DE10303063A1

DE10303063A1 - Verfahren zum Abtragen von Material durch einen Laserstrahl

Info

Publication number: DE10303063A1
Application number: DE10303063A
Authority: DE
Inventors: Roswitha Dr. Giedl; Michael J. Dr. Wild; Hans Joachim Prof. Dr. Helml
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2004-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von Material, insbesondere Metall, in einem vorbestimmten Bereich eines Materialkörpers durch einen Laserstrahl, bei dem der Laserstrahl auf den vorbestimmten Bereich gerichtet und so viel Energie durch den Laserstrahl in das abzutragende Material eingebracht wird, dass das abzutragende Material verdampft.

Description

Derartige Laserabtragverfahren sind grundsätzlich bekannt. Problematisch ist bei bekannten Laserabtragverfahren, dass sich ein Teil des abgetragenen Materials in einem Randbereich des vorbestimmten Bereiches anlagert. So treten insbesondere beim Laserbohren von Bohrungen oder Gräben unerwünschte Materialaufhäufungen neben den Bohrungen bzw. den Gräben auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserabtragverfahren zu schaffen, bei dem eine Ablagerung von abgetragenem Material auf der Oberfläche des Materialkörpers und der Wandung der Bohrung verhindert wird.

Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das verdampfte Material ein Materialplasma bildet und wenigs tens der vorbestimmte Bereich und ein Randbereich des vorbestimmten Bereichs mit einer Flüssigkeit bedeckt wird, die eine Expansion des Materialplasmas derart hemmt, dass sich ein Druck des Materialplasmas und eines durch das Materialplasma in der Flüssigkeit angeregten Plasmas derart erhöht, dass eine sich zumindest in Richtung des Materialkörpers ausbreitende Schockwelle mit einer Stärke erzeugt wird, die den Abtrag des Materials beschleunigt und/oder unerwünschte Materialaufwürfe in einem Randbereich des vorbestimmten Bereichs entfernt.

Durch die infolge der Überdeckung des vorbestimmten Bereichs und des Randbereichs mit der Flüssigkeit entstehende Schockwelle werden unerwünschte Materialablagerungen in dem Randbereich förmlich weggesprengt. Auf diese Weise lassen sich Bohrungen oder Gräben mit "sauberen" Randbereichen, das heißt ohne unerwünschte Materialrückstände- oder -aufwürfe, ausbilden. Gleichzeitig wird durch die Schockwelle die Rate erhöht, mit der das Material abgetragen wird. Neben einem Lasern von Bohrungen oder Gräben eignet sich das Verfahren darüber hinaus auch zum Laserschneiden sowie zum Entgraten von mechanisch bearbeiteten Oberflächen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens strömt die Flüssigkeit während des gesamten Abtragprozesses über den vorbestimmten Bereich des Materialkörpers hinweg. Durch die Strömung der Flüssigkeit wird erreicht, dass das abgetragene Material kontinuierlich abtransportiert wird. Dies trägt dazu bei, dass sich das abgetragene Mate rial nicht auf der Oberfläche des Materialkörpers ablagert. Gleichzeitig werden während des gesamten Abtragprozesses Schockwellen erzeugt, wodurch die Abtraggeschwindigkeit des Materials über den gesamten Prozess erhöht ist. Eine gewünschte Abtragtiefe wird folglich nach einer reduzierten Prozessdauer erreicht. Gleichzeitig trägt die Flüssigkeit zu einer Kühlung der Oberfläche des Materialkörpers bei.

Alternativ kann der vorbestimmte Bereich und dessen Randbereich lediglich während eines kurzen Zeitraums, beispielsweise 0,5 s bis 1 s, vor Beendigung des Abtragsprozesses mit der Flüssigkeit bedeckt werden. Bei dieser Variante des Verfahrens kann sich abgetragenes Material zunächst in dem Randbereich ablagern. Diese Materialablagerungen bzw. Materialaufwürfe werden erst am Ende des Abtragprozesses durch die Schockwelle weggesprengt. Dadurch, dass man die Flüssigkeit nur kurzzeitig aufbringt, wird deren Verbrauch minimiert.

