EP1727644A1 - Verfahren zum herstellen von bohrungen - Google Patents

Verfahren zum herstellen von bohrungen

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EP1727644A1
EP1727644A1 EP05729061A EP05729061A EP1727644A1 EP 1727644 A1 EP1727644 A1 EP 1727644A1 EP 05729061 A EP05729061 A EP 05729061A EP 05729061 A EP05729061 A EP 05729061A EP 1727644 A1 EP1727644 A1 EP 1727644A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bore
intensity
laser beam
distance
heating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05729061A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Schulz
Jens Willach
Jochen Petereit
Lena Trippe
Ernst Wolfgang Kreutz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1727644A1 publication Critical patent/EP1727644A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
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    • B23K2103/52—Ceramics

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing bores with a large aspect ratio in metallic materials as well as layered, metallic materials and those which have at least one ceramic layer by means of laser radiation, the intensity of the laser beam depending on the required change in the bore radius with the bore depth is set.
  • Laser radiation is used in particular for the removal and drilling of metallic materials and of composite materials made of dielectric (e.g. ceramic) and metallic layers.
  • Large removal rates (high productivity) and large aspect ratios (depth to diameter) are particularly desirable for applications in automotive technology, aeronautical engineering (thin or middle sheet) and energy technology (middle sheet).
  • the geometric shape of the bore (e.g. cylindrical, conical) and the morphology of the bore wall (e.g. solidified melt) are essential quality features and are subject to specified technical requirements.
  • Drilling techniques with a dominant melt flow are single-pulse drilling, percussion drilling (multiple pulses) and trepanning. These techniques have the advantage of high removal rates (productivity) and the disadvantage of poor quality due to incomplete melt expansion, deposits from solidified
  • trepanning a percussion hole is first made in the material and then a hole with a defined radius is cut out.
  • Trepanning drilling has the disadvantage that the greatest amount of melt that is produced is expelled by a process gas jet at the bore outlet and thus the interior of a hollow body to be drilled is contaminated.
  • Percussion drilling is only used industrially if the poor quality (incomplete melt discharge, adhering solidified melt, low precision of the hole shape) does not restrict the function of the product.
  • the intensity is increased with increasing depth of the drilling, in order to, for. B. to compensate for the effect of beam expansion.
  • the modulation of the intensity is carried out to e.g. B. by varying the ratio of pulse duration to the time between two pulses to change the required diameter of the bore.
  • the outlet diameter of the bore which is usually smaller than the diameter of the upper part of the bore, can be increased if the temperature of the workpiece is at least 25 ° C. above the ambient temperature.
  • Drilling techniques with dominant evaporation The techniques of spiral drilling, percussion drilling and laser eroding are used for drilling through dominant evaporation.
  • a percussion bore made with predominantly melt expulsion can be expanded to the desired diameter in a second process step by dominant removal as steam, so that no residues of solidified melt remain on the bore wall.
  • This high-precision drilling technology and also the process variants have the disadvantage that the drilling time is too long or productivity is too low.
  • the present invention is based on the object of eliminating the above-mentioned shortcomings of the prior art and developing the above-mentioned method so that in particular a complete expulsion of the melt during drilling in the direction of the incident laser radiation from the well without deposits of solidified melt on the Bore edge is guaranteed.
  • the conventional technique of single-pulse and percussion drilling with laser radiation with a dominant melt expulsion is designed in such a way that the melt can be completely driven out of the hole without the melt being deposited on the wall of the hole.
  • the melt expulsion is controlled via a laser-induced plasma by means of the spatial mean value or the maximum value of the intensity in the laser beam, which does not allow targeted control of the bore diameter and avoidance of melt deposits.
  • a second process step for smoothing the bore wall by evaporation removal, as described in DE 101 44 008 A1, is not necessary.
  • the method according to the invention is used to produce bores which are very deep, ie those with a "large aspect ratio".
  • This large aspect ratio of the bores and the requirement that the bore diameter should be significantly larger than the laser beam radius ensures that the inflowing
  • values are set so large that a bore radius ⁇ B ( ⁇ B> w 0 ) larger than the distance w 0 is reached.
  • ⁇ l and where are so large to choose that the bore is wide enough to ensure the above-mentioned effect of not shadowing the laser beam from the flowing melt.
  • the holes are tapered and it is also guaranteed that a predefined hole radius can be set at any depth.
  • a targeted setting of the bore diameter is thus also possible during the drilling process.
  • any diameter can be achieved with high precision, and cylindrical, conical and other geometric shapes of the hole can be produced.
  • the smallest diameter of a hole determines the volume flow.
  • the total flow volume of fuel filters is added up from the flow volume of the individual holes, which are limited by the minimum diameter of the holes. defined taper
  • the flow behavior when gases and liquids emerge from the bore is u. a. determined by the angle of the hole wall to the material surface and the expansion of the hole.
  • the defined conicity is e.g. crucial for the distribution of cooling gases on material surfaces to protect turbine components. defined taper when drilling multilayer systems
  • the cylindrical or conical bore geometry is a prerequisite for the laminar flow of liquids and gases in the bore.
