CH497258A

CH497258A - Verfahren zum Bohren von Werkstücken mittels Laserstrahlung

Info

Publication number: CH497258A
Application number: CH1679067A
Authority: CH
Inventors: Schlaefli Hans; Gugger Gottfried
Original assignee: Laser Tech Sa
Priority date: 1967-09-25
Filing date: 1967-09-25
Publication date: 1970-10-15

Description

Verfahren zum Bohren von Werkstücken mittels Laserstrahlung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Werkstücken mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bohren harter Werkstücke, wobei das Werkstück in den Brennpunkt der Laseroptik gebracht wird und hierauf die Laserstrahlung ausgelöst wird.

Es sind bereits verschiedene Vorschläge zum Bohren von Werkstücken mittels Laserstrahlung gemacht worden. Eingehende Versuche mit verschiedensten Anordnungen haben ergeben, dass es ausserordentlich schwierig ist, mit den allgemein üblichen Anlagen mit der nötigen Zuverlässigkeit seriemässig Werkstücke zu bohren. Wohl ist es allgemein gelungen, einzelne Bohrungen der gewünschten Abmessungen und Qualität herzustellen, aber die Reproduzierbarkeit dieser Abmessungen und Qualität war ungenügend. Es hat sich auch gezeigt, dass insbesondere Steine immer wieder gespalten wurden, so dass sich auch aus diesem Grunde für eine Seriefabrikation untragbar hohe Ausschusszahlen ergaben.

Eingehende Versuche mit verschiedenartigen Feststofflasern, Impulsenergien und Impulsdauern haben nun gezeigt, dass zum zuverlässigen Bohren, insbesondere von Steinen, verhältnismässig eng begrenzte Bedingungen eingehalten werden müssen, wenn einerseits brauchbare reproduzierbare Bohrungen erstellt und anderseits die Steine nicht beschädigt werden sollen. Als Resultat dieser Untersuchungen hat sich das erfindungsgemässe Verfahren ergeben, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mit einer Impulsenergie von 0,1-0,8 Joule, einer Pulsdauer von höchstens 100 ELS und einer Lichtwellenlänge von über 1 ii gearbeitet wird.

Vorzugsweise wird mit Impulsenergien von 0,2-0,5 Joule und einer Lichtquellenlänge von 1,06 , gearbeitet, welche mittels eines Yttrium enthaltenden Stabes, insbesondere eines Stabes aus Yttrium-Aluminium-Granat erzeugt wird. Man hat die eigenartige Erfahrung gemacht, dass es mittels der üblichen Rubinstäbe ausgeschlossen war, ohne Zerstörung von Steinen brauchbare reproduzierbare Bohrungen herzustellen, woraus sich die allgemeine Regel ableiten lässt, dass für den Laserstab ein Material benützt werden sollte, das nicht gleichartig oder identisch ist mit dem Material der zu bohrenden Werkstücke, insbesondere Steine.

Vorzugsweise wird die Bohrung, insbesondere in Steinen, nicht mittels eines einzigen Impulses der oben bezeichneten Energie und Dauer erstellt, sondern mittels mehrerer Impulse, deren Brennpunkt längs und/ oder quer zur Bohrungsrichtung verschieden liegen kann.

Die zu erstellenden Bohrungen haben nicht immer dieselben Durchmesser und es hat sich speziell für grössere Bohrungen als besonders vorteilhaft erwiesen, mittels einer grösseren Zahl von beispielsweise 6-8 Impulsen, deren Brennpunkte kreisförmig exzentrisch um die Achse der zu erstellenden Bohrung versetzt werden, zu arbeiten. Die verhältnismässig niedrige Energie pro Impuls und der hohe Wirkungsgrad der vorzugsweise verwendeten Yttrium-Aluminium-Granatstäbe erlaubt auch in diesem Falle, noch mit einer wirtschaftlichen Lebensdauer der Blitzröhre zu arbeiten.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Beispiels des Bohrverfahrens näher erläutert.

Der für die Bohrung benützte Laserkopf weist den an sich üblichen Aufbau von Feststofflasern auf. Es wird ein Laserstab aus Yttrium-Aluminium-Qranat von 65 mm Länge und 6,0 mm Durchmesser verwendet, der mittels einer Blitzröhre vom Typ FX-42/A-3 der Firma Egerton, Germeshausen und Grier, beleuchtet wird. Das Netzanschlussgerät weist eine Ladekapazität von 125 ,uF auf und kann Spannungen bis 1200 V erzeugen. Die mit diesem Gerät erzielbaren maximalen Ausgangsleistungen betragen rund 0,8 Joule pro Impuls. Die Optik des Laserkopfes weist eine Brennweite von 25 mm auf, welche sich für diesen Zweck als günstig erwiesen hat. Brennweiten von unter 25 mm ergeben ähnliche oder noch bessere Bohr-Resultate, wobei jedoch die Gefahr der Beschädigung der Optik besteht, erzeugt durch das zurücksprühende Material.

Das zu bohrende Objekt, z. B. ein Lagerstein, wird nun in den Bereich des Brennpunktes des Laserkopfes gebracht. Zum Bohren, insbesondere von Lagersteinen, wird das Netzgerät so eingestellt, dass die Ausgangsleistung pro Impuls auf einen Wert von etwa 0,2X,5 Joule eingestellt ist, welche Werte sich als am günstig sten erwiesen haben. Die auftretenden Impulse weisen eine Dauer von 85 ,us und eine Lichtwellenlänge von 1,06 ,u auf. Wie bereits beschrieben, entstehen unter diesen Bedingungen stets gleichartige reproduzierbare Bohrungen verhältnismässig geringen Durchmessers, wobei Beschädigungen des Steines durch Spalten nicht vorkommen.

