DE10054853A1 - Making cleanly-cut fuel injector micro-perforation by circumscribing with laser focus, employs nanosecond-pulsed laser beam - Google Patents
Making cleanly-cut fuel injector micro-perforation by circumscribing with laser focus, employs nanosecond-pulsed laser beamInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Einbringen eines Mikrolochs in ein vorzugsweise metallisches Werkstück mittels eines Laserstrahls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a method of introduction a micro hole in a preferably metallic workpiece by means of a laser beam according to the preamble of Claim 1.
Bei einem bekannten Verfahren zur Erzeugung von Mikrolöchern im Bereich unterhalb 150 µm mittels eines Laserstrahls, z. B. zur Berstellung von Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen (DE 199 05 571 A1) wird durch Einstellung der Strahlgeometrie und/oder der Strahlparameter des Laserstrahls, wie Fokussierzahl und Leistungsdichte, eine definierte Lochgeometrie erzeugt. Dabei wird der Lochdurchmesser am Locheintritt von dem Fokusdurchmesser des auf die Werkstückoberfläche fokussierten Laserstrahls bestimmt und der weitere Lochverlauf sowie der Durchmesser am Lochaustritt durch die Strahlkaustik, die Laserpulsintensität und die Strahlqualität beeinflußt. Zusätzlich wird der Laserstrahl in eine Taumelbewegung versetzt, wobei der Laserstrahl mit der Kreisfrequenz ω so rotiert, daß seine Strahlachse eine Kegelmantelfläche beschreibt und damit der Fokus auf dem Werkstück längs einer zur Lochachse konzentrischen Kreisbahn entlanggeführt wird. Alternativ kann anstelle der Taumelbewegung des Laserstrahls auch das Werkstück um eine Rotationsachse drehen, wobei der Laserstrahl dann unter einem spitzen Winkel zur Rotationsachse des Werkstücks geneigt feststehend ausgerichtet ist. Zur Erzielung eines zum Lochaustritt hin sich konisch erweiternden Lochquerschnitts werden Fokusdurchmesser und Leistungsdichte des Laserstrahls entsprechend gewählt, wobei sich durch die Aufweitung des Laserstrahls hinter dem Fokus und durch genügend hohe Leistungsdichte des Laserstrahls das Konusprofil beeinflussen läßt.In a known method for producing microholes in the area below 150 µm by means of a laser beam, e.g. B. for the production of injection nozzles for internal combustion engines (DE 199 05 571 A1) by setting the beam geometry and / or the beam parameters of the laser beam, such as Focus number and power density, a defined one Hole geometry generated. The hole diameter on Hole entry from the focus diameter of the Determined workpiece surface of focused laser beam and the further course of the hole and the diameter at the hole exit due to the beam caustic, the laser pulse intensity and the Beam quality affected. In addition, the laser beam is in a wobble movement, the laser beam with the Angular frequency ω rotates so that its beam axis a Cone surface describes and thus the focus on the Workpiece along a circular path concentric to the hole axis is guided along. Alternatively, instead of The laser beam also wobbles the workpiece by one Rotate the axis of rotation, the laser beam then under one acute angle to the axis of rotation of the workpiece is fixedly aligned. To achieve a Hole exit towards conically widening hole cross section become focus diameter and power density of the laser beam chosen accordingly, with the expansion of the Laser beam behind the focus and through enough high Power density of the laser beam affect the cone profile leaves.
Bei einem solchen sog. Laserbohrverfahren wird an der Auftreffstelle des Lasers auf dem Werkstück das Material durch Verflüssigung und Verdampfung abgetragen. Dabei entstehen aufgrund der thermischen Einwirkung auf das Werkstückmaterial Schmelzaufwürfe und -grate, die die Lochqualität erheblich beeinträchtigen und zu ihrer Beseitigung aufwendige und teure Nachverarbeitungsverfahren erfordern.In such a so-called laser drilling process, the The point of impact of the laser on the workpiece is the material removed by liquefaction and evaporation. there arise due to the thermal effect on the Workpiece material Melt deposits and burrs that affect the Significantly affect hole quality and to their Elimination of complex and expensive post-processing processes require.
