DE102022101094A1

DE102022101094A1 - Verfahren zum Laserbohren einer Bohrung in ein Werkstück sowie Laserbohrvorrichtung

Info

Publication number: DE102022101094A1
Application number: DE102022101094.5A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Speker; Tim Hesse; Oliver Bocksrocker
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023138961A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbohren einer Bohrung (11) in ein Werkstück (10), wobei für das Laserbohren zumindest ein Laserstrahl (20) genutzt wird, wobei ein Laserstrahlquerschnitt (30) des zumindest einen Laserstrahls (20) eine Zentralfläche (31) mit einem ersten Laserstrahlprofil (32) aufweisend eine erste mittlere Strahlenintensität und eine die Zentralfläche (31) umgebende, äußere Randfläche (33) mit einem zweiten Laserstrahlprofil (34) aufweisend eine zweite mittlere Strahlenintensität aufweist, wobei die zweite mittlere Strahlenintensität größer als die erste mittlere Strahlenintensität ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbohren einer Bohrung in ein Werkstück gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine korrespondierende Laserbohrvorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Laserbohren von Bohrungen in Werkstücke bekannt. Die 1a, 1b und 1 c zeigen jeweils in einer Querschnittsansicht durch ein Werkstück 10 drei bekannte Verfahren in der Anwendung.
In der 1a wird ein auch als Perkussionsbohren bekanntes Verfahren eingesetzt, bei dem die Bohrung 11 in dem Werkstück 10 mittels mehrerer Laserpulse 21 eines entlang der gezeigten z-Koordinate ausgerichteten Laserstrahls 20 erzeugt wird, wobei die z-Koordinate in Tiefen- bzw. Dickenrichtung des Werkstücks 10 verläuft.
In der 1b wird ein auch als Trepanierbohren bekanntes Verfahren eingesetzt, bei dem die Bohrung 11 ebenfalls durch mehrere Laserpulse 21 eines Laserstrahls 20 erzeugt wird, wobei der Laserstrahl 20 zusätzlich entlang der gezeigten Trajektorie 22 bewegt bzw. rotiert wird, um die Bohrung 11 in der x-y-Ebene des gezeigten x,y,z-Koordinatensystems auszuweiten. In der 1a und 1b ist dabei jeweils beispielhaft gezeigt, dass ein Bereich 12 der Bohrung 11 noch Material vom Werkstück 10 aufweist und noch durchbohrt werden muss.
In der 1c wird ein auch als SingleShot-Bohren bekanntes Verfahren eingesetzt, bei dem die Bohrung 11 durch einen einzelnen Laserpuls 21 eines Laserstrahls 20 hoher Intensität entlang der gesamten Spotfläche des Laserstrahls 20 auf dem Werkstück 10 gebohrt wird.
Wie die zum Verfahren der 1c zugehörigen 2a und 2b zeigen, wird dabei, wie auch bei den Verfahren der 1a, 1b, das Material des Werkstücks 10 nahezu vollständig aufgeschmolzen und/oder verdampft. Der äußere Bereich 13 der Bohrung 11 weist dabei das aufgeschmolzene bzw. schmelzflüssige Material auf. Durch den Dampfdruck wird dabei die gezeigte Schmelze 14 aus der Bohrung 11 ausgetrieben. In dem von dem äußeren Bereich 13 umgebenen Bereich 15 ist das Material des Werkstücks 10 verdampft. So entsteht das in 2b gezeigte Werkstück 10 mit der Bohrung 11.
