DE10204428A1

DE10204428A1 - Verfahren zum Abtragen von Vertiefungen durch einen Laser sowie Wabenstrukturformwerkzeug und Verfahren zum Herstellen dieses Werkzeugs

Info

Publication number: DE10204428A1
Application number: DE10204428A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Fukushima; Yoshiyuki Horie; Akira Sasaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2022-02-05
Also published as: DE10204428B4; US6765174B2; BE1017633A5; US7164098B2; US20020106418A1; US20040219250A1; BE1016830A5

Abstract

Ein Laser-Vertiefungsabtragungsverfahren zum Ausbilden von mit Boden versehenen Vertiefungen in einer Fläche eines Werkstücks unter Verwendung eines Lasers, wobei eine Bestrahlungsposition eines Laserstrahls, der auf das Werkstück zu strahlen ist, entlang Vertiefungsausbildungspositionen mit einer hohen Geschwindigkeit von 150 mm/min oder mehr relativ versetzt wird. Somit können geschmolzene Abschnitte, die durch den Laserstrahl geschmolzen werden, in einfacher Weise getrennt, gekühlt und entfernt werden, indem die Laserstrahlposition mit hoher Geschwindigkeit versetzt wird. Zusätzlich kann Wasser auf das Werkstück gestrahlt werden, wobei ein Wasserstrahl gebildet wird und der Laserstrahl durch das Innere des so gebildeten Wasserstrahls hindurch gestrahlt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Vertiefungsabtragungsverfahren zum Ausbilden von dünnen, mit Boden versehenen Vertiefungen in der Fläche eines metallischen Werkstücks unter Verwendung eines Lasers und auf ein Wabenstrukturformwerkzeug, bei dem selbiges Verfahren angewendet wird, und auf ein Verfahren zum Herstellen dieses Werkzeugs.

Ein Abtragungsvorgang unter Verwendung eines Lasers wird in herkömmlicher Weise zum Schweißen und Schneiden eines Werkstücks verwendet, aber es ist kein Fall bekannt, bei dem die Laserabtragung zum Abtragen von Vertiefungen mit Böden bzw. von mit Boden versehenen Vertiefungen verwendet wird. Bei einem Schneidverfahren unter Verwendung eines Lasers wird ein Laserstrahl auf das Werkstück gestrahlt, um dieses zu schmelzen, und ein geschmolzener Abschnitt wird mit einem Hilfsgas oder mit Wasser entfernt, das mit hohem Druck beaufschlagt ist. Genauer gesagt, wird ein Laserstrahl derart auf das Werkstück gestrahlt, dass er an ihm an einer einzigen Stelle konvergiert, um so ein Durchgangsloch auszubilden, und die mit dem Laserstrahl bestrahlte Stelle wird dann versetzt, um ein anderes Durchgangsloch in dem Werkstück auszubilden. Somit wird das Werkstück geschnitten, indem fortlaufend Durchgangslöcher ausgebildet werden.

Falls versucht wird, dieses Verfahren zum Ausbilden von Vertiefungen zu verwenden, dann ist es zwar möglich, Durchgangslöcher ohne Böden auszubilden, aber mit Boden versehene Vertiefungen wurden unter Verwendung des Verfahrens nicht ausgebildet. Zusätzlich verbleibt bei dem Verfahren, bei dem der geschmolzene Abschnitt durch einen mit hohem Druck beaufschlagten Wasserstrahl entfernt wird, Wasser an der Fläche des Werkstücks, wodurch ein Problem dahingehend hervorgerufen wird, dass der Pfad entlang der Laserbestrahlung aufgrund des so verbleibenden Wassers an der Fläche des Werkstücks geändert wird, wodurch der Laserstrahl nicht genau an eine gewünschten Position gestrahlt werden kann.

Andererseits werden gitterartige Vertiefungen in einem Wabenstrukturformwerkzeug ausgebildet, aus dem eine keramische Wabenform extrudiert wird. Die meisten dieser Vertiefungen sind mit Boden versehene Vertiefungen, die eine große Tiefe und eine kleine Breite haben. Während ein Schleifvorgang oder eine Funkenerosions-Abtragung als Verfahren zum Ausbilden von derartigen gitterartigen Vertiefungen verwendet wurden, besteht dabei eine erhöhte Tendenz dahingehend, dass die Breiten der Vertiefungen enger sein müssen, wie zum Beispiel 100 µm oder kleiner, und es ist daher schwierig, den vorstehend genannten Schleifvorgang und die Funkenerosions-Abtragung anzuwenden, bei denen physikalisch ein Schleifrad bzw. Elektroden verwendet werden.

Insbesondere wird zum Beispiel eine keramische Wabenstruktur, die hauptsächlich aus Cordierit geschaffen ist, durch Extrudieren des Materials unter Verwendung eines Formwerkzeugs hergestellt. Diese so ausgebildete Wabenstruktur wird durch viele Zellen gebildet, die durch die Bildung von Trennwänden in einer gitterartigen Art und Weise ausgebildet werden, und in vielen Fällen werden die Zellen jeweils zum Beispiel in einer viereckigen oder sechseckigen Form ausgebildet.

Zusätzlich wird das vorstehend erwähnte Wabenstrukturformwerkzeug als ein Wabenstrukturformwerkzeug verwendet, das Zuführungslöcher zum Zuführen eines Materials und Vertiefungen hat, die jeweils mit den Zuführungslöchern verbindbar sind, um so das aus den Zuführungslöchern zugeführte Material mit der vorstehend erwähnten Wabenform auszubilden.

Kürzlich wurde gefordert, dass die Dicke der Trennwände der Wabenstruktur kleiner sein soll, wie zum Beispiel 100 µm oder kleiner, und um diese Forderung zu erfüllen, muss die Breite der Vertiefungen des Wabenstrukturformwerkzeugs naturgemäß ebenfalls kleiner sein.

Wenn jedoch die Breite der Vertiefungen des Wabenstrukturformwerkzeugs verengt wird, wie dies gefordert wird, dann verschlechtert sich das Fließvermögen des Materials, das von den Zuführungslöchern zugeführt wird und dann durch die Vertiefungen hindurchtritt. Dadurch wird der Formdruck erhöht, während der Formvorgang durchgeführt wird, was zu einer Gefahr einer reduzierten Formbarkeit führt.

Die Erfindung wurde angesichts der Probleme des Standes der Technik geschaffen, und es ist ihre Aufgabe, ein Verfahren zum Ausbilden von engen und tiefen, mit Boden versehenen Vertiefungen unter Verwendung eines Lasers vorzusehen, und ein Wabenstrukturformwerkzeug zum Ausbilden einer dünnen Wabenstruktur ohne Reduzierung der Formbarkeit unter Verwendung des Verfahrens zum Ausbilden von mit Boden versehenen Vertiefungen vorzusehen, und ein Verfahren zum Herstellen dieses Formwerkzeugs vorzusehen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Laser- Vertiefungsabtragungsverfahren zum Ausbilden von mit Boden versehenen Vertiefungen in der Fläche eines Werkstücks unter Verwendung eines Lasers vorgesehen, wobei eine Strahlposition des Lasers, der auf das Werkzeug zu strahlen ist, entlang Vertiefungsausbildungspositionen mit einer hohen Geschwindigkeit von 150 mm/min (= 2,5 mm/s; 1 min = 60 s) oder mehr relativ versetzt wird.

Gemäß diesem Vertiefungsabtragungsverfahren der Erfindung wird die relative Versetzungsgeschwindigkeit der Laserstrahlposition so eingestellt, dass sie die vorstehend erwähnte, hohe Geschwindigkeit von 150 mm/min oder mehr hat, wodurch geschmolzene Abschnitte, die durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl an, der Fläche des Werkstücks entstehen, entlang der so ausgebildeten Vertiefungen mit einem Hilfsgas weggeblasen werden können, wodurch es möglich ist, die geschmolzenen Abschnitte zu trennen, zu kühlen und zu entfernen. Und zwar können die geschmolzenen Abschnitte mit Leichtigkeit getrennt, gekühlt und entfernt werden, ohne dass Durchgangslöcher ausgebildet werden. Dies ermöglicht die Anwendung der Laserabtragung zum Abtragen von mit Boden versehenen Vertiefungen, die in herkömmlicher Weise ausschließlich zum Schneiden und Schweißen verwendet wurde.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs mit Zuführungslöchern zum Zuführen eines Materials und mit Vertiefungen vorgesehen, die mit den Zuführungslöchern verbindbar sind und in einer gitterartigen Konfiguration zum Ausbilden des Materials zu einer Wabenkonfiguration ausgebildet sind, wobei jede Vertiefung eine Vertiefungstiefe hat, die das Zehnfache oder mehr als deren Vertiefungsbreite beträgt, wobei beim Abtragen der Vertiefungen in einem Werkzeugmaterial eine Bestrahlungsposition eines Laserstrahls, der auf diejenige Fläche des Formwerkzeugsmaterials zu strahlen ist, die jener Fläche entgegengesetzt ist, an der die Zuführungslöcher ausgebildet werden, entlang Vertiefungsausbildungspositionen versetzt wird.

