DE102015209261A1

DE102015209261A1 - Verfahren zum Laserbohren oder Laserschneiden eines Werkstücks und System zum Laserbohren oder Laserschneiden

Info

Publication number: DE102015209261A1
Application number: DE102015209261.5A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Bauer; Marita Geisendoerfer-Pipp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2016-11-24
Also published as: KR102553387B1; CN106166644B; CN106166644A; KR20160137421A

Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Laserbohren oder Laserschneidens eines Werkstücks vor, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das Werkstück, eine Einleitvorrichtung und eine Laserlicht emittierende Laserquelle bereitgestellt werden, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt – durch das Laserlicht eine Bohrung im Werkstück erzeugt und – mittels der Einleitvorrichtung eine Partikel aufweisende Flüssigkeit innerhalb der Bohrung angeordnet wird, wobei das Laserlicht und die Partikel in der Flüssigkeit derart ausgewählt sind, dass Laserlicht zur Formgebung eines Kantenbereichs oder einer Innenseite der Bohrung von den Partikeln in der Flüssigkeit gestreut und/oder absorbiert wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft das Laserbohren oder Laserschneiden eines Werkstücks und ein System zum Laserbohren und Laserschneiden.
Verfahren, bei denen mittels Laserlichts in einem Werkstück eine Bohrung oder Schnitte erzeugt werden, sind hinlänglich bekannt. Typischerweise müssen Kanten an der Bohrung entgratet oder gerundet werden, wobei die zu rundenden bzw. zu entgratenden Kanten oftmals an unzugänglichen Stellen gelegen sind und eine mechanische Bearbeitung ausscheidet. Beispiele solcher Bohrungen sind Einspritzlöcher in Einspritzsystemen oder Drosselbohrungen. Dabei wird in der Regel erst die Bohrung realisiert und anschließend die Kante gerundet.
In der Regel wird ein Kantenbereich durch ein hydroerosives Schleifen (HE-Schleifen) gerundet. Hierbei wird ein Schleiföl mit einem geringen Anteil an Schleifmedium versetzt und mit einer Pumpe unter einem Duck von etwa 100 bar durch die zu rundenden Bohrungen gepresst. Hierbei muss das Schleifmedium ständig in Bewegung gehalten werden, um Ablagerungen des Schleifmediums und damit ein Verstopfen zu vermeiden. Darüber hinaus schleift das Schleifmedium Teile des Kreislaufs, mit denen das Schleiföl befördert wird, wodurch ein regelmäßiger Austausch von Teilen des Kreislaufs erforderlich ist. Außerdem sind zum Erzielen der gewünschten Drücke Hochleistungspumpen für das Umwälzen des Schleiföls genauso nötig wie entsprechende Abdichtungen, mit denen sichergestellt wird, dass das Schleiföl den gewünschten Weg durch das Werkstück nimmt. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei einer asymmetrischen Anströmung durch eine ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung in der Strömung ein ungleichmäßiger Abtrag erfolgt, wodurch wiederum entweder ein geringer oder zu starker Abtrag stattfindet.
Darüber hinaus kennt der Stand der Technik beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2013 212 665 ein Verfahren, bei dem an der Rückseite einer Bohrung eine Flüssigkeit mit Nanopartikeln angeordnet wird, mit der ein versehentliches Bearbeiten eines Gegenstandes, der in Propagationsrichtung des Lichtes hinter der Bohrung angeordnet ist, vermieden werden soll..
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Laserbohren bzw. Laserschneiden bereitzustellen, das gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verfahren, insbesondere in Hinblick auf Effizienz und Qualität der Abrundung des Kantenbereichs der Bohrung, verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren zum Laserbohren oder Laserschneidens eines Werkstücks, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das Werkstück, eine Einleitvorrichtung und eine Laserlicht emittierende Laserquelle bereitgestellt werden. Dabei wird erfindungsgemäß in einem zweiten Verfahrensschritt durch das Laserlicht eine Bohrung im Werkstück erzeugt und mittels der Einleitvorrichtung Flüssigkeit, die Partikel umfasst, innerhalb der Bohrung angeordnet, um vorzugsweise das Abrunden bzw. Entgraten im Kantenbereich oder eine Formgebung an der Innenseite der Bohrung gezielt zu steuern. Das Laserlicht und die Partikel in der Flüssigkeit sind hierbei derart ausgewählt, dass Laserlicht zur Formgebung, d. h. beispielsweise zum Abrunden oder Entraten, des Kantenbereichs oder der Innenseite der Bohrung von den Partikeln in der Flüssigkeit gestreut und/oder absorbiert wird, um insbesondere für eine von den Partikel ausgehende Wärmeentwicklung, die wiederum zum Abtrag am Kantenbereich oder der Innenseite der Bohrung führt, zu sorgen.
