用于工件的激光钻孔或激光切割的方法以及用于激光钻孔或激光切割的系统与流程

本发明涉及工件的激光钻孔或激光切割的方法以及用于激光钻孔和激光切割的系统。

背景技术：

借助激光在工件中产生钻孔或切口的方法很久已经公知。典型地必须对钻孔上的棱边去毛刺或倒圆，其中，要倒圆或要去毛刺的棱边经常位于不能到达的部位并且不考虑机械加工。这种钻孔例如是喷射系统中的喷射孔或者是节流孔。在此通常首先实现钻孔，随后对棱边进行倒圆。

通常通过液力侵蚀磨削(HE-Schleifen)对棱边区域进行倒圆。在此给磨削油掺上小份额的磨削介质，并且用泵在约100bar的压力下挤压通过要倒圆的钻孔。在此必须使磨削介质持续地保持运动，以避免磨削介质沉积并从而避免堵塞。此外，磨削介质磨削循环回路的被用来输送磨削油的部件，因此需要定期更换该回路的部件。此外，为了获得希望的压力，用于使磨削油循环的大功率泵和相应的密封装置一样是必要的，通过它们确保，磨削油走希望的路径穿过工件。另一个缺点是，在非对称地入流的情况下通过流动中的不均匀的速度分布而出现不均匀的磨除，由此又发生或者较小的磨除、或者过强的磨除。

此外，例如由文献DE 10 2013 212 665所公开的现有技术给出一种方法，在该方法中，在钻孔的背面布置具有纳米颗粒的液体，通过该流体应避免对在光传播方向上布置在钻孔之后的物体的意外加工。

技术实现要素：

本发明的一个任务是，提供一种用于激光钻孔或激光切割的方法，该方法与在现有技术中已知的方法相比尤其在钻孔棱边区域的倒圆的效率和 质量方面得到改善。

本发明通过一种用于对工件进行激光钻孔或激光切割的方法解决该任务，其中，在第一方法步骤中，提供工件、引入装置和发射激光的激光源。在此根据本发明，在第二方法步骤中，通过激光在工件中产生钻孔并且借助引入装置将包括颗粒的液体布置在钻孔内，以便优选有针对性地控制棱边区域中的倒圆或去毛刺或者钻孔内侧面上的造型。在此这样选择激光和液体中的颗粒，使得为了钻孔的棱边区域或内侧面的造型，也就是说例如为了倒圆或去毛刺，激光被液体中的颗粒散射和/或吸收，以便尤其由颗粒发出热散发，该热散发又导致钻孔的棱边区域上或内侧面的磨除。

与现有技术相比，根据本发明的方法的优点是，以同时被用来产生钻孔的激光进行造型。因此，如同放弃使用在现有技术中通常使用的磨料一样，也可以放弃对棱边区域的事后加工。除了这种在时间效率和成本效率方面的改善外，尤其在钻孔中布置流体允许有针对性地并且受控地对棱边区域或内侧面进行造型，这最终对激光钻孔的质量起到积极作用。此外，液体的非对称入流对于不对称性的影响不象在使用掺了磨料的磨削油时那样不良。

尤其设置，提供具有例如呈心孔形式的预钻孔的工件并且以根据本发明的激光钻孔将该预钻孔扩宽到希望的直径。还特别优选设置，为了吸收激光，利用尤其电子的例如呈等离子体激元或表面等离子体激元型式的集体激发。根据本发明也可设想，利用该方法来修改钻孔的内侧面，以便例如沿着钻孔来改变横截面。

本发明的有利的构型和扩展可由从属权利要求以及参考附图的说明书得知。

根据本发明的另一实施方式设置，以具有颗粒的液体填充所述钻孔的部分区段，其中，在第二方法步骤期间使液体向钻孔中的进入深度至少暂时保持恒定。在此，进入深度尤其通过钻孔的被填充的部分区段的长度来确定。但也可设想，在第二方法步骤期间改变进入深度。为了控制进入深度，例如利用由包围工件的气体引起的反压力或利用激光等离子体，以将液体的出现限制在规定的部分区段上并且因而确定进入深度。由此可以有利地控制内侧面的造型，尤其棱边区域上的造型。

