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Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren
für eine
Lochscheibe zum Ausstoßen
eines Fluids mit mindestens einer galvanisch erzeugten, mindestens
einen Durchgang aufweisenden Schicht, bei dem eine Negativstruktur
des Durchgangs auf einer Unterlage erzeugt wird, später die
Schicht um die Negativstruktur herum galvanisch auf der Unterlage
erzeugt wird und später
die Negativstruktur beseitigt wird.
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Ein solches Herstellungsverfahren
ist z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 15 800 A1 bekannt.
Danach soll eine Lochscheibe zum Ausstoßen eines Fluides galvanisch
auf einer Trägerplatte
als Unterlage erzeugt und anschließend von dieser wieder gelöst werden.
Zur Bildung der einzelnen galvanischen Lagen der Lochscheibe werden
jeweils Schichten z. B. aus einem Fotolack aufgetragen. Dieser Fotolack
dient zur Bildung einer Negativstruktur für die die Kanalstruktur bildenden
Durchgänge
der Lochscheibe, wobei die Negativstruktur beispielsweise durch
Belichten des Fotolackes mit UV-Licht und anschließendes Entfernen
der unbelichteten Teile des Fotolackes gebildet wird. Danach wird
die jeweils zu bildende Lage der Lochscheibe galvanisch um die gebildete
Negativstruktur herum erzeugt und durch Beseitigung der Negativstruktur werden
nach Fertigstellung aller Lagen der Lochscheibe die Durchgänge durch
die Lochscheibe gebildet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Herstellungsverfahren für
eine Lochscheibe zum Ausstoßen eines
Fluides anzugeben, mit dem sich Lochscheiben mit einer an die gewünschte Ausstoßcha rakteristik
des Fluids vergleichsweise gut angepassten Geometrie der Durchgänge galvanisch
erzeugen lassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Negativstruktur mit einer derartigen Geometrie ausgebildet
wird, dass Wandbereiche des Durchgangs in einem Winkel ungleich
90° zur
Schichtgrenzfläche
verlaufen. Hierdurch lassen sich beispielsweise Durchgänge galvanisch
erzeugen, deren Symmetrieachsen schräg zur Schichtgrenzfläche verlaufen,
so dass dem auszustoßenden Fluid
vorteilhaft ein Bewegungszustand aufgeprägt werden kann, der im Verhältnis zur
Oberfläche
der Lochscheibe schräg
verläuft.
Eine andere Möglichkeit
ist die galvanische Bildung von konisch zulaufenden Düsenöffnungen,
bei denen die Wandbereiche der gebildeten Durchgänge aufgrund der konischen Form
zumindest teilweise schräg
zur Schichtgrenzfläche
ausgerichtet sind. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders feine
Verteilung beim Ausstoßen
des Fluids erreicht werden.
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Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, dass zur Erzeugung der Negativstruktur eine lichtempfindliche
Schicht als Hilfsschicht auf der Unterlage aufgebracht wird, die
Negativstruktur durch Belichten der lichtempfindlichen Schicht mittels eines
Laserstrahls gebildet wird und anschließend die unbelichteten Teile
der lichtempfindlichen Schicht entfernt werden. Die Verwendung eines
Laserstrahls hat den Vorteil, dass mit diesem das Licht lokal begrenzt
in die lichtempfindliche Schicht eingebracht werden kann. Damit
können
Masken zur Abdeckung nicht zu belichtender Teile der lichtempfindlichen Schicht
vorteilhaft eingespart werden, wodurch sich das Herstellungsverfahren
vereinfacht. Außerdem kann
der Laser mit einem Winkel ungleich 90° zur Grenzfläche der lichtempfindlichen
Schicht ausgerichtet werden, so dass sich die Wandbereiche der Negativstruktur
mit schräger
Ausrichtung zur Schichtgrenzfläche
direkt herstellen lassen.
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Die Verwendung eines Laserstrahls
ist besonders vorteilhaft, wenn die Negativstruktur für Durchgänge mit
einem konstanten Querschnitt ausgebildet wird, indem der Laserstrahl
parallel verschoben wird. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens muss
der Laserstrahl über
die gesamte zu bildende Querschnittsfläche der Negativstruktur geführt werden,
so dass die lichtempfindliche Schicht in dem genannten Bereich ausgehärtet wird.
Im Grenzfall kann mittels des Laserstrahls also eine Negativstruktur
gebildet werden, die gerade die Abmessungen des Laserstrahls aufweist.
Durch Parallelverschiebung des Laserstrahls kann vorteilhaft die
Negativstruktur mit einer vergleichsweise einfachen Führungsbewegung
des Laserstrahls hergestellt werden.