  • the diameter of bores in turbine components - eg multi-layer systems consisting of the substrate, the adhesion promoter layer and the thermal insulation layer - must be adjustable independently of the material layer. no reduction in the adhesive and shear strength of coatings
  • a defined bore diameter can only be achieved if the geometrical shape of the bore is not changed by irregular deposits of solidified melt on the bore wall. Cracks and tensions can arise in the solidified melt. In the case of highly stressed components such as turbine blades and fuel filters, the avoidance of deposits from solidified melt increases their service life. no burr formation
  • a burr from solidified melt at the hole exit enlarges e.g. the flow resistance and thus reduces the efficiency. Avoiding the formation of burrs does not require reworking and shortens the production time of, for example, turbine components and fuel filters.
  • the outflow of the melt from the bore reduces contamination in hollow bodies.
  • post-processing cleaning
  • material residues are deposited in the hollow bodies during drilling.
  • large curvature of the trailing edge The detachment of a liquid flow at the bore opening is determined by the curvature of the trailing edge. In the case of injection nozzles, the curvature of the trailing edge is decisive for the detachment and complete burning off of the fuel in the combustion chamber.
  • the spatial distribution of the intensity in the laser beam at the bottom of the hole must be suitably set as the decisive parameter for the complete melt expulsion over a predetermined depth of the hole, and not the spatially averaged value or the maximum value of the intensity l 0 as previously known in the laser beam. It is characterized by a suitable spatial distribution of the laser radiation over a sufficiently large distance w 0 in the laser beam, within which the intensity decreases with the distance from the laser beam axis and there is a sufficiently large spatial change in intensity (intensity gradient).
  • the distance w 0 is set approximately proportional to the root of the predefined and to be reached hole depth £.
  • the spatial change ⁇ l of the intensity I within the section where approximately proportional to the predefined or to be achieved hole depth £ should be set such that a hole radius ⁇ B ( ⁇ B> WO) is larger than the section where it is reached.
  • the spatial change ⁇ l l 0 - I o of the intensity I within the distance w 0 and l 0 being the intensity on the laser beam axis and Iwodie the intensity at a distance w 0 from the laser beam axis.
  • the minimum hole diameter 2r B min and the maximum aspect ratio of hole depth to hole diameter are determined;
  • the maximum value for the intensity l 0 > Imin and / or the distance w 0 > w min must be controlled. Any larger diameter can be achieved, for example, by increasing the intensity (see FIG. 1, case B) or the distance (see FIG. 1, case C) over which the melt at the bottom of the bore is accelerated.
  • Cylindrical and conical bore geometries can be adjusted with reproducible quality by adjusting the spatial distribution of the intensity at the bottom of the bore and controlling the bore diameter, as stated above.
  • the different material properties are taken into account when choosing the appropriate intensity distribution in order to implement defined bore diameters, so that in particular when changing from one material layer to the next, the intensity distribution must be adjusted.
  • the transition between two layers can be observed by changes in the process emission (e.g. plasma lights) and can be detected by coaxial or lateral high-speed photography.
  • the outflowing melt is additionally suitably heated along the bore wall.
  • the spatial effect of the energy sources should be distributed over the bore diameter in such a way that the bottom of the bore reaches a sufficiently large width 2r B that is greater than the width 2wo of the drill laser beam, within which the intensity in the radial direction is approximately drops monotonously, and that the bore wall is heated.
  • the heating radiation is generated by beam shaping in the resonator in such a way that the intensity of the laser beam for heating the bore wall is radiated in a ring.
  • the heating radiation can be generated by excitation of higher modes at least after the predetermined bore diameter has been reached. It is also possible to generate the heating radiation by means of diaphragms, in which case the central area of the laser beam is masked out.
  • An alternative possibility is to shape the laser radiation for heating the melt flowing out of the bore through an optical component outside the resonator in such a way that a central area of the laser beam generates the predetermined bore diameter and an annular outer area of the laser beam is irradiated to heat the bore wall ,
  • An axicon can be used as an optical component outside the resonator.
  • the heating radiation for heating the melt flowing out of the bore can also be coupled into the borehole via a second energy source in the form of thermal energy.
  • the heating radiation can take place via several ring-shaped diode lasers, via a thermal light source, wherein a halogen lamp, an arc lamp or a steam lamp can be used as the thermal light source.
  • the heating radiation can also be generated via a laser beam source, the generated plasma acting as a secondary heating source on the wall of the bore.
  • the same laser beam source as for drilling can be used to generate the heating radiation.
  • the heating radiation can be controlled by returning signals from a coaxial or lateral high-speed photograph.
  • ring-shaped diode lasers or thermal light sources are to be preferred, since the heating effect and the effective range can be set flexibly for the ring-shaped diode lasers or for the thermal light swell the technical effort to implement the device for heating is small.
  • the control of the radiant heat e.g. B. by laser-induced plasma, as well as the control of the ablating laser radiation in multilayer systems, with a coaxial or lateral process monitoring, for. B. implemented by high-speed photography or short-term spectroscopy.
  • the invention can always be used when the majority of the material is expelled in the liquid phase (melt) during single-pulse or percussion drilling with laser radiation.
  • cooling holes are made in turbine components using percussion drilling to additionally protect the components made of high-temperature-resistant materials with ceramic thermal insulation layers (multi-layer systems) from the large thermal loads.
  • a better distribution of the cooling air on the surfaces of the turbine blades and combustion chamber plates is required. This can only be achieved by a defined bore geometry (cylindrical and / or conical) and a larger number of bores per cm 2 (up to 100 bores / cm 2 instead of currently 0.75 bores / cm 2 ).