根据本发明的另一实施方式设置，在第二方法步骤中

-在钻孔的第一端部上导入具有颗粒的液体

-在钻孔的第二端部上导入激光。

第一端部和第二端部在此尤其彼此对置地布置。通过这种几何布置能够以不复杂的方式使得在第一端部上进入的液体和在第二端部上进入的激光在钻孔内部彼此相遇。

根据本发明的另一实施方式设置，在第二方法步骤中，使用

-脉冲激光、尤其具有皮秒脉冲或纳秒脉冲的激光和/或

-具有纳米颗粒、尤其具有金属纳米颗粒的液体。

有利地，纳米颗粒具有椭圆体形状、小棒形状、八面体或十面体形状或者长方体形状。对于椭圆体形状在此理解为所有球体形状，即圆球形、蛋形、椭圆形。为产生集体激发所必需的激发能在此尤其与对应的纳米颗粒的空间延伸尺度相关。因此，尤其对于针对两个不同空间方向的空间延伸尺寸明显不同的情况，可能的是，在激发能明显不同的情况下在相同的纳米颗粒中激发不同的集体激发。这尤其对于这种情况是有利的：例如以应同时被纳米颗粒吸收的两个不同的激光波长工作。

在两个不同空间方向上的空间延伸尺度的比例对于集体激发的激发能通常也是起决定作用的。在小棒形纳米颗粒的情况下，这里尤其要提到所述小棒的沿着纵向的长度延伸与在垂直于该长度延伸的方向上、即所谓横向上的延伸尺度的比例。如果例如使用由金制成的这种小棒形纳米颗粒，则纵向上的空间延伸尺度与横向上的空间延伸尺度的比例为4导致表面等离子体激元的这样的激发能：通过该激发能可吸收红外激光。因而例如可以使用在纵向上具有10nm延伸尺度并且在垂直于该纵向的横向上具有2.5nm延伸尺度的小棒形纳米颗粒。

当然，为了实现尽可能宽带的吸收，也可以将不同成型的纳米颗粒混合。也可以以这种方式将原则上具有相同形状但不同空间延伸尺度的纳米颗粒相混合，因而导致可以吸收极不同能量和波长的光。

现在能够以极不同的形状和大小制造纳米颗粒。如已经说明的那样，在此，纳米颗粒的延伸尺度和/或纳米颗粒的所谓长宽比、即长度与宽度的比例，对于集体激发的激发能并从而对于最好地被吸收的电磁辐射的波长也具有决定性意义。同时，波长与所使用的材料相关。试验表明：通过改变纳米颗粒的大小可以移动被吸收的电磁辐射的波长的共振。在处于水中 的球体形银纳米颗粒情况下，已表明：具有3nm半径的纳米颗粒具有在380nm处的共振，因此可以吸收该波长的光。10nm的半径导致在390nm处的共振，25nm的半径导致在410nm处的共振，50nm的半径导致在480nm处的共振并且100nm的半径在球体形银纳米颗粒情况下导致在770nm处的共振。因此认识到，通过改变球体形银纳米颗粒的大小即已可以明显移动共振的位置并从而明显移动被吸收的激光射线的波长。

相同的情况例如也适用于处于水中的球体形金纳米颗粒。3nm的半径在此导致在515nm处的共振，而半径扩大到10nm导致在530nm处的共振。半径的进一步扩大在此也导致被吸收的电磁辐射的波长增大。25nm的半径导致在540nm处的吸收，50nm的半径导致在575nm处的吸收，100nm的半径导致770nm的吸收并且150nm的半径导致在波长1100nm处的吸收。

此时观察到，用于切割和钻孔的经典激光波长处于800nm、1030nm或1064nm，可以为所选择的波长中的每个例如这样的找到处于水中的球体形金纳米颗粒：它们基于其直径或半径而适合于正好吸收入射的激光波长。替换地，可以使激光频率翻倍并从而使激光射线的波长减半。因此可使用400nm、515nm或532nm的激光波长，这些波长例如可以被很小的、处于水中的球体形金纳米颗粒或球体形银纳米颗粒吸收。

