DE3019025C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Die Verwendung der Elektronenstrahlenergie zum Bohren von einem oder mehreren Löchern in ein metallisches oder nichtmetallisches Werkstück ist erst in jüngerer Zeit untersucht worden. Anhand von experimentellen Elektronenstrahlbohrtests ist festgestellt worden, daß zum Erzeugen eines Lochs, das über seiner Länge in dem Werkstück symmetrisch ist, der Elektronenstrahl ein gewisses Ausmaß an Überschußenergie haben muß, d. h. mehr Energie als lediglich zum Hindurchdringen durch das Werkstück erforderlich ist.

Wenn diese überschüssige Strahlenenergie nicht bereitgestellt wird, wird ein Loch mit unsymmetrischem Querschnitt oder konischer Gestalt oder beides erzeugt. Als Ergebnis des Erfordernisses von Überschußelektronenstrahlenergie ist eine Unterlage an der von dem Strahl abgewandten Oberfläche des Werkstückes erforderlich, d. h. an der Austrittsfläche, die von dem Strahl zuletzt durchdrungen wird, wenn dieser durch das Werkstück hindurchgeht. Der Zweck des Unterlagsmaterials ist es, die Überschußelektronenstrahlenergie zu absorbieren oder abzuführen, wenn der Strahl die Austrittsfläche durchdringt, und durch die örtliche Wirkung des Strahls einen ausreichenden Gasdruck zu erzeugen, damit das schmelzflüssige Werkstückmaterial aus dem Loch, das gebohrt wird, ausgestoßen wird. Das schmelzflüssige Material wird typischerweise in der zu der Fortpflanzung des Strahls entgegengesetzten Richtung ausgestoßen, d. h. in der zu dem Eingang des Loches in der zuerst durchdrungenen Eintrittsfläche des Werkstückes entgegengesetzten Richtung. Wenn der Ausstoß unzulänglich ist, wird um den Eingang des Loches herum ein Grat gebildet. Das ist häufig mit einer "umgeschmolzenen" Schicht oder einem Teil geschmolzenen und erstarrten Metalls innerhalb des Loches gekoppelt.

Bei einem bekannten Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art (US-PS 36 49 806) werden metallische Unterlagen mit Filmüberzügen benutzt, welche ein gasförmiges Medium zum Austreiben des schmelzflüssigen Metalles aus dem in dem Werkstück gebohrten Loch liefern, oder aber vorgeformte Metall- oder Keramikgebilde, die Poren haben, welche flüssige Materialien enthalten, die bei Erhitzung das gasförmige Medium zum Austreiben des schmelzflüssigen Metalles aus dem Bohrloch liefern. Viele Werkstücke, die für Hochleistungszwecke benutzt werden, bestehen aber aus Materialien, die für eine Verunreinigung empfindlich sind. Hier wird die Verwendung von metallischen Unterlagen die Materialeigenschaften wegen einer Legierungsbildung im Bereich des Loches in nachteiliger Weise verschlechtern. Das passiert beispielsweise, wenn Zinkunterlagen in Verbindung mit warmfesten und ermüdungsbeständigen Nickellegierungen benutzt werden. Es kommt zu einem vorzeitigen Ausfall an den Löchern aufgrund von Verunreinigung. Andere Unterlagsmaterialien können ebenso eine Verschlechterung durch Verschlechtern von Eigenschaften oder durch Hervorrufen von Korrosion im Betrieb verursachen.

Kombinationen von Metallpulvern und verschiedenen organischen Matrizen sind ebenfalls bereits benutzt worden. Die Verwendung von Unterlagen, welche Metallpulver enthalten, hat den potentiellen Verunreinigungsnachteil, der oben für metallische Filme erwähnt worden ist. Darüber hinaus kann ein teilchenförmiger Rückstand, der im Inneren eines hohlen gebohrten Bauteils zurückbleibt, mit dem Bauteil bei Erhitzung desselben im Betrieb mit nachteiligem Ergebnis reagieren. Bei Metallpulvern umfassen die bislang benutzten organischen Bindemittel im allgemeinen Materialien wie Silicongummi und Epoxidharze. Diese werden nur durch mechanische Maßnahmen oder durch Verbrennung beseitigt, da sie nicht ohne weiteres in kommerziellen Lösungsmitteln, die nicht auch das Werkstück angreifen, löslich sind.

