DE4323757C2 - Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laser in einem flüssigkeitsgefüllten Raum - Google Patents

Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laser in einem flüssigkeitsgefüllten Raum

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laser in einem flüssigkeitsgefüllten Raum, bei dem durch pulsweise Laseremission ein Materialabtrag erfolgt sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Es zählt zum Stand der Technik (DE 41 05 060 A1), mittels eines Lasers durch pulsweise Laseremission Material an einem vorgesehenen Applikationsort ab­ zutragen. Eine spezielle Anwendung einer solchen Materialbearbei­ tung mittels Laser ist der Materialabtrag unter Flüssigkeitsabschluß. Diese Anwendung ermöglicht einen feinfühligen und präzisen Materi­ alabtrag wie er mit anderen Verfahren, beispielsweise spanabhebende Verfahren oder funkenerosiv - dieses Verfahren setzt die elektrische Leitfähigkeit des abzutragenden Materiales voraus - nicht in dieser Weise durchführbar ist. So können mit dem bekannten Materialbear­ beitungsverfahren mittels Laser Gefäße oder Leitungssysteme bei­ spielsweise im Fall von Verstopfungen oder Ablagerungen bearbeitet werden, ohne daß es erforderlich ist, die darin üblicherweise befind­ liche Flüssigkeit zu entfernen.
Es treten jedoch mithin auch Probleme bei dieser Materialbearbeitung auf. So können z. B. durch Ablation oder durch Disruption in der Umgebung des Applikationsortes sehr hohe Drücke auftreten. Diese Drücke entstehen durch thermische Ausdehnung des abzutragenden Materiales und/oder der umgebenden Flüssigkeit, wenn Material vom festen oder flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt wird. Infolge dieser kurzzeitig und lokal auftretenden sehr hohen Drücke wird eine Druckwelle in die umgebende Flüssigkeit abgestrahlt und es wird eine Kavitationsblase erzeugt, durch deren Dynamik es in Einzelfällen zu Schädigungen des umgebenden Materiales kommen kann.
Wegen der Massenträgheit der umgebenden Flüssigkeit wirkt ein an sich offenes Leitungssystem in diesem Fall wie ein geschlossenes System. Wenn eine Kavitationsblase durch schnelles Verdampfen erzeugt wird, so muß die Massenträgkeit der umliegenden Flüssigkeit überwunden werden. Dadurch entstehen hohe Drücke im Blaseninne­ ren, die zu einer Beschleunigung der Blasenwände nach außen füh­ ren. Wenn der Blaseninnendruck auf den Umgebungsdruck abgefallen ist, ist die kinetische Energie der nach außen strömenden Flüssigkeit maximal. Wegen der Trägheitskräfte schwingt die Blase über den Gleichgewichtspunkt hinaus. Druck und Dichte im Blaseninneren fallen auf sehr geringe Werte ab, bevor die Blase durch den Außen­ druck wieder kollabiert. Schäden in der Blasenumgebung können durch den zu hohen Druck zu Beginn der Blasenexpansion, durch die kinetische Energie der nach außen strömenden Flüssigkeit und durch den Kollaps der Blase entstehen.
Es kann daher durch die örtliche Druckerhöhung und die dadurch verursachte Blasendynamik zu einer Überbeanspruchung der in die­ sem Bereich liegenden Bauteile bzw. Leitungswandungen kommen. Weiterhin besteht durch die vorerwähnten Druckerhöhungen die Gefahr, daß in der umgebenden Flüssigkeit Gas gelöst wird, das bei dem nachfolgenden Druckabfall unkontrolliert wieder freigesetzt wird.
