-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbohren oder Laserschneiden eines Werkstückes, wobei von einem Laser ausgesandte elektromagnetische Strahlung auf das Werkstück trifft und sich an einer dem Laser abgewandten Seite des Werkstückes eine Flüssigkeit befindet, in der Partikel enthalten sind, sodass die von dem Laser ausgesandte elektromagnetische Strahlung auf die Partikel trifft, wenn die elektromagnetische Strahlung das Werkstück durchdrungen hat.
-
-
Um Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis und sehr guter Kantenqualität mittels Laser in wirtschaftlicher Prozesszeit zu erzeugen, sind gepulste Laser mit hoher Pulsenergie erforderlich. Nachdem die von diesen gepulsten Lasern ausgesandte elektromagnetische Strahlung das Werkstück durchdrungen hat, stellt sie für weitere sich im Strahlengang befindliche Materialien und/oder Personen eine Gefahr dar. Insbesondere wenn sich gegenüber der Bohrlochaustrittsseite in nur geringem Abstand weiteres Material befindet, wird dieses Material in der Regel durch die austretende Laserstrahlung geschädigt. Der Bohr- oder Schneidprozess kann nicht vor dem Eintreten der Schädigung abgebrochen werden, da das Durchgangsloch im Werkstück nach dem Öffnen noch auf die geforderte Form gebracht werden muss. Die auftretenden Schäden sind für viele Anwendungen, wie das Laserbohren von Einspritzdüsen oder das Erzeugen von Kühlbohrungen in Turbinenschaufeln, nicht hinnehmbar. Auch beim Schneiden von Rohrmaterial mit geringem Innendurchmesser, beispielsweise bei der Herstellung medizinischer Stents, kann das Problem auftreten.
-
Um das hinter dem Bohrloch bzw. Schneidloch liegende Material zu schützen, sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Vorgehensweisen bekannt. In allen wird in Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung hinter dem Werkstück ein Material angeordnet, um die elektromagnetische Strahlung daran zu hindern, Schaden anzurichten. Prinzipiell kommen Feststoffe, zirkulierende Flüssigkeiten und Fluide oder Partikelsuspensionen in Frage.
-
Aus der
US 6,303,901 B1 ist es beispielsweise bekannt, in den Zwischenraum zwischen dem zu bohrenden oder zu durchtrennenden Material und einem rückseitigen weiteren Material ein monoatomares oder molekulares Gas anzuordnen, das die Photonen der Laserstrahlung absorbiert und so ein hochdichtes Plasma bildet. In einer anderen Ausführungsform ist der Zwischenraum mit einem Festkörper oder hochviskosen Flüssigkeit gefüllt.
-
Insbesondere die Verwendung von Feststoffen zum Abfangen der elektromagnetischen Strahlung ist mit einigen Nachteilen verbunden. Um derartige Feststoffe, beispielsweise Keramikstäbe oder-platten, verwenden zu können, muss der Hohlraum zwischen dem zu durchtrennenden Werkstück auf der Rückseite leicht von außen erreichbar sein. Zudem wird der zwischengelagerte Feststoff abgetragen und muss entweder nachgeschoben oder erneuert werden. Außerdem müssen die Abtragpartikel des Feststoffes, die durch die elektromagnetische Strahlung des Lasers abgelöst werden, am Ende des Bohrprozesses leicht aus dem Hohlraum entfernbar sein.
-
Aus der
WO 2007/089469 A2 ist es bekannt, den Zwischenraum mit einem trockenen, stabilen Pulver, beispielsweise Aluminiumoxidpulver, zu füllen. Dabei wird die Größe der einzelnen Partikel zwischen 10µm und 1.000µm gewählt. Auch bei dieser Lösung muss jedoch das Pulver nach dem Bohren aus dem Hohlraum entfernt und für die nächste Bohrung gegebenenfalls frisches Pulver nachgefüllt werden.