Sind Bohrungen grösseren Durchmessers zu erstellen, so wird im einfachsten Falle das zu bohrende Objekt, beispielsweise ein Lagerstein, in einer Werk stückaufuahme drehbar angeordnet, deren Achse etwas gegenüber der optischen Achse des Laserkopfes versetzt ist. Der Stein wird nun während der Bearbeitung gedreht und durch einen geeigneten Nockenschalter oder dergleichen werden in gleichmässigen Abständen Impulse ausgelöst. Die Bohrung entsteht daher gesamthaft durch eine Reihe von axialsymmetrisch einwirkenden Impulsen und es hat sich gezeigt, dass in dieser Weise mittels mehrerer, vorzugsweise etwa 68 Impulsen verhältnismässig geringer Energie, beispielsweise 0,2 Joule, Bohrungen von guter Form und sicherer Reproduzierbarkeit erstellt werden können.

Die bisher beschriebenen Massnahmen genügen, um bei Bearbeitung des Werkstücks unter normalen Bedingungen, d. h. bei Zimmertemperatur und in normaler Atmosphäre, gute Ergebnisse zu erzielen. Es können jedoch bei bestimmten Materialien und unter bestimmten Umständen weitere Massnahmen getroffen werden, um die Resultate zu verbessern. Es ist beispielsweise möglich, insbesondere bei tiefen Bohrungen, mehrere Impulse anzuwenden, und den Brennpunkt aufeinanderfolgender Impulse in Richtung des Bohrungsfortschrittes zu versetzen. Ferner ist es möglich, bei irgendeinem der hier beschriebenen Verfahren und Verfahrensvarianten, die Energie aufeinanderfolgender Impulse zu verändern.

Da die Erzeugung von in kurzer Folge auftretenden Impulsen hoher Energie ohnehin sehr grosse Anforderungen an das Netzgerät stellt, ist es von besonderem Vorteil, einen verhältnismässig schwachen ersten Impuls und eine Reihe nachfolgender, stärkerer Impulse zu verwenden. Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass gerade beim oben beschriebenen Verfahren mit längs einem Kreis wanderndem Brennpunkt aufeinanderfolgender Impulse praktisch ideal runde Bohrungen entstehen, wenn der erste oder die ersten Impulse schwächer sind als die folgenden.

In gewissen Fällen kann es von Vorteil sein, das Werkstück vor der Einwirkung des Laserstrahles zu erhitzen. Eine solche Massnahme kann sich unter anderem dort als wirksam erweisen, wo ein sprödes Material infolge Wärmespannungen im Augenblick der Bearbeitung durch den Laserstrahl zum Springen neigt.

Durch die Vorerwärmung können die thermischen Spannungen im Augenblick des Bohrens herabgesetzt und damit die Zerstörung des Werkstücks verhindert werden.

Unter Umständen können die Werkstücke auch im Vakuum gebohrt werden, was unter anderem eine Verbesserung der Abfuhr der weggeschmolzenen, verdampf ten oder verbrannten Materialien begünstigen kann.

Anderseits kann es erforderlich sein, das Werkstück in einer Gasatmosphäre, beispielsweise in Sauerstoff oder aber in einer inerten Gasatmosphäre zu behandeln.

Versuche haben gezeigt, dass sich das beschriebene Bohrverfahren für alle technisch wesentlichen, schwer bearbeitbaren Materialien, z. B. Hartmetall, Diamant und andere Edelsteine, eignet.

Claims

PATENTANSPRUCH

Verfahren zum Bohren von Werkstücken mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bohren harter Werkstücke, wobei das Werkstück in den Brennpunkt der Laseroptik gebracht und hierauf die Laserstrahlung ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Impulsenergie von 0,1X,8 Joule, einer Impulsdauer von höchstens 100 Crs und einer Lichtwellenlänge von über 1 EL gearbeitet wird.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Impulsenergie von 0,2-0,5 Joule gearbeitet wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserstrahlung mit der Wellenlänge 1,06 Cl mittels eines Yttrium enthaltenden Stabes erzeugt wird.

3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung mittels eines Stabes aus Yttrium-Aluminiulll-Granat(YAG)erzeugtwird.

4. Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung mittels eines Stabes von 65 mm Länge und 6,00 mm Durchmesser erzeugt wird.

5. Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Brennweite von höchstens 25 mm gearbeitet wird.

6. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Impulsdauer von mindestens annähernd 85 /IS gearbeitet wird.

7. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung mittels mehrerer aufeinanderfolgender Laserimpulse erstellt wird.

8. Verfahren nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegenseitige Verstellung von Werkstück und Strahl-Brennpunkt zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen vorgenommen wird.

9. Verfahren nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennpunkt längs eines Kreises um die Bohrungsachse verstellt wird.

10. Verfahren nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennpunkt in Richtung der Bohrungsachse verstellt wird.

l l. Verfahren nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie aufeinanderfolgender Impulse verändert wird.

12. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück erhitzt wird.

13. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück im Vakuum gebohrt wird.

14. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in einer Gasatmosphäre, z. B. in Sauerstoff, gebohrt wird.