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Eine alternative Ausgestaltung der
Erfindung sieht vor, dass zur Erzeugung der Negativstruktur auf die
Unterlage eine Hilfsschicht aufgebracht wird und die Negativstruktur
durch Laserablation der die Negativstruktur umgebenden Teile der
Hilfsschicht erzeugt wird. Bei diesem Verfahren besteht die Hilfsschicht
nicht aus einer lichtempfindlichen Schicht, sondern es werden vielmehr
die Teile der festen Hilfsschicht, die zur Bildung der Negativstruktur
nicht benötigt
werden, mittels des Lasers entfernt. Hierdurch können die durch die Negativstruktur
zu bildenden Durchgänge
vorteilhaft auch mit äußerst geringen Abmessungen
hergestellt werden, da wegen des Abtragens der die Negativstruktur
umgebenden Teile die Negativstruktur selbst von den Abmessungen
des Laserstrahls unabhängig
ist.
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Eine wieder andere Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, dass zur Erzeugung der Negativstruktur
eine lichtempfindliche Schicht als Hilfsschicht auf der Unterlage
aufgebracht wird, die Negativstruktur der lichtempfindlichen Schicht
durch eine lichtdichte Maske hindurch gebildet wird, wobei der Lichtdurchtritt
durch die Maske parallel zu den Wandungen der Durchtrittsöffnung ausgerichtet
ist und anschließend die
unbelichteten Teile der lichtempfindlichen Schicht entfernt werden.
Um mittels einer Maske eine Negativstruktur mit einer Ausrichtung
von Wandbereichen der Durchgänge
in einen Winkel ungleich 90° zu
erzeugen, muss also die Lichtquelle derart vor der Maske angeordnet
werden, dass der Lichtdurchtritt durch die Maske zur Maskenoberfläche entsprechend
der Ausrichtung der Wandungen schräg verläuft. Hierdurch kann vorteilhaft
auf die bewährte
Maskentechnologie zurückgegriffen
werden, um das erfindungsgemäße Verfahren
durchzuführen.
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Es ist vorteilhaft, wenn als Unterlage
für die galvanische
Beschichtung eine gelochte Tragscheibe verwendet wird, die selbst
eine Lage der Lochscheibe bildet. Die gelochte Tragscheibe kann
vorteilhaft mittels eines wirtschaftlichen Verfahrens wie z. B. Stanzen
erzeugt werden, so dass der Zeitaufwand für eine galvanische Herstellung
einer der gelochten Tragscheibe entsprechenden galvanischen Schicht eingespart
werden kann. Hierdurch sinken die Fertigungszeiten für die Lochscheibe
insgesamt, wodurch vorteilhaft eine höhere Wirtschaftlichkeit des
Herstellungsverfahren erreicht wird.
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Weiterhin vorteilhaft kann auf beiden
Seiten der gelochten Tragscheibe eine galvanische Beschichtung erfolgen.
Damit bildet die gelochte Tragscheibe sozusagen einen Grundkörper, der
beidseitig mit hochpräzisen
galvanischen Schichten versehen ist. Damit können die für das Zuführen und Ausstoßen des Fluides
zum Einsatz kommenden Durchgänge
an den jeweiligen Außenseiten
der gebildeten Lochscheibe in hoher Präzision gefertigt werden, so dass
auch das Ausstoßen
des Fluids vorteilhaft mit hoher Präzision erfolgen kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die galvanische Beschichtung auf beiden Seiten der gelochten Tragscheibe
in parallel ablaufenden Fertigungsschritten gleichzeitig erfolgt.
Hierdurch kann die Fertigungszeit für die Lochscheibe vorteilhaft
weiter verringert werden, indem die Lochscheibe mit einem galvanischen
Bad gleichzeitig mit beiden Schichten versehen wird. Eine weitere
Effizienzsteigerung lässt sich
erzielen, wenn auch die Fertigungsschritte der galvanischen Beschichtung,
die dem eigentlichen Metallabscheiden vorgelagert sind, also das
eventuelle Aufbringen einer Galvanikstartschicht und das Aufbringen
und Entwickeln von lichtempfindlichen Schichten, in parallel ablaufenden
Fertigungsschritten vorgenommen werden.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin
auf eine einteilige Lochscheibe zum Ausstoßen eines Fluids mit mindestens
zwei aufeinanderfolgenden Lagen und einem diese Lagen unter Bildung
von Durchgängen
durchsetzenden Kanalsystem.
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Eine solche einteilige Lochscheibe
ist beispielsweise in der bereits eingangs erwähnten deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 15 800 A1 beschrieben.
Hierbei handelt es sich um eine Lochscheibe, die als Drallscheibe
zum Einsatz kommt und aus mehreren aufeinander folgenden, galvanischen hergestellten
Lagen besteht, die ein Kanalsystem bilden, welches zur Durchleitung
von einzuspritzendem Kraftstoff dient. Dabei wird dem Kraftstoff
eine Drallbewegung aufgeprägt.