-
Die
WO 2000/69594 A1 schlagen dagegen vor, eine Flüssigkeit zu verwenden, in der Farbstoffe vorhanden sind. Diese Farbstoffe können dabei so gewählt werden, dass sie insbesondere Photonen, die die Wellenlänge des Laserlichtes aufweisen, absorbieren. Dabei kommt es in den Farbstoffmolekülen zu einer elektronischen Anregung, bei der Elektronen in höhere Energieniveaus angehoben werden. Nachteilig ist jedoch, dass derartige Farbstoffe relativ schnell ausbleichen und für die elektromagnetische Strahlung des Lasers transparent werden. Zudem verfügen sie in der Regel nur über einen relativ geringen Absorptionsquerschnitt.
-
Zusätzlich zu den Farbstoffen können Mikropartikel in der Flüssigkeit enthalten sein, die das einfallende Laserlicht streuen und so die Energiedichte der elektromagnetischen Strahlung verringern, sodass sie insbesondere in Kombination mit der Absorption durch den Farbstoff nicht mehr ausreichend ist, um an unerwünschten Stellen Material abzutragen. Dazu muss jedoch die Partikelkonzentration in der Flüssigkeit sehr hoch sein. Dies führt zu einer hohen Viskosität, die eine hohe Fließgeschwindigkeit in engen Hohlräumen verhindert. Dies hat zum einen den Nachteil, dass die hochviskose Flüssigkeit nur schwer aus insbesondere engen Hohlräumen wieder entfernt werden kann, und zum anderen besteht bei geringen Fließgeschwindigkeit die Gefahr, dass die elektromagnetische Strahlung die Flüssigkeit lokal verdampft und somit in diesem Bereich kein Schutz mehr für dahinter liegende Materialien besteht. Es entstehen Blasen, durch die die Laserstrahlung nahezu ungehindert hindurchtreten kann.
-
Die
DE 10 2010 063 342 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Wirksystemen, bei denen Nanopartikel einer ersten Komponente mit Mikropartikeln eines zweiten Komponente verbunden sind. Diese Wirksysteme werden beispielsweise in Medizinprodukten eingesetzt.
-
Die
DE 10 2013 212 665 A1 schlägt vor, als Rückraumschutz eine Flüssigkeit zu verwenden, in der Nanopartikel enthalten sind, in denen der überwiegende Teil der elektromagnetischen Strahlung in kollektiven Anregungen, beispielsweise Plasmonen, absorbiert wird.
-
So absorbieren zum Beispiel sphärische Goldnanopartikel mit einer Partikelgröße von 3 nm bis 10 nm hervorragend im Laserwellenlängenbereich von 515 nm bis 532 nm, ermöglichen jedoch keinerlei Rückraumschutz für Laserwellenlängen im Nahinfrarotbereich, beispielsweise bei 1030 nm und 1064 nm. Klassische Laserwellenlängen zum Schneiden und Bohren liegen jedoch im Nahinfrarotbereich. Größere Goldnanopartikel mit einem Durchmesser von circa 100 nm bis 150 nm weisen eine kollektive Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge von ca. 1000 nm bis 1100 nm auf. Diese Goldnanopartikel werden jedoch durch die absorbierte Energie fragmentiert in kleinere Nanopartikel mit einem Durchmesser von einem nm bis 20 nm, sodass die größeren Goldnanopartikel mit Ihrem Durchmesser von 100 nm bis 150 nm keinen zeitlich stabilen Rückraumschutz ermöglichen.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wie Beispielsweise aus der
DE 10 2013 212 665 A1 bekannt, so weiter zu entwickeln, dass sowohl für elektromagnetische Strahlungen im Nahinfrarotbereich bei Wellenlängen von beispielsweise 1030 nm und 1064 nm als auch für elektromagnetische Strahlung im grünen sichtbaren Bereich bei Wellenlängen von beispielsweise 515 nm und 532 nm ein zeitlich stabiler Rückraumschutz ermöglicht wird. Dies ist von Vorteil, da beispielsweise gepulste Nahinfrarotlaser durch Zusatzaufbauten zu einem Frequenzverdoppelten Laser umgerüstet werden. Für industrielle Anwendungen ist es daher von großem Vorteil, ein Material als Rückraumschutz einzusetzen, welches beide Wellenlängenbereiche zeitlich stabil abdeckt.
