Düse mit mindestens einem Spritzloch zum Zerstäuben von Fluiden

Mit der älteren internationalen Patentanmeldung PCT/EP 2008/008899, Veröffentlichungsnummer WO 2009/05303, sind ein Verfahren zum Bohren von Löchern definierter Geometrien mit Laserstrahlung sowie auf nach diesem Verfahren hergestellte Düsen mit mindestens einem Spritzloch zum Zerstäuben von Fluiden vorgeschlagen.

Derartige Düsen dienen zum Beispiel dem Einspritzen von Kraftstoffen bei Diesel- und Benzinmotoren.

Wie in unterschiedlichen Veröffentlichungen der Fachliteratur ausführlich dargestellt ist, werden die Erhöhung des gesamten Wirkungsgrades von Diesel- und Benzinmotoren und die Reduktion der Roh-Emission in hohem Maße von der Optimierung der Einspritzsysteme bestimmt. Durch Wahl geeigneter Parameter kann eine entscheidende Verbesserung des Verbrennungsverlaufes bei solchen Motoren erzielt werden.

Maßgebliche Kriterien sind dabei die Reduzierung der Kraftstofftropfchengröße sowie der Strömungsverluste beim Einspritzvorgang. Der Spritzlochdurchmesser und die strömungsgünstige Gestaltung der Spritzlöcher sind hierbei die relevanten Parameter.

Zur Erzielung einer optimalen Gemischaufbereitung ist es seit Jahren gängige Praxis, den Einspritzdruck sowie die Anzahl der Spritzlöcher pro Düse zu erhöhen und gleichzeitig den Spritzlochdurchmesser zu reduzieren. Da diese Maßnahmen nachtei- ligerweise Kavitationsphänomene im Düsenloch begünstigen, welche zu einer Schädigung der Düse führen können, hat man bereits vorgeschlagen, Düsenlöcher mit unterschiedlichen, sich stromabwärts verjüngenden Konizitäten zu verwenden. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei Unterschreiten eines kritischen Lochdurchmessers von ca. 100 μm starke Verkokungserscheinungen im Düsenloch auftreten, wodurch die Strömung mit zunehmender Nutzungsdauer des Aggregates deutlich eingeschränkt wird, was dazu geführt hat, dass eine industrielle Einführung derartiger Systeme bisher unmöglich war. Der Entwickler hat darum das Problem zu lösen, durch gezielte Formgebung des Spritzloches ohne weitere Erhöhung des Einspritzdruckes den hydraulischen Wirkungsgrad der Düsen so zu steigern, dass die Effekte der Verkokung und der Kavitation vermieden werden und der Strahlaufbruch für besseren Lufteintrag in das Spray intensiviert wird, um so einerseits den Verbrennungsprozess zu optimieren und andererseits eine hohe Lebensdauer der Düsen zu gewährleisten .

Damit stellt sich dem Erfinder die Aufgabe, ein strömungstechnisch günstiges Spritzloch zu schaffen, bei welchem die pro Zeiteinheit zu zerstäubende Fluidmenge mit einem möglichst geringen Strömungswiderstand und folglich relativ niedrigem Druckverlust so bis zur Austrittsöffnung des Loches transportiert wird, dass an dieser Stelle Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsverhältnisse herrschen, die eine optimale Zerstäubung und damit im Falle einer Treibstoffeinspritzdüse eine optimale Verteilung des Fluids im Verbrennungsraum bei gleichzeitig vernachlässigbaren Kavitations- und Verkokungserscheinungen sichern.

Die vorliegende Erfindung geht von einer mit der oben genannten internationalen Patentanmeldung vorgeschlagenen und im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Düse aus, welche zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen optimiert ist.

Nach der Grundidee der Erfindung ist das Spritzloch in drei Zonen, nämlich eine Einströmzone, eine Übergangs- bzw. Kompressionszone und eine Ausströmzone unterteilt. Die Volumina dieser drei Zonen sind entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Verhältnissen dimensioniert.

Mit einem derart dimensionierten Spritzloch wird die Tatsache berücksichtigt, dass für den Transport definierter Fluidvolu- mina pro Zeitintervall durch das Spritzloch die Volumenverhältnisse im Loch auf dem Weg vom Fluideintritt bis zum Fluid- austritt entscheidend sind. Das bedeutet, dass beim Übergang vom Bereitstellungsvolumen des Fluids in das Loch, also in die Einströmzone, völlig andere Anforderungen an ein optimales Volumen dieses Lochabschnittes zu erfüllen sind als in der Austrittzone, die für den Übergang des Fluids z. B. in den Verbrennungsraum bei Motoren verantwortlich ist. Ein- und Ausströmzonen sind durch eine Übergangs- bzw. Kompressionszone, deren Volumen ebenfalls die im Anspruch 1 angegebenen Anforderungen erfüllen muss, miteinander verbunden.

Die prinzipiellen Verhältnisse der Volumina dieser drei Zonen sind durch folgende Anforderungen bestimmt:

1. Das Volumen V _E der Einströmzone ist in seiner Größe so festzulegen, dass

- das Fluid bei der extremen Strömungsumlenkung aus dem Bereitstellungsraum bereits im Anfangsbereich der Einströmzone eine starke Strömungsberuhigung erfährt,

- das Fluid dann den Weg zur Übergangs- bzw. Kompressi- onszone mit möglichst geringem Strömungswiderstand zurücklegt und

- Kavitation bereits vollständig in dieser Zone vermieden wird.

2. Das Volumen Vo der Übergangs- bzw. Kompressionszone ist so auszubilden, dass

- der in der Einströmzone gewonnene strömungstechnische Vorteil, nämlich geringer Strömungswiderstand, Vermeidung von Kavitationen, weitgehend erhalten bleibt und gleichzeitig

- die für optimales Einspritzen erforderliche Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids für den Eintritt in die Ausströmzone erzielt wird.

Dabei ist die Bedingung zu erfüllen, dass die Übergangszone eine stetige Verjüngung erfährt und die Lochwand keine Kanten aufweist. Ihr Volumen Vu ist signifikant kleiner als das Volumen V _E der Einströmzone zu wählen, muss aber selbst groß genug sein, um die strόmungstechni- schen Forderungen zur Vermeidung von Kavitationen zu erfüllen .

3. Das Volumen V _A der Ausströmzone ist so zu bemessen, dass

- trotz des für hohe Ausströmgeschwindigkeiten erforderlichen relativ kleinen Durchmessers der in dieser Zone auftretende Strömungswiderstand möglichst gering bleibt,

- optimale Bedingungen für das Aufbrechen des Strahlbündels nach Verlassen des Spritzloches gegeben sind und

- Verkokungen bei den unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Motors vermieden werden.

Daraus folgt, dass das Volumen V _A der Ausstrόmzone we- sentlich kleiner als das Volumen Vo der Übergangs- und Kompressionszone und viel kleiner als das Volumen V _E der Einströmzone sein muss.

