DE102014220525A1

DE102014220525A1 - Abtragstrategie beim Lasern

Info

Publication number: DE102014220525A1
Application number: DE102014220525.5A
Authority: DE
Inventors: Axel Kaiser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2016-04-14
Also published as: WO2016055349A1; EP3191252A1

Abstract

Durch eine Verfahrstrategie, für Materialabtrag einer abzutragenden Fläche (1) wird diese in Sektoren (40) unterteilt, wobei der Materialabtrag im Randbereich (4) beginnt und nachfolgend zum Mittelpunkt fortgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtragstrategie, das heißt die Laserführung beim Bearbeiten eines Substrats, bei dem Material abgetragen wird, insbesondere um ein Durchgangsloch zu erzeugen.
Laserbohrverfahren sind Stand der Technik um metallische, keramische oder Schichtsysteme aus metallischem Substrat mit keramischen Schichten darauf zu bearbeiten und Durchgangslöcher durch diese Materialien zu erzeugen.
Dabei kommt es je nach Material zu einer stärker beanspruchten Zone im Randbereich, das heißt der inneren Umfangsfläche eines Lochs, die vermieden werden sollte.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Abtragstrategie aufzuzeigen, die oben genanntes Problem löst.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen
1, 2, 4 schematisch den Querschnitt einer abzutragenden Fläche,
3, 5, 6 schematisch den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In 1 ist eine Trapezform als eine abzutragende, lokale Fläche 1 einer Oberfläche 2 dargestellt, die vier Seiten 4, 7, 10, 13 aufweist. Die Fläche 1 ist also eine Teilfläche der Oberfläche 2. Diese Trapezform wird vorzugsweise bei Kühlluftöffnungen bei Turbinenbauteilen oder Hochtemperaturbauteilen als Diffusor verwendet, aus denen Kühlluft ausströmt. Die dann später hergestellte Öffnung wird von einem Heißgas in eine Überstromrichtung 16 überströmt.
Ganz allgemein kann die abzutragende, lokale Fläche 1 (1', 1'', 5) jegliche Form aufweisen, hier eine Trapezform oder ein Viereck. Vielfacheckige Formen sind ebenso denkbar wie runde oder ovale Flächen oder Kombinationen davon.
Vorab wird die abzutragende Fläche 1 virtuell in mehrere Sektoren 33, 34, 37, 40 unterteilt, indem vorzugsweise ein geometrischer oder sonstiger Mittelpunkt 31 innerhalb der Fläche 1, 1', 1'', 1''', ... festgelegt wird, von dem aus virtuelle Linien zu den Eckpunkten 19, 22, 25, 28 der Fläche 1 (hier Trapez) führen, so dass die Fläche 1 in die Sektoren 33, 34, 37, 40 unterteilt ist (2).
Zum Abtragen von Material, das vorzugsweise schichtweise erfolgt, wird eine erste Abtragslinie dadurch abgetragen, dass nur sektorweise Material abgetragen wird.
Begonnen wird in einem beliebigen Sektor, hier der Sektor 40.
Im nachfolgenden wird Material in den weiteren Sektoren 31, 33, 37 in derselben Abtragsebene abgetragen.
Dies ist vorzugsweise dann zuerst der Sektor 34, der dem Sektor 40 gegenüber liegt, wobei dann die zwei dazwischen liegende Sektoren 33, 37 entsprechend abgetragen werden.
Ein vorzugweises Beispiel für einen einzelnen Sektor 40 wird in 3 dargestellt.
Der Materialabtrag beginnt an einer Seite 4 des einen Sektors 40 der Fläche 1 mit einer vorzugsweise geradlinigen Laserstrahlführung 50 und der Laserstrahl verschiebt sich zum Mittelpunkt 31 hin und trägt entlang vorzugsweise einer geradlinigen Laserführung entlang der Spuren 51, 52, 53, 54 ff. bis zum Mittelpunkt 31 Material ab. Dadurch wird der Wärmeeintrag in ein umgebendes Substrat deutlich verringert.
Man beginnt den Materialabtrag in den Sektoren vorzugsweise immer von der Seitenlinie 10, 7, 13 der Fläche 1.
In der 4 ist eine weitere Form dargestellt, die eine abzutragende Fläche 1 darstellt. Hier ist es eine Kreisform. Ebenso kann es eine ovale Form darstellen. Auch Kombinationen aus einer Rechteckform mit einem Halbkreis sind ebenso denkbar.
