DE102004050047A1 - Method and device for producing holes by means of laser - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Erzeugen einer Bohrung (3) in einem Werkstück (1) wird ein Ultrakurzpuls-Laser (10) eingesetzt, der Laserpulse mit einer sehr kurzen Pulsdauer aussenden kann. Zuerst wird eine Vorbohrung (5) im Werkstück (1) erzeugt, wobei die Vorbohrung (5) eine Wandung aufweist und geringere Abmessungen aufweist als die gewünschte Endform der Bohrung (3). Danach wird weiteres Material im Bereich der Wandung der Vorbohrung (5) mit dem Ultrakurzpuls-Laser (10) abgetragen, bis die gewünschte Form der Bohrung (3) erreicht ist. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird der Ultrakurzpuls-Laserstrahl (100) so von einer optischen Umlenkvorrichtung (20) abgelenkt, dass dadurch die Wandung der Vorbohrung (5) bearbeitet werden kann (Fig. 1).In a method for producing a bore (3) in a workpiece (1), an ultrashort pulse laser (10) is used, which can emit laser pulses with a very short pulse duration. First, a pilot hole (5) in the workpiece (1) is produced, wherein the pilot hole (5) has a wall and has smaller dimensions than the desired final shape of the bore (3). Thereafter, further material in the area of the wall of the pilot hole (5) with the ultra-short pulse laser (10) is removed until the desired shape of the bore (3) is reached. With an apparatus according to the invention for carrying out the method, the ultrashort pulse laser beam (100) is deflected by an optical deflection device (20) such that the wall of the pilot bore (5) can be processed (FIG. 1).

Description

Die Erfindung geht von einem Verfahren aus, wie es in der Schrift WO 00/67945 bekannt ist. Bei dem bekannten Verfahren werden gepulste Laser eingesetzt, um Material von einem Werkstück abzutragen. Hierbei können flächenmäßige Abtragungen vorgenommen werden oder auch Ausnehmungen und Bohrungen gefertigt werden. Die Verwendung von gepulsten Lasern ist hierbei von Vorteil, weil ein Dauerbetrieb des Lasers zu einer dauernden Verdampfung von Material des Werkstücks führt. Der Laserstrahl wird dann durch diese Dampf- und Plasmawolke geschwächt, was die Bohrungspräzision und die Bohrungsgeschwindigkeit negativ beeinflusst.The The invention is based on a method as described in document WO 00/67945 is known. In the known method are pulsed Laser used to remove material from a workpiece. This can be done areal removal be made or recesses and holes. The Use of pulsed lasers is advantageous because continuous operation the laser leads to a permanent evaporation of material of the workpiece. Of the Laser beam is then weakened by this vapor and plasma cloud, which the bore precision and negatively affects the rate of drilling.

Es ist weiter bekannt, extrem kurze Laserpulse zu verwenden, was folgenden Vorteil aufweist: durch die hohe Energiedichte und die kurze Pulsdauer verdampft das Material des Werkstücks augenblicklich und wird durch die thermische Ausdehnung des verdampften Materials weggeschleudert. Dadurch kann sich das umliegende Material nicht erwärmen und es entsteht keine Schmelze, wie sie sonst insbesondere bei metallischen Werkstücken auftritt. Damit lassen sich sehr präzise Materialabtragungen durchführen bis in den Mikrometer-Bereich. Der Nachteil dieser Methode ist, dass sie relativ langsam ist, da große Energiedichten nötig sind und ein sehr kurzer Laserpuls nur wenig Energie beinhaltet. Die lange Prozessdauer führt jedoch dazu, dass diese Methode in der Praxis relativ teuer ist und sich nur bedingt für eine Massenfertigung von Produkten eignet.It It is also known to use extremely short laser pulses, the following Benefit: by the high energy density and the short pulse duration the material of the workpiece evaporates instantly and becomes thrown by the thermal expansion of the evaporated material. As a result, the surrounding material can not heat up and There is no melt, as they are otherwise especially in metallic workpieces occurs. This makes it possible to carry out very precise material removal until in the micrometer range. The disadvantage of this method is that she is relatively slow, because big Energy densities needed and a very short laser pulse involves little energy. The long process leads However, this method is relatively expensive in practice and only conditionally for a mass production of products is suitable.