Gegenüber den bekannten Verfahren ist es wünschenswert, die Präzision und Prozesseffizienz beim Laserbohren zu erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Laserbohrvorrichtung zum Laserbohren einer Bohrung in ein Werkstück vorzuschlagen, welche insbesondere ein präziseres Laserbohren mit gesteigerter Prozesseffizienz erlauben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorgeschlagen wird dementsprechend ein Verfahren zum Laserbohren einer Bohrung in ein Werkstück, wobei für das Laserbohren zumindest ein Laserstrahl genutzt wird. Dabei weist der Laserstrahlquerschnitt des zumindest einen Laserstrahls eine Zentralfläche mit einem ersten Laserstrahlprofil aufweisend eine erste mittlere Strahlenintensität und eine die Zentralfläche umgebende, äußere Randfläche mit einem zweiten Laserstrahlprofil aufweisend eine zweite mittlere Strahlenintensität auf, wobei die zweite mittlere Strahlenintensität größer als die erste mittlere Strahlenintensität ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine erhöhte Prozesseffizienz und somit auch eine verringerte Taktzeit beim Laserbohren erzielt werden, weil das Material des Werkstücks nur in einem zur äußeren Randfläche des Laserstrahlquerschnitts (durch den erzeugten Laserspot des Laserstrahls örtlich) im Wesentlichen korrespondierenden Randbereich der Bohrung besonders intensiv bearbeitet, insbesondere verdampft und/oder aufgeschmolzen, wird und das innerhalb des Randbereichs liegende Material weniger bearbeitet bzw. erhitzt wird, insbesondere in einem festen Aggregatzustand verbleiben kann. Mit anderen Worten wird eine größere Leistung der Laserstrahlung gezielt auf die Fläche des Randbereichs der Bohrung statt auf die Fläche des innerhalb des Randbereichs liegenden Bereichs der Bohrung ausgerichtet, um so die Bearbeitung am Randbereich zu ermöglichen, die schließlich das Erzeugen des Bohrlochs ermöglicht. So kann der innerhalb des Randbereichs liegenden Bereich bzw. Zentralbereich durch den zumindest einen Laserstrahl ausgestanzt werden. Durch diese optimierte Laserintensitätsverteilung in Bezug auf den Laserstrahlquerschnitt kann der Lochdurchmesser der Bohrung besonders präzise eingestellt werden und eine genauere Rundheit und Zylindrigkeit der Bohrung ist erreichbar, als dies mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Fall ist, bei denen die Strahlenintensität typischerweise von innen nach außen abnimmt, wie der 2a entnommen werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Werkstücke unterschiedlichen Materials, beispielsweise metallische Werkstoffe, keramische Werkstoff, polymerbasierte Werkstoffe oder Werkstoffe mit Kombinationen der vorgenannten Materialien gebohrt werden. Dabei kann das Werkstück einschichtig ausgebildet sein oder mit mehreren Schichten aus demselben oder unterschiedlichen Materialien, insbesondere unterschiedlichen der vorgenannten Materialien, ausgebildet sein.
Grundsätzlich kann das Laserbohren mit einer Fluenz H < 500 kJ/mm², insbesondere mit einer Fluenz H ≤ 100 kJ/mm², des zumindest einen Laserstrahls ausgeführt werden. Für die Gesamtintensität des gesamten zumindest einen Laserstrahls und/oder die zweite mittlere Strahlenintensität kann dabei insbesondere eine Intensität I des zumindest einen Laserstrahls von I < 15.000 kW/mm², ganz besonders von I ≤ 6.500 kW/mm², verwendet werden.
Unter der Strahlenintensität bzw. Strahlungsintensität wird hierin jene Energie des Laserstrahls verstanden, die in einer bestimmten Zeit durch den Laserstrahlquerschnitt, also eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des zumindest einen Laserstrahls stehende Fläche, transportiert wird. Somit ist die Strahlenintensität die Energie pro Zeit pro Fläche und kann in W/mm² angegeben werden. Die Strahlenleistung bzw. Strahlungsleistung bezeichnet dabei die abgestrahlte Energie pro Zeit, die in Watt angegeben werden kann. Anders ausgedrückt ist die Strahlenintensität somit die Strahlenleistung bezogen auf den Laserstrahlquerschnitt. Die erste mittlere Strahlenintensität meint folglich die über die Zentralfläche gemittelte Strahlenintensität. Die zweite mittlere Strahlenintensität meint entsprechend die über die äußere Randfläche gemittelte Strahlenintensität. Wenn also die Strahlenintensität über die Zentralfläche oder die äußere Randfläche variiert, kann über die gesamte Zentralfläche ihr Mittelwert ermittelt werden, sodass die erste oder zweite mittlere Strahlenintensität erhalten wird, die ebenfalls in W/mm² angegeben werden kann. Dabei bilden vorzugsweise die Zentralfläche und die diese umgebende äußere Randfläche gemeinsam den gesamten Laserstrahlquerschnitt des Laserstrahls. Mit äußerer Randfläche ist folglich insbesondere gemeint, dass die äußere Randfläche ganz außen vom Laserstrahlquerschnitt liegt und insbesondere die Zentralfläche vollständig umgibt.
