WO2015036441A2 - Verfahren zum laserbohren eines bauteils - Google Patents

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Definitions

  • the invention is based on a method for laser drilling a component, in particular an injection nozzle, and also on a device for carrying out such a method.
  • a protective device is usually introduced into a cavity of the component to be machined during the machining phase of laser drilling, with which the laser beam emerging at the end of the drilling process from the laser beam emerging in the component wall at the back of the borehole is blocked.
  • FIG. 3 shows in a plan view a section of a conventional protective device 1 formed of metal which, despite its intended use in a cavity of a diesel nozzle, has several penetration holes 2 due to laser radiation with laser pulses, typically in the picosecond range, emerging from a back side emerging from the bore hole Laser beam originate.
  • Fig. 4 shows an example of a head-end part of a diesel nozzle 3 in longitudinal section, in the left side of a spray hole is drilled by ultrashort laser pulses from a laser source and the right-hand wall, which is opposite to the back of the laser radiation drilled injection hole 4, due to the failure of during laser processing introduced into the cavity 5 protective device has a damage 6 in the form of a bullet.
  • a protective device for laser processing of holes in a component by means of laser radiation is known.
  • the protective device can be positioned in the beam direction behind the jet outlet end of a hole to be machined in the component wall to protect an adjacent rear space with a hole opposite the component wall of the component relative to the incident laser beam.
  • the protection device is made of a composite of a matrix
  • the fibers are designed as glass or carbon fibers for splitting the laser beam entering the composite and reducing its energy density.
  • the method with the features of claim 1 has the advantage that by passing a metallic or semi-metallic fluid at the back of the borehole entering there into the cavity of the component to be machined laser radiation is absorbed or blocked by the fluid and the absorbed radiation energy is dissipated.
  • a wear effect as conventional protection devices practically does not take place, since the fluid is in principle continuously renewable, by the fluid can flow through the cavity of the component to be machined and a constant flow through the cavity is maintained during the process.
  • the inventive method provides a durable and reliable protection of the component to be processed from unwanted damage by the laser radiation, especially when laser high power with ultrashort pulses are used up in the picosecond range.
  • a metal having a low melting point can be selected.
  • Gallium is particularly advantageous for this purpose, an element from main group III of the periodic table, which has a melting point at room temperature and is brought into a liquid state of aggregation by melting before the injection process.
  • Another variant of the method according to the invention may consist of nanoparticles being taken up in a liquid carrier material to form a metallic and / or semi-metallic fluid, the nanoparticles having an average size in the nanometer or submicrometer range.
  • Such nanoparticles can be formed of metal such as gold or of a semi-metallic compound or semiconductor compound such as CdSe and are taken in a sufficiently high Ambichenaniereêt in a liquid carrier such as water and / or oil approximately equally distributed.
  • the laser radiation impinging on the fluid injected into the cavity of the component is dissipated by absorption.
  • the device intended for carrying out the method according to the invention is suitable for direct coupling to an opening leading to the cavity of the component and allows defined injection of the fluid from a storage tank into the cavity of the component intended for laser processing.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a head-side part of a diesel nozzle as a component, wherein according to the invention during the process stage of laser drilling a central cavity of the diesel nozzle is filled with a fluid which dissipates a laterally the wall of the diesel nozzle penetrating laser beam, and
  • the diesel nozzle in a view analogous to FIG. 1, wherein, however, the fluid is injected into the cavities according to the invention by means of a lance having a hollow channel carrying the fluid.
  • FIG. 1 shows a component 10 to be machined by means of laser drilling, which is the combustion chamber side part of a diesel nozzle.
  • the component 10 is shown during a process stage in which a laser beam with high pulsed power generates a spray hole or borehole 11 in the wall 12 of the component 10.
  • a metallic or semi-metallic fluid 16 formed and injected Cavity 15 filled with it.
  • the injected fluid 16 then fulfills a protective function with respect to the laser beam emerging from the spray-hole rear side 14 by dissipating its energy by absorption.
