Hochrate-Bohren

Zur Erzielung sehr hoher Bohrraten ist es notwendig, Bohrungen mittels eines einzelnen Laserpulses zu generieren und Hochleistungsfaserlaser in Verbindung mit einer schnellen Strahlablenkung einzusetzen.

Bei Nutzung der internen Modulation der Laserquellen werden Bohrraten bis zu einigen tausend Löchern pro Sekunde erreicht. Hierbei wird im „Step-And-Repeat“-Verfahren, d.h. mit stationärem Laserstrahl während des Bohrvorgangs und Sprüngen mittels eines Galvanometerscanners zwischen den einzelnen Positionen, gearbeitet. Bisher wurde mit einem QCW-Multimode-Faserlaser eine maximale mittlerer Leistung von 6 kW bei Pulsenergien bis 6 J und mit cw-Monomode-Faserlasern eine maximale mittlere Leistung von 5,4 kW bei Pulsenergien bis 2,2 J umgesetzt. Damit kann Edelstahl 1.4301 bis zu einer Blechdicke von 3,0 mm mittels Einzelpulsen gebohrt werden.

Zur Erzielung von noch höheren Bohrraten wird eine laserexterne optische Strahlschaltung mit zwei akustooptischen Modulatoren verwendet. Die Bearbeitung erfolgt mit Galvanometerscannern „On-The-Fly“, d.h. der Bohrvorgang wird während der Bewegung des Laserstrahls ausgeführt. Daraus resultiert eine räumliche Dehnung des Pulses auf der Oberfläche in Bewegungsrichtung des Laserstrahls. Die Pulsdehnung hängt von der Scangeschwindigkeit und der Pulsdauer ab.

Die umsetzbare Repetitionsrate bzw. Bohrrate ist abhängig vom lateralen Lochabstand, der Größe des Eintrittsdurchmessers sowie von der Pulsdauer, der Scangeschwindigkeit und der Pulsdehnung.

Die derzeit maximal erreichte Bohrrate beträgt 100.000 Bohrlöcher pro Sekunde. Dafür wurde die Blechdicke von Edelstahl 1.4301 auf 0,05 mm reduziert und ein Überlapp der einzelnen Bearbeitungsbereiche toleriert.

Neben Stahlwerkstoffen wurden verschiedene Keramiken (AlN, Al2O3) untersucht. Dabei können unter Verwendung der verschiedenen Laserquellen und Optiken unterschiedlicher Brennweiten und damit Fokusdurchmessern Bohrlochdurchmesser von einigen 10 µm bis zu einigen 100 µm erzeugt werden.

 

Anlagentechnik:

  • Laserquellen:

    • cw-Monomode-Faserlaser mit 3 kW Laserleistung
    • cw-Monomode-Faserlaser mit 10 kW Laserleistung
    • QCW-Multimode-Faserlaser mit 6 kW Laserleistung

  • Strahlschaltung: 2 akustooptische Modulatoren
  • Strahlablenkung: Galvanometerscanner Apertur 30 / 50 mm
  • Optiken: Brennweiten von 167 mm bis 1200 mm, was Fokusdurchmessern von 16,5 µm bis 300 µm entspricht

 

Allgemeines:

  • Einzelpulsbohren
  • Regime:

    • laserinterne Modulation (Bohrraten bis einige Tausend Bohrungen pro Sekunde) - „Step-And-Repeat“
    • laserexterne optische Strahlschaltung (Bohrraten bis 100.000 Bohrungen pro Sekunde) - „On-The-Fly“

  • Pulsenergien bis 6 J
  • untersuchte Werkstoffe: Edelstahl 1.4301, AlN, Al2O3
  • Blechdicken bis 3,0 mm
  • Durchmesser der Bohrungen von einigen 10 µm bis einigen 100 µm

Sie möchten gern mehr sehen? Weitere Videos finden Sie hier.

U. Löschner, J. Schille, F. Ullmann, A. Streek, L. Hartwig, S. Klötzer:
Hochrate-Lasermikrobearbeitung,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 4/2015, S. 70-76

Projektanfragen / -koordination
Forschungsgruppenleiter
Prof. Dr.-Ing. Udo Löschner
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1336
Fax: +49 (0) 3727 / 58-21336
eMail: udo.loeschner(at)hs-mittweida.de

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Horst Exner
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1413
Fax: +49 (0) 3727 / 58-1867
eMail: exner(at)hs-mittweida.de