Es ist vorteilhaft, wenn die äußere Randfläche und die Zentralfläche in gewisser Größenrelation zueinander stehen. So kann die äußere Randfläche vorzugsweise einen Maximaldurchmesser aufweisen, der zumindest das 1,2-fache, zumindest das 1,5-fache oder zumindest das 2-fache eines Maimaldurchmessers der Zentralfläche beträgt. Wiederum kann ein Maximaldurchmesser der äußeren Randfläche vorzugsweise höchstens das 5-fache, ganz besonders höchstens das 4-fache des Maximaldurchmessers der Zentralfläche betragen.
Vorteilhaft ist es ganz besonders, wenn das Material des Werkstücks nur in einem zur äußeren Randfläche des Laserstrahlquerschnitts (durch den erzeugten Laserspot des Laserstrahls örtlich) korrespondierenden Randbereich der Bohrung bzw. des Bohrlochs aufgeschmolzen und/oder verdampft wird. Entsprechend wird das Material in einem zu der Zentralfläche des Laserstrahlquerschnitts (durch den erzeugten Laserspot des Laserstrahls örtlich) korrespondierenden Zentralbereich der Bohrung nicht aufschmelzen bzw. verdampfen. Dadurch kann die Leistung der für das Laserbohren genutzten Lasereinrichtung vollständig für das prozesseffiziente Laserbohren im Randbereich der Bohrung eingesetzt werden, wodurch zudem eine höhere Präzision beim Laserbohren erreicht werden kann.
Das Laserbohren der Bohrung kann dabei durch einen oder mehrere Laserpulse des zumindest einen Laserstrahls erfolgen. Dabei können die zuvor beschriebenen Verfahren, insbesondere SingleShot-Bohren, also Laserbohren mit nur einem einzigen Laserpuls, oder Perkussionsbohren, also Laserbohren mit mehreren konsekutiven Laserpulsen, zum Einsatz kommen.
Dabei kann eine Pulsdauer eines Laserpulses im Bereich von 5 µs bis 1.000 ms, insbesondere im Bereich von 10 µs bis 1.000 ps, liegen. Besonders bevorzugt kann eine Pulsdauer eines Laserpulses im Bereich von 5 µs bis 200 µs liegen. In den genannten Bereichen ermöglichen große Pulsenergien von mehr als 50 mJ eine ausreichende Verdampfung und einen Schmelzaustrieb. Zudem sorgen kurzen Wechselwirkungszeiten in diesem Pulsdauerbereich für eine bedarfsgerechte Aufschmelzung bzw. Erhitzung und Abtrag des Materials mit geringem Wärmeeintrag an den Rändern der Bohrung.
Dabei ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn das erste Laserstrahlprofil und/oder das zweite Laserstrahlprofil während eines Laserpulses verändert wird. Eine solche Veränderung kann sprunghaft oder kontinuierlich erfolgen. Dadurch ist es möglich, den Bohrungsdurchmesser in der Bohrrichtung insbesondere kontinuierlich zu verändern. Ganz besonders kann dabei das gesamte Laserstrahlprofil des zumindest einen Laserstrahls, also das erste und zweite Laserstrahlprofil gemeinsam, oder jeweils das erste oder zweite Laserstrahlprofil derart verändert werden, das zwischen einem Gauss-ähnlichen, Top-Hat-ähnlichen und/oder ringformähnlichen Laserstrahlprofil gewechselt wird. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass zwischen Zwischenstufen zwischen zwei oder allen drei der vorgenannten Laserstrahlprofilen stufenweise umgeschaltet wird.
Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass ein Durchmesser des zumindest einen Laserstrahls während eines Laserpulses verändert wird. Eine solche Veränderung kann sprunghaft oder kontinuierlich erfolgen. Auch dadurch ist es möglich, den Bohrungsdurchmesser in der Bohrrichtung insbesondere kontinuierlich zu verändern.
