DE102015218760A1

DE102015218760A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bohren eines Durchgangslochs in einem Werkstück mittels eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102015218760A1
Application number: DE102015218760.8A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Garn; Udo Kreißig; Andreas Lenk
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren eines Durchgangslochs (4) in einem Werkstück (1) mittels eines Laserstrahls (2), wobei das Durchgangsloch (4) zwischen einer ersten und einer zweiten Seite (101, 102) des Werkstücks (1) ausgebildet wird, indem der Laserstrahl (2) auf die erste Seite (101) des Werkstücks (1) gerichtet wird. Beim Bohren ist ein Schutzelement (5) aus einem festen Werkstoff benachbart zur zweiten Seite (102) des Werkstücks (1) derart angeordnet, dass der aus der zweiten Seite (102) austretende Laserstrahl (2) auf einen Oberflächenbereich (501) des Schutzelements (5) gerichtet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Oberflächenbereich (501) des Schutzelements (5) und der zweiten Seite (102) des Werkstücks (1) ein Fluid (7) mit einem vorgegebenen Absorptionsvermögen eingebracht wird, so dass mindestens 50% der Leistung, die der Laserstrahl (2) bei dessen Austritt aus der zweiten Seite (102) hat, durch das Fluid (7) absorbiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren eines Durchgangslochs in einem Werkstück mittels eines Laserstrahls.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mittels eines Laserstrahls Löcher in Bauteile zu bohren. Laserstrahlquellen mit kurzer Pulsdauer kleiner als 1 ps ermöglichen dabei einen sog. kalten Materialabtrag, bei dem metallische Werkstoffe ohne Wärmeleitung durch Plasmabildung abgetragen werden können. Es können dabei hochgenaue Mikrobohrungen, z.B. für Steuerdrosseln oder Spritzlöcher in Kraftstoffeinspritzventilen, hergestellt werden.
Beim Bohren von Durchgangslöchern mittels Laserstrahlen besteht das Problem, dass durch den Laserstrahl unter Umständen auch Bereiche des Werkstücks beschädigt werden, welche nicht bearbeitet werden sollen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, wie nicht zu bearbeitende Bereiche eines Werkstücks beim Laserbohren vor dem Laserstrahl geschützt werden können. In den Dokumenten US 8,242,408 B2 und DE 103 14 844 B4 werden hierzu Schutzelemente aus einer Keramik verwendet.
Ferner werden zum Bauteilschutz beim Laserbohren pastöse Schutzmittel ( DE 10 2011 078 651 A1 ), Karbonfasern ( DE 10 2011 079 815 A1 ) sowie Materialien aus Gummi ( WO 2004/108344 A2 ) eingesetzt.
Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Ansätze bekannt, um Bauteile beim Laserbohren mittels Fluiden zu schützen ( WO 99/11419 A1 und EP 1 660 269 B1 ).
In dem Dokument US 2013/0146570 A1 ist ein Verfahren zum Laserbohren beschrieben, bei dem zum Schutz von nicht über den Laserstrahl zu bearbeitenden Bauteilflächen ein Schutzelement in Kombination mit einem Fluid verwendet wird, wobei das Fluid keine Absorptionseigenschaften für den Laserstrahl aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren eines Durchgangslochs in einem Werkstück mittels eines Laserstrahls zu schaffen, welche einen effizienten Schutz von Bereichen des Werkstücks gewährleisten, die nicht durch den Laserstrahl zu bearbeiten sind.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Durchgangsloch und ggf. auch mehrere Durchgangslöcher zwischen einer ersten und einer zweiten Seite des zu bearbeitenden Werkstücks dadurch ausgebildet, dass ein Laserstrahl auf die erste Seite des Werkstücks gerichtet wird. Der Laserstrahl bewirkt einen entsprechenden Materialabtrag, wodurch das Durchgangsloch im Werkstück erzeugt wird. Beim Ausbilden des Durchgangslochs ist ein Schutzelement aus einem festen Werkstoff benachbart zur zweiten Seite des Werkstücks derart angeordnet, dass der aus der zweiten Seite austretende Laserstrahl auf einen Oberflächenbereich des Schutzelements gerichtet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Oberflächenbereich des Schutzelements und der zweiten Seite des Werkstücks ein Fluid mit einem vorgegebenen Absorptionsvermögen eingebracht wird, so dass mindestens 50% und vorzugsweise mindestens 70% der Leistung, die der Laserstrahl bei dessen Austritt aus der zweiten Seite hat, durch das Fluid absorbiert wird.