Gegenüber dem Stand der Technik hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Formgebung mit dem Laserlicht, das gleichzeitig zum Herstellen der Bohrung genutzt wird, vorgenommen wird. Auf eine nachträgliche Bearbeitung des Kantenbereichs kann folglich genauso verzichtet werden wie auf die Verwendung von den im Stand der Technik üblicherweise genutzten Schleifmitteln. Neben diesen Verbesserungen in Hinblick auf die Zeit- und Kosteneffizienz, gestattet insbesondere die Anordnung der Flüssigkeit innerhalb der Bohrung eine gezielte und kontrollierte Formgebung des Kantenbereichs bzw. der Innenseite, was sich schließlich positiv auf die Qualität der Laserbohrung auswirkt. Außerdem wirkt sich ein asymmetrisches Anströmen der Flüssigkeit nicht so negativ auf die Symmetrie aus, wie es der Fall beim Verwenden eines mit Schleifmittel versetzten Schleiföls ist.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Werkstück mit einer Vorbohrung, beispielsweise in Form eine Kernbohrung, bereitgestellt wird und mit dem erfindungsgemäßen Laserbohren die Vorbohrung auf den gewünschten Durchmesser erweitert wird. Weiterhin ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass zur Absorption des Laserlichts eine kollektive Anregung, insbesondere von Elektronen, beispielsweise in Gestalt von Plasmonen bzw. Oberflächenplasmonen, genutzt wird. Es ist erfindungsgemäß ebenfalls vorstellbar, dass das Verfahren dazu genutzt wird, die Innenseite der Bohrung zu modifizieren, um beispielsweise einen Querschnitt entlang der Bohrung zu variieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mit der die Partikel aufweisenden Flüssigkeit ein Teilabschnitt der Bohrung gefüllt wird, wobei eine Eindringtiefe der Flüssigkeit in die Bohrung während des zweiten Verfahrensschritts zumindest zeitweise konstant gehalten wird. Dabei wird die Eindringtiefe insbesondere durch eine Länge des gefüllten Teilabschnitts der Bohrung festgelegt. Vorzugsweise wird die Eindringtiefe der Flüssigkeit in die Bohrung gesteuert bzw. kontrolliert. Vorstellbar ist es aber auch, dass die Eindringtiefe während des zweiten Verfahrensschritts geändert wird. Zur Kontrolle der Eindringtiefe wird beispielsweise ein Gegendruck, der von einem das Werkstück umgebenden Gas verursacht wird, oder ein Laserplasma dazu genutzt, eine Anwesenheit der Flüssigkeit auf den vorgesehenen Teilabschnitt zu beschränken und so die Eindringtiefe festzulegen. Dadurch lässt sich die Formgebung der Innenseite, insbesondere im Kantenbereich, in vorteilhafter Weise steuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt

– die Partikel aufweisende Flüssigkeit an einem ersten Ende der Bohrung und
– das Laserlicht an einem zweiten Ende der Bohrung

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt

– gepulstes Laserlicht, insbesondere Pikosekunden- oder Nanosekundenpulse aufweisendes Laserlicht, und/oder
– eine Flüssigkeit mit Nanopartikeln, insbesondere mit Metallnanopartikeln,

Oftmals ist auch das Verhältnis der räumlichen Ausdehnungen in zwei unterschiedlichen Raumrichtungen für die Anregungsenergie der kollektiven Anregungen ausschlaggebend. Bei stäbchenförmigen Nanopartikeln ist hier insbesondere das Verhältnis von Längsausdehnung entlang der Längsrichtung des Stäbchens zur Ausdehnung in einer Richtung senkrecht auf dieser Längsausdehndung, der sogenannten Querrichtung, zu nennen. Werden beispielsweise derartige stäbchenförmige Nanopartikel aus Gold verwendet, führt ein Verhältnis der räumlichen Ausdehnungen in Längsrichtung zur Querrichtung von 4 zu einer Anregungsenergie eines Oberflächenplasmons, durch die infrarotes Laserlicht absorbiert werden kann. So können beispielsweise stäbchenförmige Nanopartikel verwendet werden, die in Längsrichtung 10 nm und in einer Querrichtung senkrecht dazu 2,5 nm Ausdehnung aufweisen.
Natürlich ist es möglich, für eine möglichst breitbandige Absorption auch unterschiedlich geformte Nanopartikel zu mischen. Auch Nanopartikel, die prinzipiell die gleiche Form aber unterschiedliche räumliche Ausdehnungen aufweisen, können auf diese Weise gemischt werden und führen so dazu, dass Licht unterschiedlichster Energie und Wellenlänge absorbiert werden kann.
Nanopartikel können heute in unterschiedlichsten Formen und Größen hergestellt werden. Wie bereits dargelegt, sind dabei unter anderem die Ausdehnungen der Nanopartikel und/oder das sogenannte Aspektverhältnis, also das Verhältnis von Länge zu Breite eines Nanopartikels, von entscheidender Bedeutung für die Anregungsenergie der kollektiven Anregung und damit für die Wellenlänge der am besten absorbierten elektromagnetischen Strahlung. Gleichzeitig hängt diese Wellenlänge von dem verwendeten Material ab. Versuche haben gezeigt, dass die Resonanz der Wellenlängen der absorbierten elektromagnetischen Strahlung durch die Veränderung der Größe der Nanopartikel verschoben werden können. Bei sphärischen Silber-Nanopartikeln in Wasser hat sich so herausgestellt, dass Nanopartikel mit einem Radius von 3 nm eine Resonanz bei 380 nm aufweisen, und somit Licht dieser Wellenlänge absorbieren können. Ein Radius von 10 nm führt zu einer Resonanz bei 390 nm, ein Radius von 25 nm zu einer Resonanz bei 410 nm, ein Radius von 50 nm zu einer Resonanz bei 480 nm und ein Radius von 100 nm führt bei sphärischen Silber-Nanopartikeln zu einer Resonanz bei 770 nm. Man erkennt folglich, dass bereits durch die Variation der Größe der sphärischen Silber-Nanopartikel die Position der Resonanz und damit die Wellenlänge der absoprbierbaren Laserstrahlung deutlich verschoben werden kann.