Vorteilhaft ist ferner, wenn eine Pulsform eines Laserpulses rechteckförmig, dreieckförmig, sinusförmig oder eine Kombination von zumindest zwei der vorgenannten Formen ist. Dadurch können eine verbesserte Einkopplung des Laserstrahls und eine gezielte Verdampfung sowie ein gezielter Austrieb von Materialschmelze aus dem Werkstück erzielt werden.
Vorzugsweise ist die zweite mittlere Strahlenintensität zumindest 10% größer, ganz besonders zumindest 20% größer und ferner ganz besonders zumindest 50% größer, als die erste mittlere Strahlenintensität ist. Es hat sich gezeigt, dass die Bohrpräzision bei einer derartigen mittleren Strahlenintensitätsverteilung besonders hoch ausfällt.
Vorteilhaft ist außerdem, wenn ein Intensitätsgradient des zweiten Laserstrahlprofils größer als ein Intensitätsgradient des ersten Laserstrahlprofils ist. Entsprechend kann bewusst von einem genormten Intensitätsgradienten von ΔI ≥ 50 kW/(mm²*dw) mit Strahldurchmesser dw abgewichen werden. Der Strahldurchmesser ist dabei insbesondere der 86%-Durchmesser des Laserstrahls, also der Durchmesser des Teils des Laserstrahls, der mind. 86% der Gesamtenergie des Strahls enthält. Dies erlaubt es, die Größe und Ausdehnung des aufgeschmolzenen Bereichs zu reproduzieren, wobei dies auch bei unterschiedlichen Oberflächenqualitäten bei den Werkstücken möglich ist und ferner der Bohrlochdurchmesser sehr präzise eingestellt werden kann.
Ganz besonders ist möglich, dass der zumindest eine Laserstrahl in der Zentralfläche ein Strahlenintensitätsminimum seiner Strahlenintensität aufweist. Mit anderen Worten kann die Strahlenintensität über den gesamten Laserstrahlquerschnitt in der Zentralfläche ihr Minimum aufweisen. Das Strahlenintensitätsminimum kann ganz besonders in oder nahe des Flächenschwerpunkts des Laserstrahlquerschnitts liegen. Dadurch kann in besonderem Maßen vermieden werden, dass in der Bohrung innenliegendes Material weniger erhitzt wird und somit vorzugsweise nicht aufgeschmolzen und/oder nicht verdampft wird.
Vorzugsweise kann das Strahlintensitätsminimum in Laserstrahlausbreitungsrichtung des zumindest einen Laserstrahls propagieren. Darunter wird insbesondere verstanden, dass sich das Strahlintensitätsminimum über eine Wegstrecke in der Größenordnung einer Rayleighlänge oder mehr entlang der Laserstrahlsausbreitungsrichtung fortsetzt. Erzeugt werden kann diese Eigenschaft über eine Lichtleitfaser, in der ein nahe beugungsbegrenzter Laserstrahl geführt wird, indem auf diese Lichtleitfaser eine mechanische Kraft ausgeübt wird. Alternativ können strahlformende Elemente eingesetzt werden, die eine vortexförminge Phasenverteilung aufprägen, wie z.B. Vortexspiegel oder Vortexphasenplatten. Dadurch kann eine hohe Toleranzbreite in Richtung der optischen Achse des Laserstrahls erzielt werden.