  • the drilling time (eg trepanning) is too long and the aspect ratio currently achieved with fluctuating hole geometry is not sufficient to achieve a noticeable increase in efficiency only by increasing the number of holes per cm 2 .
  • the avoidance of deposits from solidified melt in the well and the formation of burrs are essential in order not to cause any change in the geometrically preferred shape of the well in terms of flow.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hersteller von Bohrungen mit grossem Aspektverhältnis in metallischen Werkstoffen sowie von geschichteten, metallischen Werkstoffen und solchen, die mindestens eine keramische Schicht aufweisen, mittels Laserstrahlung, wobei die Intensität des Laserstrahls abhängig von der geforderten Änderung des Bohrungsradius mit der Bohrungstiefe eingestellt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die räumliche Verteilung der Intensität im Laserstrahl, be­zogen auf den sich ändernden Boden der Bohrun , so eingestellt wird, dass die In­tensität I innerhalb der Strecke w0 mit dem Abstand w von der Laserstrahlachse um den Wert Deltal abfällt, dieser Abfall monoton erfolgt, und für die räumliche Änderung DeltaI der Intensität I und die Strecke w0 so grosse Werte eingestellt werden, dass ein Boh­rungsradius rB (rB > wo) grösser als die Strecke wo erreicht wird, wobei die Strecke wo der Radius des Laserstrahls ist.

Description

P a t e n t a n m e l d u n g
„Verfahren zum Herstellen von Bohrungen"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bohrungen mit großem Aspektverhältnis in metallischen Werkstoffen sowie von geschichteten, metallischen Werkstoffen und solchen, die mindestens eine keramische Schicht aufweisen, mittels Laserstrahlung, wobei die Intensität des Laserstrahls abhängig von der geforderten Änderung des Bohrungsradius mit der Bohrungstiefe eingestellt wird.
Laserstrahlung wird insbesondere zum Abtragen und Bohren von metallischen Werkstoffen und von Verbundwerkstoffen aus dielektrischen (z. B. keramischen) und metallischen Schichten eingesetzt. Insbesondere bei den Anwendungen in der Automobiltechnik, der Luftfahrttechnik (Fein- bzw. Mittelblech) und der Energietechnik (Mittelblech) sind große Abtragsraten (große Produktivität) und große Aspektverhältnisse (Tiefe zu Durchmesser) erwünscht. Die geometrische Form der Bohrung (z. B. zylindrisch, konisch) und die Morphologie der Bohrungswand (z. B. erstarrte Schmelze) sind wesentliche Qualitätsmerkmale und unterliegen vorgegebenen technischen Anforderungen.
Die bekannten Techniken zum Bohren mit Laserstrahlung werden durch den dominanten Mechanismus zum Austreiben des Werkstoffes beim Bohren - Schmelzen, Verdampfen - in zwei Gruppen eingeteilt:
Bohrtechniken mit dominantem Schmelzaustrieb
Bohrtechniken mit dominantem Schmelzaustrieb sind das Einzelpulsbohren, das Perkussionsbohren (Mehrfachpulse) und das Trepanierbohren. Diese Techniken haben den Vorteil großer Abtragsraten (Produktivität) und den Nachteil mangelnder Qualität durch unvollständigen Schmelzaustrieb, Ablagerungen aus erstarrter
BESTATIGUNGSKOPIE Schmelze an der Bohrungswand und/oder am Bohrungsein- und -austritt und geringer Präzision bezüglich des Bohrungsdurchmessers. Beim Trepanierbohren wird zunächst eine Perkussionsbohrung in den Werkstoff eingebracht und nachfolgend eine Bohrung mit definiertem Radius ausgeschnitten. Das Trepanierbohren hat den Nachteil, dass die größte Menge an entstehender Schmelze durch einen Prozessgasstrahl am Bohrungsaustritt ausgetrieben wird und so der Innenraum eines zu bohrenden Hohlkörpers verschmutzt wird.
Der Stand der Technik beschreibt eine Vielzahl von Maßnahmen, die darauf zielen, die Schmelze möglichst vollständig auszutreiben und eine definierte - meist zylindrische - Form der Bohrung zu erreichen. Diese Maßnahmen sind
• Vergrößern des räumlichen Mittelwertes oder des Maximalwertes der Intensität im Laserstrahl mit zunehmender Tiefe der Bohrung
• Zeitliche Modulation (Perkussion) der Intensität mit einer großen Anzahl von Einzelpulsen während der gesamten Bohrzeit.
Das Perkussionsbohren wird industriell nur dann eingesetzt, wenn die mangelnde Qualität (unvollständiger Schmelzaustrieb, anhaftende erstarrte Schmelze, geringe Präzision der Bohrungsform) die Funktion des Produktes nicht einschränkt.
Nach dem Stand der Technik zum Einzelpuls- und Perkussionsbohren wird die Intensität mit zunehmender Tiefe der Bohrung vergrößert, um z. B. die Auswirkung einer Strahlaufweitung zu kompensieren. Die Modulation der Intensität wird durchgeführt, um z. B. durch Variation des Verhältnisses von Pulsdauer zu der Zeit zwischen zwei Pulsen den geforderten Durchmesser der Bohrung zu verändern.
