Laserstrahlbohren

Unter dem Begriff des Laserstrahlbohrens werden die Verfahrensvarianten "Einzelpulsbohren", "Perkussionsbohren", "Trepanierbohren" und "Wendelbohren" zusammengefasst. Der Forschungsschwerpunkt am Laserinstitut Hochschule Mittweida liegt dabei neben dem Einzelpulsbohren mit hohen Pulsenergien für die Hochrate-Laserbearbeitung speziell auf dem Perkussionsbohren mittels Nanosekunden- und Ultrakurzpuls-Laserstrahlung. Bei diesem Verfahren wird die Bohrlochgeometrie erzeugt, indem eine definierte Anzahl an Pulsen immer an der gleichen Stelle auf das Werkstück trifft.

Die Vorteile bei der Nutzung von ultrakurzen Pulsen liegen in dem präzisen Energieeintrag, der geringen thermischen und mechanischen Belastung des Grundwerkstoffs und dem damit verbundenen schmelzarmen Abtrag. Das Material wird hier also zum größten Teil ablatiert. Durch die Wahl geeigneter Parameter können prozessrelevante Effekte wie Wärmeakkumulation und particle shielding gezielt genutzt bzw. unterdrückt werden. Mit diesem Verfahren können qualitativ hochwertige Bohrungen gefertigt werden, die nur geringe Schmelzrückstände bzw. Randaufwürfe zeigen und eine hohe Rundheit und Ebenheit der Bohrungswandung aufweisen.

Für die Erzeugung großflächiger Bohrstrukturen erfolgt die Relativbewegung des Laserstrahls auf dem Werkstück mittels eines 2D-Laserscanners. Um die thermische Belastung des Grundwerkstoffs zu minimieren ist es in Abhängigkeit des Materials wichtig, geeignete Bohrstrategien zu entwickeln, damit eine möglichst günstige Energieverteilung gewährleistet ist. Dies kann z. B. durch Mehrfachüberfahrten, einer definierten bzw. zufälligen Bohrungsabfolge oder einer Kombination dieser Methoden realisiert werden.

Anwendungsfelder dieses Laserprozesses liegen vor allem in der Mikrosystemtechnik aber auch im Bereich Automotive und der Medizintechnik.

 

Anlagentechnik:

  • Laserquellen:

    • fs-Laser mit 12 W mittlerer Laserleistung (IR)
    • fs-Laser mit 100 W mittlerer Laserleistung (IR)
    • ns-Laser mit 20 W mittlerer Laserleistung (UV)

  • Strahlablenkung: Galvanometerscanner Apertur 30 mm
  • Optiken mit Brennweiten von 100 mm und 167 mm
  • Prozessüberwachung mittels Kamerasystem
  • Prozessteuerung: Puls-Control-Platine zur pulsgenauen Detektion von Durchgangsbohrungen

 

Allgemeines:

  • Bearbeitungsverfahren: Perkussionsbohren
  • Arbeitsregime: "Step-And-Repeat"
  • Pulswiederholfrequenzen bis 50 MHz
  • Materialdicken bis 1 mm
  • minimal erzielbare Bohrungsdurchmesser: < 10 µm
  • untersuchte Werkstoffe: Edelstahl (AISI 304), Mono-Si

 

Ultrapräzisions-Laserbearbeitung (UltraLas)

Laufzeit: 2015 - 2019
Förderung: SMWK / EU (ESF Nachwuchsforschergruppe)
Projektpartner:
  • Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner
  • Prof. Dr. rer. nat. habil. A. Horn
  • Prof. Dr.-Ing. U. Löschner
Projektleitung: Prof. Dr. rer. nat. S. Weißmantel
Webseite: www.laser.hs-mittweida.de/institut/projekte/ultralas.html

 

Rapid Micro / Hochrate-Laserbearbeitung

Laufzeit: 2012 - 2016
Förderung: BMBF (IP Transfer, Stiftungsprofessur)
Projektpartner:
  • 3D-Micromac AG Chemnitz
  • Sitec Industrietechnologie Chemnitz
  • LASERVORM GmbH Altmittweida
  • IMM Holding GmbH Mittweida
  • Acsys Lasertechnik GmbH Mittweida
  • LIM laserinstitut Mittelsachsen GmbH Mittweida
  • Fiberware GmbH Mittweida
  • MicroCeram GmbH Meißen
  • VW AG Wolfsburg
  • EOS GmbH Krailing
  • ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH Gelsenkirchen
  • KSG Leiterplatten GmbH Gornsdorf
  • KOKI TECHNIK Transmission Systems GmbH Niederwürschnitz
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. U. Löschner

 

Technologieentwicklung mittels Femtosekundenlaser

Laufzeit: 2003 - 2004
Förderung: BMBF (Innoregio Innovationsregion Mittelsachsen „Innosachs“)
Projektpartner:
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner

 

Entwicklung von Technologien und Anlagen zur Lasermikrobearbeitung

Laufzeit: 2001 - 2003
Förderung: BMBF (Innoregio Innovationsregion Mittelsachsen „Innosachs“)
Projektpartner:
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner

 

Erzeugen und Verfüllen von Mikroöffnungen

Laufzeit: 1999 - 2001
Förderung: BMBF / AiF (Fachhochschulprogramm)
Projektpartner:
Projektleitung: Prof. Dr. rer. nat. habil. G. Reiße
A. Gruner, L. Naumann, J. Schille, U. Loeschner:
High Pulse Repetition Frequency Micro Hole Drilling of Silicon Using Ultrashort Pulse Laser Radiation,
In: Journal of Laser Micro/Nanoengineering 14 (2019), Nr. 3, S. 190-197

