WO2020253930A1 - Method and device for drilling components - Google Patents

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WO2020253930A1
WO2020253930A1 PCT/EP2019/000186 EP2019000186W WO2020253930A1 WO 2020253930 A1 WO2020253930 A1 WO 2020253930A1 EP 2019000186 W EP2019000186 W EP 2019000186W WO 2020253930 A1 WO2020253930 A1 WO 2020253930A1
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WO
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bore
drilling
hole
laser radiation
area
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/000186
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German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Schulz
Torsten HERMANNS
Stefan Janssen
Ryu SUZUKI
Hideki Moriai
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Mitsubishi Heavy Industries Aeronautic Engines Limited
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Publication date
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Priority to DE112019007467.9T priority patent/DE112019007467A5/en
Priority to JP2021575207A priority patent/JP2022548343A/en
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    • B23K26/36Removing material
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    • B23K26/388Trepanning, i.e. boring by moving the beam spot about an axis
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    • B23K2101/00Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/001Turbines

Definitions

  • the present invention relates to a method for drilling components made of metallic materials and components made of layered, metallic and dielectric materials by means of laser radiation.
  • the present invention also relates to a device with which a corresponding method can be carried out.
  • Laser radiation is used in particular for ablating and drilling metallic materials and composite materials made of dielectric (e.g. ceramic) and metallic layers, known as fusion drilling.
  • metallic materials and composite materials made of dielectric (e.g. ceramic) and metallic layers known as fusion drilling.
  • fusion drilling metallic materials and composite materials made of dielectric (e.g. ceramic) and metallic layers
  • high removal rates are required to create bores, consequently high productivity and high quality, especially good
  • Conicity K r B, t op / r B, offered uhe * the avoidance of a recast, desired.
  • the geometric shape of the bore e.g. cylindrical, conical
  • the morphology of the bore wall e.g. solidified melt / recast
  • Known techniques for drilling with laser radiation are distinguished on the basis of the dominant mechanism for removing the material from the hole being formed. The removal can take place predominantly through expulsion of melt or predominantly through expulsion of evaporated material.
  • the group of drilling techniques with dominant melt expulsion include single pulse drilling (drilling with a single pulse), percussion drilling (multiple pulses with a fixed position of the beam axis of the radiation relative to the workpiece) and trepanning drilling (multiple pulses with the moving position of the beam axis of the radiation relative to the workpiece) .
  • the individual drilling techniques have both advantages and disadvantages.
  • Percussion drilling is a technique in which laser light is irradiated without changing the irradiation position in order to create a hole or a bore at this irradiated position.
  • the percussion drilling requires a small machining time because the irradiation position of the laser light is not moved.
  • Single pulse drilling and percussion drilling have the advantage of high removal rates (high productivity). Disadvantages are too small maximum achievable bore diameter, which is limited by the beam diameter of the laser radiation, poor quality of the bore due to incomplete melt expulsion, due to deposits of solidified melt on the bore wall and / or at the bore inlet and outlet as well as poor precision with regard to the Bore diameter.
  • Trephination drilling is a technique in which the laser light is moved along a circumference of a hole to be formed, the laser light having a spot diameter or beam diameter that is smaller than the hole to be made or the bore to be made in order to thereby forming an opening along this circumference and so the hole or the To create a hole.
  • the shape accuracy of the hole is great, since the irradiation with laser light takes place along the circumference of the hole to be created.
  • Trephination drilling has the disadvantage, however, that long drilling times are required, since a large proportion of the radiation used shines through the component through the existing hole and is not used.
  • Percussion drilling is only used industrially when, regardless of the state of the art, the still existing poor quality of the drilling tion, ie incomplete melt expulsion with layer thicknesses of an adhering, solidified melt of typically more than 100 ⁇ m and thus a low precision of the hole shape, which does not restrict the function of the product.
  • the drilling techniques with a dominant evaporation also include helical drilling and laser eroding.
  • the radiation is rotated around the beam axis in order to compensate for any deviation of the spatial distribution of the laser radiation from a circular symmetry over time.
  • An approximation to the required geometrical shape and the required quality of the bore is currently 'only reachable by the helical drilling or a sequential combination of percussion and helical drilling.
  • DE 101 44 008 A1 describes a method for producing a hole in a workpiece by means of a laser beam.
  • a borehole is drilled with a first diameter which is smaller than the final diameter to be achieved, and in a second step or in further steps the borehole is widened to the diameter to be achieved. Consequently, a percussion bore produced with predominantly melt expulsion is widened to the desired diameter in a second process step by removing material as steam, so that almost no residues of solidified melt remain on the bore wall.
  • Such drilling techniques have the disadvantage that the drilling time is too long or the productivity is too low as a result.
  • the expulsion of the melt is generated by the evaporation of material and is thus controlled solely by the intensity of the laser radiation, which does not allow targeted control of the bore diameter and avoidance of melt deposits, also known as recast.
  • a second method step for smoothing the bore wall by evaporation removal of material is then required, as is indicated in the above-mentioned DE 101 44 008 A1.
  • the prior art which relates to drilling with dominant melt expulsion, as is also described in DE 101 44 008 A1, teaches that a rough and crack-prone layer of re-solidified melt (recast) can occur on the bore wall and to Deviations from the desired, geometric shape of the hole leads. Therefore, according to DE 101 44 008 A1, a recast and the deviations from the required bore diameter are to be removed by reworking and the bore wall to be smoothed by removal by means of evaporation removal.
  • US 5837964 describes a laser machining method in which percussion drilling and trepanning are used in succession. This document describes an aspect ratio greater than 10 and a sequential, successive processing of first percussion drilling and subsequent trepanning.
  • the invention is based on the object of specifying a method for drilling metallic Werkstof and of layered materials made of metallic and dielectric materials, in which at least some of the disadvantages described above with reference to the prior art avoided and, in particular, the required machining time is shortened without reducing the machining accuracy.
  • a device is also to be specified with which the method can be carried out.
  • this object is achieved by a method having the features of independent claim 1 and according to the device by a device having the features of independent claim 12.
  • Advantageous embodiments of the method and the device emerge from the dependent claims.
  • components made of metallic work materials and components made of layered metallic and dielectric materials by single pulse / percussion drilling and trepanning with laser Radiation and drilled with dominant melt ejection.
  • the single pulse drilling is to be regarded as a non-pulsed process, since the energy flux density of the laser radiation is not interrupted in time until the drilling has been completed or the drilling has taken place.
  • Trephination drilling can also be performed both pulsed and non-pulsed without time interruptions (pulse pause).
  • the individual pulse / percussion drilling and the trepanning drilling are carried out simultaneously in terms of time.
  • a high energy flux density of the radiation is set in the overlap area (O) and a low energy flux density is set in the edge area.
  • Drilling in the overlap area (O) and high quality removal of the hole wall in the edge area combines the advantages of the known drilling methods, namely the high productivity of single-pulse or percussion drilling and the high quality of trepanning drilling.
  • the combination of the known drilling methods requires compliance with an interval with maximum and minimum nimal values for the intensity of the laser radiation, with the maximum and minimum values to be observed both in the overlap area (O) and in the edge area R being of different sizes.
  • the setting of the two different intervals for the intensity of the laser radiation is achieved by using pulsed laser radiation with a moving laser beam axis, the movement of the laser beam axis having to take place in such a way that an overlap area (O) is created which is irradiated by each pulse of the laser radiation, and an outer edge area R which is not irradiated by every pulse.
  • the setting according to the invention of the two different intervals for the intensity of the laser radiation is achieved by suitable beam shaping even without moving the laser beam axis.
  • the overlap area is defined as the area that is irradiated with each pulse of the laser radiation.
  • the edge area is defined as the area that lies outside the overlap area and within the laser beam radius.
  • This restriction for the aspect ratio A ⁇ A max is relevant, since for a larger aspect ratio A, greater than 10, in addition to the radiation set according to the invention with which the bore wall (H w ) is directly irradiated and removed at a point A, also from the borehole wall (H w ) at another point B contributes radiation reflected to the ablation at point A.
  • the setting of the laser radiation (LS) according to the invention on the bore wall (H w ) is changed by the reflected radiation and the method can no longer be carried out.
  • An essential measure of the method according to the invention is also to be seen in the division of the bore (H) to be created into a central area or overlap area (O) and an edge area (R).
  • the spatial distribution of the radiation (LS) perpendicular to the bore axis (H a ) of the bore to be reached (H) is set differently in the overlap area (O) and in the edge area (R).
  • the setting of the direction of the Poynting vector ⁇ S>, which is assigned to the laser radiation (LS), in the edge area (R) of the bore to be reached (H) can be done by setting the focus position and Rayleigh length of the laser radiation (LS).
  • a threshold value is defined for the minimum energy flux density required for ablation, which is defined as a number with the dimension Wem 2 for a pulse duration longer than one nanosecond or Jcm 2 for a pulse duration shorter than 10 picoseconds (corresponds to 10 4 Wm 2 or Jm 2 ), which replaces all otherwise known parameters relevant to drilling for characterizing the material to be drilled (melting temperature, heat capacity, thermal conductivity, etc.) and which has a typical value of 10 4 to 10 5 W » cm 2 or 1 for metallic materials to 10 J "cm 2 takes.
  • the laser radiation (LS) is preferably guided during drilling in such a way that its beam axis (B A ) moves along at least one closed trajectory (C) to be traversed once.
  • half the beam diameter (D s ) is selected to be at least as large as half the diameter (De) of the trajectory (C).
  • the movement of the laser radiation (LS) during drilling takes place, for example, with the aid of a scanner.
  • the energy flux density of the radiation (LS) in the overlap area (O) and in the edge area (R) of the borehole (H) to be created can be set differently in terms of the time average. This means that the laser radiation is pulsed while the beam axis (B A ) runs through a closed trajectory curve (C), as well as the time between two consecutive pulses (pulse pause) is changed, and that the path speed v c is changed in terms of the time average.
  • the Poynting vector ( ⁇ $>) is set in the edge area (R) of the bore (H) with a directional component that points to the bore wall (H w ) of the bore (R) to be created. This measure increases the absorption of the incident radiation (LS) and the reflection of the radiation (LS) on deeper areas of the bore wall (Hw) of the bore (H) being formed is avoided or at least reduced to such an extent that the threshold value for the Removal is not exceeded and there is no uncontrolled removal.
  • the limit fluence F th that is the threshold value for a pulse duration shorter than 10 picoseconds, is reached or even fallen below during the formation of the bore or after a finite number of periods of passes, since the bore wall becomes increasingly steeper with each pulse and so the fluence of the radiation incident on the bore wall falls on an increasingly larger area or extent of the bore wall. If the limit fluence F th is reached or undershot, then no further removal is possible and the asymptotic geometrical shape of the bore is achieved. This is the definition and the measurement rule for the values for the limit fluence F th determined from the comparison of simulation and experiment.
  • the geometric shape of the hole approaches a final or asymptotic shape, also referred to as the end shape, and can then not be removed any further.
  • An approach to an asymptotic always means that the result of the drilling, when the asymptotic is reached, no longer depends on the irradiation time, or only weakly when it is approached, and is thus assumed to be reproducible.
  • An asymptotic shape of the bore or asymptotics is understood to mean that bore shape which occurs after a certain number of pulses of laser radiation (pulsed laser radiation) or after a certain irradiation duration (cw laser radiation) and which occurs with all subsequent pulses or subsequent irradiation no longer changes, which is also referred to as a removal stop.
  • the number of pulses of the laser radiation after which the asymptotic is present or an asymptotic is approximated depends on the values of the material, beam and process parameters.
  • An approach to an asymptotic therefore means that the hole shape achieved does not change any more as the irradiation time progresses, or that the result of the hole shape changes only very slightly as the irradiation time progresses, so that the present hole shape is assumed to be reproducible and thus reaches a final shape.
  • reaching the final shape of the hole is determined by setting the laser radiation (LS) to the edge area (R) and a threshold value is defined for reaching the final shape of the hole (H), which is defined as a number with the dimension W » cm 2 for a pulse duration longer than one nanosecond or cm 2 for a pulse duration shorter than 10 picoseconds (corresponds to 10 -4 W * m 2 or J * m ⁇ 2 ), which are all otherwise known parameters relevant for drilling Replaces characterization of the material to be drilled and which assumes a typical value of 10 4 to 10 5 W « cm 2 or 1 to 10 J * cm 2 for metallic materials.
  • the laser radiation deposits the absorbed energy only in the free electrons of the material without noticeable heating of the atoms of the irradiated material.
  • the fluence (F) [J * m 2 ] is defined as the integral of an energy flux density over time, with the fluence being the proportion of energy in the laser radiation (radiation energy) that per Area the material is irradiated, defined and has the SI unit J * m 2 .
  • the bottom of the hole opens, with part of the laser radiation shining through the hole and not being absorbed by the material to be drilled.
  • the bottom of the hole (H b ) is defined here as the progressing end of the hole (H) that forms during drilling.
  • the melt is accelerated less strongly from the area around the hole and is no longer completely expelled from the hole and solidifies on the hole wall.
  • an advantageous measure for drilling with pulsed laser radiation is that when drilling with several pulses (up to the last pulse) the melt is countered before drilling through the overlapping area (O) the direction of propagation of the laser radiation (LS) is driven out of the bore (H). This is achieved by setting the energy flux density of the laser radiation in the overlap area (O) in such a way that the bottom of the hole reaches the material thickness and there is still no through hole. In this way, the remaining volume in order to achieve the final shape of the bore and that still has to be removed and that at least partially remains in the bore as an undesirable recast is as small as possible.
  • the method enables the melt to be expelled from the bore that is being formed without the use of a gas nozzle and only due to the evaporation pressure respectively.
  • the energy flux density in the overlap area, ie the area that is irradiated with each pulse of the laser radiation, and the pulse duration are set so that the bottom of the hole reaches the bottom of the component at the end of the pulse without having reached the above-mentioned asymptotics.
  • the success of a small recast thickness can be determined by measuring the recast thickness, i.e. the thickness of the enamel deposits that solidify on the bore wall and cannot be expelled and that are typically less than 100 ⁇ m for non-rotating components and typically less than 50 for rotating, accelerated components pm should be determined.
  • the intensity and the pulse duration of the radiation used are adjusted in such a way that at the time of drilling through the component on its underside (at the bottom of the hole (H b )) only a minimal, remaining volume of melt needs to be removed in order to ultimately achieve the asymptotics of the hole .
  • the very small remaining volume of material still to be removed is melted and driven partly downwards and partly upwards along the bore wall by the evaporation pressure out of the bore, where it in turn partially solidifies and forms a recast.
  • the energy flux density should not fall below a minimum value and the energy flux density should not exceed a maximum value.
  • the minimum value is determined by the fact that there is no drilling through, defined as no opening of the bottom of the hole on the underside of the component, and the maximum value is determined by the fact that the drilling time to reach the through hole increases suddenly.
  • a sudden increase means that for an energy flux density slightly less than the maximum value, a short drilling time is sufficient to drill through the material, the drilling speed v p assuming large values, typically greater than 1 ms 1 , and that for an energy flux density slightly greater than Maximum value, a long drilling time is required until drilling through and the drilling speed v p assumes small values, typically less than 10 2 ms 1 .
  • an energy flux density of the laser radiation that is too low is not sufficient to drive the melt out of the hole over its entire depth, and that the intensities of the laser radiation that are too high result in a too dense measurement. create tall vapor, which absorbs the laser radiation significantly and thus reduces the drilling speed v p .
  • alpha incremental angle
  • the production of non-circular bore cross-sections requires a beam diameter of the laser radiation that is smaller than the smallest cross-section of the bore, and the bore contour to be generated must be traced along a trajectory.
  • Cross-sectional shape e.g. B. the x-shaped section in the middle of an eight-shaped contour, when tracing the contour at least as large as the beam diameter and thus larger than by using the method according to the invention, since with the method according to the invention, the x-shaped section of the eight-shaped contour only through the Overlap area of the laser beam diameter is irradiated.
  • an eight-shaped bore is produced by setting the increment angle and the pulse pause in such a way that the increment angle between two successive pulses is 180 degrees and the laser radiation is pulsed, the pulse being repeated when reaching 0 and 180 degrees, until the eight-shaped hole shape is reached.
  • an increment angle of 180 degrees and the pulse pause are set in such a way that the increment angle between two successive pulses is 180 degrees and the pulse is repeated when 0 and 180 degrees are reached, with the overlap area being set so large that an elongated hole is created.
  • a three-hole hole this is a hole that z. B.
  • a star-shaped bore is created according to the method according to the invention when incre- angle and pulse pause are set so that the pulses are repeated when reaching 0, 360 * 1 / n, 360 * 2 / n, 360 * (n-1) / (n) degrees, where n is a natural number and 360 / n is a natural number until the star-shaped hole is reached.
  • the diameter of the bore to be created with the method according to the invention increases with the duration of the irradiation and strives for an asymptotic value.
  • the removal per pulse or the drilling speed v p tends to zero and the diameter of the hole is reproducible.
  • the total flow volume for example of fuel filters, is added up from the flow volumes of the individual bores. Turbines are cooled by bores, the diameter and widening of which (conicity) determine the cooling effect.
  • the production of bores in fuel filters and turbine parts is therefore a particularly important field of application of the method according to the invention.
  • the flow behavior when gases and liquids emerge from a borehole are determined by the angle of the borehole wall to the material surface and the widening of the borehole, ie the conicity of the borehole. Maintaining a predefined conicity is crucial for the distribution of cooling gases on material surfaces, for example to protect turbine components. With the method according to the invention, such a conicity can be set in a very defined manner by the Poynting- - >
  • the cylindrical or conical shape of a bore is a prerequisite for a laminar flow of liquids and gases through the bore.
  • the diameter of holes in multi-layer systems consisting of a base material, an adhesion promoter layer and a thermal insulation layer, as is the case in particular in turbine components, must be adjustable independently of the material layer to be drilled through during drilling, so that regardless of the material layer to be drilled through, a smooth bore wall and a bore diameter that widens or narrows evenly with increasing bore depth.
  • this is possible in that first the thermal insulation layer is drilled through, which requires a greater energy flux density for drilling or has a greater value for the threshold fluence, and the drilling duration is selected so that the hole in the thermal insulation layer achieves its asymptotic shape and during subsequent drilling in deeper layers of material with a lower energy flux density or a lower value for the threshold fluence, it is no longer removed.
  • Another surprising property of the method according to the invention can be seen in the fact that a defined conicity can be carried out over the entire depth of the hole when drilling multilayer systems with very different properties for the absorption of laser radiation and heat conduction - ceramic of the thermal insulation layer and metal of the base material.
  • the layers to be drilled first have a surprisingly negligible effect on the drilling process and thus the shape of the hole. This is understood as a consequence of the melt flow, which flows over the ceramic layers drilled first and covers them, whereby the absorption of laser radiation and heat conduction for the thermal insulation layer and the metallic base material become the same and a smooth bore wall is created.
  • the method according to the invention has a melt expulsion counter to the jet direction from the beginning of the drilling up to the time of the drilling through. Since the hole is created in the central area, areas of the hole where there is a lack of quality - here shape deviations due to different material properties - are removed in the further course of drilling and thus do not contribute to the quality of the hole.
  • the melt of the lower-lying metallic layers are driven in the direction of the overlying, for example ceramic layers and cover them, which means that the radiation on the molten material is absorbed from the deeper layers and the heat is dominated by the covering melt.
  • Layers in the area of the hole are not reduced. For example, if the thermal insulation layer of turbine components is damaged, the layers of the components that are thermally and mechanically highly stressed during operation can detach from the base material and protection by the thermal insulation layer is no longer guaranteed. Since the adhesion between the layers is thermally stressed during drilling by the melt flowing out of the hole wall against the direction of the jet, the layers being heated again to the melting temperature of the melt flowing past during each pulse and due to the different thermal expansion in the different layers If the layers result in a thermomechanical shearing effect of different strengths, the pulse pause between two successive pulses must be chosen so large that the heating by heat diffusion can decrease again and there is no accumulation of heat, which would increase the shearing effect.
  • the penetration depth of the heat (scaled the thickness of the thermal insulation layer) in the thermal insulation layer must remain less than 1, otherwise the shearing effect will be too strong, as shown in the graphic in Figure 4 of the drawing.
  • the depth of penetration of the heat into the thermal insulation layer and the temperature on the bore wall of the thermal insulation layer after heating are shown in the time tp and a pulse pause tpause.
  • Ta indicates the ambient temperature
  • Tm indicates the melting temperature.
  • a deposit of solidified melt (recast) on the bore wall is avoided.
  • a defined bore diameter can only be achieved if the geometric shape of the bore is not changed by irregular deposits of solidified melt on the bore wall, which would also affect the drilling progress and the geometric shape of the drilling unsystematically.
  • cracks and stresses can arise in the solidified melt, which can lead to damage during operation of the component.
  • highly stressed components such as turbine blades and fuel filters, avoiding deposits from solidified melt increases their service life.
  • burrs due to solidified melt at the hole outlet is avoided because the method creates a through hole in the overlap area which has a smaller hole diameter than the hole diameter of the edge area after the asymptotic shape of the hole has been reached.
  • the burr that arises at the beginning of the hole at the hole exit in the overlapping area is still Tart-to-tetrachloric acid, and since the two areas are abraded close to each other, a short drilling time is achieved. Avoiding the formation of burrs saves post-processing and reduces the production time, for example of turbine components and fuel filters, and the efficiency of cooling is increased, since otherwise burr formation at the bore outlet reduces the flow resistance of a cooling fluid and thus the efficiency of cooling.
  • the melt can be expelled in the direction opposite to the incident laser radiation by a pressure gradient due to evaporation of the component material at the bottom of the hole, which is much more efficient for small hole diameters in the initial phase of drilling than a pressure gradient due to a driving, external gas jet .
  • an external gas jet is required to expel the melt.
  • the melt expulsion in the overlapping area by pressure gradients due to evaporation is sufficient and an external gas jet is not required.
  • the outflow of dominant portions of the melt from the overlapping area out of the bore and against the incident laser radiation reduces the recast on the bore wall.
  • Very small radii of curvature can be achieved at the trailing edge of the hole.
  • These small radii of curvature ideally a sharp edge, which corresponds to 90 degrees or a right-angled edge, are achieved by increasing the absorption of the laser radiation on the bore wall near the leading edge by adding the Poynting vector ( ⁇ S>) in the edge area (R) of the bore (H) has a directional component which changes with the bore depth and which points to the bore wall (H w ) of the bore (H) to be reached.
  • the resulting melt should detach itself from the leading edge (so there should be no burr), and while the hole is in use, for example as a hole in a nozzle, a fuel, for example, is supposed to detach itself from the trailing edge.
  • the detachment of a liquid flow at the bore opening i.e. both at the leading edge where the bore is made and at the bottom of the component where the bore bottom opens first) is determined by the curvature of the trailing edge. In the case of injection nozzles, the curvature of the trailing edge is decisive for the detachment and the complete burning of the fuel in the combustion chamber.
  • the device according to the invention for drilling components made of metallic materials and components made of layered metallic and dielectric materials has a laser processing device which comprises at least one beam unit which directs laser radiation onto the component, and has a control unit which controls the radiation unit in such a way that that a spot area, defined as a region of the component irradiated with the laser radiation on an upper side, moves along an inner circumferential section, which is a position corresponding to an inner circumference of the bore to be created, and further controls such that part of the spot area creates an area of overlap within the inner peripheral portion of the bore at any point in time.
  • the device uses the irradiation or cross-sectional area of a spot area of the laser radiation that strikes the component, which is smaller than a cross-sectional area of the bore to be created.
  • the laser processing device emits the laser radiation in such a way that a point diameter, which is a diameter of the spot area, is greater than half a length of a diameter of the bore to be created and less than the length of the diameter of the bore.
