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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Laserbohren eines Bauteils, insbesondere einer Einspritzdüse und ferner von einer Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Bei der Laserbearbeitung von Bauteilen, insbesondere von rotationssymmetrisch ausgebildeten Bauteilen wie Einspritzdüsen, stellt sich das Problem Bauteilflächen, die einer gerade in Bearbeitung befindlichen Bauteilwandung gegenüberliegen, gegenüber der Laserstrahlung abzuschirmen bzw. zu schützen. Dazu wird beim Stand der Technik üblicherweise in einen Hohlraum des zu bearbeitenden Bauteils eine Schutzvorrichtung während der Bearbeitungsphase des Laserbohrens eingeführt, mit welcher der am Ende des Bohrvorgangs aus dem in der Bauteilwandung an der Bohrlochrückseite austretende Laserstrahl blockiert wird. Exemplarisch zeigt dazu 3 in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer aus Metall gebildeten herkömmlichen Schutzvorrichtung 1, die trotz bestimmungsgemäßem Gebrauch in einem Hohlraum einer Dieseldüse mehrere Durchschlagslöcher 2 aufgrund von Laserstrahlung mit Laserpulsen typischerweise im Pikosekundenbereich aufweist, welche von einem aus der Bohrlochrückseite austretenden Laserstrahl herrühren. Eine derart beschädigte Schutzvorrichtung besitzt somit keinerlei Schutzfunktion mehr. 4 zeigt exemplarisch einen kopfseitigen Teil einer Dieseldüse 3 in Längsschnittdarstellung, bei der linksseitig ein Spritzloch mittels ultrakurzer Laserpulse aus einer Laserquelle ausgebohrt ist und die rechtsseitige Wandung, welche der Rückseite des mittels Laserstrahlung ausgebohrten Spritzlochs 4 gegenüberliegt, infolge des Versagens der während der Laserbearbeitung in den Hohlraum 5 eingeführten Schutzvorrichtung eine Beschädigung 6 in Form eines Durchschusses aufweist. Mithin unterliegen derartige Schutzvorrichtungen einem mehr oder minder ausgeprägten Abnutzungseffekt, der die effektive Verwendungsdauer solcher Schutzvorrichtungen limitiert. Bei nicht rechtzeitiger oder turnusmäßiger Auswechslung einer solchen Schutzvorrichtung kann dies zu einer erhöhten Ausschussrate in der Fertigungsstraße führen.
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Aus der
DE 10 2011 079 815 A1 ist eine Schutzvorrichtung zur Laserbearbeitung von Löchern in einem Bauteil mittels Laserstrahlung bekannt. Dabei ist die Schutzvorrichtung in Strahlrichtung hinter dem strahlaustrittsseitigen Ende eines zu bearbeitenden Lochs in der Bauteilwandung positionierbar, um einen daran angrenzenden Rückraum mit einer dem Loch gegenüberliegenden Bauteilwandung des Bauteils gegenüber dem einfallenden Laserstrahl zu schützen. Die Schutzvorrichtung 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 mit etwa gleichmäßiger Dicke verteilt sind. Die Fasern sind als Glas- oder Carbonfasern zum Aufspalten des in den Verbund eindringenden Laserstrahls und dessen Energiedichtereduzierung ausgeführt.
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Vorteile der Erfindung
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Das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch das Vorbeiführen eines metallischen oder halbmetallischen Fluids an der Bohrlochrückseite die dort in den Hohlraum des zu bearbeitenden Bauteils eintretende Laserstrahlung durch das Fluid absorbiert bzw. blockiert wird und die aufgenommene Strahlungsenergie dissipiert wird. Ein Abnutzungseffekt wie bei herkömmlichen Schutzvorrichtungen findet praktisch nicht statt, da das Fluid prinzipiell kontinuierlich erneuerbar ist, indem das Fluid durch den Hohlraum des zu bearbeitenden Bauteils strömen kann und eine ständige Durchströmung des Hohlraums während des Prozesses aufrechterhalten wird. Mithin bietet das erfindungsgemäße Verfahren einen dauerhaften und zuverlässigen Schutz des zu bearbeitenden Bauteils vor einer unerwünschten Beschädigung durch die Laserstrahlung, insbesondere wenn Laser hoher Leistung mit ultrakurzen Pulsen bis in den Pikosekundenbereich eingesetzt werden.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.
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Zum Bilden eines metallisch ausgebildeten Fluids kann ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt ausgewählt werden. Besonders vorteilhaft ist dazu Gallium verwendbar, ein Element aus der Hauptgruppe III des Periodensystems, welches einen Schmelzpunkt bei Raumtemperatur aufweist und vor dem Einspritzvorgang in einen flüssigen Aggregatzustand durch Aufschmelzen gebracht wird.
