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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden von Metallplatten und spezieller
zum Schneiden von Öffnungen in Spinndüsenplatten mit Hilfe eines Laserstrahls.
Spinndüsenkapillaren lassen sich in zwei Kategorien einteilen: zylinderförmnige
Öffnungen und komplexe Gestalten. Die zylinderförmigen Gestalten können einfach
durch Bohren mit Hilfe von herkömmlichen Spiralbohrern hergestellt werden. Zwei
bekannte Technologien zur Herstellung von komplexen Gestalten sind das Stanzen
und die elektrische Entladungsbearbeitung (EDM). Das Stanzen ist mit schweren
Einschränklungen behaftet. Spezieller gesagt ist es nicht möglich Schlitze auszu
stanzen, die tiefer sind als ca. das Zweifache ihrer Breite (L/W< 2). Dies macht es
schwierig die Gestalt der Spinnfäden und deren Größe zu steuern, da die geringste
Abweichung von der Nenn-Schlitzbreite beträchtliche Veränderungen in dem
Polymer-Fluß verursacht.
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Ein EDM Verfahren zur Herstellung von komplexen Spinnöffnungen bedingt, daß
einer Elektrode die Gestalt einer herzustellenden Öffnung erteilt wird und daß ein
Durchschneiden der Spinndüsenplatte unter Verwendung einer elektrischen
Entladung durchgeführt wird, wobei üblicherweise sowohl die Spinndüse als auch die
Elektrode in ein Ölbad eingetaucht sind. Dabei ergeben sich zwei Probleme: die
hohen Kosten zur Herstellung der Elektroden (sie halten nicht sehr lange); und die
niedrige Geschwindigkeit des Prozesses.
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In "Feinwerktechnik und Messtechnik", Vol 87, Nr.7, Oktober 1979, Seiten 309-320
sind Laser-Erodierungsprozesse offenbart wie beispielsweise Bohren, Schneiden,
Einkerben usw. In dieser Literaturstelle wird die Beziehung zwischen der
Vielfältigkeit der Bearbeitung und den auszuwählenden Laserparameter erläutert und auch
die Grenzen der Prozesse erläutert. Es wird festgestellt, daß eine kontinuierliche
oder wiederholt pulsierte Laserstrahlung zum Schneiden und Auskerben
angewendet wird. Es findet sich darin jedoch kein Hinweis darauf, einen Einzelmode-Strahl
auf eine Stelle oberhalb der Oberfläche des zu schneidenden Materials zu
fokussieren oder einen Einzelmode-Strahl auf eine Punktgröße zu fokussieren, um einen
Schlitz von weniger als 100 µm herzustellen.
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In "Laser und Optoelektronik", Vol 17, Nr.3, September 1985, Seiten 282-290 sind
CO&sub2;, Nd: Yttrium. Aluminium-Granat- und Excimer Laser-Wechselwirkungen und
damit verbundene Schneidprozesse offenbart, z.B. das Schneiden durch
Sublimation, Fusion und Sauerstoffreaktion.
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Es wurde das Schneiden komplizierter Spinndüsenöffnungen mit Lasern aufgrund
der potentiellen Vorteile in Betracht gezogen;
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(1) Jegliches Material könne verwendet werden; nicht nur Metalle, sondern auch
Keramiken; alles was für Dauerhaftigkeit, Korrosionswiderstand usw. zu verwenden
gewünscht wird.
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(2) Das Laserschneiden ist potentiell schnell und nicht kostspielig. Es bräuchten kei
ne speziellen Werkzeuge hergestellt werden wie beim Stanzen oder bei dem EDM
Verfahren. Die Schneidgeschwindigkeit ist im allgemeinen durch den Laser nicht
eingeschränkt, sondern lediglich durch die Fähigkeit das Werkstück (Spinndüse)
ausreichend schnell herum zu bewegen. Man kann unmittelbar durch
Softwareänderun-gen in Verbindung mit der Computersteuerung von einem Kapillardesign auf ein
anderes umschalten.
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(3) Es gibt keine merkliche Einschränkung hinsichtlich LAN. Jedoch ist bis zum
gegenwärtigen Zeitpunkt das Laserschneiden von Spinndüsenöffnungen ausgeblieben.