Ebenso wird diese Fläche wieder in mehrere Sektoren, hier vorzugsweise vier Sektoren 33‘, 34', 37', 39' mit einem Kreismittelpunkt 31' unterteilt und die Abtragung vom Material in der ersten Abtragslinie erfolgt sektorweise. Dabei können die Laserstrahlen entsprechend der Krümmung des äußeren Rands des jeweiligen Sektors 37' gekrümmt verlaufen oder werden entsprechend geradlinig geführt (Sektor 33').
Um ausgehend von 1, 2, 3 oder 4 ein Durchgangsloch zu erzeugen oder eine weitere Abtragsebene zum Materialabtrag zu erzeugen, wird die Abfahrstrategie entsprechend fortgeführt, wobei man sinnvollerweise dann die zweite Abtragsebene wieder mit dem Sektor beginnt, mit dem man für die erste abzutragende Ebene angefangen hat.
Ein Bauteil kann mehrere solche Durchgangslöcher oder abzutragende Flächen 1', 1'', 1''', ... aufweisen. Dies sind bei Turbinenschaufeln Kühlluftreihen 60, wie es schematisch in 5, 6 dargestellt ist. Auch hier wird in nicht einschränkender Weise wieder eine Trapezform verwendet, um die Erfindung darzustellen, wobei gedachte Linien die jeweiligen ersten Sektoren 40', 40'', 40''', ... der jeweiligen Fläche 1', 1'', 1''' darstellen.
Bei einer solchen Kühlluftreihe 60 wird nicht zuerst ein Sektor 40 einer Fläche 1' vollständig in einer ersten Abtragsebene abgetragen, sondern der Laserstrahl wandert entlang der Längsausrichtung der Kühlluftreihe 60 zu der zweiten Trapezform bzw. zweiten ersten Fläche eines zweiten Sektors 40'', um dort Material abzutragen, wie es mit der Abtragslinie 61'' und nachfolgend 61''' dargestellt ist. Auch hier beginnt das erste Abtragen von Material vorzugsweise von einer Seitenlinie 4', 4'', ... der abzutragenden Fläche 1', 1'', 1''', ....
Sind alle erste Sektoren (40', 40'', 40''') der herzustellenden Kühlluftlöcher einer Kühlluftreihe 60 entlang der Seitenlinien 4', 4'', ... bearbeitet, so wird nachfolgend parallel oder angepasst zu der ersten, insbesondere geradlinig verlaufenden Abtragslinie 61', 61'' entlang einer verschobenen Abtragslinie 62' Material abgetragen, wobei dann der Laser wiederum zu der zweiten Fläche 1'' verfahren wird, um dort Material abzutragen bis zum Ende der Kühlluftreihe. (6.)
Am Ende dieses ersten Schritts ist in der Kühlluftreihe 60 jeweils nur in den ersten Sektoren 40', 40'', ... vollständig in einer ersten Abtragsebene Material abgetragen.
Nachfolgend erfolgt der Abtrag für die anderen Sektoren.
Da man bei dieser Vorgehensweise nicht nur im Randbereich beginnt, und dann zum Inneren verläuft, sondern für die erste abzutragende Fläche 1 quasi eine Pause einlegt, indem man im anderen Bereich Material abträgt, wird der Wärmeeintrag in das Substrat deutlich verringert.
Die Laserstrahlen werden vorzugsweise geradlinig geführt. So werden bei der Erzeugung eines Materialabtrags in einem Sektor 40 die Laserstrahlen 51, 52, 53, 54 zum Mittelpunkt 31 hin geführt.
Ebenso können mehrere, voneinander getrennte, abzutragende lokale Flächen (1', 1'', 1'''),
insbesondere einer Kühlluftreihe (60) bearbeitet werden, in den sie (1', 1'', 1''') ebenfalls in Sektoren (40', 40'', 40''') unterteilt werden,
wobei zuerst ein erster Sektor (40') einer Fläche (1) komplett in einer Abtragsebene entfernt wird,
der Laserstrahl entlang einer Längsausrichtung der Kühlluftreihe (60) zur direkt nächsten Fläche (1'') und einem ersten Sektor (40´´) der nächsten Fläche (1'') geführt wird,
und der erste Sektor (40'') der nächsten Fläche (1'') komplett entfernt wird,
bis alle erste Sektoren (40', 40'', 40''') der Flächen (1', 1'', 1''') bearbeitet sind und
dann entsprechend die anderen Sektoren einzeln und nacheinander der benachbarten Flächten (1', 1'', 1''') bearbeitet werden und dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird.