Nach der EP 0 796 695 A1 kann der Austrittsdurchmesser der Bohrung, der üblicherweise kleiner ist als der Durchmesser des oberen Teils der Bohrung, vergrößert werden, wenn die Temperatur des Werkstückes um mindestens 25 °C über der Umgebungstemperatur liegt.
Bohrtechniken mit dominantem Verdampfen Zum Bohren durch dominantes Verdampfen werden die Techniken Wendelbohren, Perkussionsbohren und Laser-Erodieren eingesetzt.
Ein gezieltes Erreichen der geforderten geometrischen Form der Bohrung ist bis heute nur mit dem Wendelbohren oder einer Kombination aus Perkussions- und Wendelbohren erreichbar.
Nach der DE 101 44 008 A1 kann eine mit überwiegendem Schmelzaustrieb hergestellte Perkussionsbohrung in einem zweiten Verfahrensschritt durch dominantes Abtragen als Dampf auf den gewünschten Durchmesser aufgeweitet werden, so dass keine Reste erstarrter Schmelze an der Bohrungswand zurückbleiben. Diese hochpräzise Bohrtechnik und auch die Verfahrensvarianten weisen den Nachteil zu großer Bohrdauer bzw. zu kleiner Produktivität auf.
Die DE 699 03 541 T2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Perforierung von sogenannten Mikrovia-Löchern in „Verpackungen von elektrischen Verbindungsstellen von elektrischen Schaltungen". Hierbei handelt es sich um sogenannte „-Microvia-Löcher", die in Leiterplatten mittels Laserstrahlung gebildet werden. Zweck dieser Löcher ist es, einzelne Leiterschichten in Leiterplatten über die Löcher zu kontaktieren. Bei diesen Löchern handelt es sich um solche, die ein sehr kleines Aspektverhältnis haben. Bei diesen Microvia-Bohrungen soll der Bohrungsdurchmesser gleich dem Laserstrahldurchmesser sein; auch wenn der Bohrungsdurchmesser geringfügig größer werden sollte, so ist dies nicht erwünscht. Nach dieser Druckschrift wird der Rand der Intensitätsverteilung als die die Bohrungskante definierende Größe, die wesentlich ist, angesehen, da die Intensitätsverteilung des Strahls ringförmig geformt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorstehend aufgeführten Unzulänglichkeiten des Stands der Technik zu beseitigen und das eingangs genannte Verfahren so weiterzubilden, dass insbesondere ein vollständiges Austreiben der Schmelze beim Bohren in Richtung der einfallenden Laserstrahlung aus dem Bohrungsschacht ohne Ablagerungen erstarrter Schmelze an dem Bohrungsrand gewährleistet wird. Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von dem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen, dadurch, dass die räumliche Verteilung der Intensität im Laserstrahl, bezogen auf den sich ändernden Boden der Bohrung, so eingestellt wird, dass die Intensität I innerhalb der Strecke w0 mit dem Abstand w von der Laserstrahlachse um den Wert Δl abfällt, dieser Abfall monoton erfolgt, und für die räumliche Änderung Δl der Intensität I und die Strecke w0 so große Werte eingestellt werden, dass ein Bohrungsradius ΓB (te > w0) größer als die Strecke w0 erreicht wird, wobei die Strecke Wo der Radius des Laserstrahls ist. Die Strecke wo ist somit der Radius einer Fläche senkrecht zur Laserstrahlachse, die 86% der Laserleistung erfasst.
Mit dieser Verfahrensmaßnahme wird die herkömmliche Technik des Einzelpuls- und Perkussionsbohrens mit Laserstrahlung mit dominantem Schmelzaustrieb so gestaltet, dass ein vollständiges Austreiben der Schmelze aus der Bohrung möglich ist, ohne dass sich Schmelze an der Bohrungswand ablagert. Bei den bisher bekannten Verfahren wird der Schmelzaustrieb über ein laserinduziertes Plasma durch den räumlichen Mittelwert oder den Maximalwert der Intensität im Laserstrahl gesteuert, was eine gezielte Steuerung des Bohrungsdurchmessers und eine Vermeidung von Schmelzablagerungen nicht zulässt. Ein zweiter Verfahrensschritt zum Glätten der Bohrungswand durch Verdampfungsabtragen, wie dies in der DE 101 44 008 A1 beschrieben ist, ist nicht erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dazu eingesetzt, Bohrungen, die sehr tief sind, herzustellen, d.h. solche mit einem „großem Aspektverhältnis". Dieses große Aspektverhältnis der Bohrungen sowie die Maßgabe, dass der Bohrungsdurchmesser wesentlich größer sein soll als der Laserstrahlradius, gewährleistet, dass die aufströmende Schmelze den Laserstrahl nicht abschattet. Für die räumliche Änderung Δl der Intensität I und die Strecke w0 werden so große Werte eingestellt, dass ein Bohrungsradius ΓB (ΓB > w0) größer als die Strecke w0 erreicht wird. Δl und wo sind so groß zu wählen, dass die Bohrung weit genug wird, um den vorstehend angegebenen Effekt, den Laserstrahl nicht durch die aufströmende Schmelze abzuschatten, gewährleistet ist. Die Bohrungen werden konisch ausgeführt und auch ist gewährleistet, dass in jeder Tiefe ein vordefinierter Bohrungsradius eingestellt werden kann.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit eine gezielte Einstellung des Bohrungsdurchmessers auch während des Bohrprozesses möglich. Auch können unterhalb eines definierten Aspektverhältnisses von Bohrungstiefe zu Bohrungsdurchmesser in Abhängigkeit von der Tiefe beliebige Durchmesser mit hoher Präzision erzielt werden und zylindrische, konische und andere geometrische Formen der Bohrung können hergestellt werden.