  • a point diameter which is a diameter of the spot area
  • an excessively high energy flux density of the laser light which is necessary for drilling through and desired for quickly drilling through the overlap area, is advantageously reduced at the edge of the opening, i.e. in the edge area, the reduction in energy flow density leading to a smaller removal volume per pulse and thus the accuracy of the shape the drilling improved.
  • the control unit controls the laser beam unit in such a way that the laser radiation expands an area of the opening in the component, seen in the radial direction to the beam axis, from the overlapping area outwards.
  • an auxiliary fluid supply unit which supplies a fluid to the top of the component and into the bore that is being formed in the component.
  • the laser processing device can have a laser oscillation unit that oscillates the laser radiation in the radial direction with respect to the beam axis, and a galvano scanner unit that changes a position of the spot surface by reflecting the laser radiation, while at the same time an optical path of the laser radiation oscillated by the laser oscillation unit changes, insert.
  • Figures 1 to 3 show in schematic cross-sectional representations the creation of a hole in a component in a time sequence using the method according to the invention in each case in a plane containing the axis of the hole, wherein
  • Figure 1 shows the geometric shape of the bore wall and the bore bottom before the time of drilling through the bore bottom
  • Figure 2 shows the geometric shape of the bore wall at a point in time of drilling through
  • FIG. 3 shows the geometric shape of the bore wall when the bore wall has assumed its predefined geometric shape to be achieved
  • FIG. 4 shows a graph that shows the temperature on the bore wall on the thermal insulation layer after heating by the melt flowing past in a time tp and a pulse pause tpause
  • Figure 5 shows the geometric relationships of a hole to be created in a cross section perpendicular to the hole axis
  • FIGS. 6A to 6E show a chronological sequence of cross-sectional representations corresponding to FIG. 5 of the drilling process for creating the hole by superimposing radiation components in an edge area and in an overlapping area
  • Figure 7 shows in the sequence of images (1) to (4) the progressive drilling through a component
  • FIG. 8 shows, in the sequence of images (1) to (4), a trepanning process as it is used according to the prior art to produce a bore
  • FIG. 9 shows the schematic structure of a device according to a first embodiment with which the method according to the invention can be carried out
  • FIG. 10 shows the structure of FIG. 9 with an additional auxiliary gas supply unit
  • FIG. 11 shows a schematic view of a device for drilling, in a partially sectioned representation, as it can be used in the devices of FIGS. 9 and 10, and with an auxiliary gas supply source assigned to the device for drilling.
  • FIG. 1 shows the cross-sectional representation of a component 1, which has a thickness d perpendicular to its upper side 2, before the point in time of drilling through the bottom of the hole H b .
  • the component 1 consists of a metallic material or of layered metallic and dielectric materials.
  • a bore H is already formed with a bore axis H a , which runs in the plane of the cross section, the bore wall of which is denoted by H w .
  • the drilling speed is denoted by v p and indicates the movement of the bottom of the hole H b in the direction of the hole axis H a .
  • R denotes an edge area which is defined as that area which lies outside the central or overlap area O and is irradiated with a lower energy flux density of the laser radiation LS during drilling.
  • the beam axis B with a beam direction of the laser radiation is moved on a trajectory C with a direction R c and runs through this trajectory C repeatedly until the drilling result sketched in FIG. 3 is achieved.
  • the trajectory C lies in a plane perpendicular to the beam axis B A (beam axis).
  • the bore H in FIG. 1 has not yet penetrated the underside 3 of the component 1 and shows a conical cross-sectional shape. This means that the bore H is still limited by a bore base H b , to which a diameter Do of the overlap area O is assigned.
  • the overlap area O is shown in dashed lines in FIGS. 1 to 3.
  • the melt is consequently accelerated against the beam direction of the beam axis B A of an inserted laser radiation LS out of the hole base H b and expelled from the hole H along the hole wall H w on the upper side 2 of the component 1.
  • the accelerating effect is caused by the evaporation of the material at the bottom of the hole H b and the evaporation pressure or ablation pressure acting on the melt of the material.
  • FIG. 2 now shows, in broken lines, the cross-sectional shape of the overlap region O and the geometric shape of the bore wall H w of the bore H at a point in time at which the component 1 has been drilled through on the underside 3.
  • the point in time of drilling through the component 1 is defined by the fact that the entire width Do of the overlap area O has reached the underside 3 of the material and the orientation of the melt expulsion changes, which means that the melt can now also predominantly on the underside 2 of the component 1 step out.
  • FIG. 3 shows the geometric shape of the bore wall H w of the bore H when the bore wall H w , starting from the shape of the bore H as shown in FIG.
  • FIG. 3 shows that the bore diameter Do in the overlap area is smaller than the bore diameter D H of the entire bore to be made, which also reaches the outer edge, that is the bore wall H w (dashed), of the edge region R.
  • both the single-pulse / percussion drilling and the trepanning drilling are carried out simultaneously in terms of time, ie. H. that the two processes are superimposed by the overlap in the overlap area with pulsed laser radiation LS or superimposed with continuous laser radiation or non-pulsed laser radiation by setting an inner central area or overlap area O with a high energy flux density and an outer area or edge area with a smaller energy flux density.
  • a higher energy flux density means that a maximum value is not exceeded, above which a strong absorption of the laser radiation LS occurs in the metal vapor from removed material and the drilling time increases drastically, suddenly with decreasing energy flux density.
  • a lower energy flux density means that the value does not fall below a minimum value or threshold value, below which there is no more erosion or an ablation stop occurs.
  • FIG. 5 shows the creation of the bore by superimposing radiation components in an edge area R and in an overlapping area O.
  • the beam axis B A runs through a closed trajectory C, and by changing the time between two successive pulses (pulse pause) and the trajectory speed v c the time average of the energy flux density in the edge area is changed.
  • the beam shaping carried out with continuous laser radiation or non-pulsed laser radiation is carried out in such a way that the laser beam axis B A is not moved and the laser radiation LS in the central area O - which in the case of pulsed laser radiation is referred to as the overlap area O of the individual, successive pulses - is larger Has energy flux density smaller than the maximum value and in the edge region has a smaller energy flux density greater than the threshold value of the ablation stop.
  • the bore H shown in cross section in a plan view in FIG. 5 is intended to have a diameter D H with a radius DH / 2 extending from the bore axis H a over the entire thickness d of the component 1 shown in FIGS. 1 to 3 goes out, so that a cylindrical bore wall H w through the component 1 results.
  • a central area O hereinafter also referred to as the overlap area O, to which a diameter D 0 is assigned, is shown hatched.
  • the edge region R adjoins the central region O in the radial direction and extends to the bore wall H w .
  • FIG. 5 From FIG. 5, also from FIGS. 1 to 3, it can be seen that at the beginning of drilling a hole H, which is shown in FIG. 1, a large drilling progress is achieved in the overlapping area O and a comparatively small drilling progress is present in the edge area R. .
  • the top of the component (see also FIGS. 1 to 3) is irradiated with laser radiation LS, the beam axis of which is labeled B A and which, viewed perpendicular to the beam axis B A , has a beam diameter Ds owns.
  • the irradiated area of the upper side of the component is the cross-sectional area S of the laser radiation LS and is also referred to as the spot area S.
  • the laser radiation LS that strikes the component at the spot surface S is now guided according to the invention in such a way that its beam axis B A is guided on a trajectory C, in the example shown on a circular path C, around the bore axis H a , like this Figure 6A illustrates.
  • the direction Re of the beam axis guidance along the circular path C takes place counterclockwise in the example shown in FIGS. 6A to 6E, but this is not absolutely necessary. This beam guidance can also be carried out in a clockwise direction.
  • FIG. 6A now shows, compared with FIG. 5, the illumination or irradiation of the component after two pulses of laser radiation LS, while FIG. 6B shows the illumination or irradiation of the component after three Pulses of the laser radiation LS, which shows FIG. 6C the irradiation of the component after four pulses of the laser radiation and FIG. 6D the pulses of the radiation after a complete revolution.
  • the edge of the spot area S of the last pulse in each case is shown in a thick line.
  • FIGS. 6A to 6E pictures (1) to (4) represents a schematic diagram which shows an example of how a hole (bore) at the bore bottom H is opened.
  • the opening H (hole) in the component 1 is gradually expanded outwards in the radial direction, as can be seen from the increasing black area, starting at the location of the hole axis H a .
  • the edge of the circular area shown in black indicates the respective bore wall H w of the bore H in the component 1.
  • the diameter DH 2 » re , offered to the bore H on the underside of the component 1 is consequently increased until the asymptotic shape of the bore H to be achieved is reached and no further abrasion occurs due to further irradiation of the energy flux density.
  • the laser beam unit irradiates the overlap area O with the laser radiation LS at all times while it moves the spot area S.
  • the time-averaged energy flux density of the laser radiation LS is therefore greater in the overlap area O than in the edge area R.
  • FIG. 7- (2) shows, the opening or hole H at the bottom of the hole is consequently first opened in the overlap area O. With the further irradiation, the opening is enlarged (FIG. 7- (3)) until finally the opening H assumes its full diameter (FIG. 7- (4)).
  • the time span for which the laser light LS is emitted tends to become shorter from the bore axis H a over the edge of the overlap region O in the radial direction outward. Accordingly, the opening that forms is expanded in the radial direction from the overlap area O outwards until the diameter of the opening is up to the predefined bore wall H w is sufficient and the predefined hole H is generated (see also Figure 6E).
  • FIG. 7 also makes it clear through the image sequences (1) to (4) that the single pulse / percussion drilling and the trepanning drilling are carried out simultaneously. Simultaneously means that the laser beam is guided in such a way that the central area O is completely irradiated with each pulse of the laser radiation LS, the beam axis B A being offset from the beam axis B A of a previous pulse and thus only a part of the edge area being irradiated during a pulse becomes.
  • the beam diameter Ds of the laser beam LS should not be set smaller than half the diameter D H of the bore to be reached (Ds> DH / 2) - see Figure 5. This measure ensures that a central area O is formed which has a greater energy flux density is irradiated and for cw radiation is irradiated with radiation during the entire drilling period or is irradiated with each pulse for pulsed radiation.
  • the diameter De of the trajectory C should not be set larger than the beam diameter D s , so that consequently D s ⁇ D c applies - see Figure 5. This measure also ensures that a central area O is formed.
  • the final, asymptotic bore shape is clearly defined by the spatial distribution of the energy flux density of the laser radiation and the movement of the beam axis, with multiple reflections and consequent repeated irradiations being undesirable.
  • Multiple reflections occur with small bore diameters and large bore depths, which means that the aspect ratio is typically greater than 10.
  • the movement of the beam axis B A of the radiation LS can be carried out during drilling with the aid of a scanner, the movement of the beam axis B A along a closed trajectory C with a diameter D c that is to be passed through at least once periodically he follows.
  • the spot area S ie the cross-sectional area of the laser radiation LS perpendicular to the beam axis B A , is smaller than an area of an opening, ie an area over which the bore H is gradually opened.
  • the laser processing device used is able to prevent the concentration of the energy flux density of the laser radiation LS at the edge of the opening by using the method according to the invention, also with the result that a reduction in the dimensional accuracy of the opening is prevented if the spot area S is along the inner Peripheral section I of the bore (see Figure 7) is moved.
  • a trepanning process is shown as it is used according to the prior art for producing a bore.
  • the spot area SX is moved along the inner circumferential section I of a bore contour to be produced, but there is no overlap area which, in terms of time, is overlapped by the spot area at every point in time of the irradiation.
  • a laser processing device that performs such a trepanning processing according to the prior art first emits laser light, represented by a spot area SX1 (see Figure (1)), so that a hole is opened, for example in the center of the hole to be produced.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a first embodiment according to the invention, with which the method described above can be carried out.
  • the device of FIG. 9 comprises at least one laser beam unit 10, the laser radiation LS, which has a beam axis B A and a beam diameter D s , via an optical fiber 11 and an output device 12 of a first galvano scanner unit 13 and from there a second galvano scanner unit 14, which directs the laser radiation LS onto the component 1 via an optical system 15.
  • Both the beam unit 10 and the first and second galvano scanner units 13, 14 are controlled via a control unit 16.
  • the control takes place in such a way that a spot area, defined as an area irradiated with the laser radiation LS on the area of the upper side 2 of the component 1 (see cross-sectional area S in FIGS.
  • the laser radiation LS is pulsed. However, a continuous wave laser or cw radiation can also be used.
  • the laser light LS can with any laser source, such as a YAG laser, a CO2 laser or a disk laser. It is also possible to use the beam shape of the laser radiation, ie a distribution of the energy flux density or intensity distribution perpendicular to its beam axis B A , for example in Gaussian form, in top-hat form or in super-Gaussian form.
  • the glass fiber 11 amplifies the laser light LS by reflecting the laser radiation LS inside the fiber.
  • the diameter of the laser radiation LS emerging from the glass fiber 11 depends on the diameter of the glass fiber 11. Therefore, the radiation diameter, which is required for processing the component 1, can be set in a simple manner by exchanging the glass fiber.
  • the radiation diameter of the laser radiation LS which strikes the upper side 2 of the component 1 can, however, also be carried out, for example, via an appropriate optical system or by using a fiber laser.
  • the glass fiber 11 and the control unit 16 are omitted.
  • bores H with a bore diameter D H of less than 1 mm can be produced.
  • FIG. 10 shows schematically a further device with which the method according to the invention can be carried out.
  • This device is comparable to that of FIG. It differs from the device of FIG. 9 in that an auxiliary gas supply unit 18 is provided.
  • An auxiliary gas is supplied to the component 1 via this auxiliary gas supply unit 18 in such a way that after drilling through in the overlapping area a mass flow of auxiliary gas flows through the bore.
  • This auxiliary gas is used to remove melted material from the bore in the direction of the flowing auxiliary gas by the laser radiation LS.
  • Oxygen, air, nitrogen gas, argon gas or a mixed gas for example, can be used as the auxiliary gas.
  • the bore H instead of an auxiliary gas is supplied with a liquid, for example water by a corresponding water jet.
  • a distance DG between a nozzle outlet 19 and the top 2 of the component 1 is greater than a distance DL between the exit side of the optics 15, seen in the beam direction of the laser radiation LS, and the top 2 of the component 1, in each case in seen in the Z-direction.
  • This setting is used to set a minimum value for the mass flow of auxiliary gas which flows through the bore and is not already discharged at the bore entry to the top of the component. If, however, an inclined hole or an inclined bore is to be drilled into the component 1, as shown for example in FIGS. 1 to 3, the distance D L is selected to be greater than the distance D G.
  • the auxiliary gas supply unit 18 supplies the auxiliary gas under a pressure of at least 400 kPa or more, i.e. H. in a range from 400 kPa to 1000 kPa in order to achieve an expulsion effect on the liquid melt.
  • the auxiliary gas supply unit 18 supplies the auxiliary gas laterally via the nozzle outlet 19 to the component 1, the melt can be ejected or discharged from the bore H.
  • the galvano scanner units 13 and 14 move the position of the spot surface S by reflecting the laser light and at the same time change the optical path of the laser radiation LS. Since this laser processing device carries out the laser processing in such a way that it always has the overlap area O, which is partially overlapped by the cross-sectional area or spot area of the laser radiation LS while moving the spot area S along the inner peripheral portion I of the hole H to be made, a hole can be machined with such a laser machining device that employs a galvano scanner unit.
  • a galvanic scanner unit can accelerate material processing if, for example, when the machining of one hole is completed, the machining of the next hole is started only by adjusting the angles of rotation of the mirror bodies of the galvanic scanner units, whereby the laser radiation in the direction of the next Drilling is directed. It is also provided that a beam splitter is used to guide the laser radiation in order to control several optical systems at the same time. It is also provided to use optics instead of a scanner for beam shaping in order to set the distribution of the radiation in the central area O and in the edge area R of the bore H to be achieved differently for cw processing without interruptions and for pulsed processing in the time average.
  • FIG. 10 Another embodiment of a device is shown schematically in FIG. In contrast to the device in FIG. 10, no galvano scanner unit is provided.
  • the laser radiation LS is coupled into a nozzle cutting head 20 via the glass fiber 11.
  • This nozzle cutting head 20 comprises an optical system 21, a lens cylinder 22 and an auxiliary gas nozzle 23.
  • the nozzle cutting head 20 can be moved along a direction parallel to the upper side or upper side 3 of the component 1, ie along any path of a two-dimensional coordinate plane XY, in order to move the laser radiation LS on a path along the inner circumference of a bore H to be created (see FIGS. 5, 6A to 6E).
  • a support table (not shown) that carries the component 1 could also be moved in order to achieve a relative movement between the nozzle cutting head 20 and the support table.
  • it is advantageous if the masses to be moved are kept small.

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Abstract

The invention relates to a method for drilling components made of metal materials and components made of coated metal and dielectric materials. The spatial distribution of the Poynting vector assigned to the laser radiation is set differently in an overlap region of the bore to be produced, which is assigned a bore axis, a bore wall, and a bore base that is advanced as the bore depth is advanced, than in an edge region of the bore to be produced, wherein the overlap region is defined as the region which is irradiated using laser radiation with a high energy flux density during a single-pulse drilling process, and the edge region is defined as the region which lies outside of the overlap region and which is irradiated using laser radiation with a low energy flux density, lower than the energy flux density used in the overlap region, during the drilling process. The invention also relates to a corresponding device.

Description

Beschreibung description
"Verfahren und Vorrichtung zum Bohren von Bauteilen" "Method and device for drilling components"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen und Bauteilen aus geschichteten, metallischen und dielektrischen Werkstoffen mittels Laserstrahlung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, mit der ein entsprechendes Verfahren durchgeführt werden kann. The present invention relates to a method for drilling components made of metallic materials and components made of layered, metallic and dielectric materials by means of laser radiation. The present invention also relates to a device with which a corresponding method can be carried out.
Laserstrahlung wird insbesondere zum Abtragen und Bohren von metallischen Werkstoffen und von Verbundwerkstoffen aus dielektrischen (z. B. keramischen) und metallischen Schichten, als Schmelzbohren bezeichnet, eingesetzt. Insbesondere bei Anwendungen in der Automobiltechnik, der Luftfahrttechnik, der Medizintechnik (Bearbeitung von Fein- bzw. Mittelblechen) und der Energietechnik (Bearbeitung von sogenannten Mittelblechen) sind zum Erstellen von Bohrungen große Abtragsraten, folglich eine große Produktivität und eine hohe Qualität, insbesondere eine gute Konizität K=rB,top/rB,bot uhe* die Vermeidung eines Recast, erwünscht. Die Konizität K=rB,top/rB,bot der Bohrung ist als das Verhältnis von Bohrungsradius b,/o am Bohrungseintritt zu Bohrungsradius re, bot am Bohrungsaustritt definiert. Die geometrische Form der Bohrung (z. B. zylindrisch, konisch) und die Morphologie der Bohrungswand (z. B. erstarrte Schmelze/Recast) sind wesentliche Merkmale, die es zu vermeiden gilt. Laser radiation is used in particular for ablating and drilling metallic materials and composite materials made of dielectric (e.g. ceramic) and metallic layers, known as fusion drilling. Particularly in applications in automotive technology, aviation technology, medical technology (machining of fine or central sheets) and energy technology (machining of so-called central sheets), high removal rates are required to create bores, consequently high productivity and high quality, especially good Conicity K = r B, t op / r B, offered uhe * the avoidance of a recast, desired. The conicity K = r B, top / rB , bot of the bore is defined as the ratio of bore radius b , / o at the bore entry to bore radius re, bot at the bore exit. The geometric shape of the bore (e.g. cylindrical, conical) and the morphology of the bore wall (e.g. solidified melt / recast) are essential features that should be avoided.
Beim Schmelzbohren müssen verschiedene Forderungen erfüllt werden. Hierzu zählen reproduzierbarer Durchmesser der Bohrung, eine definierte Konizität der Bohrung, definierte Konizität beim Bohren von Mehrschichtsystemen, keine Reduzierung der Haft- und Scherfestigkeit von Coatings, keine Ablagerungen erstarrter Schmelze (Recast) an der Bohrungswand, keine Gratbildung am Bohrungsaustritt, definiertes Austreiben der Schmelze und eine große Krümmung der Austrittskante im Bereich der Bohrungsöffnung. Various requirements have to be met in fusion drilling. These include reproducible diameter of the bore, a defined taper of the bore, defined taper when drilling multilayer systems, no reduction in the adhesive and shear strength of coatings, no deposits of solidified melt (recast) on the bore wall, no burr formation at the bore exit, defined expulsion of the melt and a large curvature of the trailing edge in the area of the bore opening.
BESTATIGUNGSKOPIE Stand der Technik CONFIRMATION COPY State of the art
Bekannte Techniken zum Bohren mit Laserstrahlung werden aufgrund des dominanten Mechanismus zum Abtragen des Werkstoffs aus der sich bildenden Bohrung unterschieden. Der Abtrag kann dominant durch Schmelzaustrieb oder dominant durch Austrieb von verdampftem Werkstoff erfolgen. Known techniques for drilling with laser radiation are distinguished on the basis of the dominant mechanism for removing the material from the hole being formed. The removal can take place predominantly through expulsion of melt or predominantly through expulsion of evaporated material.
Zu der Gruppe der Bohrtechniken mit dominantem Schmelzaustrieb gehören das Einzelpulsbohren (Bohrung mit einem einzelnen Puls), das Perkussionsbohren (Mehrfachpulse bei fester Position der Strahlachse der Strahlung relativ zum Werkstück) und das Trepanierbohren (Mehrfachpulse mit bewegter Position der Strahlachse der Strahlung relativ zum Werkstück). Die einzelnen Bohrtechniken haben sowohl Vorteile als auch Nachteile. The group of drilling techniques with dominant melt expulsion include single pulse drilling (drilling with a single pulse), percussion drilling (multiple pulses with a fixed position of the beam axis of the radiation relative to the workpiece) and trepanning drilling (multiple pulses with the moving position of the beam axis of the radiation relative to the workpiece) . The individual drilling techniques have both advantages and disadvantages.
Das Perkussionsbohren ist eine Technik, bei der eine Bestrahlung mit Laserlicht erfolgt, ohne dabei die Bestrahlungsposition zu ändern, um dadurch ein Loch bzw. eine Bohrung an dieser bestrahlten Position zu erstellen. Das Perkussionsbohren erfordert eine kleine Bearbeitungszeit, da die Bestrahlungsposition des Laserlichts nicht bewegt wird. Percussion drilling is a technique in which laser light is irradiated without changing the irradiation position in order to create a hole or a bore at this irradiated position. The percussion drilling requires a small machining time because the irradiation position of the laser light is not moved.
Das Einzelpulsbohren sowie das Perkussionsbohren haben den Vorteil großer Abtragsraten (große Produktivität). Nachteile sind zu kleiner maximal erreichbarer Bohrungsdurchmesser, der durch den Strahldurchmesser der Laserstrahlung begrenzt ist, mangelnde Qualität der Bohrung durch unvollständigen Schmelzaustrieb, durch Ablagerungen aus erstarrter Schmelze an der Bohrungswand und/oder am Bohrungsein- und -austritt sowie eine geringe Präzision in Bezug auf den Bohrungsdurchmesser. Single pulse drilling and percussion drilling have the advantage of high removal rates (high productivity). Disadvantages are too small maximum achievable bore diameter, which is limited by the beam diameter of the laser radiation, poor quality of the bore due to incomplete melt expulsion, due to deposits of solidified melt on the bore wall and / or at the bore inlet and outlet as well as poor precision with regard to the Bore diameter.