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Einen weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine einteilige Lochscheibe zum Ausstoßen eines
Fluids mit mehreren Lagen anzugeben, die dem auszustoßenden Fluid
vergleichsweise komplexe Bewegungszustände mit hoher Präzision aufprägt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Wandbereiche
des Kanalsystems in zumindest einer als Schicht ausgebildeten Lage
in einem Winkel ungleich 90° zur
Schichtgrenzfläche
verlaufen. Eine derart ausgebildete einteilige Lochscheibe kann
beispielsweise mittels des oben genannten Herstellungsverfahrens
erzeugt werden. Ein Verlauf des Kanalsystems zur Schichtgrenzfläche, also
auch zu den Seiten der Lochscheibe in einem Winkel ungleich 90° hat den
Vorteil, dass dem auszustoßenden
Fluid auch eine schräg
zur Schichtgrenzfläche
verlaufende Bewegungsrichtung aufgeprägt werden kann. Hierdurch lässt sich
diese schräge
Bewegungsrichtung mit andere Bewegungszuständen überlagern, die durch bereits
bekannte Geometrien von einteiligen Lochscheiben erzeugt werden
können.
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Die erfindungsgemäße Lochscheibe, in der die
schräg
zur Oberfläche
der Lochscheibe verlaufenden Kanäle
bereits bei der Herstellung der Lochscheibe integriert werden, hat
den wesentlichen Vorteil, dass allein durch ihre Ausgestaltung einem
auszustoßenden
Fluid komplexe Bewegungszustände aufgeprägt werden.
Im Vergleich zu der Lochscheibe nach der erwähnten Offenlegungsschrift
DE 198 15 800 A1 hat
sie den Vorteil, dass sie ohne eine sogenannte Spritzlochscheibe
mit einem schräg
zur Oberfläche
der Lochscheibe verlaufenden Kanal auskommt.
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Die erfindungsgemäße Lochscheibe kommt bevorzugt
in Brennstoffeinspritzventilen zum Einsatz. Allerdings sind auch
andere Verwendungen für
die erfindungsgemäße Lochscheibe
denk bar, so z. B. als Lackierdüse
zur feinen Verteilung von Lackpartikeln.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung
werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigen
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1a bis g schematisch die Fertigungsschritte eines
Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Bildung einer Lochscheibe,
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2 eine
alternative Ausgestaltung der Verfahrensschritte b und c gemäß 1,
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3 perspektivisch
die Negativstruktur zur Bildung einer galvanischen Schicht entsprechend
der Gestalt der Schicht 21b gemäß 1f auf einer Unterlage, auf der mehrere
Scheiben nebeneinander hergestellt werden und
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4 ein
Ausführungsbeispiel
des Herstellungsverfahrens für
die Erzeugung einer konischen Negativstruktur bei einem Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Lochscheibe,
wobei der dargestellte Ausschnitt dem Ausschnitt X in 1d ähnlich ist.
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In 1a ist
eine gelochte Tragscheibe 11 im Schnitt dargestellt, wobei diese
als Unterlage für eine
galvanische Beschichtung dienende Tragscheibe und das einzige Durchgangsloch 12 beispielsweise
aus einem Edelstahlband gestanzt wurden.
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Das Durchgangsloch 12 gemäß 1a kann gemäß 1b mit einer Verfüllmasse 13 aus
Kunststoff ausgefüllt
werden, wodurch auf beiden Seiten der gelochten Tragscheibe 11 je
eine geschlossene Tragfläche 14a, 14b für den Aufbau
weiterer Schichten gebildet wird.
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Wie 1c zu
entnehmen ist, wird die gelochte Tragscheibe anschließend beidseitig
zunächst mit
je einer Galvanikstartschicht 15a, 15b und einer lichtempfindlichen
Schicht 16a, 16b versehen.
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Wie in 1d angedeutet,
können
die lichtempfindlichen Schichten 16a, 16b beispielsweise durch
Auflegen einer Maske 17 und Belichten beispielsweise mittels
Weißlicht 18 oder
auch ohne Zwischenschaltung einer Maske direkt mit einem Laserstrahl 19 entwickelt
werden.
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Die Maske 17 wird mittels
des Weißlichtes 18 schräg bestrahlt,
so dass sich eine Negativstruktur mit schräg zur Oberfläche der
lichtempfindlichen Schicht 16a verlaufenden Wänden bildet.