Erfindungsgemäß wird somit neben einem Schutzelement aus festem Material ein spezielles Fluid verwendet, welches eine gute Absorption der Energie des Laserstrahls gewährleistet. Durch diese Kombination wird ein effektiver Schutz des bearbeiteten Werkstücks hinter der Bearbeitungsstelle gewährleistet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zum Bohren des Durchgangslochs ein Laserstrahl von einem Ultrakurzpulslaser und/oder einem Festkörperlaser verwendet. Bei Ultrakurzpulslasern liegt die Pulsdauer unter 1 ps. Vorzugsweise werden mit dem Ultrakurzpulslaser dabei Laserpulse zwischen 50 und 100 μJ erzeugt. Die Wellenlänge des Lichts des Laserstrahls liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 1 μm.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Oberflächenbereich des Schutzelements, auf den der Laserstrahl gerichtet ist, und vorzugsweise auch die restliche Oberfläche des Schutzelements kontinuierlich ausgebildet. Das heißt, die Oberfläche weist keine Unstetigkeiten bzw. Sprünge auf. Hierdurch wird eine einfache Herstellung des Schutzelements gewährleistet. Die Absorption der Laserleistung erfolgt dabei vor allem unmittelbar an der Oberfläche des Schutzelements. Gegebenenfalls kann auch ein Materialabtrag am Schutzelement durch den Laserstrahl erfolgen.
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluid derart eingebracht, dass es zwischen dem Oberflächenbereich des Schutzelements und der zweiten Seite des Werkstücks hindurch strömt. Hierdurch wird ein schneller Abtransport der absorbierten Laserleistung erreicht und gleichzeitig das Schutzelement gekühlt.
Als Fluid können in dem erfindungsgemäßen Verfahren verschiedene Substanzen verwendet werden. In einer bevorzugten Variante umfasst das Fluid eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von mindestens 100 °C und insbesondere von mindestens 200°C. Vorzugsweise umfasst das Fluid Wasser und/oder einen Kohlenwasserstoff und/oder ein Glykol. Zum Erreichen des vorgegebenen Absorptionsvermögens von mindestens 50% werden in einer weiteren bevorzugten Variante dem Fluid feste oder flüssige Additive zugesetzt, wie z.B. Silizium- oder Siliziumcarbid-Pulver bzw. Farbstoffe.
Zur effizienten Absorption der noch verbleibenden Laserenergie nach Durchtritt des Laserstrahls durch das Fluid wird als Werkstoff für das Schutzelement vorzugsweise ein hochschmelzendes Material mit einem Schmelzpunkt von 1500 °C oder höher, wie z.B. eine Keramik, eingesetzt. Besonders geeignet ist dabei Wolfram und/oder Wolframcarbid und/oder Aluminiumoxid. Aluminiumoxid bietet darüber hinaus den Vorteil, dass ein Teil der Laserstrahlung gestreut wird, bevor sie absorbiert wird. Damit verteilt sich die absorbierte Laserstrahlung auf ein größeres Volumen, was zu einer geringeren Belastung des Schutzelements führt.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in dem Schutzelement ein oder mehrere Kanäle ausgebildet, in denen das Fluid geführt ist, wobei über eine Austrittsöffnung eines jeweiligen Kanals das Fluid zwischen den Oberflächenbereich des Schutzelements und der zweiten Seite des Werkstücks gelangt. Hierdurch wird ein kompakter Aufbau zur Einbringung des Fluids geschaffen.