  • a through-bore 18 passing through it is formed along the longitudinal central axis 17 of the component, which is closed again by welding after completion of the laser processing, when the fluid 16 is then completely removed from the cavity 15 of the component 10 via flow paths 19 ' , 19 "is discharged, wherein the flow paths 19 ' , 19 " through the through hole 18 and through the borehole just produced 1 1 are fixed.
  • the borehole or injection hole 1 1 penetrated by the laser beam can be provided.
  • a metal with a relatively low melting point is selected.
  • the fluid 16 is passed for the duration of the laser processing through the cavity 15 at the corresponding borehole 1 1.
  • the laser beam when it emerges from the rear side 14 of the borehole 11, strikes the fluid 16 flowing axially there in the cavity 15 in the direction of the through-bore 18 and is absorbed.
  • the flowing through the cavity 15 fluid 16 acts thereby energy dissipating.
  • a suitable fluid 16 can be formed by introducing metallic or semimetallic particles having a size in the nanometer or submicrometer range into a liquid carrier material in the solid state of matter.
  • Such particles are nanoparticles of metal such as gold (Au) or of a semi-metal or semiconductor compound such as CdSe, these nanoparticles may be in the form of nanospheres or nanotubes and plasmonically formed by these interacting with the electromagnetic field of laser radiation as collective plasma oscillations occur. Under the action of the laser radiation, the nanoparticles dissolved in the fluid carrier become warmer.
  • the heating of the nanoparticles takes place with formation of vapor bubbles due to the local heating and the melting of individual nanoparticles, whereby the nanoparticles expand on the order of a few nanometers.
  • the interaction is dependent on the size or size distribution function of the plasmonic nanoparticles, their shape, their internal structure and also on the particle number density or agglomeration density to achieve a sufficiently large capture cross section for the incident laser radiation, and the material per se.
  • the pulse energy The laser radiation thus leads to a heating of the fluid 16.
  • CdSe or Au as nanoparticles erge
  • the size and shape of the nanoparticles absorption maxima in the spectral range between about 550 nm to about 1 100 nm, so that laser radiation having a wavelength in this spectral range with the inventive method is absorbable or dissipatable.
  • liquid carrier for such nanoparticles, for example, water or oil or a combination of both can be provided.
  • gold nanoparticles are incorporated in a liquid carrier which has ferritin, a naturally occurring protein complex having an iron core and a protein shell enclosing the same. Due to the interaction of the laser radiation with these metallic nanoparticles, individual metal or gold atoms as ions are released from the respective nanoparticles interacting with the laser radiation.
  • ferritin Since ferritin has a nucleation site on its protein shell, trivalent gold (Au III) can accumulate there; A laser-induced transfer of electrons from the iron core of ferritin through its shell to the outside causes a reduction of Au (III) - deposited ions and leads to the fact that further detached and diffusing Au ions can accumulate at such nucleation sites. Such accumulations or agglomerates then in each case form Au nanoparticles once again, so that overall a regeneration of the fluid 16 is advantageously formed in this embodiment variant. By suitable irradiation, this regeneration can also take place outside of the component to be processed.
  • the end of a laser drilling process is advantageously recognizable by detecting a characteristic noise, which generates the laser radiation emerging from the borehole 11 and striking the fluid 16 due to the interaction with the plasmonic nanoparticles in the fluid.
  • the laser can then be deactivated and subsequently connected to it, for example. in the case of the injection nozzle, the subsequent injection hole are laser drilled as well as the removal or return of the fluid 16 from the cavity 15 of the component 10 done.
  • the liquid carrier used is a combination of water and oil, wherein nanoparticles are micellar in the suspension of water in oil formed thereby, ie "floating" in the water-in-oil droplets. are included in order to achieve a homogeneous distribution within the liquid carrier at a sufficiently high particle number density.
  • Fig. 2 shows the component 10 together with a device 20 according to the invention, which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the device 20 is designed as a lance with a hollow channel 22 extending along the lance longitudinal center axis 21, which opens out in a lance tip 23.