Die oben erwähnten Metall- und Keramikgebilde, die bei dem bekannten Verfahren benutzt werden können, haben den Nachteil, ebenso wie ihn metallische Platten zu einem geringeren Grad haben, daß sie nicht so hergestellt werden können, daß sie sich unregelmäßigen Oberflächen eng anpassen, und daß sie im allgemeinen nicht geeignet sind, um in kompliziert geformte Innenhohlräume eingebracht oder aus diesen entfernt werden zu können. Wenn ein enger Kontakt mit dem Werkstück nicht aufrechterhalten wird, funktionieren die Unterlagen schlecht und es kann weiter ein unerwünschter Grat in der Austrittsfläche gebildet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so zu verbessern, daß durch das Unterlagsmaterial die Werkstückeigenschaften im Bereich des gebohrten Loches nicht verschlechtert werden und ein Unterlagsmaterial gewählt werden kann, das sich unregelmäßigen Oberflächen eng anpassen kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Schritte in Verbindung mit den Oberbegriffsschritten und -merkmalen gelöst.

Bei dem Verfahren der Erfindung wird eine Unterlage aus einer Teilchenmaterial- und Bindemittelkombination auf das Werkstück vor dem Bohren aufgebracht. Die Unterlage ist wenigstens teilweise durch Auflösen, Schmelzen, Auslaugen od. dgl. verflüssigbar. Nach dem Bohren wird sie durch Umwandlung in einen flüssigen Zustand entfernt, woraufhin sie bei Bedarf aufbereitet und wiederbenutzt werden kann. Das Bindemittel kann ein thermoplastisches Polymer sein, wie beispielsweise Polyvinylalkohol oder Wachs; bei tieferen Löchern ist das Bindemittel ein Silicat, wie beispielsweise Natriumsilicat. In manchen Fällen ist das Teilchenmaterial eine Keramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliciumdioxid und dgl., oder ein Glas. Der Teilchenmaterialanteil kann im Vergleich zu dem Bindemittelanteil verändert werden. Üblicherweise macht das Teilchenmaterial 50-90 Gew.-% der Unterlage aus.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird eine Unterlage geschaffen, indem Teilchenmaterial mit dem Bindemittel vermischt und die Kombination in engste Nähe der Austrittsseite des Werkstückes gebracht wird. Üblicherweise ist beim Aufbringen die Unterlage in erhitztem Zustand oder enthält einen flüchtigen flüssigen Verdünner und wird durch Kühlen oder Trocknen, je nach Lage des Falles, in die nutzbare Form umgewandelt. Die Unterlage kann in bezug auf das Werkstück in situ oder getrennt hergestellt werden. Wenn sie in situ hergestellt wird, ist es die Wirkung des Bindemittels, die die Unterlage vorzugsweise an dem Werkstück haften läßt.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung hat das Unterlagsmaterial folgende Eigenschaften, die bei kommerzieller Massenproduktion gefordert werden:

• (a) niedrig im Preis;
• (b) leicht auf komplexe Formstücke aufbringbar;
• (c) Aufrechterhaltung eines innigen Kontakts mit der Werkstückoberfläche;
• (d) leichte Entfernbarkeit von dem Werkstück nach dem Bohren;
• (e) einfaches Absorbieren oder Abführen der überschüssigen Strahlenenergie;
• (f) Ausstoßen von schmelzflüssigem Werkstückmaterial aus dem Loch, das gebohrt wird;
• (g) Erzeugen eines metallurgisch akzeptablen Umschmelzgefüges in dem Loch;
• (h) keine nachteiligen Auswirkungen auf die Lebensdauer eines Elektronenstrahlerzeugers;
• (i) Minimieren des Grates an dem Umfang des Loches in der zuletzt durchdrungenen Fläche; und
• (j) Unschädlichkeit für metallurgische und andere Eigenschaften und für das Gefüge des Werkstückes.

Durch das Verfahren nach der Erfindung lassen sich Löcher, Schlitze, Durchlässe od. dgl. herstellen, die eine im wesentlichen gleichmäßige Symmetrie auf ihrer Länge in einem Werkstück haben. Das Verfahren nach der Erfindung ist zwar von besonderem Nutzen bei der Herstellung von symmetrischen Durchgangslöchern mit im wesentlichen konstantem Durchmesser in dem Werkstück, es findet jedoch auch Anwendung bei der Herstellung von symmetrischen konischen Durchgangslöchern in dem Werkstück und zum Verringern der Gratbildung auf der Eintritts- und der Austrittsfläche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung an einem Werkstück, an dem die Unterlage angebracht ist, und

Fig. 2 im Querschnitt das Bohren einer hohlen Gasturbinenschaufel, deren Hohlraum mit einem Unterlagsmaterial gefüllt ist.