Aus DE 25 36 573 A1 ist es bekannt, zur Vermeidung von umweltge­ fährdenden Bestandteilen beim Schneiden von Werkstücken, beispiels­ weise Kunststoffplatten oder Blechen, gezielt an die Bearbeitungs­ stelle Gas zuzuführen, so daß die abtragende Bearbeitung zwar in­ nerhalb des flüssigkeitsgefüllten Raumes erfolgt, jedoch die Flüssig­ keit im Bereich der Bearbeitungsstelle durch Gas verdrängt wird. Die Gaszufuhr erfolgt über eine mit einem Vorratsbehälter verbundene Gasleitung. Insbesondere dort, wo eine Bearbeitung auf engstem Raum erforderlich ist bzw. dort, wo die Bearbeitungsstelle nur durch enge Kanäle erreichbar ist, kann es problematisch sein, diese für die Gaszufuhr erforderliche zusätzliche Leitung vorzusehen. Auch ver­ größert sich hierdurch der gerätemäßige Aufwand nicht unerheblich, da eine Gasflasche zur Bevorratung des Gases sowie eine geeignete Steuerung zum Zuführen des Gases an die Bearbeitungsstelle er­ forderlich ist. Bei Verfahren, bei denen die Bearbeitungsstelle will­ kürlich und bewußt durch eine Flüssigkeit abgedeckt wird, um bei­ spielsweise während der Bearbeitung die Schadstoffemission zu verringern, stellt die Abfuhr des an die Bearbeitungsstelle herange­ führten Gases in der Regel keine Probleme dar. In geschlossenen Behältern und Leitungssystemen hingegen, die notwendigerweise flüssigkeitsgefüllt sind, ist das Einbringen eines solchen nicht kon­ densierenden Gases in der Regel unerwünscht, weshalb dieses be­ kannte Verfahren häufig gar nicht anwendbar ist. Schließlich betrifft die dort beschriebene Anwendung die kontinuierliche und nicht puls­ weise Laseremission.
Ausgehend von dem einleitend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren so weiterzuentwickeln, daß einerseits die partiellen starken Druckerhö­ hungen verringert werden, so daß auch die Kavitationserscheinungen und die vorerwähnten schädigenden Wirkungen vermindert, zumindest jedoch deutlich verringert werden, andererseits jedoch auf ein zusätz­ liches Zuführen von Gas an die Bearbeitungsstelle und den damit verbundenen vorrichtungsmäßigen Aufwand verzichtet werden kann. Des weiteren soll eine geeignete Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden.
Der verfahrensmäßige Teil der obigen Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ange­ gebenen Merkmale gelöst. Der vorrichtungsmäßige Teil der obigen Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 3 und 6 angegebenen Merkmale gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß die Verminderung der Druckerhöhung in effektiver Weise dadurch erfol­ gen kann, daß die Flüssigkeit in der unmittelbaren Umgebung des Applikationsortes durch kondensierbares Gas verdrängt wird, das in geeigneter Weise an dieser Stelle unmittelbar vor der Laserbearbei­ tung erzeugt wird. Die Reduzierung der Druckerhöhung ist dabei um so größer, je mehr Flüssigkeit vor der Applikation aus dem in diesem Fall als abgeschlossen zu betrachtenden Volumen entfernt wird. Die durch die Erzeugung des Gases resultierende Druckerhöhung und die entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten können bei geeigneter Durchführung vergleichsweise gering gehalten werden.
