用于工件的激光钻孔或激光切割的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于工件的激光钻孔或激光切割的方法，其中，由激光器散射出的电磁辐射照射到工件上并且在工件的背离激光器的侧上存在液体，在该液体中包含纳米颗粒，使得当由激光器散射出的电磁辐射穿过工件后该电磁辐射照射到纳米颗粒上。
【背景技术】
[0002]为了在经济的工艺时间内借助激光器产生具有高的长径比和极好的棱边质量的钻孔，需要具有高的脉冲能量的脉冲激光器。在由脉冲激光器散射出的电磁辐射穿过工件之后，该电磁辐射对处于光路中的其它材料和/或人员形成危险。尤其当其它材料相对于钻孔出口侧仅有小的距离时，该材料经常被射出的激光辐射损伤。钻孔过程或切割过程不能在损伤开始前中断，因为工件中的通孔在打开后还必须被加工到要求的形状。出现的损伤对于许多应用情况如喷射喷嘴的激光钻孔或涡轮叶片中的冷却孔的产生等是不能接受的。在切割具有小内径的管材时，例如在制造医用支架时，也会出现该问题。
[0003]为了保护处于钻孔或者说切割孔后面的材料，由现有技术已知不同的做法。在所有做法中，在电磁辐射的射线方向上在工件的后面布置材料，以阻止电磁辐射引起损伤。原则上在此可以考虑固体材料、循环的液体和流体或颗粒悬浮液。
[0004]由US 6, 303,901 B1例如已知，在要钻孔的或要分离的材料与背面其它材料之间的中间空间中布置单原子气体或分子气体，该气体吸收激光辐射的光子并形成高密度等离子。在另一实施方式中，该中间空间用固体或高粘度液体填充。
[0005]尤其使用固体材料来截获电磁辐射伴随一些缺陷。为了能够使用这种固体材料，例如陶瓷棒或陶瓷板，必须能够容易地从外部达到要穿过的工件和背面材料之间的空腔。而且中间置入的固体材料被去除并且必须被再推入或更新。此外，固体材料的通过激光器的电磁辐射而脱离的去除颗粒必须能在钻孔过程结束时被容易地去除。
[0006]在制造具有例如八个分开的钻孔的喷射喷嘴时可能需要在每次钻孔后将置入的固体更新。这延长了工艺时间，降低了自动化潜能并且是耗费成本的。
[0007]由W0 2007/089469 A2已知，将中间空间用干的、稳定的粉末例如氧化铝粉末来填充。在此，单个颗粒的大小选择在10pm到1000pm之间。但在该技术方案中也必须在钻孔后将粉末从空腔去除并为了下次钻孔而必要时再填入新鲜的粉末。
[0008]相反，W0 00/69594 A1以及US 6, 365,871 B1提出，使用包含颜料的液体。这些颜料可以这样选择，使得它们尤其吸收具有激光光线的波长的光子。在此，在颜料分子中发生电子激发，其中电子被提升到高能位。光子以此方式被吸收。
[0009]但不利的是，这种颜料相对块地褪色并且对于激光器的电磁辐射来说变得透明。因此它们仅适用于短时吸收电磁辐射。此外它们通常仅具有相对小的吸收横截面。
[0010]除了颜料外液体中还可以包含微颗粒，它们使入射的激光发散并从而使电磁辐射的能量密度减小，使得它们尤其与通过颜料进行的吸收相结合不再足以在不希望的部位去除材料。
[0011]然而，为了达到由激光器散射出的电磁辐射的足够强的发散，液体中的颗粒浓度在这种情况下必须很高。这导致高粘度，其阻止狭窄空腔中的高流动速度。这一方面具有的缺点是，高粘度液体很难从尤其狭窄的空腔再去除，另一方面，在流动速度小的情况下存在这样的危险:电磁辐射使液体局部蒸发并从而在该区域中不再存在对处于后面的材料的保护。产生气泡，激光辐射可以几乎无阻碍地穿过它们。