Fig. 1 zeigt ein zu durchbohrendes Werkstück 2 mit einer Eintrittsfläche 4 und einer Austrittsfläche 6, wobei die Eintrittsfläche einem Elektronenstrahlerzeuger 8 zugewandt ist, der einen Elektronenstrahl 8 a erzeugt und auf die Eintrittsfläche richtet. Gezeigt ist als Schicht auf der Austrittsfläche 6 eine Unterlage 10 zum Absorbieren der Überschußenergie aus dem Strahl, wenn dieser in die Oberfläche eindringt, und zum Erzeugen von ausreichendem Gasdruck unter der lokalen Einwirkungszone des Strahls, um schmelzflüssiges Werkstückmaterial 14 aus dem Eingang eines Loches 12 in der Eintrittsfläche 4 in einer zu der Strahlfortpflanzungsrichtung entgegengesetzten Richtung auszustoßen.

Hier umfaßt die Unterlage Teilchen 10 a, die mit einander und mit der Austrittsfläche 6 durch ein Bindemittel 10 b verbunden sind. Viele Arten von Teilchenmaterial sind für die Verwendung in der Unterlage 10 geeignet. Beispiele sind Metallegierungen, feine Glasperlen, Glasfritte, Quarzglasteilchen sowie Aluminiumoxid-, Calciumoxid-, Magnesiumoxid-, Siliciumdioxid- und Zirkoniumdioxidpulver. Die Teilchenmenge kann variiert werden, damit die besonderen Zwecke in Verbindung mit dem Typ des benutzten Bindemittels und der Tiefe des zu bohrenden Loches erzielt werden, was im folgenden noch näher erläutert ist. Die Teilchen haben bei dem hier beschriebenen Verfahren die Aufgabe, einen großen Teil der Überschußelektronenstrahlenergie zu absorbieren, wenn der Elektronenstrahl die Austrittsfläche 6 durchdringt.

Organische Bindemittel

Das Bindemittel, das in der Unterlage 10 benutzt wird, wird bis zu einem gewissen Ausmaß von der Tiefe des zu bohrenden Loches 12 abhängig sein. Für flache Löcher, d. h. für Löcher mit einer Tiefe von weniger als 2,54 mm wird ein Bindemittel aus thermoplastischem Polymer bevorzugt. Verschiedene Arten von thermoplastischen Polymeren sind in der Unterlagsschicht verwendbar, z. B. Elastomere, Harze und Wachse sowie natürliche und synthetische Polymere. Bevorzugte thermoplastische Polymerbindemittel sind Polyvinylchlorid, Polyäthylenglykol, Polyvinylalkohol und Wachs. Aushärtbare Polymere können, obwohl sie nicht bevorzugt werden, in einigen Fällen in der Unterlagsschicht Verwendung finden. Die Erweichungs- und Schmelztemperaturen des benutzten Polymers müssen ausreichend hoch sein, so daß während des Bohrens die Überschußenergie, die durch das Bindemittel absorbiert wird, es im allgemeinen nicht oder nicht in großem Ausmaß übermäßig erweicht oder schmilzt und dadurch einen Verlust an Adhäsion oder Ablösung der Unterlagsschicht verursacht. Selbstverständlich wird derjenige Teil der Unterlage 10, der örtlich von dem Elektronenstrahl 8 a getroffen wird, geschmolzen und verdampft. Nachdem das Bohren des Loches 12 abgeschlossen ist, wird die Unterlage 10 von der Austrittsfläche 6 des Werkstückes 2 entfernt. Zu diesem Zweck muß das Polymerbindemittel die Möglichkeit bieten, daß die Unterlage 10 entfernt werden kann, beispielsweise durch Erhitzen, Auflösen, Abschälen und dgl.

Ein zweckmäßiges Verfahren zum Herstellen der polymergebundenen Unterlage 10 auf der Austrittsfläche 6 besteht darin, die Teilchen 10 a mit dem Polymer im flüssigen Zustand zu vermischen und dann das Gemisch auf die Fläche 6 in Form einer Aufschlämmung mittels einer Kelle, durch Bürsten, Aufsprühen, Spritzen od. dgl. aufzubringen und anschließend zu einer festen Unterlage auszuhärten. Nachdem das erfolgt ist, wird das Bindemittel mit einer sauberen Werkstückoberfläche in innigem Kontakt sein und an dieser haften.