Ein an einer Rückseite des Materialkörpers angrenzender Umgebungsbereich kann durch ein Mittel geschützt werden, das den an der Rückseite des Materialkörpers aus einer Bohrung austretenden Laserstrahl zumindest annähernd vollständig absorbiert. Bei einer Durchbohrung des Materialkörpers wird auf diese Weise verhindert, dass in der rückseitigen Umgebung des Materialkörpers unkontrolliert und unbeabsichtigt weiteres Material abgetragen wird.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der Materialkörper von einer Vorderseite her durchbohrt und zusätzlich oder alternativ zu einer Bedeckung der Vorderseite mit Flüssigkeit eine Rückseite des Materialkörpers zumindest in dem Bereich, in dem der Durchbruch der Boh rung erfolgt, mit einer Flüssigkeit bedeckt. In dieser kann sich durch Wechselwirkung mit dem Materialplasma ein Plasma ausbilden, das durch Erzeugung einer Schockwelle den Abtrag des Materials beschleunigt und/oder unerwünschte Materialaufwürfe in einem Randbereich des Durchbruchs der Bohrung entfernt.

Durch die Bedeckung der Rückseite des Materialkörpers mit einer Flüssigkeit werden auch an der Austrittsöffnung der Bohrung unerwünschte Materialaufwürfe oder Materialablagerungen vermieden bzw. entfernt. Wird sowohl die Vorderseite als auch die Rückseite des Materialkörpers mit einer Flüssigkeit bedeckt, so erreicht man eine saubere Durchbohrung des Materialkörpers, die weder im Bereich ihrer Eintrittsöffnung noch im Bereich ihrer Austrittsöffnung unerwünschte Materialablagerungen aufweist.

Die Flüssigkeiten an der Vorderseite und an der Rückseite des Materialkörpers können gleiche oder unterschiedliche Flüssigkeiten sein. Es ist ferner möglich, dass die Flüssigkeiten an der Vorderseite und an der Rückseite des Materialkörpers jeweils während des gesamten Abtragprozesses den Materialkörper bedecken oder dass die Flüssigkeit bzw. Flüssigkeiten an der Vorderseite und/oder an der Rückseite des Materialkörpers jeweils nur kurz vor Beendigung des Abtragprozesses vorgesehen wird bzw. werden.

Die Flüssigkeit kann von der Rückseite des Materialkörpers in die Bohrung einströmen und zu einer Aufweitung der Bohrung an der Rückseite führen. Dabei wird gezielt der Effekt ausgenutzt, dass sich die Abtragsrate durch eine Schockwelle erhöht. Solche Bohrungen eignen sich besonders gut für Düsen zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor.

Durch die Erzeugung eines Plasmas in der Flüssigkeit können reaktive Teilchen generiert werden, die durch eine chemische Wechselwirkung mit dem abzutragenden Material den Abtrag des Materials beschleunigen. Der Materialabtrag erfolgt hierbei also zusätzlich durch eine chemische Reaktion der in der Flüssigkeit erzeugten reaktiven Teilchen mit dem abzutragenden Material. Dies führt zu einer noch weiter erhöhten Abtragsrate und somit zu einer insgesamt verkürzten Prozessdauer.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die verwendete Flüssigkeit Wasser sein. Wasser ist eine leicht verfügbare und kostengünstige Flüssigkeit, mit der sich Schockwellen gut erzeugen lassen.

An der Rückseite des Materialkörpers kann auch eine Kohlenstoffsuspension als Flüssigkeit verwendet werden. Die Kohlenstoffsuspension führt ebenfalls zur Erzeugung einer Schockwelle. Gleichzeitig absorbiert die Kohlenstoffsuspension einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge, die zum Abtragen von Metall geeignet ist. Die Kohlenstoffsuspension eignet sich daher besonders für einen Einsatz an der Rückseite des Materialkörpers, um dort einerseits den Materialabtrag zu beschleunigen und unerwünschte Materialaufwürfe zu entfernen und andererseits den aus der Bohrung austretenden Laserstrahl zu absorbieren, um den an die Rückseite des Materialkörpers angrenzenden Umgebungsbereich vor einem unkontrollierten Materialabtrag oder einer Beschädigung durch den aus der Bohrung austretenden Laserstrahl zu schützen.

Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Laserbohren, bei der eine Vorderseite eines Materialkörpers mit Wasser bedeckt ist;
2 eine schematische Darstellung der Anordnung von 1, bei der zusätzlich die Rückseite des Materialkörpers mit einer Flüssigkeit bedeckt ist;
3 einen Längsquerschnitt einer Bohrung, die mit einer Anordnung nach 3 hergestellt wurde; und
4 eine Mikroskopaufnahme der Strahlaustrittsseite einer Bohrung, die mit einer Anordnung nach 2 hergestellt wurde.
1 zeigt eine Anordnung zum Abtragen von Material mittels eines Laserstrahls nach einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Variante des Verfahrens eignet sich sowohl zum flächigen Abtragen von Material, als auch zum Erzeugen sehr kleiner Strukturen, wie beispielsweise von Bohrungen mit Durchmessern im Bereich von einigen 10 μm bis einigen 100 μm oder von Gräben mit Grabenbreiten im Bereich von einigen 10 μm bis einigen 100 μm. Darüber hinaus ist diese Verfahrensvariante auch zum Entgraten von mechanisch bearbeiteten Materialoberflächen geeignet.
Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ist das abzutragende Material ein Metall. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Bearbeitung von Metall beschränkt, sondern lässt sich unter entsprechender Anpassung der Wellenlänge des verwendeten Laserstrahls auch zur Bearbeitung anderer Materialien verwenden, wie beispielsweise von Kunststoffen, Verbundwerkstoffen oder Keramiken.
Die in 1 gezeigte Anordnung weist einen Laser 10 auf, der einen gepulsten Laserstrahl 12 mit einer Wellenlänge aussendet, die von dem abzutragenden Material zumindest annähernd vollständig absorbiert wird. Zum Abtragen von Metall geeignete Wellenlängen sind beispielsweise 511 nm, 578 nm oder 1064 nm. Der Laserstrahl 12 kann eine Pulsrate von 10 kHz aufweisen, wobei die Pulslänge eines Pulses 20 ns nicht übersteigen sollte und vorzugsweise im Picosekundenbereich liegt.
Der Laserstrahl 12 wird durch eine Optik 14 auf einen vorbestimmten Bereich 15 eines Materialkörpers 16 fokussiert, in dem Material des Materialkörpers 16 abgetragen werden soll.
Falls die Fläche des vorbestimmten Bereichs 15 größer als der Querschnitt des fokussierten Lichtflecks des Laserstrahls 12 auf der Oberfläche des Materialkörpers 16 ist, so kann der Laserstrahl 12 in einem geeigneten Muster den vorbestimmten Bereich 15 abrastern. Zur Erzeugung von Bohrungen mit runden Querschnitten kann der Laserstrahl 12 zum Beispiel unter Beschreibung einer Helix über den vorbestimmten Bereich 15 hinweg bewegt werden. Man spricht in diesem Fall von einem Trepanierbohrprozess.
Der Laserstrahl 12 wird in einer oberflächennahen Schicht des Materialkörpers 16 absorbiert, wobei sich der Materialkörper 16 in diesem Bereich lokal erwärmt. Für einen Abtrag des Materials des Materialkörpers 16 ist es erforderlich, dass durch den Laserstrahl 12 so viel Energie in den Materialkörper 16 eingebracht wird, dass der Materialkörper 16 dort, wo der Laserstrahl 12 absorbiert wird, lokal aufgeschmolzen wird und das Material des Materialkörpers 16 unter Bildung eines Plasmas 18' verdampft. Die Leistungsdichte des Lasers sollte hierfür im Bereich einiger GW/cm² liegen.