Um die Prozessdauer zu verkürzen kann die Pulslänge vergrößert werden, um mehr Energie in einem Laserpuls zur Verfügung zu haben. Hierdurch erhöht sich der Materialabtrag und die Prozesszeit sinkt, jedoch wird die Präzision schlechter, da jetzt zunehmend thermische Veränderungen in der Umgebung des Laser-Auftreffpunkts stattfinden und Schmelze entsteht. Dies führt gerade bei sehr kleinen Bohrungen und Ausnehmungen zu ungenauen Abmessungen, die außerhalb der Toleranzen liegen. So ist es beispielsweise bei der Fertigung von Einspritzöffnungen in Diesel-Einspritzventilen nötig, mehrere Bohrungen mit einem Durchmesser von zum Teil unter 100 μm und einer Länge von etwa 1000 μm herzustellen, wobei eine sehr geringe Toleranz von weniger als 1 μm einzuhalten ist. Solche Bohrungen sind mit den bekannten Verfahren nicht mit der notwendigen Präzision und in der für die wirtschaftliche Herstellung notwenig kurzen Zeit herstellbar.Around shorten the process time can the pulse length to be enlarged to have more energy available in a laser pulse. This increases the material removal and the process time decrease, but the precision gets worse, As now increasingly thermal changes in the environment of Laser impingement take place and melt arises. This leads just in case of very small holes and recesses to inaccurate dimensions, the outside the tolerances are. This is the case with manufacturing, for example injection ports needed in diesel injectors, several holes with a diameter of sometimes less than 100 microns and a length of about 1000 microns to maintain a very low tolerance of less than 1 micron is. Such holes are not with the known methods the necessary precision and in the for the economic production necessary short time to produce.

Das aus der WO 00/67945 bekannte Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass kurze und lange Laserpulse gleichzeitig oder wiederholt nacheinander eingesetzt werden sollen. Durch das wiederholte Einsetzen von langen und kurzen Laserpulsen besteht jedoch die Gefahr, dass durch die langen Laserpulse Material an den Stellen abgetragen oder aufgeschmolzen wird, die bereits von den kurzen Laserpulsen bearbeitet worden sind. Dies beeinträchtigt die erreichbare Präzision der Bohrung bzw. der Materialabtragung.The However, WO 00/67945 known method has the disadvantage on that short and long laser pulses simultaneously or repeatedly should be used consecutively. By repeated insertion However, there is a risk of long and short laser pulses Material removed or melted at the points by the long laser pulses which have already been processed by the short laser pulses. This affects the achievable precision the drilling or material removal.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf dass sich in kurzer Zeit sehr präzise Bohrungen in Werkstücke einbringen lassen. Hierzu wird eine Vorbohrung in das Werkstück eingebracht, wobei die Vorbohrung geringere Abmessungen aufweist als die gewünschte Endform der Bohrung. Anschließend wird mit einem Ultrakurzpuls-Laser die Wandung der Vorbohrung erweitert und präzise bearbeitet, bis die gewünschte Bohrungsform hergestellt ist. Da die Vorbohrung mit einem beliebigen Verfahren eingebracht werden kann, können schnelle Verfahren mit geringer Präzision gewählt werden. Die Vorbohrung kann hierbei entweder ebenfalls mittels eines Lasers oder auch mit anderen Verfahren eingebracht werden.The inventive method with the features of claim 1, in contrast, the The advantage is that very precise holes can be made in workpieces in a short time to let. For this purpose, a pilot hole is introduced into the workpiece, wherein the pilot hole has smaller dimensions than the desired final shape the bore. Subsequently comes with an ultrashort pulse laser The wall of the pilot hole expands and precisely machined until the desired bore shape is made. Because the pilot hole with any method can be introduced fast methods with low precision are chosen. The pilot hole can either also by means of a laser or with other methods are introduced.

Gemäß den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Vorbohrung mit Hilfe eines Langpuls-Lasers erzeugt, der deutlich längere und damit energiereichere Laserpulse aussendet als der Ultrakurzpuls-Laser. Hiermit ist es möglich, mit einem einzelnen Puls oder auch mit einigen wenigen, hintereinander ausgeführten Pulsen die Vorbohrung herzustellen.According to the dependent claims are advantageous Embodiments of the subject invention possible. In an advantageous Design is the pre-drilling with the help of a long-pulse laser generated, the significantly longer and thus emits more energetic laser pulses than the ultrashort pulse laser. This makes it possible with a single pulse or even with a few at a time executed Pulses to produce the pilot hole.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Strahl des Ultrakurzpuls-Lasers durch eine optische Ablenkvorrichtung so ablenkbar, dass die Wandung der Vorbohrung gezielt bearbeitet werden kann. Dadurch ist eine Bearbeitung der Vorbohrung möglich, ohne dass der Laser selbst oder das Werkstück bewegt werden müssen, was mit der nötigen Präzision nicht oder nur schwer möglich wäre. Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft, wenn der Laserstrahl durch die optische Vorrichtung entweder parallel versetzt wird oder um einen festen Punkt taumelt. Dadurch lassen sich verschiedene Geometrien der Bohrung herstellen, auch solche, die einen Hinterschnitt oder einen nicht konstanten Querschnitt beinhalten.In In a further advantageous embodiment, the beam of the ultra-short pulse laser by an optical Deflection device so distractable that the wall of the pilot hole can be targeted. This is a processing of Pre-drilling possible, without having to move the laser itself or the workpiece, which not with the necessary precision or only with difficulty would. Especially it is advantageous in this case if the laser beam through the optical Device is offset either in parallel or a fixed Point staggers. This allows different geometries of the hole even those that have an undercut or not constant cross section.

Mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens lässt sich in vorteilhafter Weise der Laserstrahl des Ultrakurzpuls-Lasers so bewegen, dass sich dadurch die Wandung einer in einem Werkstück ausgebildeten Vorbohrung bearbeiten lässt. Dafür wird eine optische Umlenkvorrichtung verwendet, beispielsweise in Form einer Trepanieroptik, wie sie beispielsweise aus den Schriften DE 101 05 346 A1 und US 6 070 813 bekannt ist.With a device for carrying out the method, the laser beam of the ultrashort pulse laser can advantageously be moved in such a way that can thereby edit the wall of a formed in a workpiece pilot hole. For this purpose, an optical deflecting device is used, for example in the form of a trepanier optics, as used for example from the documents DE 101 05 346 A1 and US Pat. No. 6,070,813 is known.

Es ist insbesondere auch vorteilhaft, wenn eine optische Vorrichtung vorhanden ist, die eine koaxiale Anordnung der Laserstrahlen eines Langpuls-Lasers und eines Ultrakurzpuls-Lasers ermöglicht. Dadurch kann mit Hilfe des Langpuls-Lasers die Vorbohrung herstellt werden und anschließend die Vorbohrung mit dem Ultrakurzpuls-Laser bearbeitet werden, ohne dass eine Neujustierung des Lasers oder des Werkstücks nötig ist. Dafür eignet sich eine optische Vorrichtung, die einen halbdurchlässigen Spiegel umfasst, so dass die Laserstrahlen durch Reflexion am Spiegel einerseits und durch Transmission des Spiegels andererseits koaxial zueinander ausgerichtet werden können.It is particularly advantageous when an optical device is present, which is a coaxial arrangement of the laser beams of a Long-pulse laser and an ultra-short pulse laser allows. As a result, the pilot hole can be produced with the aid of the long-pulse laser and then The pilot hole can be worked with the Ultra Short Pulse Laser without that a readjustment of the laser or the workpiece is necessary. Suitable for that an optical device that has a semitransparent mirror includes, so that the laser beams by reflection on the mirror on the one hand and by transmission of the mirror on the other hand coaxial with each other can be aligned.

Durch eine Umlenkvorrichtung, wie sie bereits bei der Beschreibung der Vorteile des Verfahrens erwähnt ist, lässt sich eine entsprechende Ablenkung des Laserstrahls erreichen, so dass auch die Ausbildung von nicht konstanten Querschnitten der Bohrung möglich ist.By a deflection device, as already described in the description of Benefits of the method mentioned is, lets to achieve a corresponding deflection of the laser beam, so that also the formation of non-constant cross sections of the bore possible is.

Weitere Vorteile sind der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.Further Advantages can be found in the description and the drawing.

Zeichnungdrawing

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Zwischenschritte bei der Herstellung der Bohrungen dargestellt. Es zeigtIn The drawing is an apparatus for performing the method and intermediate steps in the preparation of the holes shown. It shows

1 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, 1 the schematic representation of a device according to the invention for carrying out the method,

2 ein Werkstück mit einer darin ausgebildeten Vorbohrung, 2 a workpiece with a pilot hole formed therein,

3 dasselbe Werkstück wie in 2 mit der endgültigen Form der Bohrung und 3 the same workpiece as in 2 with the final shape of the hole and

4 dieselbe Darstellung wie 3, wobei der Laserstrahl gegenüber der Längsachse der Vorbohrung 5 geneigt ist. 4 the same representation as 3 , wherein the laser beam with respect to the longitudinal axis of the pilot hole 5 is inclined.