Die bevorzugteste Ausführungsform bei der in-situ-Unterlagsbildung, die hier angegeben wird, umfaßt das Haften der Unterlage an dem Werkstück 2, wobei es aber nicht notwendig ist, daß dieses Haften erzielt wird. Es ist notwendig, einen guten Grad an Gasdruckabdichtung zwischen der Unterlage 10 und dem Werkstück 2 zu erzielen, so daß die verdampften oder vergasten Unterlagsbestandteile durch das gebohrte Loch 12 gedrückt werden, statt durch eine durchlässige Unterlage hindurch oder in einem Zwischenraum zwischen dem Werkstück und der Unterlage freigesetzt zu werden. Gemäß der folgenden Beschreibung kann das durch die Verwendung einer gesondert hergestellten Unterlage 10 mit ausreichender Biegsamkeit zur Anpassung an Unregelmäßigkeiten auf der Werkstückoberfläche in Verbindung mit einer Einrichtung zum Zusammendrücken des Werkstückes 2 und der Unterlage erreicht werden. Als weitere Wahlmöglichkeit kann eine gesondert hergestellte Unterlage mit einem Werkstück durch Verwendung eines Klebstoffilms, der in seiner Art dem Bindemittel gleicht, verbunden werden.

Die notwendige Dicke der Unterlage 10 wird sich mit dem Bindemittel 106 und dem Teilchenmaterial 10 a, der Dicke des zu bohrenden Werkstückes 2 und den Strahlkenndaten ändern. Dicken zwischen 1,52 und 6,35 mm sind zufriedenstellend, wobei die größeren Dicken kleineren Prozentsätzen an Teilchenmaterial, dickeren Werkstücken und höheren Strahldichten zugeordnet sind.

Flexible Bindemittel sind besonders wichtig, wenn flexible Werkstücke in Form von Bändern, Folien und dgl. zum Bohren auf eine Vorrichtung in Form einer zylindrischen Trommel aufzubringen sind. In diesem Fall wird ein Block des flexiblen Bindemittels zusammen mit darin dispergierten Teilchen in Plattenform extrudiert. Die flexible Unterlagsplatte wird dann auf die Austrittsfläche 6 eines flexiblen, ebenen metallischen Werkstückbandes aufgebracht, und beide gemeinsam werden anschließend um eine Trommel gewickelt, wobei die freie Oberfläche der Unterlagsplatte mit der Trommel in Berührung ist. Die Anordnung wird dann in eine Elektronenstrahlbohrmaschine eingebracht und gebohrt. Nach dem Lochbohren wird die benutzte Unterlage von dem metallischen Werkstück zweckmäßig abgeschält, abgestreift oder abgelöst. Dann kann das Unterlagsmaterial leicht zu Zusatzunterlagsmaterial für weiteren gleichen Gebrauch aufbereitet werden.

Eine bevorzugte Maßnahme zum Entfernen der Unterlage besteht darin, die Unterlage, wenigstens teilweise, in flüssigem Zustand zu überführen. Der hier verwendete Begriff "flüssig" bezieht sich auf einen Zustand, in welchem sich die Unterlage im wesentlichen wie eine Flüssigkeit verhält, es ist jedoch klar, daß weder das Teilchenmaterial noch sämtliches Bindemittel flüssig zu sein brauchen. Wenn die Unterlage in eine Form überführt wird, in der sie sich wie eine Flüssigkeit verhält, ist die von dem Werkstück durch die Wirkung der Schwerkraft oder durch andere Maßnahmen, die ein Fließen hervorrufen, frei entfernbar.

Bei den vorgenannten Polymerunterlagsmaterialien hat es sich gezeigt, daß das Erhitzen bis in den Bereich von 79-149°C ausreicht, um diese Unterlagsmaterialien frei von dem Werkstück 2 herunterfließen zu lassen. Das Beseitigen erfolgt leicht durch Eintauchen in heißes Wasser, aus welchem die unvermischbaren schmelzflüssigen Polymere sowie das darin enthaltene Teilchenmaterial durch Abschöpfen oder Abkühlen und Erstarren leicht wiedergewonnen werden können. Weitere Maßnahmen zum Entfernen mittels Erwärmung durch Konvektion, Leitung und Strahlung bieten sich an. Beispiele sind das Erhitzen im Ofen sowie die Mikrowellenstrahlung. Statt dessen kann ein Lösungsmittel benutzt werden, um das Bindemittel aufzulösen. Das Teilchenmaterial der Unterlage wird in dem Gelösten suspendiert oder setzt sich in diesem ab. Das Entfernen des Gelösten, beispielsweise durch Destillation, gibt dem Unterlagsmaterial seine ursprüngliche Form wieder. Beispiele dafür sind die Auflösung von Polyvinylalkohol in Wasser oder eines Wachses auf Paraffinbasis in Trichloräthylen. Ein Dampfentfettungsverfahren ist bei dem letztgenannten Beispiel zweckmäßig. Außerdem können Unterlagsmaterialien durch Einwirkung einer Säure oder eines Alkalis in den flüssigen Zustand zerlegt werden. Alle diese Auflösungsprozesse können als Auslaugung gekennzeichnet werden.