Um eine Expansion dieses Materialplasmas 18' zu hemmen, wird die Oberfläche des Materialkörpers 16 mit einer Flüssigkeit 20 bedeckt. Die Flüssigkeit 20 muss so gewählt sein, dass sie für den Laserstrahl 12 lichtdurchlässig ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Flüssigkeit 20 um Wasser.
Dabei sollte das Wasser 20 wenigstens den Bereich 15, in dem das Material des Materialkörpers 16 abgetragen werden soll, und einen zugehörigen Randbereich 19 bedecken. Es ist aber auch möglich, dass sich eine Wasserschicht 20 über die gesamte Oberfläche des Materialkörpers 16 erstreckt.
Das durch den Laserstrahl 12 angeregte Plasma 18' aus verdampften Teilchen des abgetragenen Materials regt seinerseits einen Teil des Wassers zum Plasma 18" an. Die resultierende Plasmawolke 18 umfasst folg lich ionisierte und neutrale Teilchen des abgetragenen Materials und des Wassers 20 sowie Elektronen. Der Laserstrahl 12 wird teilweise von der Plasmawolke 18 absorbiert, wodurch sich die Temperatur im Plasma 18 zusätzlich erhöht, was normalerweise zu einer weiteren Expansion des Plasmas 18 führen würde. Die Expansion des Plasmas 18 wird durch die Wasserschicht 20 jedoch gehemmt.
In der Folge entsteht eine Schockwelle 22, die sich ausgehend von der Plasmawolke 18 auch in Richtung des Materialkörpers 16 und in diesen hinein ausbreitet. Die Aussendung einer Schockwelle 22 führt zu einer kurzzeitigen Entspannung des Plasmas 18. Als Folge anhaltender Laserpulse werden aber immer neue Schockwellen 22 ausgelöst, so dass eine andauernde Serie von Schockwellen 22 erzeugt wird, solange wenigstens der abzutragende Bereich 15 mit der Flüssigkeit 20 bedeckt ist.
Durch die Schockwellen 22 wird zusätzliche Energie in das abzutragende Material des Materialkörpers 16 eingebracht, wodurch sich die Geschwindigkeit erhöht, mit der das Material des Materialkörpers 16 abgetragen wird. Gleichzeitig wird abgetragenes Material entfernt, das sich möglicherweise in dem Randbereich 19 um den abzutragenden Bereich 15 herum anlagert. Materialaufwürfe neben einer zu schaffenden Bohrung – in 1 durch die gestrichelte Line 26 dargestellt – werden durch die Schockwellen 22 weggesprengt.
Es ist möglich, den Materialkörper 16 während des gesamten Abtragprozesses mit Wasser 20 zu bedecken. Damit das abgetragene Material des Materialkörpers 16 abtransportiert wird, muss das Wasser 20 hierbei über die Oberfläche des Materialkörpers 16 hinweg strömen. Man vermutet, dass bei der Anregung des Wassers 20 zu einem Plasma außerdem reaktive Teilchen entstehen, die zusätzlich zu einem Aufschmelzen und Verdampfen des abzutragenden Materials durch den Laserstrahl 12 auf chemische Weise mit dem Material des Materialkörpers 16 wechselwirken und den Materialabtrag durch einen Ätzmechanismus zusätzlich beschleunigen. Die Abtragsgeschwindigkeit wird durch eine Bedeckung des Materialkörpers 16 durch Wasser 20 während des gesamten Abtragprozesses insgesamt also weiter erhöht. Gleichzeitig wird durch das über den Materialkörper 16 hinweg strömende Wasser 20 auch Wärme abgeführt, so dass eine Erwärmung des Materialkörpers 16 insgesamt minimiert wird.