Die Vorteile des erfindungsgemäß dimensionierten Spritzloches ergeben sich aus dem Vergleich seines Gesamtvolumens mit den Volumina bisher technisch genutzter Spritzlöcher mit zylindrischer bzw. strömungstechnisch optimierter konischer Form. Ein derartiger Vergleich ist nur dann sinnvoll, wenn Spritzlöcher gleichen Ausströmquerschnittes miteinander verglichen werden.

Unter dieser Voraussetzung ergeben sich die mit den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichneten Dimensionierungsvorschriften .

Hieraus lässt sich die Aussage ableiten, dass Kavitationen und hierdurch bedingte Verkokungen nur dann wirksam vermieden werden können, wenn das Gesamtvolumen des Spritzloches deutlich größer als die Volumina zylindrischer bzw. strömungstechnisch optimierter konischer Spritzlöcher ist.

Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Figur 10 schematisch dargestellten Spritzloches näher erläutert. Mit den gestrichelten Linien ist nur die Außenkontur des Lochquerschnittes in den verschiedenen Zonen symbolisiert, wobei diese Außenbegrenzungen nicht der realen Lochform, also insbesondere nicht der Außenkontur des Lochquerschnittes, entsprechen, vielmehr lediglich die Volumina der drei Zonen des Spritzloches symbolisieren sollen.

Das aus dem Bereitstellungsraum 107 in seiner Richtung stark umgelenkt einströmende Fluid 101 gelangt zunächst in die Einströmzone 104 mit dem Volumen V _E und wird dort mit geringem Strömungswiderstand über mindestens 50% der Gesamtlänge Ll des Spritzloches zur Übergangs- bzw. Kompressionszone 105 mit dem Volumen V ₀ geleitet. Mit der dort erreichten höheren Geschwindigkeit tritt das Fluid anschließend in die Ausströmzone 106 mit dem Volumen V _A ein, um dann als ausströmendes Fluid 102 das Spritzloch mit den gewünschten Strahleigenschaften zu verlassen.

Wie aus der Figur 10 zu entnehmen und vorstehend begründet ist, muss für die Volumenverhältnisse nach dem Vorschlag der Erfindung

V _E > V ₀ > V _A

gelten, wobei diese Verhältnisse in relativ weiten Grenzen, jedoch unter Berücksichtigung der Bemessungsregel gemäß Patentanspruch 1 variieren können. Das jeweils optimale Verhältnis hängt von den technologischen Randbedingungen ab, die sowohl die Fertigung des Spritzloches als auch seine konkrete Anwendung betreffen.

Diese Verhältnisse gelten für ein rotationssymmetrisch gestaltetes Spritzloch, dessen Symmetrieachse mit der Ziffer 103 symbolisiert ist.

Das Spritzloch wird insbesondere mittels eines wie nachfolgend beschriebenen Verfahrens zum Bohren von Löchern definierter Geometrien, insbesondere definierter Lochquerschnitte, mittels Laserstrahlung hergestellt. Hauptanliegen des Verfahrens ist dabei die Erzeugung solcher Lochquerschnitte, dass eine optimale Zerstäubung von Fluiden gewährleistet werden kann, wobei das wichtigste Einsatzgebiet das Bohren von Einspritzdüsen für Verbrennungsmotoren ist. Der Verbrennungsverlauf in Diesel- und Benzinmotoren hängt neben den von der motorischen Seite her vorgegebenen Bedingungen der Brennraumform, Luftbewegung und Düsenlage von einer Vielzahl von Einspritzsystemparametern ab. Dazu zählen die Düsenbauart und die dazugehörige Düsenlochlage, -lochanzahl, - lochlänge zur Zerstäubung des Kraftstoffes in den Brennraum ebenso, wie Höhe und zeitlicher Verlauf des Einspritzdrucks.

Die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Motors und die Reduktion der Ron-Emission werden folglich in hohem Maße von der Optimierung der Einspritzsysteme bestimmt. Über diesen Parameter kann eine ausschlaggebende Verbesserung des Verbrennungsverlaufes in Diesel- und Benzinmotoren erzielt werden.

Entscheidende Kriterien sind dabei die Reduzierung der Kraftstofftropfchengröße sowie der Strömungsverluste beim Einspritzvorgang. Kleinere Düsenbohrungen in Verbindung mit höherem Druck führen generell zu einer kleinen Kraftstofftröpfchengröße. Der Bohrungsdurchmesser und die strömungsgünstige Gestaltung der Bohrungen sind dabei die relevanten Parameter.

Zur Umsetzung einer optimalen Gemischaufbereitung wird seit Jahren der Einspritzdruck stetig erhöht und der Düsenloch- durchmesser reduziert. Da dieses Vorgehen Kavitationsphänomene im Düsenloch begünstigt, die die Düse im Extremfall schädigen, aufgrund der vorliegenden Gasphase den Durchfluß der Düse in jedem Fall reduzieren, wird bereits heute mit unterschiedlichen sich stromabwärts verjüngenden Konizitäten der Düsenlöcher gearbeitet. Ferner zeigt sich, daß bei Unterschreiten eines kritischen Lochdurchmessers von ca. 100 μm Verkokungserscheinungen im Düsenloch auftreten, die die Strömung bei steigender Lebensdauer des Aggregates deutlich abnehmen lassen. Es stellt sich nun die Frage, inwiefern man durch gezielte Form- gebung des Düsenloches den hydraulischen Wirkungsgrad der Düsen so steigern kann, daß die Effekte der Verkokung und der Kavitation verhindert werden und der Strahlaufbruch für besseren Lufteintrag in das Spray intensiviert wird und somit die Lebensdauer der Düsen erhöht werden kann.

Der gegenwärtige Stand der Technik ist dadurch charakterisiert, daß die Form solcher Löcher, unabhängig davon, ob sie durch mechanisches Bohren, Erodier-, Ultraschall- oder Laserverfahren hergestellt werden, zylindrisch oder konisch mit mehr oder weniger geraden Wänden ist. Auf diese Weise ist es aber nicht möglich, strömungstechnisch optimale Verhältnisse für das Zerstäuben von Fluiden zu schaffen.

Bezüglich der Laserverfahren gibt es in der Patentliteratur zahlreiche Vorschläge zur Verbesserung der Genauigkeiten, insbesondere der Rundheit, der Lochform oder der Reduzierung des negativen Einflusses von Schmelzanteilen auf die Oberflächenqualität der Bohrung, sowie zur Aufweitung des Loches in Einstrahlrichtung. Die Mehrzahl der Betrachtungen erfolgt rein geometrisch-optisch gekoppelt mit geeigneten mechanischen Komponenten.

Da die Parameter eines Laserstrahles, insbesondere seine Intensitätsverteilung, nicht den hohen Anforderungen an die Rundheit z.B. eines Loches in Einspritzdüsen genügen, gibt es mehrere optisch-mechanische Varianten zur Eliminierung dieses Problems. Bereits in der DE - OS 32 17 226 A 1 wird dazu z.B. die Rotation des Strahlungsbündels um die eigene Symmetrieachse vorgeschlagen, was in der DE - OS 197 45 280 A 1 auf drei Module erweitert wird, die vor der Fokussierlinse angeordnet sind und zusätzlich erlauben, den Auftreffpunkt des Strahles auf dem Werkstück und seine Auftreffneigung zu variieren. Ein spezieller Bildrotator wird z.B. in der DE - OS 197 41 029 A 1 beschrieben.

