DE102012004374A1

DE102012004374A1 - Spinndüse und laserbasierte Fertigung von Spinndüsen

Info

Publication number: DE102012004374A1
Application number: DE201210004374
Authority: DE
Inventors: Rudolf Weber; Martin Kraus; Andreas Michalowski
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-09-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spinndüse mit einem Werkstück (15), das in einer Querrichtung (z) eine Wandstärke (W) aufweist und mehrere Mikrolöcher (12), welche das Werkstück (15) im Wesentlichen in der Querrichtung (z) durchdringen. Die Mikrolöcher (12) weisen einen Durchmesser (d) von höchstens 45 μm auf, und die Wandstärke (W) des Werkstücks (15) ist in der Querrichtung (z) zumindest so dick ausgebildet, dass das Aspektverhältnis zwischen der Wandstärke (W) des Werkstücks (15) und dem Durchmesser (d) der Mikrolöcher (12) mindestens 5:1 beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spinndüse und eine laserbasierte Herstellung von Spinndüsen.
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Herstellung von Supermikrofasern. Supermikrofasern (Mikrofasern mit einer Faserfeinheit ≤ 0,3 g/10000 m) werden bislang in einem zweistufigen Prozess als Bikomponentenfasern gesponnen. Dabei werden einzelne statistisch geformte Faserstücke hergestellt, die sich lediglich zu Vliesstoffen mit zufälliger Textilstruktur verarbeiten lassen. Supermikrofasern auf Cellulosebasis sind bislang nicht verfügbar, da sie nicht durch einen Bikomponentenprozess herstellbar sind.
Für ein Direktspinnen von Supermikrofasern werden Spinndüsen mit Mikrolöchern bzw. Mikrodurchbrüchen benötigt, durch die die Fasern gesponnen werden können. Die Fertigung von Mikrolöchern in Spinndüsen kann zum Beispiel durch eine Mikrofunkenerosion erfolgen (μEDM). Es wurde auch versucht, durch Mikrostanzen, mechanisches Bohren, durch chemische Verfahren und verschiedene Kombinationen dieser bekannten Verfahren ausreichend kleine Mikrolöcher herzustellen. Durch die Mikrofunkenerosion wurden bislang Mikrolöcher mit einem Durchmesser von größer als 60 μm hergestellt.
Die bekannten Verfahren unterliegen einer Vielzahl von Einschränkungen: Bei der Mikrofunkenerosion und bei den chemischen Verfahren muss der bearbeitete Werkstoff eine bestimmte Stoffeigenschaft wie eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Bei Mikrofunkenerosionsverfahren und beim mechanischen Bohren sind die Werkzeuge sowohl empfindlich als auch teuer und unterliegen einer hohen Verschleißrate. Beim Mikrostanzen ist es zwar gelungen, Mikrolöcher mit sehr kleinen Durchmessern von etwa 15 μm herzustellen, jedoch nur in einem ebenso dünnen Material, d. h. mit einem Aspektverhältnis 1:1. Sowohl beim Mikrofunkenerosionsverfahren, Mikrostanzen als auch beim mechanischen Bohren ist die mechanische bzw. thermische Belastung des Werkstücks so hoch, dass es häufig zu einer Beschädigung des Werkstücks kommt. Bei allen Verfahren ist eine Gestaltung der Bohrungsgeometrie der Mikrolöcher nur in sehr begrenztem Maß möglich.
Aus der DE 101 38 866 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von Löchern in Werkstücke mittels Laserstrahlen bekannt. Dabei wird mittels eines aus einer Düse ausströmenden Prozessgases eine Wechselwirkung zwischen einem Laserstrahl und einem Werkstück derart beeinflusst, dass bei Werkstückdicken von etwa 0,2 mm bis 2 mm Löcher hergestellt werden können, deren Durchmesser unterhalb von 250 μm liegt. Insbesondere beschreibt das Dokument ein Herstellen von Löchern mit einem Durchmesser nahe 100 μm.
Aus dem Dokument DE 103 31 236 A1 ist ein Verfahren zum Erzeugen von Mikrolöchern mittels energiegestufter Laserstrahlung bekannt. Dabei wird beim Bohrprozess mittels eines Laserstrahls die Pulsenergie des Laserstrahls stufenweise so erhöht, dass bei einer Werkstückdicke > 500 μm Mikrolöcher mit einem Durchmesser von ca. 100 μm hergestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spinndüse für das Direktspinnen von Supermikrofasern sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spinndüse bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Spinndüse mit einem Werkstück gelöst, wobei das Werkstück in einer Querrichtung eine Wandstärke aufweist. Das Werkstück kann als Bauteil der Spinndüse ausgebildet sein, oder die Spinndüse kann aus dem Werkstück bestehen. Mehrere Mikrolöcher durchdringen das Werkstück im Wesentlichen in der Querrichtung. Die Mikrolöcher weisen einen Durchmesser von höchstens 45 μm auf. Die Wandstärke des Werkstücks ist in Querrichtung zumindest so dick ausgebildet, dass das Aspektverhältnis zwischen der Wandstärke des Werkstücks und dem Durchmesser der Mikrolöcher mindestens 5 zu 1 beträgt. Mit anderen Worten ist die Wandstärke des Werkstücks zumindest fünfmal so groß wie der Durchmesser des Mikrolochs. Insbesondere kann das Aspektverhältnis zwischen dem Durchmesser des Mikrolochs und der Wandstärke des Werkstücks auch von 10:1 bis 20:1 betragen. Das Werkstück ist dabei im Wesentlichen flächig ausgebildet. Dies bedeutet, dass zumindest die Bearbeitungszone des Werkstücks, in der die Mikrolöcher ausgebildet sind, im Wesentlichen flächig ausgebildet ist. Die Querrichtung bildet eine Normale auf die flächige Seite des Werkstücks. Dabei bedeutet, dass die Mikrolöcher das Werkstück im Wesentlichen in Querrichtung durchdringen, dass die Mikrolöcher im Wesentlichen in Querrichtung ausgebildet sind. Die Mikrolöcher können in bestimmten Ausführungsformen allerdings auch winklig zur Querrichtung ausgebildet sein. Die Spinndüse ist dazu ausgebildet und vorgesehen, mittels eines Direktspinnverfahrens Supermikrofasern herzustellen, wobei die Supermikrofasern in Querrichtung entlang der Mikrolöcher durch das Werkstück geführt, zum Beispiel gepresst, werden.
Die Mikrolöcher können im Wesentlichen kreisförmig oder elliptisch ausgebildet sein.