Gemäß diesem Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß der Erfindung kann jenes Verfahren übernommen werden, bei dem der Laserstrahl beim Abtragen der Vertiefungen relativ versetzt wird, wodurch Vertiefungen mit Leichtigkeit hergestellt werden können, deren Tiefe größer ist als die Breite.

Falls nämlich die Vertiefungen in den Werkzeugmaterial nur durch einen Laserstrahl ausgebildet werden, dann verfestigen sich die durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl ausgebildeten, geschmolzenen Abschnitte so wie sie, wodurch es schwierig ist, Vertiefungen auszubilden. Hierbei wird gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren der Erfindung der Laserstrahl relativ versetzt, wodurch die geschmolzenen Abschnitte mit Leichtigkeit getrennt, gekühlt und entfernt werden können, indem die geschmolzenen Abschnitte mit einem Hilfsgas getrennt, zum Verfestigen gekühlt und entfernt werden. Somit können enge und tiefe Vertiefungen unter Verwendung eines Lasers mit Leichtigkeit ausgebildet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wabenstrukturformwerkzeug vorgesehen, das zumindest Zuführungslöcher zum Zuführen eines Materials und Vertiefungen hat, die mit den Zuführungslöchern verbindbar sind und so aufgebaut sind, dass sie das Material zu der Wabenkonfiguration ausbilden, wobei geneigte Abschnitte an Eckabschnitten vorgesehen sind, die dort ausgebildet sind, wo sich Bodenabschnitte der Vertiefungen mit Seiten der Zuführungsfläche überschneiden, und wobei die Tiefe der Vertiefungen an den geneigten Abschnitten tiefer wird, wenn sich die Vertiefungen den Zuführungslöchern annähern.

Gemäß dem vorstehend beschriebenen Wabenstrukturformwerkzeug gemäß der Erfindung ist die Tiefe der Vertiefungen nicht einheitlich, sondern so gestaltet, dass sie tiefer wird, wenn sich die Vertiefungen den Zuführungslöchern nähern, indem die geneigten Abschnitte an den Eckabschnitten vorgesehen werden. Dadurch kann das Material glatt strömen, wenn es von den Zuführungslöchern zu den Vertiefungen wandert.

Wenn nämlich die Eckabschnitte geneigt sind, wo sich die Bodenabschnitte der Vertiefungen mit den Seiten der Zuführungslöcher überschneiden, dann dehnt sich das von den Zuführungslöchern zu den Vertiefungen tretende Material entlang der geneigten Abschnitte allmählich aus. Dadurch kann die Änderung der Fließrichtung reduziert werden, wenn sich das Material in der Breitenrichtung ausdehnt, im Vergleich mit jenem Fall, wenn an den Eckabschnitten kein geneigter Abschnitt vorgesehen ist. Dadurch kann das Material glatt fließen, wenn es in die Vertiefungen von den Zuführungslöchern eindringt.

Dadurch kann dann eine Erhöhung des Formdrucks vermindert werden, auch wenn die Breite der Vertiefungen enger ist, wodurch es möglich ist, eine bessere Formbarkeit aufrecht zu erhalten.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs vorgesehen, das zumindest Zuführungslöcher zum Zuführen eines Materials und Vertiefungen hat, die mit den Zuführungslöchern verbindbar sind und so aufgebaut sind, dass sie das Material zu der Wabenkonfiguration ausbilden, und das Verfahren hat einen Schritt zum Ausbilden der Zuführungslöcher in einer Lochbildungsfläche eines Werkzeugmaterials, und einen anschließenden Schritt zum Wasserstrahlen zu den Vertiefungsausbildungspositionen an einer Vertiefungsbildungsfläche aufweist, die der Lochbildungsfläche entgegengesetzt ist, wobei ein Wasserstrahl so gebildet wird, dass ein Laserstrahl durch das Innere des Wasserstrahls gestrahlt wird, und einen Schritt zum Implementieren eines Abtastvorgangs des ausgestrahlten Laserstrahls, bei dem die Laserstrahlposition entlang den Vertiefungsausbildungspositionen derart versetzt wird, dass sie mehrfach entlang denselben Vertiefungsausbildungspositionen fährt, wobei die Anzahl der Abtastvorgänge des ausgestrahlten Laserstrahls in der Nähe von Eckabschnitten erhöht wird, die dort ausgebildet sind, wo sich Bodenabschnitte der Vertiefungen mit Seiten der Zuführungslöcher überschneiden, und wobei geneigte Abschnitte an den Eckabschnitten derart ausgebildet werden, dass die Tiefe der Vertiefungen tiefer wird, wenn sich die Vertiefungen den Zuführungslöchern annähern.

Gemäß diesem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung wird der Laserstrahl zum Abtragen der Vertiefungen verwendet, der durch den Wasserstrahl geführt wird. Zusätzlich wird die Tiefe der Vertiefungen dadurch allmählich vertieft, dass die Strahlungsabtastung des Laserstrahls gemäß der vorstehenden Beschreibung implementiert wird.

Somit kann die Tiefe der Vertiefungen örtlich geändert werden, indem die Anzahl der Implementationsvorgänge der Strahlungsabtastung örtlich geändert wird, wobei jenes Laserabtragungsverfahren übernommen wird, das vorstehend beschrieben ist.

Dadurch wird gemäß dem Aspekt der Erfindung die Anzahl der Implementationsvorgänge der Bestrahlungsabtastung in der Nähe der Eckabschnitte erhöht, die dort ausgebildet sind, wo sich die Bodenabschnitte der Vertiefungen mit den Seiten der Zuführungslöcher überschneiden, indem die Anzahl der Implementationsvorgänge der Bestrahlungsabtastung geändert wird, wodurch die geneigten Abschnitte an den Eckabschnitten so ausgebildet werden, dass die Tiefen der Vertiefungen tiefer werden, wenn sich die Vertiefungen den Zuführungslöchern annähern.

Zusätzlich wird gemäß dem Aspekt der Erfindung der Laserstrahl durch den Wasserstrahl gemäß der vorstehenden Beschreibung gestrahlt, wodurch der Laserstrahl vorgerückt wird, während er innerhalb des Durchmessers des Wasserstrahls begrenzt wird, so dass die Breite der Vertiefungen genau gesteuert werden kann, so dass sie innerhalb des Durchmessers des Wasserstrahls fällt. Dadurch kann das Abtragen von Vertiefungen mit Leichtigkeit implementiert werden, das die Genauigkeit für das Wabenstrukturformwerkzeug gut erfüllt.

Somit ermöglicht gemäß einem Aspekt der Erfindung die konsequente Übernahme des vorstehend erwähnten Laserabtragungsverfahrens die Verwirklichung der örtlichen Änderung der Tiefe der Vertiefungen, die durch das herkömmliche Schleifen oder die Funkenerosions-Abtragung extrem schwierig zu verwirklichen war. Zusätzlich kann insbesondere das Wabenstrukturformwerkzeug, das den glatten Fluss des Materials vorsehen kann, dadurch erhalten werden, dass die Tiefe der Vertiefungen derart geändert wird, dass die geneigten Abschnitte an den Eckabschnitten gebildet werden.

Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

Zu den Zeichnungen:

Fig. 1 zeigt eine erläuternde Ansicht des Aufbaus eines Laserabtragungsgeräts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine erläuternde Ansicht des Aufbaus eines Laserabtragungsgeräts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3A zeigt eine Draufsicht eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 3B zeigt eine vergrößerte Ansicht seines Hauptabschnitts und Fig. 3C zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie III-III in der Fig. 3B;

Fig. 4A zeigt eine Draufsicht eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 4B zeigt eine vergrößerte Ansicht seines Hauptabschnitts;

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung einer Beziehung zwischen der Versetzungsgeschwindigkeit einer Laserstrahlposition und der Tiefe und Breite einer auszubildenden mit Boden versehenen Vertiefung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6A zeigt eine Draufsicht eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 6B zeigt eine vergrößerte Ansicht seines Hauptabschnitts und Fig. 6C zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie VI-VI in der Fig. 6B;

Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht eines Wabenstrukturformwerkzeugs, das als ein Vergleichsbeispiel dient und unter Verwendung einer herkömmlichen Funkenerosions- Abtragung hergestellt ist;

Fig. 8A zeigt eine Draufsicht eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 8B zeigt eine vergrößerte Ansicht seines Hauptabschnitts;

Fig. 9 zeigt eine vergrößerte, erläuternde Ansicht eines geneigten Abschnitts eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 10 zeigt eine vergrößerte, erläuternde Ansicht eines geneigten Abschnitts eines Wabenstrukturformwerkzeugs, das als ein Vergleichsbeispiel dient und unter Verwendung eines herkömmlichen Schneidprozesses hergestellt ist.

(Erstes Ausführungsbeispiel)

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 wird nachfolgend ein Laser- Vertiefungsabtragungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine mit Boden versehene Vertiefung 70 in einer Fläche eines Werkstücks 7 unter Verwendung eines Lasers ausgebildet. Dabei wird eine Bestrahlungsposition eines Laserstrahls 1, der auf das Werkstück 7 zu strahlen ist, relativ entlang Vertiefungsausbildungspositionen mit einer hohen Geschwindigkeit von 150 mm/min oder mehr versetzt.

Dies wird nachfolgend näher beschrieben.

Ein in der Fig. 1 gezeigtes Laserabtragungsgerät 2 wird bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet. Das Laserabtragungsgerät 2 hat einen Lasererzeugungsabschnitt 21 zum Erzeugen eines Laserstrahls 1, einen Laserkopf 22 zum Begrenzen des so erzeugten Laserstrahls auf einen gewünschten Durchmesser, einen optischen Faserabschnitt 23 zum Vorsehen einer Verbindung zwischen dem Lasererzeugungsabschnitt 21 und dem Laserkopf 22, um den Laserstrahl 1 zu führen, und einen Hilfsgaszuführungsabschnitt 25 zum Zuführen eines Hilfsgases zu dem Laserkopf 22, das um den Laserstrahl 1 gestrahlt wird. Zusätzlich hat das Gerät eine Auflage 26, die nicht nur dazu gestaltet ist, das Werkstück 7 daran zu halten sondern auch in einer Ebene zu versetzen. Ein Auflagenantriebsabschnitt ist in der Auflage eingebaut, und eine Steuerkonsole 29 ist mit dem Auflagenantriebsabschnitt, dem Hilfsgaszuführungsabschnitt 25 und dem Lasererzeugungsabschnitt 21 verbunden, um diese zu steuern.

Wie dies in der Figur gezeigt ist, ist das Werkstück 7 eine metallische Platte, die 15 mm dick, 200 mm breit und 200 mm lang ist. Die metallische Platte ist aus JIS (Japanese Industrial Standard) SKD61 (ASTM H13) geschaffen (entspricht in etwa der DIN X40CrMoV51). Selbstverständlich kann das Werkstück aus unterschiedlichen Materialien in unterschiedlichen Größen ausgeführt sein.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine 0,1 mm breite und 2,0 mm tiefe, mit Boden versehene Vertiefung in dem Werkstück 7 ausgebildet.

Genauer gesagt, wird das Werkstück 7 an einer nicht gezeigten Stützvorrichtung so gehalten, dass es horizontal bewegt wird. Dann werden ein Laserstrahl 1 und ein Hilfsgas 15 von dem Laserabtragungsgerät 2 gestrahlt, während das Werkstück 7 in jener Richtung versetzt wird, die durch einen in der Fig. 1 gezeigten Pfeil A angegeben ist. Die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Versetzungsgeschwindigkeit des Werkstücks 7 beträgt 240 mm/min., was mehr als 150 mm/min ist. Es ist zu beachten, dass die maximale Versetzungsgeschwindigkeit des Werkstücks für eine derartige Anwendung 100 mm/min beträgt, falls das Laserabtragungsgerät 2 für herkömmliche Schneidvorgänge genutzt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 1 mit jener Geschwindigkeit relativ versetzt, die die Maximalgeschwindigkeit stark überschreitet.

Demnach werden jene Abschnitte des Werkstücks der Reihe nach geschmolzen, die mit dem Laserstrahl 1 bestrahlt werden, und danach werden die geschmolzenen Abschnitte getrennt, gekühlt und entfernt. Infolgedessen wird eine extrem enge, mit Boden versehene Vertiefung 70 durch eine einzige Bestrahlung mit dem Laserstrahl 1 ausgebildet. Dann wird die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 1 bei diesem Ausführungsbeispiel wiederholt derart versetzt, dass er 150 mal entlang der Vertiefungsausbildungspositionen fährt, wodurch gemäß der vorstehenden Beschreibung die enge und die tiefe, mit Boden versehene Vertiefung 70 genau erhalten wird, die 0,1 mm breit und 2,0 mm tief ist.

(Zweites Ausführungsbeispiel)

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein in der Fig. 2 gezeigtes Laserabtragungsgerät 3 anstelle des bei dem ersten Ausführungsbeispiels verwendeten Laserabtragungsgeräts 2 verwendet, das einen Wasserstrahl ausstrahlen kann. Wie dies in der Fig. 2 gezeigt ist, hat das Laserabtragungsgerät 3 einen Lasererzeugungsabschnitt 31 zum Erzeugen eines Laserstrahls, einen Laserkopf 32 zum Ändern des so erzeugten Laserstrahls auf einen gewünschten Durchmesser, einen optischen Faserabschnitt 33 zum Vorsehen einer Verbindung zwischen den Lasererzeugungsabschnitt 31 und dem Laserkopf 32, um den Laserstrahl zu führen, einen Hochdruckwasserzuführungsabschnitt 35 zum Zuführen von mit hohem Druck beaufschlagtem Wasser zu dem Laserkopfabschnitt 32, wobei ein Wasserstrahl 18 um den Laserstrahl 1 gestrahlt wird, und eine Düse 36 zum Strahlen von mit hohem Druck beaufschlagtem Wasser in der Gestalt eines Wasserstrahls 18. Zusätzlich hat das Gerät wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Auflage 26, die nicht nur dazu gestaltet ist, das Werkstück 7 daran zu halten, sondern auch in einer Ebene zu versetzen. Der Auflagenantriebsabschnitt, der Hochdruckwasserzuführungsabschnitt 35 und der Lasererzeugungsabschnitt 31 sind in der Auflage eingebaut und mit einer Steuerkonsole 39 verbunden, die diese steuert.

Dann wird Wasser auf das Werkstück 7 unter Verwendung des Laserabtragungsgeräts 3 gestrahlt, wobei ein Wasserstrahl 18 gebildet wird, und der Laserstrahl 1 wird auf das Werkstück 7 durch den Wasserstrahl 18 hindurch ausgestrahlt. Zusätzlich wird die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 1 bei einer hohen Geschwindigkeit von 240 mm/min wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel relativ versetzt. Der Laserstrahl 1 wird 150 mal wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgestrahlt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl 1 auf das Werkstück 7 gestrahlt, während er innerhalb des Wasserstrahls 18 begrenzt ist, und geschmolzene Abschnitte, die durch den Laserstrahl 1 geschmolzen sind, werden in wirksamer Weise mit dem um diesen herum gestrahlten Wasser getrennt, gekühlt und entfernt, wodurch eine mit Boden versehene Vertiefung noch genauer abgetragen werden kann. Infolgedessen wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine enge und tiefe, mit Boden versehene Vertiefung 70 genau erhalten, die 0,1 mm breit und 2,0 mm tief ist.