Maßnahmen zur Verbesserung der Oberflächenqualität der Bohrung findet man in der

DE - OS 30 07 169 A 1, wo eine ausreichend hohe Erwärmung des Werkstückes während der Laserbearbeitung einen gleichmäßigen Schmelzfilm erzeugen soll, in der

DE - OS 27 13 904 A 1, wo ein zweiter Laserstrahl als Schmelzstrahl fungiert und den beim eigentlichen Bohrprozess entste ^¬ henden Grat wegschmelzen soll oder in der Patentschrift DE 101 40 533 B 4, wo eine Opferschicht das Bohren mittels ultrakurzer Laserimpulse qualitativ verbessern soll.

Der Lochform, speziell dem Aufweiten des Bohrloches in Strahlrichtung widmet sich die Patentschrift GB 2 227 965 A. Hier wird eine Steuerung des Strahles bezüglich Auftreffwinkel und Abstand zwischen Strahl- und Bohrungsachse mit dem Ziel vorgeschlagen, möglichst variabel konische Löcher unterschiedlicher Wandneigung zu realisieren. Dem gleichen Ziel dienen die mehr theoretischen Betrachtungen zum Intensitätsprofil der Bohrstrahlung in der Patentschrift DE 10 2004 014 820 B 4. Der Erzeugung definierter konischer Lochformen mit Aufweitung in Strahlrichtung dient auch die Anordnung, die in Patentschrift DE 199 05 571 C 1 beschrieben wird. Ihr Grundgedanke besteht in der synchronen Drehung der Polarisationsrichtung des Laserstrahles mit einer Taumelbewegung des Strahles, die durch eine entsprechende Vorrichtung erzeugt wird.

Der Effektivierung des gesamten Bohrprozesses einerseits bzw. der Erhöhung der Präzision des realisierten Loches andererseits dienen mehrstufige Verfahren, die aus einem ersten Schritt, dem Vorbohren, und einem zweiten Schritt, der Erzeu- gung der endgültigen Bohrlochform, bestehen. Dabei können eine Kopplung zwischen Laser- und Erodierverfahren genutzt werden, wie es z.B. die Patentschriften EP 0 299 143 A 1 und DE 10 2004 054 587 B3 beschreiben, oder aber zwei Laser mit unterschiedlichen Strahleigenschaften wie in der DE - OS 101 44 088 A 1 dargestellt, verwendet werden. In der DE 10 2004 054 587 B3 wird u.a. darauf hingewiesen, daß, und hier wird vom Stand der Technik ausgegangen, bei kleinen Einspritzlöchern mit Durchmessern in der Größenordnung 80 μm etwa 24 Löcher pro Düse zu bohren sind, um auf die erforderlichen Einspritzvolumina pro Zeiteinheit zu kommen. Bei solch großen Lochzahlen ist, neben dem erhöhten Arbeitsaufwand, mit einer erheblichen Beeinträchtigung der Düsenstabilität und damit der Funktionssicherheit und Lebensdauer zu rechnen. Die neuartigen Lochformen gemäß dem vorliegenden Verfahren, die nachfolgend genauer beschrieben werden, bringen auch unter diesem Aspekt einen wesentlichen Fortschritt zum Stand der Technik, da durch die relevant reduzierten Strömungswiderstände insbesondere sehr kleiner Löcher auf solch große Lochzahlen verzichtet werden kann, ohne z.B. erhöhte Anforderungen an den Einspritzdruck zu stellen.

Bei allen vorstehend aufgezählten Vorschlägen fehlt die gezielte Berücksichtigung von Merkmalen der Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Werkstoff, die mit den Welleneigenschaften der Laserstrahlung, insbesondere der Beugung, gekoppelt sind, um zu strömungstechnisch optimalen Lochformen zu kommen. Sie sind deshalb im wesentlichen auf zylindrische Löcher und konische Lochformen mit mehr oder weniger großem Öffnungswinkel beschränkt.

Vorliegend werden durch neuartige Lochformen und Verfahren zu ihrer Herstellung weitaus günstigere Möglichkeiten zur Lösung des nach wie vor akuten Problems strömungstechnisch optimaler Lochformen geschaffen.

Der Grundgedanke ist dabei, sich nicht von den bisher üblichen Lasertechnologien auf Lochformen wie die genannten zylindrischen oder konischen Querschnitte festlegen zu lassen, sondern von strömungstechnisch optimalen Lochformen auszugehen und für deren Erzeugung geeignete Technologien und Verfahren bereitzustellen .

Die Forderungen, die ein strömungstechnisch günstiges Loch zu erfüllen hat, sind klar: Die pro Zeiteinheit zu zerstäubende Fluidmenge sollte mit einem möglichst geringen Strömungswiderstand und folglich relativ niedrigem Druckverlust so bis zur Austrittsöffnung des Loches transportiert werden, daß an dieser Stelle Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsverhältnisse (laminar-turbulent) herrschen, die eine optimale Zerstäubung und damit im konkreten Fall einer Treibstoff- Einspritzdüse eine optimale Verteilung des Fluids im Verbrennungsraum sichern.

Gelöst wird diese Aufgabe mit der nachfolgend definierten Form des Bohrloches.

Diese Bohrlochform zeichnet sich durch drei Abschnitte aus, die, in Richtung des strömenden Fluids betrachtet, aus einem ersten Abschnitt, dem zylindrischen Teil für den Fluideintritt mit dem Durchmesser d _E , einem sich daran anschließenden zweiten Abschnitt, in dem sich dieser Durchmesser verjüngt und schließlich einem dritten Abschnitt, der wieder vorzugsweise zylindrisch ist und den Durchmesser d _A der Fluidaustrittsöff- nung besitzt, besteht. Der erste Abschnitt (der Fluid- Eintrittsbereich) soll eine Länge L _E besitzen, die beispiels- weise dreimal so groß ist wie die Länge L _A des dritten Abschnittes der Bohrung, des Fluid-Austrittsbereiches . Die Form des zweiten Abschnittes, des „Übergangsbereiches", soll einen strömungstechnisch günstigen Übergang von Abschnitt 1 zu Abschnitt 3 gewährleisten. Dies geschieht am besten durch einen kontinuierlichen, abgerundeten und kantenfreien Bohrungsverlauf von d _E auf d _A . Der Sinn dieser Form wird sofort klar, wenn man den beabsichtigten schnellen Durchfluss eines Fluids durch eine solche Bohrung, insbesondere den schnellen Durchfluss von Treibstoff durch eine Einspritzdüsenöffnung betrachtet. Grob vereinfacht gesprochen, dient dann der Abschnitt 1 mit seinem relativ großen Durchmesser (das Verhältnis d _E zu d _A sollte vorzugsweise im Intervall 1,3 bis 2,0 liegen) der Zuführung des Fluids mit vergleichsweise geringem Strömungswiderstand an den eigentlichen Teil der Bohrung mit „Düsenfunktion", nämlich die Abschnitte 2 und 3. Die Durchmesserverjüngung im Abschnitt 2 sorgt wegen der Kontinuitätsgleichung der Strömungslehre für eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, die der entscheidende Parameter für eine effektive Zerstäubung des Fluids am Düsenaustritt des Durchmessers d _A ist. Wegen der vergleichsweise geringen Länge L _A von Abschnitt 3 ist der Strömungswiderstand, der hier aufgebaut wird, relativ gering, wenn man z.B. einen Vergleich mit konventionellen Löchern zylindrischen Querschnittes vornimmt. Es ist offensichtlich, daß die beschriebene Lochform bei gleichen Strömungsverhältnissen am Düsenausgang, speziell bei gleicher Ausströmungsgeschwindigkeit des Fluids bzw. gleicher pro Zeiteinheit ausströmender Fluid- menge, strömungstechnisch wesentlich günstigere Eigenschaften besitzt, die sich z.B. in einem erheblich geringeren erforderlichen Einspritzdruck im Vergleich zu den herkömmlichen zylindrischen oder konischen Düsenlöchern widerspiegelt. Die beschriebene Grundform des Bohrloches kann bei Nutzung sämtlicher zur Verfügung stehender optischer und mechanischer Möglichkeiten in weiten Grenzen variiert und damit konkreten Anforderungen angepasst werden. So können beispielsweise die Durchmesser- und Längenverhältnisse in den Grenzen gewählt werden, die in Anspruch 1 näher definiert sind.