Beschreibung des Ausführungsbeispielsdescription of the embodiment

In 1 ist eine Vorrichtung zur Einbringung einer genau definierten Bohrung in ein Werkstück schematisch dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Ultrakurzpuls-Laser 10, der Laserpulse mit hoher Intensität und mit einer sehr kurzen Pulsdauer aussenden kann. Die Pulsdauer liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 10 fs (10–14 s) bis zu 1 ns (10–9 s), so dass der Laser bei einer entsprechenden Leistung in der Lage ist, ein Werkstück zu bearbeiten, indem Material lokal verdampft wird. Das Material wird dabei durch den Dampfdruck vom Werkstück so schnell weggeschleudert, dass eine Erwärmung der Umgebung und damit die Bildung einer Schmelze unterdrückt wird. Dadurch lässt sich sehr präzise Material abtragen und entsprechende Ausnehmungen im Werkstück 1 herstellen.In 1 a device for introducing a well-defined bore in a workpiece is shown schematically. The device comprises an ultrashort pulse laser 10 which can emit laser pulses with high intensity and with a very short pulse duration. The pulse duration is preferably in the range of 10 fs (10 -14 s) to 1 ns (10 -9 s), so that the laser is able to process a workpiece at a corresponding power by locally evaporating material , The material is thereby thrown so fast by the vapor pressure from the workpiece that heating of the environment and thus the formation of a melt is suppressed. This allows very precise removal of material and corresponding recesses in the workpiece 1 produce.

Die Vorrichtung umfasst einen weiteren Laser, der als Langpuls-Laser 12 ausgebildet ist. Dieser Langpuls-Laser wird ebenfalls gepulst betrieben und erzeugt Laserpulse, die eine deutlich längere Dauer haben als die vom Ultrakurzpuls-Laser 10 ausgesendeten Laserpulse. Die Pulsdauer liegt im Bereich von 1 μs bis 1 ms, so dass jeder Laserpuls verhältnismäßig viel Energie in das Werkstück einbringt. Das Material verdampft in dem durch den Laserpuls getroffenen Bereich ebenfalls, jedoch wird in der Umgebung durch die relativ lange Strahldauer das Material aufgeschmolzen. Mit dem Langpuls-Laser 12 lässt sich so mit einem oder mit wenigen Laserpulsen viel Material aus dem Werkstück 1 abtragen.The device comprises a further laser, which is a long-pulse laser 12 is trained. This long-pulse laser is also operated pulsed and generates laser pulses that have a much longer duration than those of the ultrashort pulse laser 10 emitted laser pulses. The pulse duration is in the range of 1 μs to 1 ms, so that each laser pulse introduces relatively much energy into the workpiece. The material also evaporates in the area hit by the laser pulse, but in the environment due to the relatively long duration of the jet, the material is melted. With the long-pulse laser 12 So much material can be removed from the workpiece with one or a few laser pulses 1 erode.

Der vom Ultrakurzpuls-Laser 10 ausgesandte Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 trifft in seinem Verlauf zuerst auf einen Strahlunterbrecher 17, der es erlaubt, den Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 zu unterbrechen, wobei der Strahlunterbrecher 17 vorzugsweise elektrisch betrieben ist und eine sehr kurze Schaltzeit aufweist. Im weiteren Verlauf des Ultrakurzpuls-Laserstrahls 100 trifft dieser auf einen halbdurchlässigen Spiegel 14, der den Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 in Richtung des Werkstücks umlenkt. Anschließend trifft der Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 auf eine optische Umlenkvorrichtung 20, die es erlaubt, den Laserstrahl parallel um eine Distanz d zu versetzen, wobei diese Distanz im Bereich des halben Durchmessers der Vorbohrung 5 liegt. Beispielsweise kann hier eine Trepanieroptik eingesetzt werden.The ultrashort pulse laser 10 emitted ultrashort pulse laser beam 100 first encounters a beam breaker in its course 17 that allows it, the ultrashort pulse laser beam 100 to interrupt, taking the beam breaker 17 is preferably electrically operated and has a very short switching time. In the further course of the ultrashort pulse laser beam 100 this meets a half-transparent mirror 14 , the ultrashort pulse laser beam 100 deflects in the direction of the workpiece. Then the ultrashort pulse laser beam hits 100 on an optical deflection device 20 which allows the laser beam to be displaced in parallel by a distance d, this distance being in the range of half the diameter of the pilot hole 5 lies. For example, a trepanier optics can be used here.

Zur Fokussierung des Ultrakurzpuls-Laserstrahls 100 dient die zwischen der Umlenkvorrichtung 20 und dem Werkstück 1 angeordnete Fokussiereinrichtung 22, die den Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 auf den gewünschten Punkt des Werkstücks richtet und dort die höchste Strahlintensität erzeugt. Mit Hilfe der Fokussiereinrichtung 22 ist auch ein weiterer Versatz oder eine Verkippung des Ultrakurzpuls-Laserstrahls 100 möglich.For focusing the ultrashort pulse laser beam 100 serves the between the deflection device 20 and the workpiece 1 arranged focusing device 22 that the ultrashort pulse laser beam 100 directed to the desired point of the workpiece and there generates the highest beam intensity. With the help of the focusing device 22 is also another offset or tilt of the ultrashort pulse laser beam 100 possible.