Gleiches gilt beispielsweise für sphärische Gold-Nanopartikel in Wasser. Ein Radius von 3 nm führt hier zu einer Resonanz bei 515 nm, während eine Vergrößerung des Radius auf 10 nm zu einer Resonanz bei 530 nm führt. Eine weitere Vergrößerung des Radius führt auch hier zu einer Vergrößerung der Wellenlänge der absorbierten elektromagnetischen Strahlung. Ein Radius von 25 nm führt zu einer Absorption bei 540 nm, ein Radius von 50 nm zu einer Absorption bei 575 nm, ein Radius von 100 nm zu einer Absorption von 770 nm und ein Radius von 150 nm zu einer Absorption bei einer Wellenlänge von 1100 nm.
Zieht man nun in Betracht, dass klassische Laserwellenlängen zum Schneiden und Bohren bei 800 nm, 1030 nm oder 1064 nm liegen, können für jede der gewählten Wellenlängen beispielsweise sphärische Gold-Nanopartikel in Wasser gefunden werden, die aufgrund ihres Durchmessers bzw. des Radius geeignet sind, genau die eingestrahlte Laserwellenlänge zu absorbieren. Alternativ dazu könnte die Laserfrequenz auch verdoppelt und damit die Wellenlänge der Laserstrahlung halbiert werden. Damit wären Laserwellenlängen von 400 nm, 515 nm oder 532 nm verwendbar, die beispielsweise durch sehr kleine sphärische Gold-Nanopartikel oder sphärische Silber-Nanopartikel in Wasser absorbiert werden könnten.
Werden statt sphärischer Nanopartikel so genannte Nanorods, also stäbchenförmige Nanopartikel, in Wasser verwendet, ist insbesondere das Aspektverhältnis der Nanopartikel, also das Verhältnis von Länge zu Breite der Stäbchen entscheidend. Bei Gold führt ein derartiges Aspektverhältnis von 1 zu einer Absorption bei einer Wellenlänge von 530 nm. Wird das Aspektverhältnis auf 2,5 vergrößert, verschiebt sich die absorbierte Wellenlänge zu 700 nm, bei einen Aspektverhältnis von 4 zu 800 nm, bei einem Aspektverhältnis von 4,5 zu 850 nm und bei einem Aspektverhältnis von 5,5 zu 900 nm. In dem Fachartikel „Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods Using Seed-Mediated Growth Method" aus der Zeitschrift Chem. Mater. 2003, 15, 1957–1962 sind unterschiedliche stäbchenförmige Gold-Nanopartikel bekannt, deren Aspektverhältnisse zu Resonanzen bei 700 nm, 760 nm, 790 nm, 880 nm, 1130 nm und 1250 nm führen. Ein Aspektverhältnis von 6,5 führt dabei zu einer Absorptionswellenlänge von 1000 nm, während ein Aspektverhältnis von 9 zu einer Absorptionswellenlänge von 1300 nm führt. Das Aspektverhältnis der einzelnen Nanopartikel kann dabei sehr fein und genau eingestellt werden, so dass auch die Wellenlänge der absorbierten elektromagnetischen Strahlung eingestellt und auf die jeweilige Laserwellenlänge vorteilhafterweise genau abgestimmt werden kann.
Natürlich sind die Formen der Nanopartikel nicht auf sphärische, ellipsoide oder Stäbchenformen beschränkt. Aus dem Review-Artikel „Modelling the optical response of gold nanoparticles", erschienen im Chem. Soc. Rev, 2008, 37, 1792–1805, sind beispielsweise unterschiedliche Formen von Stäbchen, beispielsweise mit rundem oder viereckigem Querschnitt oder verschiedene Größen von Nano-Oktaedern untersucht worden. Auch Nanodekaeder sind herstell- und verwendbar. Auch hier haben die räumlichen Ausdehnungen und das Verhältnis dieser Ausdehnungen zueinander einen entscheidenden Einfluss auf die Wellenlänge der absorbierten elektromagnetischen Strahlung.