Bei dem sogenannten Trepanierbohren wird zunächst eine Perkussionsbohrung in den Werkstoff des Bauteils eingebracht und nachfolgend eine Bohrung mit definiertem Radius ausgeschnitten. Das Bohren durch Trepanieren ist eine Technik, bei der das Laserlicht entlang eines Umfangs eines zu bildenden Lochs bewegt wird, wobei das Laserlicht einen Spot-Durchmesser bzw. Strahldurchmesser aufweist, der kleiner ist als das zu erstellende Loch bzw. die zu erstellende Bohrung, um dadurch eine Öffnung entlang dieses Umfangs zu bilden und so das Loch bzw. die Bohrung zu erstellen. Bei der Trepanierbearbeitung wird die Formgenauigkeit der Bohrung groß, da die Bestrahlung mit Laserlicht entlang des Umfangs der zu erstellenden Bohrung erfolgt. In the so-called trepanning drilling, a percussion hole is first made in the material of the component and then a hole with a defined radius is cut out. Trephination drilling is a technique in which the laser light is moved along a circumference of a hole to be formed, the laser light having a spot diameter or beam diameter that is smaller than the hole to be made or the bore to be made in order to thereby forming an opening along this circumference and so the hole or the To create a hole. During trepanning, the shape accuracy of the hole is great, since the irradiation with laser light takes place along the circumference of the hole to be created.
Das Trepanierbohren hat den Vorteil, dass Bohrungsdurchmesser, die größer als der Strahldurchmesser der verwendeten Strahlung (Bohrungsdurchmesser = 1 ,2 x Spot-Durchmesser) sind, erzielt werden können, auch mit einer besseren Qualität der Bohrungswand im Vergleich zum Einzelpulsbohren und im Vergleich zum Perkussionsbohren. Das Trepanierbohren hat allerdings den Nachteil, dass große Bohrzeiten erforderlich sind, da ein großer Anteil der eingesetzten Strahlung durch die bereits vorliegende Bohrung ungenutzt durch das Bauteil hindurchstrahlt. Trephination drilling has the advantage that hole diameters that are larger than the beam diameter of the radiation used (hole diameter = 1, 2 x spot diameter) can also be achieved with a better quality of the hole wall compared to single pulse drilling and compared to percussion drilling . Trephination drilling has the disadvantage, however, that long drilling times are required, since a large proportion of the radiation used shines through the component through the existing hole and is not used.
Für das Einzelpuls- und Perkussionsbohren sind Maßnahmen bekannt, die darauf zielen, die Schmelze möglichst vollständig aus der Bohrung auszutreiben, um eine definierte, meist zylindrische Form der Bohrung zu erreichen. Zu diesen Maßnah men zählen eine Vergrößerung des räumlichen Mittelwerts oder des Maximalwerts der Intensität bzw. der Energieflussdichte (mit der Einheit Leistung pro Fläche For single-pulse and percussion drilling, measures are known which aim to drive the melt out of the hole as completely as possible in order to achieve a defined, mostly cylindrical shape of the hole. These measures include increasing the spatial mean value or the maximum value of the intensity or the energy flux density (with the unit of power per area
[W/m2] bzw. mit der Einheit Energie pro Volumen mal Geschwindigkeit [W / m 2 ] or with the unit energy per volume times speed
[(J/m3)(m/s)]) des verwendeten Laserstrahls mit zunehmender Tiefe der Bohrung und eine zeitliche Modulation (Perkussion) der Intensität mit einer großen Anzahl von Einzelpulsen während der gesamten Bohrzeit. [(J / m 3 ) (m / s)]) of the laser beam used with increasing depth of the drilling and a temporal modulation (percussion) of the intensity with a large number of individual pulses during the entire drilling time.
Die DE 10 2004 014 820 B4 (entspricht US 2007/193986 A1) beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Bohrungen mit großem Aspektverhältnis in metallischen Werkstoffen sowie in geschichteten metallischen Werkstoffen und solchen, die mindestens eine keramische Schicht aufweisen. Aus dieser Druckschrift geht hervor, dass für ein Perkussionsbohren eine die Bohrung erzeugende Strahlung derart ausgelegt werden kann, dass ein vollständiges Austreiben der Schmelze in Richtung der Strahlung mit einer Orientierung entgegen der Ausbreitung der Strahlung bzw. entgegen der Richtung des Bohrfortschritts aus der Bohrung mit geringer Ablagerung erstarrter Schmelze an der Bohrungswand bis zu einer maximalen Tiefe der Bohrung erreicht werden kann. DE 10 2004 014 820 B4 (corresponds to US 2007/193986 A1) describes a method for producing bores with a large aspect ratio in metallic materials and in layered metallic materials and those that have at least one ceramic layer. From this publication it emerges that for percussion drilling a radiation generating the bore can be designed in such a way that a complete expulsion of the melt in the direction of the radiation with an orientation against the propagation of the radiation or against the direction of the drilling progress from the bore with less Deposition of solidified melt on the bore wall can be achieved up to a maximum depth of the bore.
Das Perkussionsbohren wird industriell nur dann eingesetzt, wenn, ungeachtet des Stands der Technik, die immer noch vorhandene, mangelnde Qualität der Boh- rung, d. h. unvollständiger Schmelzaustrieb mit Schichtdicken einer anhaftenden, erstarrten Schmelze von typischerweise mehr als 100 pm und dadurch einer gerin gen Präzision der Bohrungsform, die Funktion des Produkts nicht einschränkt. Percussion drilling is only used industrially when, regardless of the state of the art, the still existing poor quality of the drilling tion, ie incomplete melt expulsion with layer thicknesses of an adhering, solidified melt of typically more than 100 μm and thus a low precision of the hole shape, which does not restrict the function of the product.
Zu den Bohrtechniken mit einem dominanten Verdampfen zählen neben dem Perkussions- und Trepanierbohren auch das Wendelbohren und das Lasererodieren. In addition to percussion and trepanning drilling, the drilling techniques with a dominant evaporation also include helical drilling and laser eroding.
Beim Wendelbohren wird zusätzlich zum Trepanierbohren die Strahlung um die Strahlachse gedreht, um eine etwaige Abweichung der räumlichen Verteilung der Laserstrahlung von einer Kreissymmetrie im zeitlichen Mittel zu kompensieren. Eine Annäherung an die geforderte geometrische Form und die geforderte Qualität der Bohrung ist derzeit' nur mit dem Wendelbohren oder einer sequentiellen Kombination aus Perkussions- und Wendelbohren erreichbar. In helical drilling, in addition to trepanning, the radiation is rotated around the beam axis in order to compensate for any deviation of the spatial distribution of the laser radiation from a circular symmetry over time. An approximation to the required geometrical shape and the required quality of the bore is currently 'only reachable by the helical drilling or a sequential combination of percussion and helical drilling.
Die DE 101 44 008 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen einer Bohrung in einem Werkstück mittels eines Laserstrahls. In einem ersten Schritt wird eine Boh rung mit einem ersten Durchmesser gebohrt, der geringer ist als der endgültig zu erreichende Durchmesser, und in einem zweiten Schritt oder in weiteren Schritten wird die Bohrung auf den zu erreichenden Durchmesser aufgeweitet. Folglich wird eine mit überwiegendem Schmelzaustrieb hergestellte Perkussionsbohrung in einem zweiten Verfahrensschritt durch Abtragen von Material als Dampf auf den gewünschten Durchmesser aufgeweitet, so dass nahezu keine Reste erstarrter Schmelze an der Bohrungswand Zurückbleiben. Solche Bohrtechniken weisen den Nachteil einer zu großen Bohrdauer bzw. einer daraus folgenden, zu geringen Produktivität auf. DE 101 44 008 A1 describes a method for producing a hole in a workpiece by means of a laser beam. In a first step, a borehole is drilled with a first diameter which is smaller than the final diameter to be achieved, and in a second step or in further steps the borehole is widened to the diameter to be achieved. Consequently, a percussion bore produced with predominantly melt expulsion is widened to the desired diameter in a second process step by removing material as steam, so that almost no residues of solidified melt remain on the bore wall. Such drilling techniques have the disadvantage that the drilling time is too long or the productivity is too low as a result.
Weiterhin wird bei bekannten Verfahren der Schmelzaustrieb durch Verdampfen von Material erzeugt und somit allein über die Intensität der Laserstrahlung ge steuert, was eine gezielte Steuerung des Bohrungsdurchmessers und eine Vermeidung von Schmelzablagerungen, auch Recast genannt, nicht zulässt. Bei solchen Verfahren ist dann ein zweiter Verfahrensschritt zum Glätten der Bohrungswand durch Verdampfungsabtragung von Material erforderlich, wie dies in der vor stehend erwähnten DE 101 44 008 A1 angegeben ist. Der Stand der Technik, der sich auf das Bohren mit dominantem Schmelzaustrieb bezieht, wie dies auch in der DE 101 44 008 A1 beschrieben ist, lehrt, dass eine raue und rissanfällige Schicht aus wieder erstarrter Schmelze (Recast) an der Bohrungswand auftreten kann und zu Abweichungen von der gewünschten, geometrischen Form der Bohrung führt. Daher sind nach der DE 101 44 008 A1 ein Recast und die Abweichungen von dem geforderten Bohrungsdurchmesser durch Nachbearbeitung zu entfernen und die Bohrungswand durch Abtragen mittels Verdamp fungsabtragen zu glätten. Furthermore, in known methods, the expulsion of the melt is generated by the evaporation of material and is thus controlled solely by the intensity of the laser radiation, which does not allow targeted control of the bore diameter and avoidance of melt deposits, also known as recast. In such methods, a second method step for smoothing the bore wall by evaporation removal of material is then required, as is indicated in the above-mentioned DE 101 44 008 A1. The prior art, which relates to drilling with dominant melt expulsion, as is also described in DE 101 44 008 A1, teaches that a rough and crack-prone layer of re-solidified melt (recast) can occur on the bore wall and to Deviations from the desired, geometric shape of the hole leads. Therefore, according to DE 101 44 008 A1, a recast and the deviations from the required bore diameter are to be removed by reworking and the bore wall to be smoothed by removal by means of evaporation removal.
Die US 5837964 beschreibt ein Laserbearbeitungsverfahren, bei dem Perkussionsbohren und Trepanieren zeitlich aufeinanderfolgend angewandt werden. In diesem Dokument werden ein Aspektverhältnis größer als 10 und eine sequentielle, zeitlich aufeinanderfolgende Bearbeitung von zunächst Perkussionsbohren und anschließendem Trepanieren beschrieben. US 5837964 describes a laser machining method in which percussion drilling and trepanning are used in succession. This document describes an aspect ratio greater than 10 and a sequential, successive processing of first percussion drilling and subsequent trepanning.
Aufgabe task
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bohren von metallischen Werkstof fen und von geschichteten Werkstoffen aus metallischen und dielektrischen Werk stoffen anzugeben, bei dem zumindest ein Teil der vorstehend anhand des Stands der Technik beschriebenen Nachteile vermieden wird und insbesondere die erforderliche Bearbeitungszeit verkürzt wird, ohne dadurch die Bearbeitungsgenauigkeit zu verringern. Gemäß einer weiteren Aufgabe soll auch eine Vorrichtung angegeben werden, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann. Based on the prior art described above, the invention is based on the object of specifying a method for drilling metallic Werkstof and of layered materials made of metallic and dielectric materials, in which at least some of the disadvantages described above with reference to the prior art avoided and, in particular, the required machining time is shortened without reducing the machining accuracy. According to a further object, a device is also to be specified with which the method can be carried out.
Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und vorrichtungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen des Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. According to the method, this object is achieved by a method having the features of independent claim 1 and according to the device by a device having the features of independent claim 12. Advantageous embodiments of the method and the device emerge from the dependent claims.
Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung werden Bauteile aus metallischen Werk stoffen und Bauteile aus geschichteten metallischen und dielektrischen Werkstoffen durch Einzelpuls/Perkussionsbohren sowie durch Trepanierbohren mit Laser- Strahlung und mit dominantem Schmelzaustrieb gebohrt. Das Einzelpulsbohren ist als nicht gepulstes Verfahren anzusehen, da die Energieflussdichte der Laserstrahlung zeitlich nicht unterbrochen wird, bis die Bohrung fertig gestellt ist bzw. das Durchbohren erfolgt ist. Auch das Trepanierbohren kann sowohl gepulst als auch nicht gepulst ohne zeitliche Unterbrechungen (Pulspause) durchgeführt werden. Das Einzelpuls/Perkussionsbohren und das Trepanierbohren werden erfindungsgemäß zeitlich gesehen gleichzeitig durchgeführt. With the method according to the invention, components made of metallic work materials and components made of layered metallic and dielectric materials by single pulse / percussion drilling and trepanning with laser Radiation and drilled with dominant melt ejection. The single pulse drilling is to be regarded as a non-pulsed process, since the energy flux density of the laser radiation is not interrupted in time until the drilling has been completed or the drilling has taken place. Trephination drilling can also be performed both pulsed and non-pulsed without time interruptions (pulse pause). According to the invention, the individual pulse / percussion drilling and the trepanning drilling are carried out simultaneously in terms of time.
Die räumliche Verteilung des Poyntingvektors (< S >), der der Laserstrahlung (LS) zugeordnet ist, die eine Strahlachse (BA) (beam axis) und einen Strahldurchmesser (Ds) besitzt, und definiert ist als der Vektor, dessen Richtung an Positionen neben der Strahlachse von der Richtung der Strahlachse (BA) abweicht und in Richtung der lokalen Strahlungspropagation zeigt und dessen Betrag die Energieflussdichte der Strahlung ist, definiert als die Energie pro Volumen multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit, wird in einem Überlappungsbereich (O) (overlap area) der zu erzeugenden Bohrung (H), der eine Bohrungsachse (Ha), eine Bohrungswand ( Hw ) sowie ein mit fortschreitender Bohrungstiefe fortschreitender Bohrungsgrund ( Hb ) zugeordnet ist, und in einem Randbereich R der zu erzeugenden Bohrung unterschiedlich eingestellt. Die Energieflussdichte mit der Einheit [J ms"1 m 3] (Ener- gie«Geschwindigkeit/VOlumen, J ms'1 m"3 = W m 2) wird auch als Intensität der Laserstrahlung bezeichnet. The spatial distribution of the Poynting vector (<S>), which is assigned to the laser radiation (LS), which has a beam axis (B A ) and a beam diameter (Ds), and is defined as the vector whose direction at positions next to the beam axis deviates from the direction of the beam axis (B A ) and points in the direction of the local radiation propagation and whose amount is the energy flux density of the radiation, defined as the energy per volume multiplied by the speed of light, is in an overlap area (O) (overlap area ) the hole to be produced (H), which is assigned a hole axis (H a ), a hole wall (H w ) and a hole bottom (H b ) that progresses with increasing hole depth, and is set differently in an edge region R of the hole to be produced. The energy flux density with the unit [J ms "1 m 3 ] (energy « speed / volume, J ms 1 m "3 = W m 2 ) is also referred to as the intensity of the laser radiation.
Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung wird im Überlappungsbereich (O) eine große Energieflussdichte der Strahlung und im Randbereich eine kleine Energieflussdichte eingestellt. Diese räumliche Aufteilung der Energieflussdichte der Strahlung bewirkt das zeitlich gesehen, parallele Anwenden einer schnellen With the method according to the invention, a high energy flux density of the radiation is set in the overlap area (O) and a low energy flux density is set in the edge area. This spatial division of the energy flux density of the radiation results in the simultaneous application of a fast one in terms of time
Durchbohrung im Überlappungsbereich (O) und ein qualitativ hochwertiges Abtragen der Bohrungswand im Randbereich. Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung werden die Vorteile der bekannten Bohrverfahren kombiniert, nämlich der großen Produktivität des Einzelpuls- bzw. Perkussionsbohrens und der großen Qualität des Trepanierbohrens. Drilling in the overlap area (O) and high quality removal of the hole wall in the edge area. The method according to the invention combines the advantages of the known drilling methods, namely the high productivity of single-pulse or percussion drilling and the high quality of trepanning drilling.
Die Kombination der bekannten Bohrverfahren, so dass die Vorteile beider Verfahren erreicht werden, erfordert das Einhalten eines Intervalls mit Maximal- und Mi- nimalwerten für die Intensität der Laserstrahlung, wobei die einzuhaltenden Maxi mal- und Minimalwerte sowohl im Überlappungsbereich (O) als auch im Randbereich R verschieden groß sind. Erfindungsgemäß wird die Einstellung der zwei unterschiedlichen Intervalle für die Intensität der Laserstrahlung durch Anwendung gepulster Laserstrahlung mit bewegter Laserstrahlachse erreicht, wobei die Bewegung der Laserstrahlachse so zu erfolgen hat, dass ein Überlappungsbereich (O) entsteht, der von jedem Puls der Laserstrahlung bestrahlt wird, und ein äußerer Randbereich R, der nicht von jedem Puls bestrahlt wird. Allerdings wird die erfindungsgemäße Einstellung der zwei unterschiedlichen Intervalle für die Intensität der Laserstrahlung auch ohne Bewegung der Laserstrahlachse durch eine geeignete Strahlformung erreicht. The combination of the known drilling methods, so that the advantages of both methods are achieved, requires compliance with an interval with maximum and minimum nimal values for the intensity of the laser radiation, with the maximum and minimum values to be observed both in the overlap area (O) and in the edge area R being of different sizes. According to the invention, the setting of the two different intervals for the intensity of the laser radiation is achieved by using pulsed laser radiation with a moving laser beam axis, the movement of the laser beam axis having to take place in such a way that an overlap area (O) is created which is irradiated by each pulse of the laser radiation, and an outer edge area R which is not irradiated by every pulse. However, the setting according to the invention of the two different intervals for the intensity of the laser radiation is achieved by suitable beam shaping even without moving the laser beam axis.
Der Überlappungsbereich ist definiert als derjenige Bereich, der mit jedem Puls der Laserstrahlung bestrahlt wird. Der Randbereich ist definiert als derjenige Bereich, der außerhalb des Überlappungsbereichs und innerhalb des Laserstrahlradius liegt. The overlap area is defined as the area that is irradiated with each pulse of the laser radiation. The edge area is defined as the area that lies outside the overlap area and within the laser beam radius.
Verfahrensgemäß hat ein maximaler Wert Amax eines Aspektverhältnisses A, definiert als das Verhältnis von Bohrungslänge und Bohrungsdurchmesser, mit A=d/(2 re op), wobei d bei senkrechter Bohrung (H) relativ zur Oberfläche bzw. Oberseite des Werkstoffs die Materialdicke des zu durchbohrenden Werkstoffs ist oder bei geneigter Bohrungsachse relativ zur Oberseite des Materials die Bohrungslänge ist, und rB,top der Bohrungsradius der Bohrung (H) am Bohrungseintritt, definiert als Radius gemessen in Richtung senkrecht zur Bohrungsachse ( Ha ), ist, den Wert According to the method has a maximum value A ma x of an aspect ratio A, defined as the ratio of bore length and bore diameter, with A = d / (2 re op), where d with a vertical hole (H) relative to the surface or upper side of the material the material thickness of the material to be drilled through or, if the hole axis is inclined relative to the top of the material, the hole length is, and r B , top is the hole radius of the hole (H) at the hole inlet, defined as the radius measured in the direction perpendicular to the hole axis (H a ), den value
Diese Einschränkung für das Aspektverhältnis A < Amax ist relevant, da für ein größeres Aspektverhältnis A, größer als 10, zusätzlich zu der erfindungsgemäß eingestellten Strahlung, mit der die Bohrungswand ( Hw ) an einer Stelle A direkt bestrahlt und abgetragen wird, auch von der Bohrungswand (Hw) an einer anderen Stelle B reflektierte Strahlung zum Abtrag an der Stelle A beiträgt. Durch die Reflexion und mehrfache Bestrahlung der Bohrungswand ( Hw ) wird die erfindungsge mäße Einstellung der Laserstrahlung (LS) an der Bohrungswand ( Hw ) durch die reflektierte Strahlung verändert und das Verfahren ist nicht mehr durchführbar. Maßnahmen, wie sie nach dem Stand der Technik erforderlich sind und zum Beispiel in der DE 10 2004 014 820 B4, die das Einzelpuls- oder Perkussionsbohren betrifft, beschrieben sind, um eine die Bohrung bildende Strahlung für ein vollständiges Austreiben der Schmelze entgegen der einfallenden Laserstrahlung aus der entstehenden Bohrung heraus ohne Ablagerungen erstarrter Schmelze an der Bohrungswand zu erzeugen, sind nicht erforderlich. This restriction for the aspect ratio A <A max is relevant, since for a larger aspect ratio A, greater than 10, in addition to the radiation set according to the invention with which the bore wall (H w ) is directly irradiated and removed at a point A, also from the borehole wall (H w ) at another point B contributes radiation reflected to the ablation at point A. As a result of the reflection and multiple irradiation of the bore wall (H w ), the setting of the laser radiation (LS) according to the invention on the bore wall (H w ) is changed by the reflected radiation and the method can no longer be carried out. Measures as are required according to the state of the art and are described, for example, in DE 10 2004 014 820 B4, which relates to single-pulse or percussion drilling, in order to generate radiation that forms the bore for a complete expulsion of the melt against the incident laser radiation It is not necessary to produce solidified melt deposits on the wall of the bore from the resulting bore.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass beispielsweise ein anschließendes Trepanierbohren für eine nachträgliche Entfernung von Ablagerungen erstarrter Schmelze an der Bohrungswand ( Hw ) nicht erforderlich ist. Another advantage of the method according to the invention can be seen in the fact that, for example, subsequent trepanning drilling for subsequent removal of deposits of solidified melt on the bore wall (H w ) is not required.
Eine wesentliche Maßnahme des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch in einer Aufteilung der zu erstellenden Bohrung (H) in einen Zentralbereich oder Überlap pungsbereich (O) und in einen Randbereich (R) zu sehen. Die räumliche Vertei lung der Strahlung (LS) senkrecht zur Bohrungsachse ( Ha ) der zu erreichenden Bohrung (H) wird in dem Überlappungsbereich (O) und in dem Randbereich (R) unterschiedlich eingestellt. An essential measure of the method according to the invention is also to be seen in the division of the bore (H) to be created into a central area or overlap area (O) and an edge area (R). The spatial distribution of the radiation (LS) perpendicular to the bore axis (H a ) of the bore to be reached (H) is set differently in the overlap area (O) and in the edge area (R).
Das Einstellen der Richtung des Poyntingvektors < S >, der der Laserstrahlung (LS) zugeordnet ist, im Randbereich (R) der zu erreichenden Bohrung (H) kann durch Einstellen von Fokuslage und Rayleighlänge der Laserstrahlung (LS) erfolgen. The setting of the direction of the Poynting vector <S>, which is assigned to the laser radiation (LS), in the edge area (R) of the bore to be reached (H) can be done by setting the focus position and Rayleigh length of the laser radiation (LS).
