DE102011079815A1

DE102011079815A1 - Schutzvorrichtung zur Laserbearbeitung von Löchern in Bauteilen

Info

Publication number: DE102011079815A1
Application number: DE201110079815
Authority: DE
Inventors: Thorsten Bauer; Ulrich Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-01-31
Also published as: WO2013013909A1; CN103717345A; EP2736671A1; CN103717345B; US20140224779A1; BR112014001612A2; JP2014524842A; US9457430B2; JP5919378B2

Abstract

ung (1) zur Laserbearbeitung von Löchern (3) in wenigstens einem Bauteil (2) mittels eines Laserstrahls (5), wobei die Schutzvorrichtung (1) in Strahlrichtung hinter dem strahlaustrittsseitigen Ende (8) eines zu bearbeitenden Lochs (3) in der Bauteilwandung (10) positionierbar ist, um einen daran angrenzenden Rückraum mit einer dem Loch (3) gegenüberliegenden Bauteilwandung (119 des Bauteils (2) gegenüber dem einfallenden Laserstrahl zu schützen. Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung (1) ist aus einem Verbund aus einer Matrix aus Polyetheretherketon-Kunststoff und darin eingebetteten Fasern gebildet, wobei die Fasern so eingebettet sind, dass sie bezüglich ihrer jeweiligen Fasererstreckungsrichtung in dem Kunststoff kreuz und quer zueinander verlaufen und in dem Volumen des Kunststoffs der Schutzvorrichtung (1) mit etwa gleichmäßiger Dichte verteilt sind. Die Fasern sind als Glas- oder Carbonfasern zum Aufspalten des in den Verbund eindringenden Laserstrahls (5) und dessen Energiedichtereduzierung ausgeführt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Schutzvorrichtung zur Laserbearbeitung von Löchern in wenigstens einem Bauteil mittels Laserstrahlung, wobei die Schutzvorrichtung am strahlaustrittsseitigen Ende eines zu bearbeitenden Lochs positionierbar ist, um einen daran angrenzenden Rückraum des Bauteils gegenüber der Laserstrahlung zu schützen, nach der Gattung des Patentanspruchs 1. Ferner geht die Erfindung von einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils wie einer Düse, insbesondere eines Injektors, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung sowie von einem Verfahren zur Herstellung eines Injektors unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung aus.
In der industriellen Materialbearbeitung, insbesondere zum Bohren von Löchern wie z.B. Durchgangslöchern oder Sacklöchern in Bauteilen bzw. Werkstücken werden immer häufiger gepulste Hochleistungslaser eingesetzt, durch deren Einsatz sich gegenüber konventionellen mechanischen Zerspanungstechniken eine höhere Präzision der Bearbeitung und eine kürzere Bearbeitungszeit erzielen lassen. Ein Problem beim Laserbohren von Löchern besteht darin, dass der beim Bohren eines Lochs bei Beendigung des Laserbohrvorgangs an der Bohrlochrückseite austretende Laserstrahl abgeschirmt bzw. blockiert werden muss, um die der Bohrlochrückseite gegenüberliegende Bauteilwand gegen unerwünschte Beschädigungen durch den Laserstrahl zu schützen. Dieses Problem stellt sich insbesondere dann, wenn es sich bei den mittels Laserstrahlung zu bearbeitenden Bauteilen beispielsweise um Einspritzdüsen oder Dieseldüsen o. dgl. zur Verwendung in der Automobiltechnik handelt. Eine derartige Einspritzdüse weist einen im wesentlichen hohlzylindrischen Düsenkörper auf mit einer Düsenkuppe, in deren Kuppenwandung mehrere Spritzlöcher vorzusehen bzw. auszubohren sind, um bei späterem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Düse den Kraftstoff durch diese Spritzlöcher in den Motorbrennraum zu verteilen bzw. zu zerstäuben. Da derartige Einspritzdüsen bezüglich ihrer Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet sind, wird üblicherweise beim Stand der Technik zum Laserbohren eines Spritzlochs in der Düsenkuppe innerhalb des Hohlraums, der in der Düsenkuppe ausgebildet sind, eine aus metallischem oder keramischem Werkstoff gebildete Schutzvorrichtung für die Bearbeitungsdauer des Laserbohrens eingesetzt, die auch als sog. Backing-Material bezeichnet wird und dazu dient, den aus dem in der Wandung der Düsenkuppe lasergebohrten Bohrloch an der Bohrlochrückseite austretenden Laserstrahl zu blockieren bzw. zu absorbieren, um eine Beschädigung der gegenüberliegenden Wandung der Düsenkuppe zu verhindern.
