Bohren mit LaserstrahLung - Fraunhofer ILT · = 0,1 - 10 ms, λ = 1070 nm) • 0,1 - 20 ms Laser (E...

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BOHREN MIT LASERSTRAHLUNG FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR LASERTECHNIK ILT 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 [email protected] 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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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

[email protected]

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

[email protected]

Dipl.-Phys. Urs Eppelt (Simulation)

Telefon +49 241 8906-163

[email protected]

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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