Für das erfindungsgemäße Verfahren muss die Energieflussdichte der Strahlung im Randbereich der zu erstellenden Bohrung sehr genau vermessen und einge stellt werden, da der Abtrag bereits bei sehr kleinen Werten für die Energieflussdichte erfolgt. Für die zum Abtrag minimal notwendige Energieflussdichte wird erfindungsgemäß ein Schwellenwert festgelegt, der definiert ist als eine Zahl mit der Dimension Wem 2 für eine Pulsdauer länger als eine Nanosekunde bzw. Jcm 2 für eine Pulsdauer kürzer als 10 Pikosekunden (entspricht 104 Wm 2 bzw. Jm 2), der alle sonst bekannten für das Bohren relevanten Parameter zur Charakterisierung des zu bohrenden Materials (Schmelztemperatur, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit etc.) ersetzt und der für metallische Werkstoffe einen typischen Wert von 104 bis 105 W»cm 2 bzw. 1 bis 10 J«cm 2 annimmt. Die Vermessung mit kommerziellen Geräten, die einen begrenzten Bereich für die zu messende Energieflussdichte aufweisen und nicht beliebig große Unterschiede der Energieflussdichte gleichzeitig erfassen können, kann nur dann erfolgen, wenn z. B. der Bereich großer Intensität im Laserstrahl ausgeblendet wird und so der äußere Bereich des Laserstrahls mit großer Auflösung vermessen werden kann und wobei das Einstellen durch eine Vermessung kontrolliert werden muss. For the method according to the invention, the energy flux density of the radiation in the edge area of the bore to be created must be measured and adjusted very precisely, since the removal takes place at very low values for the energy flux density. According to the invention, a threshold value is defined for the minimum energy flux density required for ablation, which is defined as a number with the dimension Wem 2 for a pulse duration longer than one nanosecond or Jcm 2 for a pulse duration shorter than 10 picoseconds (corresponds to 10 4 Wm 2 or Jm 2 ), which replaces all otherwise known parameters relevant to drilling for characterizing the material to be drilled (melting temperature, heat capacity, thermal conductivity, etc.) and which has a typical value of 10 4 to 10 5 W » cm 2 or 1 for metallic materials to 10 J "cm 2 takes. The measurement with commercial devices, which have a limited range for the energy flux density to be measured and cannot simultaneously record any large differences in energy flux density, can only take place if z. B. the area of high intensity in the laser beam is hidden and so the outer area of the laser beam can be measured with high resolution and the setting must be checked by a measurement.
Bevorzugt wird die Laserstrahlung (LS) während des Bohrens so geführt, dass de ren Strahlachse (BA) eine Bewegung entlang mindestens einer einmal zu durchlaufenden, geschlossenen Bahnkurve (C) vornimmt. Hierbei wird der halbe Strahldurchmesser (Ds) mindestens so groß wie der halbe Durchmesser (De) der Bahnkurve (C) gewählt. Die Bewegung der Laserstrahlung (LS) während des Bohrens erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines Scanners. The laser radiation (LS) is preferably guided during drilling in such a way that its beam axis (B A ) moves along at least one closed trajectory (C) to be traversed once. Here, half the beam diameter (D s ) is selected to be at least as large as half the diameter (De) of the trajectory (C). The movement of the laser radiation (LS) during drilling takes place, for example, with the aid of a scanner.
In einer weiteren Maßnahme kann die Energieflussdichte der Strahlung (LS) im Überlappungsbereich (O) und im Randbereich (R) der zu erstellenden Bohrung (H) im zeitlichen Mittelwert unterschiedlich eingestellt werden. Das bedeutet, dass die Laserstrahlung gepulst wird, während die Strahlachse (BA) eine geschlossene Bahnkurve (C) durchläuft, sowie die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen (Pulspause) verändert wird, und dass die Bahngeschwindigkeit vc im zeitlichen Mittelwert verändert wird. In a further measure, the energy flux density of the radiation (LS) in the overlap area (O) and in the edge area (R) of the borehole (H) to be created can be set differently in terms of the time average. This means that the laser radiation is pulsed while the beam axis (B A ) runs through a closed trajectory curve (C), as well as the time between two consecutive pulses (pulse pause) is changed, and that the path speed v c is changed in terms of the time average.
Um zu bewirken, dass der erfindungsgemäße Maximalwert Amax für das Aspektverhältnis vergrößert wird, indem unerwünschte Reflexionen der Laserstrahlung (LS) innerhalb der Bohrung (H) einen hinreichend kleinen Wert aufweisen, das bedeutet, dass die reflektierte Energieflussdichte Werte annimmt, die kleiner als derIn order to ensure that the maximum value A max according to the invention for the aspect ratio is increased by undesired reflections of the laser radiation (LS) within the bore (H) having a sufficiently small value, which means that the reflected energy flux density assumes values that are smaller than
Schwellenwert für den Abtrag sind, wird der Poyntingvektor (<$>) im Randbereich (R) der Bohrung (H) mit einer Richtungskomponenten eingestellt, die auf die Bohrungswand (Hw) der zu erstellenden Bohrung (R) weist. Durch diese Maßnahme wird die Absorption der einfallenden Strahlung (LS) vergrößert und die Reflexion der Strahlung (LS) auf tiefer liegende Bereiche der Bohrungswand (Hw) der sich bildenden Bohrung (H) wird vermieden bzw zumindest so weit verkleinert, dass der Schwellenwert für den Abtrag nicht überschritten wird und kein unkontrollierter Abtrag erfolgt. Die Grenzfluenz Fth , das ist der Schwellenwert für eine Pulsdauer kürzer als 10 Pikosekunden, wird während der Ausbildung der Bohrung bzw. nach einer endli chen Anzahl von Perioden von Überfahrten erreicht bzw. sogar unterschritten, da die Bohrungswand mit jedem Puls zunehmend steiler wird und so die Fluenz der auf die Bohrungswand einfallenden Strahlung auf eine zunehmend größere Fläche bzw. Ausdehnung der Bohrungswand fällt. Wird die Grenzfluenz Fth erreicht bzw. unterschritten, dann ist kein Abtrag mehr möglich und die asymptotische geometri sche Form der Bohrung wird erreicht. Das ist die Definition und die Messvorschrift für die aus dem Vergleich von Simulation und Experiment ermittelten Werte für die Grenzfluenz Fth . Die geometrische Form der Bohrung nähert sich einer endgültigen bzw. asymptotischen Form, auch als Endform bezeichnet, an und kann dann nicht weiter abgetragen werden. Eine Annäherung an eine Asymptotik bedeutet immer, dass das Ergebnis des Bohrens beim Erreichen der Asymptotik nicht mehr oder bei Annäherung nur noch schwach von der Bestrahlungsdauer abhängt und so reproduzierbar angenommen wird. The Poynting vector (<$>) is set in the edge area (R) of the bore (H) with a directional component that points to the bore wall (H w ) of the bore (R) to be created. This measure increases the absorption of the incident radiation (LS) and the reflection of the radiation (LS) on deeper areas of the bore wall (Hw) of the bore (H) being formed is avoided or at least reduced to such an extent that the threshold value for the Removal is not exceeded and there is no uncontrolled removal. The limit fluence F th , that is the threshold value for a pulse duration shorter than 10 picoseconds, is reached or even fallen below during the formation of the bore or after a finite number of periods of passes, since the bore wall becomes increasingly steeper with each pulse and so the fluence of the radiation incident on the bore wall falls on an increasingly larger area or extent of the bore wall. If the limit fluence F th is reached or undershot, then no further removal is possible and the asymptotic geometrical shape of the bore is achieved. This is the definition and the measurement rule for the values for the limit fluence F th determined from the comparison of simulation and experiment. The geometric shape of the hole approaches a final or asymptotic shape, also referred to as the end shape, and can then not be removed any further. An approach to an asymptotic always means that the result of the drilling, when the asymptotic is reached, no longer depends on the irradiation time, or only weakly when it is approached, and is thus assumed to be reproducible.
Um eine große Reproduzierbarkeit der geometrischen Form der Bohrung (H) zu gewährleisten, ist es von Vorteil, das Erreichen der Asymptotik der Bohrungswand (Hw) sicherzustellen. Hierzu werden z. B. mehrere Bohrungen (Testbohrungen) mit wachsender Anzahl von Pulsen (gepulste Laserstrahlung) bzw. mit wachsender Bestrahlungsdauer (cw-Laserstrahlung) hergestellt und dabei unnötig lange der Laserstrahlung (LS) ausgesetzt, und es wird beobachtet, dass die Bohrung (H) nicht weiter fortschreitet. Der erzielte Bohrungsdurchmesser wird experimentell durch Anfertigen von Querschliffen bestimmt. Die Asymptotik ist erreicht, wenn sich die experimentell aus den Querschliffen bestimmte Bohrungsform bzw. der Bohrungsdurchmesser nicht mehr verändert. Ist das Erreichen der Asymptotik der Bohrungswand (Hw) sichergestellt, können weitere Bohrungen mit besonders großer Reproduzierbarkeit bzw. mit technisch vernachlässigbar kleinen Abweichungen - kleiner als wenige Mikrometer - voneinander hergestellt werden. In order to ensure high reproducibility of the geometric shape of the bore (H), it is advantageous to ensure that the asymptotics of the bore wall (H w ) are reached. For this purpose z. B. several bores (test bores) with a growing number of pulses (pulsed laser radiation) or with increasing exposure time (cw laser radiation) are made and exposed to the laser radiation (LS) for an unnecessarily long time, and it is observed that the hole (H) is not continues to progress. The bore diameter achieved is determined experimentally by making cross sections. The asymptotic is reached when the bore shape or the bore diameter determined experimentally from the cross-sections no longer changes. If the asymptotics of the bore wall (H w ) has been achieved, further bores can be produced with particularly high reproducibility or with technically negligible deviations - smaller than a few micrometers - from one another.
Unter einer asymptotischen Form der Bohrung oder Asymptotik wird diejenige Bohrungsform verstanden, die sich nach einer bestimmten Anzahl von Pulsen der Laserstrahlung (gepulste Laserstrahlung) oder nach einer bestimmten Bestrahlungsdauer (cw-Laserstrahlung) einstellt und die sich mit allen nachfolgenden Pulsen oder nachfolgender Einstrahlung nicht mehr ändert, was auch als Abtragsstop bezeichnet wird. Die Anzahl der Pulse der Laserstrahlung, nach der die Asymptotik vorliegt oder eine Asymptotik angenähert ist, hängt dabei von den Werten der Material-, Strahl- und Verfahrensparameter ab. Eine Annäherung an eine Asymptotik bedeutet daher, dass sich die erreichte Bohrungsform mit fortschreitender Bestrahlungsdauer nicht mehr ändert oder sich das Ergebnis der Bohrungsform nur noch sehr gering mit fortschreitender Bestrahlungsdauer ändert, so dass die vorliegende Bohrungsform als reproduzierbar angenommen wird und so eine Endform erreicht. An asymptotic shape of the bore or asymptotics is understood to mean that bore shape which occurs after a certain number of pulses of laser radiation (pulsed laser radiation) or after a certain irradiation duration (cw laser radiation) and which occurs with all subsequent pulses or subsequent irradiation no longer changes, which is also referred to as a removal stop. The number of pulses of the laser radiation after which the asymptotic is present or an asymptotic is approximated depends on the values of the material, beam and process parameters. An approach to an asymptotic therefore means that the hole shape achieved does not change any more as the irradiation time progresses, or that the result of the hole shape changes only very slightly as the irradiation time progresses, so that the present hole shape is assumed to be reproducible and thus reaches a final shape.
Nach einer verfahrensgemäßen Maßnahme wird das Erreichen der Endform der Bohrung durch Einstellen der Laserstrahlung (LS) auf den Randbereich (R) festgelegt und für das Erreichen der Endform der Bohrung (H) wird ein Schwellenwert festgelegt, der definiert ist als eine Zahl mit der Dimension W»cm 2 für eine Pulsdauer länger als eine Nanosekunde bzw. cm 2für eine Pulsdauer kürzer als 10 Pikosekunden (entspricht 10-4 W*m 2 bzw. J*m~2), der alle sonst bekannten für das Bohren relevanten Parameter zur Charakterisierung des zu bohrenden Materials ersetzt und der für metallische Werkstoffe einen typischen Wert von 104 bis 105 W«cm 2 bzw. 1 bis 10 J*cm 2 annimmt. According to a measure according to the method, reaching the final shape of the hole is determined by setting the laser radiation (LS) to the edge area (R) and a threshold value is defined for reaching the final shape of the hole (H), which is defined as a number with the dimension W » cm 2 for a pulse duration longer than one nanosecond or cm 2 for a pulse duration shorter than 10 picoseconds (corresponds to 10 -4 W * m 2 or J * m ~ 2 ), which are all otherwise known parameters relevant for drilling Replaces characterization of the material to be drilled and which assumes a typical value of 10 4 to 10 5 W « cm 2 or 1 to 10 J * cm 2 for metallic materials.
Da die Bohrungswand mit fortschreitender Bohrdauer zunehmend steiler wird, trifft ein zunehmender Strahlungsanteil auf eine zunehmend größere Teilfläche der Bohrungswand ( Hw ), und somit wird die auf die Bohrungswand (Hw) einfallende Fluenz (F) der Strahlung kleiner. Auf diese Weise nähert sich die Bohrungsform reproduzierbar und mit großer Genauigkeit einer Endform an, die nicht weiter abgetragen werden kann. Since the borehole wall becomes increasingly steeper as the drilling time progresses, an increasing proportion of radiation hits an increasingly larger partial area of the borehole wall (H w ), and thus the fluence (F) of the radiation incident on the borehole wall (H w ) becomes smaller. In this way, the shape of the bore approximates reproducibly and with great accuracy a final shape that cannot be removed any further.
Für eine Pulsdauer bzw. eine Zeit der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material kürzer als 10 Pikosekunden deponiert die Laserstrahlung die absorbierte Energie lediglich in den freien Elektronen des Materials ohne merkliche Aufheizung der Atome des bestrahlten Materials. Anstelle der Energieflussdichte [J«m 2 s 1] wird die Fluenz (F) [J*m 2] als das Integral einer Energieflussdichte über die Zeit definiert, wobei die Fluenz als der Anteil an Energie der Laserstrahlung (Strah lungsenergie), der pro Fläche das Material bestrahlt, definiert ist und die SI-Einheit J*m 2 besitzt. Die Strahlungsenergie pro Fläche, mit der das Material des Bauteils bestrahlt wird, kann auch als Fluenz (F) mit F=bA t bezeichnet werden, wobei die Energieflussdichte auch als Intensität / bezeichnet wird und At die Zeitdauer der Bestrahlung des Bauteils angibt. For a pulse duration or a time of interaction of the laser radiation with the material shorter than 10 picoseconds, the laser radiation deposits the absorbed energy only in the free electrons of the material without noticeable heating of the atoms of the irradiated material. Instead of the energy flux density [J « m 2 s 1 ], the fluence (F) [J * m 2 ] is defined as the integral of an energy flux density over time, with the fluence being the proportion of energy in the laser radiation (radiation energy) that per Area the material is irradiated, defined and has the SI unit J * m 2 . The radiation energy per area with which the material of the component is irradiated can also be referred to as fluence (F) with F = bA t, where the energy flux density is also referred to as intensity / and At indicates the duration of the irradiation of the component.
Wird ein Schwellenwert (Grenzfluenz Fth) für die Fluenz (F) unterschritten, dann ist kein Abtrag mehr möglich und die asymptotische, geometrische Form der Bohrung ist erreicht. Die geometrische Form der Bohrung nähert sich nämlich einer endgültigen bzw. asymptotischen Form an und kann dann nicht weiter abgetragen werden. Daher ist für eine große Reproduzierbarkeit der geometrischen Form der Bohrung das Erreichen der Asymptotik sicherzustellen, wie dies bereits vorstehend erläutert wurde. If a threshold value (limit fluence F th ) for the fluence (F) is undershot, removal is no longer possible and the asymptotic, geometric shape of the bore is reached. This is because the geometric shape of the bore approximates a final or asymptotic shape and can then no longer be removed. It is therefore necessary to ensure that the asymptotics are achieved for a high degree of reproducibility of the geometric shape of the bore, as has already been explained above.
Beim Durchbohren des Materials öffnet sich der Bohrungsgrund der Bohrung, wobei ein Teil der Laserstrahlung durch die Bohrung hindurchstrahlt und nicht von dem zu bohrenden Material absorbiert wird. Der Bohrungsgrund ( Hb ) ist hierbei definiert als das beim Bohren fortschreitende Ende der sich bildenden Bohrung (H). In einer sich am Bohrungsgrund öffnenden Bohrung (H) wird die Schmelze aus der Umgebung der Öffnung weniger stark beschleunigt und nicht mehr vollständig aus der Bohrung ausgetrieben und erstarrt an der Bohrungswand. Um zu vermeiden, dass die beim Bohren auszutreibende Schmelze an der Bohrungswand erstarrt, ist eine vorteilhafte Maßnahme für das Bohren mit gepulster Laserstrahlung diejenige, dass beim Bohren mit mehreren Pulsen (bis zum letzten Puls) vor dem Durchbohren des Überlappungsbereichs (O) die Schmelze entgegen der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung (LS) aus der Bohrung (H) ausgetrieben wird. Dies wird erreicht, indem die Energieflussdichte der Laserstrahlung im Überlappungsbereich (O) so eingestellt wird, dass der Bohrungsgrund die Materialdicke erreicht und noch keine Durchbohrung vorliegt. Auf diese Weise wird das restliche Volumen, um die Endform der Bohrung zu erreichen und das noch abzutragen ist und das zumindest teilweise als unerwünschter Recast in der Bohrung verbleibt, möglichst klein. When drilling through the material, the bottom of the hole opens, with part of the laser radiation shining through the hole and not being absorbed by the material to be drilled. The bottom of the hole (H b ) is defined here as the progressing end of the hole (H) that forms during drilling. In a hole (H) opening at the bottom of the hole, the melt is accelerated less strongly from the area around the hole and is no longer completely expelled from the hole and solidifies on the hole wall. In order to prevent the melt to be expelled during drilling from solidifying on the wall of the hole, an advantageous measure for drilling with pulsed laser radiation is that when drilling with several pulses (up to the last pulse) the melt is countered before drilling through the overlapping area (O) the direction of propagation of the laser radiation (LS) is driven out of the bore (H). This is achieved by setting the energy flux density of the laser radiation in the overlap area (O) in such a way that the bottom of the hole reaches the material thickness and there is still no through hole. In this way, the remaining volume in order to achieve the final shape of the bore and that still has to be removed and that at least partially remains in the bore as an undesirable recast is as small as possible.
Mit dem Verfahren kann das Austreiben der Schmelze aus der sich bildenden Bohrung ohne Anwendung einer Gasdüse und nur aufgrund des Verdampfungsdrucks erfolgen. Die Energieflussdichte im Überlappungsbereich, d. h. der Bereich, der mit jedem Puls der Laserstrahlung bestrahlt wird, und die Pulsdauer werden so einge stellt, dass der Bohrungsgrund zu einem Pulsende die Unterseite des Bauteils erreicht, ohne die vorstehend angesprochene Asymptotik erreicht zu haben. Der Erfolg einer kleinen Recastdicke kann durch Messung der Recastdicke, das bedeutet die Dicke der Schmelzablagerungen, die an der Bohrungswand erstarren und nicht ausgetrieben werden können und die typischerweise für nicht rotierende Bauteile kleiner als 100 pm sind und die typischerweise für rotierende, beschleunigte Bauteile kleiner 50 pm sein sollten, festgestellt werden. Die Intensität und die Pulsdauer der eingesetzten Strahlung werden so angepasst, dass zum Zeitpunkt des Durchbohrens des Bauteils an dessen Unterseite (am Bohrungsgrund ( Hb )) nur ein minimales, restliches Volumen an Schmelze abzutragen ist, um dann letztendlich die Asymptotik der Bohrung zu erreichen. Zu diesem Zeitpunkt wird das sehr kleine noch abzutragende Restvolumen an Material aufgeschmolzen und durch den Verdampfungsdruck teilweise nach unten und teilweise entlang der Bohrungswand nach oben aus der Bohrung ausgetrieben, wo dieses wiederum teilweise erstarrt und ein Recast bildet. The method enables the melt to be expelled from the bore that is being formed without the use of a gas nozzle and only due to the evaporation pressure respectively. The energy flux density in the overlap area, ie the area that is irradiated with each pulse of the laser radiation, and the pulse duration are set so that the bottom of the hole reaches the bottom of the component at the end of the pulse without having reached the above-mentioned asymptotics. The success of a small recast thickness can be determined by measuring the recast thickness, i.e. the thickness of the enamel deposits that solidify on the bore wall and cannot be expelled and that are typically less than 100 μm for non-rotating components and typically less than 50 for rotating, accelerated components pm should be determined. The intensity and the pulse duration of the radiation used are adjusted in such a way that at the time of drilling through the component on its underside (at the bottom of the hole (H b )) only a minimal, remaining volume of melt needs to be removed in order to ultimately achieve the asymptotics of the hole . At this point in time the very small remaining volume of material still to be removed is melted and driven partly downwards and partly upwards along the bore wall by the evaporation pressure out of the bore, where it in turn partially solidifies and forms a recast.
Ein Minimalwert der Energieflussdichte sollte nicht unterschritten werden und ein Maximalwert der Energieflussdichte sollte nicht überschritten werden. Der Minimalwert wird dadurch bestimmt, dass kein Durchbohren, definiert als noch kein Öffnen des Bohrungsgrunds an der Unterseite des Bauteils, erfolgt, und der Maximalwert wird dadurch bestimmt, dass die Bohrdauer zum Erreichen der Durchbohrung sprungartig zunimmt. Eine sprungartige Zunahme bedeutet, dass für eine Energieflussdichte geringfügig kleiner als der Maximalwert eine kleine Bohrdauer ausreicht, um das Material zu durchbohren, wobei die Bohrgeschwindigkeit vp große Werte, typischerweise größer als 1ms 1 , annimmt, und dass für eine Energieflussdichte geringfügig größer als der Maximalwert eine große Bohrdauer bis zum Durchbohren erforderlich ist und die Bohrgeschwindigkeit vp kleine Werte, typischerweise kleiner als 102 ms 1, annimmt. The energy flux density should not fall below a minimum value and the energy flux density should not exceed a maximum value. The minimum value is determined by the fact that there is no drilling through, defined as no opening of the bottom of the hole on the underside of the component, and the maximum value is determined by the fact that the drilling time to reach the through hole increases suddenly. A sudden increase means that for an energy flux density slightly less than the maximum value, a short drilling time is sufficient to drill through the material, the drilling speed v p assuming large values, typically greater than 1 ms 1 , and that for an energy flux density slightly greater than Maximum value, a long drilling time is required until drilling through and the drilling speed v p assumes small values, typically less than 10 2 ms 1 .
Es ist anzumerken, dass eine zu kleine Energieflussdichte der Laserstrahlung nicht ausreicht, um die Schmelze aus der Bohrung über deren gesamten Tiefe auszutreiben, und dass zu große Intensitäten der Laserstrahlung einen zu dichten Me- talldampf hervorrufen, der die Laserstrahlung maßgeblich absorbiert und so die Bohrgeschwindigkeit vp verkleinert. It should be noted that an energy flux density of the laser radiation that is too low is not sufficient to drive the melt out of the hole over its entire depth, and that the intensities of the laser radiation that are too high result in a too dense measurement. create tall vapor, which absorbs the laser radiation significantly and thus reduces the drilling speed v p .