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Eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin bestehen, dass zum Bilden eines metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluids Nanopartikel in einem flüssigen Trägermaterial aufgenommen werden, wobei die Nanopartikel eine durchschnittliche Größe im Nanometer- oder Submikrometerbereich aufweisen. Derartige Nanopartikel können aus Metall wie beispielsweise aus Gold oder aus einer halbmetallischen Verbindung bzw. Halbleiterverbindung wie beispielsweise CdSe gebildet sein und sind in hinreichend hoher Partikelanzahldichte in einem flüssigen Träger wie beispielsweise Wasser und/oder Öl annähernd gleichverteilt aufgenommen.
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Bei beiden Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die auf das in den Hohlraum des Bauteils eingespritzte Fluid auftreffende Laserstrahlung durch Absorption dissipiert.
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Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Vorrichtung ist zur direkten Ankopplung an eine zum Hohlraum des Bauteils führende Öffnung geeignet und ermöglicht ein definiertes Einspritzen des Fluids aus einem Vorratstank in den Hohlraum des zur Laserbearbeitung vorgesehenen Bauteils.
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Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:
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1 einen Längsschnitt durch einen kopfseitigen Teil einer Dieseldüse als Bauteil, wobei erfindungsgemäß während des Verfahrensstadiums des Laserbohrens ein zentraler Hohlraum der Dieseldüse mit einem Fluid ausgefüllt ist, das einen seitlich die Wandung der Dieseldüse durchdringenden Laserstrahl dissipiert, und
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2 die Dieseldüse in einer Ansicht analog 1, wobei jedoch das Fluid in den Hohlraum erfindungsgemäß mittels einer Lanze eingespritzt wird, die einen das Fluid führenden Hohlkanal aufweist.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt ein mittels Laserbohren zu bearbeitendes Bauteil 10, bei dem es sich um den brennraumseitigen Teil einer Dieseldüse handelt. Das Bauteil 10 ist während eines Verfahrensstadiums dargestellt, in welchem ein Laserstrahl mit hoher gepulster Leistung ein Spritzloch bzw. Bohrloch 11 in der Wandung 12 des Bauteils 10 erzeugt. Um die der Wandung 12 gegenüberliegende Wandungsseite 13 vor einer Beschädigung durch den am Ende eines Bohrvorgangs aus der Spritzlochrückseite 14 austretenden Laserstrahl zu schützen, wird erfindungsgemäß in den Hohlraum 15, der von der Wandung begrenzt ist, ein metallisch oder halbmetallisch ausgebildetes Fluid 16 eingespritzt und der Hohlraum 15 damit ausgefüllt. Das eingespritzte Fluid 16 erfüllt dann eine Schutzfunktion gegenüber dem aus der Spritzlochrückseite 14 austretenden Laserstrahl, indem es dessen Energie durch Absorption dissipiert.
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Damit das Fluid 16 durch das Bauteil 10 durchströmen kann, ist entlang der Längsmittelachse 17 des Bauteils eine dessen Kuppe axial durchsetzende Durchgangsbohrung 18 ausgebildet, die nach Beenden der Laserbearbeitung wieder mittels Schweißen verschlossen wird, wenn das Fluid 16 dann vollständig aus dem Hohlraum 15 des Bauteils 10 über Strömungspfade 19´, 19´´ abgeführt ist, wobei die Strömungspfade 19´, 19´´ durch die Durchgangsbohrung 18 und durch das gerade erzeugte Bohrloch 11 festgelegt sind. Alternativ dazu kann als einziger Abströmpfad 19´´ für das Fluid 16 das von dem Laserstrahl durchsetzte Bohrloch bzw. Spritzloch 11 vorgesehen werden.