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Es existieren vier Schlüsselhindernisse, die überwunden werden müssen, um
annehmbare Schlitze für Spinndüsenöffnungen herzustellen:
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(1) Die Schlitze müssen enger ( 60µ) ausgeführt werden als sie mit Hilfe von
herkömmlichen Lasern (100µ-300µ) hergestellt werden können.
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(2) die Schlitze müssen geradlinige Seiten haben - - innerhalb einer Toleranz von ca.
± 1µ. Dies ist sehr schwierig mit Hilfe eines Festkörper-Lasers zu erreichen. Ein
sauberes Schneiden von Metallen erfordert eine Energiedichte von wenigstens ca. 40
MW/cm². Wenn der Strahldurchmesser 40 µ beträgt, werden über 500 W an
Laserleistung benötigt. Obwohl Festkörperlaser dieser Leistung verfügbar sind, ist deren
Strahiqualität viel zu schlecht, um auf einen Punkt von 6 µ fokussiert zu werden. Um
darüber hinaus ein Überhitzen des Werkstückes zu vermeiden, muß die
Schneidgeschwindigkeit bei ca. 2 m/min. liegen. Dies ist nahezu unmöglich, da es keine
Ausrüstung gibt, die eine Spinndüse, die bis 10 kg wiegen kann, mit einer solchen
Geschwindigkeit durch die komplizierten Muster hindurch bewegen kann, die
erforderlich sind, um die komplexen Spinndüsenkapillaren auszubilden. insbesondere muß
man die Möglichkeit haben innerhalb von ca. 1µ anzuhalten. Selbst mit den besten
im Handel erhältlichen Positionier-Ausrüstungen, können Schneidgeschwindigkeiten
nicht höher als 0,05 m/min realisiert werden, wenn die
Spinndüsendesign-Toleranzen eingehalten werden sollen. Der Laser muß in einer gepulsten Betriebsart
betrieben werden, und zwar mit einem niedrigen Tastverhältnis von maximal ein paar
Prozent. Jedoch führt der gepulste Betrieb eines Festkörperlasers zu einem anderen
Problem: der thermischen Linsenbildung und als Ergebnis davon wandert der Strahl
von Seite zu Seite und erzeugt einen welligen Schnitt, der für eine
Spinndüsenöffnung unannehmbar ist. Eine thermische Linsenbildung (thermal lensing) wird durch
das Aufheizen des Laserkristalls durch Blitzlampen verursacht. Das Aufheizen erfolgt
niemals vollständig einheitlich obwohl die Laserhersteller große Sorgfalt dafür
aufbringen, um dieses Problem minimal zu gestalten und somit wird der Kristall während
jedes Blitzes verzerrt.
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(3) Ein Problem, welches normalerweise in Verbindung mit weiteren Schnitten nicht
beobachtet wird, bezieht sich auf die Tatsache, daß die Metalle, welche die
Spinndüse bilden, während des Schneidens oxidiert werden (für eine effiziente
Metallentfernung muß das Schneiden in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt werden,
z.B. 4 Bar von reinem Sauerstoff). Die Metalloxyddämpfe kondensieren hinter dem
vorrückenden Laserstrahl und bilden kleine Partikel, die an dem geschmolzenen
Metall anhaften und zwar entlang der Seiten der Schnitte und die manchmal
tatsächlich den Spalt zwischen den Seiten des Schnittes überbrücken. Unglücklicherweise
läßt sich dieses Problem durch eine gewisse Art von mechanischer Reinigung nicht
korrigieren, da Räumvorrichtungen (broachers) mit einem L/W von 10 oder mehr und
einem Durchmesser von z.B. 60µ eine unzureichende Scherfestigkeit haben und
brechen ohne daß die Oxydteilchen entfernt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Durchschneiden einer Metallplatte z.B.