Die Erzeugung der dargestellten Bohrlochform erfordert geeignete Verfahrensschritte, die nachfolgend näher erläutert werden sollen. Neben den genannten Parametern und technologischen Schritten, die letztendlich generell zur Erzielung eines qualitativ hochwertigen Bohrloches erforderlich sind, besteht das Wesen des Verfahrens zur Erzeugung solcher Löcher vor allem in der gezielten Ausnutzung der Ausbreitungseigenschaften der Laserstrahlung im Fokusbereich, also der Kaustik, einerseits, sowie den integralen Absorptions- und Reflexionsverhältnissen im Bohrloch andererseits. Erstere werden durch die Wellenlänge der Strahlung, das Intensitätsprofil der Strahlung am Ort des Fokussierelementes, das i. a. summarisch durch die Strahlqualitätszahl K erfaßt wird, und die Abbildungseigenschaften des Fokussierelementes, das im einfachsten Fall aus einer mit möglichst geringen Abbildungsfehlern behafteten Linse besteht, bestimmt .

Die Absorptions- und Reflexionsverhältnisse im Bohrloch selbst, d.h. in Tiefenbereichen, die größer als der Lochdurchmesser am Strahleintritt sind, erweisen sich als außerordentlich komplex und hängen neben der üblicherweise ausschließlich diskutierten Fresnelabsorption, die bei Kenntnis der optischen Konstanten n und K des Werkstoffes; der Polarisation der Strahlung sowie den Einfallswinkeln der Strahlung theoretisch gut erfaßt werden kann, von mehreren Parametern ab, die einer genauen Erfassung schwer zugänglich sind. Dazu gehören z. B. die Absorption der Strahlung durch den im Bohrloch vorhandenen Metalldampf und das laserinduzierte Plasma, aber auch die Streuung der Strahlung durch feinste Werkstoffpartikeln, die zu einer verstärkten (und i. a. unerwünschten) Strahlungsbeaufschlagung der Bohrlochwände führt. Während die Plasmaabsorption speziell bei langwelligen Lasern (Cθ ₂ ~Laser) beträchtliche Werte annehmen kann, ist die Streuung insbesondere bei kurzwelligen Lasern (z. B. Nd: YAG-Laser) zu beachten. Weitere Einflußparameter sind das verwendete Arbeitsgas, die sich beim Bohrprozeß ausbildende Oberflächenstruktur der Bohrlochwände (Rauhigkeit!) und schließlich auch die Wärmeleitungseigenschaften des Werkstoffes.

Um das Wesen der Erfindung klar herausarbeiten zu können, sollen die genannten Sekundäreffekte in den folgenden Betrachtungen vernachlässigt werden und nur die primär entscheidenden Größen Kaustikform und Fresnelabsorption unter dem Aspekt der Erzeugung der Bohrlochformen gemäß der Erfindung diskutiert werden. Als Beispiel soll dabei immer die vorstehend beschriebene Lochform dienen.

Die drei oben definierten Bohrlochabschnitte legen in gewisser Weise auch Abschnitte des Bohrprozesses fest, die durch unterschiedliche Bearbeitungsparameter charakterisiert sind. Die jeweiligen Spezifika werden gemäß der Erfindung, wie bereits vorstehend erwähnt, auf die gegebenenfalls zeitlich variierenden Größen Strahlausbreitung (Kaustikform) und Intensität unter dem Aspekt der Fresnelabsorption im Bohrloch und unter Berücksichtigung der Wellenlänge der Strahlung reduziert. Unter diesen Voraussetzungen läßt sich die beschriebene Lochform auf verschiedenartige Weise erzielen, wobei der Bohrprozeß prinzipiell in zwei Abschnitte unterteilt werden kann, den Vorbohrabschnitt und den Formgebungsbohrabschnitt.

1. Vorbohrabschnitt :

Dieser erste Teil des Bohrprozesses ist durch zwei Bearbeitungsziele charakterisiert - er soll einerseits bereits den Fluid-Austrittsbereich der Bohrung in seiner gewünschten Form weitgehend realisieren und andererseits günstige Voraussetzungen für den zweiten Bohrabschnitt schaffen. Letzteres kann bedeuten, daß z. B. durch eine Sackbohrung definierter Tiefe die Länge des Fluid-Austrittsbereiches und damit der Startpunkt des Übergangsbereiches festgelegt wird, oder daß eine Durchgangsbohrung geschaffen wird, die im Bereich des Fluid- Austrittsbereiches in ihren Dimensionen bereits etwa den Vorgaben entspricht, in den Abschnitten 2 und 3 der Bohrung jedoch noch einer Formung bedarf. Für den Vorbohrabschnitt können sowohl Laserstrahlung als auch alternative Verfahren wie spanende Bearbeitung, Erodieren oder Ultraschallbearbeitung genutzt werden.

Beim Einsatz von Laserstrahlung ist typisch, daß der Vorbohrabschnitt i. a. mit Strahlung einer festen Wellenlänge, eines festen Intensitätsprofils, d. h. einer festen K-Zahl und damit letztendlich einer festen Kaustikform im Fokusbereich durchgeführt wird.