  • the hollow channel 22 serves for the passage of the fluid 16.
  • the lance tip 23 is provided for insertion into an opening of the cavity 15 and is formed in its outer dimensions and shape so that a snug fit insertion of the lance tip 23 in the opening of the cavity 15 is possible is to ensure a tight and secure coupling of the device 20 to the cavity 15 of the component 10.
  • the longitudinal central axis 17 of the component 10 is aligned with the lance longitudinal central axis 21.
  • the device 20 may be designed to be heated or cooled to adjust depending on the fluid used 16, the desired injection temperature or to keep constant.
  • the device 20 functions as a connection between the cavity 15 of the component 10 and a storage tank (not shown) provided for the fluid 16, from which the volume of fluid consumed can be tracked into the cavity 15 by means of pressurization via the device 20, in order to allow rapid refilling there achieve.
  • the method of the invention is for laser drilling a component, particularly an injection nozzle having a cavity 15, and includes the steps of forming a metallic and / or semi-metallic fluid 16, injecting the fluid 16 into the cavity 15, drilling a hole 11 in a cavity 15 bounding wall 12 of the component 10 by means of at least one laser beam, wherein the laser beam or its energy is absorbed or dissipated after forming the hole 11 of the metallic and / or semi-metallic fluid 16, and the discharge of the fluid 16 from the cavity 15 after completion of the laser drilling.
  • the fluid 16 can circulate through the cavity 15, whereby a continuous regeneration of the fluid 16 is made possible.

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Abstract

Ein Verfahren zum Laserbohren eines Bauteils (10), insbesondere einer Einspritzdüse, welche einen Hohlraum (15) aufweist, umfasst die Verfahrenschritte des Bildens eines metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluids (16), des Einspritzens des Fluids (16) in den Hohlraum (15), des Bohrens eines Lochs (11) in eine den Hohlraum (15) begrenzende Wandung (12) des Bauteils (10) mittels wenigstens eines Laserstrahls, wobei der Laserstrahl nach Ausbilden des Lochs (11) von dem metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluid (16) absorbiert wird, und des Abführens des Fluids (16) aus dem Hohlraum (15) nach Beenden des Laserbohrens.

Description

Titel
Verfahren zum Laserbohren eines Bauteils
Beschreibung
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Laserbohren eines Bauteils, insbesondere einer Einspritzdüse und ferner von einer Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Bei der Laserbearbeitung von Bauteilen, insbesondere von rotationssymmetrisch ausgebilde- ten Bauteilen wie Einspritzdüsen, stellt sich das Problem Bauteilflächen, die einer gerade in Bearbeitung befindlichen Bauteilwandung gegenüberliegen, gegenüber der Laserstrahlung abzuschirmen bzw. zu schützen. Dazu wird beim Stand der Technik üblicherweise in einen Hohlraum des zu bearbeitenden Bauteils eine Schutzvorrichtung während der Bearbeitungsphase des Laserbohrens eingeführt, mit welcher der am Ende des Bohrvorgangs aus dem in der Bauteilwandung an der Bohrlochrückseite austretende Laserstrahl blockiert wird. Exemplarisch zeigt dazu Fig. 3 in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer aus Metall gebildeten herkömmlichen Schutzvorrichtung 1 , die trotz bestimmungsgemäßem Gebrauch in einem Hohlraum einer Dieseldüse mehrere Durchschlagslöcher 2 aufgrund von Laserstrahlung mit Laserpulsen typischerweise im Pikosekundenbereich aufweist, welche von einem aus der Bohr- lochrückseite austretenden Laserstrahl herrühren. Eine derart beschädigte Schutzvorrichtung besitzt somit keinerlei