DE69101171T2 - Laserbohren. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf das Bohren von Löchern in Bauteile mit einem Innenhohlraum unter Benutzung von Laserstrahlung.
• Laserstrahlung wird häufig für das Fein bohren von kleinen Löchern in Bauteile eingesetzt, die z.B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden.
• Zwei Verfahren zur Herstellung solcher Löcher mit Laserstrahlung sind verfügbar: direktes Bohren und Hohlbohren. Direktes Bohren schließt die Verwendung eines "pulsierenden" Lasers ein, wobei Material nach und nach durch einzelne Pulse einer auf eine kleine Fläche konzentrierten Laserstrahlung entfernt wird. Die allgemeine Technik umfaßt das Hinleiten einer Anzahl von Pulsen einer Laserstrahlung, um das Material zu durchbrennen, und eines oder mehrerer nachfolgender Pulse zum "Ausputzen" des Innenraums des Loches und zum Entfernen der rauhen Kanten, die am Loch hinterlassen werden, wenn der Laser durch das Material tritt.
• Hohlbohren umfaßt das direkte Bohren eines kleinen Loches durch das Material, wobei dieses Loch dann vergrößert wird, indem die Laserquelle und das Bauteil relativ zueinander so bewegt werden, daß die Ränder des Loches schrittweise abgetragen werden. Während dieses Erweiterungsvorgangs tritt ein beachtlicher Anteil der vom Laser stammenden Energie unmittelbar durch das hergestellte Loch und trifft nicht auf das Material, dessen Entfernung gewünscht wird.
• Wenn Löcher mit einem der beiden obigen Verfahren in Bauteile mit einem Innenhohlraum gebohrt werden, liegt ein Hauptproblem in der Vermeidung einer Beschädigung der Innenrückwand des Hohlraums nach dem Durchbruch des Laserstrahls. Eine solche Beschädigung tritt besonders dann auf, wenn mit dem Hohlbohr-Verfahren gebohrt wird, bei dem nur rund 50% der Laserenergie auf das abzutragende Material auftrifft und der Hauptteil des Restes der Energie durch das bereits gebohrte Loch, das wie ein "Lichtrohr" wirkt, nach unten läuft, eine konstante Strahlbreite beibehält und so dazu neigt, die Beschädigung der Rückwand zu maximieren.
• Es ist bekannt, Paraffinwachs mit bis zu 60 Gew.-% PTFE als "Laser-Stopp" Material zum Füllen des Hohlraums solcher Bauteile vor dem Laserbohren einzusetzen. Ein solches PTFE-gefülltes Wachs zerstreut die auf es auftreffende Laserenergie und verhindert oder reduziert dadurch eine Beschädigung der Rückwand des Hohlraums. Jedoch liegen mit dem Einsatz von PTFE-gefülltem Wachs verbundene Probleme darin, daß das Wachs zum Schmelzen neigt wenn das Bauteil warm wird, und aus den bereits gebohrten Löchern heraustropfen kann; da Laserbohren häufig in einer sauerstoffreichen Atmosphäre ausgeführt wird, neigt das Wachs zum Brennen, wenn es aus dem Bauteil heraustropft. Ferner neigen solche Wachse auch zum Hinterlassen einer kohlenstoffreichen Ablagerung oder "Asche" auf dem Bauteil, die sich chemisch mit dem wieder geschmolzenen Material an den Lochrändern verbinden und zu Rißbildung sowie einer allgemeinen Schwächung des Bauteils führen kann.
• Es ist auch aus der EP-A-0 347 053 bekannt, die Flächen eines Hohlraums innerhalb eines Bauteils mit einem thixotropen Medium zu beschichten oder den Hohlraum mit diesem zu füllen. Das thixotrope Medium kann einen Schlamm enthalten, der ein kolloidales Sol, ein kolloidales Gel oder eine Suspension aus z.B. Polyacrylamid sein kann, zusammen mit Acryl-Teilchen oder Polytetrafluorethylen. Während des Laserbohrens wird das Licht gestreut und tritt aus dem Inneren des Hohlraums aus, um detektiert zu werden. Anschließend wird der Schlamm aus dem Inneren des Hohlraums mit fließendem Wasser herausgewaschen.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Hohlraum-Füllmaterial für einen Einsatz beim Laserbohren von Löchern in Bauteile mit Innenhohlräumen zur Verfügung zu stellen, um Beschädigungen zu minimieren, die an der Rückwand des Hohlraums auftreten, wenn der Laserstrahl durch die Bauteiloberfläche hindurchbricht.