2. Formgebungsbohrabschnitt:

In diesem zweiten Teil des Bohrprozesses sind der Übergangsbereich und der Bereich des Fluid-Eintritts gemäß den stro- mungstechnischen Vorgaben zu schaffen. Dieser Abschnitt bildet einen Schwerpunkt der erfindungsgemaßen Verfahrenslosungen. Das Ziel, die Aufweitung des Bohrloches „nach unten" unter definierten Formvorgaben, kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden, erfordert aber in jedem Falle eine geeignete Kaustikform. Diese kann a) der Kaustik des Vorbohrprozesses entsprechen und folglich wahrend des gesamten Bohrprozesses konstant gehalten werden, b) von der Kaustik des Vorbohrprozesses auf eine für das Formgebungsbohren optimierte Kaustikform geändert und wahrend des Formgebungsbohrens bis zum Abschluß des ge ^¬ samten Bohrprozesses konstant gehalten werden oder schließlich c) durch eine wahrend des Formgebungsbohrens zeitlich variable Kaustikform gekennzeichnet sein.

Die Anpassung der Kaustikform an den gewünschten Ablauf des Bohrprozesses und damit an die gewünschte Lochform kann, ein zeitlich unveränderliches Fokussierelement vorausgesetzt, durch nachfolgend diskutierte Varianten der Strahlformung realisiert werden.

1. Das Intensitatsprofil bzw. die K-Zahl der Laserstrahlung wird geändert und zwar entweder intern, d. h. im Laserresonator selbst, durch geeignete Maßnahmen wie zeitliche Variation des Pumpprozesses oder Änderung der optischen Resonatorkonfiguration, oder extern, d. h. außerhalb des Laserresonators, z. B. durch Einbringen geeigneter optischer Elemente wie diffraktiver Optiken in den Strahlweg. Da i. a. eine extrem zuverlässige Funktion des Lasers selbst angestrebt wird und Eingriffe in die Laserfunktion vor allem im industriellen Dauerbetrieb die Gefahr von Instabilitäten in sich bergen, sind die externen Methoden der Strahlprofiländerung von besonderem praktischem Interesse. So kann z. B. beim Übergang vom Vorbohr- zum Formgebungsbohrabschnitt schnell, d. h. praktisch ohne Zeitverlust, ein diffraktives optisches Bauelement in den Strahlweg gebracht werden, das den Laserstrahl in der gewünschten Weise formt. Dabei ist ein weiterer Vorteil, daß drastische Änderungen problemlos möglich sind, die durch Eingriffe in die Laserfunktion in dieser Breite nicht realisierbar wären.

2. Der Strahldurchmesser am Ort des Fokussierelementes wird geändert. Durch diese Maßnahme kann einerseits in weiten Grenzen die Divergenz der Strahlung in der Fokusumgebung variiert werden, andererseits wird gleichzeitig der Fokusdurchmesser, der umgekehrt proportional vom Strahldurchmesser am Ort des Fokussierelementes abhängt, beeinflußt.

3. Die Strahldivergenz vor der Fokussierung wird geändert. Proportional dazu ändert sich der Fokusdurchmesser, gleichzeitig aber auch die Fokuslage.

Die Möglichkeiten 2. und 3. lassen sich z. B. mittels variabler Teleskope oder adaptiver Optiken im Strahlweg realisieren.

Bei den vorstehend genannten Varianten der Strahlformung wurde davon ausgegangen, daß ein Laser für den Bohrprozeß genutzt wird. Einen wesentlich größeren technologischen Aufwand, dafür aber zahlreiche neue Freiheitsgrade bei der Realisierung optimaler Lochformen im Sinne der Erfindung, bietet der Einsatz z. B. zweier Laser, die vorzugsweise unterschiedliche Wellenlänge besitzen und damit neue Möglichkeiten der Anpassung der Form der Fokuskaustik an die Erfordernisse der unterschiedlichen Bohrphasen liefern. Typisch wäre dabei der Einsatz eines Lasers kürzerer Wellenlange (z. B. im Bereich 1 μm oder kurzer) für einen präzise geführten Vorbohrprozeß und der Einsatz eines Lasers größerer Wellenlange (z.B. eines Cθ ₂ ~Lasers bei ca. 10 μm) für den Formgebungsbohrabschnitt.

Das Grundverfahren zur Erzeugung der geschilderten Lochformen gemäß der Erfindung beruht auf der Nutzung eines einzigen Lasers einer dem Lochdurchmesser angepaßten Wellenlange, wobei als Faustregel angenommen werden kann, daß für typische Falle die Wellenlange etwa eine Größenordnung kleiner als der Lochdurchmesser sein sollte. Verwendet man z. B. Cθ ₂ ~Laser, können Locher mit Durchmessern der Größenordnung 100 μm besonders gunstig gebohrt werden. In diesem konkreten Beispiel bewirkt die Wellenlangenabhangigkeit der Beugung, daß die Kaustik eines solchen fokussierten Laserstrahles eine wesentlich andere Form besitzt als z.B. bei den meistens für das Bohren solcher Locher eingesetzten Lasern mit Wellenlangen um ca. 1 μm. Die zehnfach stärkere Beugung der Cθ ₂ ~Laserstrahlung in Kombination mit einer geeigneten Fokussierung und dem Zusammenspiel der Strahlqualitatszahl K des Lasers sowie den spezifischen an den Bohrlochwanden auftretenden Fresnelabsorptionen sind der Schlüssel für die Ausbildung der gewünschten Lochform.

Der gesamte Bohrprozess erfolgt dabei aus einer Richtung, wobei speziell bei der geschilderten Lochform die engste Stelle des Bohrloches am Strahleintritt und der aufgeweitete Abschnitt in Strahlrichtung im unteren Teil des durchbohrten Materials liegen. Damit werden z.B. die geometrischen Forderungen für Locher in einer Einspritzdüse erfüllt. Für eine aktive Formung des Bohrloches im Verlauf des Bohrprozesses können, wie oben allgemein dargestellt, die Form der Fokuskaustik sowie deren Lage variiert werden. Mögliche Einflüsse der beschriebenen Strahlformungsvarianten auf den Bohrprozeß sollen nachfolgend beispielhaft noch einmal beschrieben werden.

a) Während des Bohrprozesses wird die Strahlqualitätszahl K der Laserstrahlung geändert. So kann beispielsweise der Bohrprozess mit einer relativ niedrigen Strahlqualität und folglich mit einem relativ großen Fokusdurchmesser gestartet werden (Vorbohrabschnitt). Nach dem Bohren der Fluid-Austrittsöffnung wird durch eine Erhöhung der K- Zahl eine signifikante Verringerung des Fokusdurchmessers erreicht und damit die im ersten Bohrabschnitt erzeugte scharfe Fluidaustrittskante vor einem schädlichen Aufschmelzen im weiteren Bohrverlauf geschützt. Diese Option ist umso wichtiger, da im Formgebungsbohrabschnitt, also beim Erzeugen der aufgeweiteten Bohrlochteile, mit vergleichsweise hohen Strahlungsintensitäten gearbeitet werden muß .

b) Analoge Resultate kann man durch eine Variation des Laserstrahldurchmessers auf der Fokussierlinse während des Bohrprozesses erzielen. Eine solche Durchmesseränderung kann z.B. mittels geeigneter schneller adaptiver Optiken realisiert werden. Da der Fokusdurchmesser umgekehrt proportional vom Bündeldurchmesser auf der Linse abhängt, werden auf diese Weise sowohl der Fokusdurchmesser als auch die Form der Kaustik geändert. Bei diesem Verfahren könnte man z.B. den Bohrprozeß mit einem vergleichsweise kleinen Strahl- und folglich einem relativ großen Fokusdurchmesser starten. Analog Punkt a) wird dann durch eine Vergrößerung des Strahldurchmessers die Schärfe der Fo- kussierung verbessert und damit ebenfalls die im Vorbohrabschnitt erzeugte Fluidaustrittskante vor dem schädlichen Aufschmelzen geschützt.

c) Eine andere Möglichkeit des Einsatzes schneller adaptiver Optiken besteht darin, während des Bohrprozesses die Divergenz des auf das Fokussierelement auffallenden Strahlungsbündels zu ändern. Dadurch kann erreicht werden, daß die Fokuslage in einer solchen Größenordnung variiert, daß die Bohrlochform in einer gewünschten Weise beeinflußt wird.