Wesentliche Merkmale, die beim Schmelzbohren zuverlässig erreicht werden müssen, sind: reproduzierbarer Durchmesser
Der kleinste Durchmesser einer Bohrung bestimmt den Volumenstrom. Das gesamte Durchflussvolumen von Kraftstofffiltern addiert sich aus den Durchflussvolumen der einzelnen Bohrungen, die durch die jeweils minimalen Durchmesser der Bohrungen begrenzt sind. definierte Konizität
Das Strömungsverhalten beim Austreten von Gasen und Flüssigkeiten aus der Bohrung wird u. a. durch den Winkel der Bohrungswand zur Werkstoffoberfläche und die Aufweitung der Bohrung bestimmt. Die definierte Konizität ist z.B. entscheidend für die Verteilung von Kühlgasen auf Werkstoffoberflächen zum Schutz von Turbinenkomponenten. definierte Konizität beim Bohren von Mehrschichtsystemen
Die zylindrische bzw. konische Bohrungsgeometrie ist Voraussetzung für die laminare Strömung von Flüssigkeiten und Gasen in der Bohrung. Der Durchmesser von Bohrungen in Turbinenkomponenten - z.B. Mehrschichtsysteme, bestehend aus dem Substrat, der Haftvermittlerschicht und der Wärmedämmschicht - muss unabhängig von der Werkstoffschicht regelbar sein. keine Reduzierung der Haft- und Scherfestigkeit von Coatings
Beim Bohren von Mehrschichtsystemen darf die Haftung zwischen den Schichten im Bereich der Bohrung nicht reduziert werden. Bei Beschädigung der Wärmedämmschicht von Turbinenkomponenten können sich die Schichten der im Betrieb thermisch und mechanisch hochbelasteten Komponenten vom Werkstoff lösen und ein Schutz ist nicht mehr gewährleistet. keine Ablagerungen erstarrter Schmelze
Ein definierter Bohrungsdurchmesser kann nur erreicht werden, wenn die geometrische Form der Bohrung nicht durch unregelmäßige Ablagerungen erstarrter Schmelze an der Bohrungswand verändert wird. In der erstarrten Schmelze können Risse und Spannungen entstehen. Bei hochbelasteten Komponenten, wie Turbinenschaufeln und Kraftstofffiltern, erhöht das Vermeiden von Ablagerungen aus erstarrter Schmelze deren Lebensdauer. keine Gratbildung
Ein Grat aus erstarrter Schmelze am Bohrungsaustritt vergrößert z.B. den Strömungswiderstand und vermindert so den Wirkungsgrad. Das Vermeiden der Gratbildung erfordert keine Nachbearbeitung und verkleinert die Produktionszeit beispielsweise von Turbinenkomponenten und Kraftstofffiltern.
Austreiben der Schmelze in Richtung der einfallenden Laserstrahlung
Das Ausströmen der Schmelze nach oben aus der Bohrung reduziert Verschmutzungen in Hohlkörpern. Beim Herstellen von Kraftstofffiltern und Turbinenschaufeln ist eine Nachbearbeitung (Reinigen) erforderlich, wenn sich während des Bohrens Werkstoffrückstände in den Hohlkörpern ablagern. große Krümmung der Austrittskante Das Ablösen einer Flüssigkeitsströmung an der Bohrungsöffnung wird durch die Krümmung der Austrittskante bestimmt. Bei Einspritzdüsen ist die Krümmung der Austrittskante bestimmend für das Ablösen und das vollständige Abbrennen des Kraftstoffs im Brennraum.
Der Einzug von Umgebungsgasen in die Bohrung oder die Ablösung einer Kühlgasströmung vom Austritt einer Kühlbohrung in Turbinenschaufeln sind unerwünschte Eigenschaften der Strömung, deren Ausbildung von der geometrischen Form der Austrittskante abhängen.
Für die Erfindung ist von Bedeutung, dass als entscheidender Parameter für den vollständigen Schmelzaustrieb über eine vorgegebene Tiefe der Bohrung die räumliche Verteilung der Intensität im Laserstrahl am Bohrungsgrund geeignet eingestellt werden muss und nicht wie bisher bekannt der räumlich gemittelte Wert oder der Maximalwert der Intensität l0 im Laserstrahl. Kennzeichnend ist eine geeignete räumliche Verteilung der Laserstrahlung über eine genügend große Strecke w0 im Laserstrahl, innerhalb derer die Intensität mit dem Abstand von der Laserstrahlachse abfällt und eine genügend große räumliche Änderung der Intensität (Intensitätsgradient) vorliegt.
In der beigefügten Figur 1 sind die minimalen Werte für die Intensität lo = Im und die Strecke wo = wmιn skizziert, wobei für das Vorstehende Fall A gilt.