Verfahrensgemäß kann durch Einstellung eines Inkrementwinkels (Alpha), definiert als derjenige Winkel, um den die Strahlachse (BA) der Laserstrahlung um die Bohrungsachse (Ha) gedreht wird, eine im Querschnitt kreisrunde Bohrung, eine achtförmige Bohrung, eine Langlochbohrung oder eine Dreiloch- oder sternförmige Bohrung erzeugt werden. Nach dem Stand der Technik ist für das Herstellen nicht kreisrunder Bohrungsquerschnitte ein Strahldurchmesser der Laserstrahlung notwendig, der kleiner als der kleinste Querschnitt der Bohrung ist, und die zu erzeugende Bohrungskontur ist entlang einer Bahnkurve abzufahren. Durch Anwendung von Verfahren nach dem Stand der Technik ist die kleinste erreichbare According to the method, by setting an incremental angle (alpha), defined as the angle through which the beam axis (B A ) of the laser radiation is rotated around the bore axis (H a ), a bore that is circular in cross section, an eight-shaped bore, an elongated bore or a three-hole - or star-shaped holes are generated. According to the state of the art, the production of non-circular bore cross-sections requires a beam diameter of the laser radiation that is smaller than the smallest cross-section of the bore, and the bore contour to be generated must be traced along a trajectory. By using prior art methods, the smallest can be achieved
Querschnittsform, z. B. der x-förmige Abschnitt in der Mitte einer achtförmigen Kontur, beim Abfahren der Kontur mindestens so groß wie der Strahldurchmesser und damit größer als durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der x-förmige Abschnitt der achtförmigen Kontur nur durch den Überlappungsbereich des Laserstrahldurchmessers bestrahlt wird. Cross-sectional shape, e.g. B. the x-shaped section in the middle of an eight-shaped contour, when tracing the contour at least as large as the beam diameter and thus larger than by using the method according to the invention, since with the method according to the invention, the x-shaped section of the eight-shaped contour only through the Overlap area of the laser beam diameter is irradiated.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine achtförmige Bohrung dadurch erzeugt, dass der Inkrementwinkel und die Pulspause so eingestellt werden, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen der Inkrementwinkel 180 Winkelgrade beträgt und die Laserstrahlung gepulst ist, wobei der Puls wiederholt bei Erreichen von 0 und 180 Winkelgraden erfolgt, bis die achtförmige Bohrungsform erreicht ist. Für die Bildung einer Langlochbohrung werden ebenfalls ein Inkrementwinkel von 180 Winkelgraden und die Pulspause so eingestellt, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen der Inkrementwinkel 180 Winkelgrade beträgt und der Puls wiederholt bei Erreichen von 0 und 180 Winkelgraden erfolgt, wobei der Überlap- punsbereich so groß eingestellt wird, dass ein Langloch entsteht. Eine Dreiloch- Bohrung, dies ist eine Bohrung, die z. B. drei Bohrungen mit einem Winkelabstand von 120 Winkelgraden aufweist, wird durch Einstellen des Inkrementwinkels auf 120 Winkelgrade erzeugt, wobei die Pulse wiederholt bei Erreichen von 0, 120 und 240 Winkelgraden erfolgen, bis die Dreiloch-Bohrung gebildet ist. Eine sternförmige Bohrung entsteht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dann, wenn Inkre- mentwinkel und Pulspause so eingestellt werden, dass die Pulse wiederholt bei Erreichen von 0, 360*1/n, 360*2/n, 360*(n-1)/(n) Winkelgraden erfolgt, wobei n eine natürliche Zahl ist und 360/n eine natürliche Zahl ist, bis die sternförmige Bohrung erreicht ist. With the method according to the invention, an eight-shaped bore is produced by setting the increment angle and the pulse pause in such a way that the increment angle between two successive pulses is 180 degrees and the laser radiation is pulsed, the pulse being repeated when reaching 0 and 180 degrees, until the eight-shaped hole shape is reached. To create an elongated hole, an increment angle of 180 degrees and the pulse pause are set in such a way that the increment angle between two successive pulses is 180 degrees and the pulse is repeated when 0 and 180 degrees are reached, with the overlap area being set so large that an elongated hole is created. A three-hole hole, this is a hole that z. B. has three bores with an angular distance of 120 degrees, is generated by setting the increment angle to 120 degrees, the pulses are repeated when reaching 0, 120 and 240 degrees, until the three-hole hole is formed. A star-shaped bore is created according to the method according to the invention when incre- angle and pulse pause are set so that the pulses are repeated when reaching 0, 360 * 1 / n, 360 * 2 / n, 360 * (n-1) / (n) degrees, where n is a natural number and 360 / n is a natural number until the star-shaped hole is reached.
Die wesentlichen Vorteile und Besonderheiten der durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbaren Bohrungen, sowie spezielle sich daraus ergebende Anwendungen und Einsatzbereiche, können wie folgt zusammengefasst werden: The essential advantages and special features of the bores that can be produced by the method according to the invention, as well as special applications and areas of use resulting therefrom, can be summarized as follows:
Der Durchmesser der mit dem Verfahren gemäß der Erfindung zu erstellenden Bohrung nimmt mit der Bestrahlungsdauer zu und strebt einen asymptotischen Wert an. Bei Annäherung an den asymptotischen Wert für den Bohrungsdurch messer strebt der Abtrag pro Puls bzw. die Bohrgeschwindigkeit vp gegen Null und der Durchmesser der Bohrung ist reproduzierbar. The diameter of the bore to be created with the method according to the invention increases with the duration of the irradiation and strives for an asymptotic value. When approaching the asymptotic value for the hole diameter, the removal per pulse or the drilling speed v p tends to zero and the diameter of the hole is reproducible.
Hierzu ist anzumerken, dass beim Bohren mit Gasstrahl zum Austreiben der Schmelze der kleinste Durchmesser einer Bohrung, der bezüglich der Bohrungstiefe entsteht, das Merkmal der geometrischen Form der Bohrung ist, das den Volumenstrom an Gasdurchsatz begrenzt. It should be noted here that when drilling with a gas jet to expel the melt, the smallest diameter of a hole that is created with regard to the depth of the hole is the feature of the geometrical shape of the hole, which limits the volume flow of gas throughput.
Das gesamte Durchflussvolumen, beispielsweise von Kraftstofffiltern, addiert sich aus den Durchflussvolumina der einzelnen Bohrungen. Eine Kühlung von Turbinen wird durch Bohrungen erreicht, deren Durchmesser und Aufweitung (Konizität) die Kühlwirkung bestimmen. Die Herstellung von Bohrungen in Kraftstofffiltern und Turbinenteilen ist daher ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens. The total flow volume, for example of fuel filters, is added up from the flow volumes of the individual bores. Turbines are cooled by bores, the diameter and widening of which (conicity) determine the cooling effect. The production of bores in fuel filters and turbine parts is therefore a particularly important field of application of the method according to the invention.
Das Strömungsverhalten beim Austreten von Gasen und Flüssigkeiten aus einer Bohrung wird unter ariderem durch den Winkel der Bohrungswand zur Werkstoffoberfläche und die Aufweitung der Bohrung, d. h. die Konizität der Bohrung, bestimmt. Das Einhalten einer vordefinierten Konizität ist unter anderem entscheidend für die Verteilung von Kühlgasen auf Werkstoffoberflächen, beispielsweise zum Schutz von Turbinenkomponenten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine solche Konizität sehr definiert eingestellt werden, indem der Poynting- — > The flow behavior when gases and liquids emerge from a borehole are determined by the angle of the borehole wall to the material surface and the widening of the borehole, ie the conicity of the borehole. Maintaining a predefined conicity is crucial for the distribution of cooling gases on material surfaces, for example to protect turbine components. With the method according to the invention, such a conicity can be set in a very defined manner by the Poynting- - >
vektor (< S >) im Randbereich (R) der Bohrung (H) eine monoton mit der Boh- rungstiefe veränderliche Richtungskomponente aufweist, die auf die Bohrungswand (Hw) der zu erreichenden Bohrung (H) weist. Da die Absorption der Strahlung und damit die Bohrgeschwindigkeit vp mit zunehmender Richtungskomponen te auf die Bohrungswand (Hw) größer wird, wird auch der Bohrungsdurchmesser proportional zu der Richtungskomponente größer. vector (<S>) in the edge area (R) of the hole (H) a monotonous with the hole tion depth has variable directional component which points to the bore wall (H w ) of the bore to be reached (H). Since the absorption of the radiation and thus the drilling speed v p increases with the increasing directional component on the wall (Hw), the diameter of the drilling also increases proportionally to the directional component.
Die zylindrische bzw. konische Form einer Bohrung ist Voraussetzung für eine laminare Strömung von Flüssigkeiten und Gasen durch die Bohrung. Der Durchmesser von Bohrungen in Mehrschichtsystemen, bestehend aus einem Basismaterial, einer Haftvermittlerschicht und einer Wärmedämmschicht, wie dies insbesondere in Turbinenkomponenten der Fall ist, muss unabhängig von der jeweiligen während des Bohrens zu durchbohrende Werkstoffschicht einstellbar sein, so dass, ungeachtet der zu durchbohrenden Werkstoffschicht, eine glatte Bohrungswand und ein sich mit zunehmender Bohrungstiefe gleichmäßig aufweitender oder enger werdender Bohrungsdurchmesser entsteht. Dies ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch möglich, dass zuerst die Wärmedämmschicht durchbohrt wird, die eine größere Energieflussdichte zum Durchbohren erfordert bzw. einen größeren Wert für die Schwellenfluenz aufweist, und die Bohrdauer so gewählt wird, dass die Bohrung in der Wärmedämmschicht ihre asymptotische Form erreicht und bei nachfolgendem Bohren in tieferliegenden Werkstoffschichten mit kleinerer Energieflussdichte bzw. einem kleineren Wert für die Schwellenfluenz nicht weiter abgetragen wird. The cylindrical or conical shape of a bore is a prerequisite for a laminar flow of liquids and gases through the bore. The diameter of holes in multi-layer systems, consisting of a base material, an adhesion promoter layer and a thermal insulation layer, as is the case in particular in turbine components, must be adjustable independently of the material layer to be drilled through during drilling, so that regardless of the material layer to be drilled through, a smooth bore wall and a bore diameter that widens or narrows evenly with increasing bore depth. According to the method according to the invention, this is possible in that first the thermal insulation layer is drilled through, which requires a greater energy flux density for drilling or has a greater value for the threshold fluence, and the drilling duration is selected so that the hole in the thermal insulation layer achieves its asymptotic shape and during subsequent drilling in deeper layers of material with a lower energy flux density or a lower value for the threshold fluence, it is no longer removed.
Eine weitere überraschende Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass über die gesamte Bohrungstiefe eine definierte Konizität beim Bohren von Mehrschichtsystemen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften für die Absorption der Laserstrahlung und die Wärmeleitung - Keramik der Wärmedämmschicht und Metall des Grundmaterials - durchführbar ist. Die zuerst zu bohrenden Schichten beeinflussen den Bohrvorgang und damit die Bohrungsform überraschenderweise nur vernachlässigbar. Dies wird als eine Folge der Schmelzströmung verstanden, welche über die zuerst gebohrten, keramischen Schichten strömt und diese bedeckt, wodurch die Absorption von Laserstrahlung und Wärmeleitung für die Wärmedämmschicht und das metallische Grundmaterial gleich groß werden und so eine glatte Bohrungswand entsteht. Wesentlich ist also, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Beginn des Bohrens bis zum Zeitpunkt des Durchbohrens einen Schmelzaustrieb entgegen der Strahlrichtung aufweist. Da die Bohrung im Zentralbereich entsteht, werden Bereiche der Bohrung, an denen etwa eine mangelnde Qualität - hier Formabweichungen aufgrund unterschiedlicher Materialeigenschaften - auftritt, im weiteren Verlauf des Bohrens abgetragen und trägen somit nicht zur Qualität der Bohrung bei. Die Schmelze der tiefer liegenden metallischen Schichten werden in Richtung der darüber liegenden, etwa keramischen Schichten getrieben und bedecken diese, was dazu führt, dass die Strahlung auf dem schmelzflüssigen Material aus tiefer liegenden Schichten absorbiert wird und die Wärme durch die bedeckende Schmelze dominiert wird. Another surprising property of the method according to the invention can be seen in the fact that a defined conicity can be carried out over the entire depth of the hole when drilling multilayer systems with very different properties for the absorption of laser radiation and heat conduction - ceramic of the thermal insulation layer and metal of the base material. The layers to be drilled first have a surprisingly negligible effect on the drilling process and thus the shape of the hole. This is understood as a consequence of the melt flow, which flows over the ceramic layers drilled first and covers them, whereby the absorption of laser radiation and heat conduction for the thermal insulation layer and the metallic base material become the same and a smooth bore wall is created. So it is essential that that The method according to the invention has a melt expulsion counter to the jet direction from the beginning of the drilling up to the time of the drilling through. Since the hole is created in the central area, areas of the hole where there is a lack of quality - here shape deviations due to different material properties - are removed in the further course of drilling and thus do not contribute to the quality of the hole. The melt of the lower-lying metallic layers are driven in the direction of the overlying, for example ceramic layers and cover them, which means that the radiation on the molten material is absorbed from the deeper layers and the heat is dominated by the covering melt.
Es ist keine Reduzierung der Haft- und Scherfestigkeit von Coatings zu beobach ten. Beim Bohren von Mehrschichtsystemen darf die Haftung zwischen den No reduction in the adhesive and shear strength of coatings can be observed. When drilling multilayer systems, the adhesion between the
Schichten im Bereich der Bohrung nicht reduziert werden. Beispielsweise können sich bei der Beschädigung der Wärmedämmschicht von Turbinenkomponenten die Schichten der im Betrieb thermisch und mechanisch hoch belasteten Komponenten vom Basismaterial lösen und ein Schutz durch die Wärmedämmschicht ist nicht mehr gewährleistet. Da die Haftung zwischen den Schichten während des Bohrens durch die an der Bohrungswand entgegen der Strahlrichtung ausströmenden Schmelze thermisch belastet wird, wobei die Schichten während jedes Pulses er neut auf die Schmelztemperatur der vorbeiströmenden Schmelze erwärmt werden und sich wegen der unterschiedlichen Wärmedehnung in den unterschiedlichen Schichten eine die Schichten unterschiedlich stark scherende thermomechanische Wirkung ergibt, muss die Pulspause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen so groß gewählt werden, dass die Erwärmung durch Wärmediffusion wieder abnehmen kann und keine Akkumulation der Wärme erfolgt, welche die scherend belastende Wirkung größer werden ließe. Hierbei ist zu beachten, dass die Eindringtiefe der Wärme (skaliert die Dicke der Wärmedämmschicht) in die Wärme dämmschicht kleiner als 1 bleiben muss, da sonst die scherende Wirkung zu stark wird, wie dies in der Grafik der Figur 4 der Zeichnung dargestellt ist. In dieser Figur sind die Eindringtiefe der Wärme in die Wärmedämmschicht und die Temperatur an der Bohrungswand der Wärmedämmschicht nach dem Aufheizen in der Zeit tp und einer Pulspause tpause dargestellt. Dies ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch möglich, dass die Pulspause tpause als ein Vielfaches der Pulsdauer tp zu wählen ist, wobei die Temperatur T aus der skalierten Temperatur Ts aus der Beziehung T=Ta+(Tm-Ta)Ts zu berechnen ist. Ta gibt die Umgebungstemperatur an, während Tm die Schmelztemperatur bezeichnet. Anhand der Grafik der Figur 4 ist abzulesen, wie die skalierte Temperatur Ts während der Pulspause tpause abnimmt. Um eine Abkühlung von der Schmelztemperatur Ts=1 auf den 10- ten Teil der Schmelztemperatur Tm - die konstante Kurve in Figur 4 - zu erreichen, muss die Pulspause tpause 40-mal so groß sein wie die Pulsdauer tp. Layers in the area of the hole are not reduced. For example, if the thermal insulation layer of turbine components is damaged, the layers of the components that are thermally and mechanically highly stressed during operation can detach from the base material and protection by the thermal insulation layer is no longer guaranteed. Since the adhesion between the layers is thermally stressed during drilling by the melt flowing out of the hole wall against the direction of the jet, the layers being heated again to the melting temperature of the melt flowing past during each pulse and due to the different thermal expansion in the different layers If the layers result in a thermomechanical shearing effect of different strengths, the pulse pause between two successive pulses must be chosen so large that the heating by heat diffusion can decrease again and there is no accumulation of heat, which would increase the shearing effect. It should be noted here that the penetration depth of the heat (scaled the thickness of the thermal insulation layer) in the thermal insulation layer must remain less than 1, otherwise the shearing effect will be too strong, as shown in the graphic in Figure 4 of the drawing. In this figure, the depth of penetration of the heat into the thermal insulation layer and the temperature on the bore wall of the thermal insulation layer after heating are shown in the time tp and a pulse pause tpause. This is according to the invention Method possible in that the pulse pause tpause is to be selected as a multiple of the pulse duration tp, the temperature T being calculated from the scaled temperature Ts from the relationship T = Ta + (Tm-Ta) Ts. Ta indicates the ambient temperature, while Tm indicates the melting temperature. The graph in FIG. 4 shows how the scaled temperature Ts decreases during the pulse pause tpause. In order to cool down from the melting temperature Ts = 1 to the 10th part of the melting temperature Tm - the constant curve in FIG. 4 - the pulse pause tpause must be 40 times as large as the pulse duration tp.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Ablagerung erstarrter Schmelze (Recast) an der Bohrungswand vermieden. Ein definierter Bohrungsdurchmesser kann nur erreicht werden, wenn die geometrische Form der Bohrung nicht durch unregelmäßige Ablagerungen erstarrter Schmelze an der Bohrungswand verändert wird, die auch den Bohrfortschritt und die geometrische Form der Boh rung unsystematisch beeinflussen würden. Außerdem können in der erstarrten Schmelze Risse und Spannungen entstehen, die im Betrieb des Bauteils zu Schädigungen führen können. Bei hoch belasteten Komponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln und Kraftstofffiltern, erhöht das Vermeiden von Ablagerungen aus erstarrter Schmelze deren Lebensdauer. According to the method according to the invention, a deposit of solidified melt (recast) on the bore wall is avoided. A defined bore diameter can only be achieved if the geometric shape of the bore is not changed by irregular deposits of solidified melt on the bore wall, which would also affect the drilling progress and the geometric shape of the drilling unsystematically. In addition, cracks and stresses can arise in the solidified melt, which can lead to damage during operation of the component. In the case of highly stressed components, such as turbine blades and fuel filters, avoiding deposits from solidified melt increases their service life.
Es wird eine Gratbildung durch erstarrte Schmelze am Bohrungsaustritt vermieden, da mit dem Verfahren eine Durchbohrung im Überlappungsbereich erzeugt wird, die einen kleineren Bohrungsdurchmesser aufweist als der Bohrungsdurchmesser des Randbereichs nach dem Erreichen der asymptotischen Form der Bohrung. Der Grat, der etwa zu Beginn der Bohrung am Bohrungsaustritt im Überlappungsbe reich entsteht, wird mit dem Verfahren des Bohrens im Randbereich noch abgetra gen, und da beide Bereiche zeitlich eng aneinander anschließend abgetragen werden, wird eine kurze Bohrzeit erreicht. Das Vermeiden der Gratbildung erspart eine Nachbearbeitung und verkleinert die Produktionszeit beispielsweise von Turbinenkomponenten und Kraftstofffiltern, und der Wirkungsgrad einer Kühlung wird erhöht, da ansonsten eine Gratbildung am Bohrungsaustritt den Strömungswiderstand eines Kühlfluids und somit den Wirkungsgrad einer Kühlung vermindert. Es kann ein Austreiben der Schmelze in Richtung entgegen der einfallenden Laserstrahlung durch einen Druckgradienten, aufgrund eines Verdampfens des Werkstoffs des Bauteils am Bohrungsgrund, erreicht werden, was für kleine Bohrungsdurchmesser in der Änfangsphase des Bohrens wesentlich effizienter ist als ein Druckgradient aufgrund eines antreibenden, externen Gasstrahls. Nach dem Stand der Technik ist ein externer Gasstrahl zum Austreiben der Schmelze erforderlich. Die Erfahrung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt, dass der Schmelzaustrieb im Überlappungsbereich durch Druckgradienten aufgrund des Verdampfens ausreicht und ein externer Gasstrahl nicht erforderlich ist. Das Ausströmen von dominanten Anteilen der Schmelze aus dem Überlappungsbereich aus der Bohrung heraus und entgegen der einfallenden Laserstrahlung reduziert den Recast an der Bohrungswand. Beim Herstellen von Stents, Kraftstofffiltern und Turbinenschaufeln ist ansonsten eine Nachbearbeitung, auch als Reinigen bezeichnet, erforderlich, wenn sich während des Bohrens Werkstoffrückstände (Recast) in den Bohrungen ablagern. The formation of burrs due to solidified melt at the hole outlet is avoided because the method creates a through hole in the overlap area which has a smaller hole diameter than the hole diameter of the edge area after the asymptotic shape of the hole has been reached. The burr that arises at the beginning of the hole at the hole exit in the overlapping area is still abgetra conditions with the method of drilling in the edge area, and since the two areas are abraded close to each other, a short drilling time is achieved. Avoiding the formation of burrs saves post-processing and reduces the production time, for example of turbine components and fuel filters, and the efficiency of cooling is increased, since otherwise burr formation at the bore outlet reduces the flow resistance of a cooling fluid and thus the efficiency of cooling. The melt can be expelled in the direction opposite to the incident laser radiation by a pressure gradient due to evaporation of the component material at the bottom of the hole, which is much more efficient for small hole diameters in the initial phase of drilling than a pressure gradient due to a driving, external gas jet . According to the prior art, an external gas jet is required to expel the melt. Experience with the method according to the invention shows that the melt expulsion in the overlapping area by pressure gradients due to evaporation is sufficient and an external gas jet is not required. The outflow of dominant portions of the melt from the overlapping area out of the bore and against the incident laser radiation reduces the recast on the bore wall. When manufacturing stents, fuel filters and turbine blades, post-processing, also known as cleaning, is otherwise necessary if material residues (recast) are deposited in the bores during drilling.
Es können sehr kleine Krümmungsradien an der Austrittskante der Bohrung erreicht werden. Diese kleinen Krümmungsradien, idealerweise eine scharfe Kante, was 90 Winkelgraden bzw. einer rechtwinkligen Kante entspricht, werden dadurch erreicht, dass die Absorption der Laserstrahlung an der Bohrungswand in der Nähe der Eintrittskante vergrößert wird, indem der Poyntingvektor (< S >) im Randbe reich (R) der Bohrung (H) eine mit der Bohrungstiefe veränderliche Richtungskomponente aufweist, die auf die Bohrungswand ( Hw ) der zu erreichenden Bohrung (H) weist. Very small radii of curvature can be achieved at the trailing edge of the hole. These small radii of curvature, ideally a sharp edge, which corresponds to 90 degrees or a right-angled edge, are achieved by increasing the absorption of the laser radiation on the bore wall near the leading edge by adding the Poynting vector (<S>) in the edge area (R) of the bore (H) has a directional component which changes with the bore depth and which points to the bore wall (H w ) of the bore (H) to be reached.
Während die Bohrung entsteht, soll sich die entstehende Schmelze von der Ein trittskante ablösen (es soll also kein Grat entstehen), und während des Einsatzes der Bohrung, beispielsweise als Bohrung einer Düse, soll sich beispielsweise ein Kraftstoff von der Austrittskante ablösen. Das Ablösen einer Flüssigkeitsströmung an der Bohrungsöffnung (das heißt sowohl an der Eintrittskante, wo die Bohrung entsteht, als auch an der Unterseite des Bauteils, wo sich der Bohrungsgrund zuerst öffnet) wird nämlich durch die Krümmung der Austrittskante bestimmt. Bei Einspritzdüsen ist die Krümmung der Austrittskante bestimmend für das Ablösen und das vollständige Abbrennen des Kraftstoffs im Brennraum. Auch der Einzug von Umgebungsgasen in die Bohrung oder die Ablösung einer Kühlgasströmung vom Austritt einer Kühlbohrung in Turbinenschaufeln sind unerwünschte Eigenschaften der Strömung, deren Auftreten von der geometrischen Form der Austrittskante abhängt, die vorzugsweise rechtwinklig, zumindest annähernd rechtwinklig, sein sollte. While the hole is being drilled, the resulting melt should detach itself from the leading edge (so there should be no burr), and while the hole is in use, for example as a hole in a nozzle, a fuel, for example, is supposed to detach itself from the trailing edge. The detachment of a liquid flow at the bore opening (i.e. both at the leading edge where the bore is made and at the bottom of the component where the bore bottom opens first) is determined by the curvature of the trailing edge. In the case of injection nozzles, the curvature of the trailing edge is decisive for the detachment and the complete burning of the fuel in the combustion chamber. The drawing in of ambient gases into the bore or the detachment of a cooling gas flow from the outlet of a cooling bore in turbine blades are undesirable properties of the flow, the occurrence of which depends on the geometric shape of the exit edge, which should preferably be right-angled, at least approximately right-angled.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Bohren von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen und Bauteilen aus geschichteten metallischen und dielektrischen Werkstoffen weist eine Laserbearbeitungsvorrichtung auf, die mindestens eine Strahleinheit umfasst, die Laserstrahlung auf das Bauteil richtet, und weist eine Steuereinheit auf, die die Strahlungseinheit derart steuert, dass sich eine Spotfläche, definiert als ein mit der Laserstrahlung auf einer Oberseite bestrahlter Bereich des Bauteils, entlang eines inneren Umfangsabschnitts bewegt, der eine Position ist, die einem inneren Umfang der zu erstellenden Bohrung entspricht, und weiterhin derart steuert, dass ein Teil der Spotfläche einen Überlappungsbereich innerhalb des inneren Umfangsabschnitts der Bohrung zu jedem Zeitpunkt erzeugt. The device according to the invention for drilling components made of metallic materials and components made of layered metallic and dielectric materials has a laser processing device which comprises at least one beam unit which directs laser radiation onto the component, and has a control unit which controls the radiation unit in such a way that that a spot area, defined as a region of the component irradiated with the laser radiation on an upper side, moves along an inner circumferential section, which is a position corresponding to an inner circumference of the bore to be created, and further controls such that part of the spot area creates an area of overlap within the inner peripheral portion of the bore at any point in time.