Alternativ ist es möglich, den Laserabtragprozess zunächst "trocken", das heißt ohne die Zugabe von Wasser 20, auszuführen und erst kurz vor Beendigung des Abtragprozesses, beispielsweise 1 s oder 0,5 s vor Abschalten des Laserstrahls 12, das Wasser 20 hinzuzugeben. Während der "trockenen" Phase des Abtragprozesses kann das durch den Laserstrahl 12 aufgeschmolzene Material ungehindert verdampfen. Ein Teil des verdampften Materials schlägt sich dabei als Materialauswurf in dem Randbereich 19 neben dem abzutragenden Bereich 15 nieder. Diese unerwünschte Materialablagerungen werden durch die Schockwellen 22, die entstehen, sobald wenigstens der abzutragende Bereich 15 mit Wasser 20 bedeckt wird, weggesprengt und vollständig entfernt.
Im Ergebnis erhält man einen definierten Materialabtrag in einem vorbestimmten Bereich 15 ohne unerwünschte Rückstände oder Ablagerungen von abgetragenem Material in dem daran angrenzenden Randbereich 19 des Materialkörpers 16.
In 2 ist eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, die sich besonders gut für eine Durchbohrung von Materialkörpern 16 oder zum Laserschneiden eignet.
Die in 2 gezeigte Anordnung ähnelt der im Zusammenhang mit 1 voranstehend beschriebenen Anordnung. Ein von einem Laser 10 ausgesandter gepulster Laserstrahl 12 wird durch eine Optik 14 auf einen vorbestimmten Bereich 15 eines Materialkörpers 16 fokussiert, in dem Material abgetragen werden soll. In diesem Fall soll der Materialabtrag dazu führen, dass eine Durchgangsbohrung 29 – in 2 gestrichelt dargestellt – in dem Materialkörper 16 ausgebildet wird, deren Eintrittsöffnung 24 durch den vorbestimmten Bereich 15 an der Vorderseite 30 des Materialkörpers 16 definiert ist und deren Austrittsöffnung 31 sich an einer Rückseite 32 des Materialkörpers 16 befindet.
Im Unterschied zu der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen ersten Variante des Laserabtragverfahrens wird bei der in 2 dargestellten Variante des Verfahrens auch die Rückseite 32 des Materialkörpers 16 wenigstens bereichsweise mit einer Flüssigkeit 34 bedeckt. Dabei erfolgt die Bedeckung der Rückseite 32 mit der Flüssigkeit 34 zumindest in dem Bereich, in dem die Austrittsöffnung 31 der Durchgangsbohrung 29 vorgesehen ist.
Die Flüssigkeit 34 wird der Rückseite 32 des Materialkörpers 16 durch eine geeignet ausgebildete Flüssigkeitszuführvorrichtung 36 zugeleitet. Diese Flüssigkeitszuführvorrichtung 36 kann beispielsweise eine Rohrleitung sein, aus der die Flüssigkeit 34 mit einer Geschwindigkeit austritt, die so hoch ist, dass sich die Flüssigkeit 34 so weit an der Rückseite 32 des Materialkörpers 16 ausbreitet, dass wenigstens die zu erwartende Austrittsöffnung der Durchgangsbohrung 29 und ein daran angrenzender Randbereich 38 der Rückseite 32 des Materialkörpers 16 durch die Flüssigkeit 34 bedeckt sind.
Um zu verhindern, dass der an der Rückseite 32 des Materialkörpers 16 aus der Durchgangsbohrung 29 austretende Laserstrahl 12 unbeabsichtigt und unkontrolliert weiteres Material in der Umgebung der Rückseite 32 des Materialkörpers 16 abträgt oder beschädigt, kann die Flüssigkeitszuführvorrichtung 36 sowohl von ihrer Gestalt als auch von ihrem Material so beschaffen sein, dass sie den Laserstrahl 12 nach dessen Austritt aus der Durchgangsbohrung 29 absorbiert oder ablenkt.
Zusätzlich oder alternativ zu der voranstehend beschriebenen Ausgestaltung der Flüssigkeitzuführvorrichtung 36 kann auch die Flüssigkeit 34 selbst derart ausgebildet sein, dass sie den Laserstrahl 12 im Wesentlichen vollständig absorbiert. Zu diesem Zweck kann die Flüssigkeit 34 beispielsweise Wasser mit einem oder mehreren Farbstoffzusätzen sein, oder es kann sich bei der Flüssigkeit 34 um eine Kohlenstoffsuspension handeln.