Nachteilig bei derartigen Schutzvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik ist, dass die dazu verwendeten metallischen oder keramischen Werkstoffe bei der Laserbearbeitung durch Hochleistungslaser mit ultrakurzen Laserpulsen der aus der Bohrlochrückseite austretenden und auf die Schutzvorrichtung auftreffenden Laserstrahlung nicht standhalten und somit ihre Schutzfunktion nicht erfüllen können. Dazu zeigt 2 eine herkömmliche Schutzvorrichtung 1, welche bei bestimmungsgemäßem Gebrauch im Hohlraum 6 einer Dieseldüse 2 von einem aus der Bohrlochrückseite austretenden Laserstrahl verursachte Durchschlagslöcher 7 aufweist und somit keine Rückraumschutzfunktion mehr besitzt. 3 zeigt exemplarisch eine Dieseldüse 2 nach Versagen der herkömmlichen Schutzvorrichtung 1, wobei die linksseitige Wandung des Düsenkörpers ein mittels Laserstrahlung ausgebohrtes Spritzbohrloch 3 aufweist und die rechtsseitige Wandung, welche der Rückseite des Spritzbohrlochs gegenüberliegt, aufgrund des Versagens der Schutzvorrichtung 1 von 2 eine Beschädigung 13 in Form eines Durchschusses durch den Laserstrahl trotz während der Laserbearbeitung eingesetzter Schutzvorrichtung 1 aufweist.
Vorteile der Erfindung
Die Schutzvorrichtung mit dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Laserstrahlung, die an der Bohrlochaustrittsseite eines zu bearbeitenden Bauteils bzw. Werkstücks austritt, aufgrund der erfindungsgemäßen Verbundstruktur der bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in Laserstrahlrichtung hinter der Bohrlochaustrittsseite angeordneten Schutzvorrichtung absorbiert wird, so dass die der Bohrlochaustrittsseite gegenüberliegende Wandung des Bauteils gegen ungewollte Beschädigung durch einen sich ansonsten ungehindert weiter ausbreitenden Laserstrahl geschützt wird. Indem nämlich die Verbundstruktur der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung aus in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Fasern gebildet wird, wird der in die Schutzvorrichtung eindringende Laserstrahl durch die in der Kunststoffmatrix verteilten Fasern aufgespalten, wobei die Energiedichte des Laserstrahls abgeschwächt bzw. reduziert wird, und absorbiert, im Unterschied zu herkömmlichen Schutzvorrichtungen aus Metall oder Keramik, bei denen der eindringende Laserstrahl keine derartige Aufspaltung erfährt und somit eine solche herkömmliche Schutzvorrichtung durchschlagen kann.
Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung eignet sich in vorteilhafter Weise insbesondere für Bauteile, die eine rotationssymmetrische Form mit darin ausgebildetem Hohlraum aufweisen, also wie beispielsweise für Einspritzdüsen, Dieseldüsen, Drosseln, Ventilstücke und Filterstücke.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen. Insbesondere ist eine besonders hohe Durchschlagsfestigkeit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung erzielbar, wenn eine Kunststoffmatrix aus thermoplastischem Polyetheretherketon (PEEK) und darin eingebetteten Glasfasern verwendet wird, wobei eine derart ausgebildete Schutzvorrichtung aufgrund der einfachen Herstellbarkeit durch Spritzguß kostengünstig produzierbar ist. Aufgrund der hohen Durchschlagsfestigkeit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ergibt sich im Unterschied zum Stand der Technik eine höhere Prozesssicherheit während der Laserbearbeitung und mithin eine niedrigere Ausschußquote durch beschädigte Bauteile.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in schematischen Ansichten:
1 eine Längsschnittansicht einer Dieseldüse mit einer in einer Kuppe der Dieseldüse positionierten erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung aus einem Verbund aus Polyetheretherketon-Kunststoff mit darin eingebetteten Glasfasern,
2 einen Ausschnitt einer herkömmlichen Schutzvorrichtung aus Metall in einer Draufsicht, wobei die Schutzvorrichtung bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in einem zu bearbeitenden Bauteil zum Abschirmen von Laserstrahlung dient und mehrere nebeneinander liegende Durchschüsse durch Laserstrahlung mit ultrakurzen Laserpulsen im Nanosekunden-Bereich aufweist,
3 eine kopfseitige Teilansicht einer Dieseldüse im Längsschnitt, bei der linksseitig ein Spritzloch mittels ultrakurzer Laserpulse aus einer Laserquelle ausgebohrt ist und eine dem Spritzloch gegenüberliegende Seite der Dieseldüse durch den Laserstrahl aufgrund des Versagens der herkömmlichen Schutzvorrichtung von 2 während der Laserbearbeitung eine Beschädigung aufweist.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt in einer stark schematischen Ansicht die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 1, die in einem mittels eines Laserstrahls 5 zu bearbeitenden Bauteil 2 während der Laserbearbeitung eingesetzt ist. Bei dem zu bearbeitenden Bauteil 2 handelt es sich um den kopfseitigen Teil einer Dieseldüse, die in einem Bearbeitungsstadium dargestellt ist, in welchem der Laserstrahl 5 aus einem nicht dargestellten, gepulst betriebenen Laser hoher Leistung ein Spritzloch 3 in der linksseitigen Wandung 10 der den kopfseitigen Teil der Dieseldüse 2 bildenden Düsenkuppe 4 erzeugt. Da aufgrund des innerhalb der Düse 2 ausgebildeten Hohlraums 6 die dem Spritzloch 3 gegenüberliegende rechtsseitige Wandung 11 gegen die aus dem Spritzloch 3 austretende Laserstrahlung geschützt werden muss, ist in den Hohlraum 6 der Düse 2 in Strahlrichtung hinter die Bohrlochaustrittseite 8 die Schutzvorrichtung 1 eingesetzt, um die aus der Bohrlochaustrittseite 8 austretende Laserstrahlung vollständig zu absorbieren.
Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass die Schutzvorrichtung 1 aus einem Verbund aus thermoplastischem Polyetheretherketon-Kunststoff (PEEK) und im wesentlichen gleichmäßig darin eingebetteten Glasfasern gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel sind die Glasfasern bezüglich ihrer jeweiligen Fasererstreckungsrichtungen ungeordnet bzw. unregelmäßig, d.h. kreuz und quer zueinander verlaufend im Volumen einer Kunststoffmatrix aus Polyetheretherketon angeordnet. Bei Verwendung eines gepulsten Hochleistungslasers mit einer Pulsspitzenleistung von typischerweise etwa 25 MW als Strahlungsquelle im infraroten Wellenlängenbereich um etwa 1 µm mit ultrakurzen Impulsen im Subnanosekunden- bis in den Pikosekundenbereich trifft die Laserstrahlung, die nach Ausbohren des vordefinierten Bohrlochs 3 in der Dieseldüsenwandung an der Rückseite 8 des Bohrlochs 3 heraustritt, auf die an der Bohrlochrückseite 8 angrenzende Oberfläche 9 der Schutzvorrichtung 1, welche in den Hohlraum 6 eingeführt ist. Der auf die Oberfläche 9 der Schutzvorrichtung 1 auftreffende Laserstrahl 5 dringt in den Verbund aus Polyetheretherketon-Kunststoff (PEEK) und Glasfasern ein und erfährt durch die in der PEEK-Kunststoffmatrix mit etwa gleichmäßiger