In einer weiteren bevorzugten Variante ist das Schutzelement ein länglicher Körper, insbesondere in der Form eines Zylinders. Vorzugsweise erstrecken sich dabei der oder die Kanäle in Längsrichtung dieses länglichen Körpers.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Ausbildung von Durchgangslöchern in unterschiedlichen Werkstücken eingesetzt werden. Vorzugsweise werden dabei Durchgangslöcher mit einem Durchmesser zwischen 50 und 200 µm generiert. Als besonders geeignet erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung eines Spritzlochs in einem Düsenkörper einer Kraftstoffeinspritzdüse und insbesondere einer Dieseleinspritzdüse. Der Kraftstoffeinspritzdüse ist dabei insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgesehen.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bohren eines Durchgangslochs in einem Werkstück mittels eines Laserstrahls. Diese Vorrichtung umfasst einen Laser (d.h. eine Laserlichtquelle) zum Ausbilden des Durchgangslochs zwischen einer ersten und einer zweiten Seite des Werkstücks, indem ein durch den Laser erzeugter Laserstrahl auf die erste Seite des Werkstücks gerichtet wird. Ferner ist ein Schutzelement aus einem festen Werkstoff vorgesehen, welches beim Ausbilden des Durchgangslochs derart benachbart zur zweiten Seite des Werkstücks angeordnet ist, dass der aus der zweiten Seite austretende Laserstrahl auf einen Oberflächenbereich des Schutzelements gerichtet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, um zwischen dem Oberflächenbereich des Schutzelements und der zweiten Seite des Werkstücks beim Ausbilden des Durchgangslochs ein Fluid mit einem vorgegebenen Absorptionsvermögen einzubringen, so dass mindestens 50% und vorzugsweise mindestens 70% der Leistung, die der Laserstrahl bei dessen Austritt aus der zweiten Seite hat, durch das Fluid absorbiert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten 1 beschrieben. Diese Figur zeigt eine Schnittansicht durch eine Dieseleinspritzdüse beim Ausbilden eines Durchgangslochs basierend auf einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt in Schnittansicht den oberen Teil eines Düsenkörpers 1 einer Dieseleinspritzdüse. Der Düsenkörper ist dabei rotationsymmetrisch um die dargestellte strichpunktierte Linie L ausgestaltet. Die Außenseite des Düsenkörpers ist mit Bezugszeichen 101 und die gegenüberliegende Innenseite mit Bezugszeichen 102 bezeichnet. Der Düsenkörper umfasst einen vorderen Abschnitt 1a sowie einen hinteren Abschnitt 1b, zwischen denen sich eine Kuppe 1c befindet, in der in der Regel ca. sechs Durchgangslöcher 4 mit der Funktion als Spritzlöcher auszubilden sind. Die Dicke des Düsenkörpers im Bereich der Kuppe 1c beträgt etwa 1 mm, wohingegen der Durchmesser der Durchgangslöcher bei etwa 0,1 mm liegt. 1 verdeutlicht die Erzeugung eines dieser Durchgangslöcher mittels eines Laserstrahls 2.
Der Laserstrahl 2 wird über eine Fokussierlinse 3 auf die Stelle der Kuppe 1c fokussiert, an der das Durchgangsloch 4 zu erzeugen ist. Der Laserstrahl bewirkt einen Materialabtrag von der Außenseite 101 bis zur Innenseite 102 der Düsenkörpers 1, wobei der Laserstrahl in dem Szenario der 1 bereits die Dicke des Düsenkörpers durchbrochen hat.
