News MM Maschinenmarkt

Fraunhofer ILT entwickelte das OTF-Perkussionsbohren

zur Übersicht
Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT wird seit Jahrzehnten die Technologie für Laserbohren entwickelt und erprobt.

Der Laser ist das Werkzeug der Wahl, wenn es darum geht, eine große Zahl von gleichartigen Löchern nebeneinander zu bohren. Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT wird seit Jahrzehnten die Technologie für solche Prozesse entwickelt und erprobt.

Die Flugzeugbranche steht nach wie vor unter erheblichem Druck, den Treibstoffverbrauch weiter zu reduzieren. Eine Chance dafür bietet das Prinzip des »Hybrid Laminar Flow Control«: Die Luft strömt mit weniger Widerstand um einen Flugzeugflügel, wenn dessen Oberfläche viele kleine Bohrungen aufweist. Bis zu zehn Prozent Treibstoffeinsparungen sind so möglich. Bei Flugzeugturbinen helfen kleine Bohrungen, den Triebwerkslärm zu dämpfen. In der Filtertechnik können Metallfolien mit Bohrungen im Mikrometerbereich Mikroplastik effizient aus dem Abwasser filtern. In ganz unterschiedlichen Bereichen sind viele Löcher zu bohren. Turbinenbau, Papierherstellung oder Kunststoffrecycling sind Bereiche mit großem Potential.

Unterscheidung der Bohrverfahren

Der Laser ist inzwischen mehrere Jahrzehnte im industriellen Einsatz und auch beim Bohren ein gängiges Verfahren. Wissenschaftlich betrachtet ist es ein nicht-spanendes thermisches Trennverfahren. Es gibt vier verschiedene Wege, um mit dem Laser Löcher zu bohren. Bei der Auswahl spielt die Abwägung zwischen hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision eine entscheidende Rolle.

Am schnellsten ist es natürlich, wenn man die Löcher mit Einzelpulsen durch das Material „schießen“ kann. Das Wendelbohren dauert am längsten, erfordert meist sogar eine spezielle Optik, bietet dafür aber auch eine hohe Präzision. Beim Perkussionsbohren werden mehre Pulse an denselben Punkt gesetzt, um ein Loch durch das Material zu lasern. Von Trepanieren spricht man, wenn nach der Durchgangsbohrung das Loch durch Abfahren der Bohrungskontur ausgeschnitten wird.

Die Präzision der Bohrung und die Glattheit der Bohrlochwände hängen natürlich auch vom Material und der Art der Laserstrahlung ab. Kupfer zum Beispiel absorbiert grüne und blaue Strahlung viel besser als das gängige Infrarot.

Am Fraunhofer ILT werden alle diese Verfahren seit Jahren untersucht und optimiert. Herausgekommen sind hochproduktive Bohrverfahren, bei denen einige Zehn bis Hundert Bohrungen in der Sekunde hergestellt werden können. Das Ziel war hohe Produktivität (Bohrrate) bei geringen Toleranzen unter Beibehaltung der hohen Oberflächengüte. Hier kommen die Prozesse des bekannten „On-the-fly“-Bohrens mit Einzelpulsen und das am Fraunhofer ILT entwickelte OTF-Perkussionsbohren zum Einsatz.

Einzelpuls-Mikrobohren mit dem Laser

Das produktivste Bohrverfahren ist das Bohren mit Einzelpulsen. Die Geschwindigkeit des Verfahrens und die Bohrlochqualität müssen ausbalanciert werden. Bewegt sich die Optik zu schnell über die Oberfläche, dann wird das Loch länglich. Die Qualität des Bohrlochs kann nach verschiedenen Parametern bewertet werden: Rundheit (beeinflusst durch die Verfahrgeschwindigkeit), Konizität und Oberflächenqualität (beeinfluss durch die Intensität der Laserstrahlung).

Am Fraunhofer ILT wurde das Verfahren so optimiert, dass sich 200 Löcher pro Sekunde in 1 mm starkes Titanblech bohren ließen. Dazu wurde ein Single Mode Laser verwendet, mit dem ein Fokusdurchmesser von nur 12 µm erreicht werden kann, um Bohrungen mit nur knapp 80 µm Durchmesser zu erzeugen.

