DE102013204809A1 - Pastöses Schutzmittel als Rückraumschutz bei einem Laserbohren, Rückraumschutzvorrichtung, Verfahren zum Erzeugen einer Durchgangsbohrung und Vorrichtung zur Durchführung solch eines Verfahrens - Google Patents

Pastöses Schutzmittel als Rückraumschutz bei einem Laserbohren, Rückraumschutzvorrichtung, Verfahren zum Erzeugen einer Durchgangsbohrung und Vorrichtung zur Durchführung solch eines Verfahrens Download PDF

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Abstract

Ein pastöses Schutzmittel (13), das als Rückwandschutz bei einem Laserbohren dient, umfasst keramische Partikel und ein organisches Andickungsmittel. Ferner ist eine Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens zum Laserbohren angegeben, wobei eine Fördervorrichtung (6) vorgesehen ist, die zum kontinuierlichen Fördern des pastösen Schutzmittels (13) in den Hohlraum (12) des Werkstücks (2) dient.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein pastöses Schutzmittel, das als Rückraumschutz beim Laserbohren dient, eine Rückraumschutzvorrichtung, ein Verfahren zum Erzeugen einer Durchgangsbohrung in einer Wand eines Werkstücks und eine Vorrichtung zur Durchführung solch eines Verfahrens. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Herstellung von Düsenbohrungen, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile.
  • Aus der DE 10 2011 078 651 A1 sind ein Verfahren zum Erzeugen zumindest einer Durchgangsbohrung und eine Vorrichtung zur Durchführung solch eines Verfahrens bekannt. Das Verfahren nutzt einen Laserstrahl, der von außen auf eine Wand gerichtet wird, die einen Hohlraum eines Werkstücks begrenzt. Hierbei wird in den Hohlraum eines Werkstücks ein pastöses Schutzmittel eingebracht. Das pastöse Schutzmittel wird in der Verlängerung des durch die Durchgangsbohrung austretenden Laserstrahls vor eine den Hohlraum begrenzende Rückwand des Werkstücks gebracht. Hierdurch ist ein zuverlässiger Schutz der Rückwand vor Abtrag durch den Laserstrahl beim Laserbohren der Durchgangsbohrung gewährleistet. Bei einer möglichen Ausgestaltung kann das pastöse Schutzmittel auf der Basis eines keramischen Pulvers in wässriger Lösung oder in einer nicht wässrigen Dispersion ausgebildet sein, in das metallische Partikel oder Glasfaserstücke eingelagert sind.
  • Beim Einsatz eines pastösen Schutzmittels bei einem Verfahren zum Erzeugen einer Durchgangsbohrung, wie es aus der DE 10 2011 078 651 A1 bekannt ist, besteht das Problem, dass der erforderliche Rückraumschutz durch kontinuierliche Zuführung gewährleistet werden muss, wenn das pastöse Schutzmittel beispielsweise über bereits gebohrte Durchgangsbohrungen auslaufen kann. Vorzugsweise wird solch ein Auslaufen allerdings vermieden. Andererseits muss das pastöse Schutzmittel die für den Rückraumschutz erforderlichen Absorptions- und Streuungseigenschaften aufweisen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße pastöse Schutzmittel mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die erfindungsgemäße Rückraumschutzvorrichtung nach Anspruch 9, das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 haben demgegenüber den Vorteil, dass die Herstellung einer Durchgangsbohrung in einer Wand des Werkstücks weiter verbessert ist. Hierbei kann zum einen die Viskosität des pastösen Schutzmittels so eingestellt werden, dass ein Auslaufen aus Durchgangsbohrungen vermieden wird und zum anderen die erforderlichen Absorptions- und Streuungseigenschaften gewährleistet werden können.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen pastösen Schutzmittels, der im Anspruch 9 angegebenen Rückraumschutzvorrichtung, des im Anspruch 10 angegebenen Verfahrens und der im Anspruch 11 angegebenen Vorrichtung möglich.
