EP3191252A1 - Abtragstrategie beim lasern - Google Patents

Abtragstrategie beim lasern

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EP3191252A1
EP3191252A1 EP15774905.2A EP15774905A EP3191252A1 EP 3191252 A1 EP3191252 A1 EP 3191252A1 EP 15774905 A EP15774905 A EP 15774905A EP 3191252 A1 EP3191252 A1 EP 3191252A1
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EP
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sectors
sector
removal
area
cooling air
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Withdrawn
Application number
EP15774905.2A
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Axel Kaiser
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/001—Turbines

Definitions

  • the invention relates to an ablation strategy, that is to say the laser guidance during the machining of a substrate, in which material is removed, in particular in order to produce a through-hole.
  • Laser drilling methods are state of the art in order to machine metallic, ceramic or layer systems made of metallic substrate with ceramic layers thereon and to produce through holes through these materials. Depending on the material, this leads to a more stressed zone in the edge area, ie the inner peripheral surface of a hole, which should be avoided. It is therefore an object of the invention to show a removal strategy which solves the above-mentioned problem.
  • the object is achieved by a method according to claim 1.
  • further advantageous measures are listed, which can be combined with one another in any desired manner in order to achieve further advantages. 1, 2, 4 show schematically the cross section of a surface to be removed, FIGS. 3, 5, 6 schematically show the invention
  • FIG. 1 shows a trapezoidal shape as a local area 1 of a surface 2 to be removed, which has four sides 4, 7, 10, 13.
  • the area 1 is thus a partial area of the surface 2.
  • This trapezoidal shape is preferably used in cooling air openings in turbine components or high-temperature components as a diffuser, from which cooling air flows.
  • the local area 1 (1 ', 1 ", FIG. 5) to be removed can have any shape, here a trapezoidal shape or a quadrangle. Multi-cornered shapes are just as conceivable as round or oval surfaces or combinations thereof.
  • the area 1 to be removed is virtually subdivided into a plurality of sectors 33, 34, 37, 40, by preferably defining a geometric or other center 31 within the area 1, 1 ', 1'',1'", from which virtual lines lead to the corner points 19, 22, 25, 28 of the surface 1 (in this case Trapez), so that the surface 1 is subdivided into the sectors 33, 34, 37, 40 (FIG. 2).
  • a first removal line is removed by removing only material by sector. Starting in any sector, here the sector 40. In the following material is removed in the other sectors 31, 33, 37 in the same Abtragsebene. This is then preferably first the sector 34, which is opposite the sector 40, in which case the two intermediate sectors 33, 37 are correspondingly removed.
  • a preferred example of a single sector 40 is shown in FIG. The material removal begins on one side 4 of the one sector 40 of the surface 1 with a preferably linear laser beam guide 50 and the laser beam shifts towards the center point 31 and preferably along a straight laser guide along the tracks 51, 52, 53 , 54 ff. Up to the middle point 31 Material off.
  • the material removal in the sectors is preferably always started from the side line 10, 7, 13 of the surface 1.
  • FIG. 4 shows a further form which represents a surface 1 to be removed.
  • this area is again in several sectors, here preferably four sectors 33 ', 34', 37 ', 39' with a
  • the laser beams can be curved in accordance with the curvature of the outer edge of the respective sector 37 or can be guided in a correspondingly straight line (sector 33).
  • the departure strategy is continued accordingly, it then being sensible to start the second removal level again with the sector with which one deducts for the first one - started at the lower level.
  • a component can have a plurality of such through-holes or surfaces 1 ', 1'',1''', ... to be removed.
  • the laser beam travels along the longitudinal orientation of the cooling air row 60 to the second trapezoidal shape or second first surface of a second sector 40 '' in order to remove material there, as is the case with the
  • Abtragsline 61 '' and 61 ' shown below'.
  • the first removal of material preferably begins from a side line 4 ', 4 ⁇ , ... the surface to be removed 1', 1 '', 1 ''', .... If all the first sectors (40 ', 40'',40''') of the cooling air holes of a cooling air row 60 to be produced along the side lines 4 ', 4'', ... are processed, then parallel or adapted to the first, In particular, a straight-line removal line 61 ', 61''is removed along a displaced removal line 62' material, in which case the laser is again moved to the second surface 1 "in order to remove material there until the end of the cooling air row. (FIG.
  • the laser beam is guided along a longitudinal alignment of the cooling air row (60) to the directly next surface (1 '') and a first sector (40 '') of the next surface (1 ''),

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Abstract

Durch eine Verfahrstrategie für Materialabtrag einer abzutragenden Fläche (1) wird diese in Sektoren (33, 34, 37, 40) unterteilt, wobei der Materialabtrag im Randbereich (4) beginnt und nachfolgend zum Mittelpunkt fortgeführt wird.

