Grundlagen

 

Bohrverfahren

Bohrverfahren Urheberrecht: Fraunhofer ILT Bohrverfahren

Einzelpulsbohren Perkussionsbohren Trepanierbohren Wendelbohren

Die Präzision und die Reproduzierbarkeit (z. B. Durchmesser, Konizität) der Bohrungsgeometrie und die Bohrdauer nehmen vom Einzelpulsbohren über Perkussionsbohren und Trepanieren hin zum Wendelbohren zu. Das Trepanieren ermöglicht durch die unterstützende Prozessgasströmung die Herstellung zylindrischer Bohrungen bei kleiner Recastdicke. Das Wendelbohren kann durch den großen Verdampfungs- und den kleinen Schmelzanteil und die kleine Wärmeeinflusszone für qualitativ hochwertige Bohrungen eingesetzt werden.

Einzelpulsbohren
Das Einzelpulsbohren wird bei Bohrungsdurchmessern < 1 mm und Werkstückdicken < 3 mm eingesetzt. Das Perkussionsbohren eignet sich für Bohrungsdurchmesser < 1 mm und Werkstückdicken < 20 mm. Ein Vorteil des Einzelpulsbohrens ist die große Produktivität, da sehr viele Bohrungen in kurzer Zeit gefertigt werden können. Das Einzelpulsbohren eignet sich zum ?on the fly? Fertigen von Bohrungen, d.h. das Werkstück verfährt mit einer großen Geschwindigkeit, während die Bohrungen mit der Repetitionsrate der Laserstrahlquelle gefertigt werden.

Perkussionsbohren
Das Perkussionsbohren ist ein gepulster Bohrprozess, bei dem mit der Laserstrahlung von aufeinander folgenden Pulsen der Werkstoff abgetragen wird. Die erreichbaren Aspektverhältnisse sind gegenüber dem Einzelpulsbohren größer. Typische Bohrungsdurchmesser liegen zwischen 100 μm und 1 mm. Dabei können Bohrungstiefen bis zu 20 mm erreicht werden.
Zum Perkussionsbohren wird gepulste Laserstrahlung mit Pulsdauern im Bereich von Femtosekunden bis Millisekunden eingesetzt. In Abhängigkeit der Pulsdauer, der Intensiät und des zeitlichen Intensitätsverlaufs der Laserstrahlung unterscheiden sich die erzeugten Bohrungen in der Qualität in Form von Schmelzfilmdicke (Recast), Aspekverhältnis, Konizität oder Rissen in der Schmelzschicht oder im Basismaterial.

Trepanierbohren
Das Trepanierbohren setzt sich aus einem Bohr- und Schneidprozess zusammen: Nachdem durch Einzelpuls- oder Perkussionsbohren eine Durchgangsbohrung erzeugt wurde, wird durch eine Relativbewegung zwischen Laserstrahlung und Werkstück der zu erzielende Enddurchmesser der Bohrung ausgeschnitten. Die maximal bearbeitbare Werkstückdicke entspricht der beim Perkussionsbohren bei typischen Durchmessern < 3 mm. Die Schmelze wird beim Trepanieren, zusätzlich beschleunigt durch eine Prozessgasströmung koaxial zur Laserstrahlung, größtenteils durch den Bohrungsaustritt ausgetrieben. Neben einer kreisförmigen Trepanierbohrung sind abhängig von der Positionieranlage z. B. auch konische oder elliptische Bohrungsgeometrien möglich (so genanntes Konturtrepanieren). Beim Konturtrepanieren wird die Laserstrahlung durch eine 5-Achs-Simultan-Bewegung beim Schneidprozess entlang der Sollgeometrie bewegt. Dabei ist es möglich Bohrungen mit unterschiedlicher Geometrie am Bohrungsein- und austritt herzustellen.

Wendelbohren
Durch das Wendelbohren werden im Vergleich zu den anderen Bohrtechniken Bohrungen mit größerer Präzision gefertigt. Ein Verfahrensmerkmal ist hier, dass die Laserstrahlung in Eigenrotation und auf eine Kreisbahn gegenüber dem Bauteil versetzt wird. Der Materialabtrag erfolgt durch mehrmalige Überläufe über das Bauteil spiralförmig. Durch Ändern des Wendelradius und des Auftreffwinkels der Laserstrahlung ist es möglich, konische Bohrungen oder Bohrungen mit Ansenkungen am Bohrungseintritt zu erzeugen.

 

Bohrmodell

Bohrmodell Urheberrecht: Fraunhofer ILT Bohrmodell

Beim Laserstrahlbohren wird das Material am Bohrungsgrund aufgeschmolzen und verdampft (Bild, I).

Beim Verdampfen wird ein Druckgradient erzeugt, durch den schmelzflüssiges Material am Bohrlochgrund in radialer Richtung fließt. Die strömende Schmelze verursacht durch Wärmeleitung und konvektiven Wärmetransport das Schmelzen von zusätzlichem Material. Die Bohrung wird somit auf etwa den doppelten Fokusfurchmesser aufgeweitet (Bild, II).

Das schmelzflüssige Material wird bei einer Sacklochbohrung entgegen der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung entlang der Bohrungswand ausgetrieben. Die Schmelze erstarrt entlang der Bohrungswand (Bild, III) und führt zu einem Verschließen der Bohrung ab einer bestimmten Bohrungstiefe (Bild, IV). Der Verschluss kann beim Einzelpulsbohren noch während des Pulses selbst wieder aufgelöst werden. Beim Perkussionsbohren entfernen zusätzlich die nachfolgenden Pulse den Verschluss.

 

Bohrverfahren

Schmelzdominiertes Bohren Urheberrecht: Fraunhofer ILT Schmelzdominiertes Bohren