Durch die Ausbildung der Mikrolöcher mit einem Durchmesser von maximal 45 μm können mit der Spinndüse hinreichend feine Supermikrofasern hergestellt werden. Die Spinndüse weist eine Vielzahl von als Mikrolöcher ausgebildeten Extrusionsöffnungen auf, durch die einzelne Faserfilamente extrudiert werden können. Die Qualität der Mikrolöcher, insbesondere die Rauheit der Öffnungsinnenwände und die Qualität der Strukturkanten an den Locheinlässen und Lochauslässen (Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen der Mikrolöcher), bestimmt maßgeblich die Eigenschaften der durch die Mikrolöcher extrudierten Fasern. Dabei gewährleistet die Wandstärke des Werkstücks von zumindest dem Fünffachen des Durchmessers des Mikrolochs eine hinreichende Stabilität, um eine Beschädigung der Spinndüse beim Spinnverfahren zu vermeiden.
Die Öffnungsweite der Mikrolöcher, also deren Durchmesser, ist ≤ 45 μm und bevorzugt ≤ 30 μm ausgebildet. Die Öffnungsdurchmesser an einem Öffnungsende der Mikrolöcher können z. B. ≤ 20 μm oder sogar ≤ 10 μm ausgebildet sein. Der Durchmesser des Mikrolochs kann in Querrichtung variieren. In diesem Fall kann mit dem Durchmesser entweder der mittlere Durchmesser (über die gesamte Wandstärke des Werkstücks gemittelt) gemeint sein oder der absolute Durchmesser.
Das Aspektverhältnis beträgt mindestens 5:1, bevorzugt 7:1 und besonders bevorzugt 10:1. Insbesondere kann das Aspektverhaltnis mindestens 15:1 betragen.
Durch ein direktes Spinnen von Supermikrofasern wird die Herstellung bestimmter Supermikrofasern, z. B. auf Cellulosebasis, ermöglicht. Weiterhin wird bei Verwendung der Spinndüse für ein Direktspinnen die Herstellung eines Endlosgarns mit definierten Fasereigenschaften ermöglicht, das auf Spulen aufgewickelt und anschließend zu anspruchsvollen Textilien gewebt oder gestrickt werden kann. Dadurch eröffnen sich neue Perspektiven für technische Textilien, Gebrauchstextilien, Hochleistungstextilien oder Hygieneanwendungen.
Dabei kann die Wandstärke des Werkstücks eine Dicke von 100 μm bis 500 μm aufweisen, insbesondere von 200 μm bis 350 μm. Eine solche Wandstärke gewährleistet eine ausreichende Stabilität für den Spinnvorgang. Bevorzugt weist das Werkstück eine Wandstärke von höchstens 300 μm auf.
Bevorzugt weist der Durchmesser des Mikrolochs eine Größe von 15 μm bis 25 μm auf. Diese Lochgröße ermöglicht ein Direktspinnen von hinreichend feinen Supermikrofasern zur weiteren Verwendung.
Bevorzugt weist die Spinndüse eine Mehrzahl von Mikrolöchern auf, die das Werkstück im Wesentlichen in Querrichtung durchdringen, also im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Durch die Ausbildung einer Mehrzahl von Mikrolöchern im Werkstück wird ein gleichzeitiges Direktspinnen mehrerer Supermikrofasern ermöglicht. Dabei können die Mikrolöcher anwendungsbedingt auf dem Werkstück nebeneinander angeordnet sein. Zum Beispiel können die Mikrolöcher, in Querrichtung betrachtet, in einem gleichmäßigen Raster angeordnet sein oder mehrere konzentrische Kreise bilden. Die Spinndüse kann dabei in dem Werkstück mindestens 100 Mikrolöcher aufweisen, bevorzugt mindestens 1000 Mikrolöcher.
In einer Ausführungsform sind die Mikrolöcher im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet, wobei die Zylinderachsen der Mikrolöcher im Wesentlichen in Querrichtung angeordnet sind. Durch die Ausbildung der Mikrolöcher in Zylinderform kann die Ausbildung gleichmäßiger Supermikrofasern ermöglicht werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Mikrolöcher in Querrichtung konisch ausgebildet. Dabei weisen die Mikrolöcher einen Innendurchmesser an einem Wandende des Werkstücks und einen Außendurchmesser an einem gegenüberliegenden Wandende des Werkstücks auf. Der Innendurchmesser ist dabei an der Seite des Werkstücks ausgebildet, an dem das Spinnmaterial in die Mikrolöcher eingeführt wird, während der Außendurchmesser der Mikrolöcher an der Seite des Werkstücks ausgebildet ist, an dem die herzustellende Supermikrofaser aus den Mikrolöchern austritt. Eine konische Ausbildung bedeutet dabei, dass der Durchmesser der Mikrolöcher von seinem Innendurchmesser bis zu seinem Außendurchmesser im Wesentlichen stetig zu- bzw. abnimmt. Das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser des Mikrolochs beträgt dabei zwischen 1:3 und 3:1, bevorzugt zwischen 1:2 und 2:1. Abhängig von der herzustellenden Supermikrofaser ist eine konische Ausbildung des Mikrolochs sinnvoll. Ein Innendurchmesser, der größer als der Außendurchmesser ausgebildet ist, kann zum Beispiel ein Einführen des Spinnmaterials in das Mikroloch vereinfachen. Ein Innendurchmesser, der kleiner als der Außendurchmesser ausgebildet ist, kann gewisse Materialeigenschaften der herzustellenden Supermikrofaser beeinflussen, wie zum Beispiel Festigkeit oder Elastizität. Dabei ist der Innendurchmesser an der Eintrittsseite des Werkstücks angeordnet und der Außendurchmesser an der Austrittsseite des Werkstücks.
In einer Ausführungsform ist das Werkstück zumindest aus Metall, einer Metall-Legierung, Keramik, Glas, Kunststoff und/oder einem organischen Material ausgebildet. Das Werkstück kann auch aus mehreren Schichten der vorgenannten Materialien bestehen.
In einer Ausführungsform sind die Mikrolöcher so formgenau in dem Werkstück ausgebildet, dass die mittlere Rauheit R_a kleiner als 0,5 μm beträgt. Damit sind durch die Oberflächenrauheit bedingte Abweichungen von einer vorgegebenen Lochgeometrie der Mikrolöcher begrenzt. Die Mikrolöcher sind qualitativ so hochwertig aus dem Werkstück herausgebohrt, dass die Bohrlöcher kaum von ihrer geplanten, vorgegebenen Lochgeometrie abweichen. Durch genau gebohrte Mikrolöcher wird das Spinnen von qualitativ hochwertigen Mikrofasern ermöglicht. Die Mikrolöcher weisen dabei über die gesamte Lochtiefe bzw. Lochlänge eine wohl definierte Geometrie auf. Dabei ist insbesondere die mittlere Rauheit R_a, also das arithmetische Mittel von der Abweichung von der Mittellinie, kleiner als 0,5 μm und bevorzugt kleiner als 0,2 μm.
Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Mikrolöchern in einem Werkstück mittels eines Laserstrahls. Dabei wird der Laserstrahl durch ein Wendelbohrsystem auf einer vorbestimmten Bahnkurve so geführt, dass in dem Werkstück Mikrolöcher mit einem Durchmesser von höchstens 45 μm und einer Eindringtiefe von mindestens dem Fünffachen ihres Durchmessers ausgebildet werden. Insbesondere können die Mikrolöcher das Werkstück vollständig durchdringen, wobei das Aspektverhältnis zumindest 5:1 beträgt. Die Führung durch ein Wendelbohrsystem erfolgt dadurch, dass der Laserstrahl zum Beispiel durch bewegliche Keilplatten, Prismen, Linsen oder Spiegel so geführt wird, dass der Laserstrahl über die Oberfläche des Werkstücks entlang einer Bahnkurve geführt wird. Form und Abmessungen der Bahnkurve werden durch die Ausbildung des Wendelbohrsystems bestimmt. Dabei wird bevorzugt kurz oder ultrakurz gepulste Laserstrahlung verwendet.
Das Wendelbohren stellt ein nicht-spanendes Bearbeitungsverfahren dar, bei dem mittels eines auf einer meist kreisförmigen Bahnkurve über das Werkstück bewegten Laserstrahls lokal so viel Energie in das Werkstück eingebracht wird, dass der Werkstoff des Werkstücks geschmolzen, verdampft oder ionisiert wird. Dabei wird das geschmolzene, das verdampfte und/oder das ionisierte Material durch unterschiedliche Mechanismen aus der Wechselwirkungszone ausgetrieben, wodurch eine Öffnung entsteht.
Durch eine präzise Kontrolle der Energiebeaufschlagung und eine (mechanisch) kraftfreie Bearbeitung des Werkstücks kann eine Mehrzahl Mikrolöcher in einem geringen Abstand, also mit einer Stegbreite von wenigen Mikrometern, in dem Werkstück ausgebildet werden. Das ermöglicht eine hohe Anzahl von Mikrolöchern pro Flächeneinheit, z. B. über 1000 Mikrolöcher pro Quadratmillimeter Werkstückfläche. Die geringe Stegbreite wird durch das Laserbohren, im speziellen den kraftfreien Energieeintrag, ermöglicht.
Trotz der auszubildenden kleinen Durchmesser der Mikrolöcher wird ein Wendelbohrverfahren verwendet, um die Mikrolöcher herzustellen. Beim Wendelbohren mit gepulster Laserstrahlung wird die Öffnung des jeweiligen Mikrolochs nahezu kraftfrei eingebracht, was bedeutet, dass die mechanische Beeinflussung bzw. Belastung des Werkstücks so gering gehalten wird, dass eine gute mechanische Stabilität des Werkstücks erhalten bleibt. Dadurch eignet sich das Werkstück als Bauteil einer Spinndüse im Spinnbetrieb. Weiterhin wird durch die Bearbeitung mit gepulster Laserstrahlung die Bearbeitung von Werkstücken aus unterschiedlichen Materialien ermöglicht, wie zum Beispiel Metall, Metall-Legierungen, Keramiken, Gläsern, Kunststoffen und/oder organischen Materialien.
In einer Ausführungsform des Verfahrens liegt die Pulsdauer in einem Bereich von 50 fs bis 100 ns, bevorzugt in einem Bereich von 50 fs bis 100 ps, besonders bevorzugt in einem Bereich von 500 fs bis 20 ps. Bei der Materialbearbeitung mit gepulster Laserstrahlung sind die Laserparameter Pulsenergie, Repetitionsrate und mittlere Leistung miteinander verknüpft. Beispielsweise können die Laserparameter für das Erreichen der angestrebten Lochgeometrie, Bearbeitungsqualität und Reproduzierbarkeit sowie einer angemessenen Bearbeitungsdauer von einigen Sekunden bis wenigen 10 Sekunden pro Mikroloch folgendermaßen aufeinander abgestimmt sein:

– Pulsenergien von 0,1 μJ bis 100 μJ, bevorzugt von 1 μJ bis 30 μJ;
– Repetitionsraten von 1 kHz bis 1 MHz, bevorzugt von 10 kHz bis 400 kHz und
– mittlere Leistungen von 0,05 W bis 50 W, bevorzugt von 0,1 W bis 10 W.

Im Vergleich zur Mikrofunkenerosion, zum mechanischen Bohren und zum Mikrostanzen sind der Feinheit des Werkzeugs (hier der Feinheit des Laserstrahls) keine Grenzen durch mechanische Stabilität, Handhabung oder Verschleiß gesetzt, womit die Untergrenze für den Öffnungsdurchmesser des Mikrolochs sogar unterhalb von 10 μm liegen kann.
Durch das Wendelbohrverfahren kann die Öffnungsgeometrie des Mikrolochs trotz des geringen Durchmessers frei gestaltet werden: Zum Beispiel kann eine positive und/oder negative Konizität stufenlos im Verhältnis von 1:1 bis 1:3 eingestellt werden, ebenso wie Radien, Fasen und Einlauftrichter an den Öffnungskanten des Mikrolochs. Ferner ist die Ausbildung einer Einschnürung (Taillierung) innerhalb des Mikrolochs möglich.
Weiterhin weist das Verfahren eine hohe Reproduzierbarkeit auf, wobei der Prozessfehler bzw. die Standardabweichung für alle relevanten Maße, insbesondere für die Querschnittsfläche der Laseraustrittsöffnung, bei einem gut eingestellten Laserbearbeitungsprozess unterhalb von zwei Prozent liegt. Aufgrund der verfahrensbedingt hohen Qualität der Laseraustrittsöffnung kann die Bearbeitungsrichtung der Düsenöffnungen derart gewählt werden, dass der Austritt der Laserstrahlung an der Seite des Werkstücks erfolgt, an der der Faseraustritt vorgesehen ist. Eine hohe Reproduzierbarkeit der Querschnittsfläche der Faseraustrittsöffnung begünstigt das Erzielen gleicher Querschnitte und Festigkeiten der Einzelfilamente und somit eine hohe Festigkeit der Gesamtfaser.
In einer Ausführungsform wird der Laserstrahl durch das Wendelbohrsystem unter einem vorbestimmten Anstellwinkel und in einer vorbestimmten Geschwindigkeit, insbesondere Bahngeschwindigkeit, geführt. Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Hauptachse des Laserstrahls im Bereich der Eintrittsebene des Laserstrahls in das Werkstück und der Senkrechten zur Eintrittsebene des Werkstücks. Der Anstellwinkel ist abhängig von dem Wendelbohrsystem und kann von 0° bis 10° betragen, bevorzugt von 0,1° bis 5°, besonders bevorzugt von 0,1° bis 2°. Die Geschwindigkeit der Laserstrahlführung ist ebenfalls abhängig vom Wendelbohrsystem, insbesondere von der Geschwindigkeit, mit der die Bauteile des Wendelbohrsystems relativ zueinander bewegt werden. Durch die Geschwindigkeit wird beeinflusst, wie lange der gepulste Laserstrahl auf eine Stelle des Werkstücks einwirkt. Der Drehzahlbereich beim Wendelbohren kann von 100 bis 100.000 Umdrehungen pro Minute betragen, bevorzugt von 500 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute.
