DE10249722A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserbohren - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Laserbohren wird in einem Bauteil (4) eine Bohrung mittels eines Laserpulses (10) erzeugt, wobei vorgeschlagen wird, den Laserpuls (10) in sich zu zerteilen und auf diese Weise einen oder mehrere Teilpulse (11) zu erzeugen, der bzw. die ihrerseits die Bohrung im Bauteil (4) erzeugen. Hierdurch wird die Konizität bisheriger Bohrungen verringert, so dass die Anzahl zylindrischer Bohrungen pro Fläche erhöht und die Bauteilverschmutzung verringert werden kann.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserbohren, wobei eine Bohrung mittels eines oder mehrerer Laserpulse in einem Bauteil erzeugt wird. Entsprechend weist die Vorrichtung einen gepulsten Laser auf.
• Das Laserbohren dient beispielsweise zur Erzeugung von Filtern oder Düsen. Bei der Filtererzeugung betragen etwa typische Bohrungsdurchmesser zwischen 50 und 120 μm. Die Bohrungen werden mit einem Laser in Einzelschusstechnik realisiert, wobei die Einbringgeschwindigkeit mit der Einzelpulstechnik bis zu 500 Bohrungen pro Sekunde beträgt und das Bauteil (meist Metalle oder Keramiken) sich bei zylindrischen Geometrien kontinuierlich dreht und linear bewegt, während der Laser (meist Nd : YAG oder Yb : YAG) mit einer konstanten Pulsrate pulst. Der engste Querschnitt der Bohrung ist in der Regel der innere Bohrungsdurchmesser am Strahlaustritt des Bauteils. Der äußere Bohrungsdurchmesser (Strahleintritt) ist je nach Schachtverhältnis der Bohrungen meist deutlich größer, da beim Strahlungseintritt noch die meiste Energie auf das Bauteil übertragen wird.
• Die maximal zulässige Packungsdichte und Bohrungsanzahl der Laserbohrungen richtet sich nach dem größeren Durchmesser, um eine möglichst geringe Schwächung des Materials zu erreichen.
• Bei dem genannten Verfahren des Einzelpulsbohrens muss die gesamte zum Durchbohren des Bauteils notwendige Energie in einem Laserpuls enthalten sein, wobei der Eintritt der Bohrung im Verhältnis zum Bohrungsaustritt relativ groß wird, da nur noch wenig Energie am Austritt vorhanden ist. Ein derartiger Einzelpuls ist üblicherweise so gestaltet, dass mit Beginn des Blitzlampenpulses ein Pulsanstieg mit Spiking (Anfangspulsüberhöhung) sowie nach dem Pumpende ein Pulsabfalls vorhanden ist, der nicht für die eigentliche Bearbeitung genutzt werden kann, bei der das Material schockartig erhitzt wird und verdampft, sondern nur die Bearbeitungsstelle erwärmt und unerwünschte Schmelze verursachen kann. Die Fertigung einer zylindrischen Bohrung ist somit nur eingeschränkt möglich.
• Zur Überwindung dieses Nachteils ist bereits vorgeschlagen worden, eine Bohrung mit mehreren Einzelpulsen (Perkussion) zu erzeugen. Nachteil einer Perkussions-Bearbeitung ist jedoch bisher das keine "On The Fly" Bearbeitung (Drehen des Bauteils während der Abgabe der einzelnen Pulse zur Erzeugung einer Bohrungsanordnung) möglich war, da auf der selben Stelle mehrere Laserpulse abgegeben werden müssen, bis die gewünschte Bohrung entsteht.
• Es besteht somit ein Bedürfnis, Bohrungen mit zylindrischen Abmaßen zu erzeugen, da diese dichter gesetzt werden können, ohne das Bauteil zu schwächen. Diese Bohrungen sollen weiterhin "On The Fly" bearbeitet werden, so dass jeder Laserpuls eine Bohrung mit der genannten Geometrie erzeugt.
• Vorteil der Erfindung
• Erfindungsgemäß wird ein vorhandener Laserpuls, der bisher bei der Einzelschusstechnik eine Bohrung erzeugt, in sich zerteilt, so dass ein oder mehrere Teilpulse entstehen, die die Bohrung erzeugen. Dementsprechend sind dem gepulsten Laser in einer Vorrichtung zum Laserbohren Mittel zur Zerteilung der Laserpulse nachgeschaltet.
