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Bohren mit LaserstrahLung
F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R L A S E R T E c H N I k I LT
DQS zertifiziert nach
DIN EN ISO 9001
Reg.-Nr.: DE-69572-01
Fraunhofer-Institut
für Lasertechnik ILT
Institutsleitung
Prof. Dr. Reinhart Poprawe M.A.
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Telefon +49 241 8906-0
Fax +49 241 8906-121
www.ilt.fraunhofer.de
Fraunhofer ILT - Kurzprofil
Mit rund 370 Mitarbeitern und über 11.000 m² Nutzfläche
zählt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT weltweit zu
den bedeutendsten Auftragsforschungs- und Entwicklungs-
instituten im Bereich Laserentwicklung und Laseranwendung.
Unsere Kernkompetenzen umfassen die Entwicklung neuer
Laserstrahlquellen und -komponenten, Lasermess- und Prüf-
technik sowie Laserfertigungstechnik. Hierzu zählt beispiels-
weise das Schneiden, Abtragen, Bohren, Schweißen und Löten
sowie das Oberflächenvergüten, die Mikrofertigung und das
Rapid Manufacturing.
Übergreifend befasst sich das Fraunhofer ILT mit Laseranlagen-
technik, Prozessüberwachung und -regelung, Modellierung
sowie der gesamten Systemtechnik. Unser Leistungsspektrum
reicht von Machbarkeitsstudien über Verfahrensqualifizie-
rungen bis hin zur kundenspezifischen Integration von Laser-
prozessen in die jeweilige Fertigungslinie. Das Fraunhofer ILT
ist eingebunden in die Fraunhofer-Gesellschaft mit mehr
als 80 Forschungseinrichtungen, 20.000 Mitarbeitern und
einem jährlichen Forschungsvolumen von über 1,8 Mrd. EUR.
Änderungen bei Spezifikationen und anderen technischen Angaben bleiben vorbehalten. 09/2012.
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Verfahrensentwicklung
Durch die hohe Intensität der Laserstrahlung lassen sich
nahezu alle Werkstoffe wie Metalle, Keramiken, Halbleiter,
Diamant, Kunststoffe, sowie Mehrschichtsysteme aus
diesen Werkstoffen mit hoher Präzision bohren. Auf der
Basis grundlegender Untersuchungen werden sowohl
neue fertigungstechnische Bohrprozesse mit angepasster
Energiedeposition als auch anwendungsspezifische Lösungen
für unsere Partner erarbeitet. Insbesondere Verfahren mit
reduzierter Schmelzfilmbildung, wie das Wendelbohren
oder das Bohren mit werkstoffspezifischen Puls-Bursts, sind
dabei im Fokus der Entwicklungen. Einsatzfelder sind unter
anderem die Herstellung von Kühlbohrungen in Turbinen-
komponenten wie Brennkammer und Schaufeln, Bohrungen
für Kraftstofffilter sowie Düsen- und Entlüftungsbohrungen
in Spritzgussformen für den Werkzeug- und Anlagenbau.
Prozessüberwachung und -kontrolle
Die Qualität von Laserstrahlbohrungen kann mit einer am
Fraunhofer ILT entwickelten Prozessüberwachung online
kontrolliert werden. Dazu wird die Entstehung der Bohrung
koaxial zur bearbeitenden Laserstrahlung überwacht. Neben
dem Durchbohrzeitpunkt können weitere Qualitätsmerkmale
wie Recast oder das Wiederverschließen einer Bohrung
bestimmt werden. Zusätzlich kann eine Regelung des Lasers
zur Vermeidung von Rückwandschäden bei der Bearbeitung
von Hohlkörpern realisiert werden.
Anlagen- und Systemtechnik
Neben den prozesstechnischen Arbeiten werden am
Fraunhofer ILT die für eine industrielle Umsetzung der Bohr-
verfahren nötigen Bohrsysteme entwickelt. Das Spektrum
reicht dabei von der Entwicklung spezieller Bohroptiken mit
schneller örtlicher Modulation der Laserbestrahlung bis hin
zu deren Integration in vorhandene Fertigungsanlagen.
Dabei gehören kundenspezifische Anlagenlösungen inklusive
Prozessüberwachung und Steuerung bis hin zu serienreifen
Verfahrensqualifikationen in Kleinserien zum Leistungsspek-
trum des Instituts.
