EP2736671A1 - Schutzvorrichtung zur laserbearbeitung von löchern in bauteilen - Google Patents

Schutzvorrichtung zur laserbearbeitung von löchern in bauteilen

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Publication number
EP2736671A1
EP2736671A1 EP12730476.4A EP12730476A EP2736671A1 EP 2736671 A1 EP2736671 A1 EP 2736671A1 EP 12730476 A EP12730476 A EP 12730476A EP 2736671 A1 EP2736671 A1 EP 2736671A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
protective device
fibers
composite
component
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12730476.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten Bauer
Ulrich Graf
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2736671A1 publication Critical patent/EP2736671A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
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    • F02M2200/80—Fuel injection apparatus manufacture, repair or assembly
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    • Y10T428/24994—Fiber embedded in or on the surface of a polymeric matrix

Definitions

  • the invention is based on a protective device for laser processing of holes in at least one component by means of laser radiation, wherein the protective device at the jet outlet-side end of a hole to be machined positionable to protect an adjacent back space of the component relative to the laser radiation, according to the genus of Patent claim 1. Furthermore, the invention proceeds from a method for producing a component such as a nozzle, in particular an injector, using the protective device according to the invention and from a method for producing an injector using the protective device according to the invention.
  • pulsed high-power lasers are increasingly being used, through the use of which compared to conventional mechanical machining techniques higher precision machining and a shorter machining time can be achieved.
  • One problem with laser drilling holes is that the laser beam exiting the back of the hole when drilling a hole must be shielded to protect the component wall opposite the back of the hole from unwanted damage from the laser beam. This problem arises in particular when the components to be processed by means of laser radiation are, for example, injection nozzles or diesel nozzles or the like for use in automobile technology.
  • Such an injection nozzle has a substantially hollow cylindrical nozzle body with a nozzle tip, in the Kuppenwandung several injection holes are provided or to drill, to distribute later in normal use of the nozzle the fuel through these injection holes in the engine combustion chamber or to atomize. Since such injection nozzles are rotationally symmetrical with respect to their longitudinal axis, it is customary in the state of the art to laser drill a spray hole in the nozzle cup. pe inside the cavity, which are formed in the nozzle tip, a protection device formed from metallic or ceramic material used for the processing time of the laser drilling, which is also referred to as so-called. Backing material and serves to laser drilled from the in the wall of the nozzle tip Borehole at the back of the hole to block out or absorb laser beam to prevent damage to the opposite wall of the nozzle tip.
  • a disadvantage of such protective devices according to the prior art is that the metallic or ceramic materials used for laser processing by high-power laser with ultrashort laser pulses from emerging from the back of the borehole and impinging on the protection device laser radiation can not withstand and thus can not fulfill their protective function.
  • 2 shows a conventional protective device 1 which, when used as intended, has penetration holes 7 caused by a laser beam emerging from the back of the borehole 6 in the cavity 6 of a diesel nozzle 2 and thus has no backspace protection function.
  • FIG 3 shows by way of example a diesel nozzle 2 after failure of the conventional protective device 1, wherein the left-hand wall of the nozzle body has a spray drilled hole 3 by laser radiation and the right-hand wall, which is opposite the rear side of the spray drill hole, due to the failure of the protective device 1 of FIG has a damage 13 in the form of a punch through the laser beam despite despite the laser processing used protection device 1.
  • the protective device with the characterizing part of patent claim 1 has the advantage that the laser radiation which emerges at the borehole exit side of a component or workpiece to be machined is absorbed due to the inventive composite structure of the intended use in the laser beam direction behind the borehole exit side protective device, so that the the borehole exit side opposite wall of the component is protected against unwanted damage by an otherwise unhindered further propagating laser beam.
  • the laser beam penetrating into the protective device is split by the fibers distributed in the plastic matrix, wherein the energy density of the laser beam is attenuated and absorbed, as opposed to conventional union protection devices made of metal or ceramic, in which the penetrating laser beam undergoes no such splitting and thus can penetrate such a conventional protection device.
  • the protective device according to the invention is advantageously suitable in particular for components which have a rotationally symmetrical shape with a cavity formed therein, that is to say, for example, for injection nozzles, diesel nozzles, throttles, valve pieces and filter pieces.