  • Das pastöse Schutzmittel kann durch kontinuierliche Zuführung in den Hohlraum des Werkstücks als Rückraumschutz beim Laserbohren von Durchgangsbohrungen, insbesondere Düsenbohrungen, eingesetzt werden. Die Zusammensetzung des pastösen Schutzmittels erfolgt hierbei auf der Basis von keramischen Partikeln und dem organischen Andickungsmittel. Durch die Einbringung von keramischen Partikeln mit den für den Rückraumschutz erforderlichen Absorptions- und Streuungseigenschaften in einem bestimmten Feststoffverhältnis kann der erforderliche Rückraumschutz durch kontinuierliche Zuführung gewährleistet werden. Die Viskosität des pastösen Schutzmittels kann hierbei so weit angehoben werden, dass ein Auslaufen aus Durchgangsbohrungen vermieden wird. Die höhere Viskosität kann hierbei auch zur homogenen Stabilisierung der keramischen Partikel in einem wässrigen System dienen.
  • Der Einsatz des pastösen Schutzmittels hat den Vorteil, dass der Einsatz weitgehend unabhängig von der Formgebung des Werkstücks, insbesondere des Hohlraums des Werkstücks ist, so dass das Schutzmittel insbesondere für jeden Düsentyp einsetzbar ist.
  • Außerdem ist durch die kontinuierliche Nachdosierung beziehungsweise gleichmäßige Förderung auch mit preisgünstigen Füllstoffen, zum Beispiel CaCO3 durch Einstellung eines bestimmten Feststoffgehaltes eine starke Absorption der Laserstrahlung möglich. Somit kann durch Mischungen von einem besonders absorbierenden Feststoff mit einem besonders preisgünstigen Material eine Kostensenkung erzielt werden.
  • Bei einer möglichen Ausgestaltung setzt sich das pastöse Schutzmittel aus dem Andickungsmittel Polyethylenoxid (PEO), in Abhängigkeit von dem gewählten keramischen Füllstoff aus dem Dispergator Natriumpolyphosphat und einem oder mehreren keramischen Füllstoffen zusammen. Als keramische Füllstoffe oder keramische Partikel kann CaCO3, Glimmer, insbesondere in Form eines 100 % kristallinen, feinst vermahlenen Muskovit-Produkts, ZrO2 und/oder TiO2 zum Einsatz kommen. Polyethylenoxid übernimmt vorzugsweise die Rolle des Andickungsmittels und ist vorzugsweise zwischen 3 und 8 Masse-% in Bezug auf die Partikelmenge dosiert, um gute rheologische Eigenschaften für eine kontinuierliche Dosierung zu gewährleisten. Insbesondere können 4–6 Masse-% zudosiert werden. Polyethylenoxid ist außerdem besonders gut geeignet, höherviskose wässrige Mischungen ohne Einschluss von Luftblasen herzustellen. Natriumpolyphosphat wird vorzugsweise als Dispergierhilfsmittel für ZrO2, CaCO3 und TiO2 eingesetzt. Glimmer wird vorzugsweise ohne ein Dispergierhilfsmittel mit Hilfe des Polyethylenoxids zu einer stabilen Suspension verarbeitet. Die Herstellung des pastösen Schutzmittels erfolgt vorzugsweise über einen Dissolver, wobei die keramischen Partikel langsam in das Wasser eingearbeitet werden. Sofern ein Dispergierhilfsmittel zum Einsatz kommt, wird dieses vorzugsweise vor der Zugabe des Andickungsmittels zugegeben.
  • Die Effektivität des jeweiligen Füllstoffs kann beispielsweise mit Hilfe von Extinktionskurven eingestellt und entsprechend auch nachgewiesen werden.
  • Nach der Bohrung einer oder mehrerer Durchgangsbohrungen kann das in dem Hohlraum verbleibende pastöse Schutzmittel ausgespült werden. An der Bohrungswand verbleibende Rückstände sind hierbei in der Regel unproblematisch.
  • Das in den Hohlraum des Werkstücks eingebrachte pastöse Schutzmittel bildet eine Rückraumschutzvorrichtung in der dadurch definierten Form aus.