A. Gruner, L. Naumann, J. Schille, U. Löschner:
Hochrate-Bohren von Mikrolöchern in Silizium mittels UKP-Laserstrahlung,
In: Scientific Reports, 11. Mittweidaer Lasertagung 1/2019, S. 130-135

A. Gruner, J. Schille, U. Loeschner:
High repetition frequency micro hole drilling of metal foils using ultrashort pulse laser radiation,
In: Proceedings of SPIE 10520 (2018)

A. Gruner, J. Schille, U. Löschner:
Experimentelle Untersuchungen zum Bohren von Mikrolöchern mit Ultrakurzpulslaserstrahlung,
In: Scientific Reports, 10. Mittweidaer Lasertagung 2/2017, S. 100-103

A. Gruner, J. Schille, U. Loeschner:
Experimental Study on Micro Hole Drilling Using Ultrashort Pulse Laser Radiation,
In: Physics Procedia 83 (2016), S. 157-166

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

J. Haenel, T. Petsch, B. Keiper, G. Reiße, S. Weißmantel, R. Ebert, H. Exner:
Laser Micromachining of Pyrex and Quartz Glass using Femtosecond Lasers,
In: Tagungsband der Stuttgarter Lasertage, Standortbestimmung der Lasertechnologie in der industriellen Materialbearbeitung (2009), S. 119-123

M. Brajdic, M. Hermans, A. Horn, I. Kelbassa:
In situ measurement of plasma and shock wave properties inside laser-drilled metal holes,
In: Measurement Science and Technology 19 (2008), Nr. 10, S. 105703

J. Dietrich, M. Brajdic, K. Walther, A. Horn, I. Kelbassa, R. Poprawe:
Investigation of increased drilling speed by online high-speed photography,
In: Optics and Lasers in Engineering 46 (2008), Nr. 10, S. 705-710

T. Petsch, G. Reiße, S. Weißmantel, B. Keiper, R. Ebert, H. Exner:
Laser micromachining of Pyrex and quartz glass using Femtosecond-lasers,
In: Proceedings of International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (2004)

J. Willach, J. Michel, A. Horn, W. Schulz, E.W. Kreutz, R. Poprawe:
Approximate model for laser trepanning with microsecond Nd:YAG laser radiation,
In: Applied Physics A 79 (2004), Nr. 4, S. 1157-1159

E. Lugscheider, K. Bobzin, A. Erdle, A. Horn, U. Pütz, E.W. Kreutz, R. Poprawe:
Herstellung eines Mikroaktors auf der Basis lasergestützter Strukturierung von PVD-abgeschiedenen Bimetallstrukturen,
In: Produktion von Leiterplatte und Systemen 6/2004, S. 815-821

B. Keiper, R. Ebert, H. Exner:
Mikrobohren von PYREX-Glas mittels fs-laser,
In: Lasermagazin 5-6/2003, S. 46

B. Keiper, J. Schille, R. Ebert, H. Exner:
Bearbeitung von Pyrexglas mittels CO2-Laserstrahlung,
In: Lasermagazin 6/2002, S. 22

J. Willach, A. Horn, E. W. Kreutz:
Drilling of cooling holes and shaping of blow-out facilities in turbine blades by laser radiation,
In: Jacqueline Lecomte-Beckers et al. (eds.): Materials for Advances Power Engineering 2002: Proceedings of the 7th Liège Conference, Part 2, Reihe Energietechnik/Energy Technology 21, Jülich: Forschungszentrum Jülich GmbH, 2002, ISBN: 3-89336-312-2, S. 743-750

R. Ebert, B. Keiper, U. Löschner, J. Bachale, H. Exner:
Anwendungen der Lasermikrobearbeitung,
In: Lasermagazin 3/2001, S. 38

E. Lugenscheider, K. Bobzin, A. Etzkorn, A. Horn, R. Weichenhain, E.W. Kreutz, R. Poprawe:
Electron beam-physical vapor deposition - thermal barrier coatings on laser drilled surfaces for transpiration cooling,
In: Surface and Coatings Technology 133-134 (2000), S. 49-53

H. Exner, B. Keiper, U. Löschner, T. Kuntze:
Drilling of Glass by Excimer Laser Mask Projection Technique,
In: Journal of Laser Applications 12 (2000), Nr. 5, S. 189-193

A. Horn, R. Weichenhain, S. Albrecht, E. W. Kreutz, J. Michel, M. Niessen, V. Kostrykin, W. Schulz, A. Etzkorn, K. Bobzin, E. Lugenscheider, R. Poprawe:
Microholes in zirconia coated Ni-superalloys for transpiration cooling of turbine blades,
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H. Exner, B. Keiper, R. Ebert, U. Löschner:
Erzeugung von Mikrobohrungen in Pyrexglas,
In: Lasermagazin 6/1999, S. 16

R. Weichenhain, J. Jandeleit, A. Horn, E. W. Kreutz, R. Poprawe:
Drilling of ceramics and polymers by diode pumped solid state laser,
In: Proceedings of International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, LIA (Series) 83 (1997)

Anfragen
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. André Streek
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1837
Fax: +49 (0) 3727 / 58-21837
eMail: streek(at)hs-mittweida.de