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Um ein geeignetes metallisches Fluid 16 zu bilden, wird gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Metall mit relativ niedrigem Schmelzpunkt ausgewählt. Vorteilhaft ist beispielsweise Gallium verwendbar, ein Element aus der Hauptgruppe III des Periodensystems, da dessen Flüssigphase wegen des Schmelzpunkts von TS = +30°C in einem günstigen Temperaturbereich liegt, wodurch eine Verflüssigung dieses Metalls bei Raumtemperaturbedingungen möglich ist. Außerdem sind nach Prozessende im Bauteil eventuell vorhandene Gallium-Rückstände relativ leicht entfernbar, indem das entsprechende Bauteil einem Reinigungsschritt in einem alkalischen Ultraschallbad unterzogen wird. Weitere Metalle mit geeignet niedrigem Schmelzpunkt sind Indium aus derselben Hauptgruppe des Periodensystems mit einem Schmelzpunkt von TS = +157°C und Zinn aus der Gruppe IVA des Periodensystems mit einem Schmelzpunkt von TS = +232°C. Prinzipiell geeignet sind trotz ihrer Toxizität bzw. Reflektivität auch Quecksilber, ein Element aus der Gruppe IIB, der sog. Zink-Gruppe des Periodensystems mit einem Schmelzpunkt von TS = –39°C wie auch Caesium, ein Alkalimetall aus der Gruppe IA des Periodensystems mit einem Schmelzpunkt von TS = +28.5°C. Andere Metalle aus diesen genannten Gruppen weisen einen zu hohen Schmelzpunkt auf, wie beispielsweise Zink mit einem Schmelzpunkt von TS = +419°C, da deren Schmelzpunkte im Bereich der Restaustenit-Umbildung von zu bearbeitenden Stahl-Bauteilen liegen, so dass die Einleitung eines derart verflüssigten Metalls in den Hohlraum 15 eines Bauteils 10 zu einer unerwünschten Strukturveränderung im Bauteil 10 führen würde.
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Das Fluid 16 wird für die Dauer der Laserbearbeitung durch den Hohlraum 15 am entsprechenden Bohrloch 11 vorbeigeführt. Dabei trifft der Laserstrahl, wenn er aus der Rückseite 14 des Bohrlochs 11 austritt, auf das dort im Hohlraum 15 axial in Richtung der Durchgangsbohrung 18 abströmende Fluid 16 und wird absorbiert. Das durch den Hohlraum 15 strömende Fluid 16 wirkt dadurch energiedissipierend.
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Alternativ dazu kann gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein geeignetes Fluid 16 gebildet werden, indem im festen Aggregatzustand vorliegende metallische oder halbmetallische Partikel mit einer Größe im Nanometer- oder Submikrometerbereich in ein flüssiges Trägermaterial eingebracht werden. Bei derartigen Partikeln handelt es sich um Nanopartikel aus Metall wie z.B. Gold (Au) oder aus einer Halbmetall- bzw. Halbleiterverbindung wie z.B. CdSe, wobei diese Nanopartikel in Form von Nanosphären oder Nanoröhrchen vorliegen können und plasmonisch ausgebildet sind, indem diese in Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld der Laserstrahlung als kollektive Plasmaoszillationen treten. Unter Einwirkung der Laserstrahlung erwärmen sich dabei die in dem fluiden Träger gelösten Nanopartikel. Die Erwärmung der Nanopartikel vollzieht sich unter Dampfblasenbildung aufgrund der lokalen Erhitzung und des Schmelzens einzelner Nanopartikel, wodurch die Nanopartikel in der Größenordnung von wenigen Nanometern expandieren. Dies führt zu einem auf der Nanometer-Skala variierenden Brechungsindex der Nanopartikel aufgrund der Wechselwirkung zwischen einem jeweiligen Einzelpuls der Laserstrahlung und den in hinreichend hoher Anzahldichte in dem fluiden Träger gelösten Nanopartikeln bzw. zu einer Modulation des Brechungsindex, wodurch die Dissipation der Laserstrahlung bzw. Ihres Energiegehalts durch Absorption erzielt wird. Die Wechselwirkung ist dabei abhängig von der Größe bzw. Größenverteilungsfunktion der plasmonischen Nanopartikel, deren Form, deren innerer Struktur und ferner von der Partikelanzahldichte bzw. Agglomerationsdichte, um einen genügend großen Einfangquerschnitt für die einfallende Laserstrahlung zu erzielen, und vom Material per se. Die Pulsenergie der Laserstrahlung führt mithin zu einer Erwärmung des Fluids 16. Im Falle von CdSe oder Au als Nanopartikel ergeben sich abhängig von der Größe und Form der Nanopartikel Absorptionsmaxima im Spektralbereich zwischen etwa 550 nm bis etwa 1100 nm, so dass Laserstrahlung mit einer Wellenlänge in diesem spektralen Bereich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren absorbierbar bzw. dissipierbar ist.