Es ist bereits eine Vorrichtung zum Materialabtragen bei Werkstücken mittels Laserstrahl vorgeschlagen worden, (DE 199 20 813) bei der zur Verbesserung der Bohrqualität der auf das Werkstück auftreffende Laserstrahl aus mindestens zwei Arten von Laserpulsen zusammengesetzt ist, die sich hinsichtlich der Laserwellenlänge und/oder der Pulsdauer und/oder der Laserintensität und/oder des Pulsabstandes unterscheiden. Durch die Laserpulse längerer Pulsdauer wird selbst bei geringer Laserintensität ein großer Materialabtrag und damit ein schneller Bohrfortschritt bewirkt, während die Laserpulse mit kurzer Pulsdauer, insbesondere bei hoher Laserintensität, für eine starke Plasmabildung sorgen, die Ablagerungen von Material auf der Bohrungswand beseitigt, so daß sich die Bohrpräzision erhöht. Dabei treffen die Laserpulse unterschiedlichen Typs wechselweise auf das Werkstück. Die beiden Arten von Laserpulsen können mit einem oder mit zwei getrennten Lasern erzeugt werden, wobei die Laserstrahlen mittels einer Optikanordnung zusammengeführt werden. Im letzteren Fall können die beiden getrennten Laseranordnungen hinsichtlich ihrer Wirkungsweise optimiert, d. h. der eine Laser zur Erzielung einer großen Bohrgeschwindigkeit und der andere Laser zur Erzeugung einer hohen Bohrpräzision ausgelegt, werden.There is already a material removal device at Workpieces have been proposed using a laser beam, (DE 199 20 813) in order to improve the drilling quality the laser beam hitting the workpiece from at least is composed of two types of laser pulses, which are with regard to the laser wavelength and / or the pulse duration and / or the laser intensity and / or the pulse interval differ. Due to the laser pulses longer pulse duration large material removal even with low laser intensity and thus a quick drilling progress while the Laser pulses with a short pulse duration, especially with high ones Laser intensity, ensure strong plasma formation, the Deposits of material on the bore wall are removed, see above that the drilling precision increases. The meet Laser pulses of different types alternately on the Workpiece. The two types of laser pulses can be used with one or generated with two separate lasers, the Laser beams brought together by means of an optical arrangement become. In the latter case, the two can be separated Laser arrangements optimized in terms of their mode of action, d. H. the one laser to achieve a big one Drilling speed and the other laser to generate a high drilling precision.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß der Laserstrahl ausschließlich aus Laserpulsen sehr kurzer Pulsdauer, vorzugsweise kleiner als 100 ns, besteht und dadurch die beim Laserbohren sich am Loch ausbildende Schmelzfilmdicke kleiner wird, womit die Bohrqualität ansteigt. Da mit kürzer werdender Pulsdauer auch die Pulsenergie sinkt, wird eine Vielzahl von Pulsen benötigt, um eine gewünschte Lochtiefe zu erzeugen. Um die Bohrgeschwindigkeit zu erhöhen wird daher fortlaufend der Fokus des Laserstrahls auf einer zur Bohrungsachse konzentrischen Kreisbahn entlanggeführt, wobei das Werkstückmaterial in kleinen Schritten und im wesentlichen in der dampfförmigen Phase abgetragen wird. Der Bohrfortschritt erfolgt dabei wendel- oder schraubenlinienförmig entlang der Wandung des zu erzeugenden Lochs, wobei der Lochdurchmesser von dem gewählten Radius der Kreisbahn abhängig ist.The inventive method has the advantage that Laser beam exclusively from very short laser pulses Pulse duration, preferably less than 100 ns, and This means that the hole is formed during laser drilling Melt film thickness becomes smaller, with which the drilling quality increases. As the pulse duration gets shorter, so does the Pulse energy drops, a variety of pulses are needed to to create a desired hole depth. To the Therefore, increasing the drilling speed is ongoing Focus of the laser beam on one to the bore axis guided along a concentric circular path, the Workpiece material in small steps and essentially in the vapor phase is removed. The drilling progress takes place helically or helically along the Wall of the hole to be created, the hole diameter depends on the selected radius of the circular path.