In einer Ausführungsform wird der Laserstrahl durch die Wendelbohroptik auf der vorbestimmten, meist kreisförmigen Bahnkurve so geführt, dass der Bahnkurvendurchmesser höchstens 50 μm, bevorzugt von 2 μm bis 30 μm, besonders bevorzugt von 5 μm bis 20 μm beträgt. Durch die Verwendung solch kleinster Bahndurchmesser wird die Fertigung kleinster Durchbrüche unter voller Kontrolle über die Kapillargeometrie der Mikrolöcher ermöglicht und zugleich die Qualität des herzustellenden Mikrolochs innerhalb engster Toleranzen gehalten. Unter der Bahnkurve des Laserstrahls wird dabei jene Kurve verstanden, welche die Hauptachse des Laserstrahls in der Brennebene der Fokussieroptik beschreibt. Die Einstellung einer solch kleinen Bahnkurve trägt zusammen mit einer starken Fokussierung zu den vorgesehenen kleinen Öffnungsweiten der Mikrolöcher bei. Die Bahnkurven des Laserstrahls werden mittels des Wendelbohrsystems erzeugt, das eine oder mehrere rotierende oder auf andere Weise bewegliche optische Komponenten aufweisen kann, z. B. drei rotierende Keilplatten.
In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt der Durchmesser der Bahnkurve gleich 0. Dies ist gleichbedeutend mit einem Perkussionsbohrverfahren. Dabei kann das Strahlprofil um die Strahlachse rotiert werden, während die Strahlachse konstant gehalten wird.
In einer Ausführungsform wird der Laserstrahl durch eine Fokussieroptik so auf dem Werkstück fokussiert, dass der Fokusdurchmesser des Laserstrahls von 1 μm bis 30 μm groß ausgebildet ist, bevorzugt von 1 μm bis 15 μm. Der Fokusdurchmesser des Laserstrahls entspricht einem Durchmesser des Laserstrahls senkrecht zur Querrichtung. Die genauen Definitionen und Benennungen der Kenngrößen von Laserstrahlung sind der Norm DIN EN ISO 11145 zu entnehmen. Die Fokussierung kann durch eine Fokussieroptik erfolgen, die im Strahlengang hinter dem Wendelbohrsystem angeordnet ist. Ein solch kleiner Fokusdurchmesser kann zum Beispiel durch die Verwendung von Laserstrahlen mit Wellenlängen im sichtbaren oder im ultravioletten Bereich erreicht werden. In diesem Durchmesserbereich ergibt sich zusammen mit den bevorzugten Werten für die Pulsenergie der Laserstrahlung eine Energiedichte von 1 bis 200 J/cm², bevorzugt von 5 bis 100 J/cm².
Der Laserstrahl kann bei Brennweiten von 10 mm bis 75 mm auf dem Werkstück fokussiert werden. Die Fokussierung kann durch eine Fokussieroptik erfolgen, die aus einer oder mehreren Linsen besteht und eine Brennweite des Gesamtsystems von 10 mm bis 75 mm aufweist, bevorzugt von 20 mm bis 50 mm. Die Verwendung derartiger Brennweiten ist besonders geeignet, um die vorgesehene starke Fokussierung zu erreichen. Durch die Verwendung kurzer Brennweiten können die Radien der vorbestimmten Bahnkurve verkleinert werden, die der Laserstrahl auf der Oberfläche des Werkstücks beim Bohren durchläuft. Dies erhöht die Präzision des Verfahrens und ermöglicht die Ausbildung kleiner Durchmesser der Mikrolöcher. Auch Brennweiten von 100 mm oder mehr sind verwendbar, solange das Verhältnis des Strahldurchmessers auf der Fokussierlinse zu der Brennweite möglichst groß bleibt.
In einer Ausführungsform wird der Durchmesser der Mikrolöcher über die Fokuslage des Laserstrahls eingestellt. Dabei wird insbesondere der Durchmesser der Ein- und/oder Austrittsöffnung der Mikrolöcher durch die Fokuslage des Laserstrahls eingestellt. Dabei kann die Größe des Durchmessers der Mikrolöcher in Querrichtung über die Fokuslage des Laserstrahls variiert werden.
In einer Ausführungsform wird in einem Schritt des Verfahrens die Fokuslage des Laserstrahls an ein Höhenprofil des Werkstücks angepasst. Dieser Verfahrensschritt kann zum Beispiel vor und/oder während der Herstellung des Mikrolochs erfolgen.
Das Verfahren kann dazu verwendet werden, eine wie vorangehend beschriebene Spinndüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5 herzustellen.
Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Spinndüse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die durch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12 hergestellt worden ist.
Einzelne Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Einzelne Merkmale der in den Figuren gezeigten Ausführungsformen können mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Spinndüse in Querrichtung;
2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Ausschnitt der in 1 gezeigten Spinndüse senkrecht zur Querrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines fokussierten Laserstrahls;
4 eine schematische Darstellung der Strahlführung von der Laserstrahlquelle bis auf ein Werkstück;
5A zwei Photographien von Eintrittsöffnungen von Mikrolöchern, die in ein Werkstück gebohrt wurden;
5B zwei Photographien von Austrittsöffnungen von Mikrolöchern, die in ein Werkstück gebohrt wurden;
6A vier Photographien eines Werkstücks, mit dessen Hilfe ein Strahlengang und eine Wendelbohroptik justiert wurde und
6B ein Diagramm mit dem Verlauf der Isophoten, der Linien gleicher Energiedichte, in der Taille eines stark fokussierten Laserstrahls;
7A eine schematische Darstellung verschiedener Bohrungsgeometrien von Mikrolöchern;
7B eine schematische Darstellung zum Einstellen des Ein- und Austrittsdurchmessers über die Fokuslage;
8 eine schematische Darstellung zum Wendelbohren und
9 ein Negativ einer Fotografie einer Spinndüse.
1 und 2 zeigen in einem kartesischen Koordinatensystem mit den Achsenbeschriftungen x y z ein Werkstück 15 einer Spinndüse 10. Die Spinndüse 10 kann auch aus dem Werkstück 15 bestehen. 1 zeigt eine Ansicht auf das Werkstück 15 in einer Querrichtung, in den 1 und 2 die z-Richtung. Das Werkstück 15 ist flächig ausgebildet und erstreckt sich in der xy-Ebene. In 1 ist das Werkstück kreisförmig ausgebildet, es kann aber auch rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein.