Zusätzlich ist es bei dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel erwünscht, dass die Bestrahlungsposition des Laserstrahls wiederholt derart versetzt wird, dass er mehrmals über die Vertiefungsausbildungspositionen fährt. In diesem Fall kann die Abtragungsmenge durch eine einzige Bestrahlung mit dem Laserstrahl auf eine begrenzte Menge festgelegt werden, und somit ist die geschmolzene Menge durch die einzige Bestrahlung des Laserstrahls klein. Dadurch können geschmolzene Abschnitte zum Beispiel mit dem Hilfsgas entlang der ausgebildeten Vertiefung ausgeblasen werden, wodurch die geschmolzenen Abschnitte in einfacher Weise getrennt, gekühlt und entfernt werden können. Folglich kann eine mit Boden versehene Vertiefung mit höherer Genauigkeit abgetragen werden.

Zusätzlich kann das Werkstück aus einem anderen, metallischen Material geschaffen sein. Während das Vertiefungsabtragungsverfahren unter Verwendung des Laserstrahls auch auf ein Werkstück angewendet werden kann, das aus Keramik oder irgendeinem anderen Material geschaffen ist, kann das Verfahren insbesondere dann wirksam sein, wenn es auf das aus einem metallischen Material geschaffene Werkstück angewendet wird. Falls nämlich das Werkstück aus einem metallischen Material geschaffen ist, dann tendieren die durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl geschmolzenen Abschnitte dazu, dass sie sich an ihren ursprünglichen Positionen, so wie sie sind, verfestigen, wodurch das Abtragen von Vertiefungen in dem metallischen Material schwierig ist. Jedoch kann gemäß der vorstehenden Beschreibung die relative Versetzung der Laserpositionen mit der hohen Geschwindigkeit von 150 mm/min oder mehr die vorstehend genannte Funktion und Wirkung erzielen, und es ermöglicht das Abtragen von Vertiefungen in metallischen Materialien.

Zusätzlich kann die mit Boden versehene Vertiefung eine mit Boden versehene Vertiefung sein, deren Tiefe das Zehnfache oder mehr als deren Breite beträgt. In diesem Fall kann insbesondere die vorstehend erwähnte, bessere Funktion und Wirkung in wirksamer Weise genutzt werden. Und zwar wird gemäß der Erfindung die Bestrahlungsposition des Laserstrahls, der auf das Werkstück gestrahlt wird, relativ entlang der Vertiefungsausbildungspositionen mit der hohen Geschwindigkeit von 150 mm/min oder mehr versetzt. Dadurch können die geschmolzenen Abschnitte, die durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl geschmolzen werden, in einfacher Weise getrennt, gekühlt und entfernt werden, indem die geschmolzenen Abschnitte zum Beispiel mit dem Hilfsgas entlang der ausgebildeten Vertiefung ausgeblasen werden. Folglich kann die mit Boden versehene Vertiefung, deren Tiefe größer ist als deren Breite, mit höherer Genauigkeit abgetragen werden. Somit kann gemäß der Erfindung eine mit Boden versehene Vertiefung ausgebildet werden, deren Tiefe das Zehnfache oder mehr als deren Breite beträgt.

Es ist zu beachten, dass gemäß der Erfindung auch eine mit Boden versehene Vertiefung ausgebildet werden kann, deren Tiefe das 20-fache oder mehr als deren Breite beträgt.

Zusätzlich kann die mit Boden versehene Vertiefung eine U-förmige Vertiefung sein. Hierbei kann die U-förmige Vertiefung als eine Vertiefung definiert sein, bei der unter der Annahme, dass ein Kreis R jeweils mit beiden Seitenwänden einer Schnittkurve der Vertiefung und ihrem Boden in Kontakt ist, die Schnittkurve stets außerhalb des Kreises R verläuft, die die Seitenwände der Vertiefung mit deren Boden verbindet.

In diesem Fall kann ebenfalls die vorstehend erwähnte, bessere Funktion und Wirkung der Erfindung in wirksamer Weise genutzt werden.

(Drittes Ausführungsbeispiel)

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Wabenstrukturformwerkzeug unter der Verwendung des Laser- Vertiefungsabtragungsverfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt.

Wie dies in den Fig. 3A bis 3C gezeigt ist, hat ein bei diesem Ausführungsbeispiel herzustellendes Wabenstrukturformwerkzeug 8 Zuführungslöcher 81 zum Zuführen eines Materials und Vertiefungen 82, die mit den Zuführungslöchern 81 verbindbar sind und in einer gitterartigen Konfiguration aufgebaut sind, um das Material zu einer Wabenkonfiguration auszubilden, und jede Vertiefung 82 hat eine Tiefe, die das Zehnfache oder mehr als ihre Breite beträgt. Zusätzlich sind die Vertiefungen 82 gemäß diesem Ausführungsbeispiel in einer Rechteckgitterkonfiguration bezüglich eines Vertiefungsausbildungsabschnitts 820 ausgebildet, der von einem umgebenden Bereich vorsteht.

Beim Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs 8, das gemäß der vorstehenden Beschreibung konfiguriert ist, wird zuerst ein Werkzeugmaterial vorbereitet, das einen Vertiefungsausbildungsabschnitt 820 hat, der in der vorstehend beschriebenen Art und Weise vorsteht. Dann werden die Zuführungslöcher 81 (Fig. 3C) unter Verwendung eines Bohrers von der Rückseite des Werkzeugmaterials oder von jener Seite aus ausgebildet, die der Seite entgegengesetzt ist, an der der Vertiefungsausbildungsabschnitt 820 vorgesehen ist. Als nächstes werden Vertiefungen 82 in dem Vertiefungsausbildungsabschnitt 820 unter Verwendung des gleichen Verfahrens wie bei dem beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet.

Und zwar wird Werkzeugmaterial 80 auf die Auflage 26 des in der Fig. 2 gezeigten Laserabtragungsgeräts 3 gesetzt, und dann wird die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 1 wiederholt vertikal und horizontal in einer gitterartigen Art und Weise versetzt. Die relative Versetzungsgeschwindigkeit und die Anzahl der wiederholten Versetzungen der Bestrahlungsposition betragen in diesem Zeitraum 240 mm/min bzw. 150 mal, was gleich wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist.

Demnach kann ein Wabenstrukturformwerkzeug 8 genau erhalten werden, das Schlitzvertiefungen 82 hat, die jeweils 0,1 mm breit und 2,0 mm tief sind.

(Viertes Ausführungsbeispiel)

Wie dies in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, ist dieses Ausführungsbeispiel ein Beispiel, bei dem die Gitterkonfiguration der Vertiefungen 82 des Wabenstrukturformwerkzeugs 8, das bei dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, zu einer hexagonalen Form abgewandelt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden ähnliche Bedingungen wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel verwendet, um ein Wabenstrukturformwerkzeug herzustellen, außer dass die Versetzungsbahn der Bestrahlungsposition des Laserstrahls geändert ist. In diesem Fall können insbesondere Vertiefungen 82 mit einer hexagonalen Konfiguration, die ausschließlich mit der Funkenerosions-Abtragung nicht ausgebildet werden könnten, unter Verwendung des Vertiefungsabtragungsverfahrens effizient und genau ausgebildet werden, wobei der Laser eingesetzt wird, und der Vertiefungsausbildungsprozess kann stark rationalisiert werden, wodurch die zur Herstellung der Wabenstrukturformwerkzeuge erforderlichen Kosten und die Zeit reduziert werden können.

(Fünftes Ausführungsbeispiel)

Dieses Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel, bei dem die Vertiefungen des Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel bei den folgenden Laserabtragungsbedingungen ausgebildet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Vertiefungen 82 mit dem bei dem dritten Ausführungsbeispiel beschriebenen Laserabtragungsgerät 3 unter Laserabtragungsbedingungen ausgebildet, bei denen die Frequenz 400 Hz beträgt, der Puls 120 µm/s beträgt, die elektrische Spannung 700 V beträgt, der Hydraulikdruck 100 bar beträgt, die Schrittweite 10 µm beträgt, die Versetzungsgeschwindigkeit 240 mm/min beträgt und die Anzahl der Abtastvorgänge 80 bis 130 mal beträgt.

Infolgedessen werden 40 bis 150 µm breite und 2,0 bis 3,5 mm tiefe Vertiefungen 82 in dem Wabenstrukturformwerkzeug 8 ausgebildet.