Durch die in den weiteren Ansprüchen 2-8 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.By those listed in the further claims 2-8 Measures are advantageous training and Improvements of the method specified in claim 1 possible.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird beim Laserbohren zusätzlich der Laserstrahl in Rotation um seine Strahlachse versetzt. Hierdurch wird ein ggf. ungleichmäßiger oder unrunder Laserstrahlquerschnitt im Fokus kompensiert und kann sich nicht auf die Rundheit des Lochs auswirken. Die in das Werkstück eingebrachten Löcher zeichnen sich durch eine sehr hohe Präzision bezüglich ihrer Rundheit aus.According to a preferred embodiment of the invention when laser drilling, the laser beam also turns into rotation its beam axis is offset. As a result, a focus on irregular or non-round laser beam cross-section compensates and cannot affect the roundness of the hole impact. Draw the holes made in the workpiece very high precision with regard to their roundness out.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das zu erzeugenden Loch mit einer definierten Konizität hergestellt werden, wenn die Lage des Fokus des Laserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche in Achsrichtung des Lochs verändert und/oder die Fokussierzahl verändert wird und/oder mit zunehmender Eindringtiefe des Laserstrahls in das Werkstück die Pulsenergie erhöht wird. Durch Variation der Pulsenergie lassen sich sowohl zylindrische Löcher als auch solche mit negativer oder positiver Konizität gezielt herstellen. Die Fokuslage ist als Position des Laserfokus gegenüber der Oberfläche des Werkstücks definiert. Mit ihr wird die Lage der Strahlkaustik bezüglich des Werkstücks bestimmt. Durch Ausnutzung der Strahlkaustik kann die Aufweitung des Lochs am Lochaustritt beeinflußt werden. Eine wesentliche Rolle bei der Beeinflussung der Konizität spielt die Fokussierzahl, die definiert ist als Quotient aus der Brennweite der Linse zur Fokussierung des Laserstrahls und dem Strahldurchmesser auf der Linse. Diese Fokussierzahl legt den Verlauf der Strahlkaustik fest. Je kleiner die Fokussierzahl ist, desto kleiner ist der Fokusdurchmesser und desto stärker ist die nach dem Fokus sich anschließende Aufweitung des Laserstrahls. Damit läßt sich für eine vorgegebene Lochtiefe durch Verkleinerung der Fokussierzahl das Loch zum Lochaustritt hin besser aufweiten.According to an advantageous embodiment of the invention the hole to be created with a defined taper be made when the location of the focus of the laser beam relative to the workpiece surface in the axial direction of the hole changed and / or the focusing number is changed and / or with increasing depth of penetration of the laser beam into the Workpiece the pulse energy is increased. By varying the Pulse energy can be both cylindrical holes as well targeted those with negative or positive taper produce. The focus position is the position of the laser focus defined against the surface of the workpiece. With her the position of the beam caustic with respect to the workpiece certainly. By using the beam caustic, the Widening of the hole at the hole outlet can be influenced. A plays an important role in influencing the taper the focusing number, which is defined as the quotient of the Focal length of the lens for focusing the laser beam and the beam diameter on the lens. This focus number sets the course of the beam caustic. The smaller the Focus number, the smaller the focus diameter and the stronger the one that follows after the focus Expansion of the laser beam. It can be used for a predefined hole depth by reducing the focus number widen the hole towards the hole exit better.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 9 angegeben.A device for performing the invention The method is specified in claim 9.