Schutzfunktion mehr. Fig. 4 zeigt exemplarisch einen kopfseitigen Teil einer Dieseldüse 3 in Längsschnittdarstellung, bei der linksseitig ein Spritzloch mittels ultrakurzer Laserpulse aus einer Laserquelle ausgebohrt ist und die rechtsseitige Wandung, welche der Rückseite des mittels Laserstrahlung ausgebohrten Spritzlochs 4 gegenüberliegt, infolge des Versagens der während der Laserbearbeitung in den Hohlraum 5 eingeführten Schutzvorrichtung eine Beschädigung 6 in Form eines Durchschusses aufweist. Mithin unterliegen derartige Schutzvorrichtungen einem mehr oder minder ausgeprägten Abnutzungseffekt, der die effektive Verwendungsdauer solcher Schutzvorrichtungen limitiert. Bei nicht rechtzeitiger oder turnusmäßiger Auswechslung einer solchen Schutzvorrichtung kann dies zu einer erhöhten Ausschussrate in der Fertigungsstraße führen. Aus der DE 10 201 1 079 815 A1 ist eine Schutzvorrichtung zur Laserbearbeitung von Löchern in einem Bauteil mittels Laserstrahlung bekannt. Dabei ist die Schutzvorrichtung in Strahlrichtung hinter dem strahlaustrittsseitigen Ende eines zu bearbeitenden Lochs in der Bauteilwandung positionierbar, um einen daran angrenzenden Rückraum mit einer dem Loch gegenüberliegenden Bauteilwandung des Bauteils gegenüber dem einfallenden Laserstrahl zu schützen. Die Schutzvorrichtung 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 Fasererstreckungsrichtung in dem Kunststoff kreuz und quer zueinander verlaufen und in dem Volumen des Kunststoffs der Schutzvorrichtung mit etwa gleichmäßiger Dicke verteilt sind. Die Fasern sind als Glas- oder Carbonfasern zum Aufspalten des in den Verbund eindringenden Laserstrahls und dessen Energiedichtereduzierung ausgeführt.
Vorteile der Erfindung
Das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch das Vorbeiführen eines metallischen oder halbmetallischen Fluids an der Bohrlochrückseite die dort in den Hohlraum des zu bearbeitenden Bauteils eintretende Laserstrahlung durch das Fluid absorbiert bzw. blockiert wird und die aufgenommene Strahlungsenergie dissipiert wird. Ein Abnutzungseffekt wie bei herkömmlichen Schutzvorrichtungen findet praktisch nicht statt, da das Fluid prinzipiell kontinuierlich erneuerbar ist, indem das Fluid durch den Hohlraum des zu bearbeitenden Bauteils strömen kann und eine ständige Durchströmung des Hohlraums während des Prozesses aufrechterhalten wird. Mithin bietet das erfindungsgemäße Verfahren einen dauerhaften und zuverlässigen Schutz des zu bearbeitenden Bauteils vor einer unerwünschten Beschädigung durch die Laserstrahlung, insbesondere wenn Laser hoher Leistung mit ultrakurzen Pulsen bis in den Pikosekundenbereich eingesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.
Zum Bilden eines metallisch ausgebildeten Fluids kann ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt ausgewählt werden. Besonders vorteilhaft ist dazu Gallium verwendbar, ein Element aus der Hauptgruppe III des Periodensystems, welches einen Schmelzpunkt bei Raumtemperatur aufweist und vor dem Einspritzvorgang in einen flüssigen Aggregatzustand durch Aufschmelzen gebracht wird. Eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin bestehen, dass zum Bilden eines metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluids Nanopartikel in einem flüssigen Trägermaterial aufgenommen werden, wobei die Nanopartikel eine durchschnittli- che Größe im Nanometer- oder Submikrometerbereich aufweisen. Derartige Nanopartikel können aus Metall wie beispielsweise aus Gold oder aus einer halbmetallischen Verbindung bzw. Halbleiterverbindung wie beispielsweise CdSe gebildet sein und sind in hinreichend hoher Partikelanzahldichte in einem flüssigen Träger wie beispielsweise Wasser und/oder Öl annähernd gleichverteilt aufgenommen.