Trifft nun die elektromagnetische Laserstrahlung auf einen derartigen Nanopartikel, wird ein solches Photon vom Nanopartikel absorbiert. Es hat sich dabei herausgestellt, dass die Nanopartikel durch diese Laserbestrahlung fragmentieren können. Diese Fragmentierung beruht auf dem Schmelzen und Verdampfen durch die Laserstrahlung. Dieser Prozess endet jedoch beispielsweise für Goldpartikel bei einer durchschnittlichen Größe von ca. 5 nm, da der Absorptionsquerschnitt dieser kleinen Nanopartikel zu klein ist, um durch die Laserstrahlung eine Energiemenge aufzunehmen, die für eine weitere Fragmentierung nötig wäre. Die Größe, bei der die Fragmentierung der Nanopartikel durch die Laserstrahlung endet, wird im Folgenden endgültige Größe genannt. Sofern Nanopartikel dieser endgültigen Größe, die also durch weitere Laserbestrahlung nicht verkleinert werden können, kollektive Anregungen aufweisen, die eine für die eingestrahlte elektromagnetische Laserstrahlung passende Anregungsenergie aufweisen, ist es insbesondere bei sphärischen Nanopartikeln möglich, diese Flüssigkeit mit den darin enthaltenen Nanopartikeln quasi verschleißfrei weiterzuverwenden. Weisen die Nanopartikel eine andere Form auf, beispielsweise Stäbchen- oder Quaderform, gilt dies nicht so uneingeschränkt, da auch diese Nanopartikel im Zuge der Laserbestrahlung zerfallen und fragmentieren, wobei sich gegebenenfalls das Verhältnis der räumlichen Ausdehnungen in unterschiedlichen Raumrichtungen verändert.
Das Fragmentieren der Nanopartikel findet insbesondere bei der Bestrahlung mit gepulsten Lasern statt. In diesem Fall ist die lokale Energiedichte in jedem Puls so hoch, dass es zum Fragmentieren der Nanopartikel kommt. Diese gepulsten Laser sind nötig, um einige Materialien bestimmter Werkstücke bearbeiten zu können. Bei anderen Werkstoffen, wie beispielsweise Kunststoff, ist eine geringere Energiedichte ausreichend, so dass diese beispielsweise mit einem cw-Laser, also einem Dauerstrichlaser, bearbeitet werden können. In diesem Fall ist die lokale Energiedichte der Laserstrahlung zu gering, um bei den Nanopartikeln zu einem Fragmentieren zu führen. Dies hat den großen Vorteil, dass auch Nanopartikel, die nicht sphärisch ausgebildet sind, nicht zerfallen und fragmentieren, so dass auch diese Nanopartikel, die auf die Wellenlänge der gewünschten Laserstrahlung abgestimmt sind, nahezu unbegrenzt wieder- und weiterverwendet werden können. In diesem Fall ist es folglich nicht nötig, zur Bearbeitung mehrerer Werkstücke jeweils frische Nanopartikel in einer neuen Flüssigkeit vorzusehen.
Insbesondere weist das Laserlicht eine Wellenlänge zwischen 380 nm und 650 nm, vorzugsweise zwischen 500 nm und 530 nm, insbesondere 515 nm auf.
Durch die Wahl der Größe der verwendeten Nanopartikel lässt sich, wie bereits dargelegt, die für die Erzeugung der kollektiven Anregungen nötige Anregungsenergie einstellen. Insbesondere für sphärische Goldpartikel hat sich herausgestellt, dass diese bei ihrer endgültigen Größe von ca. 5 nm, die folglich durch weitere Laserbestrahlung nicht verkleinert werden kann, eine Anregungsenergie aufweisen, die einem Photon mit der Wellenlänge von 515 nm entspricht. Wird diese Wellenlänge nun für eine Lichtquelle, also die Laserquelle, verwendet, ist sichergestellt, dass auch diesem „stationären” Zustand, in dem sich die Größenverteilung der Nanopartikel nicht weiter ändert, ein optimaler Absorptionsquerschnitt der Nanopartikel für das Laserlicht gewährleistet ist. Werden andere Materialien oder andere Ausgestaltungen von Nanopartikel verwendet, können diese endgültige Größe und damit auch die „endgültige” Anregungsenergie von dem genannten Zahlenwert abweichen. Es ist jedoch allgemein von Vorteil, die Wellenlänge des eingestrahlten Laserlicht so zu wählen, dass die gewählten Nanopartikel auch im Langzeitbetrieb eine kollektive Anregung mit einer Anregungsenergie aufweisen, die der Energie der Photonen mit der eingestrahlten Wellenlänge entspricht.
Vorzugsweise werden folglich Goldpartikel insbesondere mit sphärischer Form und ein Laser mit einer Wellenlänge von 515 nm verwendet.
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn eine räumliche Ausdehnung der Nanopartikel in zumindest einer Raumrichtung derart gewählt ist, dass eine Anregungsenergie der kollektiven Anregungen der Energie des Laserlichts entspricht. Auf diese Weise wird der Absorptionsquerschnitt der Nanopartikel optimiert, so dass besonders viel des Laserlichts absorbiert werden kann.
Vorteilhafterweise sind zumindest einige der Nanopartikel Metallpartikel, insbesondere aus Gold, Silber, Kupfer, Palladium oder einer Legierung mehrerer der Elemente. Natürlich ist es auch möglich, alle Nanopartikel in dieser Form auszuführen. Derartige Nanopartikel können beispielsweise durch Laserstrahlung direkt in der Flüssigkeit erzeugt werden. Dies ist ein sehr sicherer Herstellungsprozess, da auf diese Weise verhindert wird, dass Nanopartikel in die Luft gelangen, die ein Gesundheitsrisiko für Personen darstellen können, die die Nanopartikel beispielsweise einatmen. Zudem ist dieser Prozess sehr flexibel, da aus vielen Metallen oder Legierungen auf diese Weise Nanopartikel erzeugt werden können. Gleichzeitig kann eine Konjugation der Nanopartikel mit anderen Stoffen in der Flüssigkeit erfolgen. Natürlich können die Nanopartikel jedoch auch auf andere Weise hergestellt und erst anschließend in die Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Aceton, eingebracht werden.
