mikrobereich durch Aufschmelzen des Werkstoffes gebildet werden, ist es aber grundsätzlich nachteilig, dass gleichzeitig Aufwürfe an den Rändern der Mikrostrukturen entstehen. Sind diese Aufwürfe nicht mehr vernachlässigbar klein, müssen sie in einem separaten Arbeitsschritt entfernt werden. Zudem entsteht eine thermische Belastung der Oberfläche, die allgemein nicht erwünscht ist.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Mikrostrukturen auf Oberflächen eines Werkstückes besteht darin, in die Oberflächen Aussparungen mittels einer erzwungenen Kavitation einzubringen. Unter einer Kavitation wird die Bildung von Dampfblasen in Flüssigkeiten verstanden. Die Dampfblasen entstehen bevorzugt bei einem niedrigen Druck. Durch den niedrigen Druck nimmt wie bekannt die Siedetemperatur einer Flüssigkeit ab. Sinkt dabei die Siedetemperatur so weit ab, dass sie unter der aktuell gegebenen Temperatur der Flüssigkeit liegt, entstehen die oben genannten Dampfblasen. Steigt der Druck wieder an, so zerfallen, d. h. implodieren oder kollabieren diese Blasen wieder in sich zusammen. Das Kollabieren der Blasen verursacht eine enorme Druckwelle, die auch Flüssigkeitsstöße oder Mikrojets genannt werden. Werkstücke, die diesen Druckwellen ausgesetzt sind, halten den hohen Druckbelastungen nicht stand und ihre Oberflächen werden dadurch verändert.

In DE-103 14 447 A1 wird ein auf dem oben beschriebenen Effekt basierendes Verfahren eingesetzt, um einen Materialabtrag an Oberflächen von Werkstücken herbeizuführen und so die Mikrostrukturierung zu erzielen. Diese Vorgehensweise der Mikrostrukturierung mittels einer erzwungenen Kavitation weist aber den Nachteil auf, dass das zu bearbeitende Werkstück in einem mit einem Kavitationsmedium, typischerweise Wasser, befüllten Behälter angeordnet werden muss.

Weiter wird in DE-42 27 237 A1 ein Verfahren zur Agglomeratstrahl-Lithographe beschrieben, bei dem ein Strahl beschleunigter Agglomerate von Atomen oder Molekülen (Cluster) auf eine zu bearbeitende Oberfläche eines Werkstücks beschossen wird. Es ist dabei vorgesehen, dass der Strahl ionisiert und elektrisch beschleunigt wird, eine perforierte Maske durchsetzt und schließlich die Oberfläche an den nicht maskierten Bereichen modifiziert. Der Strahl besteht aus gasförmigen Materialien. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass eine Vorrichtung zur Ionisierung und Beschleunigung von gasförmigen Materialien notwendig ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von Oberflächen eines Werkstückes bereit zu stellen, das die geschilderten Nachteile beseitigt oder zumindest reduziert. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.

Offenbarung der Erfindung

Das Verfahren zur Mikrostrukturierung von Oberflächen eines Werkstückes mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mehrere Vorteile: Es entstehen keine oder nur vernachlässigbare Aufwürfe an den Rändern der erzeugten Mikrostrukturen. Zudem erleidet das zu bearbeitende Werkstück keine starke thermische Belastung, und braucht gleichzeitig nicht in einem Behälter mit einem Kavitationsmedium angeordnet zu werden. Erreicht werden diese Vorteile durch Bestrahlen der Oberfläche mit einem Wasserstrahl.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass dem Wasserstrahl kleinste Partikeln als Abbrasionsstoffe hinzugefügt werden. Dadurch können die Eigenschaften der zu erzeugenden Mikrostrukturen in gewünschter Weise beeinflusst werden.

Alternativ oder zusätzlich zu Abbrasionsstoffen ist in einer weiteren Weiterbildung vorgesehen, dem Wasserstrahl Luftblasen hinzuzufügen. Auch dadurch ist es möglich, Eigenschaften der zu erzeugenden Mikrostrukturen zu beeinflussen.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

Die 1 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Mikrostrukrierung einer Oberfläche eines Werkstückes mittels eines Wasserstrahls.