komplexer Kapillaröffnungen in Spinndüsenplatten geschaffen, wobei die Platte
obere und untere Flächen besitzt und wonach ein gepulster Vielfach mode Laserenergie
Quellenstrahl auf die obere Fläche der Spinndüsenplatte gerichtet wird, um einen
geschmolzenen Pool von Metall zwischen der oberen und der unteren Fläche der
Platte zu erzeugen und um das geschmolzene Metall von der unteren Fläche mit
Hilfe eines unter Druck gesetzten Fluids auszustoßen, welches koaxial mit dem
Strahl strömt, wobei dieses Verfahren durch Reduzieren des gepulsten
Vielfachmode-Laserstrahls auf einen im wesentlichen Einzelmodestrahl verbessert wird und der
Einzelmodestrahl oberhalb der oberen Fläche der Platte fokussiert wird. In
bevorzugter Weise befindet sich der Strahl in einem TEMoo-Mode mit einer Impulslänge von
weniger als 220 Mikrosekunden und der gepulste Strahl besitzt eine Frequenz in
derh Bereich von ca. 130 Hz bis ca. 185 Hz. Die Kapillaren sind im allgemeinen
schlitzförmig und werden durch Bewegen der Platte relativ zum Strahl in wenigsten
zwei Durchgängen ausgebildet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine schematische Wiedergabe eines Gerätes, welches zur praktischen
Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung verwendet werden kann;
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Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine komplexe Spinndüsenkapillare, die unter
Verwendung des Verfahrens nach der Erfindung hergestellt wurde.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Fig. 1 veranschaulicht das bevorzugte Gerät zur Realisierung der Erfindung und
enthält allgemein eine gepulste Vielfachmode-Laserenergiequelle 10, die für eine
Bewegung in der X, Y und Z Ebene angeordnet ist (durch Richtungspfeile wiedergege
ben) und zwar relativ zu dem Tisch 12, der eine Spinndüsenplatte 14 trägt, die eine
obere Fläche 16 und eine untere Fläche 18 besitzt. Die Spinndüsenplatte enthält,
wenn sie ausgebildet ist, eine Vielzahl von komplex gestalteten Kapillaren 20. Die
Kapillare 20 ist als eine Kapillare vom Schlitztyp bekannt, die in diesem Fall (Fig. 2)
vier periphere Schlitztyp-Öffnungen 22 umfaßt, die einen inneren winzigen Bereich
umgeben. Es erstrecken sich in radialer Richtung nach innenzu kurz vor einem
gemeinsamen Kreuzungsbereich vier geradlinige schlitzförmige Öffnungen 24, die sich
an die peripheren Öffnungen 22 an deren Mitten anschließen. Belüftungsöffnungen
26 trennen die peripheren Schlitze 22.
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Die gepulste Vielfachmode-Energiequelle ist ein Festkörper-Laser wie beispielsweise
ein Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat (Nd-YAG)-Stab 30, der durch eine Vielzahl
von Xenon (maximal 700 V) Blitzlampen 32 aktiviert wird. Ein bevorzugter Nd-YAG
Laser besteht aus einem Modell LAY 50-2 der Haas-Laser Gmbh, Schramberg,
Westdeutschland. In typischer Weise erlaubt der Nd-YAG Laser viele Modi, die
gleichzeitig laufen, was zu einer etwas geringeren Strahlenqualität führt. Um dem
abzuhelfen sind zwei Scheiben 34, 35 mit 3,2 mm Öffnungen innerhalb des
Laserhohlraums eingeführt und zwar jeweils zwischen die rückwärtigen und vorderen
Spiegel 36, 38.
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Durch Einführen der zwei 3,2 mm Durchmesseröffnungen zwischen den Kristall und
die zwei Spiegel, wurde die Zahl der Modi auf einen im wesentlichen dominierenden
TEMoo Mode reduziert, was die Strahl-Qualität stark verbessert hat. Nd YAG Laser
haben normalerweise eine sehr geringe Divergenz, so daß es möglich war eine
erhöhte Divergenz gegen einen reduzierten Brennpunktradius auszutauschen, da das
Produkt der zwei sensibel konstant ist für einen gegebenen Laser und die
Betriebsbedingungen. Dies wurde in der folgenden Weise durchgeführt. Eine planar konkave
Linse 40 mit einer Brennweite von -20 mm wurde auf der optischen Achse außerhalb
des auskoppelnden Spiegeis 38 plaziert. Eine bikonvexe Linse 42 mit einer
Brennweite von +100 mm wurde konfokal mit der planar konkaven Linse 40 auf der
optischen Achse plaziert. Dies führte zum Erzeugen eines kollimierten Strahls 44 mit
einem Durchmesser von 16 mm. Eine zweite bikonvexe Linse ebenfalls mit einer
Brennweite von +100 mm fokussierte den Strahl auf einen Punkt mit einem
Durchmesser von ca. 35 bis 40 µ. Der größere Strahldurchmesser vor dem Fokussieren
erhöht die Divergenz um ca. 5X und vermindert den Strahldurchmesser ebenfalls um
ca. 5X. Jedoch bei ca. 2 mrad war die Divergenz noch ziemlich annehmbar für die
beabsichtigten Zwecke.