In einer bevorzugten Maßnahme wird die Strecke w0 annähernd proportional zur Wurzel der vordefinierten und zu erreichenden Bohrungstiefe £ eingestellt.
Weiterhin sollte die räumliche Änderung Δl der Intensität I innerhalb der Strecke wo annähernd proportional zu der vordefinierten bzw. zu erreichenden Bohrungstiefe £ so eingestellt werden, dass ein Bohrungsradius ΓB (ΓB> WO) größer als die Strecke wo erreicht wird.
Das maximale Aspektverhältnis α von Bohrungstiefe £ zu Bohrungsdurchmesser d und der minimale Durchmesser dmi„ > £ /α (dmj„ = 2rBmin) der Bohrung sollte nach folgender Vorschrift α < const. Δl Wo
eingestellt werden, wobei die räumliche Änderung Δl = l0 - I o der Intensität I innerhalb der Strecke w0 und l0die Intensität auf der Laserstrahlachse und Iwodie Intensität im Abstand w0 von der Laserstrahlachse sind.
Zur Vergrößerung des Bohrungsdurchmessers d (=2rB) während des Bohrens wird der Maximalwert l0 > \mm für die Intensität so gesteuert oder geregelt, dass der Bohrungsdurchmesser d (=2rB) einen vorbestimmten von der Tiefe abhängigen Wert d > dmin erreicht, wobei l0 die Intensität auf der Laserstrahlachse ist und lmin der minimale Wert der Intensität lo ist.
Weiterhin ist wesentlich, dass nach geeignetem Einstellen der räumlichen Verteilung der Intensität am Bohrungsgrund der minimale Bohrungsdurchmesser 2rBmin und das maximale Aspektverhältnis von Bohrungstiefe zu -durchmesser bestimmt werden; hierzu sind in der Figur 1 , Fall A, die entsprechenden Werte (lo = Imin ■ 0 = wmjn) dargestellt.
Um eine Vergrößerung des Bohrungsdurchmessers 2rB > 2rBmin auch während des Bohrprozesses zu erreichen, müssen der Maximalwert für die Intensität l0 > Imin und/oder die Strecke w0 > wmin gesteuert werden. Ein beliebiger größerer Durchmesser ist beispielsweise durch eine Vergrößerung der Intensität (siehe Figur 1 , Fall B) oder der Strecke (siehe Figur 1, Fall C), über der die Schmelze am Bohrungsgrund beschleunigt wird, erreichbar.
Zylindrische und konische Bohrungsgeometrien sind bei reproduzierbarer Qualität durch das Einstellen der räumlichen Verteilung der Intensität am Bohrungsgrund und Steuern des Bohrungsdurchmessers, wie dies vorstehend angegeben ist, einstellbar.
Wie anhand der Figur 1 weiterhin zu erkennen ist, führen Abweichungen von den vorstehend angegebenen Vorschriften, z.B. dann, wenn der Intensitätsgradient zu klein ist (siehe Figur 1 , Fall D) und/oder Strecke w0 innerhalb derer die Intensität im Laserstrahl abfällt, zu klein ist (siehe Figur 1 , Fall E), zu einem unvollständigem Schmelzaustrieb. Im Vergleich zu den vorstehend angegebenen Vorschriften können z.B. mit nahezu rechteckförmiger Verteilung der Intensität (siehe Figur 1 , Fall E) klei- nere Bohrungsdurchmesser erreicht werden. Allerdings wird hierbei die Vorschrift zur Einstellung der räumlichen Verteilung der Intensität am Bohrungsgrund verletzt und die Qualität der Bohrung wird kleiner, da die Schmelze nicht vollständig ausgetrieben werden kann.
Beim Bohren von Mehrschichtsystemen, d.h. beim Bohren unterschiedlicher Werkstoffschichten, werden zur Realisierung definierter Bohrungsdurchmesser die verschiedenen Werkstoffeigenschaften bei der Wahl der geeigneten Intensitätsverteilung berücksichtigt, so dass insbesondere beim Übergang von einer Werkstoffschicht zur nächsten Anpassungen in der Intensitätsverteilung vorgenommen werden müssen. Der Übergang zwischen zwei Schichten ist durch Änderungen in der Prozessemission (z. B. Plasmaleuchten) beobachtbar und kann durch koaxiale oder laterale Hochgeschwindigkeitsfotografie detektiert werden.
In einem bevorzugten Verfahrensablauf wird die ausströmende Schmelze zusätzlich entlang der Bohrungswand geeignet beheizt.
Hierzu ist in Figur 2 der beigefügten Zeichnung schematisch die Verteilung der Intensität im Laserstrahl und die Anordnung der zusätzlichen Heizquellen dargestellt.
Es ist zu beachten, dass, sobald der eingestellte Bohrungsdurchmesser 2rB erreicht ist, das zusätzliche Heizen der Bohrungswand einsetzen muss, und die Heizleistung muss mit der Bohrtiefe zunehmen.
Es sollte darauf geachtet werden, dass die Heizquelle innerhalb der Bohrung wirkt, möglichst nur die strömende Schmelze erwärmt und dass die primäre Energiequelle (Bohrlaserstrahl) nicht beeinflusst wird (z.B. Absorption von Bohrlaserstrahlung im Bohrkanal) und der zentrale Bereich der Bohrung möglichst unbeeinflusst bleibt.
