Bohren mit Lasern

Laserbohren ist ein nicht-spanendes Bearbeitungsverfahren, bei dem mittels Laser lokal so viel Energie in das Werkstück eingebracht wird, dass der Werkstoff ionisiert und verdampft. Der ionisierte Dampf (genauer Plasma) wird durch den unterschiedlichen Druck zwischen Umgebung und dem Ort der Bohrung weggeschleudert. Ein Aufschmelzen des Materials am Rand der Bohrung ist dabei nicht erwünscht.

Verfahren

Einzelpulsbohren

Der Laserstrahl wird einmal eingeschaltet und durchbohrt so mit einem Puls das Material. Nachteilig ist die geringe maximal durchdringbare Materialstärke von etwa 2 mm und die hohe nötige Pulsenergie. Es ergeben sich weiterhin deutlich konische Bohrungen, da die Wärmeeinbringung mit steigender Bohrungstiefe stark nachlässt. Die Reproduzierbarkeit ist durch die Puls-zu-Pulsstabilität der Fokussierbarkeit begrenzt.

Perkussionsbohren

Der Laserstrahl trifft in mehreren Pulsen an immer der gleichen Stelle auf das Werkstück und verdampft dabei jeweils etwas Werkstoff. Der abgeschmolzene Werkstoff wird durch die verdampfenden Anteile aus der Bohrung getrieben. Es sind somit wesentlich tiefere Bohrungen als mit dem Einzelpulsverfahren möglich (etwa 100 mm). Vorteile sind die höheren Bohrtiefen, die auch zur Oberfläche geneigt sein können, die höhere Qualität der Bohrung und die Möglichkeit, auch extrem harte Materialien zu bearbeiten. Nachteilig ist die längere Prozessdauer.

Trepanieren

Der gepulste Laserstrahl rotiert und kann so beliebig große Löcher "ausschneiden". Nachdem die erste Bohrung das Material durchbrochen hat, wird die nächste Bohrung mit Überlappung daneben platziert. Dabei haben sich Überlappungen von 50-80% als besonders günstig ergeben.

Wendelbohren

Wendelbohren funktioniert wie Perkussionsbohren, nur rotiert der Strahl zusätzlich. So kommt es zu einem spiralförmigen Abtrag des Materials. Die Güte der Bohrung ist gegenüber dem Trepanieren erhöht.

Vorteile

• Berührungsloses Bohren ohne Krafteinbringung ins Bauteil
• Laserstrahlen können dank kleinster Optiken an schwer zugänglichen Stellen Bohren (Bsp. Kraftsttoffdüsen) eingesetzt werden
• minimale Wärmebelastung und kein Kühlmittel nötig
• gut automatisierbar
• flexibel
• Herstellung von kleinsten Bohrungen, die mit mechanischen Verfahren kaum oder gar nicht machbar sind

Nachteile

• meist teurer als konventionelle Verfahren
• verglichen mit konventionellen Verfahren ist der Energieaufwand enorm, d. h. der Wirkungsgrad ist äußerst schlecht

Beispiele

• Löcher für die Absaugung der Strömungsgrenzschicht an Flugzeugflügeln
• Löcher für die Kühlung von Turbinenschaufeln
• Einspritzdüsen für KFZ
• feine Blechgeometrien

Literatur

• F.Dausinger: Strahlwerkzeug Laser: Energieeinkopplung und Prozesseffektivität. Vieweg+Teubner, 1995, ISBN 3519062178
• F.Dausinger, F.Lichtner, H.Lubatschowski (Eds.): Femtosecond Technology for Technical and Medical Applications. Springer, 2004, ISBN 3540201149