Bei beiden Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die auf das in den Hohlraum des Bauteils eingespritzte Fluid auftreffende Laserstrahlung durch Absorption dissipiert.
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Vorrichtung ist zur di- rekten Ankopplung an eine zum Hohlraum des Bauteils führende Öffnung geeignet und ermöglicht ein definiertes Einspritzen des Fluids aus einem Vorratstank in den Hohlraum des zur Laserbearbeitung vorgesehenen Bauteils.
Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen kopfseitigen Teil einer Dieseldüse als Bauteil, wobei erfindungsgemäß während des Verfahrensstadiums des Laserbohrens ein zentraler Hohlraum der Dieseldüse mit einem Fluid ausgefüllt ist, das einen seitlich die Wandung der Dieseldüse durchdringenden Laserstrahl dissipiert, und
Fig. 2 die Dieseldüse in einer Ansicht analog Fig. 1 , wobei jedoch das Fluid in den Hohl- räum erfindungsgemäß mittels einer Lanze eingespritzt wird, die einen das Fluid führenden Hohlkanal aufweist.
Beschreibung der Ausführungsformen Fig. 1 zeigt ein mittels Laserbohren zu bearbeitendes Bauteil 10, bei dem es sich um den brennraumseitigen Teil einer Dieseldüse handelt. Das Bauteil 10 ist während eines Verfahrensstadiums dargestellt, in welchem ein Laserstrahl mit hoher gepulster Leistung ein Spritzloch bzw. Bohrloch 11 in der Wandung 12 des Bauteils 10 erzeugt. Um die der Wandung 12 gegenüberliegende Wandungsseite 13 vor einer Beschädigung durch den am Ende eines Bohrvorgangs aus der Spritzlochrückseite 14 austretenden Laserstrahl zu schützen, wird erfindungsgemäß in den Hohlraum 15, der von der Wandung begrenzt ist, ein metallisch oder halbmetallisch ausgebildetes Fluid 16 eingespritzt und der Hohlraum 15 damit ausgefüllt. Das eingespritzte Fluid 16 erfüllt dann eine Schutzfunktion gegenüber dem aus der Spritzlochrückseite 14 austretenden Laserstrahl, indem es dessen Energie durch Absorption dissipiert.
Damit das Fluid 16 durch das Bauteil 10 durchströmen kann, ist entlang der Längsmittelachse 17 des Bauteils eine dessen Kuppe axial durchsetzende Durchgangsbohrung 18 ausge- bildet, die nach Beenden der Laserbearbeitung wieder mittels Schweißen verschlossen wird, wenn das Fluid 16 dann vollständig aus dem Hohlraum 15 des Bauteils 10 über Strömungspfade 19', 19" abgeführt ist, wobei die Strömungspfade 19', 19" durch die Durchgangsbohrung 18 und durch das gerade erzeugte Bohrloch 1 1 festgelegt sind. Alternativ dazu kann als einziger Abströmpfad 19" für das Fluid 16 das von dem Laserstrahl durchsetzte Bohrloch bzw. Spritzloch 1 1 vorgesehen werden.