Um zu verhindern, dass ein dem Durchgangsloch 4 gegenüberliegender Bereich der Innenseite des Düsenkörpers 1 durch den Laserstrahl 2 beschädigt wird, wird in der hier beschriebenen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens unter anderem ein Schutzelement 5 aus hochschmelzendem Material und insbesondere aus einer Keramik eingesetzt. Das Schutzelement hat die Form eines Zylinders, dessen Längsachse parallel zur Linie L verläuft. Das Schutzelement ist ferner derart im Inneren des Düsenkörpers 1 angeordnet, dass der Laserstrahl 2 auf einen entsprechenden Oberflächenbereich 501 des Schutzelements 5 fällt. Hierdurch wird die Absorption von Laserenergie durch das Schutzelement gewährleistet. Der Abstand zwischen dem Durchgangsloch 4 auf der Seite der Innenfläche 102 und des Oberflächenbereichs 501 liegt je nach Ausführung zwischen 0,1 und 0,5 mm.
Um bereits vor dem Auftreffen des Laserstrahls 2 auf das Schutzelement 5 eine effiziente Absorption von Laserenergie zu gewährleisten, wird dem Raum zwischen der Innenseite des Düsenkörpers 1 und der Oberfläche des Schutzelements 5 ein nicht-brennbares Fluid 7 mit einem hohen Absorptionsvermögen für die Leistung des Laserstrahls zugeführt. Hierzu ist in dem Schutzelement 5 ein gestrichelt dargestellter Kanal 6 ausgebildet, in dem das Fluid geführt wird. Über eine rechte Austrittsöffnung des Kanals 6 gelangt das Fluid 7 in den Raum zwischen Düsenkörper 1 und Schutzelement 5. Die Fließrichtung des Fluids ist in 1 durch entsprechende Pfeile P angedeutet. Wie man erkennt, strömt das Fluid an dem Durchgangsloch 4 und dem Schutzelement 5 vorbei, wodurch ein effizienter Abtransport der absorbierten Laserleistung und gleichzeitig eine gute Kühlung des Materials des Schutzelements sichergestellt sind.
Das Absorptionsvermögen des Fluids 7 für die Laserleistung liegt erfindungsgemäß bei mindestens 50%. Mit anderen Worten wird durch das Fluid gewährleistet, dass darin mindestens 50% von der Leistung des Laserstrahls bei Austritt aus dem Durchgangsloch 4 an der Innenseite 102 absorbiert wird. Dies kann in an sich bekannter Weise durch Zusätze in dem Fluid erreicht werden. Als Fluid kann z.B. Wasser oder ein Kohlenwasserstoff oder ein Glykol mit entsprechenden Additiven, wie z.B. Siliziumpulver oder Siliziumcarbidpulver, eingesetzt werden.
Die Form und der Aufbau des in 1 verwendeten Schutzelements 5 sind lediglich beispielhaft. Insbesondere kann das Schutzelement auch eine andere als eine zylindrische Form aufweisen. Ebenso können mehr als ein Kanal in dem Schutzelement ausgebildet sein. Zum Beispiel können vier, symmetrisch um die Mittelachse des Zylinders angeordnete Kanäle vorgesehen sein.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird ein effizienter Schutz von nicht zu bearbeitenden Bereichen eines Werkstücks beim Laserbohren durch die Kombination eines festen Schutzelements mit einem Fluid mit hohem Absorptionsvermögen erreicht. Indem das Fluid zwischen einem Ende des Durchgangslochs und dem festen Schutzelement hindurch strömt, kann ein guter Abtransport von absorbierter Laserleistung und gleichzeitig eine Kühlung des Schutzelements gewährleistet werden.