Anorganische Bindemittel

Zum Bohren von tiefen Löchern, beispielsweise mit einer Tiefe von mehr als 2,54 mm, insbesondere in Nickelknetlegierungen, enthält die Unterlage vorzugsweise ein anorganisches Bindemittel mit einem oder ohne einen verdampfbaren flüssigen Verdünner. Die anorganischen Bindemittel haben die gleiche Funktion wie die oben erwähnten organischen Mittel, d. h. beide verbinden die Teilchen 10 a miteinander, damit die Unterlage 10 gebildet wird, und, wenn diese in situ gebildet wird, die Unterlage mit der Austrittsfläche 6. Es ist nicht notwendig, die Unterlagsschichten, die das anorganische Bindemittel enthalten, bei sehr hohen Temperaturen zu brennen, um eine nutzbare Unterlage 10 oder deren Haftung an dem Werkstück 2 zu erzielen, wenn Bindemittel benutzt werden wie beispielsweise Natriumsilicat, -aluminat oder -phosphat und dgl. Diese werden mit Teilchenmaterial, üblicherweise mit einem Wasserverdünner, vermischt. Das vorgenannte Natriumsilicat ist für ein anorganisches Polymer typisch. Es ist selbstverständlich erforderlich, daß das anorganische Bindemittel nicht nachteilig mit dem Teilchenmaterial beim Vermischen oder mit dem Werkstück während des Lochbohrens reagiert. Weiter sollte das Bindemittel das Entfernen der Unterlage durch Verflüssigung gestatten. Anorganisches Bindemittel enthaltende Unterlagen werden in gleicher Weise aufgebracht, wie es für die Unterlagen mit Polymerbindemitteln beschrieben worden ist.

Das Bindemittel 10 b wird in Mengen zugesetzt, die erforderlich sind, um eine innige Verbindung der Teilchen 10 a mit­ einander und mit der Werkstückoberfläche zu erzielen. Beispielsweise wird in einem Gemisch aus einem flüssigen Bindemittel in Form von Natriumsilicat und Keramikteilchen, wie Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid, das Natriumsilicat mit einem Anteil von etwa 25 bis 40 Gew.-% der Aufschlämmung, so wie sie gemischt worden ist, vorhanden sein. Natriumsilicat ist ein bevorzugtes Bindemittel, da eine dieses Bindemittel enthaltende Unterlage 10 leicht von der Austrittsfläche 6 nach dem Bohren durch Auflösen in heißem Wasser entfernt werden kann. Unterlagsschichten, bei denen andere Bindemittel benutzt werden, beispielsweise kolloidales Siliciumdioxid, können leicht durch Auflösung in geeigneten Säuren oder Alkalien entfernt werden, bei denen es sich selbstverständlich um Materialien handeln wird, die einen pH-Wert haben, der von 7 wesentlich verschieden ist, und die so gewählt werden müssen, daß sie keine nachteilige Auswirkung auf das Werkstück haben. Alle vorgenannten Auflösungen können als Auslaugung charakterisiert werden.

Der flüssige Verdünner, der bei der Herstellung der Aufschlämmung oder des Breis benutzt werden kann, kann irgendein kompatibler Verdünner sein, einschließlich Wasser oder organischer Flüssigkeiten oder Gemischen derselben. Die Hauptforderung an den flüchtigen Verdünner ist, daß er ausreichend sicher zu benutzen, billig und bei gewöhnlichen Temperaturen ausreichend flüssig ist, um als Dispergens für das Teilchenmaterial zu dienen, so daß die Aufschlämmung als geeigneter Überzug auf die Werkstückoberfläche aufgebracht werden kann, und daß er gleichzeitig ausreichend flüchtig ist, um zu verdampfen, wenn er der Trocknung in der Atmosphäre oder im Ofen ausgesetzt ist. Selbstverständlich kann der Typ oder die Menge des flüssigen Verdünners, der zum Herstellen der Aufschlämmung oder des Breis benutzt wird, so eingestellt werden, daß sie bzw. er der besonderen Aufbringtechnik, beispielsweise durch Bürsten, mittels Kelle, durch Sprühen, Tauchen oder andere geeignete Maßnahmen, angepaßt ist, um die Aufschlämmungsschicht auf der Austrittsfläche zu verteilen. In dem Fall eines hohlen Teils oder eines Teils, da eine unzugängliche Austrittsfläche hat, kann das Unterlagsmaterial durch Gießen, Stampfen, Spritzformen od. dgl. aufgebracht werden. Außerdem können die Unterlagen gesondert hergestellt werden, wie es oben beschrieben worden ist.