  • a particularly high dielectric strength of the protective device according to the invention can be achieved if a plastic matrix of thermoplastic polyetheretherketone (PEEK) and glass fibers embedded therein is used, whereby a protective device formed in this way can be produced inexpensively by injection molding due to its ease of manufacture. Due to the high dielectric strength of the protective device according to the invention results in contrast to the prior art, a higher process reliability during laser processing and thus a lower reject rate due to damaged components.
  • PEEK thermoplastic polyetheretherketone
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a diesel nozzle with a positioned in a dome of the diesel nozzle protection device according to the invention made of a composite of polyether ether ketone resin with embedded therein glass fibers,
  • Fig. 2 shows a section of a conventional protective device made of metal in a plan view, wherein the protective device when used as intended in a component to be machined is used for shielding laser radiation and has several adjacent passages through laser radiation with ultrashort laser pulses in the nanosecond range
  • Fig. 3 is a partial head view of a diesel nozzle in longitudinal section, in the left side of a spray hole is drilled by ultrashort laser pulses from a laser source and a spray hole opposite side of the diesel nozzle by the laser beam due to the failure of the conventional protection device of Fig. 2 during the laser processing damage having.
  • the protective device 1 shows, in a highly schematic view, the protective device 1 according to the invention, which is inserted in a component 2 to be processed by means of a laser beam 5 during the laser processing.
  • the component to be machined 2 is the head-side part of a diesel nozzle, which is shown in a processing stage, in which the laser beam 5 from a high power laser, not shown, pulsed laser injection hole 3 in the left side wall 10 of the head-side part the nozzle nozzle 2 forming nozzle tip 4 generates.
  • the protective device 1 is inserted into the cavity 6 of the nozzle 2 in the jet direction behind the drill hole exit side 8, to completely absorb the laser radiation emerging from the borehole outlet side 8.
  • the protective device 1 is formed from a composite of thermoplastic polyetheretherketone plastic (PEEK) and substantially uniformly embedded therein glass fibers.
  • PEEK thermoplastic polyetheretherketone plastic
  • the glass fibers with respect to their respective Fasererstreckungsnchtungen are disordered or irregular, ie arranged crosswise to each other running in the volume of a plastic matrix of polyetheretherketone.
  • the laser radiation strikes after drilling the predefined borehole 3 in the diesel nozzle wall on the back 8 of the borehole 3 emerges on the surface 9 of the protective device 1 adjoining the borehole rear side 8, which is introduced into the cavity 6.
  • the incident on the surface 9 of the protective device 1 laser beam 5 penetrates into the composite of polyetheretherketone plastic (PEEK) and glass fibers and undergoes by in the PEEK plastic matrix with approximately uniform density arranged glass fibers splitting, wherein the energy density of the laser beam 5 decreases successively by the splitting and the laser beam is absorbed in the composite material.
  • PEEK polyetheretherketone plastic
  • the protective device 1 according to the invention designed as a composite has a significantly higher absorption for the incident laser radiation than the prior art.
  • the density and size of the glass fibers in the PEEK is to be selected such that the incident laser beam is optimally scattered and the backing material is used to machine a nozzle withstand.
  • the mixing ratio or the filling amount of the fibers in the composite is set to a range of 40-60% for the fiber fraction in order to form a relatively good scattering body for the incident laser radiation at this density of the fibers in the composite. Since the beam diameter of the laser source to be used for laser drilling is approximately 20-25 ⁇ m in the exemplary embodiment, the diameter of the fibers is set to a range of 10-15 ⁇ m.
  • the fibers embedded in the composite structure are formed as carbon fibers.
  • the front portion of the protective device 1, which faces the diesel nozzle 4 within the cavity 6 of the diesel nozzle 4 during proper positioning of the protective device 1, is formed tapered, so that between the provided for laser drilling wall 10 of the Dieselkuppen Schemes 4 of the diesel nozzle 2 and the adjacent surface 9 of the protective device 1 remains a gap whose function is that a working and inert gas such as N 2 or a noble gas such as helium can flow through the gap to during the laser machining of the component 2 evaporated or molten material residues from the wellbore 3 dissipate through the back 8.
  • Another function of the surface 9 is that it provides the defined from the back of the borehole 3 laser beam 5 a defined planar interface, which extends approximately at right angles to the incident laser beam 5.