-
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dass sich dadurch auszeichnet, dass die Partikel Nanopartikel eines ersten Materials enthalten, die auf Mikropartikeln adsorbiert sind, wobei die Mikropartikel aggregierte Nanopartikel eines zweiten Materials sind.
-
Das Zusammenwirken von Mikropartikeln und Nanopartikeln in einer einzigen Suspension ist aus dem Stand der Technik bekannt. Die Nanopartikel sind dabei für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung und die Mikropartikel für die Streuung der Strahlung verantwortlich. Die Anordnung von Nanopartikeln auf streuende Mikropartikeln ist bereits der
DE 10 2013 212 665 A1 zu entnehmen. Anders als bei dieser Lösung aus dem Stand der Technik werden erfindungsgemäß jedoch Mikropartikel verwendet, die aggregierte Nanopartikel sind. Diese Lösung hat einige überraschende Vorteile. Zunächst überrascht, dass derartige aggregierte Nanopartikel, die Mikropartikel bilden, durch die einfallende elektromagnetische Strahlung des gepulsten Lasers getroffen werden, diese Strahlung unbeschadet überstehen. Zudem ergibt sich überraschenderweise, dass die bisher aus dem Stand der Technik bekannte Teilung der Aufgaben in Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch die Nanopartikel und Streuung der elektromagnetischen Strahlung durch die Mikropartikel durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung offenbar nicht aufrecht erhalten bleibt. Vielmehr hat sich beispielsweise gezeigt, dass Nanopartikel aus Gold, die eine Plasmonenresonanz bei einer Energie zeigen, die einer elektromagnetischen Strahlung einer Wellenlänge von unter 600 nm entspricht, in einem erfindungsgemäßen Verfahren hervorragende Rückraumschutzeigenschaften auch bei elektromagnetischer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1.030 nm zeigt. Es kann folglich Laserstrahlung absorbiert werden, für die die Nanopartikel allein nicht geeignet wären.
-
Vorteilhafterweise ist das erste Material verschieden vom zweiten Material.
-
Vorzugsweise weist die elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge von mindestens 500 nm und höchstens 1100 nm, bevorzugt mindestens 1030 nm und höchstens 1064 nm auf.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das erste Material ein Metall, vorzugsweise Gold, Silber, Platin, Palladium oder Kupfer, insbesondere in Form von Kupferselenid, oder Kohlenstoff, insbesondere in Form von Ruß, der auch als „Carbon“ bezeichnet wird, oder ein Selenid, insbesondere Kupferselenid, oder Sulfit. Das Material kann alle die genannten Stoffe enthalten oder daraus oder aus einer Kombination mehrerer davon bestehen. Das optimale Material kann auf die Form, insbesondere die geometrische Kontur der Nanopartikel und natürlich die zu absorbierende Laserwellenlänge abgestimmt werden.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist zumindest ein überwiegender Anteil der Nanopartikel des ersten Materials, bevorzugt alle Nanopartikel des ersten Materials eine Partikelgröße zwischen 1 nm und 99 nm , bevorzugt zwischen 2 nm und 50 nm auf.
-
Vorteilhafterweise enthält das zweite Material Titandioxid, Aluminiumdioxid, Siliziumdioxid, Siliziumcarbit, Bariumsulfat, Kalziumphosphat oder Zinkoxid oder besteht daraus oder aus einer Kombination mehrerer der genannten Stoffe.