Das Werkstück 15 ist dazu ausgebildet und vorgesehen, zum Direktspinnen von Supermikrofasern verwendet zu werden. Dazu ist das Werkstück 15 von einer Mehrzahl von Mikrolöchern 12 durchdrungen. Die Mikrolöcher 12 sind im Wesentlichen zylindrisch angeordnet und durchdringen das Werkstück 15 in Querrichtung z. Die Querrichtung entspricht der Richtung, in der die Supermikrofasern gesponnen werden sollen. Dazu wird ein direkt zu verspinnendes Fasermaterial durch die Mikrolöcher 12 gedrückt bzw. gepresst.
2 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Schnitt durch das in 1 dargestellte Werkstück 15. Das Werkstück 15 weist in Querrichtung z eine Wandstärke W auf. Die Mikrolöcher 12 durchdringen das Werkstück 15 in Querrichtung z vollständig, wobei die Mikrolöcher 12 eine Tiefe aufweisen, die der Wandstärke W entspricht. Dabei ist die Zylinderachse der Mikrolöcher 12 im Wesentlichen in Querrichtung z ausgerichtet. Die Mikrolöcher 12 weisen einen Durchmesser d auf, der in z-Richtung im Wesentlichen konstant ausgebildet ist.
Die in 2 gezeigten Mikrolöcher 12 weisen einen Innendurchmesser auf, der im Wesentlichen genau so groß wie deren Außendurchmesser ausgebildet ist. Der Innendurchmesser der Mikrolöcher 12 ist an einem z-seitigen Ende der Mikrolöcher 12 ausgebildet, während der Außendurchmesser am gegenüberliegenden z-seitigen Ende der Mikrolöcher 12 ausgebildet ist.
Im beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiel weisen alle Mikrolöcher 12 der Spinndüse 10 im Wesentlichen die gleichen Abmessungen und Lochgeometrien auf.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Fokussieroptik 100, durch die ein Laserstrahl 110 in seinem Brennpunkt fokussiert wird. Die Fokussieroptik 100 kann aus einer oder mehreren Linsen bestehen und ist hinter einem Wendelbohrsystem ausgebildet, das näher in 4 gezeigt ist. Die Fokussieroptik 100 weist eine kurze Brennweite f auf. Eine kurze Brennweite bedeutet dabei einen Wert zwischen 10 mm und 75 mm. Bei Verwendung solch kurzer Brennweiten wird ein besonders kleiner Fokusdurchmesser des Laserstrahls 110 erreicht. Der Fokusdurchmesser des Laserstrahls 110 entspricht dem Durchmesser des Laserstrahls 110 am Fokuspunkt und kann von der Fokussieroptik 100 in Brennweite f beabstandet sein. Der Durchmesser des Fokuspunktes ist in 3 als d_F bezeichnet. Im Koordinatensystem der 1 und 2 erstreckt sich der Fokusdurchmesser d_F in xy-Ebene.
Durch das in 3 nicht gezeigte Wendelbohrsystem bewegt sich der Fokuspunkt des Laserstrahls 110 beim Bohrvorgang der Mikrolöcher auf einer Kreisbahn. Die Kreisbahn erstreckt sich parallel zum Werkstück 15 in xy-Ebene. Die Kreisbahn weist einen Bahndurchmesser d_W auf.
Zum Fokussieren wird eine Fokussieroptik 100 verwendet, die den Laserstrahl 110 auf einen sehr kleinen Fokusdurchmesser fokussiert, der eine Größe von 1 μm bis 15 μm aufweisen kann. Bei der Bohrung mittels Wendelbohrverfahren wird ein Wendelbohrsystem verwendet, das eine Bohrbewegung des Laserstrahls 110 auf der Oberfläche des Werkstücks 15 unter einem Bahndurchmesser d_W bewirkt. Der Bahndurchmesser d_W kann zwischen 2 μm und 30 μm groß ausgebildet sein, insbesondere zwischen 5 μm und 20 μm.
4 zeigt eine Anordnung zum Ausbilden von Mikrolöchern in einem Werkstück 15 in einer schematischen Darstellung. Als Strahlquelle 150 ist ein gepulstes Lasersystem vorgesehen. Die Strahlquelle 150 kann z. B. so ausgebildet sein, dass sie entweder bei einer Wellenlänge von 1064 nm oder bei einer Wellenlänge λ von 523 nm betrieben werden kann. Für das Verfahren zum Herstellen von Mikrolöchern wird die Strahlquelle 150 z. B. bei einer Wellenlänge von 532 nm, also im sichtbaren Wellenlängenbereich, betrieben. Die verwendete Laserstrahlung sollte allgemein beim Bohren eine Wellenlänge vom UV-Bereich bis zu 1,1 μm aufweisen und hin reichend stark fokussiert werden.
Die Strahlquelle 150 erzeugt einen Laserstrahl 110, der zunächst über Umlenkspiegel 140 und 141 auf ein Aufweitungsteleskop 130 gelenkt wird. Das Aufweitungsteleskop 130 dient zum Aufweiten des Laserstrahls 110, der die Strahlquelle 150 als enges Strahlbündel verläßt. Im Aufweitungsteleskop 130 wird der Laserstrahl 110 zunächst beim Durchstrahlen einer Aufweitungslinse 132 mit einer Brennweite von z. B. –50 mm aufgeweitet. Anschließend durchstrahlt der Laserstrahl 110 eine Bündellinse 134 mit einer Brennweite von z. B. 200 mm, die den Laserstrahl wieder in ein paralleles Lichtbündel umwandelt, dessen Strahlbündeldurchmesser im Gegensatz zum Strahlbündeldurchmesser des direkt aus der Strahlquelle 150 emittierten Laserstrahls aufgeweitet ist. Über die Einstellung des Abstandes der Aufweitungslinse 132 von der Bündellinse 134 wird der objektseitige Abstand der Taille des auf die Fokussieroptik 100 einfallenden Strahles eingestellt.
Die in der 4 gezeigte Vorrichtung ist beispielhaft zu verstehen und kann abgeändert werden. So können z. B. auch viellinsige Aufweitungsteleskope mit komplexerem Aufbau verwendet werden.
Der Laserstrahl wird über zwei weitere Umlenkspiegel 142 und 143 durch eine Viertelwellenplatte 138 oder ein anderes optisches Element zur Beeinflussung der Polarisation gelenkt und trifft auf ein Wendelbohrsystem 120. Das Wendelbohrsystem 120 weist zumindest eine erste Keilplatte 121, eine zweite Keilplatte 122 und eine dritte Keilplatte 123 auf. Die drei Keilplatten 121, 122 und 123 lenken den Laserstrahl 110 jeweils um einen sehr kleinen Winkel im einstelligen Gradbereich oder sogar nur im Bruchteil eines einzelnen Grades von seiner Ausbreitungsrichtung ab. Indem die Keilplatten in einer bestimmten Phasenbeziehung rotieren, wird der das Wendelbohrsystem 120 durchlaufende Laserstrahl 110 so von seiner Ausbreitungsrichtung abgelenkt, dass er auf einer kreisförmigen Wendelbahn rotiert, wobei die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 110 eine Mittelachse der Wendelbahn bildet.