Description

Beschreibung Abtragstrategie beim Lasern Die Erfindung betrifft eine Abtragstrategie, das heißt die Laserführung beim Bearbeiten eines Substrats, bei dem Mate- rial abgetragen wird, insbesondere um ein Durchgangsloch zu erzeugen. Laserbohrverfahren sind Stand der Technik um metallische, keramische oder Schichtsysteme aus metallischem Substrat mit keramischen Schichten darauf zu bearbeiten und Durchgangs- löcher durch diese Materialien zu erzeugen. Dabei kommt es je nach Material zu einer stärker beanspruch- ten Zone im Randbereich, das heißt der inneren Umfangsfläche eines Lochs, die vermieden werden sollte. Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Abtragstrategie auf- zuzeigen, die oben genanntes Problem löst. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön- nen, um weitere Vorteile zu erzielen. Es zeigen Figur 1, 2, 4 schematisch den Querschnitt einer abzutragen- den Fläche, Figur 3, 5, 6 schematisch den erfindungsgemäßen
Verfahrensablauf. Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei- spiele der Erfindung dar. In Figur 1 ist eine Trapezform als eine abzutragende, lokale Fläche 1 einer Oberfläche 2 dargestellt, die vier Seiten 4, 7, 10, 13 aufweist. Die Fläche 1 ist also eine Teilfläche der Oberfläche 2.
Diese Trapezform wird vorzugsweise bei Kühlluftöffnungen bei Turbinenbauteilen oder Hochtemperaturbauteilen als Diffusor verwendet, aus denen Kühlluft ausströmt.
Die dann später hergestellte Öffnung wird von einem Heißgas in eine Überstromrichtung 16 überströmt. Ganz allgemein kann die abzutragende, lokale Fläche 1 (1‘, 1‘‘, Fig. 5) jegliche Form aufweisen, hier eine Trapezform oder ein Viereck. Vielfacheckige Formen sind ebenso denkbar wie runde oder ovale Flächen oder Kombinationen davon. Vorab wird die abzutragende Fläche 1 virtuell in mehrere Sek- toren 33, 34, 37, 40 unterteilt, indem vorzugsweise ein geo- metrischer oder sonstiger Mittelpunkt 31 innerhalb der Fläche 1, 1‘, 1‘‘, 1‘‘‘,… festgelegt wird, von dem aus virtuelle Li- nien zu den Eckpunkten 19, 22, 25, 28 der Fläche 1 (hier Tra- pez) führen, so dass die Fläche 1 in die Sektoren 33, 34, 37, 40 unterteilt ist (Fig. 2). Zum Abtragen von Material, das vorzugsweise schichtweise er- folgt, wird eine erste Abtragslinie dadurch abgetragen, dass nur sektorweise Material abgetragen wird. Begonnen wird in einem beliebigen Sektor, hier der Sektor 40. Im nachfolgenden wird Material in den weiteren Sektoren 31, 33, 37 in derselben Abtragsebene abgetragen. Dies ist vorzugsweise dann zuerst der Sektor 34, der dem Sek- tor 40 gegenüber liegt, wobei dann die zwei dazwischen lie- gende Sektoren 33, 37 entsprechend abgetragen werden. Ein vorzugweises Beispiel für einen einzelnen Sektor 40 wird in Figur 3 dargestellt. Der Materialabtrag beginnt an einer Seite 4 des einen Sektors 40 der Fläche 1 mit einer vorzugsweise geradlinigen Laser- strahlführung 50 und der Laserstrahl verschiebt sich zum Mit- telpunkt 31 hin und trägt entlang vorzugsweise einer gerad- linigen Laserführung entlang der Spuren 51, 52, 53, 54 ff. bis zum Mittelpunkt 31 Material ab.
Dadurch wird der Wärmeeintrag in ein umgebendes Substrat deutlich verringert. Man beginnt den Materialabtrag in den Sektoren vorzugsweise immer von der Seitenlinie 10, 7, 13 der Fläche 1.
In der Figur 4 ist eine weitere Form dargestellt, die eine abzutragende Fläche 1 darstellt.
Hier ist es eine Kreisform. Ebenso kann es eine ovale Form darstellen. Auch Kombinationen aus einer Rechteckform mit einem Halbkreis sind ebenso denkbar. Ebenso wird diese Fläche wieder in mehrere Sektoren, hier vorzugsweise vier Sektoren 33‘, 34‘, 37‘, 39‘ mit einem