Der vom Langpuls-Laser 12 ausgesandte Laserstrahl 120 passiert in seinem Verlauf ebenso wie der Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100, einen Strahlunterbrecher, der vom selben Typ wie der Strahlunterbrecher 17 ist. Im weiteren Verlauf trifft der Langpuls-Laserstrahl 120 auf einen Spiegel 15, der den Langpuls-Laserstrahl 120 in Richtung des Werkstücks 1 umlenkt. Der Langpuls-Laserstrahl 120 trifft im weiteren Verlauf auf den halbdurchlässigen Spiegel 14 und tritt durch diesen weitgehend hindurch, wobei der Langpuls-Laserstrahl 120 und der Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 so justiert sind, dass sie nach dem halbdurchlässigen Spiegel 14 koaxial zueinander sind. Dementsprechend passiert der Langpuls-Laserstrahl 120 ebenfalls die Umlenkvorrichtung 20 und die Fokussiereinrichtung 22, bis er schließlich auf das Werkstück trifft. Der halbdurchlässige Spiegel 14 und der Spiegel 15 bilden somit eine optische Vorrichtung, um den Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 und den Langpuls-Laserstrahl 120 koaxial auszurichten.The of the long-pulse laser 12 emitted laser beam 120 happens in its course as well as the ultrashort pulse laser beam 100 , a beam interrupter of the same type as the beam terbrecher 17 is. In the further course of the long-pulse laser beam hits 120 on a mirror 15 , the long-pulse laser beam 120 in the direction of the workpiece 1 deflects. The long-pulse laser beam 120 in the further course meets the semipermeable mirror 14 and passes therethrough largely, the long-pulse laser beam 120 and the ultrashort pulse laser beam 100 adjusted so that they look for the semitransparent mirror 14 are coaxial with each other. Accordingly, the long-pulse laser beam happens 120 also the deflection device 20 and the focusing device 22 until he finally hits the workpiece. The semi-transparent mirror 14 and the mirror 15 thus form an optical device to the ultrashort pulse laser beam 100 and the long-pulse laser beam 120 align coaxially.

Zur Ausbildung einer Bohrung im Werkstück wird mit der Vorrichtung das folgende Verfahren durchgeführt: Zuerst wird mit Hilfe des Langpuls-Lasers 12 eine Vorbohrung 5 in das Werkstück eingebracht, wie es in einer vergrößerten Darstellung in 2 gezeigt ist. Dabei bleibt der Ultrakurzpuls-Laser 10 abgeschaltet bzw. der Strahlunterbrecher 17 geschlossen. Durch einen oder mehrere Laserpulse mit dem Langpuls-Laser 12 wird Material vom Werkstück verdampft, wodurch die Vorbohrung 5 gebildet wird. Durch die thermische Wirkung im Bereich der Vorbohrung 5 auf das Werkstück, das beispielsweise aus Stahl besteht, entsteht eine Schmelze 8, die teilweise in der Vorbohrung 5 erstarrt und teilweise durch die Verdampfung des Materials aus der Vorbohrung 5 austritt und am Bohrungseingang abgelagert wird.To form a hole in the workpiece, the following procedure is carried out with the device: First, with the aid of the long-pulse laser 12 a pilot hole 5 introduced into the workpiece, as shown in an enlarged view in 2 is shown. The ultrashort pulse laser remains 10 switched off or the beam breaker 17 closed. By one or more laser pulses with the long-pulse laser 12 Material is evaporated from the workpiece, causing the pilot hole 5 is formed. Due to the thermal effect in the area of the pilot hole 5 on the workpiece, which consists for example of steel, creates a melt 8th partially in the pilot hole 5 solidified and partly by the evaporation of the material from the pilot hole 5 emerges and deposited at the bore entrance.