-
Vorzugsweise ist die Flüssigkeit Wasser oder Öl, insbesondere ein Mineralöl. Es können auch natürliche, beispielsweise pflanzliche Öle oder Mischungen verschiedener Öle verwendet werden. Insbesondere für statische Verfahren, bei denen sich die Flüssigkeit nicht oder kaum bewegt und damit lange durch die elektromagnetische Strahlung beeinflusst wird, hat sich die Verwendung eines Öles als vorteilhaft erwiesen, da Wasser durch die eingestrahlte Laserenergie verdampft werden kann, wodurch die Schutzwirkung stark eingeschränkt wird oder vollständig verfällt.
-
Vorteilhafterweise verfügen die Mikropartikel über eine mittlere Größe zwischen 0,1 µm und 10µm, bevorzugt zwischen 0,2µm und 0,4µm, bevorzugt von 0,3µm und weisen bevorzugt die Nanopartikel des zweiten Materials eine Partikelgröße zwischen 1 nm und 99 nm aufweisen.
-
Vorteilhafterweise ist die Konzentration der Mikropartikel in der Flüssigkeit zwischen 50mg/ml und 500 mg/ml, bevorzugt zwischen 100mg/ml und 200mg/ml.
-
Vorzugsweise beträgt ein Anteil des ersten Materials an einer Gesamtmenge der in der Flüssigkeit enthaltenen Partikel weniger als 30 Massenprozent, bevorzugt zwischen 3 und 15 Massenprozent, besonders bevorzugt 5 Massenprozent.
-
In einer besonders einfachen Ausgestaltung des Verfahrens werden die Mikropartikel erzeugt, indem aggregierte, pulvrige Nanopartikel des zweiten Materials durch den Einsatz von Ultraschall in der Flüssigkeit dispergiert werden und bevorzugt als Nanopartikelaggregate mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 0,3 µm vorliegen.
-
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch eine Flüssigkeit zum Verwenden in einem derartigen Verfahren, die sich dadurch auszeichnet, dass sie Partikel enthält, die Nanopartikel eines ersten Materials enthalten, die auf Mikropartikeln adsorbiert sind, wobei die Mikropartikel aggregierte Nanopartikel des zweiten Materials sind.
-
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens und der Flüssigkeit wird erreicht, dass die Flüssigkeit eine Vielzahl, bevorzugt nur noch, von Mikropartikeln enthält, und kaum oder vorzugsweise keine Nanopartikel enthalten sind, die nicht auf Mikropartikeln adsorbiert sind. Dadurch wird gegebenenfalls eine bessere Trennbarkeit der nach dem Bohren oder Schneiden enthaltenen Partikel erreicht.
-
Die vorzugsweise verwendeten aggregierten Nanopartikel, die die Mikropartikel des zweiten Materials bilden, sind vorzugsweise aus Nanopartikeln mit einer Primärpartikelgröße zwischen 1nm und 99 nm zusammengesetzt. Der Begriff „Aggregat“ beschreibt dabei fest miteinander verbundene Primärpartikel, welche sich durch den Einsatz von bekannten Verfahren, wie beispielsweise Ultraschall, nicht aufbrechen lassen.
-
Mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 - die schematische Darstellung einer Rückwandschädigung beim Laserbohren,
- 2 - die transmittierte Laserleistung als Funktion der Zeit bei der Durchführung eines Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 3 - die transmittierte Laserleistung als Funktion der Zeit für unterschiedliche verwendete Flüssigkeiten,
- 4 - die transmittierte Laserleistung als Funktion der Zeit für unterschiedliche Testflüssigkeiten und
- 5 - die schematische Darstellung unterschiedlicher Partikel in verschiedene Flüssigkeiten.