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung weist diese ein Werkstückhalterung mit fünf Freiheitsgraden zur Werkstückpositionierung bezüglich des Laserstrahls auf. Damit läßt sich das Werkstück exakt positionieren, so daß Mikrolöcher unter beliebigen Einstechwinkeln in das Werkstück eingebracht werden können. Durch eine gezielte Kippung des Werkstücks gegenüber dem einfallenden Laserstrahl mit gleichzeitiger Rotation des Werkstücks um die Lochachse läßt sich auch die Konizität des Mikrolochs beeinflussen. According to an advantageous embodiment of this device this has a workpiece holder with five degrees of freedom for workpiece positioning with respect to the laser beam. This allows the workpiece to be positioned exactly so that Micro holes in the workpiece at any insertion angle can be introduced. By deliberately tilting the Workpiece against the incident laser beam simultaneous rotation of the workpiece around the hole axis also affect the taper of the microhole.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:The invention is based on one shown in the drawing Exemplary embodiment in the following description explained. In a schematic representation:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Einbringen eines Mikrolochs in ein Werkstück mittels eines Laserstrahls, Fig. 1 shows a device for introducing a micro hole in a workpiece by a laser beam,
Fig. 2 eine Draufsicht des Strahlquerschnitts im Fokus des auf die Werkstückoberfläche fokussierten Laserstrahls, vergrößert dargestellt, Fig. 2 is a plan view of the beam cross section in the focus of the focused laser beam on the workpiece surface, enlarged,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Wendelbewegung des Strahlflecks über die zunehmende Lochtiefe, Fig. 3 is a perspective view of the helical movement of the beam spot on the increasing hole depth,
Fig. 4 drei unterschiedliche Fokuslagen des Laserstrahls bezüglich der Werkstückoberfläche, Fig. 4 shows three different focal positions of the laser beam with respect to the workpiece surface,
Die in Fig. 1 schematisch skizzierte Vorrichtung zum Einbringen eines Mikrolochs in der Größenordnung von kleiner 150 µm in ein Werkstück 10 weist einen Lasergenerator 11, eine Aufweitungsoptik 12, eine Trepanieroptik 13 und eine 1 Fokussiereinheit 14 auf, die vorzugsweise alle in einem Gehäuse 15 zusammengefaßt sind, aus dessen Gehäusekopf 151 die Laserstrahlung austritt. Das vorzugsweise metallische Werkstück 10 ist in einer dem Gehäusekopf 151 gegenüberliegenden Werkstückhalterung 16 eingespannt, die fünf translatorische und rotatorische Freiheitsgrade aufweist. Die Werkstückhalterung 16 besteht aus einem das Werkstück 10 unmittelbar aufnehmenden Haltekopf 17 und einem Stellaggregat 18 für den Haltekopf 17. Die Istlage des Haltekopfes 17, und damit des Werkstücks 10, wird mittels eines Istwertgebers 19 erfaßt und als Istwertsignal an einen Rechner 20 gegeben. Mittels einer Sollwerteingabe 21 läßt sich der Rechner 20 derart programmieren, daß er über das Stellaggregat 18 den Haltekopf 17 in eine vorgegebene Position bzw. nacheinander in verschiedene vorgegebene Positionen einstellt.The device schematically outlined in FIG. 1 for introducing a microhole in the order of magnitude of less than 150 μm into a workpiece 10 has a laser generator 11 , an expansion lens 12 , a trepanning lens 13 and a focusing unit 14 , all of which are preferably combined in one housing 15 are, from whose housing head 151 the laser radiation emerges. The preferably metallic workpiece 10 is clamped in a workpiece holder 16 opposite the housing head 151 , which has five translational and rotational degrees of freedom. The workpiece holder 16 consists of a holding head 17 which directly receives the workpiece 10 and an actuating unit 18 for the holding head 17 . The actual position of the holding head 17 , and thus of the workpiece 10 , is detected by means of an actual value transmitter 19 and sent to a computer 20 as an actual value signal. Using a setpoint input 21 , the computer 20 can be programmed in such a way that it sets the holding head 17 into a predetermined position or successively into different predetermined positions via the actuating unit 18 .