如果代替球体形纳米颗粒而使用处于水中的所谓纳米棒，即小棒形纳米颗粒，则尤其纳米颗粒的长宽比、即小棒的长度与宽度的比例是决定性的。在金的情况下，数值为1的这种长宽比导致在530nm波长处的吸收。如果长宽比扩大到2.5，则被吸收的波长移动到700nm，在长宽比为4的情况下移动到800nm，在长宽比为4.5的情况下移动到850nm并且在长宽比为5.5的情况下移动到900nm。在来自杂志Chem.Mater.2003,15,1957-1962的专业文献“Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods Using Seed-Mediated Growth Method”中，公开了不同的小棒形金纳米颗粒，它们的长宽比导致在700nm、760nm、790nm、880nm、1130nm和1250nm处的共振。6.5的长宽比在此导致1000nm的吸收波长，而9的长宽比在此导致1300nm的吸收波长。可以在此非常精细且准确地设定各个纳米颗粒的长宽比，使得也可以设定被吸收的电磁辐射的波长并且有利地使被吸收的电磁辐射的波长精确地协调于对应的激光波长。

纳米颗粒的形状当然不限于球体形、椭圆体形或小棒形。在出现于 Chem.Soc.Rev,2008,37,1792-1805中的综述文章“Modelling the optical response of gold nanoparticles”中，例如研究了小棒的不同形状(例如具有圆的或四边形的横截面)或者纳米八面体的不同大小。也可以制造和使用纳米八面体。在这里，空间延伸尺度和这些延伸尺度的相互比例也对被吸收的电磁辐射的波长有决定性影响。

如果现在电磁激光射线照射到这种纳米颗粒上，则这些光子被纳米颗粒吸收。在此已表明：通过激光照射可以使纳米颗粒破碎。这种破碎基于由激光射线引起的熔化和蒸发。然而该过程例如对于金颗粒在平均大小为约5nm时终止，因为这样的小纳米颗粒的吸收横截面太小，以至于不能通过激光射线接收为进一步破碎所必需的能量。纳米颗粒的在由激光射线引起的破碎终止时的大小在下面被称为最终大小。只要这些最终大小的纳米颗粒、即不能通过进一步激光射线而减小的纳米颗粒具有集体激发，该集体激发具有对于入射的电磁激光射线来说合适的激发能，则尤其在球体形纳米颗粒的情况下可能的是，具有在其中包含的纳米颗粒的液体可以近乎无磨损地继续使用。如果纳米颗粒具有其它形状，例如小棒形或长方体形，则不是这么无限制地适用这种情况，因为这些纳米颗粒也在激光照射的过程中分裂或破碎，其中，在不同空间方向上的空间延伸尺度的比例必要时可能变化。

纳米颗粒的破碎尤其发生在用脉冲激光照射的情况下。在这种情况下，在每个脉冲中的局部能量密度如此高，使得发生纳米颗粒的破碎。这种脉冲激光是必须的，以便可以加工确定的工件的一些材料。在其他的材料的情况下，例如塑料，较小的能量密度是足够的，使得这些材料例如可以用cw激光、即连续波激光加工。在这种情况下，激光射线的局部能量密度太小，使得对于纳米颗粒不能导致破碎。这具有大的优点，即，非球体形构造的纳米颗粒也不分裂和破碎，使得协调于希望的激光射线的波长的纳米颗粒可以被近乎无限制地再使用和继续使用。因此，在这种情况下不需要为了加工多个工件而在新的液体中分别设置新鲜的纳米颗粒。