Kreismittelpunkt 31‘ unterteilt und die Abtragung vom Mate- rial in der ersten Abtragslinie erfolgt sektorweise. Dabei können die Laserstrahlen entsprechend der Krümmung des äuße- ren Rands des jeweiligen Sektors 37` gekrümmt verlaufen oder werden entsprechend geradlinig geführt (Sektor 33`). Um ausgehend von Figuren 1, 2, 3 oder 4 ein Durchgangsloch zu erzeugen oder eine weitere Abtragsebene zum Materialabtrag zu erzeugen, wird die Abfahrstrategie entsprechend fortgeführt, wobei man sinnvollerweise dann die zweite Abtragsebene wieder mit dem Sektor beginnt, mit dem man für die erste abzutra- gende Ebene angefangen hat. Ein Bauteil kann mehrere solche Durchgangslöcher oder abzu- tragende Flächen 1‘, 1‘‘, 1‘‘‘, … aufweisen. Dies sind bei Turbinenschaufeln Kühlluftreihen 60, wie es schematisch in Figuren 5, 6 dargestellt ist. Auch hier wird in nicht ein- schränkender Weise wieder eine Trapezform verwendet, um die Erfindung darzustellen, wobei gedachte Linien die jeweiligen ersten Sektoren 40‘, 40‘‘, 40‘‘‘, … der jeweiligen Fläche 1‘, 1‘‘, 1‘‘‘ darstellen. Bei einer solchen Kühlluftreihe 60 wird nicht zuerst ein Sek- tor 40 einer Fläche 1‘ vollständig in einer ersten
Abtragsebene abgetragen, sondern der Laserstrahl wandert ent- lang der Längsausrichtung der Kühlluftreihe 60 zu der zweiten Trapezform bzw. zweiten ersten Fläche eines zweiten Sektors 40``, um dort Material abzutragen, wie es mit der
Abtragslinie 61‘‘ und nachfolgend 61‘‘‘ dargestellt ist. Auch hier beginnt das erste Abtragen von Material vorzugsweise von einer Seitenlinie 4`, 4``,… der abzutragenden Fläche 1‘, 1‘‘, 1‘‘‘, …. Sind alle erste Sektoren (40`, 40``, 40```) der herzustellen- den Kühlluftlöcher einer Kühlluftreihe 60 entlang der Seiten- linien 4`, 4``,… bearbeitet, so wird nachfolgend parallel oder angepasst zu der ersten, insbesondere geradlinig verlau- fenden Abtragslinie 61‘, 61‘‘ entlang einer verschobenen Abtragslinie 62‘ Material abgetragen, wobei dann der Laser wiederum zu der zweiten Fläche 1‘‘ verfahren wird, um dort Material abzutragen bis zum Ende der Kühlluftreihe. (Fig. 6.) Am Ende dieses ersten Schritts ist in der Kühlluftreihe 60 jeweils nur in den ersten Sektoren 40‘, 40‘‘, … vollständig in einer ersten Abtragsebene Material abgetragen. Nachfolgend erfolgt der Abtrag für die anderen Sektoren. Da man bei dieser Vorgehensweise nicht nur im Randbereich be- ginnt, und dann zum Inneren verläuft, sondern für die erste abzutragende Fläche 1 quasi eine Pause einlegt, indem man im anderen Bereich Material abträgt, wird der Wärmeeintrag in das Substrat deutlich verringert. Die Laserstrahlen werden vorzugsweise geradlinig geführt. So werden bei der Erzeugung eines Materialabtrags in einem Sek- tor 40 die Laserstrahlen 51, 52, 53, 54 zum Mittelpunkt 31 hin geführt.
Ebenso können mehrere, voneinander getrennte, abzutragende lokale Flächen (1‘, 1‘‘, 1‘‘‘),
insbesondere einer Kühlluftreihe (60)
bearbeitet werden, in den sie (1`, 1``, 1```) ebenfalls in Sektoren (40‘, 40‘‘, 40‘‘‘) unterteilt werden,
wobei zuerst ein erster Sektor (40‘) einer Fläche (1) kom- plett in einer Abtragsebene entfernt wird,
der Laserstrahl entlang einer Längsausrichtung der Kühlluft- reihe (60) zur direkt nächsten Fläche (1``) und einem ersten Sektor (40´´) der nächsten Fläche (1``) geführt wird,
und der erste Sektor (40``) der nächsten Fläche (1``) kom- plett entfernt wird,
bis alle erste Sektoren (40`, 40``, 40```) der Flächen (1`, 1``, 1```) bearbeitet sind und
dann entsprechend die anderen Sektoren einzeln und nacheinan- der der benachbarten Flächten (1`, 1``, 1```) bearbeitet wer- den und dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren
zum Abtrag von Material in einer lokalen Fläche (1) mittels eines Energiestrahls,
insbesondere mittels eines Laserstrahls,
bei dem die abzutragende Fläche (1) in zumindest zwei, insbesondere in zumindest drei,
ganz insbesondere in zumindest vier
Sektoren (33, 34, 37, 40; 40‘, 40‘‘, 40‘‘‘; 33‘, 34‘, 37‘, 39`) unterteilt wird, dann