  • Vorteilhaft ist es ferner, dass eine Fördervorrichtung, die das pastöse Schutzmittel fördert, teilweise in den Hohlraum des Werkstücks eingeführt wird, dass ein Arbeitsteil des Hohlraums durch die Fördereinrichtung begrenzt wird und dass der Arbeitsteil des Hohlraums durch die Fördereinrichtung mit dem pastösen Schutzmittel aufgefüllt wird. Hierbei ist während der Bearbeitung ein, insbesondere kontinuierliches, Nachfüllen oder Nachfördern des verbrauchten Schutzmittels vorteilhaft. Somit kann eine optimale Nutzung des Schutzmittels bei geringem Verbrauch erfolgen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 ein Werkstück und eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Erzeugen zumindest einer Durchgangsbohrung in einer Wand des Werkstücks in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 1 und ein Werkstück 2 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung 1 dient hierbei zum Durchführen eines Verfahrens zum Erzeugen von Durchgangsbohrungen 3, 4 in dem Werkstück 2. Bei dem Werkstück 2 kann es sich insbesondere um einen Düsenkörper 2 eines Brennstoffeinspritzventils handeln. Somit eignet sich das von der Vorrichtung 1 durchgeführte Verfahren speziell zur Ausgestaltung von Durchgangsbohrungen 3, 4, die als Düsenbohrungen 3, 4 eines Düsenkörpers 2 ausgestaltet sind. Die Vorrichtung 1 eignet sich besonders zur Durchführung solch eines Verfahrens. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Durchgangsbohrungen 3, 4 dargestellt. Die Anzahl solcher Durchgangsbohrungen 3, 4 kann in Bezug auf den jeweiligen Anwendungsfall aber unterschiedlich festgelegt werden.
  • Die Vorrichtung 1 weist eine schematisch dargestellte Lasereinrichtung 5 und eine schematisch dargestellte Fördervorrichtung 6 auf. Die Fördervorrichtung 6 ist hierbei exemplarisch als Förderschnecke 6 dargestellt, aber nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt.
  • Im Betrieb erzeugt die Lasereinrichtung 5 einen Laserstrahl 7, der in einer Richtung 8 auf das Werkstück 2 gerichtet wird. Hierbei wird der Laserstrahl 7 auf die Stelle der Durchgangsbohrung 3 beziehungsweise der zu erzeugenden Durchgangsbohrung 3 auf eine Wand 9 des Werkstücks 2 fokusiert. In der Richtung 8 ergibt sich eine Verlängerung 10 des durch die Durchgangsbohrung 3 geführten Laserstrahls 7. Die Verlängerung 10 des Laserstrahls 7 trifft auf eine Rückwand 11 des Werkstücks 2. Hierbei ergibt sich der Begriff Wand 11 in Bezug auf die Wand 9 und die Richtung 8 des Laserstrahls 7. Bei der Durchführung des Verfahrens soll der Laserstrahl 7 hierbei nur in der Wand 9 eine Durchgangsbohrung 3 erzeugen, während die Rückwand 11 unverletzt bleiben soll.
  • Zwischen der Wand 9 und der Rückwand 11 befindet sich ein Hohlraum 12 des Werkstücks 2. Die erzeugten Durchgangsbohrungen 3, 4 münden in den Hohlraum 12, so dass beispielsweise Brennstoff über diese Durchgangsbohrungen 3, 4 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine oder dergleichen eingespritzt werden kann, wenn das Werkstück 2 als Düsenkörper 2 eines Brennstoffeinspritzventils zum Einsatz kommt.
  • Bei der Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung der Durchgangsbohrungen 3, 4 fördert die Fördervorrichtung 6 ein pastöses Schutzmittel 13 in den Hohlraum 12. Während des Laserbohrens erfolgt durch die Fördervorrichtung 6 vorzugsweise ein kontinuierliches Nachfördern des pastösen Schutzmittels 13. Das pastöse Schutzmittel 13 weist keramische Partikel und ein organisches Andickungsmittel auf. Als organisches Andickungsmittel kann beispielsweise ein Polyethylenoxid zum Einsatz kommen. In Abhängigkeit von dem gewählten Werkstoff (Füllstoff) für die keramischen Partikel kann gegebenenfalls auch ein Dispergator zum Einsatz kommen. Solch ein Dispergator kann ein Natriumphosphat umfassen.
  • Die keramischen Partikel können zumindest teilweise als CaCO3 und/oder zumindest teilweise aus einem Zirconiumoxid, insbesondere ZrO2, und/oder zumindest teilweise aus einem Titanoxid, insbesondere TiO2, gebildet sein. In diesem Fall kommt vorzugsweise ein Dispergierhilfsmittel, insbesondere Natriumpolyphosphat, zum Einsatz.