  • the protective device 1 is formed of a composite of a matrix of polyetheretherketone plastic and fibers embedded therein, wherein the fibers are embedded so that they extend in the plastic crosswise and transverse to each other with respect to their respective fiber extension direction and in the volume of the plastic Protective device 1 are distributed with approximately uniform density.
  • the fibers are designed as glass fibers or carbon fibers for splitting the laser beam 5 penetrating into the composite and reducing its energy density.
  • the protective device 1 according to the invention is suitable for the production of components such as nozzles or injectors, which have a rotationally symmetrical shape, wherein the protective device according to the invention is positioned in the component so that the protective device in the beam direction of the laser beam used for processing behind the borehole exit side in the component there Exiting laser radiation blocks and shields an opposite wall of the component.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzvorrichtung (1) zur Laserbearbeitung von Löchern (3) in wenigstens einem Bauteil (2) mittels eines Laserstrahls (5), wobei die Schutzvorrichtung (1) in Strahlrichtung hinter dem strahlaustrittsseitigen Ende (8) eines zu bearbeitenden Lochs (3) in der Bauteilwandung (10) positionierbar ist, um einen daran angrenzenden Rückraum mit einer dem Loch (3) gegenüberliegenden Bauteilwandung (119 des Bauteils (2) gegenüber dem einfallenden Laserstrahl zu schützen. Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung (1) ist aus einem Verbund aus einer Matrix aus Polyetheretherketon-Kunststoff und darin eingebetteten Fasern gebildet, wobei die Fasern so eingebettet sind, dass sie bezüglich ihrer jeweiligen Fasererstreckungsnchtung in dem Kunststoff kreuz und quer zueinander verlaufen und in dem Volumen des Kunststoffs der Schutzvorrichtung (1) mit etwa gleichmäßiger Dichte verteilt sind. Die Fasern sind als Glas- oder Carbonfasern zum Aufspalten des in den Verbund eindringenden Laserstrahls (5) und dessen Energiedichtereduzierung ausgeführt.

Description

Beschreibung Titel
Schutzvorrichtung zur Laserbearbeitung von Löchern in Bauteilen Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Schutzvorrichtung zur Laserbearbeitung von Löchern in wenigstens einem Bauteil mittels Laserstrahlung, wobei die Schutzvorrichtung am strahlaus- trittsseitigen Ende eines zu bearbeitenden Lochs positionierbar ist, um einen daran angrenzenden Rückraum des Bauteils gegenüber der Laserstrahlung zu schützen, nach der Gattung des Patentanspruchs 1 . Ferner geht die Erfindung von einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils wie einer Düse, insbesondere eines Injektors, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung sowie von einem Verfahren zur Herstellung eines Injektors unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung aus.
In der industriellen Materialbearbeitung, insbesondere zum Bohren von Löchern wie z.B. Durchgangslöchern oder Sacklöchern in Bauteilen bzw. Werkstücken werden immer häufiger gepulste Hochleistungslaser eingesetzt, durch deren Einsatz sich gegenüber konventionellen mechanischen Zerspanungstechniken eine höhere Präzision der Bearbeitung und eine kürzere Bearbeitungszeit erzielen lassen. Ein Problem beim Laserbohren von Löchern besteht darin, dass der beim Bohren eines Lochs bei Beendigung des Laserbohrvorgangs an der Bohrlochrückseite austretende Laserstrahl abgeschirmt bzw. blockiert werden muss, um die der Bohrlochrückseite gegenüberliegende Bauteilwand gegen unerwünschte Beschädigungen durch den Laserstrahl zu schützen. Dieses Problem stellt sich insbesondere dann, wenn es sich bei den mittels Laserstrahlung zu bearbeitenden Bauteilen beispielsweise um Einspritzdüsen oder Dieseldüsen o. dgl. zur Verwendung in der Automobiltechnik handelt. Eine derartige Einspritzdüse weist einen im wesentlichen hohlzylindrischen Düsenkörper auf mit einer Düsenkuppe, in deren Kuppenwandung mehrere Spritzlöcher vorzusehen bzw. auszubohren sind, um bei späterem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Düse den Kraftstoff durch diese Spritzlöcher in den Motorbrennraum zu verteilen bzw. zu zerstäuben. Da derartige Einspritzdüsen bezüglich ihrer Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet sind, wird üblicherweise beim Stand der Technik zum Laserbohren eines Spritzlochs in der Düsenkup- pe innerhalb des Hohlraums, der in der Düsenkuppe ausgebildet sind, eine aus metallischem oder keramischem Werkstoff gebildete Schutzvorrichtung für die Bearbeitungsdauer des Laserbohrens eingesetzt, die auch als sog. Backing-Material bezeichnet wird und dazu dient, den aus dem in der Wandung der Düsenkuppe lasergebohrten Bohrloch an der Bohrlochrückseite austretenden Laserstrahl zu blockieren bzw. zu absorbieren, um eine Beschädigung der gegenüberliegenden Wandung der Düsenkuppe zu verhindern.