Vorzugsweise kann die äußere Randfläche eine Ringform, eine Quadratform oder eine Polygonform aufweisen. Die Polygonform kann dabei eine beliebige Anzahl von Ecken, beispielsweise drei, fünf, sechs oder mehr, beispielsweise zwölf, aufweisen. Vorteilhaft ist ferner, wenn eine Ausdehnung der äußeren Randfläche in einer Ebene des Laserstrahlquerschnitts in den zwei die Ebene aufspannende Raumrichtungen über im Wesentlichen die gesamte äußere Randfläche im Wesentlichen identisch ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das zweite Laserstrahlprofil durch mehrere, insbesondere azimutal (zu dem Werkstück) angeordnete bzw. orientierte, Laserstrahlen erzeugt wird. Dadurch wird ermöglicht, dass alle der mehreren (einzelnen) Laserstrahlen unabhängig voneinander in ihrer Strahlenleistung veränderbar sind.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn das zweite Laserstrahlprofil im Wesentlichen homogen hinsichtlich seiner Strahlenintensität ist. Im Wesentlichen homogen umfasst dabei technisch bedingte Abweichungen bzw. Toleranzen von einer mathematisch perfekt homogenen Strahlintensitätsverteilung über der äußeren Randfläche, die in der Realität kaum bzw. nur sehr schwer zu erreichen ist. Das homogene Strahlprofil kann dabei beispielsweise durch ein entsprechendes Strahlformungselement, bspw. ein diffraktives optisches Element, in der Laserbohrvorrichtung, insbesondere ihrer Optik, erzielt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf besonders vorteilhafte Art und Weise eine Bohrung mit einer Bohrtiefe von ≤ 3 mm, insbesondere ≤ 500 um, und/oder mit einem Aspektverhältnis von Bohrtiefe zu Mindestbreite der Bohrung (11) von ≤ 1:100, insbesondere von ≤ 1:10, erzeugt werden.
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Laserbohrvorrichtung zum Laserbohren einer Bohrung in ein Werkstück, wobei die Laserbohrvorrichtung eine Laserstrahleinrichtung zum Emittieren zumindest eines Laserstrahls und eine Optik zum Ausrichten des zumindest einen Laserstrahls auf das Werkstück derart aufweist, dass ein Laserstrahlquerschnitt des zumindest einen Laserstrahls eine Zentralfläche mit einem ersten Laserstrahlprofil aufweisend eine erste mittlere Strahlenintensität und eine die Zentralfläche umgebende, äußere Randfläche mit einem zweiten Laserstrahlprofil aufweisend eine zweite mittlere Strahlenintensität aufweist, wobei die zweite mittlere Strahlenintensität größer als die erste mittlere Strahlenintensität ist.
Dabei können die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren hierin beschriebenen Merkmale selbstverständlich auch in Bezug auf die erfindungsgemäße Laserbohrvorrichtung, und umgekehrt, angewendet werden. Insbesondere kann die Laserbohrvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein.
Als Optik kann beispielsweise eine Scanneroptik, also eine Optik mit einem oder mehreren beweglichen Spiegeln zur Umlenkung des Laserstrahls, eingesetzt werden. Die Scanneroptik kann beispielsweise ein Abbildungsverhältnis im Bereich von 1:1 bis 5:1, insbesondere im Bereich von 1,5:1 bis 2:1, aufweisen. Beispielsweise kann die von TRUMPF unter der Bezeichnung FPO33-2 vertriebene Scanneroptik eingesetzt werden.
Die Laserstrahleinrichtung der Laserbohrvorrichtung kann beispielsweise ein Quasi-Dauerstrich-Laser oder ein VIS-Laser sein, also ein Laser, der mit einer sichtbaren Wellenlänge des Laserlichts arbeitet. Möglich ist alternativ auch eine andere Laserstrahleinrichtung und/oder grundsätzlich der Einsatz einer fliegenden Optik, insbesondere mit gleichen Abbildungsverhältnissen, beispielsweise einer solchen, wie sie von TRUMPF unter der Bezeichnung BEO vertrieben wird.
Als Quasi-Dauerstrich-Laser kann beispielsweise ein Singlemode-Laser, beispielsweise ein unter der Bezeichnung TruFiber (pulse) 500-2000 von TRUMPF vertriebener Laser, oder Multimode-Laser, beispielsweise ein von TRUMPF unter der Bezeichnung TruDisk (pulse) 2000-5000 vertriebener Scheibenlaser, eingesetzt werden. Auch der Einsatz des von TRUMPF unter der Bezeichnung variMODE Pro vertriebenen Lasers ist möglich, der sich durch eine SingleCore-Faser auszeichnet, auf die mechanischer Druck ausgeübt wird, sodass aus einem Gauss-ähnlichen Strahlprofil ein ringähnliches Strahlprofil erzeugt wird. Auch der Einsatz des von TRUMPF unter der Bezeichnung variMODE Star vertriebenen Lasers ist möglich, der sich durch eine Ringfaser auszeichnet, die aus mehreren Lasermodulen gespeist wird.