该激光尤其具有380nm至650nm之间的波长，优选具有500nm至530nm之间的波长，尤其具有515nm的波长。

通过选择所使用的纳米颗粒的大小，可以如已经说明的那样设定为产生集体激发所必需的激发能。尤其对于球体形金颗粒已经表明：这些球体 形金颗粒在其最终大小大约为5nm(它们因而不能通过进一步激光照射而减小)的情况下，具有这样的激发能：该激发能相当于具有515nm波长的光子。如果现在将该波长使用于光源、即激光源，则可确保，在纳米颗粒的大小分布不再发生变化的该“静止”状态，也为了激光确保了优化的纳米颗粒吸收截面。如果使用纳米颗粒的其他材料或其他造型，该最终大小并且从而“最终”激发能可能与提到的数值有偏差。然而一般有利的是，如此选择入射激光的波长，使得所选择的纳米颗粒在长时间运行中也具有集体激发，该集体激发具有这样的激发能：该激发能相当于具有入射波长的光子的能量。

因此，优选使用尤其具有球体形状的金颗粒和具有515nm波长的激光。

已表明有利的是，纳米颗粒在至少一个空间方向上的空间延伸尺度如此选择，使得该集体激发的激发能相当于激光的能量。以这种方式优化了纳米颗粒的吸收横截面，使得可以吸收特别多的激光。

有利地，所述纳米颗粒中的至少一些是金属颗粒，尤其由金、银、铜、钯或多种元素的合金制成。当然也可能的是，所有纳米颗粒以这种方式实施。这种纳米颗粒例如可以通过激光辐射而直接在液体中产生。这是一种非常安全的制造工艺，因为以这种方式可阻止对例如吸入纳米颗粒的人员可能有健康危险的纳米颗粒进入空气中。该工艺还非常灵活，因为以这种方式可以由多种金属或合金产生纳米颗粒。同时可以在液体中用其他材料进行纳米颗粒的变化(Konjugation)。然而，当然也可以以其他方式制造纳米颗粒并且随后才带入到液体、例如水或丙酮中。

多种金属、尤其贵金属和半贵金属使得能够发生等离子体激元共振。这种等离子体激元的激发能可以通过合适地选择纳米颗粒的材料、形状、大小和环境条件来设定和近乎自由地选择。以这种方式可能的是：与现有的激光相关地选择纳米颗粒。替代地，当然也可以使激光源适配于现有的纳米颗粒。在任何情况下有利的是，使纳米颗粒的形状、大小和材料这样协调于入射的激光波长，使得在入射激光波长的情况下出现等离子体激元共振或其他集体激发的共振。也可设想，使用在波长方面可确定的激光源，其中例如通过频率变换过程来设定波长。

例如可以使用金属的球体形金颗粒，它们平均具有大约30nm(±10nm)的直径。这导致在约530nm处发生等离子体激元共振，使得该波长的激光 可以特别好地被这种纳米颗粒吸收。如已说明的那样，纳米颗粒通过激光照射而减小，直至大约5nm的平均大小，其中，对应的等离子体激元的集体激发的激发能略微上升并且相当于具有515nm波长的光子的能量。根据制造方法而定，也可以制造其他大小的纳米颗粒。例如可以使用具有100nm至大约300nm的大小的纳米颗粒，以便吸收更长波的光子。

如已说明的那样，在金颗粒的情况下使用515nm的入射波长尤其是有利的，因为这相当于具有5nm直径的金颗粒的等离子体激元共振。这种大小的纳米颗粒不能通过激光照射进一步减小，使得这种金纳米颗粒悬浮液可以在近乎无限的时间段使用，而不会减小或完全失去对于钻孔的内侧面或棱边区域的造型的效果。

纳米颗粒中的至少一些有利地布置在微米颗粒的表面上。当然也可能的是，所有纳米颗粒布置在微米颗粒的表面上。在液体中使用微米颗粒导致激光射线的散射，由此减小激光射线的能量密度。如果纳米颗粒如上面所述布置在微米颗粒的表面上，则将通过微米颗粒和纳米颗粒引发的不同效应组合。因此，不但发生通过纳米颗粒吸收电磁激光射线，而且发生通过微米颗粒将射线散射，纳米颗粒吸附在微米颗粒的表面上。