Die Unterlage 10, kann, wie oben erwähnt, gesondert hergestellt oder auf die Austrittsfläche 6 aufgebracht werden, und zwar als ein fester Film, beispielsweise als ein extrudierter Film, oder als eine Flüssigkeit oder ein Aufschlämmungsüberzug, der anschließend in situ zum Erstarren gebracht wird. Die Dicke der Unterlage 10 wird sich selbstverständlich mit der Tiefe des Loches 12, das hergestellt wird, und mit der Energie des auftreffenden Elektronenstrahls 8 a ändern. Für Löcher mit einer Tiefe von weniger als 2,54 mm hat sich eine Dicke in dem Bereich von etwa 1,52 bis 3,18 mm als zufriedenstellend erwiesen. Für tiefere Löcher werden Dicken in der Größenordnung von 1,52 bis 6,35 mm benutzt. Selbstverständlich wird die erforderliche Dicke von dem Typ und der Menge des benutzten Teilchenmaterials, von dem Typ des benutzten Bindemittels sowie von der Strahlenergie, die zum Erzeugen eines bestimmten Loches in einem besonderen Werkstück erforderlich ist, abhängig sein.

Die Menge an Teilchenmaterial kann verändert werden, damit das gewünschte Energieabsorptions- und Verdampfungsvermögen erzielt wird. Bei einem anorganischen Bindemittel, wie Natriumsilicat, kann ein Teilchenmaterial, wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Glas, in Mengen von etwa 60 bis 75 Gew.-% in der Aufschlämmung, so wie sie gemischt worden ist, vorhanden sein.

Teilchenmaterialien

Die Unterlage 10 findet speziell auch Verwendung beim Bohren von Löchern in Hohlteilen oder mehrwandigen Teilen, bei denen der Strahl, nachdem er eine Wand durchdrungen hat, weitergehen und unerwünschtermaßen auf die andere gegenüberliegende Wand auftreffen kann. In solchen Fällen wird die Unterlage in der Lage sein, sich der Durchdringung zu widersetzen, wobei der erforderliche Grad durch den auszufüllenden Zwischenraum bestimmt wird.

Viele unterschiedliche Zusammensetzungen von Teilchenmaterialien können benutzt werden. Metallpulver sind, wie erwähnt, zu vermeiden, weil die Gefahr einer Legierungsbildung mit dem Werkstück besteht; sie sind aber für unkritische Anwendungsfälle völlig geeignet. Keramikteilchen, wie Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid und Siliciumdioxid, haben sich im Vergleich zu Metallen als besonders geeignet erwiesen. Glasteilchen haben sich ebenfalls als besonders nützlich herausgestellt. Die besondere Eigenschaft und die Größe wird gemäß der kommerziellen Verfügbarkeit, gemäß den Forderungen einer ausreichenden Viskosität der flüssigen Aufschlämmung, die zum Bilden der Unterlage benutzt wird, und gemäß dem Teilchenmaterial gewählt. Runde und unregelmäßige Kornformen sind ohne besondere Unterscheidung verwendbar. Teilchen, die kleiner als 175 µm sind, sind meistens verwendet worden, während einige feine Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße bis zu 5 µm ebenfalls verwendbar sind. Es ist selbstverständlich bekannt, daß der Gewichtsprozentsatz an Teilchenmaterial, das mit einem Bindemittel in ein dichtes Gefüge eingeschlossen werden kann, von der Teilchengrößenverteilung abhängig ist.

Gemäß den Zeichnungen werden zwar Löcher gebohrt, deren Längsachse zu der Werkstückoberfläche normal ist, es können jedoch auch Löcher, deren Längsachsen gegen die Werkstückoberfläche geneigt ist, hergestellt werden. Solche Löcher müssen selbstverständlich durch eine größere wirksame Dicke an Material hindurchgehen. Darüber hinaus erzeugt der spitze Winkel, der durch das Loch und die Austrittsfläche, die sich schneiden, gebildet wird, einen ungewöhnlichen Umstand, der das Herstellen solcher Löcher offenbar schwieriger macht. Die Unterlagsmaterialien, die Keramikteilchen enthalten, welche mit einander und mit der Werkstückoberfläche durch ein Bindemittel, wie z. B. Natriumsilicat verbunden sind, haben sich als zum Bohren von solchen geneigten Löchern mit im wesentlichen gleichmäßiger Symmetrie durch eine Wand eines Werkstückes aus einer Legierung auf Nickel- oder Kobaltbasis, wobei die Lochtiefe größer als 2,54 mm ist, geeignet erwiesen.

Beispiele

Die Bindemittel- und Teilchenkombinationen, die oben erwähnt sind, und viele gleichartige sind ausgewertet worden. Zur weiteren Beschreibung der Anwendung der Erfindung dienen die folgenden Beispiele.