(Sechstes Ausführungsbeispiel)

Bei diesem Ausführungsbeispiel wurden Experimente durchgeführt, um eine Beziehung zwischen der Versetzungsgeschwindigkeit der Bestrahlungsposition des Laserstrahls 1 und der Tiefe und der Breite der mit Boden versehenen Vertiefungen 70 unter Verwendung des Laserabtragungsgeräts 3 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zu erhalten. Es ist zu beachten, dass die Laserabtragungsbedingungen außer die Versetzungsgeschwindigkeit der Bestrahlungsposition des Laserstrahls 1 gleich sind wie bei dem fünften Ausführungsbeispiel.

Die Ergebnisse der Experimente sind in der Fig. 5 gezeigt. In der Figur stellt die Abszisse die Versetzungsgeschwindigkeit der Bestrahlungsposition des Laserstrahls 1 dar, wohingegen die Ordinate die Tiefe sowie die Breite der mit Boden versehenen Vertiefung 70 darstellt.

Zusätzlich kann die Festlegung der Versetzungsgeschwindigkeit der Bestrahlungsposition des Laserstrahls 1 auf 150 mm/min oder mehr gemäß der Figur jenen Vorteil bieten, dass die Abtragungszeit pro Abtastvorgang reduziert werden kann. Da zusätzlich die Anzahl der Abtastvorgänge gleich ist, wird jener Vorteil erzielt, dass die mit Boden versehenen Vertiefungen 70 tiefer ausgebildet werden können.

Infolgedessen wurde herausgefunden, dass die Produktivität beim Ausbilden der mit Boden versehenen Vertiefungen 70 durch Bestrahlung des Laserstrahls 1 beträchtlich verbessert werden kann, indem die Versetzungsgeschwindigkeit der Bestrahlungsposition des Laserstrahls 1 auf 150 mm/min oder mehr festgelegt wird.

Somit ist es beim Herstellen der Wabenstrukturformwerkzeuge durch den Laserstrahl vorzuziehen, die Bestrahlungsposition des Laserstrahls mit einer Versetzungsgeschwindigkeit von 150 mm/min oder mehr relativ zu versetzen. Dabei können geschmolzene Abschnitte, die durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl ausgebildet werden, in einfacher Weise getrennt, gekühlt und entfernt werden, indem sie so getrennt und gekühlt werden, dass sie sich verfestigen, und indem die so ausgebildeten, geschmolzenen Abschnitte entlang einer ausgebildeten Vertiefung zum Beispiel mit Hilfe eines Hilfsgases entfernt werden. Folglich können gemäß der vorstehenden Beschreibung Vertiefungen mit höherer Genauigkeit ausgebildet werden, deren Tiefe größer ist als die Breite.

Zusätzlich ist es vorzuziehen, einen Wasserstrahl zu bilden, indem Wasser auf das Werkzeugformmaterial so gestrahlt wird, dass der Laserstrahl auf das Werkzeugformmaterial ausgestrahlt wird, während er durch den Wasserstrahl hindurch tritt. Dabei wird der Laserstrahl auf das Werkzeugformmaterial gestrahlt, während er innerhalb des Wasserstrahls begrenzt wird, und durch den so ausgestrahlten Laserstrahl geschmolzene Abschnitte können durch das um die geschmolzenen Abschnitte gestrahlte Wasser effizient getrennt, gekühlt und entfernt werden, wodurch die Vertiefungen mit höherer Genauigkeit abgetragen werden können.

Zusätzlich ist es vorzuziehen, dass die Bestrahlungsposition des Laserstrahls wiederholt derart versetzt wird, dass er mehrmals entlang der Vertiefungsausbildungspositionen fährt. Dabei kann die Abtragungsmenge pro einfacher Bestrahlung des Laserstrahls klein festgelegt werden, und daher wird die durch die Bestrahlung geschmolzene Menge klein, wodurch der geschmolzene Abschnitt in einfacher Weise getrennt, gekühlt und entfernt werden kann, in dem zum Beispiel der geschmolzene Abschnitt entlang der ausgebildeten Vertiefung mit einem Hilfsgas ausgeblasen wird. Somit können gemäß der vorstehenden Beschreibung die Vertiefungen mit höherer Genauigkeit ausgebildet werden, deren Tiefe größer ist als die Breite.

Darüber hinaus können die Vertiefungen in einer gitterartigen Konfiguration ausgebildet werden, bei der runde, dreieckige, rechteckige oder hexagonale Formen kontinuierlich miteinander verbunden sind. Bei jeder dieser Formen kann die vorstehend erwähnte verbesserte Funktion und Wirkung effektiv erzielt werden. Somit kann der Vertiefungsausbildungsprozess beträchtlich rationalisiert werden, indem das Abtragen von Vertiefungen mittels des Laserstrahls in der Praxis umgesetzt wird, während das kostspielige Abtragen durch Funkenerosion vermieden wird.

Außerdem ist es vorzuziehen, dass das Material des Wabenstrukturformwerkzeugs ein (Sinter-)Hartmetall oder eine Werkzeugstahllegierung ist. Während das Vertiefungsabtragungsverfahren unter Verwendung des Laserstrahls auf ein Werkstück angewendet werden kann, das aus Keramik oder aus irgendeinem anderen Material geschaffen ist, ist das Verfahren auch dann wirksam, wenn es insbesondere auf ein Werkstück angewendet wird, das aus dem vorstehend erwähnten (Sinter-)Hartmetall oder der Werkzeugstahllegierung (zum Beispiel JIS SKD 61; entspricht in etwa der DIN X40CrMoV51) oder irgendeinem anderen Stahlwerkstoff geschaffen ist. Falls ein Werkstück aus dem vorstehend genannten Material geschaffen ist, dann tendieren die durch die Bestrahlung mit einem Laserstrahl teilweise geschmolzenen Abschnitte nämlich dazu, dass sie sich so wie sie sind, an ihren ursprünglichen Positionen verfestigen, wodurch das Abtragen von Vertiefungen durch den Laserstrahl schwierig wird. Jedoch können die vorstehend erwähnten, verbesserten Funktionen und Wirkungen erzielt werden, indem die Laserbestrahlungsposition gemäß der vorstehenden Beschreibung relativ versetzt wird, wodurch die Vertiefungen in dem metallischen Material abgetragen werden können.

Zusätzlich ist das (Sinter-) Hartmetallmaterial eine Pulvermetallurgie-Legierung, sofern sie hierbei verwendet wird, die dadurch hergestellt wird, dass Wolframkarbidpulver, das Kobaltpulver als einen Binder enthält, unter Druck gehärtet wird, und dass anschließend das so gehärtete Pulver gesintert wird.

Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass die Breite der Vertiefungen 40 bis 150 µm beträgt und dass deren Tiefe 2,0 bis 3,5 mm beträgt. Die vorstehend erwähnte, verbesserte Funktion und Wirkung kann insbesondere beim Ausbilden von derart engen und tiefen Vertiefungen effektiv erzielt werden.

Außerdem kann die Toleranz der Tiefe der Schlitzvertiefungen auf 0,3 mm oder weniger begrenzt sein. In diesem Fall kann insbesondere die vorstehend erwähnte, verbesserte Funktion und Wirkung in wirksamer Weise erzielt werden. Und zwar kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren der Laserstrahl beim Abtragen der Vertiefungen relativ versetzt werden, wodurch die geschmolzenen Abschnitte getrennt, gekühlt und entfernt werden können, indem sie so getrennt und gekühlt werden, dass sie sich verfestigen, und indem die geschmolzenen Abschnitte entlang der ausgebildeten Vertiefung mit dem Hilfsgas entfernt werden. Folglich können die mit Boden versehenen Vertiefungen mit der Tiefentoleranz von 0,3 mm oder weniger durch Optimieren der Versetzungsgeschwindigkeit ausgebildet werden.

(Siebtes Ausführungsbeispiel)

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 6A bis 6C wird ein siebtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung beschrieben.

Ein Wabenstrukturformwerkzeug 8 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist gemäß den Fig. 6A bis 6C ein Wabenstrukturformwerkzeug 8 zumindest mit Zuführungslöchern 81 zum Zuführen eines Materials und Vertiefungen 82, die mit den Zuführungslöchern 81 verbindbar sind und so aufgebaut sind, dass sie das Material zu einer Wabenkonfiguration ausbilden. Bei dem Wabenstrukturformwerkzeug 8 gemäß dem Ausführungsbeispiel sind geneigte Abschnitte 85 an Eckabschnitten ausgebildet, die dort ausgebildet sind, wo sich die Bodenabschnitte 830 der Vertiefungen 82 mit Seiten 810 der Zuführungslöcher 81 überschneiden, und die Tiefe der Vertiefungen 82 wird allmählich tiefer, wenn sich die Bodenabschnitte den Zuführungslöchern 81 an den geneigten Abschnitten 85 annähern.