Um ein geeignetes metallisches Fluid 16 zu bilden, wird gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Metall mit relativ niedrigem Schmelzpunkt ausgewählt. Vorteilhaft ist beispielsweise Gallium verwendbar, ein Element aus der Hauptgruppe III des Periodensystems, da dessen Flüssigphase wegen des Schmelzpunkts von Ts =
+30°C in einem günstigen Temperaturbereich liegt, wodurch eine Verflüssigung dieses Metalls bei Raumtemperaturbedingungen möglich ist. Außerdem sind nach Prozessende im Bauteil eventuell vorhandene Gallium-Rückstände relativ leicht entfernbar, indem das entsprechende Bauteil einem Reinigungsschritt in einem alkalischen Ultraschallbad unterzogen wird. Weitere Metalle mit geeignet niedrigem Schmelzpunkt sind Indium aus derselben
Hauptgruppe des Periodensystems mit einem Schmelzpunkt von Ts = +157°C und Zinn aus der Gruppe IVA des Periodensystems mit einem Schmelzpunkt von Ts = +232°C. Prinzipiell geeignet sind trotz ihrer Toxizität bzw. Reflektivität auch Quecksilber, ein Element aus der Gruppe IIB, der sog. Zink-Gruppe des Periodensystems mit einem Schmelzpunkt von Ts = - 39°C wie auch Caesium, ein Alkalimetall aus der Gruppe IA des Periodensystems mit einem Schmelzpunkt von Ts = +28.5°C. Andere Metalle aus diesen genannten Gruppen weisen einen zu hohen Schmelzpunkt auf, wie beispielsweise Zink mit einem Schmelzpunkt von Ts = +419°C, da deren Schmelzpunkte im Bereich der Restaustenit-Umbildung von zu bearbeitenden Stahl-Bauteilen liegen, so dass die Einleitung eines derart verflüssigten Metalls in den Hohlraum 15 eines Bauteils 10 zu einer unerwünschten Strukturveränderung im Bauteil 10 führen würde.
Das Fluid 16 wird für die Dauer der Laserbearbeitung durch den Hohlraum 15 am entsprechenden Bohrloch 1 1 vorbeigeführt. Dabei trifft der Laserstrahl, wenn er aus der Rückseite 14 des Bohrlochs 1 1 austritt, auf das dort im Hohlraum 15 axial in Richtung der Durchgangsbohrung 18 abströmende Fluid 16 und wird absorbiert. Das durch den Hohlraum 15 strömende Fluid 16 wirkt dadurch energiedissipierend.
Alternativ dazu kann gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah- rens ein geeignetes Fluid 16 gebildet werden, indem im festen Aggregatzustand vorliegende metallische oder halbmetallische Partikel mit einer Größe im Nanometer- oder Submikrome- terbereich in ein flüssiges Trägermaterial eingebracht werden. Bei derartigen Partikeln handelt es sich um Nanopartikel aus Metall wie z.B. Gold (Au) oder aus einer Halbmetall- bzw. Halbleiterverbindung wie z.B. CdSe, wobei diese Nanopartikel in Form von Nanosphären oder Nanoröhrchen vorliegen können und plasmonisch ausgebildet sind, indem diese in Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld der Laserstrahlung als kollektive Plasmaoszillationen treten. Unter Einwirkung der Laserstrahlung erwärmen sich dabei die in dem fluiden Träger gelösten Nanopartikel. Die Erwärmung der Nanopartikel vollzieht sich unter Dampfblasenbildung aufgrund der lokalen Erhitzung und des Schmelzens einzelner Nano- partikel, wodurch die Nanopartikel in der Größenordnung von wenigen Nanometern expandieren. Dies führt zu einem auf der Nanometer-Skala variierenden Brechungsindex der Nanopartikel aufgrund der Wechselwirkung zwischen einem jeweiligen Einzelpuls der Laserstrahlung und den in hinreichend hoher Anzahldichte in dem fluiden Träger gelösten Nano- partikeln bzw. zu einer Modulation des Brechungsindex, wodurch die Dissipation der Laser- Strahlung bzw. Ihres Energiegehalts durch Absorption erzielt wird. Die Wechselwirkung ist dabei abhängig von der Größe bzw. Größenverteilungsfunktion der plasmonischen Nanopartikel, deren Form, deren innerer Struktur und ferner von der Partikelanzahldichte bzw. Agglomerationsdichte, um einen genügend großen Einfangquerschnitt für die einfallende Laserstrahlung zu erzielen, und vom Material per se. Die Pulsenergie der Laserstrahlung führt mithin zu einer Erwärmung des Fluids 16. Im Falle von CdSe oder Au als Nanopartikel erge- ben sich abhängig von der Größe und Form der Nanopartikel Absorptionsmaxima im Spektralbereich zwischen etwa 550 nm bis etwa 1 100 nm, so dass Laserstrahlung mit einer Wellenlänge in diesem spektralen Bereich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren absorbierbar bzw. dissipierbar ist.