Viele Metalle, insbesondere Edel- und Halbedelmetalle können Plasmonenresonanzen ermöglichen. Die Anregungsenergien dieser Plasmonen können durch geeignete Wahl des Materials, der Form, der Größe und der Umgebungsbedingung für die Nanopartikel eingestellt und nahezu frei gewählt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Nanopartikel in Abhängigkeit des vorhandenen Laserlichts auszuwählen. Alternativ kann natürlich auch die Laserquelle an die vorhandenen Nanopartikel angepasst werden. Von Vorteil ist auf jeden Fall, wenn Form, Größe und Material der Nanopartikel auf die eingestrahlte Laserwellenlänge so abgestimmt werden, dass sich eine Plasmonenresonanz oder die Resonanz einer anderen kollektiven Anregung bei der Wellenlänge des eingestrahlten Laserlichtes ergibt. Denkbar ist auch, dass eine in Hinblick auf die Wellenlänge durchstimmbare Laserquelle verwendet wird, bei der beispielsweise durch Frequenzkonversionsprozesse die Wellenlänge eingestellt wird.
Beispielsweise können metallische sphärische Goldpartikel verwendet werden, die einen Durchmesser von ca. 30 nm (±10 nm) im Durchschnitt aufweisen. Dies führt zu einer Plasmonenresonanz bei ca. 530 nm, so dass Laserlicht dieser Wellenlänge besonders gut von derartigen Nanopartikeln absorbiert werden kann. Wie bereits dargelegt, verkleinern sich die Nanopartikel durch die Laserbestrahlung bis zu einer durchschnittlichen Größe von ca. 5 nm, wobei die Anregungsenergie der jeweiligen plasmonischen kollektiven Anregung leicht ansteigt und einer Energie entspricht, die Photonen mit einer Wellenlänge von 515 nm aufweisen. Je nach Herstellungsmethode können auch Nanopartikel anderer Größe hergestellt werden. So können beispielsweise Nanopartikel mit einer Größe von 100 nm bis ca 300 nm verwendet werden, um längerwellige Photonen zu absorbieren.
Wie bereits dargelegt, ist insbesondere die Verwendung einer eingestrahlten Wellenlänge von 515 nm bei Goldpartikeln von Vorteil, da dies der Plasmonenresonanz von Goldpartikeln mit 5 nm Durchmesser entspricht. Nanopartikel dieser Größe werden durch Laserlichtbestrahlung nicht weiter verkleinert, so dass eine derartige Gold-Nanopartikel-Suspension für einen nahezu unbegrenzten Zeitraum eingesetzt werden kann, ohne den Effekt auf die Formgebung der Innenseite der Bohrung bzw. des Kantenbereichs zu verringern oder gar zu verlieren.
Vorteilhafterweise sind zumindest einige der Nanopartikel auf einer Oberfläche von Mikropartikeln angeordnet. Natürlich ist es auch möglich, alle Nanopartikel auf der Oberfläche von Mikropartikeln anzuordnen. Die Verwendung von Mikropartikeln in Flüssigkeiten führt zur Streuung der Laserstrahlung, wodurch die Energiedichte der Laserstrahlung verringert wird. Werden Nanopartikel, wie vorliegend beschrieben, an der Oberfläche der Mikropartikel adsorbiert, werden die durch die Mikropartikel und die Nanopartikel hervorgerufenen unterschiedlichen Effekte kombiniert. Es kommt somit sowohl zur Absorption der elektromagnetischen Laserstrahlung durch die Nanopartikel als auch zur Streuung der Strahlung durch die Mikropartikel, auf deren Oberfläche die Nanopartikel adsorbiert sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sind zumindest einige der Nanopartikel Kohlenstoffnanoröhren. Natürlich können auch alle Nanopartikel als Kohlenstoffnanoröhren ausgebildet sein. Auch in derartigen Kohlenstoffnanoröhren („carbon nano tubes”) können kollektive Anregungen hervorgerufen werden. Die Nanoröhren können in Länge, Wandstärke und Durchmesser nahezu frei einstellbar hergestellt werden, so dass auch in diesem Fall die für die Erzeugung der kollektiven Anregungen nötige Anregungsenergie nahezu frei einstellbar ist. Sie kann auch in diesem Fall in optimaler Weise auf die eingestrahlte Laserwellenlänge eingestellt werden. Kohlenstoffnanoröhren verfügen gegenüber beispielsweise Metallpartikeln über den zusätzlichen Vorteil, dass sie als schwarzes Pulver vorliegen und somit neben dem hohen Absorptionsquerschnitt durch kollektive Anregungen zusätzlich einen relativ hohen Absorptionsquerschnitt durch elektronische Anregungen aufweisen. Sie vereinen somit die Vorteile von Farbstoffen mit den Vorteilen der Nanopartikel mit kollektiven Anregungen.