Der Lasergenerator 11, der beispielsweise ein Festkörperlaser mit einem Resonator sein kann, wie er in der DE 199 20 813 beschrieben ist, erzeugt einen aus einer Vielzahl von kurzen Laserpulsen zusammengesetzten Laserstrahl 22, der in Fig. 1 strichliniert angedeutet ist. Die Laserpulse haben eine extrem kurze Pulsdauer von kleiner 100 ns und eine Pulsenergie von 1 mJ bis 7 mJ. Die Laserpulse weisen eine Laserwellenlänge auf, die im nahen Infrarot oder Ultraviolett oder im sichtbaren grünen Bereich liegt. Der Laserstrahl 22 wird mit Hilfe der dem Lasergenerator 11 im Laserstrahlengang nachgeordneten Aufweitungsoptils 12 aufgeweitet und mit der der Trepanieroptik 13 nachgeordneten Fokussiereinheit 14 auf das Werkstück 10 fokussiert. Als Aufweitungsoptik 12 kann eine teleskopartige Linsenanordnung verwendet werden, die den Querschnitt des Laserstrahls 22 aufweitet. Durch die Aufweitung des Laserstrahls 22 und die anschließende Fokussierung ist die Energiedichte im Fokus so hoch, daß mit dem fokussierten Laserpulsen Material am Werkstück abgetragen werden kann. Die Trepanieroptik 13, die beispielsweise aus zwei gegeneinander verdrehbaren Keilplatten bestehen kann, neigt den aufgeweiteten Laserstrahl 22 um einen kleinen spitzen Winkel zu ihrer Optikachse und versetzt den geneigten Laserstrahl 22 in Rotation, wodurch der Fokus 23 (Fig. 2) des Laserstrahls 22 auf der Oberfläche 101 des Werkstücks 10 fortlaufend entlang einer zur Achse 24 des einzubringenden Lochs konzentrischen Kreisbahn 25 bewegt wird (Fig. 2). Der erzielbare Lochdurchmesser hängt dabei von dem Radius rk der Kreisbahn 25 ab. Er ist größer als der Durchmesser der Kreisbahn 25 und nimmt bei einem Kreisbahnradius rk = 0 den Durchmesser an, der einem Lochdurchmesser ähnlich einer Perkussionsbohrung mit dem Strahlquerschnitt 2rf entspricht. Die Trepanieroptik 13 wird von dem Rechner 20 gesteuert, und durch eine zweite Sollwerteingabe 26 kann der Anstellwinkel des Laserstrahls 22 verändert und damit der gewünschte Trepanierdurchmesser 2rk vorgegeben werden. Der Lochdurchmesser ergibt sich dann näherungsweise aus der Summe des Trepanierdurchmessers 2rk und des Lochdurchmessers bei rk = 0. Zur Verkürzung der Baulänge des Gehäuses 15 ist zwischen der Trepanieroptik 13 und der Fokussiereinheit 14 ein Umlenkspiegel 27 angeordnet, der den Laserstrahl um 90° umlenkt.The laser generator 11 , which can be, for example, a solid-state laser with a resonator, as described in DE 199 20 813, generates a laser beam 22 composed of a large number of short laser pulses, which is indicated by dashed lines in FIG. 1. The laser pulses have an extremely short pulse duration of less than 100 ns and a pulse energy of 1 mJ to 7 mJ. The laser pulses have a laser wavelength that is in the near infrared or ultraviolet or in the visible green range. The laser beam 22 is expanded with the aid of the expansion optics 12 arranged downstream of the laser generator 11 and focused onto the workpiece 10 with the focusing unit 14 arranged after the trepanning optics 13 . A telescopic lens arrangement can be used as the expansion optics 12 , which widens the cross section of the laser beam 22 . Due to the expansion of the laser beam 22 and the subsequent focusing, the energy density in the focus is so high that material can be removed from the workpiece with the focused laser pulses. The trepanning optics 13 , which can consist, for example, of two wedge plates that can be rotated relative to one another, inclines the expanded laser beam 22 by a small acute angle to its optic axis and sets the inclined laser beam 22 in rotation, as a result of which the focus 23 ( FIG. 2) of the laser beam 22 on the Surface 101 of workpiece 10 is moved continuously along a circular path 25 concentric to axis 24 of the hole to be made ( FIG. 2). The achievable hole diameter depends on the radius r k of the circular path 25 . It is larger than the diameter of the circular path 25 and assumes a diameter with a circular path radius r k = 0, which corresponds to a hole diameter similar to a percussion hole with the beam cross section 2 r f . The trepanning optics 13 is controlled by the computer 20 , and the angle of incidence of the laser beam 22 can be changed by means of a second setpoint input 26 and the desired trepanning diameter 2 r k can thus be predetermined. The hole diameter then results approximately from the sum of the trepanning diameter 2 r k and the hole diameter at r k = 0. To shorten the overall length of the housing 15 , a deflection mirror 27 is arranged between the trepanning optics 13 and the focusing unit 14, which deflects the laser beam by 90 ° deflects.