Als flüssiger Träger für derartige Nanopartikel kann beispielsweise Wasser oder Öl oder eine Kombination von beiden vorgesehen werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante sind Gold-Nanopartikel in einem flüssigen Träger aufgenommen, welcher Ferritin aufweist, ein natürlich vorkommender Proteinkomplex mit einem Eisen-Kern und ei- ner diesen umschließenden Proteinschale. Aufgrund der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit diesen metallischen Nanopartikeln lösen sich einzelne Metall- bzw. Goldatome als Ionen von den jeweils mit der Laserstrahlung wechselwirkenden Nanopartikeln. Da Ferritin an seiner Proteinschale eine Nukleationsstelle aufweist, kann sich dort dreiwertiges Gold (Au III) anlagern; ein von der Laserstrahlung induzierter Transfer von Elektronen aus dem Eisenkern des Ferritins durch dessen Schale nach außen bewirkt eine Reduktion von angelagerten Au (III) - Ionen und führt dazu, dass sich weitere abgelöste und umher diffundierende Au-Ionen an solchen Nukleationsstellen ansammeln können. Solche Ansammlungen bzw. Agglomerate bilden dann jeweils für sich wieder Au-Nanopartikel, so dass sich insgesamt in vorteilhafter Weise bei dieser Ausführungsvariante eine Regeneration des Fluids 16 ausbildet. Durch eine geeignete Bestrahlung kann diese Regeneration auch außerhalb des zu bearbeitenden Bauteils erfolgen.
Das Ende eines Laserbohrprozesses ist dabei vorteilhaft erkennbar, indem ein charakteristisches Geräusch, das die aus dem Bohrloch 1 1 austretende und auf das Fluid 16 auftreffen- de Laserstrahlung aufgrund der Wechselwirkung mit den plasmonischen Nanopartikeln in dem Fluid erzeugt, detektiert wird. In unmittelbarer Reaktion auf dieses messtechnisch er- fasste Ende eines Laserbohrvorgangs kann daraufhin der Laser deaktiviert werden und im Anschluss daran z.B. im Falle der Einspritzdüse das nachfolgende Spritzloch lasergebohrt werden wie auch das Abführen bzw. Rückführen des Fluids 16 aus dem Hohlraum 15 des Bauteils 10 erfolgen.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante wird als flüssiger Träger eine Kombination aus Wasser und Öl verwendet, wobei Nanopartikel in der dadurch gebildeten Suspension von Wasser in Öl mizellar ausgebildet sind, d.h. in den Wasser-in-ÖI-Tröpfchen„schwimmend" aufgenommen sind, um bei hinreichend hoher Partikelanzahldichte eine möglichst homogene Verteilung innerhalb des flüssigen Trägers zu erzielen.
Fig. 2 zeigt das Bauteil 10 zusammen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung 20 ist als Lanze mit einem entlang der Lanzenlängsmittelachse 21 verlaufenden Hohlkanal 22 ausgebildet, der in einer Lanzenspitze 23 ausmündet. Der Hohlkanal 22 dient zum Durchleiten des Fluids 16. Die Lanzenspitze 23 ist zum Einsetzen in eine Öffnung des Hohlraums 15 vorgesehen und ist in ihren Außenabmessungen und ihrer Form so ausgebildet, dass ein passge- naues Einsetzen der Lanzenspitze 23 in die Öffnung des Hohlraums 15 möglich ist, um eine dichte und sichere Ankopplung der Vorrichtung 20 an den Hohlraum 15 des Bauteils 10 sicherzustellen. Dabei fluchtet die Längsmittelachse 17 des Bauteils 10 mit der Lanzenlängsmittelachse 21. Die Vorrichtung 20 kann heizbar oder kühlbar ausgebildet sein, um in Abhängigkeit von dem verwendeten Fluid 16 die gewünschte Einspritztemperatur einzustellen oder konstant zu halten. Die Vorrichtung 20 fungiert dabei als Verbindung zwischen dem Hohlraum 15 des Bauteils 10 und einem für das Fluid 16 vorgesehenen Vorratstank (nicht dargestellt), aus dem verbrauchtes Fluidvolumen mittels Druckbeaufschlagung über die Vorrichtung 20 in den Hohlraum 15 nachführbar ist, um dort eine schnelle Wiederbefüllung zu erzielen.