• Es ist ein weiteres Ziel, die anderen unerwünschten chemischen Nebeneffekte zu minimieren, die bei bekannten Füllmaterialien auftreten.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Vermeiden einer Beschädigung der Innenrückwand eines Hohlraums innerhalb eines Bauteils während des Laserbohrens von Löchern in dieses Bauteil, wobei dieses Verfahren den Schritt umfaßt den Hohlraum in dem Bauteil wenigstens teilweise mit einem Material zu füllen, das Polytetrafluorethylen (PTFE) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Material auch ein Acrylharz-Monomeres enthält, in das ein geeigneter Starter zur Polymerisationsbeschleunigung des Monomeren zur Bildung eines Acrylharz-Polymeren eingearbeitet ist, und daß man das Material an Ort und Stelle im Hohlraum vor dem Laserbohren polymerisieren läßt.
• Bei einem Verfahren kann das Acrylharz-Monomere vorzugsweise Methylmethacrylat (MMA) enthalten.
• Das resultierende Polymethylmethacrylat (PMMA) hat viele vorteilhafte Eigenschaften für die Zwecke der vorliegenden Erfindung; es hinterläßt wenig oder keine Asche beim Abbau, hat einen relativ hohen Schmelzpunkt und einen niedrigen Sauerstoff-Index und neigt daher nicht zum Schmelzen oder Heraustropfen aus dem Bauteil während des Bohrens oder zum Brennen in einer sauerstoffreichen Atmosphäre. Weiterhin zeigt PMMA gute Streuleistungen in bezug auf Laserlicht und wirkt auch wie eine Art "Faser-Optik", d.h., PMMA leuchtet auf, wenn es von Laserlicht getroffen wird; diese Eigenschaft ist nützlich beim Feststellen eines Durchbruchs des Lasers in den Hohlraum.
• Der Anteil an im Harz verteiltem PTFE kann von sehr niedrigen Gehalten von weniger als 0,5 Gew.-% bis zu sehr hohen Gehalten von über 70 Gew.-% reichen, ist aber tatsächlich bestimmt durch die Zugänglichkeit des Innenhohlraums in dem bestimmten Bauteil, in das gebohrt werden soll, und durch die Leichtigkeit, mit der die Füllmasse eingeführt werden kann. Ein Erhöhen des Anteils an PTFE in der Mischung erhöht auch deren Viskosität, folglich können hohe PTFE-Gehalte nicht zur Verwendung geeignet sein, wenn die zu bohrenden Bauteile sehr kleine und/oder komplexe Hohlräume aufweisen, zu denen der Zugang beschränkt ist.
• Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung liegt das PTFE vorzugsweise im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt von 1 Gew.-% bis 10 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt von 2 Gew.-% bis 6 Gew.-% vor.
• Der zur Polymerisationsbeschleunigung des flüssigen Monomeren eingesetzte Starter kann jeder im Stand der Technik für solche Zwecke bekannte Starter mit freiem Radikal sein. Beispiele für solche Starter sind Azobisisobutyronitril und Peroxide.
• Die Erfindung wird nun eingehender aufgrund des folgenden Beispiels und folgender Zeichnung beschrieben, die einen Hohlraum innerhalb eines Bauteils während des Laserbohrens von Löchern in dieses Bauteil zeigt, wobei das Verfahren den Schritt umfaßt, den Hohlraum im Bauteil wenigstens teilweise mit einem Material zu füllen, das Polytetrafluorethylen (PTFE) enthält, und dadurch gekennzeichnet ist, daß das Material auch ein Acrylharz-Monomeres enthält, in das ein geeigneter Starter zur Polymerisationsbeschleunigung des Monomeren zur Bildung eines Acrylharz-Polymeren eingearbeitet ist, und daß man das Material an Ort und Stelle im Hohlraum vor dem Laserbohren polymerisieren läßt.
• Die Erfindung wird nun eingehender anhand des folgenden Beispiels und der folgenden Zeichnung beschrieben, die einen Schnitt durch eine Turbinenschaufel zeigt, die erfindungsgemäß mit Laserbohrungen versehen wurde.