Weil bei dem einleitend beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik stets ein nicht unerheblicher Teil der um die Applikations­ stelle befindlichen Flüssigkeit verdampft wird, da die Verdampfungs­ temperatur der umgebenden Flüssigkeit in der Regel wesentlich niedriger ist als die des abzutragenden Materiales, resultiert die sonst übliche starke Druckerhöhung zu nicht unerheblichen Teilen aus dieser Verdampfung der Flüssigkeit, was mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im wesentlichen vermieden oder doch zumindest stark reduziert werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird weder bei der Laserbestrahlung des Applikationsortes Energie durch die umliegende Flüssigkeit absorbiert noch geht Energie durch Wär­ meleitung vom Applikationsort in die umliegende Flüssigkeit ver­ loren. Außerdem wird durch den akustischen Impedanzsprung an der Oberfläche des Zielmateriales ermöglicht, daß im Zielmaterial Spalla­ tionseffekte auftreten können. Die Blasenerzeugung vor dem Zielma­ terial ermöglicht also neben der Druckreduzierung auch eine Verbes­ serung der Ablationseffizienz.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in festem Zeitverhält­ nis zu dem bearbeitenden Laserpuls an geeigneter Stelle, vorzugs­ weise in direkter Umgebung des Applikationsortes, Gasblasen er­ zeugt, und zwar durch gezieltes Verdampfen. Für dieses Verfahren muß die Dynamik der Blasenexpansion berücksichtigt werden, da bei Nichtbeachtung eine Schädigung des umliegenden Materials durch die Blasendynamik erfolgen kann. Das Gas soll am Applikationsort oder nahe dem Applikationsort durch einen dem eigentlichen Bearbeitungs­ puls vorhergehenden Pilotpuls erzeugt werden. Der Pilotpuls wird dabei in der Regel eine wesentlich geringere Energie haben als der nachfolgende Bearbeitungspuls, beispielsweise unterscheiden sich die beiden Pulse in ihrer Energie um eine Zehnerpotenz. Die Energie des Pilotpulses wird vorzugsweise so gewählt, daß die durch den Pilot­ puls auftretenden Effekte unterhalb der Schwelle für Schäden in der Umgebung des Applikationsortes bleiben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch optimiert werden, daß der Zeitpunkt zwischen Gasblasenaufbau und dem Bearbeitungsimpuls so festgelegt wird, daß der Bearbeitungsimpuls in dem Zeitraum Material abträgt, in dem die zuvor durch den Pilotpuls erzeugte Gasblase im Überschwingzustand ist, d. h. wenn der Innendruck in der Gasblase kleiner als der Umgebungsdruck ist. Dann wird nämlich die Blase durch die Ablationsprodukte aufgefüllt, ohne daß ein hoher Überdruck erzeugt wird, der eine neue oder fortgesetzte Blasenexpan­ sion verursachen würde. Im Idealfall können damit die durch Pilot- und Bearbeitungspuls insgesamt verursachten Druckwerte und die erzeugte kinetische Energie der Flüssigkeitsströmung auf die Werte reduziert werden, die sich bei der Erzeugung der Blase durch den Pilotpuls ergeben.
Das Erzeugen der Gasblase durch einen Pilotpuls hat gegenüber der Gaszuführung durch eine Leitung erhebliche Vorteile, denn es können neben der sonst zusätzlich erforderlichen Gasleitung auch die sonst üblichen mechanischen Komponenten, wie Ventile, Druckminderer, Gasflasche und dergleichen entfallen. Auch stellt die Abfuhr des Gases bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kein Problem dar, da die vom Pilotlaser erzeugte Gasblase nach kurzer Zeit wieder kon­ densiert und allenfalls vernachlässigbar geringe Gasmengen verblei­ ben. Der Pilotpuls und der Bearbeitungspuls können prinzipiell mit einem oder auch mit zwei getrennten Lasern erfolgen. Bearbeitungs- und Pilotpuls unterscheiden sich wie vorerwähnt jedoch nicht nur in der Energiezufuhr, sondern können sich auch in der Zeitdauer unter­ scheiden. Für die Ablation strebt man oft eine möglichst kurze Im­ pulsdauer an, da dann nahezu die gesamte Energie im Zielmaterial punktuell eingebracht wird und Energieverluste durch Erhitzung umgebender Flüssigkeit sowie durch Wärmeleitung gering sind. Bei kurzer Pulsdauer werden also hohe Abtragsraten erreicht. Der Pilot­ puls hingegen, der die Gasblase oder die Gasblasen erzeugt, wird vorteilhaft eine längere Impulsdauer aufweisen, damit sich die Gas­ blasen langsam und ohne abrupte Druckerhöhung aufbauen können.