Zusammenfassend dient das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserbohren eines Bauteils, insbesondere einer Einspritzdüse, welche einen Hohlraum 15 aufweist, und umfasst die Verfahrenschritte des Bildens eines metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluids 16, des Einspritzens des Fluids 16 in den Hohlraum 15, des Bohrens eines Lochs 11 in eine den Hohlraum 15 begrenzende Wandung 12 des Bauteils 10 mittels wenigstens eines Laserstrahls, wobei der Laserstrahl bzw. dessen Energie nach Ausbilden des Lochs 11 von dem metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluid 16 absorbiert bzw. dissipiert wird, und des Abführens des Fluids 16 aus dem Hohlraum 15 nach Beenden des Laserbohrens. Das Fluid 16 kann dabei durch den Hohlraum 15 zirkulieren, wodurch eine ständige Regeneration des Fluids 16 ermöglicht wird. Durch Nachführen des Fluids 16 ist selbst bei kleinem Rückraumvolumen ein praktisch beliebig großes Schutzvolumen erzielbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laserbohren eines Bauteils, insbesondere einer Einspritzdüse, welche einen Hohlraum aufweist, mit folgenden Verfahrenschritten:
- Bilden eines metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluids (16),
- Einspritzen des metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluids (16) in den Hohl- räum (15),
- Bohren eines Lochs (1 1) in eine den Hohlraum (15) begrenzende Wandung (12) des Bauteils (10) mittels wenigstens eines Laserstrahls, wobei der Laserstrahl nach Ausbilden des Lochs (11) von dem metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluid (16) absorbiert wird, und
- Abführen des Fluids (16) aus dem Hohlraum (15) nach Beenden des Laserbohrens.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden des metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluids (16) ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt ausgewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisch ausgebildetes Fluid (16) Gallium ausgewählt wird, welches vor dem Einspritzvorgang in einen flüssigen Aggregatzustand durch Aufschmelzen gebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden eines metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluids (16) Nanopartikel in einem flüssigen Trägermaterial aufgenommen werden, wobei die Nanopartikel eine durchschnittliche Größe im Nano- meter- oder Submikrometerbereich aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einspritzvorgang wenigstens eine Durchgangsbohrung (18) in die Wandung (12) des Bauteils (10) ausgebildet wird, welche zum Durchführen des Fluids (16) durch den Hohlraum (15) dient und nach Beenden des Laserbohrens wieder verschlossen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (18) in der Wandung (12) vorzugsweise etwa koaxial zur Längsmittelachse (17) des Bauteils (10) ausgebildet wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) eine zum Einspritzen des metallisch und/oder halbmetallisch ausgebildeten Fluids (16) in den Hohlraum (15) dienende Lanze mit einem Hohlkanal (22) aufweist, wobei der Hohlkanal (22) zum Durchleiten des Fluids (16) dient und eine Lanzenspitze (23) zum Einsetzen in den Hohlraum (15) des Bauteils (10) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal (22) sich in Längsmittelachse (21) der Lanze erstreckt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze aus einem Metall gebildet ist, dessen Schmelzpunkt in beträchtlichem Maße höher liegt als jener des das Fluid (16) bildenden Metalls oder Halbmetalls.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lan- zenspitze (23) eine laterale Außenabmessung aufweist, welche zum passgenauen Einsetzen in eine Öffnung des Hohlraums (15) des Bauteils (10) vorgesehen ist.
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