Mit einer solchen Laserbearbeitungsvorrichtung wird eine sehr gute Formgenauigkeit der Bohrung erreicht und die zum Bilden der Bohrung erforderliche Zeit wird im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren verkürzt. With such a laser processing device, a very good shape accuracy of the bore is achieved and the time required to form the bore is shortened in comparison with conventional methods.
Die Vorrichtung nutzt die Bestrahlungs- oder Querschnittsfläche einer Spotfläche der Laserstrahlung, die auf das Bauteil auftrifft, die kleiner ist als eine Querschnittsfläche der zu erstellenden Bohrung. The device uses the irradiation or cross-sectional area of a spot area of the laser radiation that strikes the component, which is smaller than a cross-sectional area of the bore to be created.
Es ist auch bevorzugt, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung die Laserstrahlung so abgibt, dass ein Punktdurchmesser, der ein Durchmesser der Spotfläche ist, größer als eine halbe Länge eines Durchmessers der zu erstellenden Bohrung und kleiner als die Länge des Durchmessers der Bohrung ist. Hierdurch wird eine zu große Energieflussdichte des Laserlichts, die zum Durchbohren erforderlich und zum schnellen Durchbohren des Überlappungsbereich erwünscht ist, am Rand der Öffnung, also im Randbereich, vorteilhaft verringert, wobei die Verringerung der Energieflussdichte zu einem kleineren Abtragsvolumen pro Puls führt und so die Formgenauigkeit der Bohrung verbessert. Die Steuereinheit steuert die Laserstrahleinheit derart, dass die Laserstrahlung einen Bereich der Öffnung im Bauteil, in radialer Richtung zur Strahlachse gese hen, vom Überlappungsbereich nach außen erweitert. It is also preferred that the laser processing device emits the laser radiation in such a way that a point diameter, which is a diameter of the spot area, is greater than half a length of a diameter of the bore to be created and less than the length of the diameter of the bore. As a result, an excessively high energy flux density of the laser light, which is necessary for drilling through and desired for quickly drilling through the overlap area, is advantageously reduced at the edge of the opening, i.e. in the edge area, the reduction in energy flow density leading to a smaller removal volume per pulse and thus the accuracy of the shape the drilling improved. The control unit controls the laser beam unit in such a way that the laser radiation expands an area of the opening in the component, seen in the radial direction to the beam axis, from the overlapping area outwards.
Um den Austrieb der Schmelze nach dem Öffnen des Bohrungsgrunds zu verbessern, wird eine Hilfsfluid-Versorgungseinheit vorgesehen, die ein Fluid an die Oberseite des Bauteils und in die sich in dem Bauteil ausbildende Bohrung zuführt. In order to improve the expulsion of the melt after the bottom of the bore has been opened, an auxiliary fluid supply unit is provided which supplies a fluid to the top of the component and into the bore that is being formed in the component.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann eine Laseroszillationseinheit, die die Laserstrahlung, bezogen auf die Strahlachse, in radialer Richtung oszilliert, und eine Galvano-Scannereinheit, die eine Position der Spotfläche durch Reflexion der Laserstrahlung ändert, während sie gleichzeitig einen optischen Weg der von der La seroszillationseinheit oszillierten Laserstrahlung ändert, einsetzen. The laser processing device can have a laser oscillation unit that oscillates the laser radiation in the radial direction with respect to the beam axis, and a galvano scanner unit that changes a position of the spot surface by reflecting the laser radiation, while at the same time an optical path of the laser radiation oscillated by the laser oscillation unit changes, insert.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Further details and features of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing.
In der Zeichnung: In the drawing:
Figuren 1 bis 3 zeigen in schematischen Querschnittsdarstellungen die Entstehung einer Bohrung in einem Bauteil in einer zeitlichen Folge unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils in einer Ebene, die die Bohrungsachse enthält, wobei Figures 1 to 3 show in schematic cross-sectional representations the creation of a hole in a component in a time sequence using the method according to the invention in each case in a plane containing the axis of the hole, wherein
Figur 1 die geometrische Form der Bohrungswand und des Bohrungsgrunds vor dem Zeitpunkt des Durchbohrens des Bohrungsgrunds dargestellt, Figure 1 shows the geometric shape of the bore wall and the bore bottom before the time of drilling through the bore bottom,
Figur 2 die geometrische Form der Bohrungswand zu einem Zeitpunkt des Durch bohrens darstellt, Figure 2 shows the geometric shape of the bore wall at a point in time of drilling through,
Figur 3 die geometrische Form der Bohrungswand, wenn die Bohrungswand ihre vordefinierte, zu erreichende, geometrische Form angenommen hat, darstellt, FIG. 3 shows the geometric shape of the bore wall when the bore wall has assumed its predefined geometric shape to be achieved,
Figur 4 zeigt eine Grafik, die die Temperatur an der Bohrungswand an der Wärmedämmschicht nach dem Aufheizen durch vorbeiströmende Schmelze in einer Zeit tp und einer Pulspause tpause darstellt, Figur 5 zeigt die geometrischen Verhältnisse einer zu erstellenden Bohrung in einem Querschnitt senkrecht zur Bohrungsachse, FIG. 4 shows a graph that shows the temperature on the bore wall on the thermal insulation layer after heating by the melt flowing past in a time tp and a pulse pause tpause, Figure 5 shows the geometric relationships of a hole to be created in a cross section perpendicular to the hole axis,
Figuren 6A bis 6E zeigen eine zeitliche Abfolge von Querschnittsdarstellungen entsprechend der Figur 5 des Bohrvorgangs zum Erstellen der Bohrung durch eine Überlagerung von Strahlungsanteilen in einem Randbereich und in einem Über lappungsbereich, FIGS. 6A to 6E show a chronological sequence of cross-sectional representations corresponding to FIG. 5 of the drilling process for creating the hole by superimposing radiation components in an edge area and in an overlapping area,
Figur 7 zeigt in der Abfolge der Bilder (1) bis (4) das fortschreitende Durchbohren eines Bauteils, Figure 7 shows in the sequence of images (1) to (4) the progressive drilling through a component,
Figur 8 zeigt in der Abfolge der Bilder (1) bis (4) eine Trepanierbearbeitung, wie sie nach dem Stand der Technik zum Erzeugen einer Bohrung angewandt wird, FIG. 8 shows, in the sequence of images (1) to (4), a trepanning process as it is used according to the prior art to produce a bore,
Figur 9 stellt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform dar, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, FIG. 9 shows the schematic structure of a device according to a first embodiment with which the method according to the invention can be carried out,
Figur 10 zeigt den Aufbau der Figur 9 mit einer zusätzlichen Hilfsgas- Versorgungseinheit, und FIG. 10 shows the structure of FIG. 9 with an additional auxiliary gas supply unit, and
Figur 11 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Bohren, in einer teilweise geschnittenen Darstellung, wie sie in den Vorrichtungen der Figuren 9 und 10 einsetzbar ist, und mit einer der Vorrichtung zum Bohren zugeordneten Hilfsgasversorgungsquelle. FIG. 11 shows a schematic view of a device for drilling, in a partially sectioned representation, as it can be used in the devices of FIGS. 9 and 10, and with an auxiliary gas supply source assigned to the device for drilling.
Nachfolgend wird anhand der Figuren 5 und 6A bis 6E das erfindungsgemäße Verfahren zum Bohren von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen und Bauteilen aus geschichteten metallischen und dielektrischen Werkstoffen mittels Einzel puls/Perkussionsbohrens sowie mittels Trepanierbohrens mit gepulster oder kontinuierlicher Laserstrahlung beschrieben. The method according to the invention for drilling components made of metallic materials and components made of layered metallic and dielectric materials using single pulse / percussion drilling and trepanning with pulsed or continuous laser radiation is described below with reference to FIGS. 5 and 6A to 6E.
Um die geometrischen Verhältnisse zu erläutern, wird zunächst auf die Figuren 1 bis 3 Bezug genommen. In order to explain the geometric relationships, reference is first made to FIGS. 1 to 3.
Die Figur 1 zeigt die Querschnittsdarstellung eines Bauteils 1 , das senkrecht zu dessen Oberseite 2 eine Dicke d besitzt, vor dem Zeitpunkt des Durchbohrens des Bohrungsgrunds Hb . Das Bauteil 1 besteht aus einem metallischen Werkstoff oder aus geschichteten metallischen und dielektrischen Werkstoffen. In diesem Bauteil 1 ist bereits eine Bohrung H mit einer Bohrungsachse Ha, die in der Ebene des Querschnitts verläuft, gebildet, deren Bohrungswand mit Hw bezeichnet ist. FIG. 1 shows the cross-sectional representation of a component 1, which has a thickness d perpendicular to its upper side 2, before the point in time of drilling through the bottom of the hole H b . The component 1 consists of a metallic material or of layered metallic and dielectric materials. In this component 1, a bore H is already formed with a bore axis H a , which runs in the plane of the cross section, the bore wall of which is denoted by H w .
Die Bohrgeschwindigkeit ist mit vp bezeichnet und gibt die Bewegung des Bohrungsgrunds Hb in Richtung der Bohrungsachse Ha an. Mit R ist ein Randbereich bezeichnet, der als derjenige Bereich definiert ist, der außerhalb des Zentral- bzw. Überlappungsbereichs O liegt und beim Bohren mit kleinerer Energieflussdichte der Laserstrahlung LS bestrahlt wird. The drilling speed is denoted by v p and indicates the movement of the bottom of the hole H b in the direction of the hole axis H a . R denotes an edge area which is defined as that area which lies outside the central or overlap area O and is irradiated with a lower energy flux density of the laser radiation LS during drilling.
Die Strahlachse B mit einer Strahlrichtung der Laserstrahlung wird auf einer Bahnkurve C mit einer Richtung Rc bewegt und durchläuft diese Bahnkurve C wiederholt, bis das in Figur 3 skizzierte Bohrergebnis erreicht ist. Die Bahnkurve C liegt in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse BA (beam axis). The beam axis B with a beam direction of the laser radiation is moved on a trajectory C with a direction R c and runs through this trajectory C repeatedly until the drilling result sketched in FIG. 3 is achieved. The trajectory C lies in a plane perpendicular to the beam axis B A (beam axis).
Die Bohrung H in Figur 1 hat die Unterseite 3 des Bauteils 1 noch nicht durchstoßen und zeigt eine konische Querschnittsform. Das bedeutet, dass die Bohrung H immer noch durch einen Bohrungsgrund Hb begrenzt wird, dem ein Durchmesser Do des Überlappungsbereichs O (overlap area) zugeordnet ist. Der Überlappungs bereichs O ist in den Figuren 1 bis 3 gestrichelt dargestellt. Bis zu dieser Phase des Bohrens wird folglich die Schmelze entgegen der Strahlrichtung der Strahlachse BA einer eingesetzten Laserstrahlung LS aus dem Bohrungsgrund Hb heraus beschleunigt und aus der Bohrung H entlang der Bohrungswand Hw an der Oberseite 2 des Bauteils 1 ausgetrieben. Die beschleunigende Wirkung wird durch das Verdampfen des Materials am Bohrungsgrund Hb und den dabei auf die Schmelze des Materials wirkenden Verdampfungsdruck bzw. Ablationsdruck hervorgerufen. The bore H in FIG. 1 has not yet penetrated the underside 3 of the component 1 and shows a conical cross-sectional shape. This means that the bore H is still limited by a bore base H b , to which a diameter Do of the overlap area O is assigned. The overlap area O is shown in dashed lines in FIGS. 1 to 3. Up to this drilling phase, the melt is consequently accelerated against the beam direction of the beam axis B A of an inserted laser radiation LS out of the hole base H b and expelled from the hole H along the hole wall H w on the upper side 2 of the component 1. The accelerating effect is caused by the evaporation of the material at the bottom of the hole H b and the evaporation pressure or ablation pressure acting on the melt of the material.
Figur 2 zeigt nun gestrichelt die Querschnittsform des Überlappungsbereichs O sowie die geometrische Form der Bohrungswand Hw der Bohrung H zu einem Zeitpunkt, zu dem das Bauteil 1 an der Unterseite 3 durchbohrt ist. Der Zeitpunkt des Durchbohrens des Bauteils 1 ist dadurch definiert ist, dass die gesamte Breite Do des Überlappungsbereichs O die Unterseite 3 des Materials erreicht hat und die Orientierung des Schmelzaustriebs wechselt, das bedeutet, die Schmelze kann nun auch überwiegend an der Unterseite 2 des Bauteils 1 austreten. Figur 3 zeigt die geometrische Form der Bohrungswand Hw der Bohrung H, wenn die Bohrungswand Hw, ausgehend von der Form der Bohrung H, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, ihre vordefinierte, geometrische Form erreicht hat, wobei diese durch einen Radius rS top an der Oberseite 2 des Bauteils 1 sowie einen Radius re.bot an der Unterseite 3 des Bauteils 1 vordefiniert sind. Für eine konische Bohrung ist rB,top = rB,bot und der Durchmesser DH der Bohrung ist konstant bezüglich der Bohrungstiefe. FIG. 2 now shows, in broken lines, the cross-sectional shape of the overlap region O and the geometric shape of the bore wall H w of the bore H at a point in time at which the component 1 has been drilled through on the underside 3. The point in time of drilling through the component 1 is defined by the fact that the entire width Do of the overlap area O has reached the underside 3 of the material and the orientation of the melt expulsion changes, which means that the melt can now also predominantly on the underside 2 of the component 1 step out. FIG. 3 shows the geometric shape of the bore wall H w of the bore H when the bore wall H w , starting from the shape of the bore H as shown in FIG. 2, has reached its predefined, geometric shape, this being defined by a radius r S top on top 2 of component 1 and a radius right. bo t are predefined on the underside 3 of the component 1. For a conical bore, r B , top = r B , bot and the diameter D H of the bore is constant with respect to the bore depth.
In Figur 3 ist dargestellt, dass der Bohrungsdurchmesser Do im Überlappungsbereich kleiner ist als der Bohrungsdurchmesser DH der gesamten zu erstellenden Bohrung, die zusätzlich den äußeren Rand, das ist die Bohrungswand Hw (gestrichelt), des Randbereichs R erreicht. FIG. 3 shows that the bore diameter Do in the overlap area is smaller than the bore diameter D H of the entire bore to be made, which also reaches the outer edge, that is the bore wall H w (dashed), of the edge region R.
Um in einem Bauteil 1 eine Bohrung mittels Laserstrahlung LS herzustellen, werden gemäß der Erfindung sowohl das Einzelpuls/Perkussionsbohrens als auch das, Trepanierbohren zeitlich gesehen gleichzeitig durchgeführt, d. h. dass die beiden Verfahren überlagert durch die Überlappung im Überlappungsbereich bei gepulster Laserstrahlung LS oder überlagert mit kontinuierlicher Laserstrahlung bzw. nicht gepulster Laserstrahlung durch das Einstellen eines inneren Zentralbereichs bzw. Überlappungsbereich O mit großer Energieflussdichte und einen äußeren Bereich bzw. Randbereich mit kleinerer Energieflussdichte durchgeführt wird. In order to produce a bore in a component 1 by means of laser radiation LS, according to the invention both the single-pulse / percussion drilling and the trepanning drilling are carried out simultaneously in terms of time, ie. H. that the two processes are superimposed by the overlap in the overlap area with pulsed laser radiation LS or superimposed with continuous laser radiation or non-pulsed laser radiation by setting an inner central area or overlap area O with a high energy flux density and an outer area or edge area with a smaller energy flux density.
Größere Energieflussdichte bedeutet, dass ein Maximalwert nicht überschritten wird, oberhalb dessen eine starke Absorption der Laserstrahlung LS in dem Me talldampf aus abgetragenem Material auftritt und die Bohrzeit drastisch, sprungartig mit kleiner werdender Energieflussdichte, zunimmt. Kleinere Energieflussdichte bedeutet, dass ein Minimalwert bzw. Schwellenwert nicht unterschritten wird, unterhalb dessen kein Abtrag mehr stattfindet bzw. ein Ablations-Stop eintritt. A higher energy flux density means that a maximum value is not exceeded, above which a strong absorption of the laser radiation LS occurs in the metal vapor from removed material and the drilling time increases drastically, suddenly with decreasing energy flux density. A lower energy flux density means that the value does not fall below a minimum value or threshold value, below which there is no more erosion or an ablation stop occurs.
Die bei kontinuierlicher Laserstrahlung bzw. nicht gepulster Laserstrahlung vorgenommene Strahlführung einer eingesetzten Laserstrahlung LS wird nun anhand der Figuren 5 und 6A bis 6E erläutert. The beam guidance of a laser radiation LS used with continuous laser radiation or non-pulsed laser radiation will now be explained with reference to FIGS. 5 and 6A to 6E.
Die Figuren 6A bis 6E zeigen eine zeitliche Abfolge von Querschnittsdarstellungen (Momentaufnahmen) senkrecht zur Bohrungsachse Ha des Bohrvorgangs entspre- chend Figur 5 zum Erstellen der Bohrung durch eine Überlagerung von Strah lungsanteilen in einem Randbereich R und in einem Überlappungsbereich O. Die Strahlachse BA durchläuft eine geschlossene Bahnkurve C, und durch Verändern der Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen (Pulspause) und der Bahn geschwindigkeit vc wird der zeitliche Mittelwert der Energieflussdichte im Randbereich verändert. Figures 6A to 6E show a chronological sequence of cross-sectional representations (snapshots) perpendicular to the bore axis H a of the drilling process corresponding Correspondingly, FIG. 5 shows the creation of the bore by superimposing radiation components in an edge area R and in an overlapping area O. The beam axis B A runs through a closed trajectory C, and by changing the time between two successive pulses (pulse pause) and the trajectory speed v c the time average of the energy flux density in the edge area is changed.
Die bei kontinuierlicher Laserstrahlung bzw. nicht gepulster Laserstrahlung vorgenommene Strahlformung wird so durchgeführt, dass die Laserstrahlachse BA nicht bewegt wird und die Laserstrahlung LS im Zentralbereich O - der bei gepulster Laserstrahlung als Überlappungsbereich O der einzelnen, zeitlich aufeinander folgenden Pulse bezeichnet wird - eine größere Energieflussdichte kleiner als der Maximalwert aufweist und im Randbereich eine kleinere Energieflussdichte größer als der Schwellenwert des Ablations-Stop aufweist. The beam shaping carried out with continuous laser radiation or non-pulsed laser radiation is carried out in such a way that the laser beam axis B A is not moved and the laser radiation LS in the central area O - which in the case of pulsed laser radiation is referred to as the overlap area O of the individual, successive pulses - is larger Has energy flux density smaller than the maximum value and in the edge region has a smaller energy flux density greater than the threshold value of the ablation stop.
Die in Figur 5 in einer Draufsicht im Querschnitt gezeigte Bohrung H soll über die gesamte Dicke d des Bauteils 1 , das in den Figuren 1 bis 3 gezeigt ist, einen Durchmesser DH erhalten mit einem Radius DH/2, der von der Bohrungsachse Ha ausgeht, so dass sich eine zylindrische Bohrungswand Hw durch das Bauteil 1 ergibt. The bore H shown in cross section in a plan view in FIG. 5 is intended to have a diameter D H with a radius DH / 2 extending from the bore axis H a over the entire thickness d of the component 1 shown in FIGS. 1 to 3 goes out, so that a cylindrical bore wall H w through the component 1 results.
In der Figur 5 ist ein Zentralbereich O, nachfolgend auch als Überlappungsbereich O bezeichnet, dem ein Durchmesser D0 zugeordnet ist, schraffiert dargestellt. Der Randbereich R schließt sich an den Zentralbereich O in radialer Richtung an und erstreckt sich bis zur Bohrungswand Hw. In FIG. 5, a central area O, hereinafter also referred to as the overlap area O, to which a diameter D 0 is assigned, is shown hatched. The edge region R adjoins the central region O in the radial direction and extends to the bore wall H w .
Für die Fläche FR dieses Randbereichs R gilt: FR = FH - Fo = p · DH/2 - p · Do/2 , wobei FH die Querschnittsfläche der Bohrung H angibt und Fo die Fläche des Zentral/Überlappungsbereichs O angibt. For the area FR this edge region R where: FR = F H - Fo = p · D H / 2 - p · Do / 2, where F H indicates the cross-sectional area of the hole H and Fo indicative of the area of the central / overlap area O.
Anhand der Figur 5, ebenso anhand der Figuren 1 bis 3, ist zu erkennen, dass zu Beginn des Bohrens einer Bohrung H, was in Figur 1 dargestellt wird, im Überlappungsbereich O ein großer Bohrfortschritt erzielt wird und im Randbereich R ein vergleichsweise kleiner Bohrfortschritt vorliegt. Wie nun die Figuren 5 und 6A bis 6E zeigen, wird die Oberseite des Bauteils (siehe auch Figuren 1 bis 3) mit Laserstrahlung LS bestrahlt, deren Strahlachse mit BA bezeichnet ist, und die, senkrecht zu der Strahlachse BA gesehen, einen Strahldurchmesser Ds besitzt. Die bestrahlte Fläche der Oberseite des Bauteils ist die Querschnittsfläche S der Laserstrahlung LS und wird auch als Spotfläche S be zeichnet. From FIG. 5, also from FIGS. 1 to 3, it can be seen that at the beginning of drilling a hole H, which is shown in FIG. 1, a large drilling progress is achieved in the overlapping area O and a comparatively small drilling progress is present in the edge area R. . As FIGS. 5 and 6A to 6E now show, the top of the component (see also FIGS. 1 to 3) is irradiated with laser radiation LS, the beam axis of which is labeled B A and which, viewed perpendicular to the beam axis B A , has a beam diameter Ds owns. The irradiated area of the upper side of the component is the cross-sectional area S of the laser radiation LS and is also referred to as the spot area S.
Die Laserstrahlung LS, die auf das Bauteil an der Spotfläche S auftrifft, wird nun gemäß der Erfindung so geführt, dass deren Strahlachse BA auf einer Bahnkurve C, im gezeigten Beispiel auf einer Kreisbahn C, um die Bohrungsachse Ha geführt wird, wie dies die Figur 6A verdeutlicht. Die Richtung Re der Strahlachsenführung entlang der Kreisbahn C (Kontur C) erfolgt in dem in den Figuren 6A bis 6E gezeigten Beispiel entgegen der Uhrzeigerrichtung, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Diese Strahlführung kann auch in Uhrzeigerrichtung vorgenommen werden. The laser radiation LS that strikes the component at the spot surface S is now guided according to the invention in such a way that its beam axis B A is guided on a trajectory C, in the example shown on a circular path C, around the bore axis H a , like this Figure 6A illustrates. The direction Re of the beam axis guidance along the circular path C (contour C) takes place counterclockwise in the example shown in FIGS. 6A to 6E, but this is not absolutely necessary. This beam guidance can also be carried out in a clockwise direction.