Wie anhand der Figur 2 ersichtlich ist, sollte die räumliche Wirkung der Energiequellen über den Bohrungsdurchmesser so verteilt sein, dass der Bohrungsgrund eine genügend große Breite 2rB erreicht, die größer als die Breite 2wo des Bohrlaserstrahls ist, innerhalb derer die Intensität in radialer Richtung annähernd monoton abfällt, und dass die Bohrungswand beheizt wird. ln einer bevorzugten Maßnahme wird die Heizstrahlung über eine Strahlformung im Resonator erzeugt derart, dass die Intensität des Laserstrahls zur Beheizung der Bohrungswand ringförmig eingestrahlt wird. Hierbei kann die Erzeugung der Heizstrahlung durch Anregung höherer Moden mindestens nach Erreichen des vorbestimmten Bohrungsdurchmessers erfolgen. Es ist auch möglich, die Erzeugung der Heizstrahlung durch Blenden vorzunehmen, wobei dann der zentrale Bereich des Laserstrahls ausgeblendet wird.
Eine alternative Möglichkeit besteht darin, die Laserstrahlung zum Beheizen der aus der Bohrung ausströmenden Schmelze durch eine optische Komponente außerhalb des Resonators so zu formen, dass ein zentraler Bereich des Laserstrahls den vorbestimmten Bohrungsdurchmesser erzeugt und ein ringförmiger äußerer Bereich des Laserstrahls zur Beheizung der Bohrungswand eingestrahlt wird. Als optische Komponente kann außerhalb des Resonators ein Axikon eingesetzt werden.
Die Heizstrahlung zum Beheizen der aus der Bohrung ausströmenden Schmelze kann auch über eine zweite Energiequelle in Form thermischer Energie in das Bohrloch eingekoppelt werden. Die Heizstrahlung kann über mehrere ringförmig angeordnete Diodenlaser, über eine thermische Lichtquelle erfolgen, wobei als thermische Lichtquelle eine Halogenlampe, eine Bogenlampe oder eine Dampflampe eingesetzt werden kann.
Die Heizstrahlung kann auch über eine Laserstrahlquelle erzeugt werden, wobei das erzeugte Plasma als sekundäre Heizquelle an der Wand der Bohrung wirkt.
Zur Erzeugung der Heizstrahlung kann dieselbe Laserstrahlquelle wie für das Bohren eingesetzt werden.
Die Steuerung der Heizstrahlung kann durch Rückführung von Signalen aus einer koaxialen oder lateralen Hochgeschwindigkeitsfotografie erfolgen.
Von den vorstehend angegebenen Maßnahmen zum Beheizen der Bohrungswand sind insbesondere ringförmig angeordnete Diodenlaser oder thermsche Lichtquellen zu bevorzugen, da für die ringförmig angeordneten Diodenlaser die Heizwirkung und der Wirkbereich flexibel eingestellt werden können oder für die thermischen Licht- quellen der technische Aufwand zur Realisierung der Vorrichtung zum Heizen klein ist.
Die Steuerung der Heizstrahlung, z. B. durch laserinduziertes Plasma, kann ebenso wie die Steuerung der abtragenden Laserstrahlung bei Mehrschichtsystemen, mit einer koaxialen bzw. lateralen Prozessüberwachung, z. B. durch Hochgeschwindigkeitsfotografie oder Kurzzeitspektroskopie, umgesetzt werden.
Die Erfindung ist immer dann einsetzbar, wenn beim Einzelpuls- oder Perkussionsbohren mit Laserstrahlung der überwiegende Anteil des Werkstoffes in der flüssigen Phase (Schmelze) ausgetrieben wird.
In der Energie- und Luftfahrttechnik werden Kühlbohrungen in Turbinenkomponenten mit der Technik des Perkussionsbohrens eingebracht, um die Komponenten aus hochtemperaturbeständigen Werkstoffen mit keramischen Wärmedämmschichten (Mehrschichtsysteme) zusätzlich vor den großen thermischen Belastungen zu schützen. Um den Wirkungsgrad weiter steigern zu können, wird eine bessere Verteilung der Kühlluft auf den Oberflächen der Turbinenschaufeln und Brennkammerplatten gefordert. Diese kann nur durch eine definierte Bohrungsgeometrie (zylindrisch und/oder konisch) und eine größere Anzahl von Bohrungen pro cm2 (bis zu 100 Bohrungen / cm2 statt derzeit 0,75 Bohrungen / cm2) erreicht werden. Allerdings sind die Bohrdauer (z.B. Trepanieren) zu groß und das derzeit erreichte Aspektverhältnis bei schwankender Bohrungsgeometrie nicht ausreichend, um eine nennenswerte Steigerung des Wirkungsgrades nur durch die Erhöhung der Anzahl der Bohrungen pro cm2 zu erlangen. Außerdem ist das Vermeiden von Ablagerungen aus erstarrter Schmelze im Bohrungsschacht und die Gratbildung von wesentlicher Bedeutung, um keine Veränderung der strömungstechnisch bevorzugten geometrischen Form der Bohrung zu verursachen.