  • Die keramischen Partikel können auch aus Glimmer gebildet sein. In diesem Fall kommt vorzugsweise kein Dispergierhilfsmittel zum Einsatz, da Glimmer mit Hilfe eines Andickungsmittels, insbesondere Polyethylenoxid, zu einer stabilen Suspension verarbeitet werden kann.
  • Bei der Wahl der keramischen Partikel kann insbesondere eine Mischung aus ZrO2 und TiO2 zum Einsatz kommen. Hierdurch ergibt sich eine starke Absorption der Laserstrahlen. Allerdings können auch Mischungen mit solchen besonders gut absorbierenden Feststoffen mit einem besonders preisgünstigen keramischen Material, insbesondere CaCO3 zum Einsatz kommen.
  • Das Andickungsmittel, insbesondere Polyethylenoxid, wird vorzugsweise zwischen 3 und 8 Masse-%, insbesondere zwischen 4 und 6 Masse-%, in Bezug auf die Partikelmenge dosiert, um das pastöse Schutzmittel herzustellen. Der Bereich zwischen 4 und 6 Masse-% hat sich im Versuch als besonders vorteilhaft herausgestellt. Somit ist ein Quotient mit einem Dividend, der die Masse des organischen Andickungsmittels ist, und einem Divisor, der die Masse der keramischen Partikel ist, vorzugsweise zwischen 0,03 und 0,08, insbesondere zwischen 0,04 und 0,06, eingestellt. Hierdurch können gute rheologische Eigenschaften für eine kontinuierliche Dosierung des pastösen Schutzmittels gewährleistet werden. Speziell Polyethylenoxid ist außerdem besonders gut geeignet, um höherviskose wässrige Mischungen ohne einen Einschluss von Luftblasen herzustellen. Somit wird das pastöse Schutzmittel 13 von der Fördervorrichtung 6 zumindest weitgehend ohne eingeschlossene Luftblasen in den Hohlraum 12 gefördert. Hierbei wird das pastöse Schutzmittel in den Hohlraum 12 des Werkstücks 2 auch in der Verlängerung 10 des zur Erzeugung der Durchgangsbohrung 3 auf die Wand 9 gerichteten Laserstrahls 7 zwischen der Wand 9 und der den Hohlraum 12 begrenzenden Rückwand 11 des Werkstücks 2 gebracht. Somit ist in Bezug auf die Richtung 8 vor der Rückwand 11 stets das pastöse Schutzmittel 13 als Schutz vorgesehen, wenn die Lasereinrichtung 5 aktiv ist.
  • Das in den Hohlraum 12 des Werkstücks 2 eingebrachte pastöse Schutzmittel 13 bildet somit eine Rückraumschutzvorrichtung zum Laserbohren aus. Die Rückraumschutzvorrichtung entspricht somit der in den Hohlraum 12 eingebrachten Masse des pastösen Schutzmittels 13. Das pastöse Schutzmittel 13 und damit die Rückraumschutzvorrichtung füllt dabei den Hohlraum 12 mit Ausnahme der Fördervorrichtung 6 vollständig aus, zumindest jedoch den Teil des Hohlraumes 12, in dem die Verlängerung 10 des Laserstrahls 7 auf die Rückwand 11 trifft. In diesem Fall wird die Rückraumschutzvorrichtung zumindest durch die Wände 9, 11 begrenzt.
  • Über die bereits gebohrte Durchgangsbohrung 4 kann das pastöse Schutzmittel 13 gegebenenfalls aus dem Hohlraum 12 austreten. Die Viskosität des pastösen Schutzmittels 13 kann durch das organische Andickungsmittel gezielt angehoben werden, um ein Auslaufen aus der Durchgangsbohrung 4 zu vermeiden. Zugleich kommt es zu einer homogenen Stabilisierung der keramischen Partikel in dem wässrigen System des pastösen Schutzmittels 13.
  • Mit der Fördervorrichtung 6 wird das pastöse Schutzmittel 13 gefördert, das keramische Partikel und das organische Andickungsmittel umfasst.