Zur weiteren Bearbeitung der Bohrung 3 wird der Langpuls-Laser 12 abgeschaltet bzw. der Strahlunterbrecher 18 geschlossen. Anschließend wird der Ultrakurzpuls-Laser 17 geöffnet, so dass der Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 auf das Werkstück treffen kann. Ziel der Bearbeitung mit dem Ultrakurzpuls-Laser 10 ist es, die Vorbohrung 5 zu erweitern und so ihre endgültige Form zu geben. Hierzu wird die Umlenkvorrichtung 20 so eingestellt, dass der Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 auf den Wandbereich der Vorbohrung 5 trifft, wie es in 3 dargestellt ist. Durch die Funktion der Umlenkvorrichtung 20 bewegt sich die Längsachse des Ultrakurzpuls-Laserstrahls 100 hier auf einem Zylinder, wie es durch die Bahn 30 in der 3 angedeutet ist. Hierdurch wird die inzwischen erstarrte Schmelze 8 im Bereich der Wand der Bohrung 3 abgetragen und darüber hinaus weiteres Material, bis die Bohrung 3 die gewünschte Form angenommen hat. 3 zeigt zum Vergleich noch die Form der Vorbohrung 5, so dass der Effekt der Materialabtragung durch den Ultrakurzpuls-Laser 10 illustriert wird. Ist die gewünschte Form der Bohrung 3 schließlich hergestellt, wird der Prozess beendet.For further processing of the bore 3 becomes the long-pulse laser 12 switched off or the beam breaker 18 closed. Subsequently, the ultrashort pulse laser 17 opened so that the ultrashort pulse laser beam 100 can hit the workpiece. Target of processing with the ultrashort pulse laser 10 is it, the pilot hole 5 to expand and thus give their final form. For this purpose, the deflection device 20 adjusted so that the ultrashort pulse laser beam 100 on the wall area of the pilot hole 5 meets as it is in 3 is shown. Due to the function of the deflection device 20 the longitudinal axis of the ultrashort pulse laser beam moves 100 here on a cylinder as it is by the train 30 in the 3 is indicated. As a result, the now solidified melt 8th in the area of the wall of the hole 3 removed and more material until the hole 3 has assumed the desired shape. 3 shows for comparison still the shape of the pilot hole 5 , so the effect of material removal by the ultrashort pulse laser 10 is illustrated. Is the desired shape of the hole 3 finally made, the process is terminated.

Mit Hilfe der Umlenkvorrichtung 20 ist es auch möglich, den Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 um einen Winkel φ zu kippen, wie in 4 dargestellt. Dadurch trifft der Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 nicht mehr parallel zur Längsachse der Vorbohrung 5 auf dem Werkstück 1 auf, sondern um den Winkel φ geneigt, so dass bei der Materialabtragung mit dem Ultrakurzpuls-Laser 10 eine konische Bohrung 3 entsteht. Durch die Umlenkvorrichtung 20 kann der Ultrakurzpuls-Laserstrahl 100 so bewegt werden, dass er eine Taumelbewegung um einen räumlich festen Punkt 25 beschreibt. Der Punkt 25 kann dabei innerhalb des Werkstücks 1 liegen oder auch außerhalb, wodurch der Verlauf des Durchmessers der Bohrung 3 beeinflussbar ist.With the help of the deflection device 20 it is also possible to use the ultrashort pulse laser beam 100 to tilt through an angle φ, as in 4 shown. As a result, the ultra-short pulse laser beam hits 100 no longer parallel to the longitudinal axis of the pilot hole 5 on the workpiece 1 on, but inclined by the angle φ, so that during material removal with the ultra-short pulse laser 10 a conical bore 3 arises. By the deflection device 20 can the ultrashort pulse laser beam 100 be moved so that it wobbles around a spatially fixed point 25 describes. The point 25 can do this within the workpiece 1 lying or outside, causing the course of the diameter of the hole 3 can be influenced.

Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die Vorbohrung 5 nicht mit einem Langpuls-Laser 12 herstellt wird, sondern beispielsweise durch Elektroerodieren oder mit jedem anderen Verfahren, mit dem sich entsprechende Vorbohrungen in das Werkstück einbringen lassen.Alternatively, it can also be provided that the pilot hole 5 not with a long-pulse laser 12 but, for example, by electroeroding or any other method with which appropriate pilot holes can be introduced into the workpiece.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, eine Bohrung mit einem nicht-runden Querschnitt herzustellen, beispielsweise mit einem ovalen Querschnitt. Dies kann mit einem nicht konstanten Querschnitt der Bohrung über deren Länge kombiniert werden, so dass eine sehr große Vielfalt von verschiedenen Bohrungen mit einem Durchmesser im Bereich von 100 μm und weniger in kurzer Zeit und damit kostengünstig hergestellt werden kann. Besonders vorteilhaft ist das Verfahren bei metallischen Werkstücken, wie beispielsweise Stahl.With the method according to the invention it is also possible to produce a hole with a non-circular cross-section, for example with an oval cross-section. This can be done with a non-constant Cross section of the hole over their length combined so be a very big one Variety of different holes with a diameter in the range of 100 μm and less in a short time and thus can be produced inexpensively. Especially the process is advantageous for metallic workpieces, such as for example steel.