Das in der Fig. 2 gezeigte Laserabtragungsgerät 3 wird verwendet, um das Wabenstrukturformwerkzeug 8 herzustellen.

Wie dies in den Figuren gezeigt ist, ist ein Werkzeugmaterial 7, das ein abzutragendes Werkstück ist, eine rechteckige Metallplatte, die 15 mm dick, 200 mm breit und 200 lang ist und aus JIS SKD61 ausgebildet ist (entspricht in etwa der DIN X40CrMoV51). Selbstverständlich können Materialien mit anderen Größen oder Materialien verwendet werden, die sich von den beschriebenen Materialien unterscheiden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden 0,1 mm breite und 2,0 mm tiefe Schlitzvertiefungen in dem Werkzeugmaterial 7 ausgebildet. Zusätzlich wurden bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 6C die Zuführungslöcher 81 im Voraus durch einen Bohrvorgang vorgesehen, bevor die Vertiefungen 82 abgetragen werden.

Dann wird das Werkzeugmaterial 7 auf einer nicht gezeigten Stützvorrichtung so gehalten, dass es in horizontalen Richtungen bewegbar ist. Während das Material 7 in jener Richtung versetzt wird, die durch einen Pfeil A in der Fig. 2 angegeben ist, wird dann Wasser von dem Laserabtragungsgerät 3 zu einer Vertiefungsausbildungsposition an einer Vertiefungsausbildungsfläche des Werkzeugmaterials 7 gestrahlt, wobei ein Wasserstrahl 18 gebildet wird, und ein Laserstrahl 1 wird durch den Wasserstrahl 18 hindurch ausgestrahlt. Darüber hinaus wird die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 1 entlang Vertiefungsausbildungspositionen versetzt, und eine Bestrahlungsabtastung wird so durchgeführt, dass die Bestrahlungsposition des Laserstrahls mehrmals entlang der Vertiefungsausbildungspositionen fährt.

Dabei wird die Versetzungsgeschwindigkeit des Werkzeugmaterials 7 auf 240 mm/min festgelegt, die größer ist als 150 mm/min. Dann wird die Bestrahlungsabtastung zunächst so durchgeführt, dass die Laserbestrahlungsposition 150 mal gleichmäßig durch alle Vertiefungsausbildungspositionen fährt, wodurch gemäß der vorstehenden Beschreibung enge und tiefe Vertiefungen 82 (70) erhalten werden, die 0,1 mm breit und 2,0 mm tief sind.

Außerdem ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Anzahl der Bestrahlungen mit dem Laserstrahl so eingerichtet, dass sie sich so erhöht, dass die Anzahl der Abtastvorgänge ansteigt, wenn sich die Bodenabschnitte der Vertiefungen 82 den Zuführungslöchern 81 in der Nähe der Eckabschnitte annähern, die dort ausgebildet sind, wo sich die Bodenabschnitte 830 der so ausgebildeten Vertiefungen 82 mit den Seiten 810 der Zuführungslöcher 81 überschneiden, wodurch gemäß der Fig. 6C die Vertiefungen 82 so abgetragen werden, dass die Tiefe der Vertiefungen 82 allmählich tiefer wird, wenn sich die Bodenabschnitte der Vertiefungen 82 den Zuführungslöchern 81 annähern, und dass geneigte Abschnitte 85 an den Eckabschnitten vorgesehen werden.

Als nächstes werden nachfolgend die Funktion und die Wirkung von diesem Ausführungsbeispiel beschrieben.

Wie dies vorstehend beschrieben ist, ist bei dem Wabenstrukturformwerkzeug 8 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Tiefe der Vertiefungen 82 nicht einheitlich, und die Eckabschnitte sind so geneigt, dass die geneigten Abschnitte 85 derart ausgebildet sind, dass die Tiefe der Vertiefungen 82 tiefer wird, wenn sich die Bodenabschnitte der Vertiefungen 82 den Zuführungslöchern 81 annähern. Durch diesen Aufbau wird ein glatter Fluss des Materials ermöglicht, das von den Zuführungslöchern 81 zu den Vertiefungen 82 wandert.

Wenn nämlich die Eckabschnitte geneigt sind, wo sich die Bodenabschnitte 830 der Vertiefungen 82 mit den Seiten 810 der Zuführungslöcher 81 überschneiden, dann dehnt sich das Material allmählich entlang der geneigten Abschnitte 85 aus und wandert von den Zuführungslöchern 81 zu den Vertiefungen. Dadurch wird im Vergleich mit dem Fall, bei dem kein geneigter Abschnitt 85 an den Eckabschnitten vorgesehen ist, die Änderung der Fließrichtung verringert, die dann auftritt, wenn sich das Material in der Breitenrichtung ausdehnt, wodurch ein glattes Fließen des Materials ermöglicht wird, wenn es von den Zuführungslöchern 81 in die Vertiefungen 82 eindringt. Dadurch kann dann selbst in dem Fall, in dem die Breite der Vertiefungen 82 gemäß der vorstehenden Beschreibung 0,1 mm klein ist, ein Anstieg des Formdrucks vermindert werden, wodurch eine verbesserte Formbarkeit aufrechterhalten werden kann.

Zusätzlich wird das vorstehend beschriebene, einzige Abtragungsverfahren beim Abtragen der verbesserten Vertiefungen 82 des Wabenstrukturformwerkzeugs 8 übernommen. Und zwar wird der Laserstrahl 1 verwendet, der durch den Wasserstrahl 18 hindurchtritt, und die Anzahl der Bestrahlungsabtastungen wird örtlich geändert, wodurch die Tiefe der Vertiefungen örtlich geändert werden kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Anzahl der Bestrahlungsabtastungen in der Nähe der Eckabschnitte erhöht, wodurch die geneigten Abschnitte 85 mit Leichtigkeit ausgebildet werden können, wodurch es möglich ist, jene Konfiguration zu erhalten, bei der die Tiefe der Vertiefungen 82 tiefer wird, wenn sich die Bodenabschnitte der Vertiefungen 82 den Zuführungslöchern 81 annähern.

Somit ist es schwierig, diese Vorteile mit dem herkömmlich verwendeten Schleif- oder Funkenerosions-Abtragungsverfahren zu erhalten.

(Vergleichsbeispiel)

Ein Vergleichsbeispiel ist ein Beispiel, bei dem das Vertiefungsabtragungsverfahren zu dem herkömmlichen Funkenerosions-Abtragungsverfahren geändert ist, und ein Wabenstrukturformwerkzeug 9 wird erhalten, bei dem die Tiefe der Vertiefungen 82 einheitlich ist. Die anderen Abschnitte des Aufbaus des Werkzeugs bleiben gleich wie bei dem Wabenstrukturformwerkzeug gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel.

In den Fig. 6C und 7 sind Fließrichtungen des Materials gezeigt, die dann auftreten, wenn Wabenstrukturen unter Verwendung des Wabenstrukturformwerkzeugs 8 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel beziehungsweise dem Wabenstrukturformwerkzeug 9 gemäß dem Vergleichsbeispiel extrudiert werden. Es ist zu beachten, dass als das keramische Material für die Wabenstrukturen zum Beispiel ein Keramikmaterial verwendet werden kann, das durch Mischen einer Vielzahl Pulverarten mit einem Binder hergestellt wird, die ein Kordierit-Rohmaterial sein können. Zusätzlich kann ein Pulvermaterial übernommen werden, dessen Korngröße 60 µm oder weniger beträgt.

Wie dies in der Fig. 7 gezeigt ist, wird im Falle des herkömmlichen Wabenstrukturformwerkzeugs 9, bei dem die Vertiefungen 82 so ausgebildet sind, dass deren Tiefe einheitlich ist, der Fluss des in Zuführungslöchern 81 in einer durch einen Pfeil B angegebenen Richtung zugeführten Formmaterials in Richtungen geändert, die durch Pfeile D angegeben sind, die senkrecht zu der durch den Pfeil B angegebenen Richtung an den Eckabschnitten sind, wo das so zugeführte Material auf die Vertiefungen 82 trifft, und diese werden dann aufgrund einer Kollision der so zugeführten Materialien zu einer Richtung geändert, die durch einen Pfeil E angegeben ist, so dass diese aus den Schlitzvertiefungen 82 extrudiert werden, wodurch eine Wabenstruktur extrudiert wird.