Ausstattung
• 7 ps Laser (P = 50 W, λ = 1030 nm), 8-Achs-Anlage
• 10 ps Laser (P = 50 W, λ = 1064/532/355 nm), 6-Achs-Anlage
• 10 ps Laser (P = 50 W, λ = 1064/532/355 nm), 5-Achs-Anlage
• 600 ps Laser (P = 67 mW, λ = 532 nm), Desktop-System
• 10 ns Laser (P = 36 W, λ = 532 nm) mit Wendelbohroptik
• 10 ns Excimer Laser (λ = 193 nm), 4-Achs-Anlage
• 20 ns Laser (P = 10 W, λ = 355 nm), 6-Achs-Anlage
• 40 ns Laser (P = 10 W, λ = 355 nm) mit Interferenzoptik
• 0,7/1,5 μs Laser (P = 700/60 W, λ = 1030 nm), 5-Achs-Anlage
• Faserlaser (P = 1000 W, P = 300 W, λ = 1070 nm)
• Faserlaser (Pspitze = 6000 W, taupuls = 0,1 - 10 ms, λ = 1070 nm)
• 0,1 - 20 ms Laser (Epuls = 100 J, λ = 1064 nm)
• 100 - 500 µs Laser (Epuls = 1,5 J, λ = 1064 nm)
• High-Perfomance Rechencluster mit 612 CPUs und 2944 GPUs
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. (FH) Claudia Hartmann (Bohrprozess)
Telefon +49 241 8906-207
Dipl.-Phys. Urs Eppelt (Simulation)
Telefon +49 241 8906-163
Die Anforderungen an Bohrungen und Bohrprozesse
sind vielfältig und liegen u.a. in der hohen Präzision der
Bohrungsgeometrie, der Reproduzierbarkeit oder der Pro-
duktivität des Prozesses. Am Fraunhofer ILT werden sowohl
die physikalischen Grundlagen des Laserbohrens als auch die
Bohrverfahren selbst analysiert und optimiert, bevor diese in
bestehende Anlagen und die entsprechende Systemtechnik
implementiert werden. Unterstützend setzen unsere Experten
sensorische Prozessüberwachung und -diagnose ein.
Das Verfahren
Bohrungen im mm- bis μm-Bereich werden in Abhängigkeit
von der geforderten Qualität (Präzision) und Produktivität
(Bohrdauer) mit Einzelpulsbohren, Perkussionsbohren, Tre-
panieren oder Wendelbohren in unterschiedliche Werkstoffe
eingebracht. Das Laserstrahlbohren stellt eine Alternative
zu Verfahren wie Elektronenstrahlbohren, Funkenerodieren,
elektro-chemischem Bohren sowie Ultraschallbohren dar. Das
Werkzeug Laserstrahlung wird bevorzugt eingesetzt, wenn
Bohrungen mit Durchmessern < 100 μm bei hohen Aspekt-
verhältnissen unter erschwerten Bedingungen, beispielsweise
Bohrungen unter einem definierten Neigungswinkel, in harten
Werkstoffen oder mit speziellen Geometrien hergestellt
werden müssen. Vorteile beim Bohren mit Laserstrahlung
sind die Reproduzierbarkeit, die Bohrgeschwindigkeit und
das erzielbare hohe Aspektverhältnis, das Verhältnis
der Bohrlochtiefe zum Durchmesser. Herausforderungen
bestehen in der Minimierung erstarrter Schmelze (Recast),
der Vermeidung von Bartbildung sowie in der Reduktion von
Anzahl und Länge von Mikrorissen in der Bohrungswand.
Physikalische Prozessgrundlagen
Die Modellbildung und Simulation zum Bohren mit
Laserstrahlung zielt im Wesentlichen auf die Vermeidung
von Recast auf der Bohrungswand für große Pulsdauern
(μs) und die Vergrößerung der Bohrgeschwindigkeit für
kleine Pulsdauern (ps - ns). Durch die Analyse des Bohrens
mit großer Pulsdauer können unterschiedliche Phänomene
identifiziert werden, deren dynamisches Zusammenwirken
die Bildung von Recast auf der Bohrungswand hervorruft
und beeinflusst. Für kleine Pulsdauern und große Intensitäten
der Laserstrahlung sind zusätzlich die Trägheit der Schmelze,
die Rekondensation des Dampfes und die Reflexion der
Laserstrahlung an der Bohrungswand zu berücksichtigen.
Methodisch werden verschiedene Ansätze der numerischen
Simulation verfolgt: Neben analytischen Betrachtungen und
numerischen Berechnungen werden reduzierte Modelle
entwickelt, die leichter zu analysieren und zu berechnen
sind. Mit Hilfe verschiedener Methoden wie Raytracing,
BPM (Beam Propagation Method) oder FDTD-Verfahren
(Finite-Difference Time-Domain) werden sowohl die Simulation
des Abtragvorgangs, die Dampfströmung und -rekonden-
sation sowie die Simulation der Strahlausbreitung verfolgt.
Bohren mit LaserstrahLungMit Laserstrahlung können Bohrungen im Bereich von einigen Mil l imetern bis zu unter einem Mikrometer
gefert igt werden. Das Fraunhofer- Inst itut für Lasertechnik ILT entwickelt verschiedene Bohrverfahren
von den Grundlagen bis hin zur Implementation in Anlagen zur industr iel len Umsetzung. Mikrobohrungen
kommen in vielen Bereichen wie zum Beispiel bei Einspritzdüsen, Entlüftungsbohrungen, Kühlbohrungen,
Kontaktierungsbohrungen oder Fi l teranwendungen zum Einsatz.
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1 Laserstrahl-Bohren von Leitschaufelsegmenten.
2 Formbohrungen hergestellt mittels
5-Achs-Trepanieren.
3 Laserperforierte 50 µm dicke Messingfolie.
4 Laserperforiertes Dünnglas.
5 Wendelbohroptik.
6 Simulation des Bohrens mittels VoF-Methode
(Rot: Volumen der Schmelze).
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