• Der zerteilte und somit in ein oder mehrere Teilpulse unterteilte Laserpuls erzeugt eine Perkussionsbohrung, wobei durch Drehung des Bauteils eine Bohrungsanordnung "On The Fly" erzeugt werden kann. Die Bohrungsgeometrie ist jedoch im Vergleich zur herkömmlichen Perkussions-Bearbeitung deutlich verbessert, da die Teilpulse im Gegensatz zu einem ungeschnittenen Puls steile Flanken besitzen, wodurch unnötige Aufwärmung durch Pulsanstieg und Pulsabfall vermieden wird, so dass weniger Schmelze im Bauteil erzeugt wird. Der Laserpuls mit einer Pulsdauer mit bislang 0,1 bis 0,2 ms wird auf mehrere Pulse aufgeteilt, so dass der Bohrfortschritt günstig beeinflusst werden kann. Die erzeugten Bohrungen weisen zylindrische Gestalt auf. Durch die geringer Konizität fällt folglich weniger Austriebsmaterial an, wodurch die Verschmutzung der Bauteile und somit der Reinigungsaufwand deutlich abnimmt.
• Der ursprüngliche Laserpuls kann in Teilpulse gleicher oder unterschiedlicher Länge zerteilt werden. Durch die mögliche Gestaltung des hiermit verbundenen Energieeintrags lassen sich verschiedene Bohrungsgeometrien realisieren.
• Weiterhin ist vorteilhaft, die Intensität und/oder die Pulsdauer des ursprünglichen, zerteilten Laserpulses höher zu wählen als die des entsprechenden unzerteilten Laserpulses bei herkömmlichen Verfahren. Da bei der Zerteilung des Laserpulses Anteile des Pulses herausgeschnitten werden, kann es nötig sein, Intensität und/oder Pulsdauer zu erhöhen, um den Energieeintrag unverändert zu lassen. Bei bisherigen Pulsdauern von 0,1 bis 0,2 msec ist eine Erhöhung der Pulsdauer auf 0,1 bis 0,5 msec besonders geeignet.
• Die Gesamtdauer des Laserbohrvorganges für eine zylindrische Einzelbohrung (mit dem zerteilten Laserpuls) ist vorteilhaft nur so hoch, dass die Bohrung während der Bauteildrehung nicht merklich oval wird.
• Es kann vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren auch beim eingangs erwähnten Perkussionsbohren einzusetzen, bei dem eine Bohrung mit mehreren kurzen Einzelpulsen erzeugt wird. Vorraussetzung hierfür ist selbstverständlich, dass die Perkussionspulse noch eine weitere Zerteilung in Teilpulse zulassen. Die Pulsdauer der einzelnen Perkussionspulse wird bis in den ps/fs-Bereich derzeit verkürzt.
• Herkömmliche Laserbohranlagen werden zur Implementierung der Erfindung beispielsweise mit einer Pockels- oder Kerrzelle ergänzt, die aus einem einzelnen Laserpuls einen oder eine Abfolge einzelner Teilpulse erzeugt. Derartige Zellen beruhen auf dem Pockels- bzw. Kerr-Effekt, bei dem durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes der Brechungsindex des Mediums durch den ein Lichtstrahl hindurchtritt, geändert wird (Doppelbrechung). Bei den betreffenden Zellen befindet sich das Medium zwischen gekreuzten Polarisatoren, so dass durch Anlegen einer (Wechsel-) Spannung der Lichtstrahl (periodisch) unterbrochen werden kann. Solche Zellen erlauben folglich eine Unterteilung einzelner Laserpulse in einen oder mehrere Teilpulse.
• 1 zeigt eine erfindungsgemäß ausgestaltete Laserbohranlage in schematischer Darstellung und
• 2 zeigt einen Laserpuls mit einer Folge erfindungsgemäß erzeugter Teilpulse (2A), sowie einen erfindungsgemäß erzeugten Doppelpuls (2B) und Einzelpuls (2C).
• Bevorzugte Ausführungsform
• 1 zeigt in schematischer Darstellung eine herkömmliche Laserbohranlage für das Hochgeschwindigkeitsbohren in Einzelpulstechnik.
• Dargestellt ist ein Laserbearbeitungskopf 1 mit einem Fokussierobjektiv 8 und einem halbdurchlässigen Umlenkspiegel 2, der den Laserstrahl 3 mittels des Fokussierobjektivs 8 auf das zu bearbeitende Bauteil 4 lenkt und fokussiert. Die auf die Bauteiloberfläche in Form eines Laserpulses aufgebrachte Energie dient in diesem Beispiel zum Erzeugen eines Bohrlochs durch das Bauteil 4. Das Bauteil 4 wird von der Aufnahme 5 gehalten, die ihrerseits auf einem Achssystem 7 gelagert ist, das eine räumliche Verschiebung des Bauteils 4 in allen drei Raumrichtungen innerhalb vorgegebener Bereiche ermöglicht.