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Bei dem gepulsten Betrieb sollten die Impulse so kurz wie möglich sein, jedoch
benötigt ein Nd YAG Laser eine gewisse minimale Zeit, um eine Laserentladung
aufzubauen. Es wurden erschöpfend alle möglichen Kombinationen der Pulsdauer,
Frequenz und der Lampenspannung erforscht und es wurde dabei festgestellt, daß bei
den zur Verfügung gestandenen Lasern es nicht praktisch war Lampenimpulse
kürzer als 200 µs zu verwenden.
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Es wurde im Betrieb festgestellt, daß 130 Hz eine gute Wiederholrate (rep) für die
beäbsichtigten Zwecke darstellen. Für einen weichen oder glatten Schneidvorgang
sollte die rep-Rate merklich hoch liegen. Bei einer Schneidgeschwindigkeit von 50
mm/s und einer Wiederhol rate von 130 Hz bewegt sich das Werkstück um ca. 6 µ
zwischen den Impulsen. Es sollte sich nicht sehr viel schneller als dieser Wert
bewegen. Andererseits fiel bei Wiederholraten, die sehr viel höher als 130 Hz lagen, die
Laserenergie ab und der Laser lief nicht bei mehr als 185 Hz bei 500 V Lampen
spannung und einer Lampenimpulsdauer von 200 µs. Höhere rep-Raten könnten mit
kürzeren Lampenimpulsen erhalten werden; beispielsweise könnten mit 175 µs
Lampenimpulsen Frequenzen von ca. 150-160 Hz bei einem gewissen Verlust in der
mittleren Leistung erhalten werden. Bei 500 V Lampenspannung und mit einer
Impulsdauer von 200 µs ist der Laserimpuis 125 µs lang und zwar bei einem
Tastverhältnis von 1,6 % bei 130 Hz.
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Es wurde festgestellt, daß die Qualität der Schnitte kontinuierlich verbessert wurde,
wenn die Spannung der Lampen 32 in kleinen Schritten auf 485 V vermindert wurde.
Jedoch weit unter 485 V konnte der Laser nicht mehr das Metall durchstechen, um
einen neuen Schnitt zu beginnen. Der Laser arbeitete dann auf 11 W oder 85 MJ/-
Impuls. 70 % der Strahlenergie fielen in einen Kreis von 32 µ Durchmesser und 90 %
fielen in einen Kreis von 42 µ. Eine Grundforderung besteht darin kurze, dicht
fokussierte Impulse von ca. 40 MW/cm² mit einem ausreichend niedrigen Tastverhältnis
abzugeben, um ein Überhitzen des Werkstückes bei den erforderlichen niedrigen
Schneidgeschwindigkeiten zu vermeiden. Die optimalen Betriebsbedingungen
variieren etwas mit der chemischen Zusammensetzung und der Dicke des zu
schneidenden Metalls.
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Die Metallentfernung bildet einen Kernpunkt bei dem Schneiden von Metall. Es
werden allgemein Schneiddüsen verwendet. Die mechanische Festigkeit der
Fokussierungslinse 50 begrenzt den Gasdruck auf ca. 5 Bar, obwohl einige Laboratorien 10
Bar und mehr durch spezielle Designs erreicht haben. Eine Gaszufuhr 52 auf 5 Bar
wurde verwendet, was bedeutet, daß dann, wenn die Düse sich im Schneidvorgang
befand, der tatsächliche Druck bei ca. 4 Bar lag. Von mehreren erprobten
Schneidgasen arbeitete reiner Sauerstoff am besten. Der Abstand zwischen der
Schneiddüse und dem Werkstück war kritisch (100 + 10 µ über eine Entfernung von ca. 400
mm).
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Es existiert noch eine weitere Grundanforderung: der Strahl 44 muß nicht auf der
Platte 14 fokussiert werden, sondern muß statt dessen in einem gewissen Abstand
48 (ca. 0,2 mm) oberhalb der oberen Fläche 16 der Platte fokussiert werden. Dies
wird durch die Fokussierlinse 50 erreicht.