Möglich ist ferner, dass ein Strahlparameterprodukt SPP des zumindest einen Laserstrahls im Bereich von 0,3 mm*mrad bis 34 mm*mrad, insbesondere im Bereich von 0,38 mm*mrad bis 32 mm*mrad, liegt. Bei Einsatz eines Singlemode-Lasers hat sich dabei ein SPP von 0,6 mm*rad oder weniger als besonders vorteilhaft herausgestellt. Bei Einsatz eines Multimode-Lasers ist dabei ein SPP von 4 mm*rad oder weniger besonders vorteilhaft.
Hinsichtlich der Prozessführung ist es vorteilhaft, wenn ein Strahldurchmesser des zumindest einen Laserstrahls im Bereich von 10 µm bis 800 µm, insbesondere im Bereich von 20 µm bis 200 µm, liegt. Bei Einsatz eines Singlemode-Lasers hat sich dabei ein Strahldurchmesser im Bereich von 20 µm bis 50 µm und bei Einsatz eines Multimode-Lasers hat sich dabei ein Strahldurchmesser im Bereich von 50 µm bis 200 µm als vorteilhaft erwiesen.
Bei Einsatz einer Laserstrahlquelle in Form eines Infrarotlasers in der Laserstrahleinrichtung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine Wellenlänge des zumindest einen Laserstrahls im Bereich von 800 nm bis 1200 nm, insbesondere im Bereich von 1030 nm bis 1070 nm, liegt.
Wiederum hat sich bei Einsatz einer Laserstrahlquelle in Form eines VIS-Lasers in der Laserstrahleinrichtung als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine Wellenlänge des zumindest einen Laserstrahls im Bereich von 380 nm bis 530 nm, ganz besonders im Bereich von 400 nm bis 515 nm oder im Bereich von 400 nm bis 450 nm (blaues Licht) einschließlich 515 nm (grünes Licht), liegt.
Die durchschnittliche Laserleistung Pav kann insbesondere im Bereich 2 W bis 2.000 W, ganz besonders im Bereich 50 W bis 700 W liegen. Bei Einsatz von Laserpulsen kann auch die Puls-Spitzenleistung Ppeak in den vorgenannten Bereichen liegen. Als Pulsfrequenz f von Laserpulsen kann eine Pulsfrequenz im Bereich von 25 bis 50.000 Hz, insbesondere im Bereich von 250 bis 5.000 Hz, eingesetzt werden. Eine Schaltfrequenz bezüglich des zuvor beschriebenen Veränderns bzw. Umschaltens des Laserstrahlprofils kann größer als die Pulsfrequenz f ausfallen.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden.
Es zeigen:

1a-1c Querschnittsansichten durch ein Werkstück, welches mittels aus dem Stand der Technik bekannter Laserbohrverfahren gebohrt wird;
2a,2b perspektivische Ansichten des Werkstücks aus 1c;
3a,3b perspektivische Ansichten eines Werkstücks, welches mittels eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserbohrverfahrens gebohrt wird;
4 eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laserbohrvorrichtung beim Laserbohren des Werkstücks aus 3a, 3b;
5a,5b schematische Ansichten von möglichen Laserstrahlquerschnitten des von der Laserbohrvorrichtung aus 4 eingesetzten Laserstrahls zum Laserbohren;
6a-6c schematische Darstellungen des Laserstrahlquerschnitts des Laserstrahls aus 4 mit Intensitätsverteilungsgraphen in einer Ebene des Laserstrahlquerschnitts; und
7a-7c schematische Darstellungen eines gegenüber den 6a-6c alternativen Laserstrahlquerschnitts mit Intensitätsverteilungsgraphen in der Ebene des Laserstrahlquerschnitts.

Die 1a-1c sowie die 2a, 2b zeigen die eingangs bereits erläuterten Laserbohrverfahren in der Anwendung an dem Werkstück 10, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Demgegenüber zeigen die 3a, 3b und 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserbohren der Bohrung 11 in das Werkstück 10 mittels einer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eingerichteten Laserbohrvorrichtung 40.