An dieser Stelle soll noch auf die Spezifik der Fertigung sehr kleiner Löcher der beschriebenen Lochform, die z.B. durch Fluid-Austrittsöffnungen mit Durchmessern im Bereich von wenigen 10 μm charakterisiert sind, eingegangen werden. Dieser Bereich bleibt dem Cθ ₂ ~Laser verschlossen, seine Grenze kann mit etwa 60 μm angegeben werden. Bei solch kleinen Aperturen macht sich allerdings die Beugung mit ihrem Einfluß auf die Bohrlochform bereits beim Einsatz von Lasern mit Wellenlängen z.B. im Bereich 1 - 2 μm bemerkbar, so daß für feinste Löcher die vorstehend gemachten, prinzipiellen Überlegungen beispielsweise auch auf den Einsatz von Nd: YAG-Lasern übertragen werden können. Bei Lasern dieser Art kann die Strahlqualitätszahl in weiten Grenzen variiert werden, was z.B. vorteilhaft in Kombination mit der Beugung der Strahlung an der sehr kleinen Fluid-Austrittsöffnung, die im Vorbohrabschnitt realisiert wurde, zur Aufweitung der unteren Abschnitte des Bohrloches nutzbar ist. Wie bereits angedeutet, kann auch die Lage der Fokuskaustik aktiv zur Formung von Bohrlochern gemäß der Erfindung genutzt werden. So ist es allein durch Änderung der Fokuslage relativ zum Werkstuck möglich, außer der geschilderten Lochform noch eine Reihe anderer Modifikationen des Lochquerschnittes zu erzeugen. Durch ein Legen des Fokus mehr oder weniger tief in das zu bohrende Material hinein kann z. B. der engste Teil des Bohrloches in das Werkstuckinnere gelegt werden.

Eine weitere spezielle Lochform gemäß der Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß in einem zusatzlichen Verfahrensschritt das rotationssymmetrische Bohrloch mit einer vorzugsweise schlitzförmigen Struktur am Fluidaustritt versehen wird, um das Zerstaubungsverhalten des Fluids so zu steuern, daß z.B. in Verbrennungsmotoren eine optimale Verteilung entsteht. Die Abmessungen dieser schlitzförmigen Struktur können in weiten Grenzen variieren, sollten aber typischerweise in den im Anspruch 10 genannten Intervallen liegen. Diese Zusatzstruktur kann entweder mit dem langwelligen Laser selbst, also vorzugsweise einem Cθ ₂ ~Laser, einem kurzwelligeren Laser oder einem der angeführten alternativen Verfahren erzeugt werden. Für den Spezialfall, daß die zu fertigenden Locher, z.B. in Einspritzdüsen, auf dem gleichen Lochkreis liegen, kann das Herstellungsverfahren dieser Struktur in der Weise modifiziert werden, daß auf dem Lochkreis der Bohrlocher eine durchgangige Vertiefung der gewünschten Abmessungen bereits vor dem eigentlichen Bohrprozeß entweder durch definierten Materialabtrag mittels Laserstrahlung oder durch alternative Verfahren eingebracht wird, wobei der Querschnitt dieser Vertiefung im Prinzip beliebige, vorzugsweise aber symmetrisch zum Lochkreis gelegene Formen wie Dreieck, Rechteck, Halbkreis o.a. besitzen kann . Um die Qualität des erzeugten Bohrloches im Hinblick auf Oberflächenqualität und Kantengenauigkeit zu optimieren, kann gemäß der Erfindung der Laserbohrprozeß hinsichtlich des Arbeitsgases in zwei Abschnitte unterteilt werden, wobei im ersten Abschnitt die gewünschte Lochform unter Nutzung eines ersten Arbeitsgases, welches die Ausbildung der Lochform unterstützt und den Bohrprozess beschleunigt, erzeugt und im zweiten Abschnitt mittels eines zweiten Arbeitsgases eine Verbesserung der Oberflächenqualität der Bohrungswände realisiert wird. Typische Arbeitsgase wären z.B. Sauerstoff für den ersten und Argon für den zweiten Abschnitt.

Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind, erläutert. In diesen zeigen:

Figur 1 Querschnitt des Einspritzloches nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 2 Querschnitt des Einspritzloches nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung

Figur 3 Aufsicht und Querschnitt eines Einspritzloches gemäß der Erfindung mit definiertem Querschlitz am Flui- daustritt

Figur 4 Kopf einer Einspritzdüse mit Einspritzlöchern gemäß der Erfindung und durchgängigem Querschlitz auf dem Lochkreis am Fluidaustritt

Figur 5 Varianten der Änderung der Fokusgeometrie während des Bohrprozesses a) Variation der K-Zahl der Laserstrahlung während des Bohrprozesses b) Variation des Bündeldurchmessers der Laserstrahlung am Ort des Fokussierelementes während des Bohrprozesses c) Variation der Bündeldivergenz des Laserstrahles am Ort des Fokussierelementes während des Bohrprozesses

Figur 6 Zur Variation von Divergenz (a) bzw. Durchmesser (b) des Laserstrahles am Ort des Fokussierelementes mittels adaptiver Optik

Figur 7 Zweistufiges Bohren eines Einspritzloches gemäß der Erfindung a) Erste Stufe: Sackbohrung b) Erste + zweite Stufe: Komplette Bohrung

Figur 8 Zweistufiges Bohren eines Einspritzloches gemäß der Erfindung a) Erste Stufe: Durchbohrung (Vorbohren) mit kleinem Durchmesser b) Erste + zweite Stufe: Komplette Bohrung