Es wurde »on-the-fly« gebohrt, also mit einem konstanten Vorschub der Optik gegenüber dem Werkstück. Mit den optimierten Prozessparametern wurde ein zwei Meter langer 3D-geformter Demonstrator eines Flugzeugflügels auf einer 6-Achs-Anlage bearbeitet. Bei einer Geschwindigkeit von 200 Löchern pro Sekunde wurden etwa zwei Millionen Löcher pro Quadratmeter auf einer Fläche von etwa 2 m² in unter drei Stunden gebohrt. Der Durchmesser der Löcher war 80 µm. Wichtig war dabei auch die präzise Steuerung des Abstands zwischen Optik und Werkstück. Dafür wurde ein OCT (Optische Kohärenztomographie) eingesetzt, wodurch eine Messgenauigkeit von nur wenigen Mikrometern erreicht wird.

„On the fly“-Perkussionsbohren.

Nicht alle Löcher lassen sich mit einem Laserpuls bohren. Höhere Aspektverhältnisse, größere Bohrdurchmesser, höhere Anforderungen an die Bohrlochqualität oder eine Neigung des Loches können mit dem Perkussionsbohren erreicht werden. Dabei werden mehrere Laserpulse in dasselbe Loch geschossen. Wichtig ist eine hohe Vorschubgeschwindigkeit, da die Bohrung fertig sein muss, bevor sich die Optik weiterbewegt hat, sonst wird das Loch schief, oder durchdringt das Material nicht.

Das komplexe am Bohrprozess ist, dass die einzelnen Laserpulse bis zum Durchstich stark genug sein müssen, um das Material weiter aus dem Loch zu treiben. Andernfalls kann die Schmelze im Loch verbleiben, erstarren und den Laser abschatten oder gar das Loch verschließen.

Am Fraunhofer ILT konnten durch den Einsatz einer neuen Faserlaserstrahlquelle mit bis zu 20 kW Pulsspitzenleistung und 2000 Hz Repetitionsrate bis zu 30 Bohrungen pro Sekunde in 2 mm dickem Aluminium erzeugt werden. Dabei wurden Bohrungsdurchmesser von 500 µm mit einer hohen Präzision erzeugt. Die Standardabweichung war im Eintritt bei unter 5 Prozent, im Austritt sogar bei unter 2,5 Prozent. Die hohen Pulsspitzenleistungen und Repetitionsraten der neuen Laserstrahlquellen haben dabei das Erreichen der Präzision der Bohrungen und der Produktivität ermöglicht.

Die Entwicklung geht weiter.

In den nächsten Jahren sind weitere Fortschritte beim Laserbohren zu erwarten. Bei den Strahlquellen sind Ultrakurzpuls (UKP)-Laser mit höheren Leistungen im Kommen für präzisere, defektfreiere, oder schlicht glattere Bohrlöcher. UKP-Laser können außerdem praktisch alle Materialien bearbeiten. Dem steht bislang nur eine deutlich geringere Arbeitsgeschwindigkeit gegenüber. Im Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS entwickeln Expertinnen und Experten mehrerer Fraunhofer-Institute derzeit Strahlquellen bis weit über 10 kW Leistung.

Sie ermöglichen den Einsatz von Multistrahl-Optiken und erlauben damit unter anderem das parallele Bohren von Hunderten oder Tausenden Löchern. Im Projekt SimConDrill wurden auf diese Weise schon Filterbleche für Abwasserfilter mit Millionen 10 µm-Löchern gebohrt. Mit so kleinen Bohrungen können die Filter in öffentlichen Abwasseranlagen eingesetzt werden, um Mikroplastik bis in den Bereich unter 10µm abzufangen. Insgesamt zeigt die Technik des Laserbohrens eine hohe Dynamik. Neue Verfahren werden entwickelt, immer stärkere Laser eröffnen immer neue Möglichkeiten hinsichtlich erreichbarer Bohrungsgeometrien und Produktivität. Insbesondere die großen Fortschritte in der Weiterentwicklung von UKP-Strahlquellen werden in den nächsten Jahren noch viele neue und spannende Anwendungen beim Laserbohren ermöglichen.

weitere aktuelle Meldungen

Verwandte Artikel