Diese Wände
entsprechen genau einem Lichteinfall 181 durch die Maske,
welcher in 1d angedeutet
ist. Ebenso ist der Laserstrahl 19 schräg zur Oberfläche der
lichtempfindlichen Schicht 16b ausgerichtet, wobei die
zu bildenden Negativstrukturen genau dem Querschnitt des Laserstrahls 19 entsprechen.
Die Wandungen der zu bildenden Negativstruktur entspricht damit
genau einem Rand 191 des Laserstrahls in der lichtempfindlichen
Schicht 16b.
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Wie 1e zu
entnehmen ist, werden nicht belichtete Teile der lichtempfindlichen
Schichen 16a, 16b entfernt, wodurch Negativstrukturen 20a, 20b aus
den entwickelten Teilen der Schichten 16a, 16b gebildet
werden. Diese Negativstrukturen sollen in den zu bildenden Galvanikschichten 21a, 21b (vgl. 1f) das Volumen für ein Kanalsystem
einnehmen. Die zu bildenden Galvanikschichten 21a, 21b entsprechen
in ihrer Dicke den jeweiligen lichtempfindlichen Schichten 16a, 16b.
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Nach Beendigung der galvanischen
Beschichtung werden die Negativstrukturen 20a, 20b die
Verfüllmasse 13 sowie
die Galvanikstartschichten 15a, 15b im Bereich
der Verfüllmasse 13 bzw.
der Negativstrukturen 20a, 20b beispielsweise
durch eine Ätzbehandlung
entfernt. Dieser Vorgang wird auch als Resist-Strip bezeichnet. Im Bereich der Verfüllmasse 13 sowie
den Negativstrukturen 20a, 20b entsteht damit
ein Hohlraum, der ein unter Bildung von Durchgängen bzw. Durchtrittsöffnungen 22 für ein Fluid
ein die fertig gestellte Lochscheibe 23 durchsetzendes
Kanalsystem 24 bildet. Ergänzend kann auf die Lochscheibe
eine zusätzliche
Schicht 25 mit einer Siebstruktur aufgebracht werden, die
zur Filterung des durch die Lochscheibe 23 geführten Fluids
dient, um ein eventuelles Verstopfen der Kanalstruktur 24 zu
verhindern.
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Die Tragscheibe 11 gemäß 2 ist genauso aufgebaut
wie die Tragscheibe gemäß 1. Alternativ zu den Galvanikstartschichten 15a, 15b und lichtempfindlichen
Schichten 16a, 16b gemäß 1 ist auf die Tragscheibe 11 gemäß 2 eine Folie 26,
bestehend aus einer metallischen Lage 27 und einer lichtempfindlichen
Lage 28, aufgebracht. Die metallische Lage 27 übernimmt
dabei die Funktion der Galvanikstartschicht 15a und die
lichtempfindliche Lage 28 die Funktion der lichtempfindlichen
Schicht 16a gemäß der 1. Auf eine Verfüllmasse
kann bei diesem Ausführungsbeispiel
verzichtet werden, da die Folie 26 eine genügende Steifigkeit
aufweist, um das Durchgangsloch 12 zu überbrücken.
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Gemäß 3 werden die Negativstrukturen 20b auf
einer Unterlage 29 erzeugt, auf der mehrere galvanisch
erzeugt Lochscheiben nebeneinander hergestellt werden sollen. In 3 ist die Negativstruktur
für eine
Schicht einer Lochscheibe dargestellt. Diese Schicht ist durch eine
weitere Negativ struktur 20c von benachbarten Schichten
für weitere
Lochscheiben getrennt, von denen jeweils Ausschnitte 30 zu
erkennen sind. Bei den Negativstrukturen 20b ist zu erkennen,
dass diese einen Kranz von Durchgängen bilden, die jeweils zur
Schichtgrenzfläche
der zu erzeugenden Schicht – definiert durch
die Oberfläche
der Unterlage 29 – einen
Winkel ungleich 90° aufweisen.
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Der 4 lässt sich
entnehmen, wie mittels des Laserstrahls 19 eine konische
Negativstruktur 20d, angedeutet durch den kreuzschraffierten
Bereich, gebildet werden kann. Hierbei muss der Laser mit veränderlichem
Winkel zur Oberfläche
der lichtempfindlichen Schicht 16b geführt werden, wobei die beiden
Grenzpositionen im Schnitt gemäß 4 dargestellt sind, in denen
der Laser die Seitenwände
der Negativstruktur bildet.
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Alternativ und in 4 angedeutet könnte die Negativstruktur 20d auch
mittels Laserablation erzeugt werden. Anstelle der lichtempfindlichen Schicht 16b müsste dann
eine bereits ausgehärtete Hilfsschicht
(nicht dargestellt) verwendet werden, wobei ein Laserstrahl 19a die
nicht zur Bildung der Negativstruktur 20d benötigten Teile
der Hilfsschicht entfernen würde.