• In der Zeichnung weist die Turbinenschaufel 10 zwei einfache Innenhohlräume auf, nämlich einen vorderen Hohlraum 12 und einen hinteren Hohlraum 14, die durch eine Innenwand 16 getrennt sind, deren Vorderseite 17 die Rückwand des vorderen Hohlraums 12 bildet. Löcher 11 sind in der vordere Fläche 15 der Schaufel mit Hilfe von Strahlungspulsen 13 ausgebildet, die auf die Vorderseite der Schaufel auftreffen und durch einen (nicht gezeigten) Laser erzeugt werden. Der vordere Hohlraum 12 ist vollständig mit einem Material 18 gefüllt, das dazu dient, die Laserenergie zu zerstreuen, nachdem sie durch die vordere Fläche durchgebrochen ist, und dadurch jede Beschädigung der Rückwand 17 zu verhindern oder zu minimieren.
BEISPIEL
• Eine Turbinenschaufel, die mit Laserbohrungen versehen werden soll, umfaßte einen komplexen Hohlraum vom Fuß beinahe bis zur Spitze, 70 mm lang und sich nach unten hin verjüngend zu einer kleinen Querschnittsfläche von etwa 2 mm2. Zahlreiche Stützen überbrückten den Hohlraum und machten dadurch den Einsatz einer festen PTFE-Lasersperre unmöglich.
• Das Sperrmaterial enthielt 19 g Methylmethacrylat, 1,0 g Fluon L169 (Handelsmarke) PTFE-Puder und 0,5 g Azobisisobutyronitril. Diese Komponenten wurden 30 Sekunden lang zusammengerührt und darauf in eine Spritze gezogen, an der dann ein flexibler Schlauch von 1 mm Durchmesser befestigt wurde, um die Flüssigkeit auf den Boden des Hohlraums der Schaufel zu leiten. Die Schaufel wurde in aufrechter Stellung bis zum Überlaufen gefüllt.
• Nach einer Stunde hatte sich das Sperrmaterial verfestigt und die Schaufel konnte gehandhabt werden; nach 24 Stunden bei Umgebungstemperaturen war die Schaufel fertig zum Bohren.
• Das Bohren wurde mit Einsatz eines Nd-YAG (1064nm) Impuls-Lasers unter Verwendung von Sauerstoffgas ausgeführt, das durch eine Axialdüse zur Fläche der Turbinenschaufel geführt wurde, um das Entfernen von geschmolzenem Material und Dampf zu unterstützen.
• Die folgenden Laserparameter wurden verwendet:
• Abstand zwischen Düse und Werkstück = 10 mm O&sub2;-Druck = 100psi Linseneinstellung = 50mm Energie pro Impuls = 12 Joule Impulslänge = 0,6 msec Leistung der Lampe = 3 Kw (x2)
• Nachdem das Bohren beendet war, wurde das Sperrmaterial aus der Schaufel durch Ausbrennen in einem Ofen während 3 Stunden bei 700ºC entfernt.
• Eine Überprüfung der Schaufel zeigte, daß eine gute Lochform und -qualität ohne eine Beschädigung der Rückwand des Schaufel-Hohlraums und ohne chemische Reaktion zwischen dem Füllmaterial und dem Metall in der Nähe der Lochwände erzielt worden war.

Claims (5)

1. Verfahren zum Vermeiden einer Beschädigung der Innenrückwand (17) eines Hohlraums (12) innerhalb eines Bauteils (10) während des Laserbohrens von Löchern (11) in dieses Bauteil, wobei das Verfahren den Schritt einschließt, den Hohlraum in dem Bauteil wenigstens teilweise mit einem Material (18) zu füllen, das Polytetrafluorethylen (PTFE) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Material auch ein Acrylharz-Monomeres enthält, in das ein geeigneter Starter zur Polymerisationsbeschleunigung des Monomeren zur Bildung eines Acrylharz-Polymeren eingearbeitet ist, und daß man das Material an Ort und Stelle im Hohlraum vor dem Laserbohren polymerisieren läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Acrylharz-Monomere Methylmethacrylat ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das PTFE im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 30 Gew.-% vorliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das PTFE im Bereich von 1 Gew.-% bis 10 Gew.-% vorliegt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das PTFE im Bereich von 2 Gew.-% bis 6 Gew.-% vorliegt.