【发明内容】
[0012]因此，本发明的任务是，改进用于工件的激光钻孔或激光切割的方法，使得处于工件后面的材料的损伤即使在距离小的情况下也能安全避免，同时，具有纳米颗粒的液体能够容易地从可能小的空腔去除并且仍然能够长期使用。
[0013]本发明通过按照权利要求1前序部分的方法解决所提出的任务，该方法的特征在于，纳米颗粒这样构成，使得电磁辐射的主要部分被纳米颗粒吸收，其方式是，电磁辐射在纳米颗粒中产生集体激发。
[0014]处于液体中的纳米颗粒因此必须这样构造，使得电磁激光辐射能够耦合到集体激发上。对于集体激发在此当前理解为这样的激发:其激发能量与各个纳米颗粒的大小相关。尤其多种微粒例如纳米颗粒的原子、分子或电子参与到这种激发中。因此，集体激发从根本上区别于颜料中的负责吸收电磁辐射的激发。在颜料和色素中，电磁辐射的吸收这样进行:分子或原子内的电子被提升到较高的能位。为此所需的激发能量基本与当前分子的数量无关，因为分别仅唯一一个负责并且经常仅一个单个电子参与激发过程。在本申请意义上的集体激发中则不同。在这种集体激发中，多个电子、原子核、原子或分子参与。为产生这种集体激发所需的能量在此取决于对应的纳米颗粒的大小。
[0015]对于电磁辐射的主要部分尤其理解为电磁辐射50%的以上，有利地75%以上，特别优选90%以上。尤其重要的是，这样多的电磁辐射被吸收，使得保留的辐射份额不会引起处于背面腔中的材料的损伤。
[0016]通过根据本发明的方法可明显提高例如通过激光钻孔制成的孔洞的质量。这涉及孔洞的不同方面。孔洞涉及钻入到工件的材料中的隧洞。它因此具有具有入口的前侧或入口侧和具有出口的背侧或出口侧。通常希望，入口侧上的入口的直径和出口侧上的出口的直径大致一样大。用激光扫描器和皮秒激光器进行的钻孔试验已经表明，例如当孔洞长度为700 μπι(该长度相应于要钻透的工件的厚度)时，出口侧上的出口的直径小于入口侧的入口的直接的一半。按照现有技术例如用糊状液体进行的背面腔保护的使用在所实施的试验中不能改善钻孔几何特征。但在这里不利的是，所使用的背面腔保护的颗粒沉积到要钻透的工件上。
[0017]但如果使用在本发明中说明的纳米颗粒支持，即液体带有位于其中的纳米颗粒，则孔洞几何特征明显改善。试验表明，例如出口侧上的出口扩大。当孔洞长度为700 μ m (该长度相应于要钻透的工件的厚度)并且入口的直径为约120 μ m时出口的直径为约80 μ m。在此使用浓度为894mg/l的金纳米颗粒。此外发生出口侧上的孔洞的圆度的改善和棱边光滑。因此，通过本发明方法，意想不到地不仅保证了特别好的背面腔保护，而且同时也达到孔洞几何特征的明显改善。
[0018]在现有技术的背面腔保护中，使用要使照射并穿过孔洞的激光辐射发散并从而降低其能量密度的微颗粒，与该背面腔保护相比较，在这里使用带有包含在其中的纳米颗粒的液体的情况下发生工件背侧上的更大的变热，这在必要时也使孔洞几何特征改善。此外，从孔洞去除的颗粒被液体更容易并且更快速地去除，它们由于与现有技术中的糊状的背面腔保护材料相比相对较小的纳米颗粒浓度而具有明显较小的粘度，这导致流动速度提高。
[0019]在一种优选方案中，集体激发涉及等离子体，尤其是表面等离子体。在此简单地说涉及纳米颗粒中的电子的振动，所述振动由入射的电磁激光辐射的电磁场引起。这种等离子体或者说等离子激发与用于如在颜料中发生的单个电子激发的作用横截面相比具有与入射的电磁辐射的明显较大的