Nach dem Durchstrahlen des Wendelbohrsystems 120 wird der Laserstrahl 110 durch eine Fokussieroptik 100 fokussiert.
Die Fokussieroptik 100 der 4 entspricht der schematisch gezeigten Fokussieroptik 100 in 3. Der Laserstrahl 110 wird auf einem Werkstück 15 fokussiert. Zwischen der Fokussieroptik 100 und dem Werkstück 15 kann eine Gasdüse 20 angeordnet sein, die durch Freisetzung von Gas den Bohrvorgang beeinflussen kann.
Zur Durchführung des Verfahrens zum Herstellen eines Mikrolochs in dem Werkstück 15 wird ein gepulster bzw. ultrakurz gepulster Laserstrahl 110 verwendet. Die z-Position, also der Abstand vom Werkstück 15 in Querrichtung, der Fokussieroptik 100 kann an das Höhenprofil der Bearbeitungsfläche des Werkstücks 15 angepasst werden, wodurch die Reproduzierbarkeit der zu erstellenden Düsengeometrie verbessert wird.
Die Umlenkspiegel 140, 141, 142 und 143 können zum Beispiel als dielektrisch beschichtete Glassubstrate ausgebildet sein, an denen der Laserstrahl 110 umgelenkt wird.
5A und 5B zeigen Aufnahmen von Mikrolöchern, die in ein Werkstück mittels des oben beschriebenen Verfahrens gebohrt wurden. 5A zeigt in der oberen Hälfte in einem Kreisraster angeordnete Eintrittsöffnungen und in der unteren Hälfte eine vergrößerte Aufnahme einer einzelnen Eintrittsöffnung eines Mikrolochs der Spinndüse aus der oberen Figurenhälfte. Die 5B zeigt in der oberen Hälfte die Rückseite der in 5A gezeigten Spinndüse mit den Austrittsöffnungen der erstellten Mikrolöcher. In der unteren Hälfte der 5B ist eine einzelne Austrittsöffnung eines Mikrolochs der Spinndüse in einer vergrößerten Fotografie gezeigt.
6A zeigt vier Aufnahmen zum Justieren der in 4 gezeigten Vorrichtung. 6A i) zeigt Einbrandserien zur Justierung des Aufweitungsteleskops 130. Dabei werden sowohl die Bohrergebnisse auf dem Werkstück 15 überprüft, als auch die Einstellungen der Aufweitungslinse 132 und der Bündellinse 134 justiert. 6A iii) zeigt die Zieleinstellung des justierten Aufweitungsteleskops 130. Dabei wird die Fokusebene und die Taillenebene so eingestellt, dass sich minimale Bohrdurchmesser als Durchmesser der Mikrolöcher ergeben.
6A ii) zeigt Einbrandserien zur Justierung des Wendelbohrsystems 120, wobei der minimale Bahndurchmesser d_W ermittelt wird. 6A iv) zeigt die Endeinstellung des justierten Wendelbohrsystems 120. Dabei wurden verschiedene Bahndurchmesser d_W von 8 μm bis 32 μm auf dem Werkstück getestet.
Die Justierung des Aufweitungsteleskops 130 und des Wendelbohrsystems 120 erfolgt bevorzugt vor dem Bohrvorgang.
6B zeigt ein Diagramm, in dem die Radien mehrerer Isophoten über dem Abstand von der Taille eines stark fokussierten Laserstrahls aufgetragen sind. Für die gewählte Fokussierung und eine Pulsenergie Q_p von 20 μJ sind Isophoten bei Energiedichten H_Iso zwischen 0,5 J/cm² und 5 J/cm² eingezeichnet. Das Schaubild macht die mit der scharfen Fokussierung verbundene starke Divergenz des Laserstrahls beidseitig der Strahltaille deutlich.
Durch das Verfahren lassen sich Hohldurchmesser um die 30 μm für Mikrolöcher einer Spinndüse erstellen. Bei beispielhaft durchgeführten Bohrversuchen wurden dabei Repetitionsraten f_P von 30 bis 100 kHz verwendet, Pulsenergien Q_p von 5 μJ bis 25 μJ, mittlere Laserleistungen P_AV von 0,3 W bis 1 W, Wendelbohrfrequenzen f_W von 17 bis 33 Hz, Bahndurchmesser d_W der Wendelbahn von 8 bis 11 μm und Anstellwinkel γ_W des Laserstrahls von 0,1° bis 0,5°.
Die 7A zeigt in einer schematischen Darstellung verschiedene Bohrungsgeometrien bzw. Lochgeometrien von Mikrolöchern in einem Werkstück 15. Die Mikrolöcher 12a bis 12g sind aus dem Werkstück 15 herausgebohrt und in einer jeweils unterschiedlichen Form, also mit unterschiedlicher Bohrungsgeometrie, ausgebildet. Die Mittelachsen der Mikrolöcher 12a bis 12g sind quer zur flächigen Ausbildung des Werkstücks 15 in Querrichtung angeordnet. Durch das Herausbohren der Mikrolöcher mit einem Wendelbohrsystem unter geeigneter Steuerung der relevanten Laser- und Verfahrensparameter können die unterschiedlich geformten Bohrungsgeometrien erzielt werden.
Das Mikroloch 12a ist als zylindrisches Mikroloch ausgebildet mit einem konstanten Durchmesser in Verlaufsrichtung des Mikrolochs. Das Mikroloch 12b ist positiv konisch ausgebildet, wobei sein Durchmesser von einer Eintrittsseite 15a des Werkstücks 15 zur Austrittsseite 15b des Werkstücks, z. B. um etwa den Faktor 2, abnimmt. Bei den Mikrolöchern sind die Innendurchmesser an der Eintrittsseite 15a angeordnet und die Außendurchmesser an der Austrittsseite 15b. Das Mikroloch 12c ist negativ konisch ausgebildet, wobei sein Durchmesser von der Eintrittsseite 15a zur Austrittsseite 15b hin zunimmt. Das Mikroloch 12d weist eine abgerundete, sich aufweitende Eintrittsöffnung auf der Eintrittsseite 15a auf. Man spricht hier von einem Mikroloch mit einem Radius. Das Mikroloch 12e weist eine Fase auf der Eintrittsseite 15a auf. Ähnlich ist das Mikroloch 12f mit einem Einlauftrichter an der Eintrittsseite 15a ausgebildet. Eine Fase weist üblicherweise einen Winkel zwischen 45° und 60° zur Lochachse auf, der Einlauftrichter des Mikrolochs 12f kann auch flacher ausgebildet sein. Entlang der Fase bzw. des Einlauftrichters verengt sich der Durchmesser des Mikrolochs 12e bzw. 12f stetig, bis es seinen Zieldurchmesser erreicht. Die drei Mikrolöcher 12d, 12e und 12f sind anschließend an ihre erweiterte Eintrittsöffnung zylindrisch mit einem konstanten Durchmesser bis zur Austrittsseite 15b hin ausgebildet. Das Mikroloch 12g weist eine Taillierung auf, also eine Stelle mit einem minimalen Durchmesser. Zu dieser Stelle mit minimalem Durchmesser im Inneren des Werkstücks 15 hin nimmt der Durchmesser des Mikrolochs 12g sowohl von der Eintrittssseite 15a als auch von der Austrittsseite 15b her (z. B. stetig) ab.