Figur 9 Zweistufiges Bohren eines Einspritzloches gemäß der Erfindung a) Erste Stufe: Bohren des Fluid-Austrittsbereiches mit Fokuslage um Betrag Δz oberhalb der Werkstückoberfläche b) Erste + zweite Stufe: Komplette Bohrung; bei zweiter Stufe Fokuslage auf Werkstückoberfläche Fig. 1 zeigt den Querschnitt des Düsenloches gemäß der Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel, welches gleichzeitig die Grundform des Loches wiedergibt. Dieses Loch ist durch drei Teilabschnitte, die sich aus strömungstechnischen Überlegungen ergeben, charakterisiert. Aus Strömungsrichtung 8 des Fluids betrachtet, besitzt dieses Loch zunächst einen relativ weiten ersten Abschnitt (30) des Durchmessers d _E , der sich über eine Länge L _E von der Fluid-Eintrittsöffnung 7 bis zum Übergangsbereich 5, in dem eine Verengung dieses Durchmessers auf d _A erfolgt, erstreckt. Dieser quasi-zylindrische FIu- id-Eintrittsbereich 6 besitzt die Aufgabe, das Fluid mit möglichst geringem Strömungswiderstand und damit geringem Druckverlust bis zum zweiten Abschnitt (31) des Bohrloches, dem Ü- bergangsbereich 5 und letztlich zum dritten und für die Art des Fluidaustritts, z.B. seine Zerstäubung, entscheidenden dritten Abschnitt (32), dem quasi-zylindrischen Fluid- Austrittsbereich 4 zu transportieren. Ist das Fluid eine praktisch inkompressible Flüssigkeit, erfolgt im Bereich 5 bei vorgegebener Druckdifferenz p _E - p _A (p _E ist der statische FIu- id-Druck an der Fluid-Eintrittsöffnung 7, p _A der statische Druck an der Fluid-Austrittsöffnung 3) wegen der Kontinuitätsgleichung der Strömungslehre eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit von v _E an der Fluid-Eintrittsöffnung 7 auf v _A an der Fluid-Austrittsöffnung 3. Die Differenz v _A - v _E wird durch das Verhältnis von d _E zum Durchmesser d _A der Fluid- Austrittröffnung 3 bestimmt und es gilt v _A /v _E = d _E ² /d _A ² . Im Allgemeinen wird ein möglichst großes v _A bei vorgegebenem p _E - p _A angestrebt, um eine effiziente Zerstäubung des Fluids zu erzielen. Wie groß v _A in der Endkonsequenz ist, hängt neben der Druckdifferenz p _E - p _A vom Gesamtströmungswiderstand des Loches ab. Dessen Länge L ist im wesentlichen durch die Dicke L _w des Werkstoffes 1 vorgegeben, die sich aus Festigkeitsüberlegungen bei der Düsenkonzeption ergibt. Muß das Loch schräg durch den Werkstoff 1 gebohrt werden, einer typischen Anforderung bei modernen, optimierten Einspritzdüsen, wird L > L _w , was natürlich ebenfalls Auswirkungen auf den Strömungswiderstand hat. Hier kommt ein weiterer wesentlicher Vorzug der Düsenform gemäß der Erfindung zum Tragen, der sofort klar wird, wenn man z.B. eine zylindrische Bohrung mit einer Bohrung unterschiedlicher Bohrdurchmesser vergleicht. Während bei der zylindrischen Bohrung die Vergrößerung der Bohrungslänge automatisch zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes führt, ist diese negative Wirkung eines schrägen Bohrloches bei einer Bohrung mit unterschiedlichen Bohrdurchmessern praktisch vernachlässigbar, da sich bei ihr der Strömungswiderstand vor allem auf den Fluid-Austrittsbereich (4 ) mit seiner im Vergleich zu L relativ kleinen Länge L _A konzentriert. Letztere kann problemlos durch minimale Änderungen der Bohrparameter so variiert werden, daß sich für alle Löcher einer Düse, unabhängig von ihrer individuellen Neigung zum Lot auf die Werkstückoberfläche, gleicher Strömungswiderstand bzw. gleiche Austrittsgeschwindigkeit und gleiche Austrittsmenge ergeben.

Generell spielt bei der Funktionsoptimierung der Form eines Düsenloches gemäß Fig. 1 die prinzipielle Möglichkeit, bei der Lochfertigung die Parameter d _E , d _A , L _A und L _E in ausreichend weiten Grenzen variieren zu können, eine große Rolle.

Ebenso wichtig ist die Tatsache, daß das Loch aus einer Bearbeitungsrichtung 2 gefertigt werden kann, da bei zahlreichen wichtigen Anwendungsfällen solcher Düsenlöcher, z.B. bei Einspritzdüsen von Verbrennungsmotoren, ein 2-stufiges Bohren von Vorder- und Rückseite durch die Geometrie der Gesamtdüse praktisch unmöglich ist. Eine wesentliche Rolle im Bohrprozeß spielt das Arbeitsgas 17. Für das Bohren von Lochern in Einspritzdüsen werden, wie bereits vorstehend erwähnt, vorzugsweise Sauerstoff und Argon eingesetzt.

Fig. 2 zeigt zwei weitere typische Ausfuhrungsformen des Bohrloches gemäß der Erfindung bei denen die „Taille" des Bohrloches 9 innerhalb des Werkstückes liegt.

Eine weitere Ausfuhrungsform des Bohrloches gemäß der Erfindung zeigt Fig. 3 in Querschnitt und Draufsicht. Diese Lochform ist durch einen Hilfsschlitz 10 der Breite b _Ξ und der Tiefe ts charakterisiert, wobei t _s nicht großer als die Lange des Fluid-Austrittsbereiches L _A sein sollte. Seine Funktion besteht in einer definierten Modifizierung der Zerstaubungscharakte- ristik des runden ursprunglichen Bohrloches 3.

Eine spezielle Ausfuhrungsform von Bohrlochern mit Hilfsschlitz illustriert Fig. 4. Setzt man z.B. eine Düse voraus, die mehrere Einspritzlόcher besitzt, deren Fluidaustritte alle auf dem gleichen Lochkreis liegen, kann der Hilfsschlitz auch als durchgangiger Hilfsschlitz 12 der Breite b _s durch unterschiedlichste Verfahren, z.B. mittels Laser oder spanende Verfahren, vor dem eigentlichen Bohrprozeß hergestellt werden. Der Querschnitt des durchgangigen Hilfsschlitzes 12 kann im Prinzip beliebige, vorzugsweise aber symmetrisch zum Lochkreis gelegene Formen wie Dreieck, Rechteck, Halbkreis o.a. besitzen.

Fig. 5 illustriert drei Varianten, wie die Fokuskaustik wahrend des Bohrprozesses geändert werden kann. Ziel ist dabei auch hier wieder die Realisierung definierter Bohrlochformen. In Fig. 5a wird gezeigt, wie sich der Fokusdurchmesser 2w _fi eines ersten Strahles 25 mit der Strahlqualitätszahl Ki auf einen Fokusdurchmesser 2w _f2 vergrößert, wenn die Strahlqualitätszahl K ₂ des modifizierten Strahles 26 kleiner ist als Ki. Die Änderung der Strahlqualitätszahl kann dabei entweder intern, d. h. durch Eingriffe in den Laserprozeß selbst, oder extern, d. h. auf dem Strahlweg vom Laser zum Werkstück, z. B. durch Einbringen eines diffraktiven optischen Elementes 33, erfolgen. Die anderen Strahlparameter werden hierbei als konstant vorausgesetzt .