Mit der beschriebenen Vorrichtung wird ein Mikroloch in das Werkstück 10 dadurch eingebracht, daß der aus den kurzen Laserpulsen bestehende Laserstrahl 22 auf die Oberfläche 101 des Werkstücks 10 fokussiert wird und der Fokus 23 des Laserstrahls 22, d. h. der Strahlquerschnitt des Laserstrahls 22 im Fokuspunkt, durch die Trepanieroptik 13 auf der Kreisbahn 25 entlangbewegt wird, deren Mittelpunkt die Lochachse 24 des zu erzeugenden Lochs festlegt (Fig. 2). Bei einer Werkstückdicke von bis zu 2 mm werden für die vollständige Durchbohrung des Werkstücks 10 mehrere tausend Laserpulse benötigt. Durch die kreisförmige Bewegung des Fokus 23 des Laserstrahls 22 entlang der durch die Neigung des Laserstrahls 22 vorgegeben Kreisbahn 25 wird das Werkstückmaterial in kleinen Schritten und im wesentlichen in der dampfförmigen Phase abgetragen, wobei der Bohrfortschritt entlang der Wandung des zu erzeugenden Lochs erfolgt. Der dabei entstehende wendelförmige Bohrfortschritt durch den auf einer wendel- oder spiralförmigen Bahn sich bewegenden Strahlquerschnitt oder Strahlfleck, der auf der Oberfläche des Werkstücks 10 im Fokus 23 liegt, ist in Fig. 3 skizziert. Die Rundheit des erzeugten Lochs wird dadurch verbessert, daß der Laserstrahl 22 noch zusätzlich um seine Strahlachse rotiert, so daß Unrundheiten des Strahlquerschnitts im Fokus 23 in ihrem Einfluß auf die Rundheit des zu erzeugenden Lochs kompensiert werden.With the device described, a micro-hole is made in the workpiece 10 in that the laser beam 22 consisting of the short laser pulses is focused on the surface 101 of the workpiece 10 and the focus 23 of the laser beam 22 , ie the beam cross section of the laser beam 22 at the focal point, through the trepanning optics 13 are moved along the circular path 25 , the center of which defines the hole axis 24 of the hole to be produced ( FIG. 2). With a workpiece thickness of up to 2 mm, several thousand laser pulses are required to completely drill through the workpiece 10 . The circular movement of the focus 23 of the laser beam 22 along the circular path 25 predetermined by the inclination of the laser beam 22 removes the workpiece material in small steps and essentially in the vapor phase, the drilling progress taking place along the wall of the hole to be produced. The resulting helical drilling progress due to the beam cross-section or beam spot moving on a helical or spiral path, which lies on the surface of the workpiece 10 in focus 23 , is outlined in FIG. 3. The roundness of the hole produced is improved in that the laser beam 22 additionally rotates about its beam axis, so that out-of-roundness of the beam cross section in focus 23 is compensated for in its influence on the roundness of the hole to be produced.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Durchmesser des erzeugten Lochs größer als der Durchmesser der festgelegten Kreisbahn 25 und ergibt sich näherungsweise aus der Summe des Kreisbahn- oder Trepanierdurchmessers 2rk und des Lochdurchmessers bei rk = 0. Der Trepanierradius kann beliebig gewählt werden. Im Falle des Trepanierradius rk = 0 wird der Bohrfortschritt durch Perkussieren erzielt, und der Durchmesser des erzeugten Lochs nimmt einen Durchmesser an, der einem Lochdurchmesser ähnlich einer Perkussionsbohrung mit dem Strahlquerschnitt 2rf entspricht. Durch entsprechende