Eine Steigerwald-Elektronenstrahlbohrmaschine, Modell G-10P-K6, wird mit einer Beschleunigungsspannung von 120 kV, einem Strahlstrom von 50 mA und einer Einzelimpulsdauer von 1 ms benutzt, um ein Loch mit einem Durchmesser von 0,64 mm in ein 0,56 mm dickes Blech aus der Nickelknetlegierung AMS 5544 Waspaloy zu bohren.

In einem Beispiel ist ein ebenes Blech mit einer Größe von etwa 122 × 7,6 cm zu bohren. Vor dem Anbringen zum Bohren werden 100 Gewichtsteile Wachs auf etwa 60°C erhitzt und 110 Gewichtsteile Natron-Kalk- Glasteilchen mit einer Nenngröße unter 175 µm werden eingeführt, während die Viskosität über die Temperatur gesteuert wird, damit sich eine gleichmäßige Suspension ergibt. Das Gemisch wird abgekühlt, um einen Block zu bilden, der anschließend durch ein 35°C aufweisendes rechteckiges Werkzeug in Raumluft extrudiert wird, um eine Unterlagsplatte mit einer Dicke von 1,57 mm und einer nominellen Länge herzustellen, die gleich der des zu bohrenden Metallbleches ist. Die Unterlage wird fest um eine Aluminiumtrommelbohrvorrichtung herumgewickelt, und das Metallblech wird dann auf die Unterlage gewickelt und fest angezogen, damit sich ein inniger Kontakt ergibt. Die Anordnung wird in die Lochbohrmaschine eingebracht, und die gewünschte Anzahl Löcher wird gebohrt. Nach der Entnahme aus der Maschine werden die Spannvorrichtungen gelöst und das Blech wird von der Trommel abgenommen. Gewöhnlich haftet das Unterlagsmaterial leicht an dem Blech und wird durch Abschälen entfernt; es kann statt dessen auch mit einem Werkzeug abgekratzt werden. Das Unterlagsmaterial wird dann zur weiteren Extrusion und Wiederverwendung zu einem Block umgeschmolzen.

In einem weiteren Beispiel hat das zu bohrende Metall die Form eines an einem Ende geschlossenen Rohres. Ein thermoplastisches Polymer mit einer Temperatur von 121 bis 135°C wird mit einer Menge an Natron-Kalk- Glas, das eine Teilchengröße unter 175 µm hat, in einem Verhältnis gemischt, das 60 Gew.-% Glas ergibt. Das Pulver wird in das flüssige Polymer eingerührt, und das sich ergebende Gemisch wird unter Druck in das Rohr eingespritzt, das auf 149°C erhitzt worden ist. Anschließend kann ein Vakuum benutzt werden, um das Entfernen von eingeschlossener Luft zu gewährleisten. Dem Unterlagsmaterial wird gestattet, in Luft abzukühlen, damit wenigstens seine Oberfläche erstarrt, und das Rohr wird dann in kaltes Wasser getaucht, um das Abkühlen zu beschleunigen. Nach dem Bohren wird das Rohr in Luft auf 149°C erhitzt, damit das Unterlagsmaterial von dem Rohr herunter in einen Sammler fließt, um wiederbenutzt zu werden. Ein Unterlagsmaterialrest, der in dem Rohr verbleibt, wird mittels eines Dampfentfetters, der Perchloräthylen enthält, unterstützt durch Spülen in flüssiger Phase, entfernt.

Ein weiteres, spezifisches Beispiel ist das Bohren einer hohlen Gasturbinenschaufel. Der Innenhohlraum ist mit einem Unterlagsmaterial 18 (vgl. Fig. 2) gefüllt, das ein anorganisches, nichtmetallisches Teilchenmaterial enthält, welches mit einem Polymer gebunden ist, beispielsweise die weiter oben erwähnte Kombination aus Glas und Wachs. Soweit der Innenraum gefüllt ist, ist das Unterlagsmaterial mit der Innenhohlraumoberfläche 20 in innigem Kontakt. Es kann somit ein Loch 21 an irgendeinem Punkt der Schaufel durch einen auf die Außenoberfläche 24 auftretenden Strahl 22 gebohrt werden. Wenn der Strahl durch die Schaufel hindurchdringt und in die Unterlage eindringt, wird von dem Bindemittel ein Dampfdruck erzeugt, durch den schmelzflüssiges Schaufelmaterial aus der Eintrittsfläche an der Schaufelaußenseite ausgestoßen wird. Überschußenergie wird durch den Hohlraum füllende Unterlagsmaterial absorbiert, und der Strahl wird dadurch daran gehindert, auf die gegenüberliegende Wand 26 der Schaufel aufzutreffen und diese zu beschädigen. In gleicher Weise können mehrere Löcher gebohrt werden, um eine schwitzgekühlte Gasturbinenschaufel herzustellen.

