DE10331236A1

DE10331236A1 - Verfahren zum Erzeugen von Mikrolöchern mittels energiegestufter Laserstrahlung

Info

Publication number: DE10331236A1
Application number: DE10331236A
Authority: DE
Inventors: Tilmann Schmidt-Sandte; Markus Willert; Stefan Nolte; Jens Koenig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-02-03

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung von Mikrolöchern (25, 35) in Werkstücken, insbesondere von Einspritzbohrungen in Dieseldüsen, mittels energiegestufter Ultrakurzpuls-Laserstrahlen vorgeschlagen. Der gesamte Bohrprozess wird in mehrere Phasen unterteilt und die Pulsenergie von Phase zu Phase erhöht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Erzeugung von schmelzfreien Mikrobohrungen in gewünschter Endgröße und Geometrie möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Mikrolöchern in Werkstücken, insbesondere von Einspritzbohrungen in Dieseldüsen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mikrolöcher mit einem Durchmesser von weniger als 400 μm können mittels Laserbohren realisiert werden. Zur flexiblen Fertigung von beispielsweise Einspritzbohrungen in Dieseldüsen werden vorzugsweise gepulste Laserstrahlquellen mit Pulslängen im Nanosekundenbereich (ns) eingesetzt.

Die Qualität der so erzeugten Mikrolöcher wird jedoch durch Schmelzbildung bei metallischen Werkstücken, insbesondere beim Stahl, gemindert. Die erreichbare Präzision der so erzeugten Mikrolöcher ist begrenzt.

Ein Ansatz zur Umgehung oben genannter Probleme besteht darin, Laserstrahlen im Pulslängenbereich von einigen Femtosekunden (fs) bis wenige Pikosekunden (ps) einzusetzen. Bei diesen Ultrakurzpulslaserstrahlen treten jedoch bedingt durch die extrem kurzen Pulslängen extrem hohe Intensitäten auf, so dass auch hier die Problematik der Schmelzbildung besteht. Daher wird ohne spezielle Prozessgestaltung auch bei Anwendung von Ultrakurzpulslaserstrahlen keine schmelzfreie Bohrung bei Durchmessern kleiner als 150 μm erreicht. Bei Mikrolöchern mit hohen Aspektverhältnissen, d.h. mit einer Bohrtiefe von größer als 500 μm bei einem Durchmesser von unter 100 μm, ist eine Bohrung mit hoher Präzision besonders schwierig zu erreichen.

Der Bohrprozess kann in mehrere Phasen unterteilt werden. In den einzelnen Phasen können Prozessparameter wie Pulsenergie, Polarisation oder Bohrzeit variiert werden, um ein bestmögliches Bohrergebnis zu erzielen.

In der US 5,073,687 wird ein Verfahren zur Erzeugung von Mikrolöchern mittels Laserstrahlen vorgestellt, wobei das zu bearbeitende Werkstück aus Schichten unterschiedlicher Materialien besteht. Die Mittelschicht weist eine andere Härte als die beiden Randschichten auf. So setzt man in der Anfangsphase Laserstrahlpulse mit hoher Ausgangsleistung ein, bis die erste Schicht an der Bestrahlungsstelle abgetragen ist. Danach wird die Ausgangsleistung stark verringert, und im weiteren Bohrungsprozess erhöht, bis auch die mittlere Schicht vollständig abgetragen ist. In der Endphase wird wieder mit der hohen Ausgangsleistung des Lasers gearbeitet, und erst in dieser letzten Phase wird das Werkstück vollständig durchbohrt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Mikrolöchern in Werkstücken, insbesondere von Einspritzbohrungen in Dieseldüsen, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch eine energiegestufte Ultrakurzpuls-Laserbohrung schmelzfreie Bohrungen mit hoher Präzision ermöglicht wird.

Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Qualität am Bohraustritt erzielt werden. Auch bei einem Lochdurchmesser kleiner als 150 μm und bei einer Lochtiefe größer als 500 μm sind maximale Konturtreue, keine lokalen Formabweichungen wie beispielsweise Riefen, Ecken oder Zacken zu erreichen. Das Verfahren eignet sich sowohl zur Herstellung kreisrunder als auch ovaler sowie langlochartiger Austrittsformen.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Austritt eines Loches ohne Energiestufung nach dem Ende des Bohrens entsprechend dem Stand der Technik in Draufsicht,
2 den Bohrprozess mit Energiestufung in verschiedenen Prozessphasen zur Erzeugung eines kreisförmigen Loches in Draufsicht und
3 den Bohrprozess mit Energiestufung in verschiedenen Prozessphasen zur Erzeugung eines ovalförmigen Loches in Draufsicht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Wird ein Mikroloch mit einem Durchmesser von beispielsweise weniger als 150 μm mittels Laserstrahlpulsen in Werkstücken, insbesondere in metallischen Werkstücken wie Stahl, erzeugt, ist eine hohe Qualität der Scharfkantigkeit oder der Rundheit am Austritt eines Bohrloches nicht erzielbar. 1 zeigt solch einen Austritt des Bohrloches 10 nach Ende des Bohrprozesses.
Erfindungsgemäß setzt man zur Erzeugung von Mikrolöchern mit höchster Präzision energiegestufte Ultrakurzpuls-Laserstrahlen im Pulslängenbereich von einigen fs bis wenige ps, insbesondere von 20 fs bis 20 ps, ein. Dabei wird der gesamte Bohrprozess in mindestens zwei Phasen unterteilt. In der ersten Phase wird ein Durchbruchsloch 20 (2) mit einem Durchmesser kleiner als der Enddurchmesser geschaffen. Hierfür wählt man eine geringe Pulsenergie des Laserstrahls. Die genaue Höhe der Pulsenergie hängt insbesondere von der Dicke des Werkstückmaterials, den Materialeigenschaften und dem gewünschten Enddurchmesser des Loches ab. Die Austrittsform ist nach der ersten Bohrphase nur annährend rund, kann aber bei optimaler Pulsenergie und Dauer der ersten Phase schon eine relativ hohe Qualität vorweisen.
In den weiteren Phasen wird die Pulsenergie des Laserstrahls erhöht. Der Austritt 22 des Loches wird dabei aufgeweitet und seine Qualität verbessert. Erfindungsgemäß ist beim Übergang von der vorletzten auf die letzte Stufe des Bohrprozesses in der Regel eine sprunghaftere Steigerung der Pulsenergie notwendig als bei den vorangegangenen Stufen, wodurch der Austrittsdurchmesser ebenfalls steigt. Der schmelzfreie Austritt des Loches 25 nach der letzten Bohrphase weist die höchste Qualität und den gewünschten Enddurchmesser auf.
Erfahrungsgemäß haben sich für 1 mm starke Stahlbleche und Bohrungen im Bereich von 100 μm Durchmesser drei Energiestufen als zweckmäßig gezeigt. Bei Bohrungen mit beispielsweise Laserpulsen mit jeweils fünf ps Pulsdauer und bei einer Frequenz von acht kHz wird die Pulsenergie von der ersten bis zur letzten Bohrphase um den Faktor zwei bis drei erhöht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Erzeugung von Mikrolöchern mit ovalen sowie langlochartigen Austrittsformen eingesetzt werden. 3 zeigt schematisch den entsprechenden Bohrfortschritt anhand der Austritte eines Loches 35 entsprechend des Durchbruchsloches 30, sowie der Zwischenstufen der Löcher 32. Sowohl bei der Erzeugung von Mikrolöchern mit kreisrunden als auch mit ovalen sowie langlochartigen Austrittsformen ist der Durchmesser des Laserstrahls kleiner als der Enddurchmesser des Bohrlochs. Während des Bohrprozesses wird der Laserstrahl der Form des Loches entsprechend nachgefahren.
Die Anzahl der Prozessphasen und somit der Energiestufen, die jeweilige Höhe der Energiepulse und ihre Zeitdauer hängen von mehreren Parametern ab. Wichtige Parameter bezüglich des Bearbeitungsobjektes sind die gewünschte Lochgeometrie, der Enddurchmesser der Bohrung, die Bohrungslänge und die Materialeigenschaften des Werkstücks. Wichtige Parameter bezüglich der Laserstrahlung sind feste Strahlparameter wie die Wellenlänge, das Strahlprofil und die Polarisation. Schließlich sind als weitere wichtige Parameter die Atmosphäre in der Prozessumgebung sowie das Prozessverfahren wie das Wendelbohren oder das Perkussionsbohren zu nennen.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Mikrolöchern (25; 35) mittels Laserstrahlung in Werkstücken, insbesondere von Einspritzbohrungen in Dieseldüsen, bei dem der gesamte Bohrprozess in mehreren Phasen unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, bei dem die Pulsenergie des Laserstrahls von Phase zu Phase erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Übergang von der vorletzten auf die letzte Phase des Bohrprozesses eine sprunghafte Steigerung der Pulsenergie erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulslänge des Laserstrahls im Bereich von fs bis ps, vorzugsweise von 20 fs bis 20 ps, liegt.
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsaustrittsform kreisförmig (25) oder oval (35) ist.
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl der gewünschten Form des Mikroloches (25; 35) entsprechend nachgefahren wird.