Vorzugsweise weisen zumindest einige der Nanopartikel an einer Oberfläche eine photosensitive Substanz auf. Natürlich können auch alle Nanopartikel an ihrer Oberfläche mit einer derartigen photonsensitiven Substanz versehen sein. Photosensitive Substanzen sind Farbstoffe oder Pigmente, die geeignet sind, Licht bestimmter Wellenlängen zu absorbieren. Werden diese Farbstoffe auf einer Oberfläche der Nanopartikel angeordnet, verstärken sie folglich den Absorptionsquerschnitt der so versehenen Nanopartikel, da sich nun, ähnlich wie bei den bereits beschriebenen Kohlenstoffnanoröhren, die Effekte der kollektiven Anregungen der Nanopartikel mit den elektronischen Anregungen der photosensitiven Substanzen kombinieren.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Flüssigkeit Nanopartikel in einer Konzentration von weniger als 4 g/l, bevorzugt weniger als 2 g/l, besonderes bevorzugt weniger als 1 g/l enthält. Die tatsächliche verwendete Konzentration hängt dabei jedoch von einer Vielzahl unterschiedlicher Parameter ab und kann je nach gewünschter Aufgabenstellung und Eigenschaft des Versuchs- beziehungsweise Produktionsaufbaus gewählt werden. Die tatsächliche Konzentration hängt dabei unter anderem von der Intensität der eingestrahlten Laserstrahlung und der Wellenlänge der Laserstrahlung im Vergleich zur Anregungsenergie der kollektiven Anregungen ab.
Die verwendete Flüssigkeit spielt dabei eine nur untergeordnete Rolle, solange die verwendeten Nanopartikel innerhalb dieser Flüssigkeit stabil sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zur Steuerung der Formgebung des Kantenbereichs oder der Innenseite der Bohrung im zweiten Verfahrensschritt

– eine Konzentration der Partikel in der Flüssigkeit,
– eine Partikelgröße und/oder
– eine Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Bohrung in einem Teil eines Einspritzventils für eine Einspritzanlage, insbesondere in einem Ventilsitz, in einer Düse oder in einer Drosselplatte der Einspritzanlage realisiert wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Laserbohren oder Laserschneiden eines Werkstücks, insbesondere gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei das System eine Laserquelle, die Laserlicht emittiert, und eine Einleitvorrichtung, mit der eine Partikel aufweisende Flüssigkeit in die Bohrung einleitbar ist, aufweist. Das Laserlicht und die Partikel in der Flüssigkeit sind dabei derart ausgewählt, dass das Laserlicht an den Partikeln streut und/oder die Partikel das Laserlicht zumindest teilweise absorbieren. Durch das Absorbieren bzw. Streuen wird von den Partikeln Wärme entwickelt, die zum Abtragen der Innenseite bzw. des Kantenbereichs der Bohrung beitragen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das System einen die Flüssigkeit führenden Kreislauf umfasst, wobei der Kreislauf ein Reservoir zum Sammeln der die Partikel aufweisende Flüssigkeit, eine Pumpe zum Befördern der Flüssigkeit, eine Einleitvorrichtung zum Einleiten der Flüssigkeit in die Bohrung und/oder einen Rücklauf zum Abführen der in das Werkstück eingeleiteten Flüssigkeit aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch ein System für ein Verfahren zum Abrunden von Kanten im Bereich einer Bohrung gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt schematisch jeweils Kantenbereiche von in das Werkstück eingelassenen Bohrungen, wobei die Kantenbereiche abgerundet sind mit einem Verfahren aus dem Stand der Technik.
3 zeigt schematisch ein System für ein Verfahren zum Laserbohren in einem Werkstück gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt schematisch jeweils Kantenbereiche von in das Werkstück eingelassenen Bohrungen, wobei die Kantenbereiche mit einem Verfahren gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgerundet sind.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist schematisch ein System für ein Verfahren zum Abrunden von Kanten im Bereich einer Bohrung gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Typischerweise sind in Werkstücken 1 funktionsbedingt Bohrungen erforderlich, die nach ihrer Fertigung auf der Innenseite entgratet oder gerundet werden müssen. Häufig ist der zu bearbeitende Bereich am Werkstück 1 so schwer zugänglich, dass mechanische Verfahren ausscheiden. Beispielsweise handelt es sich um Bohrungen 11 für Einleitlöcher in Einleitsysteme, insbesondere in Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen, für Drosselbohrungen oder für mechanisch vergleichsweise hoch belastete Bauteile. Typischerweise werden diese Bohrungen 11 gemäß dem Stand der Technik erst erzeugt und dann gerundet.
Ein üblicherweise eingesetztes Verfahren zum Abrunden ist das hydroerosive Schleifen (HE-Schleifen), bei dem ein Schleiföl mit einem Schleifmedium versetzt wird und mittels einer Pumpe 3 unter einem Druck von etwa 100 bar durch die zu rundende Bohrung 11 gepresst wird. Das Maß des Abrundens im Kantenbereich 12 kann in bestimmten Grenzen über Schleifdauer, -druck, sowie Menge und Art des Schleifmittels und der Viskosität des Schleiföl eingestellt werden. Es hat sich hierbei als nachteilig herausgestellt, dass das Schleifmedium ständig in Bewegung gehalten werden muss, um Ablagerungen des Schleifmediums und damit ein Verstopfen im Kreislauf, der das Schleiföl führt, zu vermeiden. Darüber hinaus schleift das Schleifmedium unbeabsichtigt auch Teile des Kreislaufes bzw. Armaturen selbst, was schließlich ein regelmäßiges Austauschen von Teilen des Kreislaufs bzw. von Armaturen erforderlich macht. Außerdem setzt der hohe Druck spezielle Antriebsvorrichtungen bzw. Pumpen für den Kreislauf voraus, die Zusatzkosten verursachen. Zudem sind spezielle Abdichtungen 2 erforderlich, damit das Schleifmittel den gewünschten Weg durch das Werkstück 1 nimmt.