Wie schon erwähnt, genügt es prinzipiell, die Steuerung des Bearbei­ tungslasers so anzupassen, daß der Pilotpuls durch Leistungsreduzie­ rung und entsprechende Änderung der Impulsdauer von demselben Laser erzeugt wird, der auch den späteren Bearbeitungspuls erzeugt. Dies wird jedoch nicht immer möglich sein, insbesondere nicht bei vorhandenen Geräten. Dann kann ein zweiter Laser als Pilotlaser mit einem zweiten Lichtleiter vorgesehen sein, es ist auch eine Einspei­ sung in den vorhandenen Lichtleiter möglich. Beide Laser sind über eine entsprechende Steuerung miteinander zu verknüpfen. Insbesonde­ re bei Neukonstruktionen kann es in Betracht kommen, zwei Laser, nämlich einen Pilotlaser und einen Bearbeitungslaser vorzusehen, die in denselben Lichtleiter einspeisen und über eine gemeinsame Steue­ rung miteinander verknüpft sind.
Unabhängig von der verwendeten Vorrichtung ist es in jedem Falle zweckmäßig, eine Sensorik vorzusehen, welche in der Lage ist, vor Abgabe des Bearbeitungspulses zuverlässig festzustellen, ob im Bereich des Applikationsgebietes ein Hohlraum in der Flüssigkeit vorhanden ist, und die Abgabe des Bearbeitungspulses nur für diesen Fall zuzulassen und im übrigen durch die Steuerung die Abgabe weiterer Bearbeitungspulse zu sperren.
Zwar sind mehrere Methoden zur Materialanalyse bekannt, im vor­ liegenden Fall wird es jedoch besonders einfach und günstig sein, optische Methoden zu verwenden. So sind beispielsweise Verfahren bekannt, bei denen anhand der Intensität des reflektierten Lichtes eine Materialbestimmung erfolgt. Eine solche Materialbestimmung hat den Vorteil, daß sie durch den Lichtleiter des Bearbeitungslasers oder gegebenenfalls des Pilotlasers erfolgen kann, wodurch der vorrich­ tungsmäßige Aufwand verringert wird.
Der Bearbeitungspuls sollte dann ausgelöst werden, wenn die durch den Pilotpuls erzeugte Blase aufgeschwungen ist. Um dies zu gewähr­ leisten, kann beispielsweise ein Testpuls mit der Energie des Pilot­ pulses ausgelöst und die Schwingungsperiode der so erzeugten Blase bestimmt werden. Die Schwingungsperiode ergibt sich aus der Zeit­ differenz zwischen den Druckwellen, die bei der Blasenerzeugung und beim Kollaps ausgesandt werden und läßt sich daher auf einfache Weise akustisch ermitteln.
Vorrichtungsmäßige Ausbildungen der Erfindung sind nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung stark schematisiert dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils den schematischen Aufbau dieser Vorrichtungen.
In den Figuren ist ein Teil einer Rohrleitung 0 dargestellt, die durch einen Pfropfen 1 verstopft ist. Die in der Rohrleitung befindliche Flüssigkeit ist mit 3 gekennzeichnet. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren soll eingesetzt werden, um durch Laserpulsbearbeitung den Pfropfen 1 in der Rohrleitung 0 zu entfernen und auf diese Weise die Rohrleitung wieder durchgängig zu machen. Während der Bearbei­ tung steht Flüssigkeit 3 in der Leitung. Die zur abtragenden Bearbei­ tung gemäß der Erfindung vorgesehene Gasblase ist mit 2 gekenn­ zeichnet und befindet sich unmittelbar vor dem abzutragenden Mate­ rial 1.