Unabhängig davon, ob die Flüssigkeit 34 an der Rückseite 32 des Materialkörpers 16 den Laserstrahl 12 absorbiert oder nicht, wird durch sie auch an der Rückseite 32 des Materialkörpers 16 eine Expansion eines aus Teilchen des abgetragenen Materials und der Flüssigkeit 34 gebildeten Plasmas gehemmt. Daraus resultierende Schockwellen verhindern auch an der Rückseite 32 des Materialkörpers 16, dass sich in dem an die Austrittsöffnung 31 der Durchgangsbohrung 29 angrenzenden Randbe reich 38 des Materialkörpers 16 Ablagerungen oder Aufwürfe von abgetragenem Material ausbilden. Auf diese Weise wird an der Rückseite 32 des Materialkörpers 16 eine von Materialablagerungen freie Umgebung der Austrittsöffnung 31 der Durchgangsbohrung 29 erreicht.
Die der Rückseite 32 des Materialkörpers 16 zugeführte Flüssigkeit 34 kann während des gesamten Abtragprozesses zugeleitet werden, oder die Flüssigkeitszufuhr wird erst kurz vor dem Zeitpunkt eingeschaltet, an dem der erste Durchbruch der Durchgangsbohrung 29 an der Rückseite 32 des Materialkörpers 16 erwartet wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Flüssigkeit 34 derart ausgebildet, dass bei einer Anregung der Flüssigkeit 34 zum Plasma durch das Plasma des abgetragenen Materials und/oder durch den Laserstrahl 12 reaktive Teilchen erzeugt werden, die mit dem Material des Materialkörpers 16 chemisch wechselwirken und durch einen Ätzmechanismus zusätzlich zu einer Beschleunigung des Materialabtrags durch die Schockwellen die Abtragsgeschwindigkeit erhöhen.
Dringt die Flüssigkeit 34 von der Rückseite 32 des Materialkörpers 16 her in die Durchgangsbohrung 29 ein – sei es, weil sie mit einem genügend hohen Druck aus der Flüssigkeitzuführvorrichtung 36 ausgestoßen wird, oder, weil sie durch einen Unterdruck in die Durchgangsbohrung 29 hineingesogen wird – so lässt sich, wie es in 3 dargestellt ist, eine Durchgangsbohrung 29 herstellen, deren Durchmesser mit zunehmender Tiefe größer wird. Die Eintrittsöffnung 24 der Durchgangsbohrung 29 weist an der Vorderseite 30 des Materialkörpers 16 somit einen kleineren Durchmesser auf als ihre Austrittsöffnung 31 an der Rückseite 32 des Materialkörpers 16.
3 zeigt eine Mikroskopaufnahme einer Austrittsöffnung 31 einer Bohrung 29 in einem aus einem Metall bestehenden Materialkörper 16, die mit Hilfe des voranstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde. Man erkennt, dass der an die Austrittsöffnung 31 der Bohrung 29 angrenzende Randbereich 38 der rückseitigen Oberfläche 28 des Materialkörpers 16 keine Materialaufwürfe aufweist. Makroskopisch gesehen ist die Oberfläche 28 im Wesentlichen plan. Sie weist jedoch eine Mikrostruktur auf, die durch das Auftreffen der Schockwellen 22 auf die Oberfläche 28 des Materialkörpers 16 verursacht wird.
Mit dem in 2 dargestellten Verfahren wurden Bohrungen nach der in 3 und 4 gezeigten Art hergestellt, deren Durchmesser an ihrer Eintrittsöffnung 24 etwa 90 μm, in einer mittleren Tiefe etwa 90 μm und an ihrer Austrittsöffnung etwa 190 μm betrug. Solche Bohrungen eignen sich einerseits wegen ihrer Abmessungen im Mikrometerbereich und andererseits wegen ihres sich aufweitenden Längsquerschnittprofils beispielsweise für Düsen zur Einspritzung von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren.