在该方法的一种有利构型中，纳米颗粒中的至少一些是碳纳米管。当然也可以是，全部纳米颗粒构造成碳纳米管。在这种碳纳米管(“carbon nanao tubes”)中也可以引发集体激发。这种纳米管可以在近乎自由地设定长度、壁厚和直径的情况下制造，使得为产生集体激发所必需的激发能在这种情况下也可以近乎自由地设定。在这种情况下也可以以优化的方式按照入射的激光波长来设定该激发能。碳纳米管例如与金属颗粒相比具有附加的优点，即，碳纳米管以黑粉末存在并且因此除了大的吸收横截面外通过集体激发还附加地具有通过电子激发引起的相对大的吸收横截面。因此，碳纳米管合并了颜料的优点与具有集体激发的纳米颗粒的优点。

优选，纳米颗粒中的至少一些在表面上具有光敏物质。当然也可以全部纳米颗粒在其表面上设置有这种光敏物质。光敏物质是颜料或色素，它们适合于吸收确定波长的光。因此，如果这些颜料布置在纳米颗粒的表面上，则这些颜料增大如此设置的纳米颗粒的吸收横截面，因为此时类似于已说明的碳纳米管地使纳米颗粒集体激发的效应与光敏物质的电子激发组合。

已表明有利的是：液体包含小于4g/l、优选小于2g/l、特别优选小于1g/l的浓度的纳米颗粒。然而，实际使用的浓度在此与大量不同的参数相关并且可以根据希望的任务以及实验结构或产品结构的特性来选择。实际的浓度在此还与和集体激发的激发能相比的激光射线波长以及入射激光射线强度相关。

只要使用的纳米颗粒在所使用的液体中是稳定的，该液体在此就仅起到次要作用。

根据本发明的另一实施方式设置，为了控制钻孔的棱边区域或内侧面的造型，在第二方法步骤中设定

-颗粒在液体中的浓度，

-颗粒大小和/或

-液体的流动速度。

由此能够以有利的方式控制钻孔的造型。

根据本发明的另一实施方式设置，所述钻孔在用于喷射设备的喷射阀的一部分中、尤其在喷射设备的阀座中、喷嘴中或节流板中实现。

本发明的另一个主题是用于尤其根据本发明的方法对工件进行激光钻孔或激光切割的系统，其中，该系统具有发射激光的激光源以及具有引入装置，借助该引入装置可以将具有颗粒的液体引入到钻孔中。如此选择激光和液体中的颗粒，使得激光在颗粒上散射和/或颗粒至少部分地吸收激光。通过吸收或散射，由颗粒散发热，该热有助于去除钻孔的内侧面或棱边区域。

根据本发明的另一实施方式设置，所述系统包括引导液体的回路，其中，该回路具有用于收集具有颗粒的液体的贮存器、用于输送液体的泵、用于将液体引入到钻孔中的引入装置和/或用于将被引入到工件中的液体引出的回流线路。

附图说明

图1示意性地示出一种用于根据现有技术对钻孔区域中的棱边进行倒圆方法的系统；

图2示意性地分别示出被进入到工件中的钻孔的棱边区域，其中，这些棱边区域以根据现有技术的方法倒圆；

图3示意性地示出一种用于根据本发明示例性实施方式在工件中进行激光钻孔的方法的系统；

图4示意性地分别示出被进入到工件中的钻孔的棱边区域，其中，这些棱边区域以根据本发明示例性实施方式的方法倒圆。

具体实施方式

在不同附图中，相同的件始终设置有相同的附图标记并且因此通常也分别只提到或提及一次。

在图1中示意性地示出一种系统，适用于根据现有技术对钻孔区域中的棱边进行倒圆的方法。典型地，在工件1中由功能决定而需要钻孔，在这些钻孔制造之后必须在内侧对钻孔去毛刺或倒圆。工件1上的该待加工区域经常如此难进入，以致不考虑机械方法。钻孔11例如涉及用于进入引入系统、尤其进入内燃机喷射设备的引入孔，涉及用于节流钻孔，或涉及hi用于在机械上承受比较高负荷的构件。这些钻孔11根据现有技术典型地首先产生然后修圆。