  • Das pastöse Schutzmittel 13 kann beispielsweise auch mit einer Art Kalander, eventuell unter Verwendung einer Lanze, in den Hohlraum 12 des Werkstücks 2 gepresst werden. Ein Verlust an pastösem Schutzmittel 13, der durch Austreten über bereits gebohrte Durchgangsbohrungen 4 oder dergleichen auftritt, kann hierbei durch, insbesondere kontinuierliches, Nachpressen ausgeglichen werden.
  • Die Fördervorrichtung 6, die das pastöse Schutzmittel 13 fördert, wird teilweise in den Hohlraum 12 eingeführt. Ein Arbeitsteil des Hohlraums 12 wird durch die Fördervorrichtung 6 begrenzt. Der Arbeitsteil des Hohlraums 12 wird durch die Fördervorrichtung 6 mit dem pastösen Schutzmittel 13 aufgefüllt.
  • Je nach Ausgestaltung und Anwendungsfall kann das pastöse Schutzmittel auch metallische Partikel, Glasfaserstücke oder dergleichen enthalten, um den Absorptionsquerschnitt an den erzeugten Laserstrahl 7 anzupassen. Somit kann auch bei geringen Abständen zur Rückwand 11 ein Schutz der Rückwand 11 gewährleistet werden.
  • Nach dem Laserbohren der Durchgangsbohrungen 3, 4 in dem Werkstück 2 kann das verbleibende pastöse Schutzmittel 13 durch Auswaschen oder Ausblasen entfernt werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011078651 A1 [0002, 0003]

Claims (12)

  1. Pastöses Schutzmittel (13), das als Rückraumschutz bei einem Laserbohren dient, mit keramischen Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass ein organisches Andickungsmittel vorgesehen ist.
  2. Pastöses Schutzmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Andickungsmittel ein Polyethylenoxid umfasst.
  3. Pastöses Schutzmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dispergator vorgesehen ist.
  4. Pastöses Schutzmittel nach Anspruch 3, dass der Dispergator ein Natriumphosphat umfasst.
  5. Pastöses Schutzmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel zumindest teilweise aus CaCO3 und/oder zumindest teilweise aus Glimmer und/oder zumindest teilweise aus einem Zirconiumoxid und/oder zumindest teilweise aus einem Titanoxid gebildet sind.
  6. Pastöses Schutzmittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel zumindest teilweise aus ZrO2 und/oder zumindest teilweise aus TiO2 gebildet sind.
  7. Pastöses Schutzmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quotient mit einem Dividend, der die Masse des organischen Andickungsmittels ist, und einem Divisor, der die Masse der keramischen Partikel ist, aus einem Bereich von etwa 0,03 bis etwa 0,08 ist.
  8. Pastöses Schutzmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quotient mit einem Dividend, der die Masse des organischen Andickungsmittels ist, und einem Divisor, der die Masse der keramischen Partikel ist, aus einem Bereich von etwa 0,04 bis etwa 0,06 ist.
  9. Rückraumschutzvorrichtung (13) zum Laserbohren, die mit einem pastösen Schutzmittel (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
  10. Verfahren zum Erzeugen zumindest einer Durchgangsbohrung (3, 4) in einer Wand (9) eines Werkstücks (2), die einen Hohlraum (12) des Werkstücks (2) begrenzt, wobei ein Laserstrahl (7) von außen auf die Wand (9) gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlraum (12) des Werkstücks (2) in einer Verlängerung (10) des zur Erzeugung der Durchgangsbohrung (3) auf die Wand (9) gerichteten Laserstrahls (7) zwischen der Wand (9) und einer den Hohlraum (12) begrenzenden Rückwand (11) des Werkstücks (2) ein pastöses Schutzmittel (13) mit keramischen Partikeln und einem organischen Andickungsmittel gebracht wird.
  11. Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens mit den Merkmalen nach Anspruch 10, wobei eine Fördervorrichtung (6) vorgesehen ist, die zum Fördern des pastösen Schutzmittels (13) in den Hohlraum (12) des Werkstücks (2) dient.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (6) ein, insbesondere kontinuierliches, Nachfördern des pastösen Schutzmittels während des Laserbohrens ermöglicht.
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