sektorweise (33, 34, 37, 40; 40‘, 40‘‘, 40‘‘‘; 33‘, 34‘, 37‘, 39‘) in allen Sektoren dieser Fläche (1)
Material abgetragen wird,
bis in einer Abtragsebene Material der Fläche (1) abgetra- gen ist und
dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird.
2. Verfahren zum Abtrag von Material in einer lokalen Flä- che (1) mittels eines Energiestrahls,
bei dem mehrere, voneinander getrennte, abzutragende lokale Flächen (1‘, 1‘‘, 1‘‘‘),
insbesondere einer Kühlluftreihe (60)
vorhanden sind,
die (1`, 1``, 1```) in Sektoren (40‘, 40‘‘, 40‘‘‘) unter- teilt sind,
wobei der Energiestrahl innerhalb eines ersten Sektors (40‘) einer ersten Fläche (1‘) entlang einer Längsausrich- tung der Kühlluftreihe (60) geführt wird,
und erst nachdem alle Flächen (1‘, 1‘‘, 1‘‘‘) einer Kühl- luftreihe (60) in den gleichen Sektoren (40‘, 40‘‘,…) ent- lang erster Abtragslinien (61‘, 61‘‘, …) direkt nacheinan- der bearbeitet sind,
der Abtrag von Material zum Innern hin verschoben wird und dann entlang von zweiten Abtragslinien (62‘, 62‘‘, 62‘‘‘) in den ersten Sektoren (40`, 40``, 40```) fortgeführt wird bis alle erste Sektoren (40`, 40``, 40```) der Flächen (1`, 1``, 1```) bearbeitet sind und
dann entsprechend die anderen Sektoren einzeln und nach- einander bearbeitet werden
und dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird.
3. Verfahren zum Abtrag von Material in einer lokalen Flä- che (1) mittels eines Energiestrahls,
bei dem mehrere, voneinander getrennte, abzutragende lokale Flächen (1‘, 1‘‘, 1‘‘‘),
insbesondere einer Kühlluftreihe (60)
vorhanden sind,
die (1`, 1``, 1```) in Sektoren (40‘, 40‘‘, 40‘‘‘) unter- teilt sind,
wobei zuerst ein erster Sektor (40‘) einer Fläche (1‘) kom- plett in einer Abtragsebene entfernt wird,
der Laserstrahl entlang einer Längsausrichtung der Kühl- luftreihe (60) zur direkt nächsten Fläche (1``) und einem ersten Sektor (40´´) der nächsten Fläche (1``) geführt wird,
und der erste Sektor (40``) der nächsten Fläche (1``) kom- plett in einer Abtragsebene entfernt wird,
bis alle erste Sektoren (40`, 40``, 40```) der Flächen (1`, 1``, 1```) bearbeitet sind und
dann entsprechend die anderen Sektoren einzeln und nachei- nander der benachbarten Flächen (1`, 1``, 1```) bearbeitet werden und
dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei dem die abzutragende Fläche (1, 1`, 1``, 1```) ein Viereck,
insbesondere eine Trapezform (1)
darstellt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei dem die abzutragende Fläche (1, 1`, 1``, 1```) ein Kreis darstellt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei dem die abzutragende Fläche (1, 1`, 1``, 1```) Ecken und Rundungen aufweist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6,
bei dem die Fläche (1)
in vier Sektoren,
insbesondere Dreiecke
unterteilt ist und
zuerst ein erster Sektor (40, 39`),
dann ein dem ersten Sektor (40, 39`) gegenüberliegender Sektor (34, 34`),
und dann die dazwischen liegenden Sektoren (33, 37; 33`, 37`) bearbeitet werden.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem der Materialabtrag schichtweise in einer
Abtragsebene erfolgt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
bei dem zuerst ein erster Sektor (40) der Fläche (1) in einer ersten Ebene und dann die nachfolgenden Sektoren (34, 33, 37) der Fläche (1) jeweils in einer Abtragsebene abge- tragen werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem der Materialabtrag eines Sektors (33, 34, 37, 40; 33‘, 34‘, 37‘, 39‘; 40‘, 40‘‘, 40‘‘‘) in einem Randbereich (50) des jeweiligen Sektors 33, 34, 37, 40; 33‘, 34‘, 37‘, 39‘, 40‘, 40‘‘, 40‘‘‘) beginnt und
fortlaufend bis zum Inneren (31) der Fläche (1‘, 1‘‘, 1‘‘‘) erfolgt,
bevor der nächste Sektor (33, 34, 37; 34‘, 37‘, 39`) ent- sprechend bearbeitet wird.
EP15774905.2A 2014-10-09 2015-10-01 Abtragstrategie beim lasern Withdrawn EP3191252A1 (de)

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