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 sind ein erster Laser 4 als Bearbei­ tungslaser und ein zweiter Laser 9 als Pilotlaser vorgesehen. Der Laser 4 ist an einen Lichtleiter 5 angeschlossen, der Laser 9 an einen Lichtleiter 10. Die Lichtleiter 5 und 10 sind durch die Rohrleitung 0 gemeinsam bis zur Applikationsstelle geführt. Sowohl der Bearbei­ tungslaser 4 als auch der Pilotlaser 9 werden über eine Steuerung 11 so angesteuert, daß mittels des Pilotlasers 9 zunächst ein vergleichs­ weise langer und energiearmer Laserpuls zum Zwecke der Bildung der Gasblase 2 zur Applikationsstelle gesendet wird und daß nach Bildung der Gasblase 2 erst der vergleichsweise energiereiche und kurze Puls des Bearbeitungslasers 4 freigegeben wird. Anstelle der dargestellten zwei Lichtleiter 5 und 10 kann auch ein gemeinsamer Lichtleiter verwendet werden, in den über entsprechende optische Mittel von beiden Lasern 4 und 9 eingespeist wird.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist lediglich ein Laser 4 vorgesehen, dessen Ausgang über den Lichtleiter 5 zur Applikationsstelle geführt ist. Bei dieser Ausführung übernimmt eine Steuerung 12 nicht nur die Freigabe des Bearbeitungslaserpulses des Lasers 4, sondern steuert weiterhin die Leistung des Lasers 4, die Impulsdauer und den Im­ pulsabstand. Auf diese Weise kann der Laser 4 sowohl zur Abgabe eines Pilotpulses als auch zur Abgabe eines Bearbeitungspulses ange­ steuert werden.
Bezugszeichenliste
0 - Rohrleitung
1 - Pfropfen
2 - Gasblase
3 - Flüssigkeit
4 - Laser
5 - Lichtleiter von 4
9 - Pilotlaser
10 - Lichtleiter von 9
11 - Steuerung Fig. 1
12 - Steuerung Fig. 2.

Claims (7)

1. Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laser in einem flüssigkeitsgefüllten Raum, bei dem durch pulsweise Laseremission ein Materialabtrag erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder während der Laserbearbeitung im Bereich der Bearbeitungsstelle (1) zur Verdrängung der dort befindlichen Flüssigkeit (3) eine Gasblase (2) erzeugt wird und daß die Gasblasenerzeugung durch einen dem Bearbeitungslaserpuls vorausgehenden Puls (Pilotpuls) eines Lasers (4, 9) erfolgt, der durch Verdampfung von Material und/oder Flüs­ sigkeit die erforderliche Gasmenge bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung des Impulsabstandes zwischen Pilot- und Bearbeitungs­ puls die Schwingungsperiode der vom Pilotpuls erzeugten Gasblase detektiert wird.
3. Vorrichtung zur abtragenden Materialbearbeitung in einem flüssigkeitsgefüllten Raum, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einem Bearbeitungspulse erzeugenden Laser (4), einem daran angeschlossenen Lichtleiter (5), einem zweiten Laser (Pilotlaser 9) und mit einer Steuerung (11), dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Laser (Pilotlaser 9) zur Gas­ blasenerzeugung im Bereich der Bearbeitungsstelle (1) durch Abgabe eines Laserpulses mit im Vergleich zum Bearbeitungspuls geringerer Energie (Pilotpuls) vorgesehen und ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Laser (4 und 6) in einen gemeinsamen Licht­ leiter (5) einspeisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Laser (4, 6) ein gesonderter Lichtleiter (5, 7) vorgesehen ist, wobei beide Lichtleiter (5, 7) gemeinsam zur Applikationsstelle (1) geführt sind.
6. Vorrichtung zur abtragenden Materialbearbeitung in einem flüssigkeitsgefüllten Raum, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einem Laser (4), einem daran angeschlossenen Lichtleiter (5) und mit einer Steuerung (12), dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (4) vor der Abgabe des Bearbeitungspulses zum Zwecke der Erzeugung einer Gasblase (2) zur Abgabe eines Laserpulses mit im Vergleich zum Bearbeitungspuls geringerer Energie (Pilot­ puls) ansteuerbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (12) so ausgelegt ist, daß eine Freigabe eines Bearbei­ tungspulses nur dann erfolgt, wenn im Zielbereich Gas detektiert wird.
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