Claims

Verfahren zum Abtrag von Material in einer lokalen Fläche (1) mittels eines Energiestrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls, bei dem die abzutragende Fläche (1) in zumindest zwei, insbesondere in zumindest drei, ganz insbesondere in zumindest vier Sektoren (33, 34, 37, 40; 40', 40'', 40'''; 33', 34', 37', 39') unterteilt wird, dann sektorweise (33, 34, 37, 40; 40', 40'', 40'''; 33', 34', 37', 39') in allen Sektoren dieser Fläche (1) Material abgetragen wird, bis in einer Abtragsebene Material der Fläche (1) abgetragen ist und dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird.
Verfahren zum Abtrag von Material in einer lokalen Fläche (1) mittels eines Energiestrahls, bei dem mehrere, voneinander getrennte, abzutragende lokale Flächen (1', 1'', 1'''), insbesondere einer Kühlluftreihe (60) vorhanden sind, die (1', 1'', 1''') in Sektoren (40', 40'', 40''') unterteilt sind, wobei der Energiestrahl innerhalb eines ersten Sektors (40') einer ersten Fläche (1') entlang einer Längsausrichtung der Kühlluftreihe (60) geführt wird, und erst nachdem alle Flächen (1', 1'', 1''') einer Kühlluftreihe (60) in den gleichen Sektoren (40', 40'', ...) entlang erster Abtragslinien (61', 61'', ...) direkt nacheinander bearbeitet sind, der Abtrag von Material zum Innern hin verschoben wird und dann entlang von zweiten Abtragslinien (62', 62'', 62''') in den ersten Sektoren (40', 40'', 40''') fortgeführt wird bis alle erste Sektoren (40', 40'', 40''') der Flächen (1', 1'', 1''') bearbeitet sind und dann entsprechend die anderen Sektoren einzeln und nacheinander bearbeitet werden und dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird.
Verfahren zum Abtrag von Material in einer lokalen Fläche (1) mittels eines Energiestrahls, bei dem mehrere, voneinander getrennte, abzutragende lokale Flächen (1', 1'', 1'''), insbesondere einer Kühlluftreihe (60) vorhanden sind, die (1', 1'', 1''') in Sektoren (40', 40'', 40''') unterteilt sind, wobei zuerst ein erster Sektor (40') einer Fläche (1') komplett in einer Abtragsebene entfernt wird, der Laserstrahl entlang einer Längsausrichtung der Kühlluftreihe (60) zur direkt nächsten Fläche (1'') und einem ersten Sektor (40´´) der nächsten Fläche (1'') geführt wird, und der erste Sektor (40'') der nächsten Fläche (1'') komplett in einer Abtragsebene entfernt wird, bis alle erste Sektoren (40', 40'', 40''') der Flächen (1', 1'', 1''') bearbeitet sind und dann entsprechend die anderen Sektoren einzeln und nacheinander der benachbarten Flächen (1', 1'', 1''') bearbeitet werden und dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die abzutragende Fläche (1, 1', 1'', 1''') ein Viereck, insbesondere eine Trapezform (1) darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die abzutragende Fläche (1, 1', 1'', 1''') ein Kreis darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die abzutragende Fläche (1, 1', 1'', 1''') Ecken und Rundungen aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem die Fläche (1) in vier Sektoren, insbesondere Dreiecke unterteilt ist und zuerst ein erster Sektor (40, 39'), dann ein dem ersten Sektor (40, 39') gegenüberliegender Sektor (34, 34'), und dann die dazwischen liegenden Sektoren (33, 37; 33', 37') bearbeitet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Materialabtrag schichtweise in einer Abtragsebene erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem zuerst ein erster Sektor (40) der Fläche (1) in einer ersten Ebene und dann die nachfolgenden Sektoren (34, 33, 37) der Fläche (1) jeweils in einer Abtragsebene abgetragen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Materialabtrag eines Sektors (33, 34, 37, 40; 33', 34', 37', 39'; 40', 40'', 40''') in einem Randbereich (50) des jeweiligen Sektors 33, 34, 37, 40; 33', 34', 37', 39', 40', 40'', 40''') beginnt und fortlaufend bis zum Inneren (31) der Fläche (1', 1'', 1''') erfolgt, bevor der nächste Sektor (33, 34, 37; 34', 37', 39') entsprechend bearbeitet wird.