Wie 3a zeigt, werden dabei andere Laserstrahlprofile 32, 34 (siehe 4) eingesetzt als dies ausweislich der 3a beim Stand der Technik der Fall ist. Statt im Laserstrahlquerschnitt 30 eine Zentralfläche 31 mit einer intensiveren Strahlenintensität zu betreiben, als in einer diese umgebende, äußeren Randfläche 33, wird nun, wie 4 anhand des Laserstrahlquerschnitts 30 des von der Laserbohrvorrichtung 40 auf das Werkstück 10 gerichteten Laserstrahls 20 mit einem Laserpuls 21 zeigt, eine andere Strahlenintensitätsverteilung eingestellt.
Dabei ist eine erste mittlere Strahlenintensität des in der 4 gezeigten ersten Laserstrahlprofils 32 in der Zentralfläche 31 des Laserstrahlquerschnitts 30 in der aufgespannten x,y-Ebene geringer, insbesondere um zumindest 10% geringer und ganz besonders deutlich geringer, sodass in einem Flächenschwerpunkt des Laserstrahlquerschnitts 30 ein Intensitätsminimum herrscht, als eine zweite mittlere Strahlenintensität des zweiten Laserstrahlprofils 34 in der Randfläche 33 des Laserstrahlquerschnitts 30.
Wie 3a zeigt, resultiert daraus ein Zentralbereich 17 im Bereich der Bohrung 11 in dem Werkstück 10, der nicht aufgeschmolzen wird und von einem Randbereich 16 umgeben wird. Der Zentralbereich 17 korrespondiert dabei örtlich im Wesentlichen zur Zentralfläche 31 eines Laserspots des Laserstrahls 20. Gleichermaßen korrespondiert der Randbereich 16 dabei örtlich im Wesentlichen zur Randfläche 33 des Laserspots des Laserstrahls 20 bzw. seines Laserstrahlquerschnitts 30. Folglich kann ein sehr präzises Bohren der Bohrung 11 erfolgen, bei dem quasi ein Herausstanzen des Zentralbereichs 17 erfolgt, welcher, anders als der Randbereich 16, keinen Bereich 13 mit aufgeschmolzenem Material und keinen Bereich 15 mit verdampften Material des Werkstücks 10 aufweist.
Im Ergebnis des Laserbohrverfahrens wird das in 3b gezeigte Werkstück 10 erhalten, dessen Bohrung 11 hinsichtlich der gewünschten Bohrtiefe T und Mindestbreite B der Bohrung 11 sehr präzise erzeugt werden kann.
Wie 4 zeigt, weist die Laserbohrvorrichtung 40 einen Laserbearbeitungskopf 41 auf, in dem zumindest teilweise eine Laserstrahleinrichtung 42 angeordnet ist, die ihrerseits mit einer Laserstrahlquelle (nicht gezeigt) verbunden sein kann oder diese aufweisen kann. Ferner weist der Laserbearbeitungskopf 41 eine Optik 43 auf, welche insbesondere als Scanneroptik 43 ausgebildet sein kann.
Die 5a, 5b zeigen alternative Laserstrahlquerschnitte 30, entsprechend derer der Laserstrahl 20 geformt werden kann. Dabei ist die äußere Randfläche 33 in dem Beispiel der 5a rechteckig, insbesondere quadratisch, statt ringförmig, wie in 4 geformt. In dem Beispiel der 5b ist der Laserstrahlquerschnitt 30 als ein Polygon mit 12 Ecken geformt. Entsprechend kann mit derartigen Laserstrahlquerschnitten 30 eine Bohrung 11 mit rechteckigem oder polygonalem Querschnitt erzeugt werden.
6a zeigt noch einmal den Laserstrahlquerschnitt 30 aus der 4. Dazu zeigen die 6b und 6c zwei Intensitätsverteilungsgraphen der Laserstrahlintensität I des Laserstrahlquerschnitts 30, nämlich einmal in x-Richtung und einmal in y-Richtung der gezeigten x,y-Ebene des Laserstrahlquerschnitts 30. Zu sehen ist, wie die zweite mittlere Strahlenintensität des zweiten Laserstrahlprofils 34 in der äußeren Randfläche 33 in x-Richtung und y-Richtung deutliche Intensitätsspitzen bzw. Intensitätsmaxima 35 aufweist, während die erste mittlere Strahlenintensität des ersten Laserstrahlprofils 32 im Zentralbereich 31 ein deutliches Intensitätsminimum 36 zwischen den beiden Intensitätsspitzen 35, insbesondere im oder nahe eines Flächenschwerpunkts des Laserstrahlquerschnitts 30, zeigt.