Nachteilig bei derartigen Schutzvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik ist, dass die dazu verwendeten metallischen oder keramischen Werkstoffe bei der Laserbearbeitung durch Hochleistungslaser mit ultrakurzen Laserpulsen der aus der Bohrlochrückseite austretenden und auf die Schutzvorrichtung auftreffenden Laserstrahlung nicht standhalten und somit ihre Schutzfunktion nicht erfüllen können. Dazu zeigt Fig. 2 eine herkömmliche Schutzvorrichtung 1 , welche bei bestimmungsgemäßem Gebrauch im Hohlraum 6 einer Dieseldüse 2 von einem aus der Bohrlochrückseite austretenden Laserstrahl verursachte Durchschlagslöcher 7 aufweist und somit keine Rückraumschutzfunktion mehr besitzt. Fig. 3 zeigt exemplarisch eine Dieseldüse 2 nach Versagen der herkömmlichen Schutzvorrichtung 1 , wobei die linksseitige Wandung des Düsenkörpers ein mittels Laserstrahlung ausgebohrtes Spritzbohrloch 3 aufweist und die rechtsseitige Wandung, welche der Rückseite des Spritzbohrlochs gegenüberliegt, aufgrund des Versagens der Schutzvorrichtung 1 von Fig. 2 eine Beschädigung 13 in Form eines Durchschusses durch den Laserstrahl trotz während der Laserbearbeitung eingesetzter Schutzvorrichtung 1 aufweist.
Vorteile der Erfindung
Die Schutzvorrichtung mit dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Laserstrahlung, die an der Bohrlochaustrittsseite eines zu bearbeitenden Bauteils bzw. Werkstücks austritt, aufgrund der erfindungsgemäßen Verbundstruktur der bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in Laserstrahlrichtung hinter der Bohrlochaustrittsseite angeordneten Schutzvorrichtung absorbiert wird, so dass die der Bohrlochaustrittsseite gegenüberliegende Wandung des Bauteils gegen ungewollte Beschädigung durch einen sich ansonsten ungehindert weiter ausbreitenden Laserstrahl geschützt wird. Indem nämlich die Verbundstruktur der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung aus in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Fasern gebildet wird, wird der in die Schutzvorrichtung eindringende Laserstrahl durch die in der Kunststoff matrix verteilten Fasern aufgespalten, wobei die Energiedichte des Laserstrahls abgeschwächt bzw. reduziert wird, und absorbiert, im Unterschied zu herkömm- lichen Schutzvorrichtungen aus Metall oder Keramik, bei denen der eindringende Laserstrahl keine derartige Aufspaltung erfährt und somit eine solche herkömmliche Schutzvorrichtung durchschlagen kann.
Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung eignet sich in vorteilhafter Weise insbesondere für Bauteile, die eine rotationssymmetrische Form mit darin ausgebildetem Hohlraum aufweisen, also wie beispielsweise für Einspritzdüsen, Dieseldüsen, Drosseln, Ventilstücke und Filterstücke.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen. Insbesondere ist eine besonders hohe Durchschlagsfestigkeit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung erzielbar, wenn eine Kunststoffmatrix aus thermoplastischem Polyetheretherketon (PEEK) und darin eingebetteten Glasfasern verwendet wird, wobei eine derart ausgebildete Schutzvorrichtung aufgrund der einfachen Herstellbarkeit durch Spritzguß kostengünstig produzierbar ist. Aufgrund der hohen Durchschlagsfestigkeit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ergibt sich im Unterschied zum Stand der Technik eine höhere Prozesssicherheit während der Laserbearbeitung und mithin eine niedrigere Ausschußquote durch beschädigte Bauteile.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in schematischen Ansichten:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Dieseldüse mit einer in einer Kuppe der Dieseldüse positionierten erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung aus einem Verbund aus Polyether- etherketon-Kunststoff mit darin eingebetteten Glasfasern,
Fig. 2 einen Ausschnitt einer herkömmlichen Schutzvorrichtung aus Metall in einer Draufsicht, wobei die Schutzvorrichtung bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in einem zu bearbeitenden Bauteil zum Abschirmen von Laserstrahlung dient und mehrere nebeneinander liegende Durchschüsse durch Laserstrahlung mit ultrakurzen Laserpulsen im Nanosekun- den-Bereich aufweist, Fig. 3 eine kopfseitige Teilansicht einer Dieseldüse im Längsschnitt, bei der linksseitig ein Spritzloch mittels ultrakurzer Laserpulse aus einer Laserquelle ausgebohrt ist und eine dem Spritzloch gegenüberliegende Seite der Dieseldüse durch den Laserstrahl aufgrund des Versagens der herkömmlichen Schutzvorrichtung von Fig. 2 während der Laserbearbeitung eine Beschädigung aufweist.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig. 1 zeigt in einer stark schematischen Ansicht die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 1 , die in einem mittels eines Laserstrahls 5 zu bearbeitenden Bauteil 2 während der Laserbearbeitung eingesetzt ist. Bei dem zu bearbeitenden Bauteil 2 handelt es sich um den kopfseitigen Teil einer Dieseldüse, die in einem Bearbeitungsstadium dargestellt ist, in welchem der Laserstrahl 5 aus einem nicht dargestellten, gepulst betriebenen Laser hoher Leistung ein Spritzloch 3 in der linksseitigen Wandung 10 der den kopfseitigen Teil der Dieseldüse 2 bildenden Düsenkuppe 4 erzeugt. Da aufgrund des innerhalb der Düse 2 ausgebildeten Hohlraums 6 die dem Spritzloch 3 gegenüberliegende rechtsseitige Wandung 1 1 gegen die aus dem Spritzloch 3 austretende Laserstrahlung geschützt werden muss, ist in den Hohlraum 6 der Düse 2 in Strahlrichtung hinter die Bohrlochaustrittseite 8 die Schutzvorrichtung 1 eingesetzt, um die aus der Bohrlochaustrittseite 8 austretende Laserstrahlung vollständig zu absorbieren.
Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass die Schutzvorrichtung 1 aus einem Verbund aus thermoplastischem Polyetheretherketon-Kunststoff (PEEK) und im wesentlichen gleichmäßig darin eingebetteten Glasfasern gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel sind die Glasfasern bezüglich ihrer jeweiligen Fasererstreckungsnchtungen ungeordnet bzw. unregelmäßig, d.h. kreuz und quer zueinander verlaufend im Volumen einer Kunststoff matrix aus Poly- etheretherketon angeordnet. Bei Verwendung eines gepulsten Hochleistungslasers mit einer Pulsspitzenleistung von typischerweise etwa 25 MW als Strahlungsquelle im infraroten Wellenlängenbereich um etwa 1 μηη mit ultrakurzen Impulsen im Subnanosekunden- bis in den Pikosekundenbereich trifft die Laserstrahlung, die nach Ausbohren des vordefinierten Bohrlochs 3 in der Dieseldüsenwandung an der Rückseite 8 des Bohrlochs 3 heraustritt, auf die an der Bohrlochrückseite 8 angrenzende Oberfläche 9 der Schutzvorrichtung 1 , welche in den Hohlraum 6 eingeführt ist. Der auf die Oberfläche 9 der Schutzvorrichtung 1 auftreffende Laserstrahl 5 dringt in den Verbund aus Polyetheretherketon-Kunststoff (PEEK) und Glasfasern ein und erfährt durch die in der PEEK-Kunststoffmatrix mit etwa gleichmäßiger Dichte angeordneten Glasfasern eine Aufspaltung, wobei die Energiedichte des Laserstrahls 5 durch die Aufspaltung sukzessive sinkt und der Laserstrahl in dem Verbundmaterial absorbiert wird. Im Vergleich zu einer Schutzvorrichtung, deren Backing-Material wie beim Stand der Technik gemäß Fig. 2 lediglich„monolithisch" ausgebildet ist, d.h. aus Metall oder Keramik besteht, und dadurch lediglich eine lokale Absorption des Laserstrahls in diesem Backing-Material erfolgt, die transversal zur Strahlausbreitungsrichtung gesehen im wesentlichen auf den Strahldurchmesser des in das Backing-Material eindringenden Laserstrahls begrenzt ist, wobei dessen lokal hohe Energiedichte zu einer Materialabtragung entlang der Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls im Material führt, erfährt demgegenüber ein in die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 1 eindringender Laserstrahl eine Volumenabsorption, da der in das„hybrid" ausgebildete Material der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung 1 eindringende Laserstrahl durch die im wesentlichen„amorphe" Anordnung der Fasern im Volumen des Kunststoffs aufgespaltet bzw. aufgefächert wird, so dass die Energiedichte aufgrund der durch die Auffächerung diffus vergrößerten Wechselwirkungszone des Laserstrahls im Verbundmaterial reduziert wird und die Absorption als Wärmedissipation innerhalb des Volumens des Materials erfolgt. Demgemäß weist die als Verbund ausgebildete erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 1 gegenüber dem Stand der Technik eine signifikant höhere Absorption für die auftreffende Laserstrahlung auf.