Claims (17)

Verfahren zum Erzeugen einer Bohrung (3) in einem Werkstück (1), bei welchem Verfahren ein Ultrakurzpuls-Laser (10) eingesetzt wird, der Laserpulse mit einer sehr kurzen Pulsdauer erzeugt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Ausbilden einer Vorbohrung (5) im Werkstück (1), wobei die Vorbohrung (5) geringere Abmessungen aufweist als die gewünschte Endform der Bohrung (3) und eine Wandung aufweist, – Abtragen von weiterem Material im Bereich der Wandung der Vorbohrung (5) mit dem Ultrakurzpuls-Laser (10), bis die gewünschte Form der Bohrung (3) erreicht ist.Method for producing a bore ( 3 ) in a workpiece ( 1 ), in which method an ultrashort pulse laser ( 10 ) is used, the laser pulses generated with a very short pulse duration, characterized by the following process steps: - forming a pilot hole ( 5 ) in the workpiece ( 1 ), whereby the pilot hole ( 5 ) has smaller dimensions than the desired final shape of the bore ( 3 ) and a wall, - removal of further material in the region of the wall of the pilot hole ( 5 ) with the ultrashort pulse laser ( 10 ) until the desired shape of the hole ( 3 ) is reached. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vorbohrung mit Hilfe eines Langpuls-Lasers (12) ausgebildet wird, der Laserpulse mit einer im Vergleich zum Ultrakurzpuls-Laser (10) langen Pulsdauer erzeugt.Method according to Claim 1, in which the pilot hole is cut by means of a long-pulse laser ( 12 ) is formed, the laser pulses with a compared to the ultrashort pulse laser ( 10 ) generates long pulse duration. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Vorbohrung (5) durch einen oder mehrere, hintereinander ausgeführte Laserpulse des Langpuls-Lasers (12) erzeugt wird.Method according to Claim 2, in which the pilot hole ( 5 ) by one or more consecutively executed laser pulses of the long-pulse laser ( 12 ) is produced. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Langpuls-Laser (12) Laserpulse mit einer Pulsdauer von 1 μs bis 1 ms aussendet.Method according to Claim 2 or 3, in which the long-pulse laser ( 12 ) Emits laser pulses with a pulse duration of 1 μs to 1 ms. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Laserpulse des Ultrakurzpuls-Lasers so kurz sind und eine so hohe Energiedichte erzeugt, dass dadurch Material vom Werkstück (1) verdampft wird, ohne dass sich die Umgebung des Werkstücks (1) wesentlich erwärmt.The method of claim 1, wherein the laser pulses of the ultra-short pulse laser are so short and generates such a high energy density that thereby material from the workpiece ( 1 ) is evaporated without affecting the environment of the workpiece ( 1 ) heated significantly. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ultrakurzpuls-Laser Laserpulse mit einer Pulsdauer von 10 fs bis 1 ns aussendet.The method of claim 1, wherein the ultrashort pulse laser Emits laser pulses with a pulse duration of 10 fs to 1 ns. Verfahren nach Anspruch 2 und 6, bei dem die Pulsdauer des Ultrakurzpuls-Lasers (10) wenigstens einen Faktor 1000 kleiner ist als die Pulsdauer des Langpuls-Lasers (12).Method according to Claims 2 and 6, in which the pulse duration of the ultrashort pulse laser ( 10 ) at least a factor 1000 is smaller than the pulse duration of the long-pulse laser ( 12 ). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ultrakurzpuls-Laserstrahl (100) des Ultrakurzpuls-Lasers (10) mittels einer optischen Umlenkvorrichtung (20) abgelenkt werden kann.Method according to Claim 1, in which the ultrashort pulse laser beam ( 100 ) of the ultrashort pulse laser ( 10 ) by means of an optical deflection device ( 20 ) can be distracted. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Ultrakurzpuls-Laserstrahl (100) durch die optische Ablenkvorrichtung (20) parallel versetzt zu dem in die optische Umlenkvorrichtung (20) einfallenden Strahl austritt.Method according to Claim 8, in which the ultrashort pulse laser beam ( 100 ) by the optical deflection device ( 20 ) offset parallel to that in the optical deflection device ( 20 ) incident beam emerges. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Ultrakurzpuls-Laserstrahl (100) des Ultrakurzpuls-Lasers (10) mittels der optischen Umlenkvorrichtung (20) so bewegt wird, dass der Ultrakurzpuls-Laserstrahl (100) um einen räumlich festen Punkt (25) taumelt.Method according to Claim 8, in which the ultrashort pulse laser beam ( 100 ) of the ultrashort pulse laser ( 10 ) by means of the optical deflection device ( 20 ) is moved so that the ultrashort pulse laser beam ( 100 ) around a spatially fixed point ( 25 ) staggers. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Ultrakurzpuls-Laserstrahl (100) des Ultrakurzpuls-Lasers (10) die Form eines Kegels überstreicht, wobei der räumlich feste Punkt (25) der Spitze des Kegels entspricht.Method according to Claim 8, in which the ultrashort pulse laser beam ( 100 ) of the ultrashort pulse laser ( 10 ) sweeps over the shape of a cone, the spatially fixed point ( 25 ) corresponds to the top of the cone. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die optische Umlenkvorrichtung (20) eine Trepanieroptik ist.Method according to one of Claims 8 to 11, in which the optical deflection device ( 20 ) is a Trepanieroptik. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vorbohrung (3) durch Elektroerodieren hergestellt wird.Method according to Claim 1, in which the pilot hole ( 3 ) is produced by electroeroding. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend einen Ultrakurzpuls-Laser (10) zur Erzeugung von kurzen Laserpulsen, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Umlenkvorrichtung (20) vorhanden ist, die es erlaubt, den vom Ultrakurzpuls-Laser (10) erzeugten Ultrakurzpuls-Laserstrahl (100) so abzulenken, dass eine gezielte Bearbeitung der Wandung einer in einem Werkstück (1) ausgebildeten Vorbohrung (5) möglich ist.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, comprising an ultrashort pulse laser ( 10 ) for generating short laser pulses, characterized in that an optical deflection device ( 20 ), which allows the ultrashort pulse laser ( 10 ) generated ultrashort pulse laser beam ( 100 ) in such a way that a specific processing of the wall of a workpiece ( 1 ) formed pilot hole ( 5 ) is possible. Vorrichtung nach Anspruch 14, umfassend einen Langpuls-Laser (12) zur Erzeugung von im Vergleich zum Ultrakurzpuls-Laser (10) langen Laserpulsen, wobei eine optische Vorrichtung (14; 15) vorhanden ist, die es erlaubt, den vom Ultrakurzpuls-Laser (10) erzeugten Ultrakurzpuls-Laserstrahl (100) und den vom Langpuls-Laser (12) erzeugten Langpuls-Laserstrahl (120) koaxial auszurichten und damit auf dieselbe Stelle des Werkstücks (1) zu richten.Apparatus according to claim 14, comprising a long-pulse laser ( 12 ) for generating compared to the ultrashort pulse laser ( 10 ) long laser pulses, wherein an optical device ( 14 ; 15 ), which allows the ultrashort pulse laser ( 10 ) generated ultrashort pulse laser beam ( 100 ) and the long-pulse laser ( 12 ) generated long-pulse laser beam ( 120 ) coaxially and thus on the same position of the workpiece ( 1 ). Vorrichtung nach Anspruch 15, bei dem die optische Vorrichtung (14; 15) einen halbdurchlässigen Spiegel (14) umfasst, wobei der Ultrakurzpuls-Laserstrahl (100) des Ultrakurzpuls-Lasers (10) bzw. der Langpuls-Laserstrahl (12) des Langpuls-Lasers (12) am halbdurchlässigen Spiegel (14) reflektiert wird und der Langpuls-Laserstrahl (120) des Langpuls-Lasers (12) bzw. der Ultrakurzpuls-Laserstrahl (100) des Ultrakurzpuls-Lasers (10) durch den halbdurchlässigen Spiegel (14) hindurchtritt, so dass beide Laserstrahlen (100; 120) auf dieselbe Stelle des Werkstücks (1) treffen.Device according to Claim 15, in which the optical device ( 14 ; 15 ) a semitransparent mirror ( 14 ), wherein the ultrashort pulse laser beam ( 100 ) of the ultrashort pulse laser ( 10 ) or the long-pulse laser beam ( 12 ) of the long-pulse laser ( 12 ) on the semi-transparent mirror ( 14 ) and the long-pulse laser beam ( 120 ) of the long-pulse laser ( 12 ) or the ultrashort pulse laser beam ( 100 ) of the ultrashort pulse laser ( 10 ) through the semitransparent mirror ( 14 ) so that both laser beams ( 100 ; 120 ) on the same position of the workpiece ( 1 ) to meet. Vorrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 16, bei der der Ultrakurzpuls-Laserstrahl (100) des Ultrakurzpuls-Lasers (10) durch die optische Umlenkvorrichtung (20) hindurchtritt, so dass ein Winkelversatz (φ) des Ultrakurzpuls-Laserstrahls (100) bei seinem Auftreffen auf das Werkstück (1) erreicht werden kann.Apparatus according to claim 14, 15 or 16, wherein the ultrashort pulse laser beam ( 100 ) of the ultrashort pulse laser ( 10 ) by the optical deflection device ( 20 ), so that an angular offset (φ) of the ultrashort pulse laser beam ( 100 ) when hitting the workpiece ( 1 ) can be achieved.
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