一种用于倒圆的通常方法是液力侵蚀磨削(HE-Schleifen)，其中，磨削油掺上磨削介质并且借助泵3在大约100bar的压力下被挤压通过要倒圆的钻孔11。棱边区域12中的倒圆的尺度可以在确定的极限内通过磨削持续时间、磨削压力以及磨料的量和类型和磨削油的粘度来设定。在此已表明不利的是，必须持续地保持磨削介质处于运动中，以避免磨削介质的沉积并从而避免在引导磨削油的回路中的堵塞。此外，磨削介质无意地也磨削回路或者附件自身的部件，最终导致需要定期更换回路或附件的部件。此外，高的压力要求用于回路的特定驱动装置或者说泵，这些特定的驱动装置或泵引起附加成本。还需要特定的密封装置2，以便磨料走希望的路径穿过工件1。

在图2中示意性地分别示出进入到工件1中的钻孔11的棱边区域，其中，棱边区域12以根据现有技术的方法倒圆。尤其可看到两个钻孔走向，它们导致磨削油的非对称入流并且因为流动中的不均匀速度分布而引起不均匀的磨除。因此，或者磨除太少(图2左侧)或者磨除太多(图2右侧)。

在图3中示意性地示出一种系统，适用于根据本发明示例性实施方式的在工件中进行激光钻孔的方法。该系统在此包括发射激光7的激光源以 及包括引入装置。在此设置，借助激光7在工件1中实现钻孔11并且同时为了钻孔而将具有颗粒的液体4引入到钻孔11中，其中，颗粒和激光7、尤其激光7的波长这样来选择或者说互相协调，使得激光7在液体4中的颗粒上被散射和/或被液体4中的颗粒吸收。由此，借助具有颗粒的液体4支持工件上的磨除，其中，该磨除最终导致钻孔11的棱边区域12的倒圆。为此尤其设置，将液体4在激光钻孔期间引入钻孔11中并且以液体4冲刷钻孔11。通过同时实现钻孔11以及钻孔11的造型，尤其是钻孔11的棱边区域12的或者内侧面的造型，可以有利地在生产线中节省时间。为了冲刷钻孔11，该系统包括具有泵3、引入装置6的回路以及用于具有颗粒的液体4的贮存器14。引入装置6尤其如此构型，使得其可以尽可能精确配合地插入到进入工件1的槽口13中，该槽口例如构型为钻孔11前面的空腔或前级室。尤其设置，液体4从引入装置6中的一个开口流出，其中，当引入装置6插入在槽口13中时，引入装置6的该开口布置在工件11之内。在此可设想，引入装置6如此构造，使得在将引入装置6插入到槽口13中时工件1和引入装置6被密封。此外可设想，将引入装置6固定在工件1上。尤其设置，将液体4借助泵3经过引入装置6或者说喷射装置目标精确地朝向钻孔11输送到钻孔11中，例如其方式是，引入装置6的开口对准钻孔11或直接布置在该钻孔前面。优选一回流线路15集成在引入装置6中。通过回流线路15将喷射到工件1中的液体4引回到贮存器14中。此外，从钻孔11流出的液体4优选经过另一回流线路16再导回到贮存器14中并且被收集在那里。贮存器14、泵3、回流线路15、另一回流线路16和/或喷射装置6尤其构成循环回路的一部分。还优选设置，激光7是脉冲激光，例如纳秒、皮秒或飞秒脉冲。在此可设想，激光7聚焦以便强度提高。在此可设想，钻孔的棱边区域或内侧面的造型的尺寸通过设定激光强度而能控制或者被控制。还可设想，所述颗粒是金纳米颗粒，例如具有小于50nm、优选小于20nm、尤其优选大约10nm的平均直径。还设置，通过有针对性地设定液体4中的颗粒浓度、颗粒大小和/或液体4的流动速度来控制倒圆的周长或者说尺寸。

在图4中示意性地示出两个棱边区域12，这些棱边区域12分别借助根据本发明示例性实施方式的方法制造。可看出，通过该方法在两种情况下都产生对称的棱边区域12。其原因是，倒圆效果受到激光的决定性影响并 且该方法与液力侵蚀磨削(HE磨削)相比对于非对称入流的敏感性较低。