Um den in das Verbundmaterial der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung 1 eindringenden Laserstrahl 5 mittels der darin eingebetteten Glasfasern optimal in Teilstrahlen aufzuspalten , ist die Dichte und Größe der Glasfasern im PEEK, so zu wählen, dass der auftreffende Laserstrahl optimal gestreut wird und das Backingmaterial der Bearbeitung einer Düse standhält. Dazu wird das Mischungsverhältnis bzw. die Füllmenge der Fasern in dem Verbund auf einen Bereich von 40 - 60 % für den Faseranteil festgelegt, um bei dieser Dichte der Fasern im Verbund einen verhältnismäßig guten Streukörper für die auftreffende Laserstrahlung zu bilden. Da der Strahldurchmesser der zum Laserbohren zu verwendenden Laserquelle im Ausführungsbeispiel etwa 20 - 25 μηη beträgt, wird der Durchmesser der Fasern auf einen Bereich von 10 - 15 μηη festgelegt. Bei signifikant höheren Faserdurchmessern ist für die einfallende Laserstrahlung eine Abnahme der Wahrscheinlichkeit von Streu prozessen zugunsten einer Zunahme von Einkopplungsprozessen zu erwarten, die zu einer unerwünschten Zerstörung der Fasern aufgrund der hohen Energiedichte der Laserstrahlung führen können. Um ferner eine stochastische Durchmischung der Fasern im Verbund zu erzielen, bei welcher sich keine vorherrschende Vorzugsorientierungsrichtung der Fasern in der PEEK- Matrix einstellt, ist deren Länge auf einen Bereich von 0,1 - 0,5 mm festgelegt. Diese Anga- ben für die Schutzvorrichtung bleiben gültig, wenn anstatt der verwendeten Wellenlänge im infraroten Wellenlängenbereich von 1030 - 1064 nm des zur Bearbeitung eingesetzten Lasers alternativ Laser eingesetzt werden, deren Emissionswellenlänge bei 531 nm oder auch bei 1500 nm liegt. In einer Ausführungsvariante der Erfindung sind die in der Verbundstruktur eingebetteten Fasern als Carbonfasern ausgebildet.
Der vordere Abschnitt der Schutzvorrichtung 1 , welcher bei bestimmungsgemäßer Positionierung der Schutzvorrichtung 1 innerhalb des Hohlraums 6 der Dieseldüse 2 der Dieselkuppe 4 zugewandt ist, ist spitz zulaufend geformt, so dass zwischen der zum Laserbohren vorgesehenen Wandung 10 des Dieselkuppenbereichs 4 der Dieseldüse 2 und der dazu benachbarten Oberfläche 9 der Schutzvorrichtung 1 ein Zwischenraum bleibt, dessen Funktion darin besteht, dass ein Arbeits- und Schutzgas wie beispielsweise N2 oder ein Edelgas wie Helium durch den Zwischenraum strömen kann, um während der Laserbearbeitung des Bauteils 2 verdampfte oder abgeschmolzene Materialrückstände aus dem Bohrloch 3 über dessen Rückseite 8 abzuführen. Eine weitere Funktion der Oberfläche 9 besteht darin, dass sie dem aus der Rückseite des Bohrlochs 3 austretenden Laserstrahl 5 eine definierte ebene Grenzfläche bietet, die etwa rechtwinklig zum einfallenden Laserstrahl 5 verläuft.