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

US 8242408 B2 [0004]
DE 10314844 B4 [0004]
DE 102011078651 A1 [0005]
DE 102011079815 A1 [0005]
WO 2004/108344 A2 [0005]
WO 99/11419 A1 [0006]
EP 1660269 B1 [0006]
US 2013/0146570 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Bohren eines Durchgangslochs (4) in einem Werkstück (1) mittels eines Laserstrahls (2), wobei das Durchgangsloch (4) zwischen einer ersten und einer zweiten Seite (101, 102) des Werkstücks (1) ausgebildet wird, indem der Laserstrahl (2) auf die erste Seite (101) des Werkstücks (1) gerichtet wird, wobei ein Schutzelement (5) aus einem festen Werkstoff benachbart zur zweiten Seite (102) des Werkstücks (1) derart angeordnet ist, dass der aus der zweiten Seite (102) austretende Laserstrahl (2) auf einen Oberflächenbereich (501) des Schutzelements (5) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Oberflächenbereich (501) des Schutzelements (5) und der zweiten Seite (102) des Werkstücks (1) ein Fluid (7) mit einem vorgegebenen Absorptionsvermögen eingebracht wird, so dass mindestens 50% der Leistung, die der Laserstrahl (2) bei dessen Austritt aus der zweiten Seite (102) hat, durch das Fluid (7) absorbiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) von einem Ultrakurzpulslaser und/oder einem Festkörperlaser stammt, wobei der Ultrakurzpulslaser vorzugsweise Laserpulse mit einer jeweiligen Energie zwischen 20 und 100 µJ erzeugt, und/oder dass die Wellenlänge des Lichts des Laserstrahls (2) zwischen 0,5 und 1 µm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich (501) des Schutzelements (5), auf dem der Laserstrahl (2) gerichtet ist, und vorzugsweise auch die restliche Oberfläche des Schutzelements (5) kontinuierlich ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (7) derart eingebracht wird, dass es zwischen dem Oberflächenbereich (501) des Schutzelements (5) und der zweiten Seite (102) des Werkstücks (1) hindurch strömt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (7) eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von mindestens 100°C umfasst, vorzugsweise Wasser und/oder einen Kohlenwasserstoff und/oder ein Glykol.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fluid Additive (7) zugesetzt sind, um das vorgegebene Absorptionsvermögen zu erreichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Schutzelements (5) ein Material mit einem Schmelzpunkt von 1500°C oder höher ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, das der Werkstoff des Schutzelements (5) Wolfram und/oder Wolframcarbid und/oder Aluminiumoxid umfasst.
Verfahren nach einem der vorergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schutzelement (5) ein oder mehrere Kanäle (6) ausgebildet sind, in denen das Fluid (7) geführt ist, wobei über eine Austrittsöffnung eines jeweiligen Kanals (6) das Fluid (7) zwischen den Oberflächenbereich (501) des Schutzelements (5) und der zweiten Seite (102) des Werkstücks (1) gelangt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (5) ein länglicher Körper, insbesondere in der Form eines Zylinders, ist.
Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der oder die Kanäle (6) in Längsrichtung des länglichen Körpers erstrecken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Durchgangsloch (4) ein Spritzloch in einem Düsenkörper einer Kraftstoffeinspritzdüse und insbesondere einer Dieseleinspritzdüse ausgebildet wird.
Vorrichtung zum Bohren eines Durchgangslochs (4) in einem Werkstück (1) mittels eines Laserstrahls (2), umfassend – einen Laser zum Ausbilden des Durchgangslochs (4) zwischen einer ersten und einer zweiten Seite (101, 102) des Werkstücks (1), indem ein durch den Laser erzeugter Laserstrahl auf die erste Seite (101) des Werkstücks (1) gerichtet wird; – ein Schutzelement (5) aus einem festen Werkstoff, welches beim Ausbilden des Durchgangslochs (4) derart benachbart zur zweiten Seite (102) des Werkstücks (1) angeordnet ist, dass der aus der zweiten Seite (102) austretende Laserstrahl auf einen Oberflächenbereich (501) des Schutzelements (5) gerichtet ist; dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, um zwischen dem Oberflächenbereich (502) des Schutzelements (5) und der zweiten Seite (102) des Werkstücks (1) beim Ausbilden des Durchgangslochs (4) ein Fluid (7) mit einem vorgegebenen Absorptionsvermögen einzubringen, so dass mindestens 50% der Leistung, die der Laserstrahl (2) bei dessen Austritt aus der zweiten Seite (102) hat, durch das Fluid (7) absorbiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 12 eingerichtet ist.