Für den Strahldurchmesser Ds gilt The following applies to the beam diameter Ds
Ds = De + Do und Ds = DH 2 + Do/2, Ds = De + Do and Ds = DH 2 + Do / 2,
mit Ds = Strahldurchmesser der Laserstrahlung with D s = beam diameter of the laser radiation
D0 = Durchmesser des Zentralbereichs O D 0 = diameter of the central area O
DH = Durchmesser der Bohrung Fl D H = diameter of the hole Fl
De = Durchmesser der Kreisbahn C, auch als Bahnkurve C bezeichnet Figur 6A zeigt nun, verglichen mit der Figur 5, die Ausleuchtung bzw. Bestrahlung des Bauteils nach zwei Pulsen der Laserstrahlung LS, während die Figur 6B die Ausleuchtung bzw. Bestrahlung des Bauteils nach drei Pulsen der Laserstrahlung LS, die Figur 6C die Bestrahlung des Bauteils nach vier Pulsen der Laserstrahlung und Figur 6D die Pulse der Strahlung nach einem vollständigen Umlauf zeigt. Der Rand des Spotbereichs S des jeweils letzten Pulses ist in stärkerer Linie gezeich net. De = diameter of circular path C, also referred to as path curve C, FIG. 6A now shows, compared with FIG. 5, the illumination or irradiation of the component after two pulses of laser radiation LS, while FIG. 6B shows the illumination or irradiation of the component after three Pulses of the laser radiation LS, which shows FIG. 6C the irradiation of the component after four pulses of the laser radiation and FIG. 6D the pulses of the radiation after a complete revolution. The edge of the spot area S of the last pulse in each case is shown in a thick line.
Aus der Folge der Figuren 6A bis 6E ist ersichtlich, dass der Zentralbereich O mit jedem Puls der Laserstrahlung, deren Querschnittsfläche bzw. Spotbereich mit S bezeichnet ist, bestrahlt wird, und folglich auch als Überlappungsbereich O bezeichnet ist, während der Randbereich R als derjenige Bereich definiert ist, der außerhalb des Überlappungsbereichs O liegt und aufgrund der Bewegung der Laser strahlachse BA entlang der Kontur C nicht mit jedem Puls bestrahlt wird. Figur 7, Bilder (1) bis (4) stellt ein schematisches Diagramm dar, das ein Beispiel dafür zeigt, wie ein Loch (Bohrung) am Bohrungsgrund H geöffnet wird. Durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahlung LS wird die Öffnung H (Bohrung) in dem Bauteil 1 schrittweise in radialer Richtung nach außen erweitert, wie durch die sich vergrößernde schwarze Fläche erkennbar ist, beginnend am Ort der Bohrungsachse Ha. Der Rand der schwarz dargestellten Kreisfläche gibt die jeweilige Bohrungswand Hw der Bohrung H in dem Bauteil 1 an. It can be seen from the sequence of FIGS. 6A to 6E that the central area O is irradiated with each pulse of laser radiation, the cross-sectional area or spot area of which is denoted by S, and is consequently also denoted as the overlap area O, while the edge area R is that area is defined, which lies outside the overlap area O and is not irradiated with every pulse due to the movement of the laser beam axis B A along the contour C. FIG. 7, pictures (1) to (4) represents a schematic diagram which shows an example of how a hole (bore) at the bore bottom H is opened. As a result of the irradiation with the laser radiation LS, the opening H (hole) in the component 1 is gradually expanded outwards in the radial direction, as can be seen from the increasing black area, starting at the location of the hole axis H a . The edge of the circular area shown in black indicates the respective bore wall H w of the bore H in the component 1.
Der Durchmesser DH = 2»re,bot der Bohrung H an der Unterseite des Bauteils 1 wird folglich vergrößert, bis die zu erreichende, asymptotische Form der Bohrung H erreicht ist und durch ein weiteres Einstrahlen der Energieflussdichte kein weiterer Abtrag erfolgt. The diameter DH = 2 » re , offered to the bore H on the underside of the component 1 is consequently increased until the asymptotic shape of the bore H to be achieved is reached and no further abrasion occurs due to further irradiation of the energy flux density.
Wie die Figur 7-(1) dargestellt, wird zu Beginn der Bestrahlung mit dem Laserlicht LS keine Öffnung der Bohrung H bzw. keine Durchbohrung erreicht. Das bedeutet, dass, um die Öffnung zu erzielen, eine eingesetzte Laserstrahleinheit die Bestrahlung mit der Laserstrahlung LS fortführt, während sie die Spotfläche S mehrfach entlang der Richtung Rc bewegt, wie dies zuvor anhand der Figuren 6A bis 6E beschrieben ist. As shown in FIG. 7- (1), at the beginning of the irradiation with the laser light LS no opening of the bore H or no through-bore is achieved. This means that, in order to achieve the opening, a laser beam unit used continues the irradiation with the laser radiation LS while it moves the spot surface S several times along the direction Rc, as described above with reference to FIGS. 6A to 6E.
Die Laserstrahleinheit bestrahlt den Überlappungsbereich O jederzeit mit der Laserstrahlung LS, während sie die Spotfläche S bewegt. Daher ist die zeitlich gemittelte Energieflussdichte der Laserstrahlung LS im Überlappungsbereich O größer als im Randbereich R. The laser beam unit irradiates the overlap area O with the laser radiation LS at all times while it moves the spot area S. The time-averaged energy flux density of the laser radiation LS is therefore greater in the overlap area O than in the edge area R.
Wie die Figur 7-(2) zeigt, wird folglich die Öffnung bzw. Bohrung H am Bohrungsgrund zuerst im Überlappungsbereich O geöffnet. Mit der weiteren Bestrahlung wird die Öffnung vergrößert (Figur 7-(3)) bis schließlich die Öffnung H ihren vollen Durchmesser annimmt (Figur 7-(4)). As FIG. 7- (2) shows, the opening or hole H at the bottom of the hole is consequently first opened in the overlap area O. With the further irradiation, the opening is enlarged (FIG. 7- (3)) until finally the opening H assumes its full diameter (FIG. 7- (4)).
Es ist anzumerken, dass die Zeitspanne, für die das Laserlicht LS emittiert wird, von der Bohrungsachse Ha über den Rand des Überlappungsbereichs O in radialer Richtung nach außen hin tendenziell kürzer wird. Dementsprechend wird die sich bildende Öffnung in radialer Richtung vom Überlappungsbereich O nach außen erweitert, bis der Durchmesser der Öffnung bis zu der vordefinierten Bohrungs- wand Hw reicht und die vordefinierte Bohrung H erzeugt ist (siehe hierzu auch Figur 6E). It should be noted that the time span for which the laser light LS is emitted tends to become shorter from the bore axis H a over the edge of the overlap region O in the radial direction outward. Accordingly, the opening that forms is expanded in the radial direction from the overlap area O outwards until the diameter of the opening is up to the predefined bore wall H w is sufficient and the predefined hole H is generated (see also Figure 6E).
Auch die Figur 7 verdeutlicht durch die Bildfolgen (1) bis (4), dass das Einzelpuls/Perkussionsbohren und das Trepanierbohren gleichzeitig durchgeführt werden. Gleichzeitig bedeutet, dass der Laserstrahl so geführt wird, dass der Zentralbereich O mit jedem Puls der Laserstrahlung LS vollständig bestrahlt wird, wobei die Strahlachse BA zu der Strahlachse BA eines vorherigen Pulses versetzt ist und so nur ein Teil des Randbereichs während eines Pulses bestrahlt wird. FIG. 7 also makes it clear through the image sequences (1) to (4) that the single pulse / percussion drilling and the trepanning drilling are carried out simultaneously. Simultaneously means that the laser beam is guided in such a way that the central area O is completely irradiated with each pulse of the laser radiation LS, the beam axis B A being offset from the beam axis B A of a previous pulse and thus only a part of the edge area being irradiated during a pulse becomes.
Der Strahldurchmesser Ds des Laserstrahls LS sollte nicht kleiner eingestellt werden als der halbe Durchmesser DH der zu erreichenden Bohrung (Ds > DH/2) - siehe Figur 5. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, dass ein Zentralbereich O ausgebildet wird, der mit größerer Energieflussdichte bestrahlt wird und für cw- Strahlung während der gesamten Bohrdauer mit Strahlung bestrahlt wird bzw. für gepulste Strahlung mit jedem Puls bestrahlt wird. The beam diameter Ds of the laser beam LS should not be set smaller than half the diameter D H of the bore to be reached (Ds> DH / 2) - see Figure 5. This measure ensures that a central area O is formed which has a greater energy flux density is irradiated and for cw radiation is irradiated with radiation during the entire drilling period or is irradiated with each pulse for pulsed radiation.
Auch sollte, um zu erreichen, dass der gesamte Zentralbereich O ohne zeitlich fehlende Lücke während der gesamten Bohrdauer mit Strahlung beaufschlagt wird, der Durchmesser De der Bahnkurve C nicht größer eingestellt werden als der Strahldurchmesser Ds, so dass folglich Ds < Dc gilt - siehe Figur 5. Auch durch diese Maßnahme wird gewährleistet, dass ein Zentralbereich O ausgebildet wird. Also, in order to ensure that the entire central area O is exposed to radiation during the entire drilling period without missing a gap, the diameter De of the trajectory C should not be set larger than the beam diameter D s , so that consequently D s <D c applies - see Figure 5. This measure also ensures that a central area O is formed.
Bei dem Verfahren, das anhand der vorstehend beschriebenen Figuren dargestellt ist, ist darauf zu achten, dass keine Mehrfachreflexionen der Laserstrahlung die Bohrungsform verändern. Erfindungsgemäß ist die endgültige, asymptotische Boh rungsform durch die räumliche Verteilung der Energieflussdichte der Laserstrahlung und die Bewegung der Strahlachse eindeutig festgelegt, wobei mehrfache Reflexionen und dadurch wiederholte Einstrahlungen unerwünscht sind. Solche mehrfachen Reflexionen werden dadurch vermieden, dass z.B. der Spotdurchmesser Ds und der Bahndurchmesser Dc so groß eingestellt werden, dass ein Aspektverhältnis A=d/(2 rB,top) kleiner als 10 eingehalten wird. Mehrfache Reflexionen treten bei kleinen Bohrungsdurchmessern und großer Bohrungstiefe auf, was bedeutet, dass das Aspektverhältnis typischerweise größer als 10 ist. Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, kann die Bewegung der Strahlachse BA der Strahlung LS während des Bohrens mit Hilfe eines Scanners durchgeführt werden, wobei die Bewegung der Strahlachse BA entlang einer perio disch mindestens einmal zu durchlaufenden, geschlossenen Bahnkurve C mit einem Durchmesser Dc erfolgt. In the case of the method that is illustrated with the aid of the figures described above, it must be ensured that no multiple reflections of the laser radiation change the shape of the bore. According to the invention, the final, asymptotic bore shape is clearly defined by the spatial distribution of the energy flux density of the laser radiation and the movement of the beam axis, with multiple reflections and consequent repeated irradiations being undesirable. Such multiple reflections are avoided in that, for example, the spot diameter Ds and the path diameter D c are set so large that an aspect ratio A = d / (2 r B, top ) less than 10 is maintained. Multiple reflections occur with small bore diameters and large bore depths, which means that the aspect ratio is typically greater than 10. In order to carry out the method according to the invention, the movement of the beam axis B A of the radiation LS can be carried out during drilling with the aid of a scanner, the movement of the beam axis B A along a closed trajectory C with a diameter D c that is to be passed through at least once periodically he follows.
Wie bereits erwähnt, ist die Spotfläche S, d. h. die Querschnittsfläche der Laserstrahlung LS senkrecht zur Strahlachse BA, kleiner als eine Fläche einer Öffnung, d. h. eine Fläche, über die die Bohrung H schrittweise geöffnet wird. Die eingesetzte Laserbearbeitungsvorrichtung ist in der Lage die Konzentration der Energieflussdichte der Laserstrahlung LS am Rand der Öffnung zu verhindern, indem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird, auch mit der Folge, dass eine Verringerung der Formgenauigkeit der Öffnung verhindert wird, wenn die Spotfläche S entlang des inneren Umfangsabschnitts I der Bohrung (siehe Figur 7) bewegt wird. As already mentioned, the spot area S, ie the cross-sectional area of the laser radiation LS perpendicular to the beam axis B A , is smaller than an area of an opening, ie an area over which the bore H is gradually opened. The laser processing device used is able to prevent the concentration of the energy flux density of the laser radiation LS at the edge of the opening by using the method according to the invention, also with the result that a reduction in the dimensional accuracy of the opening is prevented if the spot area S is along the inner Peripheral section I of the bore (see Figure 7) is moved.
In der Bildfolge (1) bis (4) der Figur 8 wird eine Trepanierbearbeitung dargestellt, wie sie nach dem Stand der Technik zum Erzeugen einer Bohrung angewandt wird. Bei der Trepanierbearbeitung wird der Spotbereich SX entlang des inneren Umfangsabschnitts I einer zu erzeugenden Bohrungskontur bewegt, jedoch ist kein Überlappungsbereich vorhanden, der zeitlich gesehen zu jedem Zeitpunkt der Bestrahlung vom Spotbereich überlappt wird. Eine Laserbearbeitungsvorichtung, die eine solche Trepanierbearbeitung nach dem Stand der Technik durchführt, emit tiert zunächst Laserlicht, dargestellt durch einen Spotbereich SX1 (siehe Abbildung (1)), so dass, beispielsweise in der Mitte der zu erzeugenden Bohrung, ein Loch geöffnet wird. Das bedeutet, dass ein solches Loch zum Austragen des geschmolzenen Materials erzeugt wird, das durch die gesamte Dicke des Bauteils verläuft. Anschließend wird die Bestrahlungsposition des Laserlichts in radialer Richtung zu einer Spotposition SX2 bewegt (siehe Abbildung (2)). Darauf folgend wird die Bestrahlungssposition des Laserlichts entlang des inneren Umfangsabschnitts I bewegt, so dass sich der Spotbereich zu der Position SX3 ändert (siehe Abbildung (3)). Diese Bewegung des Spotbereichs wird nun entsprechend der Abbildung (4) wiederholt. ’ Figur 9 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform gemäß der Erfindung, mit der das vorstehend beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. In the sequence of images (1) to (4) of FIG. 8, a trepanning process is shown as it is used according to the prior art for producing a bore. During the trepanning machining, the spot area SX is moved along the inner circumferential section I of a bore contour to be produced, but there is no overlap area which, in terms of time, is overlapped by the spot area at every point in time of the irradiation. A laser processing device that performs such a trepanning processing according to the prior art first emits laser light, represented by a spot area SX1 (see Figure (1)), so that a hole is opened, for example in the center of the hole to be produced. This means that such a hole is created for the discharge of the molten material, which runs through the entire thickness of the component. The irradiation position of the laser light is then moved in the radial direction to a spot position SX2 (see figure (2)). Subsequently, the irradiation position of the laser light is moved along the inner peripheral portion I so that the spot area changes to the position SX3 (see figure (3)). This movement of the spot area is now repeated as shown in Figure (4). ' FIG. 9 shows a schematic representation of a first embodiment according to the invention, with which the method described above can be carried out.
Soweit in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Vorrichtung auf die Strahlungsführung der Laserstrahlung LS Bezug genommen wird, werden auch Bezugszeichen verwendet, die sich auf die Figuren 1 bis 3 und 5 bis 7 beziehen, ohne dass die zu diesen Bezugszeichen gehörenden Angaben oder Teile anhand der Figuren 9 bis 11 erneut beschrieben werden. Außerdem ist ausdrücklich darauf hinzuweisen, dass in der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele, wie sie in den Figuren dargestellt sind, nicht alle Bauteile und Verfahrensschritte erneut zu einer Ausführungsform beschrieben werden, wenn sie anhand einer anderen Ausführungsform bereits beschrieben oder erläutert wurden. Entsprechend kann die Beschreibung der verschiedenen Bauteile zu einer Ausführungsform auf die jeweiligen Bauteile einer anderen Ausführungsform übertragen werden, ohne dass dies ausdrücklich erwähnt ist. Insofar as reference is made to the radiation guidance of the laser radiation LS in connection with the following description of various embodiments and configurations of the device, reference symbols are also used that relate to FIGS. 1 to 3 and 5 to 7, without the information pertaining to these reference symbols or parts are described again with reference to FIGS. 9 to 11. In addition, it should be expressly pointed out that in the description of the various exemplary embodiments, as shown in the figures, not all components and method steps are described again for an embodiment if they have already been described or explained using another embodiment. Accordingly, the description of the various components for one embodiment can be transferred to the respective components of another embodiment without this being expressly mentioned.
Die Vorrichtung der Figur 9 umfasst mindestens eine Laserstrahleinheit 10, die Laserstrahlung LS, die eine Strahlachse BA und einen Strahldurchmesser Ds aufweist, über eine optische Faser 11 und eine Ausgabeeinrichtung 12 einer ersten Galvano-Scannereinheit 13 und von dort einer zweiten Galvano-Scannereinheit 14 zuführt, die die Laserstrahlung LS über eine Optik 15 auf das Bauteil 1 richtet. Sowohl die Strahleinheit 10 als auch die erste und die zweite Galvano-Scannereinheit 13, 14 werden über eine Steuereinheit 16 gesteuert. Die Steuerung erfolgt so, dass sich eine Spotfläche, definiert als ein mit der Laserstrahlung LS auf der Fläche der Oberseite 2 des Bauteils 1 bestrahlter Bereich (siehe Querschnittsfläche S in den Figuren 6A bis 6E), entlang eines inneren Umfangsabschnitts bewegt, der eine Position ist, die einem inneren Umfang, dem Durchmesser DH einer zu erstellen den Bohrung Fl, entspricht, und so, dass ein Teil der Spotfläche S einen Überlappungsbereich O innerhalb des inneren Umfangsabschnitts der Bohrung H erzeugt. The device of FIG. 9 comprises at least one laser beam unit 10, the laser radiation LS, which has a beam axis B A and a beam diameter D s , via an optical fiber 11 and an output device 12 of a first galvano scanner unit 13 and from there a second galvano scanner unit 14, which directs the laser radiation LS onto the component 1 via an optical system 15. Both the beam unit 10 and the first and second galvano scanner units 13, 14 are controlled via a control unit 16. The control takes place in such a way that a spot area, defined as an area irradiated with the laser radiation LS on the area of the upper side 2 of the component 1 (see cross-sectional area S in FIGS. 6A to 6E), moves along an inner circumferential section, which is a position , which corresponds to an inner circumference, the diameter D H of a hole Fl to be created, and in such a way that part of the spot area S creates an overlap region O within the inner peripheral portion of the hole H.
Die Laserstrahlung LS ist gepulst. Es kann jedoch auch ein Dauerstrichlaser bzw. eine cw-Strahlung eingesetzt werden. Darüber hinaus kann das Laserlicht LS mit einer beliebigen Laserquelle, wie beispielsweise einem YAG-Laser, einem CO2- Laser oder einem Scheiben-Laser, bereitgestellt werden. Auch ist für die Strahlform der Laserstrahlung, d. h. eine Verteilung der Energieflussdichte bzw. Intensitätsverteilung senkrecht zu deren Strahlachse BA, beispielsweise eine solche in Gaußform, in Top-Hat- oder in Super-Gauss-Form einsetzbar. The laser radiation LS is pulsed. However, a continuous wave laser or cw radiation can also be used. In addition, the laser light LS can with any laser source, such as a YAG laser, a CO2 laser or a disk laser. It is also possible to use the beam shape of the laser radiation, ie a distribution of the energy flux density or intensity distribution perpendicular to its beam axis B A , for example in Gaussian form, in top-hat form or in super-Gaussian form.
Die Glasfaser 11 verstärkt das Laserlicht LS durch Reflexion der Laserstrahlung LS im Inneren der Faser. Der Durchmesser der aus der Glasfaser 11 austretenden Laserstrahlung LS hängt vom Durchmesser der Glasfaser 11 ab. Daher kann in einfacher Weise der Strahlungsdurchmesser, der für die Bearbeitung des Bauteils 1 erforderlich ist, durch Austauschen der Glasfaser eingestellt werden. Der Strahlungsdurchmesser der Laserstrahlung LS, die auf die Oberseite 2 des Bauteils 1 auftrifft, kann jedoch beispielsweise auch über ein entsprechendes optisches System oder durch Verwendung eines Faserlasers vorgenommen werden. Bei Verwendung eines Faserlasers entfallen die Glasfaser 11 und die Steuereinheit 16. The glass fiber 11 amplifies the laser light LS by reflecting the laser radiation LS inside the fiber. The diameter of the laser radiation LS emerging from the glass fiber 11 depends on the diameter of the glass fiber 11. Therefore, the radiation diameter, which is required for processing the component 1, can be set in a simple manner by exchanging the glass fiber. The radiation diameter of the laser radiation LS which strikes the upper side 2 of the component 1 can, however, also be carried out, for example, via an appropriate optical system or by using a fiber laser. When using a fiber laser, the glass fiber 11 and the control unit 16 are omitted.
Mit der Vorrichtung, wie sie in Figur 9 gezeigt ist, können unter Anwendung des Verfahrens, wie es anhand der Figuren 5 und 6A bis 6E vorstehend beschrieben ist, Bohrungen H mit einem Bohrungsdurchmesser DH kleiner als 1 mm hergestellt werden. With the device as shown in FIG. 9, using the method as described above with reference to FIGS. 5 and 6A to 6E, bores H with a bore diameter D H of less than 1 mm can be produced.
Die Figur 10 zeigt schematisch eine weitere Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Diese Vorrichtung ist mit derjenigen der Figur 9 vergleichbar. Sie unterscheidet sich von der Vorrichtung der Figur 9 dadurch, dass eine Hilfsgas-Versorgungseinheit 18 vorgesehen ist. Über diese Hilfsgas-Versorgungseinheit 18 wird dem Bauteil 1 ein Hilfsgas derart zugeführt, dass nach dem Durchbohren im Überlappungsbereich ein Massenstrom an Hilfsgas durch die Bohrung hindurchströmt. Dieses Hilfsgas dient dazu, durch die La serstrahlung LS geschmolzenes Material in Richtung des strömenden Hilfsgases aus der Bohrung zu entfernen. Dadurch kann die Bearbeitungsgenauigkeit der Bohrung H verbessert werden, da die herausgeführte Schmelze nicht mehr an der Bohrungswand erstarren kann. Als Hilfsgas kann beispielsweise Sauerstoff, Luft, Stickstoffgas, Argongas oder auch ein Mischgas verwendet werden. Es ist auch vorgesehen, dass der Bohrung H anstelle eines Hilfsgases eine Flüssigkeit, bei spielsweise Wasser durch einen entsprechenden Wasserstrahl, zugeführt wird. FIG. 10 shows schematically a further device with which the method according to the invention can be carried out. This device is comparable to that of FIG. It differs from the device of FIG. 9 in that an auxiliary gas supply unit 18 is provided. An auxiliary gas is supplied to the component 1 via this auxiliary gas supply unit 18 in such a way that after drilling through in the overlapping area a mass flow of auxiliary gas flows through the bore. This auxiliary gas is used to remove melted material from the bore in the direction of the flowing auxiliary gas by the laser radiation LS. As a result, the machining accuracy of the bore H can be improved, since the melt carried out can no longer solidify on the bore wall. Oxygen, air, nitrogen gas, argon gas or a mixed gas, for example, can be used as the auxiliary gas. It is also provided that the bore H instead of an auxiliary gas is supplied with a liquid, for example water by a corresponding water jet.