Dichte angeordneten Glasfasern eine Aufspaltung, wobei die Energiedichte des Laserstrahls 5 durch die Aufspaltung sukzessive sinkt und der Laserstrahl in dem Verbundmaterial absorbiert wird. Im Vergleich zu einer Schutzvorrichtung, deren Backing-Material wie beim Stand der Technik gemäß 2 lediglich „monolithisch“ ausgebildet ist, d.h. aus Metall oder Keramik besteht, und dadurch lediglich eine lokale Absorption des Laserstrahls in diesem Backing-Material erfolgt, die transversal zur Strahlausbreitungsrichtung gesehen im wesentlichen auf den Strahldurchmesser des in das Backing-Material eindringenden Laserstrahls begrenzt ist, wobei dessen lokal hohe Energiedichte zu einer Materialabtragung entlang der Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls im Material führt, erfährt demgegenüber ein in die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 1 eindringender Laserstrahl eine Volumenabsorption, da der in das „hybrid“ ausgebildete Material der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung 1 eindringende Laserstrahl durch die im wesentlichen „amorphe“ Anordnung der Fasern im Volumen des Kunststoffs aufgespaltet bzw. aufgefächert wird, so dass die Energiedichte aufgrund der durch die Auffächerung diffus vergrößerten Wechselwirkungszone des Laserstrahls im Verbundmaterial reduziert wird und die Absorption als Wärmedissipation innerhalb des Volumens des Materials erfolgt. Demgemäß weist die als Verbund ausgebildete erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 1 gegenüber dem Stand der Technik eine signifikant höhere Absorption für die auftreffende Laserstrahlung auf.
Um den in das Verbundmaterial der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung 1 eindringenden Laserstrahl 5 mittels der darin eingebetteten Glasfasern optimal in Teilstrahlen aufzuspalten, ist die Dichte und Größe der Glasfasern im PEEK, so zu wählen, dass der auftreffende Laserstrahl optimal gestreut wird und das Backingmaterial der Bearbeitung einer Düse standhält. Dazu wird das Mischungsverhältnis bzw. die Füllmenge der Fasern in dem Verbund auf einen Bereich von 40–60 % für den Faseranteil festgelegt, um bei dieser Dichte der Fasern im Verbund einen verhältnismäßig guten Streukörper für die auftreffende Laserstrahlung zu bilden. Da der Strahldurchmesser der zum Laserbohren zu verwendenden Laserquelle im Ausführungsbeispiel etwa 20–25 μm beträgt, wird der Durchmesser der Fasern auf einen Bereich von 10–15 μm festgelegt. Bei signifikant höheren Faserdurchmessern ist für die einfallende Laserstrahlung eine Abnahme der Wahrscheinlichkeit von Streuprozessen zugunsten einer Zunahme von Einkopplungsprozessen zu erwarten, die zu einer unerwünschten Zerstörung der Fasern aufgrund der hohen Energiedichte der Laserstrahlung führen können. Um ferner eine stochastische Durchmischung der Fasern im Verbund zu erzielen, bei welcher sich keine vorherrschende Vorzugsorientierungsrichtung der Fasern in der PEEK-Matrix einstellt, ist deren Länge auf einen Bereich von 0,1–0,5 mm festgelegt. Diese Angaben für die Schutzvorrichtung bleiben gültig, wenn anstatt der verwendeten Wellenlänge im infraroten Wellenlängenbereich von 1030–1064 nm des zur Bearbeitung eingesetzten Lasers alternativ Laser eingesetzt werden, deren Emissionswellenlänge bei 531 nm oder auch bei 1500 nm liegt. In einer Ausführungsvariante der Erfindung sind die in der Verbundstruktur eingebetteten Fasern als Carbonfasern ausgebildet.
Der vordere Abschnitt der Schutzvorrichtung 1, welcher bei bestimmungsgemäßer Positionierung der Schutzvorrichtung 1 innerhalb des Hohlraums 6 der Dieseldüse 2 der Dieselkuppe 4 zugewandt ist, ist spitz zulaufend geformt, so dass zwischen der zum Laserbohren vorgesehenen Wandung 10 des Dieselkuppenbereichs 4 der Dieseldüse 2 und der dazu benachbarten Oberfläche 9 der Schutzvorrichtung 1 ein Zwischenraum bleibt, dessen Funktion darin besteht, dass ein Arbeits- und Schutzgas wie beispielsweise N₂ oder ein Edelgas wie Helium durch den Zwischenraum strömen kann, um während der Laserbearbeitung des Bauteils 2 verdampfte oder abgeschmolzene Materialrückstände aus dem Bohrloch 3 über dessen Rückseite 8 abzuführen. Eine weitere Funktion der Oberfläche 9 besteht darin, dass sie dem aus der Rückseite des Bohrlochs 3 austretenden Laserstrahl 5 eine definierte ebene Grenzfläche bietet, die etwa rechtwinklig zum einfallenden Laserstrahl 5 verläuft.