In 2 sind schematisch jeweils Kantenbereiche 12 von in das Werkstück 1 eingelassenen Bohrungen 11 dargestellt, wobei die Kantenbereiche 12 abgerundet wurden mit einem Verfahren aus dem Stand der Technik. Insbesondere sind zwei Bohrungsverläufe zu erkennen, die zu einer asymmetrischen Anströmung des Schleiföls führen und wegen der ungleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung in der Strömung einen ungleichmäßigen Abtrag verursachen. Es wird daher entweder zu gering (2, links) oder zu stark (2, rechts) abgetragen.
In 3 ist ein System für ein Verfahren zum Laserbohren in einem Werkstück 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das System umfasst dabei eine Laserquelle, die Laserlicht 7 emittiert, und eine Einleitvorrichtung. Es ist dabei vorgesehen, dass mittels des Laserlichts 7 eine Bohrung 11 im Werkstück 1 realisiert wird und zeitglich zum Bohren eine Partikel aufweisende Flüssigkeit 4 in die Bohrung 11 eingeleitet wird, wobei die Partikel und das Laserlicht 7, insbesondere die Wellenlänge des Laserlichts 7, derart ausgewählt bzw. miteinander abgestimmt sind, dass das Laserlicht 7 an den Partikel in der Flüssigkeit 4 gestreut und/oder von den Partikeln in der Flüssigkeit 4 absorbiert wird. Dadurch wird mittels der die Partikel aufweisenden Flüssigkeit 4 ein Abtrag am Werkstück unterstützt, wobei dieser Abtrag schließlich zum Abrunden des Kantenbereichs 12 der Bohrung 11 führt. Insbesondere ist es dafür vorgesehen, dass die Flüssigkeit 4 während des Laserbohrens in die Bohrung 11 eingeleitet wird und die Bohrung 11 mit der Flüssigkeit 4 gespült wird. Durch dieses zeitgleiche Realisieren der Bohrung 11 und einer Formgebung der Bohrung 11, insbesondere des Kantenbereichs 12 bzw. der Innenseite der Bohrung 11, lässt sich in vorteilhafter Weise in einer Fertigungslinie Zeit einsparen. Für das Spülen der Bohrung 11 umfasst das System einen Kreislauf mit einer Pumpe 3, der Einleitvorrichtung 6 und ein Reservoir 14 für die Partikel aufweisende Flüssigkeit 4. Insbesondere ist die Einleitvorrichtung 6 derart ausgestaltet, dass sie möglichst passgenau in eine in das Werkstück 1 eingelassene Aussparung 13, beispielsweise in Gestalt eines Hohlraums oder einer Vorkammer vor der Bohrung 11, einsetzbar ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Flüssigkeit 4 aus einer Öffnung in der Einleitvorrichtung 6 austritt, wobei die Öffnung der Einleitvorrichtung 6 innerhalb des Werkstücks 11 angeordnet ist, wenn die Einleitvorrichtung 6 in der Aussparung 13 eingesetzt ist. Es ist dabei vorstellbar, dass die Einleitvorrichtung 6 derart ausgestaltet ist, dass beim Einsetzen der Einleitvorrichtung 6 in die Aussparung 13 das Werkstück 1 und die Einleitvorrichtung 6 abgedichtet werden. Darüber hinaus ist es vorstellbar, dass die Einleitvorrichtung 6 am Werkstück 1 fixiert wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Flüssigkeit 4 in die Bohrung 11 über die Einleitvorrichtung 6 bzw. Einspritzvorrichtung mittels der Pumpe 3 zielgenau zur Bohrung 11 befördert wird, beispielsweise indem die Öffnung der Einleitvorrichtung 6 auf die Bohrung 11 gerichtet ist bzw. unmittelbar vor der Bohrung angeordnet ist. Vorzugsweise ist ein Rücklauf 15 in die Einleitvorrichtung 6 integriert. Über den Rücklauf 15 wird die in das Werkstück 1 eingespritzte Flüssigkeit 4 in das Reservoir 14 zurückgeführt. Darüber hinaus wird die aus der Bohrung 11 austretende Flüssigkeit 4 vorzugsweise über einen weiteren Rücklauf 16 wieder in das Reservoir 14 zurückgeführt und dort gesammelt. Insbesondere bilden das Reservoir 14, die Pumpe 3, der Rücklauf 15, der weitere Rücklauf 16 und/oder die Einspritzvorrichtung 6 einen Teil eines Kreislaufs. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass es sich bei dem Laserlicht 7 um gepulstes Laserlicht, beispielweise um Nano-, Piko- oder Femtosekundenpulse handelt. Denkbar ist dabei, dass das Laserleicht 7 zur Intensitätserhöhung fokussiert ist. Es ist dabei vorstellbar, dass das Ausmaß der Formgebung des Kantenbereichs bzw. der Innenseite der Bohrung durch das Einstellen einer Laserlichtintensität steuerbar ist bzw. gesteuert wird. Weiterhin ist es vorstellbar, dass die Partikel Gold-Nanopartikel sind, beispielsweise mit einem gemittelten Durchmesser, der weniger als 50 nm, bevorzugt weniger als 20 nm und besonders bevorzugt etwa 10 nm beträgt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Umfang bzw. das Ausmaß der Verrundung gesteuert wird durch eine gezielte Einstellung der Konzentration der Partikel in der Flüssigkeit 4, der Partikelgröße und/oder der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit 4.
