Laserstrahlbohren

Mit Laserstrahlung können Bohrungen mit Durchmessern von unter einem Mikrometer bis zu mehreren Millimeter n bei gleichzeitig großen Bohrtiefen gefertigt werden. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt verschiedene Bohrverfahren von den Grundlagen bis hin zur Implementierung in Anlagen zur industriellen Umsetzung. Anwendungsgebiete für Laserbohrungen sind zum Beispiel Einspritzdüsen, Entlüftungsbohrungen, Kühlluftbohrungen sowie Kontaktierungsboh rungen oder Filterbohrungen.

Das Verfahren

Bohrungen mit Durchmessern von ca. 1 μm bis zu mehreren Millimetern werden in Abhängigkeit von der Bauteildicke sowie der geforderten Qualität (Präzision) und Produktivität (Bohrdauer) mittels Einzelpulsbohren, Perkussionsbohren, Trepanieren oder Wendelbohren in das Werkstück eingebracht. Die folgende Tabelle zeigt die Abgrenzung der einzelnen Bohrverfahren bzgl. Durchmesser, Bohrungstiefe und Bohrdauer.

Das Einzelpulsbohren kann »on-the-fly« erfolgen, so dass bis zu 300 Bohrungen pro Sekunde mit einem Durchmesser von beispielsweise 60 μm in 1 mm Blechstärke erreicht werden. Bei Bohrungsdurchmessern größer ca. 300 μm wird das Trepanieren eingesetzt, bei dem eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahlung erfolgt. Bohrungen mit großer Präzision bzgl. Geometrie sowie hoher metallurgischer Qualität werden mittels Wendelbohren erzielt.

Das Laserstrahlbohren stellt eine Alternative zu Verfahren wie Elektronenstrahlbohren, Funkenerodieren, elektrochemischem Bohren sowie Ultraschallbohren dar. Das »Werkzeug Licht« wird bevorzugt verwendet, wenn Bohrungen mit Durchmessern von ca. 1 μm bis 500 μm bei großen Aspektverhältnissen (> 1:20) unter erschwerten Bedingungen, wie beispielsweise unter einem großen Neigungswinkel zur Werkstückoberfläche oder in Werkstoffe mit großer Härte (z. B. Nickelbasislegierungen) erforderlich sind. Herausforderungen bestehen in der Minimierung von Schmelzschichten sowie der Vermeidung von Mikrorissen an der Bohrungswand.

Physikalische Prozessgrundlagen

Laserbohrverfahren lassen sich in schmelz- und verdampfungsdominierte Verfahren unterscheiden. Bei Pulsdauern im Bereich von Mikro- bis Millisekunden wird das Material durch die Laserstrahlung größtenteils aufgeschmolzen, ein kleiner Teil wird verdampft. Durch den entstehenden Dampfdruck wird die Schmelze aus der Bohrung ausgetrieben. Dieser Bohrprozess hat eine große Produktivität, an den Bohrungswänden können allerdings Schmelzschichten mit Dicken bis zu 100 μm zurück bleiben.

Bei Pulsdauern kleiner 10 ps wird das Material vollständig verdampft und es erfolgt nahezu kein Wärmeeintrag in das Werkstück. Bei geeigneter Bewegung des Laserstrahls können Bohrungen ohne Schmelzschichten an der Bohrungswand erreicht werden. Mit einer entsprechenden Systemtechnik können zylindrische und konische Bohrungen mit hoher Qualität und hohem Aspektverhältnis hergestellt werden.

Anwendungsmöglichkeiten

Aufgrund der hohen Intensität der gepulsten Laserstrahlung lassen sich nahezu alle Werkstoffe wie Metalle, Keramiken, Halbleiter, CFK, Kunststoffe sowie Mehrschichtsysteme aus diesen Werkstoffen mit großer Präzision bohren. Einsatzfelder sind beispielsweise die Herstellung von Kühlluftbohrungen in Turbomaschinenkomponenten wie Schaufeln oder Brennkammern, Bohrungen für Kraftstofffilter oder Einspritzdüsen sowie Entlüftungsbohrungen in Spritzgussformen für den Werkzeugbau.

Anlagen- und Systemtechnik

Neben den prozesstechnischen Arbeiten werden am Fraunhofer ILT die für eine industrielle Umsetzung der Bohrverfahren erforderlichen Anlagen entwickelt. Dies umfasst die Entwicklung spezieller Wendelbohroptiken mit schneller örtlicher Modulation der Laserstrahlung ebenso wie die Integration von Bohrprozessen in automatisierte Fertigungsanlagen.

Ausstattung

Für das Bohren mit Laserstrahlung verfügt das Fraunhofer ILT über eine Vielzahl moderner Lasersysteme. Dazu zählen:

  • Langpulslaser (Pulsdauern μs - ms) wie z.B.
    • IPG Faserlaser mit 6 kW Pulsspitzenleistung
    • IPG Singlemode Faserlaser mit 1,5 kW Pulsspitzenleistung
  • Kurzpulslaser (Pulsdauern ns - μs) wie z. B.
    • Edgewave Doppelpulslaser mit 2 x 40 W mittlerer Leistung,
      Pulsdauer 2-10 ns, 50 kHz
  • Ultrakurzpulslaser (Pulsdauern fs - ps) wie z. B.
    • Amphos 500 mit 400 W mittlerer Leistung,
      Pulsdauer 0,7 - 8 ps, Repetitionsrate bis 54 MHz
    • Trumpf TruMicro 5270 mit 60 W mittlerer Leistung,
      Pulsdauer 7 ps, Repetitionsrate 400 kHz

Für die optische Strahlformung sind Bohroptiken mit Fokussierbrennweiten von 70 mm bis 300 mm, Wendelbohroptiken sowie verschiedene Scannersysteme verfügbar.