Ausrichtung des im Haltekopf 17 eingespannten Werkstücks 10 kann das gewünschte Loch unter beliebigen Einstechwinkeln in das Werkstück 10 eingebracht werden.As can be seen from FIG. 2, the diameter of the hole produced is larger than the diameter of the defined circular path 25 and results approximately from the sum of the circular path or trepanning diameter 2 r k and the hole diameter at r k = 0. The trepanning radius can be arbitrary to get voted. In the case of the trepanning radius r k = 0, the drilling progress is achieved by percussing, and the diameter of the hole produced assumes a diameter that corresponds to a hole diameter similar to a percussion hole with the beam cross section 2 r f . By appropriate alignment of the workpiece 10 clamped in the holding head 17 , the desired hole can be made in the workpiece 10 at any insertion angle.
Durch geeignete Beeinflussung der Strahlparameter des Kurzpulslasers lassen sich auch definiert konische Mikrolöcher in das Werkstück 10 einbringen. Dabei bestimmt die Fokuslage, das ist die Position des Fokus 23 gegenüber der Oberfläche 101 des Werkstücks 10, die Strahlausbreitung im Werkstück 10. Da der fokussierte Laserstrahl 22 sich nach dem Fokus 23 aufweitet, kann durch eine Verschiebung der Fokuslage die Konizität des erzeugten Lochs verändert werden. In Fig. 4 ist dies für eine Werkstückdicke von ca. 2 mm angedeutet. Fig. 4B zeigt dabei die Fokuslage Null, bei welcher der Fokus 23 auf der Oberfläche 101 des Werkstücks 10 liegt. Das Mikroloch hat einen im wesentlichen zylindrischen Verlauf mit geringer Lochaufweitung zum Lochaustritt hin. In Fig. 4A ist eine negative Fokuslage gezeigt, bei welcher der Fokus 23 am Lochaustritt liegt. Dadurch wird eine sog. negative Konizität erzeugt, bei welcher der Lochquerschnitt vom Locheintritt zum Lochaustritt hin abnimmt. In Fig. 4C ist eine positive Fokuslage dargestellt, bei welcher der Fokus 23 oberhalb der Oberfläche des Werkstücks 10 liegt. Eine solche Fokuslage hat eine positive Konizität des Mikrolochs zur Folge, bei welcher der Lochquerschnitt sich vom Locheintritt zum Lochaustritt hin stark vergrößert.By suitably influencing the beam parameters of the short pulse laser, it is also possible to introduce defined conical microholes in the workpiece 10 . The focus position, that is the position of the focus 23 relative to the surface 101 of the workpiece 10 , determines the beam spread in the workpiece 10 . Since the focused laser beam 22 widens after the focus 23 , the conicity of the hole produced can be changed by shifting the focus position. This is indicated in FIG. 4 for a workpiece thickness of approximately 2 mm. FIG. 4B shows the focal position zero, at which the focus 23 is located on the surface 101 of the workpiece 10. The micro-hole has an essentially cylindrical course with little hole expansion towards the hole exit. A negative focus position is shown in FIG. 4A, in which the focus 23 lies at the hole exit. This creates a so-called negative taper, in which the hole cross-section decreases from the hole entry to the hole exit. A positive focus position is shown in FIG. 4C, in which the focus 23 lies above the surface of the workpiece 10 . Such a focus position results in a positive taper of the micro-hole, in which the hole cross-section increases greatly from the hole entry to the hole exit.