In der Automobiltechnik werden Kraftstofffϊlter mit Laserstrahlung bei geringeren Anforderungen an die Präzision gebohrt. Bei den durchfluss- und spraybestimmenden Bohrungen in Einspritzventilen, -drosseln und -düsen sind Abweichungen von der Normgeometrie von wenigen μm und ebenso kleine Dicken der Schmelzablagerun- gen, sowie scharfkantige Bohrungsein- bzw. -austritte mit sehr großen Krümmungen gefordert.
Den vorstehenden Forderungen kann mit dem Verfahren gemäß der Erfindung entsprochen werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Herstellen von Bohrungen mit großem Aspektverhältnis in metallischen Werkstoffen sowie von geschichteten, metallischen Werkstoffen und solchen, die mindestens eine keramische Schicht aufweisen, mittels Laserstrahlung, wobei die Intensität des Laserstrahls abhängig von der geforderten Änderung des Bohrungsradius mit der Bohrungstiefe eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung der Intensität im Laserstrahl, bezogen auf den sich ändernden Boden der Bohrung, so eingestellt wird, dass die Intensität I innerhalb der Strecke w0 mit dem Abstand w von der Laserstrahlachse um den Wert Δl abfällt, dieser Abfall monoton erfolgt, und für die räumliche Änderung Δl der Intensität I und die Strecke w0 so große Werte eingestellt werden, dass ein Bohrungsradius ΓB (rB > w0) größer als die Strecke Wo erreicht wird, wobei die Strecke wo der Radius des Laserstrahls ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecke w0 annähernd proportional zur Wurzel der vordefinierten und zu erreichenden Bohrungstiefe £ eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Änderung Δl der Intensität I proportional zu der vordefinierten bzw. zu erreichenden Bohrungstiefe £ eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das maximale Aspektverhältnis α von Bohrungstiefe £ zu Bohrungsdurchmesser d und der minimale Durchmesser dmin> £ /α (dmi„ der Bohrung durch folgende Vorschrift α < const. Δl w0 eingestellt wird, wobei die räumliche Änderung Δl = l0 - Iwoder Intensität I innerhalb der Strecke w0 und lo die Intensität auf der Laserstrahlachse und Iwo die Intensität im Abstand w0 von der Laserstrahlachse sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung des Bohrungsdurchmesser d (=2ΓB) während des Bohrens der Maximalwert lo > Imin für die Intensität so gesteuert oder geregelt wird, dass der Bohrungsdurchmessers d (=2ΓB) einen vorbestimmten von der Tiefe abhängigen Wert d > dmin erreicht, wobei l0 die Intensität auf der Laserstrahlachse ist und Imin der minimale Wert der Intensität lo ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung des Bohrungsdurchmessers d (=2rB) während des Bohrens die Strecke Wo > wmin so gesteuert oder geregelt wird, dass der Bohrungsdurchmesser d (=2rB) einen vorbestimmten von der Tiefe abhängigen Wert d > dmin erreicht, wobei Wo der radiale Abstand von der Laserstrahlachse ist und Wmin der minimale Abstand von der Laserstrahlachse ist über der die räumliche Änderung Δl erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bohren unterschiedlicher Werkstoffschichten beim Übergang von einer Werkstoffschicht zur nächsten eine Anpassung der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung vorgenommen wird derart, dass in beiden Werkstoffschichten derselbe bzw. der vorbestimmte von der Tiefe abhängige Bohrungsdurchmesser erreicht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen zwei Werkstoffschichten durch Änderung der Prozessemissionen überwacht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Prozessemissionen durch koaxiale oder laterale Hochgeschwindigkeitsfoto- grafie detektiert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines eingestellten Bohrungsdurchmesser d (=2ΓB) eine zusätzliche Beheizung der Bohrungswand vorgenommen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung mit zunehmender Tiefe der Bohrung erhöht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung auf die aus der Bohrung ausströmende Schmelze beschränkt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstrahlung über eine Strahlformung im Resonator erzeugt wird derart, dass die Intensität des Laserstrahls zur Beheizung der Bohrungswand ringförmig eingestrahlt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Heizstrahlung durch Anregung höherer Moden mindestens nach Erreichen des vorbestimmten Bohrungsdurchmessers erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Heizstrahlung durch Blenden erfolgt, wobei der zentrale Bereich des Laserstrahls ausgeblendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung durch eine optische Komponente außerhalb des Resonators so geformt wird, dass ein zentraler Bereich des Laserstrahls den vorbestimmten Bohrungsdurchmesser erzeugt und ein ringförmiger äußerer Bereich des Laserstrahls zur Beheizung der Bohrungswand eingestrahlt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Komponente außerhalb des Resonators ein Axikon eingesetzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstrahlung über eine zweite Energiequelle in Form thermischer Energie in das Bohrloch eingekoppelt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstrahlung über mehrere ringförmig angeordnete Diodenlaser erzeugt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstrahlung über eine thermische Lichtquelle erzeugt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als thermische Lichtquelle eine Halogenlampe eingesetzt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als thermische Lichtquelle eine Bogenlampe eingesetzt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als thermische Lichtquelle eine Dampflampe eingesetzt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstrahlung über eine Laserstrahlquelle erzeugt wird, wobei das erzeugte Plasma als sekundäre Heizquelle an der Wand der Bohrung wirkt.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Heizstrahlung dieselbe Laserstrahlquelle wie für das Bohren eingesetzt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Heizstrahlung durch koaxiale oder laterale Hochgeschwindigkeitsfotografie detektiert wird.
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