Zusammenfassend ist die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 1 aus einem Verbund aus einer Matrix aus Polyetheretherketon-Kunststoff und darin eingebetteten Fasern gebildet, wobei die Fasern so eingebettet sind, dass sie bezüglich ihrer jeweiligen Faserstreckungsrichtung in dem Kunststoff kreuz und quer zueinander verlaufen und in dem Volumen des Kunststoffs der Schutzvorrichtung 1 mit etwa gleichmäßiger Dichte verteilt sind. Die Fasern sind als Glasfasern oder Carbonfasern zum Aufspalten des in den Verbund eindringenden Laserstrahls 5 und dessen Energiedichtereduzierung ausgeführt. Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 1 eignet sich zur Herstellung von Bauteilen wie Düsen oder Injektoren, welche eine rotationssymmetrische Form aufweisen, wobei die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung in dem Bauteil so positioniert wird, dass die Schutzvorrichtung in Strahlrichtung des zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls hinter der Bohrlochaustrittsseite in dem Bauteil die dort austretende Laserstrahlung blockiert und eine gegenüberliegende Wandung des Bauteils abschirmt.

Claims

Schutzvorrichtung (1) zur Laserbearbeitung von Löchern (3) in wenigstens einem Bauteil (2) mittels Laserstrahlung (5), wobei die Schutzvorrichtung (1) am strahlaustrittsseitigen Ende (8) eines zu bearbeitenden Lochs (3) positionierbar ist, um einen daran angrenzenden Rückraum des Bauteils (2) gegenüber der Laserstrahlung zu schützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (1) so beschaffen ist, dass sie aus einem Verbund aus Kunststoff und darin eingebetteten Fasern gebildet ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Verbund der Schutzvorrichtung (1) verwendete Kunststoff thermoplastisch ausgebildet ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Verbund der Schutzvorrichtung (1) verwendete Kunststoff Polyetheretherketon-Kunststoff ist.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Verbund verwendeten Fasern bezüglich ihrer jeweiligen Fasererstreckungsrichtungen in dem Kunststoff kreuz und quer zueinander verlaufend angeordnet sind.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern im Volumen des Kunststoffs der Schutzvorrichtung (1) mit etwa gleichmäßiger Dichte verteilt angeordnet sind.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Anteil der Fasern in dem Verbund die Füllmenge innerhalb eines Bereichs von etwa 40 % bis 60 % liegt.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einen Durchmesser im Bereich von etwa 10 bis 15 μm aufweisen.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von etwa 0,1 bis 0,5 mm aufweisen.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern als Glasfasern in dem Verbund der Schutzvorrichtung (1) ausgebildet sind.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfasern so beschaffen sind, dass sie für die Emissionswellenlänge der zur Laserbearbeitung eingesetzten Laserquelle annähernd transparent sind.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schutzvorrichtung (1) bildende Verbund mittels Spritzgießen herstellbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils wie einer Düse, insbesondere eines Injektors, unter Verwendung der Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Schutzvorrichtung (1) in einem Raum des Bauteils (2) so positioniert wird, dass die an der Rückseite eines in einer Wandung (10) des Bauteils (2) vorgesehenen Bohrlochs (3) austretende Laserstrahlung von der Schutzvorrichtung (1) vollständig blockiert und ein gegenüberliegender Abschnitt (11) des Bauteils (2) abgeschirmt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Injektors unter Verwendung der Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Schutzvorrichtung in einem Raum des Injektors so positioniert wird, dass die an der Rückseite eines in einer Wandung des Injektors vorgesehenen Bohrlochs austretende Laserstrahlung von der Schutzvorrichtung vollständig blockiert und ein gegenüberliegender Abschnitt des Injektors abgeschirmt wird.