Fig. 5b zeigt den Einfluß der Änderung des Strahldurchmessers auf der Fokussierlinse 24 während des Bohrprozesses auf den jeweiligen Fokusdurchmesser. Während der Originallaserstrahl 19 mit größerem Durchmesser den scharfen Fokusdurchmesser 2w _f i ergibt, resultiert aus einer Verringerung des Strahldurchmessers auf der Linse (Strahl 23) eine Vergrößerung des Fokusdurchmessers 2w _f3 . Deutlich ist hier zu sehen, wie stark sich die gesamte Form der Fokuskaustik ändert, was den gewünschten signifikanten Einfluß auf die Lochform erzeugt.

Fig. 5c schließlich zeigt den Einfluß einer Änderung der Divergenz des Laserstrahles während des Bohrprozesses auf die Fokuslage. Der Laserstrahl 22 mit einer Divergenz, die gegenüber dem Originalstrahl 19 vergrößert wurde, besitzt eine Fokuslage, die um den Betrag Δz gegenüber dem Fokus des Originalstrahles in Richtung Abstandsvergrößerung von der Fokussierlinse verschoben ist.

Fig. 6 illustriert die beiden letztgenannten Varianten der Strahlmodifikation etwas genauer. Hier wurde angenommen, daß der Originalstrahl 19 mittels einer adaptiven Optik 20 in der Weise verändert werden kann, daß ein Laserstrahl mit veränderter Divergenz 22 (Fig. 6a) oder ein Laserstrahl mit verändertem Durchmesser 23 (Fig. 6b) resultiert, die jeweils von der Fokussierlinse 24 in Richtung Werkstück 1 fokussiert werden. Im Fall a) sind dabei die Fokuslage 27 des unbeeinflussten Strahles 21 und die Fokuslage 28 des Laserstrahles mit veränderter Divergenz 22 verschieden, im Fall b) besitzt der Laserstrahl mit verringertem Durchmesser 23 einen im Vergleich zum Originalfokus vergrößerten Durchmesser 29.

Fig. 7 zeigt eine Möglichkeit des Bohrens der gewünschten Löcher mittels eines zweistufigen Verfahrens, bei dem der gesamte Bohrprozeß in einen Vorbohrabschnitt und einen Formgebungsbohrabschnitt unterteilt wird. Fig. 7a illustriert das im ersten Verfahrensschritt entstandene vorgebohrte Sackloch 14, welches beispielsweise mittels eines Lasers kurzwelliger Strahlung oder alternativer Verfahren, wie spanende Bearbeitung, Funkenerosion oder Präzisions-Ultraschallbearbeitung hergestellt wird. Im zweiten Verfahrensschritt (Fig. 7b) erfolgt beispielsweise mittels eines Lasers langwelliger Strahlung, insbesondere eines CO ₂ -Lasers, das Aufbohren des Loches 18 auf die endgültige Form.

Analog ist die in Fig. 8 illustrierte Vorgehensweise. Der einzige Unterschied besteht darin, daß im ersten Verfahrensschritt mittels eines der oben genannten Verfahren eine komplette Durchbohrung 15 des Werkstückes erfolgt, die im zweiten Verfahrensschritt wieder auf die Endform 18 aufgeweitet wird.

Eine weitere Modifikation der zweistufigen Vorgehensweise veranschaulicht Fig. 9. Hauptanliegen ist hier der optimale Schutz des in der ersten Bohrphase erzeugten scharfen oberen Randes der Bohrung mit dem Durchmesser d _A . Wie Fig. 9b zeigt, wurde dabei die Fokustaille um einen definierten Betrag Δz ü- ber die Werkstückoberfläche gelegt. Im zweiten Verfahrensschritt macht man sich nun zu Nutze, daß auf diese Weise d _A etwas größer ist als der Durchmesser der Strahltaille. Schiebt man nämlich nun den Fokusort um den Betrag Δz nach unten, folglich auf die Werkstückoberflache, wird der scharfe obere Rand des Loches nur noch von so schwachen Randstrahlen des Bündels getroffen, daß kein Aufschmelzen erfolgt. Gleichzeitig sind für die Aufbohrung des Loches auf die endgültige Form mit dem Fluideintrittsdurchmesser d _E optimale Voraussetzungen geschaffen.

Bezugszeichenliste

1 Werkstoff

2 Bearbeitungsrichtung

3 Fluid-Austrittsöffnung

4 Fluid-Austrittsbereich

5 Übergangsbereich

6 Fluid-Eintrittsbereich

7 Fluid-Eintrittsöffnung

8 Strömungsrichtung des Fluids

9 „Taille" des Bohrloches

10 Hilfsschlitz

11 Einspritzdüsenkörper

12 durchgängiger Hilfsschlitz für Fluid-Zerstäubung

13 Bearbeitungsrichtung für Vorbohren

14 vorgebohrtes Sackloch

15 vorgebohrtes Durchgangsloch

16 Bearbeitungsrichtung für Endbearbeitung

17 Arbeitsgas

18 fertiges Loch

19 Original-Laserstrahl

20 Adaptive Optik

21 Zustand 1 des Laserstrahles nach adaptiver Optik

22 Laserstrahl mit veränderter Divergenz

23 Laserstrahl mit verändertem Durchmesser

24 Fokussierlinse

25 Laserstrahl mit Strahlqualitätszahl Ki

26 Laserstrahl mit Strahlqualitätszahl K ₂ < Ki

27 Fokusspot des Laserstrahls 21

28 veränderte Fokuslage des Laserstrahls 22

29 veränderter Fokusdurchmesser des Laserstrahls 23

30 Erster Abschnitt des Bohrloches

31 Zweiter Abschnitt des Bohrloches 32 Dritter Abschnitt des Bohrloches

33 Diffraktives optisches Element

b _s - Breite des Hilfsschlitzes für Fluidzerstaubung d _A - Durchmesser der Fluid-Austrittsoffnung d _E - Durchmesser der Fluid-Eintrittsoffnung d _τ - Durchmesser der Bohrlochtaille

L - Lange der Bohrung

L _A - Lange des Fluid-Austrittsbereiches

L _E - Lange des Fluid-Eintrittsbereiches

L ₃ - Lange des Hilfsschlitzes für Fluid-Zerstaubung t _s - Tiefe des Hilfsschlitzes für Fluid-Zerstaubung v _A - Stromungsgeschwindigkeit an der Fluid-Austrittsoffnung v _E - Stromungsgeschwindigkeit an der Fluid-Emtrittsoffnung

2w _f i - Fokusdurchmesser des Strahles mit K-Zahl Ki

2w _f2 - Fokusdurchmesser des Strahles mit K-Zahl K ₂ < Ki

2w _f3 - Fokusdurchmesser des Strahles mit reduziertem Durchmesser

Δz - Verschiebung der Fokuslage

101 Einstromendes Fluid

102 Ausstromendes Fluid

103 Symmetrieachse

104 Einstromzone

105 Übergangs- bzw. Kompressionszone

106 Ausstromzone

107 Bereitstellungsraum

Ll Lange des Spritzloches

V _E Volumen der Einstromzone 4

V ₁ ) Volumen der Übergangs- bzw. Kompressionszone 5

V _A Volumen der Ausstromzone 6