Zusammenfassend ist die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 1 aus einem Verbund aus einer Matrix aus Polyetheretherketon-Kunststoff und darin eingebetteten Fasern gebildet, wobei die Fasern so eingebettet sind, dass sie bezüglich ihrer jeweiligen Faserstreckungsrichtung in dem Kunststoff kreuz und quer zueinander verlaufen und in dem Volumen des Kunststoffs der Schutzvorrichtung 1 mit etwa gleichmäßiger Dichte verteilt sind. Die Fasern sind als Glasfasern oder Carbonfasern zum Aufspalten des in den Verbund eindringenden Laserstrahls 5 und dessen Energiedichtereduzierung ausgeführt. Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 1 eignet sich zur Herstellung von Bauteilen wie Düsen oder Injektoren, welche eine rotationssymmetrische Form aufweisen, wobei die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung in dem Bauteil so positioniert wird, dass die Schutzvorrichtung in Strahlrichtung des zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls hinter der Bohrlochaustrittsseite in dem Bauteil die dort austretende Laserstrahlung blockiert und eine gegenüberliegende Wandung des Bauteils abschirmt.

Claims

Patentansprüche
1 . Schutzvorrichtung (1 ) zur Laserbearbeitung von Löchern (3) in wenigstens einem Bauteil (2) mittels Laserstrahlung (5), wobei die Schutzvorrichtung (1 ) am strahlaustrittsseitigen Ende (8) eines zu bearbeitenden Lochs (3) positionierbar ist, um einen daran angrenzenden Rückraum des Bauteils (2) gegenüber der Laserstrahlung zu schützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (1 ) so beschaffen ist, dass sie aus einem Verbund aus Kunststoff und darin eingebetteten Fasern gebildet ist.
2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der im Verbund der Schutzvorrichtung (1 ) verwendete Kunststoff thermoplastisch ausgebildet ist.
3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Verbund der Schutzvorrichtung (1 ) verwendete Kunststoff Polyetheretherketon-Kunststoff ist.
4. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Verbund verwendeten Fasern bezüglich ihrer jeweiligen Fasererstreckungsrich- tungen in dem Kunststoff kreuz und quer zueinander verlaufend angeordnet sind.
5. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern im Volumen des Kunststoffs der Schutzvorrichtung (1 ) mit etwa gleichmäßiger Dichte verteilt angeordnet sind.
6. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Anteil der Fasern in dem Verbund die Füllmenge innerhalb eines Bereichs von etwa 40 % bis 60 % liegt.
7. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einen Durchmesser im Bereich von etwa 10 bis 15 μηη aufweisen.
8. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von etwa 0,1 bis 0,5 mm aufweisen.
9. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern als Glasfasern in dem Verbund der Schutzvorrichtung (1 ) ausgebildet sind.
10. Schutzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfasern so beschaffen sind, dass sie für die Emissionswellenlänge der zur Laserbearbeitung eingesetzten Laserquelle annähernd transparent sind.
1 1. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schutzvorrichtung (1 ) bildende Verbund mittels Spritzgießen herstellbar ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils wie einer Düse, insbesondere eines Injektors, unter Verwendung der Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei die Schutzvorrichtung (1 ) in einem Raum des Bauteils (2) so positioniert wird, dass die an der Rückseite eines in einer Wandung (10) des Bauteils (2) vorgesehenen Bohrlochs (3) austretende Laserstrahlung von der Schutzvorrichtung (1 ) vollständig blockiert und ein gegenüberliegender Abschnitt (1 1 ) des Bauteils (2) abgeschirmt wird.
13. Verfahren zur Herstellung eines Injektors unter Verwendung der Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei die Schutzvorrichtung in einem Raum des Injektors so positioniert wird, dass die an der Rückseite eines in einer Wandung des Injektors vorgesehenen Bohrlochs austretende Laserstrahlung von der Schutzvorrichtung vollständig blockiert und ein gegenüberliegender Abschnitt des Injektors abgeschirmt wird.
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