-
1 zeigt ein Werkstück 2, in dessen Innerem sich ein Hohlraum 4 befindet. In das Werkstück 2 soll eine Durchgangsbohrung 6 gebohrt werden, wozu eine Vorderseite 8 des Werkstücks 2 mit Laserstrahlung 10 bestrahlt wird. Im in 1 gezeigten Stadium des Verfahrens ist die Durchgangsbohrung 6 bereits geöffnet, sodass die Laserstrahlung 10 bis in das Werkstück 2 durchdringt. Dabei trifft die Laserstrahlung 10 im Rückraum auf ein Rückraummaterial 12 und führt hier zu einer Schädigung 14. Dies gilt es mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
-
2 zeigt auf der x-Achse eine Bestrahlungsdauer in Sekunden. Es handelt sich um die Dauer, die die Flüssigkeit, in der die Partikel enthalten sind, mit der elektromagnetischen Strahlung des Lasers bestrahlt wird. Auf der Vertikalachse oder y-Achse wird die transmittierte Leistung in mW aufgetragen. Verwendet wurde ein Pikosekundenlaser mit einer Wellenlänge von 1.030nm, einer Repetitionsrate von 200kHz und einer Pulsdauer von 7ps. Der Rohstrahl des Lasers hat einen Durchmesser von 3mm, die Maximalleistung des Lasers beträgt 50W. Die gezeigten Diagramme entstanden bei einer Laserleistung von 35%, also einer eingestrahlten Leistung von 17,5W. Dabei durchlief der Laserstrahl fokussiert (Brennweite 100mm) eine Küvette mit 2mm Weglänge. Die Küvette stand in einem Abstand von 50mm zum Fokuspunkt.
-
Die in 2 gezeigte Darstellung zeigt die transmittierte Laserleistung als Funktion der Bestrahlungsdauer. Die verwendete Flüssigkeit war Wasser. Das erste Material der Nanopartikel war Kupferselenid, das zweite Material Titandioxid.
-
Man erkennt, dass in den ersten 8 Sekunden die transmittierte Laserleistung nahe 0 mW liegt und die Flüssigkeit einen hervorragenden Rückraumschutz bietet. Nach etwa 10 Sekunden steigt die transmittierte Laserleistung stark an. Da die Flüssigkeit sich in der Testküvette nicht bewegen kann, handelt es sich folglich um einen statischen Versuchsaufbau. Daher beginnt die Flüssigkeit, also das Wasser, in diesem zeitlichen Bereich zu verdampfen, wodurch der Rückraumschutz stark geschwächt wird und daher die transmittierte Laserleistung stark ansteigt.
-
Zum Herstellen der Testflüssigkeit mit den darin enthaltenen Partikeln werden zunächst Kolloide der Nanopartikel des ersten Materials, vorliegend also Kupferselenid, mit Wasser gemischt. Vorzugsweise haben diese eine mittlere Partikelgröße von etwa 10nm. In eine zweite Ausgangsflüssigkeit, die ebenfalls Wasser ist, werden Aggregate, die aus Titandioxid-Nanopartikeln zusammengesetzt sind und eine mittlere Aggregatgröße von 0,3µm haben, eingesetzt. Diese zweite Teilflüssigkeit wird der ersten Teilflüssigkeit, die die in Wasser enthaltenen Kupferselenidpartikel enthält, hinzugegeben und geschüttelt. Dabei kommt es ohne weiteres Zutun zur Adsorption der Kupferselenid-Nanopartikel auf der Oberfläche des Titandioxids. Nach der Adsorption finden sich in der Lösung vorzugsweise keine freien Nanopartikel mehr. Die Adsorption verläuft vorteilhafterweise zu 100%. Die Partikelkonzentration beträgt 100mg/ml.