Wie dies in der Fig. 6C gezeigt ist, wird im Falle des Wabenstrukturformwerkzeugs 8 gemäß der Erfindung, bei dem die geneigten Abschnitte 85 vorgesehen sind und die Tiefe der Vertiefungen 82 so aufgebaut ist, dass sie allmählich tiefer wird, wenn sich die Bodenabschnitte der Vertiefungen 82 den Zuführungslöchern 81 annähern, der Fluss des den Zuführungslöchern 81 in einer durch einen Pfeil B angegebenen Richtung zugeführten Materials zu Richtungen, die durch Pfeile C angegeben sind, entlang der Neigung der geneigten Abschnitte 85 an den Eckabschnitten geändert, wo das so zugeführte Material auf die Vertiefungen 82 trifft. Dann wird der Fluss des Materials schließlich zu einer Richtung geändert, die durch einen Pfeil E angegeben ist, so dass es aus den Vertiefungen 82 extrudiert wird, wodurch eine Wabenstruktur extrudiert wird.

Da die Änderung der Flussrichtung des Materials bei Verwendung des Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel kleiner ist als in dem Fall, wenn das Wabenstrukturformwerkzeug gemäß dem Vergleichsbeispiel verwendet wird, kann eine Erhöhung des Formdrucks somit unterdrückt werden, wodurch es möglich ist, eine verbesserte Formbarkeit auch dann aufrechtzuerhalten, wenn die Breite der Schlitzvertiefungen enger wird.

(Achtes Ausführungsbeispiel)

Wie dies in den Fig. 8A und 8B gezeigt ist, ist dieses Ausführungsbeispiel ein Beispiel, bei dem eine Wabenstruktur hergestellt wird, die eine Wabenstruktur mit Schlitzvertiefungen 82 hat, die in einer hexagonalen Gitterkonfiguration ausgebildet sind.

In diesem Fall wird der Abtastpfad des wie bei dem siebten Ausführungsbeispiel verwendeten, ausgestrahlten Laserstrahls 1 so gestaltet, dass die Spur des so abtastenden, ausgestrahlten Laserstrahls 1 zu einer hexagonalen, gitterartigen Konfiguration ausgebildet wird.

In diesem Fall können ebenfalls eine ähnliche Funktion und Wirkung wie bei dem siebten Ausführungsbeispiel erzielt werden.

(Neuntes Ausführungsbeispiel)

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden ähnlich wie bei dem siebten Ausführungsbeispiel geneigte Abschnitte 85 in einem Wabenstrukturformwerkzeug 8 vorgesehen, und deren Konfiguration wird quantitativ gemessen.

Wie dies in der Fig. 9 gezeigt ist, haben bei dem Wabenstrukturformwerkzeug 8 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Zuführungslöcher 81 einen Durchmesser von 1 mm, und die Teilung der Zuführungslöcher beträgt 2 mm. Zusätzlich werden die geneigten Abschnitte 85 in ähnlicher Art und Weise wie bei dem siebten Ausführungsbeispiel vorgesehen. Es ist zu beachten, dass die ausgebildeten Vertiefungen 82 eine Breite von 0,1 mm haben, was ähnlich ist wie bei den gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel ausgebildeten Vertiefungen 82.

Wie dies in der Figur gezeigt ist, wird der geneigte Abschnitt 85 gemäß dem Ausführungsbeispiel über eine Distanz L von der Seite 810 des Zuführungslochs 81 ausgebildet, die in einem Bereich von 0,3 mm oder mehr liegt, und seine Endtiefe D beträgt 0,3 mm oder mehr.

Wie dies in der Fig. 10 gezeigt ist, wurde bei diesem Ausführungsbeispiel zu Vergleichszwecken das Verfahren zum Ausbilden von Vertiefungen 82 zu dem Schleifverfahren geändert, und ein Wabenstrukturformwerkzeug 9 ohne geneigte Abschnitte wurde hergestellt. Dann wurde ein Extrusionsvorgang unter Verwendung des Wabenstrukturformwerkzeugs 9 tatsächlich durchgeführt (ein Vergleichsgegenstand), der ein Vergleichsbeispiel zu dem Wabenstrukturformwerkzeug 8 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist (ein Gegenstand gemäß der Erfindung), um so einen Vergleich zwischen den so hergestellten Formen unter Verwendung der jeweiligen Werkzeuge zu schaffen.

Die Ergebnisse des Vergleichs offenbaren, dass bei dem Gegenstand gemäß der Erfindung im Vergleich mit dem Vergleichsgegenstand das Material glatt fließt und eine verbesserte Extrusionsformbarkeit erhalten werden kann.

Aus dem Ergebnis des Vergleichs wurde herausgefunden, dass bei dem Zustand, wenn die Breite der Vertiefungen 82 gemäß der vorstehenden Beschreibung 0,1 mm beträgt, das Fließvermögen des von den Zuführungslöchern 81 zu den Vertiefungen 82 tretenden Materials verbessert werden kann, indem die geneigten Abschnitte 85 vorgesehen werden, die über eine Distanz L von den Seiten 810 der Zuführungslöcher 81 ausgebildet werden, die in einem Bereich von 0,3 mm oder mehr liegt, und deren Endtiefe D 0,3 mm oder mehr beträgt.

Falls das Fließvermögen des Materials gleich wie bei dem herkömmlichen Beispiel bleibt, dann kann infolgedessen das erforderliche Fließvermögen zusätzlich ausreichend gesichert werden, auch wenn die Tiefe der Vertiefungen 82 flach ist. Dadurch kann die Abtragungseffizienz verbessert werden, da die Tiefe der Vertiefungen 82 zum Beispiel in der Größenordnung von einem Drittel der Endtiefe D flacher ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel können die geneigten Abschnitte an den Eckabschnitten die Gestalt einer leichten Neigung einnehmen, die dadurch entsteht, dass die Eckabschnitte mit einer Phase oder einer relativ langen Schräge versehen werden. Darüber hinaus können die geneigten Abschnitte gerade oder gekrümmt sein.

Zusätzlich können die Schlitzvertiefungen in einer rechteckigen oder hexagonalen, gitterartigen Konfiguration ausgelegt sein.

Darüber hinaus kann als die Breite der Vertiefungen eine enge Breite von zum Beispiel 40 bis 150 µm übernommen werden. In diesem Fall kann ebenfalls ein glatter Fluss des Formmaterials gemäß der vorstehenden Beschreibung gewährleistet werden. Zusätzlich kann die Tiefe der Vertiefungen so festgelegt sein, dass sie das Zehnfache oder mehr als deren Breite beträgt. In diesem Fall hat die Neigung der Eckabschnitte ebenfalls eine gute Wirkung, und die Verschlechterung des Fließvermögens des Formmaterials kann vermindert werden.

Außerdem ist es vorzuziehen, dass die Laserstrahlposition mit einer relativen Geschwindigkeit von 150 mm/min oder mehr versetzt wird, wodurch das Abtragen von Vertiefungen schrittweise fortschreitet, während durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl geschmolzene Abschnitte mit Leichtigkeit getrennt und entfernt werden. Im Gegensatz dazu kann in dem Zustand, in dem die relative Versetzungsgeschwindigkeit weniger als 150 mm/min beträgt, die Trennung und die Entfernung der geschmolzenen Abschnitte nicht ausreichend implementiert werden, wodurch ein Problem dahingehend auftritt, dass die Effizienz bei der Ausbildung der Vertiefungen verschlechtert ist.

Zusätzlich ist es vorzuziehen, dass die geneigten Abschnitte innerhalb einer Distanz von den Seiten der Zuführungslöcher vorgesehen werden, die in einem Bereich von bis zu 0,5 mm liegt. In diesem Fall können die geneigten Abschnitte relativ einfach ausgebildet werden.

Zusätzlich ist es vorzuziehen, dass die geneigten Abschnitte über eine Distanz von den Seiten der Zuführungslöcher vorgesehen werden, die in einem Bereich von 0,3 mm oder mehr liegt, und dass die Endtiefe der geneigten Abschnitte 0,3 mm oder mehr beträgt.