Zur Mikrostrukrierung einer Oberfläche 1 eines Werkstückes 5, in 1 ein Kolben, wird anstatt eines Laserstrahls ein Materialstrahl verwendet. Als Materialstrahl wird ein Wasserstrahl 10 aus einer Wasserstrahlquelle 15 eingestzt. Der Wasserstrahl 10 wird auf die Oberfläche 1 des Werkstücks 5 gerichtet, wodurch die Oberfläche 1 modifiziert wird. In experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass Wasserstrahlen geeignet sind, um Mikrostrukturen 20 auf Oberflächen 1 von Werkstücken 5 hervorzurufen. Vorteilhaft entstehen dabei keine oder nur vernachlässigbare Aufwürfe an den Rändern der Mikrostrukturen 20, da die Strukturen im vorgeschlagenen Verfahren nicht durch Aufschmelzen der Oberfläche 1 gebildet werden wie beispelsweise bei einer Laserbearbeitung.
Der Wasserstrahl 10 sollte bevorzugt aus einer Wasserstrahlquelle 15 mit einem Druck von 2000 bis 4000 bar geliefert werden. Dafür ist es geeignet, wenn die Wasserstrahlquelle 15 beispielsweise eine Saphierdüse aufweist. Der Druck in der Düse wird in kinetische Energie des Wasserstrahls 10 umgewandelt. Grundsätzlich ist auch darauf zu achten, dass die Verweildauer des Wasserstrahls 10 den Materialabtrag an der Oberfläche 1 beeinflusst.
Weiter ist eine Wasserstrahlquelle 15 mit Wasserstrahlschwenkköpfen zur Erhöhung der Genauigkeit der zu erzeugenden Mikrostrukturen 20 vorteilhaft. Damit kann eine Genauigkeit der Bearbeitungslänge von bis zu 0,02 mm oder gar 0,005 mm erreicht werden. Als Wasserstrahlquellen 15 können kommerziell erhältliche Wasserstrahlschneideanlagen bereitgestellt werden, die üblicherweise zum Schneiden, also Trennen von Werkstücken, vorgesehen sind.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens werden bei Bedarf dem Wasserstrahl 10 Festkörper-Partikel als Abbrasionsstoffe hinzugefügt. Geeignete Partikel sind beispielsweise Karbide, insbesondere Borkarbid oder Siliziumkarbid. Vorteilhafterweise werden Partikel mit einer definierten Größenverteilung eingesetzt. Typische Korngrößen liegen dabei zwischen 1 μm und 30 μm. Alternativ oder zusätzlich zu Festkörper-Partikeln können dem Wasserstrahl 10 kleinste Luftblasen hinzugefügt werden. Diese kollabieren an der zu bearbeitenden Oberfläche 1 und beeinflussen dabei die Eigenschaften wie Grösse und Form der Mikrostrukturen 20.
Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der zu erzeugenden Mikrostrukturen 20 besteht darin, den Wasserstrahl 10 zu pulsen. Insbesondere bietet sich diese Möglichkeit an, wenn inhomogene Mikrostrukturen 20 erzeugt werden sollen.
Zusammenfassend bietet das vorgeschlagende Verfahren eine technisch überzeugende Möglichkeit, Mikrostrukturen 20 an Werkstückoberflächen gezielt zu erzeugen. Mikrostrukturen 20 können durch Aussparungen im mikroskopischen Bereich realisiert sein. Bestehende Nachteile der bisher bekannten Techniken werden auf eine einfache Weise überwunden. Die so erzeugten mikroskopischen Rauheiten können insbesondere Reibung und Verschleiß an Bauteilen maßgeblich beeinflussen. Insbesondere können die Mikrostrukturen 20 durch Ausheben von kleinen Taschen an der Werkstoffoberfläche realisiert werden. Diese Mikrotaschen dienen dann als Reservoirs für Schmiermittel, woraus eine Reibungsminderung resultiert. Es entstehen also Oberflächen 1 mit Schmiertaschen. Das Verfahren ist dabei grundsätzlich an allen Werkstücken 5 wie Kolben- oder Zylinderoberflächen, einschließlich Bauteile aus der Kraftfahrzeug-Industrie, einsetzbar.

Claims

Verfahren zur Mikrostrukrierung einer Oberfläche (1) eines Werkstückes (5) mittels eines Materialstrahls, der auf die Oberfläche (1) des Werkstücks (5) gerichtet wird und dadurch die Oberfläche (1) modifiziert, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialstrahl ein Wasserstrahl (10) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasserstrahl (10) Festkörper-Partikel als Abbrasionsstoffe hinzugefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Festkörper-Partikel mit einer Korngröße von 1 bis 30 μm eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Abbrasionsstoffe Karbide wie Bor- oder Siliziumkarbid eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasserstrahl (10) Luftblasen hinzugefügt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstrahl (10) gepulst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstrahl (10) aus einer Wasserstrahlquelle (15) mit einem Druck von 2000 bis 4000 bar geliefert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserstrahlquelle (15) eine Saphirdüse eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserstrahlquelle (15) ein Wasserstrahlschwenkkopf eingesetzt wird.