• Von der bearbeiteten Stelle reflektierte Strahlung kann zurück über das Fokussierobjektiv 8 durch den teildurchlässigen Spiegel 2 treten und mittels des Sensors 8 für Plasmabeobachtung detektiert werden. Dieser Sensor 8 erlaubt eine Prozesskontrolle anhand von aus der rückreflektierten Strahlung abgeleiteten Prozessparameter.
• Erfindungsgemäß ist dem Laser, hier dem Laserbearbeitungskopf 1 eine Pockelszelle 6 nachgeschaltet, wie sie an sich dem Fachmann bekannt ist. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die Pockelszelle 6 wird erfindungsgemäß ein abgegebener Laserpuls in ein oder mehrere Teilpulse zerlegt. Während bisher mittels eines Einzelpulses eine zylindrische Bohrung im Bauteil 4 erzeugt wurde, wird nunmehr mittels aus diesem Laserpuls erzeugten Teilpulsen eine zylindrische Bohrung mit deutlich herabgesetzter Konizität erzielt. Dies erlaubt die Herstellung zylindrischer Bohrungen mit deutlich verringerter Fehlertoleranz und insbesondere von Filtern, die bei gleichbleibender Schwächung des Materials eine höhere Bohrungsanzahl pro Fläche aufweisen.
• 2A–C zeigt jeweils einen herkömmlichen Laserpuls 10, der erfindungsgemäß in Teilpulse 11 zerteilt ist. Zur Zerteilung des Laserpulses 10 wurde eine Pockelszelle. verwendet, die sich dadurch auszeichnet, dass die erzeugten Teilpulse 11 steile Flanken besitzen. Hierdurch kann unnötiges Aufwärmen oder Aufschmelzen aufgrund eines flachen Pulsanstiegs und Pulsabfalls vermieden werden. Die bisherige Form der Einzellaserpulse ist in den 2A bis 2C durch den einhüllenden Laserpuls 10 dargestellt, der einen relativ steilen Pulsanstieg und einen relativ flachen Pulsabfall aufweist. Demgegenüber zeigen die erfindungsgemäß erzeugten Teilpulse 11 deutlich steilere Flanken. Dargestellt sind die Beispiele einer Pulsfolge (2A), eines Doppelpulses mit Teilpulsen 11 unterschiedlicher Pulsdauer (2B) sowie eines Einzelpulses (2C). Es ist vorteilhaft, den Ursprungspuls in seiner Intensität und Pulsdauer etwas höher zu wählen als den für das bisherige Laserbohren verwendeten Einzellaserpuls.
• Bei bisherigen Anwendungen wie der Düsenspannschraube, in welche 550 Bohrungen in 5 sec eingebracht werden ist eine Konizität von mindestens K > 6 (Außendurchmesser – Innendurchmesser > 60 μm) erreichbar. Diese Konizität wird durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Zerteilung in Teilpulse mittels einer Pockelszelle deutlich verringert. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Ovalität der Bohrungen reduzieren lässt. Bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 88 mm/s und einer Bohrzeit von 0,1 bis 0,2 ms bewegt sich das Bauteil während des Laserpulses (einhüllender Laserpuls) um 9 bis 18 μm weiter, was der Ovalität einer Bohrung entspricht. Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Pulszerteilung kann, wie aus den 2A bis C ersichtlich, aufgrund der Flankensteilheit ein insgesamt kürzerer Puls erzeugt und somit die Ovalität verringert werden. Gegebenenfalls wird dann die Intensität des ursprünglichen Laserpulses erhöht.
• Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für das Hochgeschwindigkeitsbohren, insbesondere zur Erzeugung von Filtern. Die Bohrungen weisen kleinere Konizität auf als Bohrungen konventioneller Einzelpulsfertigung, so dass ohne Schwächung der Bauteilstruktur mehr Bohrungen pro Fläche untergebracht werden können und die Verschmutzung des Bauteils nach dem Bohren geringer ist.

Claims (6)

1. Verfahren zum Laserbohren, bei dem eine Bohrung mittels eines oder mehrerer Laserpulse (10) in einem Bauteil (4) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. zumindest einer der Laserpuls (10) in sich zerteilt wird, wobei die Bohrung mittels des oder der erzeugten Teilpulse (11) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilpulse (11) gleiche oder unterschiedliche Länge aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zerteilung des Laserpulses (10) eine Pockets- oder Kerr-Zelle (6) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität und/oder die Pulsdauer des zerteilten Laserpulses (10) höher gewählt wird als die des entsprechenden unzerteilten Laserpulses zur Erzeugung einer Bohrung.
5. Vorrichtung zum Laserbohren mit einem gepulsten Laser, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laser (1) Mittel (6) zur Zerteilung von Laserpulsen nachgeschaltet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) zur Zerteilung von Laserpulsen eine Pockels- oder Kerr-Zelle (6) sind.