7a zeigt einen weiteren Laserstrahlquerschnitt 30 für einen möglichen Laserstrahl 20, mit dem das Laserbohren erfindungsgemäß erfolgen kann. Wie die zugehörigen Intensitätsverteilungsgraphen der 7b, 7c zeigen, fällt das Intensitätsminimum 36 im Zentralbereich 31 nicht ganz so stark aus, wie beim Laserstrahlquerschnitt 30 der 6a, wobei damit noch immer eine hohe Prozesseffizienz erzielbar ist und der Bohrdurchmesser der Bohrung 11 präzise eingestellt werden kann.

Claims

Verfahren zum Laserbohren einer Bohrung (11) in ein Werkstück (10), wobei für das Laserbohren zumindest ein Laserstrahl (20) genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahlquerschnitt (30) des zumindest einen Laserstrahls (20) eine Zentralfläche (31) mit einem ersten Laserstrahlprofil (32) aufweisend eine erste mittlere Strahlenintensität und eine die Zentralfläche (31) umgebende, äußere Randfläche (33) mit einem zweiten Laserstrahlprofil (34) aufweisend eine zweite mittlere Strahlenintensität aufweist, wobei die zweite mittlere Strahlenintensität größer als die erste mittlere Strahlenintensität ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Material des Werkstücks (10) nur in einem zur äußeren Randfläche (33) des Laserstrahlquerschnitts (30) korrespondierenden Randbereich (16) der Bohrung (11) aufgeschmolzen und/oder verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Laserbohren der Bohrung (11) durch einen oder mehrere Laserpulse (21) des zumindest einen Laserstrahls (20) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das erste Laserstrahlprofil (32) und/oder das zweite Laserstrahlprofil (34) während eines Laserpulses (21) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Durchmesser des zumindest einen Laserstrahls (20) während eines Laserpulses (21) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei eine Pulsform eines Laserpulses (21) rechteckförmig, dreieckförmig, sinusförmig oder eine Kombination von zumindest zwei der vorgenannten Formen ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zweite mittlere Strahlenintensität zumindest 10% größer als die erste mittlere Strahlenintensität ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Intensitätsgradient des zweiten Laserstrahlprofils (34) größer als ein Intensitätsgradient des ersten Laserstrahlprofils (32) ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Laserstrahl (20) in der Zentralfläche (31) ein Strahlenintensitätsminimum (36) seiner Strahlenintensität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Strahlintensitätsminimum (36) in einer Laserstrahlausbreitungsrichtung des zumindest einen Laserstrahls (20) propagiert.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die äußere Randfläche (33) eine Ringform, eine Quadratform oder eine Polygonform aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das zweite Laserstrahlprofil (34) durch mehrere, insbesondere azimutal angeordnete, Laserstrahlen (20) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das zweite Laserstrahlprofil (34) im Wesentlichen homogen ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Bohrung (11) mit einer Bohrtiefe (T) von ≤ 3 mm und/oder mit einem Aspektverhältnis von Bohrtiefe (T) zu Mindestbreite (B) der Bohrung (11) von ≤ 1:100 erzeugt wird.
Laserbohrvorrichtung (40) zum Laserbohren einer Bohrung (11) in ein Werkstück (10), wobei die Laserbohrvorrichtung (40) eine Laserstrahleinrichtung (42) zum Emittieren zumindest eines Laserstrahls (20) und eine Optik (43) zum Ausrichten des zumindest einen Laserstrahls (20) auf das Werkstück (10) derart aufweist, dass ein Laserstrahlquerschnitt (30) des zumindest einen Laserstrahls (20) eine Zentralfläche (31) mit einem ersten Laserstrahlprofil (32) aufweisend eine erste mittlere Strahlenintensität und eine die Zentralfläche (31) umgebende, äußere Randfläche (33) mit einem zweiten Laserstrahlprofil (34) aufweisend eine zweite mittlere Strahlenintensität aufweist, wobei die zweite mittlere Strahlenintensität größer als die erste mittlere Strahlenintensität ist.