Für die Aufweitung des Lochs zum Lochaustritt hin ist die Laserpulsenergie entscheidend. Je mehr Energie zur Verfügung steht, desto stärker kann das Loch aufgeweitet werden. Durch gezielte Einstellung der Pulsenergie über den Bohrfortschritt kann somit eine definierte Konizität erreicht werden.For widening the hole towards the hole exit is the Laser pulse energy is crucial. The more energy available stands, the more the hole can be widened. By targeted adjustment of the pulse energy based on the drilling progress a defined conicity can be achieved.
Eine weitere Beeinflussung der Konizität des zu erzeugenden Mikrolochs ist über die sog. Fokussier- oder F-Zahl möglich. Die Fokussierzahl ist als Quotient aus der Brennweite der Fokussiereinheit 14 und dem Strahldurchmesser auf der Fokussiereinheit 14 definiert, der über die Aufweitungsoptik 12 beeinflußt werden kann. Diese Fokussierzahl legt bei gegebener Strahlqualität und Wellenlänge die Strahlkaustik des Laserstrahls 22 fest. Je kleiner die Fokussierzahl ist, desto größer ist die Aufweitung des Laserstrahls 22 nach dem Fokus 23. Bei ausreichender Energie der Laserpulse läßt sich dadurch die Konizität des Lochs verstärken, und zwar nimmt mit kleiner werdender Fokussierzahl und ausreichender Energie der Laserpulse die Aufweitung des Lochs zum Lochaustritt hin zu.A further influence on the taper of the microhole to be produced is possible via the so-called focusing or F number. The focusing number is defined as the quotient of the focal length of the focusing unit 14 and the beam diameter on the focusing unit 14 , which can be influenced via the expansion optics 12 . For a given beam quality and wavelength, this focusing number defines the beam caustic of the laser beam 22 . The smaller the focusing number, the greater the widening of the laser beam 22 after the focus 23 . If the energy of the laser pulses is sufficient, the conicity of the hole can thereby be increased, and indeed the widening of the hole towards the hole exit increases with a decreasing number of focussing and sufficient energy of the laser pulses.
Die Steuerung der Energiedichte der Laserpulse über den Bohrfortschritt sowie die Beeinflussung der Fokussierzahl über die Aufweitungsoptik 12 erfolgt über den Rechner 20, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist, durch entsprechende Sollwertvorgaben.The control of the energy density of the laser pulses via the drilling progress and the influencing of the focusing number via the expansion optics 12 takes place via the computer 20 , as indicated in FIG. 1, by means of corresponding setpoint values.
Die Erfindung ist nicht auf das Vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann die Entlangbewegung des Fokus 23 des Laserstrahls 22 längs der Kreisbahn 25 auch mit einem feststehenden, gegenüber der Optikachse der Trepanieroptik 13 um einen kleinen spitzen Winkel angestellten Laserstrahl 22 aus der Vielzahl von Laserpulsen und einer Rotation des Haltekopfs 17 der Werkstückhalterung 16 um seine Achse erreicht werden. Der mechanische Aufwand ist allerdings ungleich größer als durch eine von der Trepanieroptik 13 erzeugte Taumelbewegung des Laserstrahls 22.The invention is not restricted to the exemplary embodiment described above. Thus, along movement of the focus 23 of the laser beam 22 along the circular path 25 with a stationary with respect to the optical axis of the trepanning 13 by a small acute angle employed laser beam 22 from the plurality of laser pulses and rotation of the holding head 17 of the workpiece holder 16 about its axis can be achieved. However, the mechanical outlay is far greater than that of a wobbling movement of the laser beam 22 generated by the trepanning optics 13 .
Des weiteren kann über ein definiertes Kippen des das Werkstück 10 haltenden Haltekopfs 17 gegenüber dem Laserstrahl 22 bei gleichzeitiger Rotation des Werkstücks 10 um die Lochachse 24 eine negative oder positive Konizität des zu erzeugenden Lochs beeinflußt werden.Furthermore, a negative or positive taper of the hole to be produced can be influenced by a defined tilting of the holding head 17 holding the workpiece 10 relative to the laser beam 22 while simultaneously rotating the workpiece 10 about the hole axis 24 .
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