In 4 sind schematisch zwei Kantenbereich 12 gezeigt, die jeweils mittels eines Verfahrens gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt sind. Es ist zu erkennen, dass in beiden Fällen symmetrische Kantenbereich 12 durch das Verfahren entstehen. Ursache dafür ist, dass die Wirkung der Rundung maßgeblich vom Laserlicht beeinflusst wird und das Verfahren gegenüber dem hydroerosiven Schleifen (HE-Schleifen) weniger anfällig gegenüber eine asymmetrisch Anströmung ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013212665 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods Using Seed-Mediated Growth Method” aus der Zeitschrift Chem. Mater. 2003, 15, 1957–1962 [0018]
Review-Artikel „Modelling the optical response of gold nanoparticles”, erschienen im Chem. Soc. Rev, 2008, 37, 1792–1805 [0019]

Claims

Verfahren zum Laserbohren oder Laserschneiden eines Werkstücks (1), wobei in einem ersten Verfahrensschritt das Werkstück (1), eine Einleitvorrichtung (6) und eine Laserlicht (7) emittierende Laserquelle bereitgestellt werden, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt – durch das Laserlicht (7) eine Bohrung (11) im Werkstück (1) erzeugt und – mittels der Einleitvorrichtung (6) eine Partikel aufweisende Flüssigkeit (4) innerhalb der Bohrung angeordnet wird, wobei das Laserlicht (7) und die Partikel in der Flüssigkeit (4) derart ausgewählt sind, dass Laserlicht (7) zur Formgebung eines Kantenbereichs (12) oder einer Innenseite der Bohrung (11) von den Partikeln in der Flüssigkeit (4) gestreut und/oder absorbiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei mit der die Partikel aufweisenden Flüssigkeit (4) ein Teilabschnitt der Bohrung (11) gefüllt wird, wobei eine Eindringtiefe der Flüssigkeit (4) in die Bohrung (11) während des zweiten Verfahrensschritt zumindest zeitweise konstant gehalten wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im zweiten Verfahrensschritt – die Partikel aufweisende Flüssigkeit (4) an einem ersten Ende der Bohrung (11) und – das Laserlicht (7) an einem zweiten Ende der Bohrung (11) eingeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im zweiten Verfahrensschritt – gepulstes Laserlicht (7), insbesondere Pikosekunden- oder Nanosekundenpulse aufweisendes Laserlicht (7), und/oder – eine Flüssigkeit (4) mit Nanopartikeln, insbesondere mit Metallnanopartikeln, verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Steuerung der Formgebung des Kantenbereichs oder der Innenseite im zweiten Verfahrensschritt – eine Konzentration der Partikel in der Flüssigkeit, – die Eindringtiefe der Flüssigkeit in die Bohrung, – eine Partikelgröße und/oder – eine Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bohrung (1) in einem Teil eines Einspritzventils für eine Einspritzanlage, insbesondere in einem Ventilsitz, in einer Düse oder in einer Drosselplatte der Einspritzanlage realisiert wird.
System zum Laserbohren oder Laserschneiden eines Werkstücks (1), insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System eine Laserquelle, die Laserlicht (7) emittiert, und eine Einleitvorrichtung (6), mit der eine Partikel aufweisende Flüssigkeit (4) in die Bohrung (11) einleitbar ist, aufweist, wobei das Laserlicht (7) und die Partikel in der Flüssigkeit (4) derart ausgewählt sind, dass das Laserlicht (7) an den Partikeln streut und/oder die Partikel das Laserlicht (7) zumindest teilweise absorbieren.
System gemäß Anspruch 7, wobei das System eine Gasgegendruckvorrichtung umfasst, mit der eine Eindringtiefe der Flüssigkeit in die Bohrung gesteuert wird.
System gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei das System einen die Flüssigkeit (4) führenden Kreislauf umfasst, wobei der Kreislauf ein Reservoir (14) zum Sammeln der die Partikel aufweisende Flüssigkeit (4), eine Pumpe (3) zum Befördern der Flüssigkeit (4), eine Einleitvorrichtung (6) zum Einleiten der Flüssigkeit (4) in die Bohrung (11) und/oder einen Rücklauf (15) zum Abführen der in das Werkstück (1) eingeleiteten Flüssigkeit (4) aufweist.
System gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Einleitvorrichtung (6) in eine Aussparung (13) im Werkstück (1) einsetzbar ist und/oder ein Rücklauf (15) in die Einleitvorrichtung (6) integriert ist.