10: Laser
12: Laserstrahl
14: Optik
15: vorbestimmter Bereich
16: Materialkörper
18: Plasma
19: Randbereich
20: Flüssigkeit
22: Schockwelle
24: Eintrittsöffnung
26: Bohrung
28: Oberfläche
29: Durchgangsbohrung
30: Vorderseite
31: Austrittsöffnung
32: Rückseite
34: Flüssigkeit
36: Flüssigkeitszuführvorrichtung
38: Randbereich

Claims

Verfahren zum Abtragen von Material, insbesondere Metall, in einem vorbestimmten Bereich (15) eines Materialkörpers (16) durch einen Laserstrahl (12), bei dem der Laserstrahl (12) auf den vorbestimmten Bereich (15) gerichtet und so viel Energie durch den Laserstrahl (12) in das abzutragende Material eingebracht wird, dass das abzutragende Material verdampft und ein Materialplasma (18') bildet, und wenigstens der vorbestimmte Bereich (15) und ein Randbereich (19) des vorbestimmten Bereichs (15) mit einer Flüssigkeit (20) bedeckt wird, die eine Expansion des Materialplasmas (18') derart hemmt, dass sich ein Druck des Materialplasmas (18') und eines durch das Materialplasma (18') in der Flüssigkeit (20) angeregten Plasmas (18') derart erhöht, dass eine sich zumindest in Richtung des Materialkörpers (16) ausbreitende Schockwelle (22) mit einer Stärke erzeugt wird, die den Abtrag des Materials beschleunigt und/oder unerwünschte Materialaufwürfe in einem Randbereich (19) des vorbestimmten Bereichs (15) entfernt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (20) während des gesamten Abtragprozesses über den vorbestimmten Bereich (15) des Materialkörpers (16) hinweg strömt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Bereich (15) und dessen Randbereich (19) lediglich während eines kurzen Zeitraums, beispielsweise 0,5 s bis 1 s, vor Beendigung des Abtragprozesses mit der Flüssigkeit (20) bedeckt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkörper (16) von einer Vorderseite (30) her durchbohrt wird und die Vorderseite (30) des Materialkörpers (16) mit der Flüssigkeit (20) bedeckt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein an eine Rückseite (32) des Materialkörpers (16) angrenzender Umgebungsbereich durch ein Mittel (34, 36) geschützt wird, das den an der Rückseite (32) des Materialkörpers (16) aus der Bohrung (29) austretenden Laserstrahl (12) zumindest annähernd vollständig absorbiert und/oder streut und/oder ablenkt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkörper (16) von einer Vorderseite (30) her durchbohrt wird und zusätzlich oder alternativ zu einer Bedeckung der Vorderseite (30) mit der Flüssigkeit (20) eine Rückseite (32) des Materialkörpers (16) zumindest in dem Bereich, in dem der Durchbruch der Bohrung (29) erfolgt, mit einer Flüssigkeit (34) bedeckt wird, in der sich durch Wechselwirkung mit dem Materialplasma ein Plasma ausbilden kann, das durch Erzeugung einer Schockwelle den Abtrag des Materials beschleunigt und/oder unerwünschte Materialaufwürfe in einem Randbereich (38) des Durchbruchs der Bohrung (29) entfernt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (34) von der Rückseite (32) des Materialkörpers (16) in die Bohrung (29) einströmt und zu einer Aufweitung der Bohrung (29) an der Rückseite (32) führt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Erzeugung eines Plasmas in der Flüssigkeit (20, 34) reaktive Teilchen generiert werden, die durch eine chemische Wechselwirkung mit dem abzutragenden Material den Abtrag des Materials beschleunigen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit (20, 34) Wasser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückseite (32) des Materialkörpers (16) eine Kohlenstoffsuspension als Flüssigkeit (34) verwendet wird.