In diesem Fall kann der Vorteil eines glatten Flusses des Materials in ausreichendem Maße bewirkt werden, der aus der Präsenz der geneigten Abschnitte resultiert.

Während die Erfindung mit Bezugnahme auf die spezifischen Ausführungsbeispiele beschrieben ist, die zum Zwecke der Darstellung ausgewählt sind, sollte klar sein, dass mehrere Abwandlungen durch einen Fachmann geschaffen werden können, ohne das Grundkonzept und den Umfang der Erfindung zu verlassen.

Offenbart ist ein Laser-Vertiefungsabtragungsverfahren zum Ausbilden von mit Boden versehenen Vertiefungen in einer Fläche eines Werkstücks unter Verwendung eines Lasers, wobei eine Bestrahlungsposition eines Laserstrahls, der auf das Werkstück zu strahlen ist, relativ entlang Vertiefungsausbildungspositionen mit einer hohen Geschwindigkeit von 150 mm/min oder mehr versetzt wird. Somit können geschmolzene Abschnitte, die durch den Laserstrahl geschmolzen werden, in einfacher Weise getrennt, gekühlt und entfernt werden, indem die Laserstrahlposition mit hoher Geschwindigkeit versetzt wird. Zusätzlich kann Wasser auf das Werkstück so gestrahlt werden, wobei ein Wasserstrahl gebildet wird und der Laserstrahl durch das Innere des so gebildeten Wasserstrahls gestrahlt wird.

Claims

1. Laser-Vertiefungsabtragungsverfahren zum Ausbilden von mit Boden versehenen Vertiefungen in einer Fläche eines Werkstücks unter Verwendung eines Lasers, wobei eine Bestrahlungsposition eines auf das Werkstück zu strahlenden Laserstrahls entlang Vertiefungsausbildungspositionen mit einer hohen Geschwindigkeit von 150 mm/min oder mehr relativ versetzt wird.

2. Laser-Vertiefungsabtragungsverfahren gemäß Anspruch 1,
wobei Wasser auf das Werkstück so gestrahlt wird, dass ein Wasserstrahl gebildet wird, und
wobei der Laserstrahl auf das Werkstück durch das Innere des Wasserstrahls gestrahlt wird.

3. Laser-Vertiefungsabtragungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Versetzen der Bestrahlungsposition des Laserstrahls derart wiederholt ausgeführt wird, dass er mehrmals über die Vertiefungsausbildungspositionen fährt.

4. Laser-Vertiefungsabtragungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Werkstück aus einem metallischen Material geschaffen ist.

5. Laser-Vertiefungsabtragungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mit Boden versehenen Vertiefungen jeweils eine Vertiefungstiefe haben, die das Zehnfache oder mehr als deren Vertiefungsbreite beträgt.

6. Laser-Vertiefungsabtragungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mit Boden versehenen Vertiefungen U-förmige Vertiefungen sind.

7. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs mit Zuführungslöchern zum Zuführen eines Materials und mit Vertiefungen, die mit den Zuführungslöchern verbindbar sind und in einer gitterartigen Konfiguration ausgebildet sind, um das Material zu einer Wabenkonfiguration auszubilden,
wobei jede Vertiefung eine Vertiefungstiefe hat, die das Zehnfache oder mehr als deren Vertiefungsbreite beträgt,
wobei beim Abtragen der Vertiefungen in einem Werkzeugmaterial eine Bestrahlungsposition eines Laserstrahls, der auf diejenige Fläche des Werkzeugmaterials zu strahlen ist, die jener Fläche entgegengesetzt ist, an der die Zuführungslöcher ausgebildet werden, entlang Vertiefungsausbildungspositionen versetzt wird.

8. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß Anspruch 7, wobei beim Versetzen der Bestrahlungsposition des Laserstrahls entlang der Vertiefungsausbildungspositionen die Bestrahlungsposition des Laserstrahls entlang der Vertiefungsausbildungspositionen mit einer hohen Geschwindigkeit von 150 mm/min oder mehr relativ versetzt wird.

9. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß Anspruch 7 oder 8,
wobei Wasser auf das Werkzeugmaterial so gestrahlt wird, dass ein Wasserstrahl gebildet wird, und
wobei der Laserstrahl auf das Werkzeugmaterial durch das innere des Wasserstrahls gestrahlt wird.

10. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Versetzen der Bestrahlungsposition des Laserstrahls derart wiederholt ausgeführt wird, dass er mehrmals über die Vertiefungsausbildungspositionen fährt.

11. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Vertiefungen zu einer gitterartigen Konfiguration ausgebildet werden, die runde, dreieckige, rechteckige oder hexagonale Formen aufweist, die kontinuierlich miteinander verbunden sind.

12. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das Material des Wabenstrukturformwerkzeugs ein Hartmetall oder eine Werkzeugstahllegierung ist.

13. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Breite der Schlitzvertiefungen 40 bis 150 µm und deren Tiefe 2,0 bis 3,5 mm betragen.

14. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die Toleranz der Tiefe der Vertiefungen 0,3 mm oder weniger beträgt.

15. Wabenstrukturformwerkzeug zumindest mit Zuführungslöchern zum Zuführen eines Materials und Vertiefungen, die mit den Zuführungslöchern verbindbar sind und so aufgebaut sind, dass sie das Material zu einer Wabenkonfiguration ausbilden,
wobei geneigte Abschnitte an Eckabschnitten vorgesehen sind, die dort ausgebildet sind, wo sich Bodenabschnitte der Vertiefungen mit Seiten der Zuführungslöcher überschneiden, und
wobei an den geneigten Abschnitten die Tiefe der Schlitzvertiefungen tiefer wird, wenn sich die Vertiefungen den Zuführungslöchern annähern.

16. Wabenstrukturformwerkzeug gemäß Anspruch 15, wobei die geneigten Abschnitte innerhalb einer Distanz von bis zu 0,5 mm von den Seiten der Zuführungslöcher ausgebildet sind.

17. Wabenstrukturformwerkzeug gemäß Anspruch 15 oder 16,
wobei die geneigten Abschnitte über eine Distanz von 0,3 mm oder mehr von den Seiten der Zuführungslöcher ausgebildet sind, und
wobei die Endtiefe der geneigten Abschnitte 0,3 mm oder mehr beträgt.

18. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs zumindest mit Zuführungslöchern zum Zuführen eines Materials und Vertiefungen, die mit den Zuführungslöchern verbindbar sind und so aufgebaut sind, dass sie das Material zu einer Wabenkonfiguration ausbilden, und das Verfahren hat
einen Schritt zum Ausbilden der Zuführungslöcher in einer Lochausbildungsfläche eines Werkzeugmaterials,
einen anschließenden Schritt zum Wasserstrahlen zu Vertiefungsausbildungspositionen an einer der Lochausbildungsfläche entgegengesetzten Vertiefungsausbildungsfläche, wobei ein Wasserstrahl derart gebildet wird, dass ein Laserstrahl durch das Innere des Wasserstrahls gestrahlt wird, und
einen Schritt zum Implementieren eines Abtastvorgangs des ausgestrahlten Laserstrahls, bei dem die Laserstrahlposition entlang der Vertiefungsausbildungspositionen derart versetzt wird, dass er mehrmals entlang denselben Vertiefungsausbildungspositionen fährt, wobei die Anzahl der Abtastvorgänge des ausgestrahlten Laserstrahls in der Nähe von Eckabschnitten erhöht wird, die dort ausgebildet sind, wo sich Bodenabschnitte der Vertiefungen mit Seiten der Zuführungslöcher überschneiden, so dass die Tiefe der Vertiefungen tiefer wird, wenn sich die Vertiefungen den Zuführungslöchern annähern, und dass geneigte Abschnitte an den Eckabschnitten ausgebildet werden.

19. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß Anspruch 18, wobei das Versetzen der Laserstrahlposition mit einer relativen Geschwindigkeit von 150 mm/min oder mehr durchgeführt wird.

20. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei die geneigten Abschnitte innerhalb einer Distanz von bis zu 0,5 mm von den Seiten der Zuführungslöcher ausgebildet werden.

21. Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturformwerkzeugs gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20,
wobei die geneigten Abschnitte über eine Distanz von 0,3 mm oder mehr von den Seiten der Zuführungslöcher ausgebildet werden, und
wobei die Endtiefe der geneigten Abschnitte 0,3 mm oder mehr beträgt.