Wirtschaftliche, laserbasierte Erzeugung von Düsenkanalformen (STREAM)

Problemstellung
Beim Einsatz von Düsen in z. B. Vernebelungs-, Sprinkler-, Lackier- oder auch Laserstrahlschneidanlagen ist ein stetiger Trend zu immer kleineren und speziell geformten Düsenöffnungen in unterschiedlichster Ausführungsform beobachtbar. Gefordert werden heute im Falle kreisrunder Düsenöffnungen vielfach Durchmesser unter d = 100 µm, im Falle schlitzförmiger Öffnungen Schlitzbreiten kleiner b = 100 µm. Neben den Öffnungsabmessungen spielt auch die Form der Düsenöffnung eine entscheidende Rolle für die gesamte Funktionsweise der Düse. Die Düsenöffnungen werden heute durch zeit- und kostenintensives Erodieren und durch manuelle mechanische Nachbearbeitung in die vorgefertigte Düse eingebracht, um in Serie Düsen für o. g. Applikationen herzustellen. Aktuelle Problemstellung ist, dass bereits Düsenbohrungen unter 250 µm in der notwendigen Genauigkeit mechanisch nicht mehr wirtschaftlich erzeugbar sind. Je kleiner die geforderte Düsenbohrung, desto kritischer ist der Herstellungsprozess.

Projektziel
Zusammengefasst wurden folgende Ziele definiert:
– Hohe Präzision der Düsenöffnungen hinsichtlich Positionstoleranz (± 5 µm) sowie Rundheit bei kreisrunden Öffnungen bzw. Geradheit bei Schlitzen
– Kenntnis über Bearbeitungsstrategien und Prozessfenster zum Eintrag speziell geformter Geometrien
– Verkürzung des Fertigungsablaufs und Reduktion der Fertigungskosten
Allgemein:
– Wirtschaftlicher Eintrag von definierten Geometrien höchster Präzision in metallische Werkstoffe
– Nutzung der Ergebnisse für den Wissenstransfer und zur Erforschung neuer wissenschaftlicher Ansätze
– Übertragung der Ergebnisse zur Realisierung neuer Systemtechnologie für die Mikrobearbeitung

Vorgehensweise
– Ermittlung relevanter Düsenkanalformen
– Auslegung eines Testsystems mit Strahlquelle, -führung und -formung sowie Aufbau eines geeigneten Positioniersystems
– Ermittlung und Optimierung der Bearbeitungsstrategien und -parameter

Ergebnisse und Anwenderpotenzial
Für die Untersuchungen wurden mehrere Düsenkanalformen festgelegt, die auf den Realabmaßen konventionell gefertigter Düsen basieren.
Als Testsysteme wurden drei ns-Laserstrahlquellen mit Strahlführung und -formung verwendet. Diese Systeme unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer max. Laserleistung und in den Positioniermöglichkeiten der Werkstücke bzw. der Düsenhalbzeuge.
Die Untersuchungen zu den Positioniersystemen ergaben, dass die rein optische Positionierung über einer Kamera für diese Anwendung in Hinblick auf die Positionstoleranz zu ungenau ist. Letztendlich wurden ein optisches und ein taktiles Positionierverfahren kombiniert und für die Untersuchungen herangezogen.
Des Weiteren sind folgende wissenschaftliche Untersuchungen und Erfahrungen innerhalb des Verfahrens generiert worden:

– Gaseinfluss (Stickstoff, Druckluft, Argon) beim Mikrobohren mittels ns-Laserstrahlquellen (t = 20 ns; ¿ = 1064 nm; Pav = 10 W)
– Kenntnisse über den Laserstrahlmaterialabtrag mittels ns-Strahlquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen (UV, VIS, IR) von Messing, Stahl, Kupfer, Aluminium
– Einflüsse der unterschiedlichen Bearbeitungs- und Scanstrategien
– Erkenntnisse zum Einsatzbereich der unterschiedlichen Lasertypen zum Mikrobohren und -strukturieren.

Da der Inhalt des Vorhabens sich nicht ausschließlich auf das Laserstrahlbohren bezog, sondern auch das Erzeugen definierter Strukturen untersucht wurde, können die Ergebnisse ebenfalls auf das Laserstrahlstrukturieren mit ns-Laserstrahlquellen übertragen werden.

• bkl-lasertechnik
• BLZ Bayerisches Laserzentrum Gemeinnützige Forschungsgesellschaft mbH
• Skrobanek Metallbearbeitungs GmbH