Wie der Figur 10 zu entnehmen ist, wird ein Abstand DG zwischen einem Düsenausgang 19 und der Oberseite 2 des Bauteils 1 größer als ein Abstand DL zwischen der in Strahlrichtung der Laserstrahlung LS gesehenen Austrittsseite der Optik 15 zu der Oberseite 2 des Bauteils 1 , jeweils in der Z-Richtung gesehen, eingestellt. Diese Einstellung dient dazu, einen Minimalwert für den Massenstrom an Hilfsgas einzustellen, der die Bohrung durchströmt und nicht bereits am Bohrungseintritt auf die Oberseite des Bauteils abgeführt zu wird. Falls jedoch in das Bauteil 1 ein schräges Loch bzw. eine schräge Bohrung gebohrt werden soll, wie dies beispielsweise in den Figuren 1 bis 3 gezeigt ist, wird der Abstand DL größer als der Abstand DG gewählt. As can be seen from FIG. 10, a distance DG between a nozzle outlet 19 and the top 2 of the component 1 is greater than a distance DL between the exit side of the optics 15, seen in the beam direction of the laser radiation LS, and the top 2 of the component 1, in each case in seen in the Z-direction. This setting is used to set a minimum value for the mass flow of auxiliary gas which flows through the bore and is not already discharged at the bore entry to the top of the component. If, however, an inclined hole or an inclined bore is to be drilled into the component 1, as shown for example in FIGS. 1 to 3, the distance D L is selected to be greater than the distance D G.
Die Hilfsgas-Versorgungseinheit 18 liefert das Hilfsgas unter einem Druck von mindestens 400 kPa oder mehr, d. h. in einem Bereich von 400 kPa bis 1000 kPa, um eine Austriebswirkung auf die flüssige Schmelze zu erreichen. Durch das erfin dungsgemäße Verfahren, bei dem das Einzelpuls/Perkussionsbohren und das Trepanierbohren gleichzeitig durchgeführt werden, kann mit sehr geringen Drücken des Hilfsgases, im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, gearbeitet werden, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schmelze im Wesentlichen durch den Druck aufgrund des Verdampfens entgegen der Laserstrahlrichtung aus der Bohrung H über die Oberseite 2 des Bauteils 1 ausgetragen wird. Während des Bohrens kann das Hilfsgas nur zeitweilig zugeführt werden, und zwar nur dann, wenn das Durchbohren im Überlappungsbereich erfolgt ist. The auxiliary gas supply unit 18 supplies the auxiliary gas under a pressure of at least 400 kPa or more, i.e. H. in a range from 400 kPa to 1000 kPa in order to achieve an expulsion effect on the liquid melt. With the method according to the invention, in which the single pulse / percussion drilling and the trepanning drilling are carried out simultaneously, it is possible to work with very low pressures of the auxiliary gas compared to conventional methods, since in the method according to the invention the melt is essentially caused by the pressure due to the Evaporation against the laser beam direction is discharged from the bore H over the top 2 of the component 1. During the drilling, the auxiliary gas can only be supplied temporarily, and only if the drilling has taken place in the overlapping area.
Dadurch, dass die Hilfsgas-Versorgungseinheit 18 das Hilfsgas seitlich über den Düsenausgang 19 auf das Bauteil 1 zuführt, kann das Auswerfen oder Abführen der Schmelze aus der Bohrung H erfolgen. Because the auxiliary gas supply unit 18 supplies the auxiliary gas laterally via the nozzle outlet 19 to the component 1, the melt can be ejected or discharged from the bore H.
Die Galvano-Scannereinheiten 13 und 14 bewegen die Position der Spotfläche S durch Reflexion des Laserlichts und ändern gleichzeitig den optischen Weg der Laserstrahlung LS. Da diese Laserbearbeitungsvorrichtung die Laserbearbeitung so durchführt, dass sie den Überlappungsbereich O, der teilweise durch den die Querschnittsfläche bzw. Spotfläche der Laserstrahlung LS überlappt ist, jederzeit zur Verfügung stellt, während sie den Spotbereich S entlang des inneren Umfangsabschnitts I der zu erstellenden Bohrung H bewegt, kann ein Loch mit einer solchen Laserbearbeitungsvorrichtung, die eine Galvano-Scannereinheit einsetzt, bearbeitet werden. The galvano scanner units 13 and 14 move the position of the spot surface S by reflecting the laser light and at the same time change the optical path of the laser radiation LS. Since this laser processing device carries out the laser processing in such a way that it always has the overlap area O, which is partially overlapped by the cross-sectional area or spot area of the laser radiation LS while moving the spot area S along the inner peripheral portion I of the hole H to be made, a hole can be machined with such a laser machining device that employs a galvano scanner unit.
Die Verwendung einer Galvano-Scannereinheit kann eine Materialbearbeitung be schleunigen, wenn beispielsweise dann, wenn die Bearbeitung eines Lochs abgeschlossen ist, die Bearbeitung des nächsten Lochs nur durch Einstellen der Drehwinkel der Spiegelkörper der Galvano-Scannereinheiten begonnen wird, wodurch die Laserstrahlung in Richtung der nächsten Bohrung gerichtet wird. Auch ist vorgesehen, einen Strahlteiler für die Führung der Laserstrahlung einzusetzen, um so mehrere optische Systeme gleichzeitig zu steuern. Auch ist vorgesehen, eine Optik anstelle eines Scanners zur Strahlformung einzusetzen, um so für eine cw- Bearbeitung ohne Unterbrechungen und für gepulste Bearbeitung im zeitlichen Mittelwert die Verteilung der Strahlung im Zentralbereich O und im Randbereich R der zu erzielenden Bohrung H unterschiedlich einzustellen. The use of a galvanic scanner unit can accelerate material processing if, for example, when the machining of one hole is completed, the machining of the next hole is started only by adjusting the angles of rotation of the mirror bodies of the galvanic scanner units, whereby the laser radiation in the direction of the next Drilling is directed. It is also provided that a beam splitter is used to guide the laser radiation in order to control several optical systems at the same time. It is also provided to use optics instead of a scanner for beam shaping in order to set the distribution of the radiation in the central area O and in the edge area R of the bore H to be achieved differently for cw processing without interruptions and for pulsed processing in the time average.
Eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung ist schematisch in Figur 11 gezeigt. Im Gegensatz zu der Vorrichtung der Figur 10 ist keine Galvano- Scannereinheit vorgesehen. Another embodiment of a device is shown schematically in FIG. In contrast to the device in FIG. 10, no galvano scanner unit is provided.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Laserstrahlung LS über die Glasfaser 11 in einen Düsenschneidkopf 20 eingekoppelt. According to this embodiment, the laser radiation LS is coupled into a nozzle cutting head 20 via the glass fiber 11.
Dieser Düsenschneidkopf 20 umfasst ein optisches System 21 , einen Linsenzylinder 22 und eine Hilfsgasdüse 23. This nozzle cutting head 20 comprises an optical system 21, a lens cylinder 22 and an auxiliary gas nozzle 23.
Der Düsenschneidkopf 20 kann entlang einer Richtung parallel zur Oberseite bzw. Oberseite 3 des Bauteils 1 , d. h. entlang einer beliebigen Bahn einer zweidimensionalen Koordinatenebene X-Y, bewegt werden, um die Laserstrahlung LS auf einer Bahn entlang des Innenumfangs einer zu erstellenden Bohrung H zu bewegen (siehe hierzu Figuren 5, 6A bis 6E). Anstelle der Bewegung des Düsenschneidkopfs 20 könnte auch ein Auflagetisch (nicht dargestellt), der das Bauteil 1 trägt, bewegt werden, um eine Relativbewegung zwischen dem Düsenschneidkopf 20 und dem Auflagetisch zu erzielen. Von Vorteil ist aber, wenn die zu bewegenden Massen klein gehalten werden. The nozzle cutting head 20 can be moved along a direction parallel to the upper side or upper side 3 of the component 1, ie along any path of a two-dimensional coordinate plane XY, in order to move the laser radiation LS on a path along the inner circumference of a bore H to be created (see FIG FIGS. 5, 6A to 6E). Instead of moving the nozzle cutting head 20, a support table (not shown) that carries the component 1 could also be moved in order to achieve a relative movement between the nozzle cutting head 20 and the support table. However, it is advantageous if the masses to be moved are kept small.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Bohren von Bauteilen (1) aus metallischen Werkstoffen und Bauteilen (1) aus geschichteten metallischen und dielektrischen Werkstoffen mittels Einzelpulsbohren oder Perkussionsbohren sowie mittels Trepanierbohren mit Laserstrahlung (LS), die eine Strahlachse (BA) und einen Strahldurchmesser (Ds) aufweist, und mit dominantem Schmelzaustrieb, wobei das Einzelpuls/Perkussionsbohren und das Trepanierbohren gleichzeitig durchgeführt werden, indem die räumliche Verteilung des Poyntingvektors (< S >), der der Laserstrahlung zugeordnet ist und definiert ist als der Vektor, welcher in Richtung der Strahlungspropagation zeigt und dessen Betrag die Energieflussdichte der Laserstrahlung (LS) ist, in einem Überlappungsbereich (O) der zu erzeugenden Bohrung (H), der eine Bohrungsachse (Ha), eine Bohrungswand (Hw) sowie ein mit fortschreitender Bohrungstiefe fortschreitender Bohrungsgrund ( Hb ), wobei das beim Bohren fortschreitende Ende der sich bildenden Bohrung (H) als Bohrungsgrund (H ) bezeichnet wird, zugeordnet ist, und in einem Randbereich (R) der zu erzeugenden Bohrung (H) unterschiedlich eingestellt wird, wobei der Überlappungsbereich (O) definiert ist als derjenige Bereich, der beim Einzelpulsbohren mit großer Energieflussdichte der Laserstrahlung bestrahlt wird, und der Randbereich (R) definiert ist als derjenige Bereich, der außerhalb des Überlappungsbereichs (O) liegt und beim Bohren mit kleiner Energieflussdichte der Laserstrahlung (LS), kleiner als die Energieflussdichte im Überlappungsbereich (O), bestrahlt wird, wobei ein maximaler Wert Amax eines Aspektverhältnisses A, mit A=d/(2 rB,toP) einen Wert kleiner oder gleich 10 hat, wobei d bei senkrechter Bohrung (H) relativ zur Oberseite (2) des Materials die Materialdicke des zu durchbohrenden Werkstoffs ist oder bei geneigter Bohrungsachse ( Ha ) relativ zur Oberseite (2) des Materials die Bohrungslänge ist und rB,t0p der Bohrungsradius der Bohrung (H) am Bohrungseintritt, definiert als Radius gemessen in Richtung senkrecht zur Bohrungsachse ( Ha ), ist. 1. Process for drilling components (1) made of metallic materials and components (1) made of layered metallic and dielectric materials by means of single pulse drilling or percussion drilling and by means of trepanning drilling with laser radiation (LS), which has a beam axis (B A ) and a beam diameter (Ds) and with dominant melt expulsion, with the single pulse / percussion drilling and the trepanning drilling being carried out simultaneously by the spatial distribution of the Poynting vector (<S>) that is assigned to the laser radiation and is defined as the vector that points in the direction of the radiation propagation and the magnitude of which is the energy flux density of the laser radiation (LS), in an overlap area (O) of the bore to be produced (H), which has a bore axis (H a ), a bore wall (H w ) and a bore bottom (H b ) that progresses with increasing bore , with the progressing end of the hole (H) being formed as drilling ungsgrund (H) is assigned, and is set differently in an edge area (R) of the hole (H) to be produced, the overlap area (O) being defined as the area that is irradiated with high energy flux density of the laser radiation during single pulse drilling , and the edge area (R) is defined as the area that lies outside the overlap area (O) and when drilling with a low energy flux density of the laser radiation (LS), less than the energy flux density in the overlap area (O), where a maximum value A max of an aspect ratio A, with A = d / (2 r B, toP ) has a value less than or equal to 10, where d for a vertical bore (H ) relative to the upper side (2) of the material is the material thickness of the material to be drilled through or, with an inclined bore axis (H a ) relative to the upper side (2) of the material, the bore length is and r B, t0p is the bore radius of the bore (H) at the bore inlet, defined as the radius measured in the direction perpendicular to the bore axis (H a ).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (LS) während des Bohrens eine Bewegung derart durchführt, dass die Strahlachse (BA) entlang einer mindestens einmal zu durchlaufenden, geschlossenen Bahnkurve (C) bewegt wird, wobei der Strahldurchmesser (Ds) mindestens so groß ist wie der Durchmesser (De) der Bahnkurve (C). 2. The method according to claim 1, characterized in that the laser radiation (LS) performs a movement during drilling in such a way that the beam axis (B A ) is moved along a closed trajectory (C) to be traversed at least once, the beam diameter ( D s ) is at least as large as the diameter (De) of the trajectory (C).
3. Verfahren nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Strahlung (LS) im Überlappungs- und Randbereich (O, R) der zu erzielenden Bohrung (H) im zeitlichen Mittelwert unterschied lich eingestellt wird. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the distribution of the radiation (LS) in the overlap and edge area (O, R) of the bore to be achieved (H) is set differently in the time average.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Poyntingvektor (< S >) jm Randbereich (R) der Bohrung (H) eine mit der Bohrungstiefe veränderliche Richtungskomponente aufweist, die auf die Bohrungswand (Hw) der zu erreichenden Bohrung (H) weist. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Poynting vector (<S>) jm edge region (R) of the bore (H) has a directional component which changes with the bore depth and which points towards the bore wall (H w ) reaching hole (H).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Erreichen einer Asymptotik der geometrischen Form der Bohrung (H) dadurch sichergestellt wird, dass eine Bohrdauer bestimmt wird, ab der die Bohrung (H) in Bezug auf deren Durchmesser ( DH ) nicht weiter fortschreitet und so eine Endform erreicht. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the achievement of an asymptotics of the geometric shape of the bore (H) is ensured in that a drilling duration is determined from which the bore (H) in relation to its diameter ( DH) does not progress any further and thus reaches a final shape.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Endform der Bohrung durch Einstellen der Laserstrahlung (LS) auf den Randbereich (R) festgelegt wird und für das Erreichen der Endform der Bohrung (H) ein Schwellenwert festgelegt wird, der definiert ist als eine Zahl mit der Dimension W»cm 2 für eine Pulsdauer länger als eine Nanosekunde bzw. J*cm 2für eine Pulsdauer kürzer als 10 Pikosekunden (entspricht 10-4 W»m 2 bzw. J»m 2), der alle sonst bekannten für das Bohren relevanten Parameter zur Charakterisierung des zu bohrenden Materials ersetzt und der für metallische Werkstoffe einen typischen Wert von 104 bis 105 W»cm 2 bzw. 1 bis 10 J»cm 2 annimmt. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the final shape of the hole is determined by setting the laser radiation (LS) on the edge area (R) and a threshold value is determined for reaching the final shape of the hole (H), which is defined as a number with the dimension W » cm 2 for a pulse duration longer than one nanosecond or J * cm 2 for a pulse duration shorter than 10 picoseconds (corresponds to 10 -4 W » m 2 or J » m 2 ), which is all otherwise known for the Drilling replaces relevant parameters for characterizing the material to be drilled and which for metallic materials assumes a typical value of 10 4 to 10 5 W » cm 2 or 1 to 10 J » cm 2 .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bohren mit mehreren Pulsen die Energieflussdichte der Laserstrahlung im Überlappungsbereich (O) so eingestellt wird, dass vor dem Durchbohren des Materials im Überlappungsbereich (O) die Schmelze entgegen der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung (LS) aus der Bohrung (H) ausgetrieben wird und der Bohrungsgrund ( Hb ) die Materialdicke erreicht und noch keine Durchbohrung, definiert als ein sich Öffnen der Bohrung (H) am Bohrungsgrund ( Hb ) an der Unterseite (3) des Bauteils (1), vorliegt. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that when drilling with several pulses, the energy flux density of the laser radiation in the overlap area (O) is set so that before drilling through the material in the overlap area (O) the melt against the direction of propagation of the Laser radiation (LS) is driven out of the hole (H) and the hole bottom (H b ) reaches the material thickness and no through hole, defined as an opening of the hole (H) at the hole bottom (H b ) on the underside (3) of the Component (1) is present.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Austreiben der Schmelze ohne Anwendung einer Gasdüse und nur aufgrund des Verdampfungsdrucks erfolgt, wobei die Energieflussdichte im Überlappungsbereich (O) so eingestellt wird, dass der Bohrungsgrund {Hb) im Überlappungsbereich (O) zu einem Pulsende die Unterseite (3) des Bauteils (1) erreicht und eine asymptotische Form der Bohrungswand ( Hw ) noch nicht erreicht ist. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the expulsion of the melt takes place without the use of a gas nozzle and only due to the evaporation pressure, the energy flux density in the overlap area (O) is set so that the bottom of the hole {H b ) in Overlap area (O) reaches the bottom (3) of the component (1) at a pulse end and an asymptotic shape of the bore wall (H w ) has not yet been reached.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Minimalwert für die Energieflussdichte nicht unterschritten wird und ein Maximalwert für die Energieflussdichte nicht überschritten wird, wobei der Minimalwert dadurch bestimmt wird, dass kein Durchbohren, definiert als ein sich Öffnen der Bohrung (H) am Bohrungsgrund ( Hb ) an der Unterseite (3) des Bauteils (1), erfolgt und wobei der Maximalwert dadurch bestimmt wird, dass die Bohrdauer zum Erreichen der Durchbohrung mit der Energieflussdichte sprungartig zunimmt. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a minimum value for the energy flux density is not fallen below and a maximum value for the energy flux density is not exceeded, wherein the minimum value is determined that no piercing, defined as an opening of the Drilling (H) on the bottom of the hole (H b ) on the underside (3) of the component (1) takes place and the maximum value is determined by the fact that the drilling time to reach the hole increases abruptly with the energy flux density.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endform der Bohrung durch Vermessen der Energieflussdichte der Laserstrahlung (LS) im Randbereich (R) bestimmt wird, wobei die Endform der Bohrung durch die Position der Bohrungswand ( Hw ) vorbestimmt ist, an denen die Messwerte gleich dem Schwellenwert sind. 10. The method according to claim 6, characterized in that the final shape of the bore by measuring the energy flux density of the laser radiation (LS) is determined in the edge region (R), the final shape of the bore being predetermined by the position of the bore wall (H w ) at which the measured values are equal to the threshold value.
11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellung eines Vorschubs der Strahlachse (BA) entlang der Bahnkurve (C) einer Periodendauer, definiert als die Summe einer Pulsdauer und einer Pulspause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen, und eines Inkrementwinkels (Alpha), definiert als derjenige Winkel, um den die Strahlachse (BA) der Laserstrahlung (LS) auf der Bahnkurve (C) während einer Periodendauer um die Bohrungsachse ( Ha ) gedreht wird, eine im Querschnitt kreisrunde Bohrung, eine achtförmige Bohrung, eine Langlochbohrung oder eine Dreiloch- oder sternförmige Bohrung (H) erzeugt wird. 11. The method according to claim 2, characterized in that by setting a feed of the beam axis (B A ) along the trajectory (C) of a period duration, defined as the sum of a pulse duration and a pulse pause between two successive pulses, and an increment angle (alpha) , defined as the angle by which the beam axis (BA) of the laser radiation (LS) is rotated on the trajectory (C) during a period around the bore axis (H a ), a bore that is circular in cross section, an eight-shaped bore, an elongated bore or a three-hole or star-shaped hole (H) is created.
12. Vorrichtung zum Bohren von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen und Bauteilen aus geschichteten metallischen und dielektrischen Werkstoffen mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung, die mindestens eine Strahleinheit (20) umfasst, die Laserstrahlung (LS), die eine Strahlachse (BA) und einen Strahldurchmesser ( Ds ) aufweist, auf das Bauteil (1) richtet, und mit einer Steuereinheit (12), die die Strahleinheit (20) derart steuert, dass die Strahlachse (Ba) und der Strahldurchmesser (Ds) eine Position und eine Querschnittsfläche einer Spotfläche (S) charakterisieren, definiert als ein mit der Laserstrahlung (LS) auf einer Oberseite (2) bestrahlter Bereich des Bauteils (1 ) mit dem Strahldurchmesser Ds, wobei sich die Strahlachse (BA) entlang einer geschlossenen Bahnkurve (C) bewegt, und dass ein Teil der Spotflä che (S) einen Überlappungsbereich (O) innerhalb der Bahnkurve (C) erzeugt. 12. Device for drilling components made of metallic materials and components made of layered metallic and dielectric materials with a laser processing device which comprises at least one beam unit (20), the laser radiation (LS), the beam axis (B A ) and a beam diameter (Ds) has, aimed at the component (1), and with a control unit (12) which controls the beam unit (20) in such a way that the beam axis (B a ) and the beam diameter (Ds) have a position and a cross-sectional area of a spot area (S) characterize, defined as an area of the component (1) irradiated with the laser radiation (LS) on an upper side (2) with the beam diameter Ds, the beam axis (B A ) moving along a closed trajectory (C), and that a part the spot area (S) creates an overlap area (O) within the trajectory (C).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Überlappungsbereichs (O) kleiner ist als die Querschnittsfläche mit dem Durchmessers (D ) der Bohrung (H). 13. The device according to claim 12, characterized in that the area of the overlap region (O) is smaller than the cross-sectional area with the diameter (D) of the bore (H).
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung die Laserstrahlung (LS) so abgibt, dass der Strahldurchmesser (Ds) der Spotfläche (S) größer als eine halbe Länge des Durchmessers (D ) der Bohrung (H) und kleiner als der Durchmesser (DH) der Bohrung (H) ist. 14. The device according to claim 12 or 13, characterized in that the laser processing device emits the laser radiation (LS) so that the beam diameter (Ds) of the spot area (S) is greater than half the length of the The diameter (D) of the hole (H) and smaller than the diameter (DH) of the hole (H).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) die Laserstrahleinheit derart steuert, dass die Laserstrahlung (LS) einen Bereich der Bohrung im Bauteil (1), in radialer Richtung zur Bohrungsachse (Ha) gesehen, vom Überlappungsbereich (O) nach außen erweitert. 15. Device according to one of claims 12 to 14, characterized in that the control unit (16) controls the laser beam unit in such a way that the laser radiation (LS) covers an area of the bore in the component (1) in the radial direction to the bore axis (H a ) seen from the overlap area (O) extended outwards.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfsfluid-Versorgungseinheit (18) vorgesehen ist, die ein Fluid an die Oberseite (2) des Bauteils (1) und in die sich im Bauteil (1) ausbildende Bohrung (H) zuführt. 16. Device according to one of claims 12 to 15, characterized in that an auxiliary fluid supply unit (18) is provided which delivers a fluid to the upper side (2) of the component (1) and into the bore formed in the component (1) (H) feeds.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Strahleinheit (10), die eine ge pulste Laserstrahlung (LS) erzeugt und eine Galvano-Scannereinheit (13, 14), die die Strahlachse (BA), das Zentrum der Spotfläche (S), durch Reflexion der Laserstrahlung (LS) bewegt, während sie gleichzeitig einen optischen Weg der von der Strahleinheit (10) oszillierten Laserstrahlung (LS) ändert. 17. Device according to one of claims 12 to 16, characterized in that the laser processing device has a beam unit (10) which generates a GE pulsed laser radiation (LS) and a galvano scanner unit (13, 14) which defines the beam axis (B A ) , the center of the spot surface (S), is moved by reflection of the laser radiation (LS), while at the same time it changes an optical path of the laser radiation (LS) oscillated by the beam unit (10).
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