-
3 zeigt ebenfalls die transmittierte Laserleistung auf der y-Achse in mW als Funktion der Bestrahlungsdauer in Sekunden, vorliegend bei Bestrahlung mit einem Pikosekundenlaser mit einer Wellenlänge von 1030 nm. Die Partikel, die verwendet wurden, sind Goldnanopartikel, die auf Mikropartikeln aus Titandioxid adsorbiert sind. Mit einer durchgezogenen Linie ist das Ergebnis einer ersten Testflüssigkeit dargestellt, bei der die Flüssigkeit Wasser ist. Mit der gestrichelten Linie wird eine zweite Testflüssigkeit dargestellt, bei der die Flüssigkeit Öl ist. Man erkennt deutlich, dass bei kurzen Bestrahlungsdauern eine ähnlich gute, nämlich nahezu vollständige Absorption der Laserleistung gewährleisten. Erst nach etwa 10 Sekunden beginnt die Flüssigkeit, die Wasser als Grundflüssigkeit hat, nachzulassen, da sie aufgrund der starken Absorption der eingestrahlten Laserleistung verdampft. Öl weist einen wesentlich höheren Siedepunkt als Wasser auf, sodass der Rückraumschutz länger bestehen bleibt. Man beachte, dass bei allen gezeigten Ausführungsformen das Verdampfen der Flüssigkeit Wasser vermieden werden kann, wenn ein dynamisches System verwendet wird, das Wasser also in Bewegung ist. Dies ist durch die geringe Viskosität durchaus möglich und von großem Vorteil.
-
4 zeigt wieder die transmittierte Laserleistung in mW als Funktion der Bestrahlungsdauer in Sekunden, vorliegend bei Bestrahlung mit einem Pikosekundenlaser mit einer Wellenlänge von 1030 nm. Mit einer durchgezogenen Linie ist das Ergebnis einer Testflüssigkeit dargestellt, die keine Nanopartikel des ersten Materials, sondern ausschließlich Mikropartikel beinhaltet, die aggregierte Nanopartikel aus Titandioxid sind. Nicht dargestellt ist das Ergebnis von ausschließlich Goldnanopartikeln in Wasser mit einer mittleren Partikelgröße von 10 nm und einer Konzentration von 4 mg/ml. Bei dieser Flüssigkeit liegt die transmittierte Laserleistung bei über einem Watt, sodass kein wirksamer Rückraumschutz erreicht wird. Mit einer gestrichelten Linie ist das Ergebnis für eine Testflüssigkeit dargestellt, die zusätzlich zu diesen Mikropartikeln Nanopartikel aus Gold beinhaltet. Der Testflüssigkeit wurde jedoch eine relativ große Menge Natriumcitrat beigefügt, sodass ein Adsorption der Goldnanopartikel an der Oberfläche des Titandioxids verhindert wurde. Erst mit der gepunkteten Linie wird das Ergebnis für eine Flüssigkeit dargestellt, die in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann. Sie enthält 50mg/ml Partikel, die aus 1.5 mg/ml Goldnanopartikeln mit einer mittleren Größe von 10 nm bestehen, die auf 48,5 mg/ml Mikropartikeln mit einer mittleren Partikelgröße von 0,3 µm aus aggregierten Titandioxid-Nanopartikeln angeordnet sind.
-
5 zeigt schematisch unterschiedliche Partikelkonfigurationen. Im linken Bereichen sind drei Mikropartikel 16 dargestellt, die jeweils aus Nanopartikeln 18 eines zweiten Materials aggregiert sind. Im mittleren Bereich sind zu diesem Mikropartikeln 16 zusätzlich Nanopartikel 20 eines ersten Materials hinzugefügt wurden, die jedoch nebeneinander isoliert angeordnet sind. In der rechten Darstellung ist schematisch eine Flüssigkeit gezeigt, wie sie in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Nanopartikel 20 des ersten Materials sind an den Mikropartikeln 16 aus Nanopartikeln 18 des zweiten Materials absorbiert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Werkstück
- 4
- Hohlraum
- 6
- Durchgangsbohrung
- 8
- Vorderseite
- 10
- Laserstrahlung
- 12
- Rückraummaterial
- 14
- Schädigung
- 16
- Mikropartikel
- 18
- Nanopartikel eines zweiten Materials
- 20
- Nanopartikel eines ersten Materials