In noch einem weiteren Beispiel wird ein Nickelsuperlegierungsgußstück gebohrt, indem Bohrparameter benutzt werden, die den für das Blech benutzten analog sind, wobei irgendeine Dickendifferenz berücksichtigt wird.

Vor dem Bohren wird ein Unterlagsmaterial mit einem Polyvinylalkoholbindemittel in situ hergestellt. Ein Pulver von etwas hydrolysiertem Polyvinylalkohol wird mit 9 Teilen kaltem Wasser vermischt. Das Gemisch wird auf etwa 88°C erhitzt, um das Pulver vollständig aufzulösen. Diesem wird Natron-Kalk-Glas mit einer Teilchengröße von 150-175 µm in einer Menge zugesetzt, die ausreicht, um das Gewicht der Teilchen in der Aufschlämmung auf 70% zu bringen. Die sich ergebende Aufschlämmung wird dann auf die Austrittsseite des Werkstückes mittels Kelle bis zu einer Dicke von etwa 5,1 mm aufgebracht und an Luft trocknen gelassen.

In noch einem weiteren Beispiel hat das Unterlagsmaterial ein Natriumsilicatbindemittel, dem eine Menge an Natron- Kalk-Glaspulver mit einer Teilchengröße unter 175 µm zugesetzt wird, um eine Aufschlämmung zu bilden, in der das Pulvergewicht etwa 60% ausmacht. Die Aufschlämmung wird dann um das Werkstück gegossen und an Luft trocknen gelassen.

Nach dem Bohren wird in beiden Fällen das Werkstück in 88°C heißes Wasser eingebracht, das Bindemittel löst sich auf, das Teilchenmaterial fällt frei herunter und das Unterlagsmaterial wird entfernt.

Das hier beschriebene Verfahren kann auch bei anderen maschinellen Bearbeitungsprozessen benutzt werden, bei denen ein Energiestrahl zur Materialabtragung durch das Werkstück hindurch benutzt werden kann, beispielsweise beim Laser- oder Ionenbohren. Weiter kann das hier beschriebene Verfahren beim Bohren von anderen Materialien als Metallen verwendet werden. Ebenso kann unter speziellen Umständen Material der Unterlage auf die Eintrittsfläche des Werkstückes aufgebracht werden, um das Haften von Spritzern und anderen Graten zu vermeiden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Bohren eines Loches mit einem Energiestrahl, beispielsweise einem Elektronenstrahl, durch ein Werkstück, das eine Eintrittsfläche hat, zu der hin sich der Strahl fortpflanzt und durch die er zuerst hindurchdringt, eine Austrittsfläche, die der Strahl zuletzt durchdringt, und eine Unterlage, die mit der Austrittsfläche in inniger Berührung ist, wobei der Energiestrahl mit einer Intensität auf die Eintrittsfläche gerichtet wird, die ausreicht, um ein Loch in dem Werkstück zu erzeugen, die Austrittsfläche zu durchdringen und innerhalb der Unterlage gasförmige Produkte zu erzeugen, mittels welchen schmelzflüssiges Werkstückmaterial aus dem Loch in der Eintrittsfläche in einer zu der Strahlfortpflanzungsrichtung entgegengesetzten Richtung ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterlagsmaterial als ein Gemisch aus einem Bindemittel und Teilchen in wenigstens teilflüssigem Zustand mit der Austrittsfläche in Berührung gebracht wird, in einen festen Zustand überführt wird und, nachdem das Loch gebohrt worden ist, durch Überführen in wenigstens teilflüssigen Zustand durch eine Maßnahme, die das Werkstück nicht nachteilig beeinflußt, entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage schmelzbar ist und durch Erhitzen entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterlagsmaterial aus anorganischen, nichtmetallischen Teilchen und einem Polymer als Bindemittel, das bei einer Temperatur unter 150°C schmelzbar ist, eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage durch Auslaugen entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage durch Auflösen entfernt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das zum Bohren eines Loches in einen hohlen Gegenstand, z. B. eine Gasturbinenschaufel, eingesetzt wird, wobei der Hohlraum des Gegenstands mit einem Unterlagsmaterial gefüllt wird, das so gewählt wird, daß es den in ihm durch die Wirkung des Energiestrahls erzeugten Gasdruck aufnimmt und ein Durchdringen des Strahls und dessen Auftreffen auf die zu der Eintrittsfläche entgegengesetzte Wand des Gegenstands verhindert, indem es Überschußenergie absorbiert.