Die in der 7A gezeigten Mikrolöcher 12a bis 12g sind Ausführungsbeispiele für die Mikrolöcher 12 der Spinndüse. In der Spinndüse können alle Mikrolöcher 12 die gleiche Bohrungsgeometrie aufweisen, oder auch unterschiedlich ausgebildet sein.
Allgemein können die Mikrolöcher verschiedene Segmente mit je einer der vorstehend genannten Formen, Fasen, Radien und/oder trichterförmigen Einläufe aufweisen.
Die 7B zeigt eine schematische Darstellung zum Einstellen des Ein- und Austrittsdurchmessers eines Mikrolochs über die Fokuslage des Laserstrahls. Als Zielvorgabe wird ein tailliertes Mikroloch vorgegeben, einmal mit einer Taillierung nahe der Eintrittsseite 15a für das Mikroloch 12g', einmal mit einer Taillierung in der Wandmitte des Werkstücks 15 für das Mikroloch 12g und einmal mit einer Taillierung nahe der Austrittsseite 15b für das Mikroloch 12g''.
Über den jeweiligen Ein- bzw. Austrittsöffnungen der Mikrolöcher 12g, 12g' und 12g'' zeigt 7 die verwendeten Fokuslagen. Durch die Fokussieroptik 100 (vgl. 4) mit einer Brennweite f (vgl. 3) wird der Fokusdurchmesser d_F eingestellt. Somit kann die Bohrgeometrie der einzelnen Mikrolöcher über die Fokuslage der Laserstrahlung beim Bohren ausgewählt werden.
Die 8 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Wendelbohrens. In das Werkstück 15 wird ein Mikroloch 12 gebohrt, was dadurch erfolgt, dass ein gepulster Laserstrahl mit dem Fokusdurchmesser d_F auf einer Bahnkurve mit dem Bahndurchmesser d_W geführt wird. Der bevorzugte Wellenlängenbereich für die Bearbeitung ist der Bereich der ultravioletten bis zur sichtbaren Strahlung, insbesondere von 200 nm bis 600 nm.
Die Pulsdauer liegt beim Wendelbohren in einem Bereich von 50 fs bis 100 ns, bevorzugt in einem Bereich von 50 fs bis 100 ps, besonders bevorzugt in einem Bereich von 500 fs bis 20 ps. Im bevorzugten Pulsdauer- und Wellenlängenbereich gibt es kommerzielle Lasersysteme, mit denen die Materialbearbeitung erfolgen kann. Bei Verwendung einer Pulsdauer von etwa 10 ps kann ein Großteil der durch den Laserstrahl in das Material des Werkstücks eingebrachte Energie, ca. 70% bis 90%, direkt in die Verdampfung des Werkstückmaterials umgesetzt werden. Dadurch wird die Umgebung des zu bohrenden Mikrolochs nur mit einem relativ geringen Energieanteil beaufschlagt, was eine geringe thermische Belastung der Umgebung des Mikrolochs, eine hohe Effizienz des Bearbeitungsprozesses und eine hohe Bearbeitungsqualität bewirkt.
Bei der Materialbearbeitung mit gepulster Laserstrahlung sind die Laserparameter Pulsenergie, Repetitionsrate und mittlere Leistung miteinander verknüpft. Beispielsweise können die Laserparameter für das Erreichen der angestrebten Lochgeometrie, Bearbeitungsqualität und Reproduzierbarkeit sowie einer angemessenen Bearbeitungsdauer von einigen Sekunden bis wenigen 10 Sekunden pro Mikroloch folgendermaßen aufeinander abgestimmt sein:

– Pulsenergie von 0,1 μJ bis 100 μJ, bevorzugt von 1 μJ bis 30 μJ;
– Repetitionsrate von 1 kHz bis 1 MHz, bevorzugt von 10 kHz bis 400 kHz und
– mittlere Leistungen von 0,05 W bis 50 W, bevorzugt von 0,1 W bis 10 W.

Beim Wendelbohrverfahren wird die Polarisation des Laserstrahls gezielt eingestellt und dabei die meist lineare Polarisation des von der Laserstrahlquelle emittierten Strahls in die gewünschte Polarisationsform überführt. Zur Herstellung von Mikrolöchern mit einem kreisförmigen Querschnitt besonders geeignet sind rotationssymmetrische Polarisationsformen, insbesondere die zirkulare Polarisation. Eine zirkulare Polarisation kann mit Hilfe einer Viertelwellenlängenplatte (vgl. Bezugszeichen 138 in 4) erzeugt werden. Auch azimutale und radiale Polarisationsformen können zum Herstellen von Mikrolöchern mit kreisförmigem Querschnitt verwendet werden. Elliptische und lineare Polarisationsformen sind dann zur Herstellung kreisförmiger Bohrquerschnitte geeignet, wenn die Polarisationsrichtung während des Bohrprozesses um die Strohlachse rotiert wird. Die zirkulare Polarisation und die elliptische Polarisation sind in der Norm DIN EN ISO 12005 im Absatz 4.4 und 4.5 definiert.
Eine spezielle Ausführungsform des Wendelbohrverfahrens betrifft das Bohren mit einem Wendelbohrdurchmesser gleich 0. Dabei wird die Strohlachse des Laserstrahls nicht auf einer Bahn bewegt sondern konstant gehalten. Dies entspricht einem Perkussionsbohren mit Laserpulsen.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, beim Bohrvorgang das Strahlprofil des Laserstrahls um die Strohlachse zu rotieren. Dies kann durch ein geeignetes Wendelbohrsystem erfolgen und die Rundheit der Bohrung verbessern.
Die 9 zeigt ein Negativ einer Fotografie einer Spinndüse. Eine Vielzahl von Mikrolöchern sind dabei in konzentrischen Kreisen um einen Mittelpunkt der Spinndüse angeordnet.