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Als flüssiger Träger für derartige Nanopartikel kann beispielsweise Wasser oder Öl oder eine Kombination von beiden vorgesehen werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante sind Gold-Nanopartikel in einem flüssigen Träger aufgenommen, welcher Ferritin aufweist, ein natürlich vorkommender Proteinkomplex mit einem Eisen-Kern und einer diesen umschließenden Proteinschale. Aufgrund der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit diesen metallischen Nanopartikeln lösen sich einzelne Metall- bzw. Goldatome als Ionen von den jeweils mit der Laserstrahlung wechselwirkenden Nanopartikeln. Da Ferritin an seiner Proteinschale eine Nukleationsstelle aufweist, kann sich dort dreiwertiges Gold (Au III) anlagern; ein von der Laserstrahlung induzierter Transfer von Elektronen aus dem Eisenkern des Ferritins durch dessen Schale nach außen bewirkt eine Reduktion von angelagerten Au(III)-Ionen und führt dazu, dass sich weitere abgelöste und umher diffundierende Au-Ionen an solchen Nukleationsstellen ansammeln können. Solche Ansammlungen bzw. Agglomerate bilden dann jeweils für sich wieder Au-Nanopartikel, so dass sich insgesamt in vorteilhafter Weise bei dieser Ausführungsvariante eine Regeneration des Fluids 16 ausbildet. Durch eine geeignete Bestrahlung kann diese Regeneration auch außerhalb des zu bearbeitenden Bauteils erfolgen.
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Das Ende eines Laserbohrprozesses ist dabei vorteilhaft erkennbar, indem ein charakteristisches Geräusch, das die aus dem Bohrloch 11 austretende und auf das Fluid 16 auftreffende Laserstrahlung aufgrund der Wechselwirkung mit den plasmonischen Nanopartikeln in dem Fluid erzeugt, detektiert wird. In unmittelbarer Reaktion auf dieses messtechnisch erfasste Ende eines Laserbohrvorgangs kann daraufhin der Laser deaktiviert werden und im Anschluss daran z.B. im Falle der Einspritzdüse das nachfolgende Spritzloch lasergebohrt werden wie auch das Abführen bzw. Rückführen des Fluids 16 aus dem Hohlraum 15 des Bauteils 10 erfolgen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsvariante wird als flüssiger Träger eine Kombination aus Wasser und Öl verwendet, wobei Nanopartikel in der dadurch gebildeten Suspension von Wasser in Öl mizellar ausgebildet sind, d.h. in den Wasser-in-Öl-Tröpfchen „schwimmend“ aufgenommen sind, um bei hinreichend hoher Partikelanzahldichte eine möglichst homogene Verteilung innerhalb des flüssigen Trägers zu erzielen.
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2 zeigt das Bauteil 10 zusammen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung 20 ist als Lanze mit einem entlang der Lanzenlängsmittelachse 21 verlaufenden Hohlkanal 22 ausgebildet, der in einer Lanzenspitze 23 ausmündet. Der Hohlkanal 22 dient zum Durchleiten des Fluids 16. Die Lanzenspitze 23 ist zum Einsetzen in eine Öffnung des Hohlraums 15 vorgesehen und ist in ihren Außenabmessungen und ihrer Form so ausgebildet, dass ein passgenaues Einsetzen der Lanzenspitze 23 in die Öffnung des Hohlraums 15 möglich ist, um eine dichte und sichere Ankopplung der Vorrichtung 20 an den Hohlraum 15 des Bauteils 10 sicherzustellen. Dabei fluchtet die Längsmittelachse 17 des Bauteils 10 mit der Lanzenlängsmittelachse 21. Die Vorrichtung 20 kann heizbar oder kühlbar ausgebildet sein, um in Abhängigkeit von dem verwendeten Fluid 16 die gewünschte Einspritztemperatur einzustellen oder konstant zu halten. Die Vorrichtung 20 fungiert dabei als Verbindung zwischen dem Hohlraum 15 des Bauteils 10 und einem für das Fluid 16 vorgesehenen Vorratstank (nicht dargestellt), aus dem verbrauchtes Fluidvolumen mittels Druckbeaufschlagung über die Vorrichtung 20 in den Hohlraum 15 nachführbar ist, um dort eine schnelle Wiederbefüllung zu erzielen.
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Zusammenfassend dient das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserbohren eines Bauteils, insbesondere einer Einspritzdüse, welche einen Hohlraum 15 aufweist, und umfasst die Verfahrenschritte des Bildens eines metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluids 16, des Einspritzens des Fluids 16 in den Hohlraum 15, des Bohrens eines Lochs 11 in eine den Hohlraum 15 begrenzende Wandung 12 des Bauteils 10 mittels wenigstens eines Laserstrahls, wobei der Laserstrahl bzw. dessen Energie nach Ausbilden des Lochs 11 von dem metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluid 16 absorbiert bzw. dissipiert wird, und des Abführens des Fluids 16 aus dem Hohlraum 15 nach Beenden des Laserbohrens. Das Fluid 16 kann dabei durch den Hohlraum 15 zirkulieren, wodurch eine ständige Regeneration des Fluids 16 ermöglicht wird. Durch Nachführen des Fluids 16 ist selbst bei kleinem Rückraumvolumen ein praktisch beliebig großes Schutzvolumen erzielbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011079815 A1 [0003]