Bei Testversuchen ergab sich eine hohe Bearbeitungsqualität, die z. B. in einer hohen Formtreue und der Abwesenheit von Graten und Schmauchablagerungen deutlich wird. Einige Testraster wurden mit einer Rasterweite von 50 μm erstellt, also einem Abstand von 50 μm der Zylinderachsen der Mikrolöcher voneinander in der xy-Ebene. Dabei zeigt sich eine hohe Reproduzierbarkeit, und es ist möglich, geringe Stegbreiten zwischen den Mikrolöchern auszubilden, da die Laserbearbeitung nahezu kraftfrei erfolgt. Die Umgebung der Mikrolöcher wird auf der Oberfläche des Werkstücks 15 nur gering kontaminiert. Die Rundheit des Mikrolochs kann von der Homogenität des Strahlprofils des Laserstrahls 110 abhängig sein.
Durch Verwendung einer höheren Harmonischen der meist infraroten Grundstrahlung gepulster Lasersysteme wird eine höhere Präzision und eine schlankere Strahlkaustik erreicht. Zusätzlich zum Wendelbohrverfahren können Prozessgase eingesetzt werden, um die Eintrittsqualität eines Mikrolochs im Werkstück 15 zu erhöhen. Durch das Bohren mit einem rotierenden Strahlprofil können kreisrunde Bohrungen im Werkstück 15 erzeugt werden. Bei den Bohrungen kann die Strahltaille (also der Fokus des Laserstrahls 110) 100 μm bis 200 μm tief unterhalb oder oberhalb der Werkstückoberfläche positioniert werden. Die Fokuslage des Laserstrahls 110 beeinflusst die Geometrie und Qualität des Mikrolochs und insbesondere der Strahlein- und -austrittsöffnung. Bei der Fertigung von Mikrolöchern mit Durchmessern von ≤ 30 μm und bei Aspektverhältnissen von 5:1 kann der Fokus oft in die Werkstückmitte oder näher am Austritt als am Eintritt angeordnet werden. Aufgrund der durch das Verfahren erzielten scharfen Fokussierung sind die Eintritts- und Austrittsdurchmesser der Mikrolöcher stark abhängig von der Verschiebung der Fokuslage.
Durch das beschriebene Verfahren können Spindeldüsen hergestellt werden, die ein direktes Spinnen von Supermikrofasern ermöglichen. Dabei können Mikrolöcher erzeugt werden, deren Durchmesser unterhalb von 30 μm liegen und die Werkstücke mit Wandstärken von 300 μm durchdringen.
Bezugszeichenliste

10: Spinndüse
12: Mikroloch
12a: zylindrisches Mikroloch
12b: positiv konisches Mikroloch
12c: negativ konisches Mikroloch
12d: Mikroloch mit Radius an Eintrittsöffnung
12e: Mikroloch mit Fase an Eintrittsöffnung
12f: Mikroloch mit Einlauftrichter an Eintrittsöffnung
12g, 12g' und 12g'': tailliertes Mikroloch
15: Werkstück
15a: Eintrittsseite
15b: Austrittsseite
20: Gasdüse
100: Fokussieroptik
110: Laserstrahl
120: Wendelbohroptik
121: erste Keilplatte
122: zweite Keilplatte
123: dritte Keilplatte
130: Aufweitungsteleskop
132: Aufweitungslinse
134: Bündellinse
138: Viertelwellenplatte
140: Umlenkspiegel
141: Umlenkspiegel
142: Umlenkspiegel
143: Umlenkspiegel
150: Strahlquelle
d: Durchmesser des Mikrolochs
d_F: Fokusdurchmesser
f: Brennweite
W: Wandstärke des Werkstücks
λ: Wellenlänge
f_P: Repetitionsrate
Q_P: Pulsenergie
P_AV: mittlere Laserleistung
H_ISO: Isophotenenergiedichte
f_W: Wendelbohrfrequenz
d_W: Bahndurchmesser der Wendelbahn
γ_W: Anstellwinkel der Wendelbahn
τ_H: Pulsdauer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10138866 A1 [0005]
DE 10331236 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN EN ISO 11145 [0033]
Norm DIN EN ISO 12005 [0083]

Claims

Spinndüse mit – einem Werkstück (15), das in einer Querrichtung (z) eine Wandstärke (W) aufweist und – mehreren Mikrolöchern (12), welche das Werkstück (15) im Wesentlichen in der Querrichtung (z) durchdringen; wobei die Mikrolöcher (12) einen Durchmesser (d) von höchstens 45 μm aufweisen und die Wandstärke (W) des Werkstücks (15) in der Querrichtung (z) zumindest so dick ausgebildet ist, dass das Aspektverhältnis zwischen der Wandstärke (W) des Werkstücks (15) und dem Durchmesser (d) der Mikrolöcher (12) mindestens 5:1 beträgt.
Spinndüse nach Anspruch 1, wobei die Wandstärke (W) des Werkstücks (15) eine Dicke von 100 μm bis 500 μm aufweist.
Spinndüse nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mikrolöcher (12) im Wesentlichen in Form eines Zylinders ausgebildet sind, dessen Zylinderachse im Wesentlichen in der Querrichtung (z) angeordnet ist.
Spinndüse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Mikrolöcher (12) in der Querrichtung (z) konisch ausgebildet sind, wobei das Verhältnis zwischen einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser der Mikrolöcher (12) 3:1 bis 1:3 beträgt.
Spinndüse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Mikrolöcher (12) so formgenau in dem Werkstück (15) ausgebildet sind, dass die mittlere Rauheit R_a an der Bohrungsinnenwand der Mikrolöcher (12) kleiner als 0,5 μm ist.
Verfahren zum Herstellen mehrerer Mikrolöcher (12) in einem Werkstück (15) mittels eines Laserstrahls (110), wobei der Laserstrahl (110) durch ein Wendelbohrsystem (120) auf einer vorbestimmten Bahnkurve so geführt wird, dass in dem Werkstück (15) Mikrolöcher (12) mit einem Durchmesser (d) von höchstens 45 μm und einer Eindringtiefe von mindestens dem Fünffachen ihrer Durchmesser (d) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Laserstrahl (110) durch das Wendelbohrsystem (120) mit einem vorbestimmten Anstellwinkel (γ_W) und in einer vorbestimmten Bahngeschwindigkeit geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Laserstrahl (110) auf der vorbestimmten Bahnkurve so geführt wird, dass der Bahnkurvendurchmesser (d_W) von 2 μm bis 30 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Laserstrahl (110) auf dem Werkstück (15) so fokussiert wird, dass der Fokusdurchmesser (d_F) des Laserstrahls (110) eine Größe von höchstens 30 μm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Laserstrahl (110) bei Brennweiten (f) von 10 mm bis 75 mm auf dem Werkstück (15) fokussiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der Durchmesser (d) der Mikrolöcher (12) über die Fokuslage des Laserstrahls (110) eingestellt wird, insbesondere der Durchmesser (d) der Ein- und/oder Austrittsöffnungen der Mikrolöcher (12).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Fokuslage des Laserstrahls (110) an ein Höhenprofil des Werkstücks (15) angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei eine Spinndüse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt wird.