WO2023138961A1 - Method for laser drilling a drilled hole into a workpiece at first and second mean beam intensities, and corresponding laser drilling device - Google Patents

Method for laser drilling a drilled hole into a workpiece at first and second mean beam intensities, and corresponding laser drilling device Download PDF

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WO2023138961A1
WO2023138961A1 PCT/EP2023/050511 EP2023050511W WO2023138961A1 WO 2023138961 A1 WO2023138961 A1 WO 2023138961A1 EP 2023050511 W EP2023050511 W EP 2023050511W WO 2023138961 A1 WO2023138961 A1 WO 2023138961A1
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WO
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laser beam
laser
intensity
workpiece
mean
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/050511
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German (de)
French (fr)
Inventor
Oliver BOCKSROCKER
Nicolai Speker
Tim Hesse
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • B23K26/38Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382Removing material by boring or cutting by boring

Definitions

  • the invention relates to a method for laser drilling a hole in a workpiece according to the preamble of claim 1 and a corresponding laser drilling device.
  • Figures 1a, 1b and 1c each show a cross-sectional view through a workpiece 10 of three known methods in use.
  • a method also known as trepanning is used, in which the bore 11 is also produced by a plurality of laser pulses 21 of a laser beam 20, the laser beam 20 also being moved or projected along the trajectory 22 shown. is rotated to expand the bore 11 in the x-y plane of the x,y,z coordinate system shown.
  • a region 12 of the bore 11 still has material from the workpiece 10 and still has to be drilled through.
  • a method also known as single-shot drilling is used, in which the hole 11 is drilled by a single laser pulse 21 of a laser beam 20 of high intensity along the entire spot surface of the laser beam 20 on the workpiece 10.
  • FIG. 1c Like the method of FIG. 1c associated Figures 2a and 2b show, as well as in the method of FIG. 1a, 1b, the material of the workpiece 10 is almost completely melted and/or evaporated.
  • the outer region 13 of the bore 11 has the melted zene or. melt liquid material.
  • the melt 14 shown is expelled from the bore 11 by the steam pressure.
  • the material of the workpiece 10 has evaporated in the area 15 surrounded by the outer area 13 . This is how it appears in Fig. 2b shown workpiece 10 with the bore 11 .
  • the object of the invention is to propose an improved method and an improved laser drilling device for laser drilling a hole in a workpiece, which in particular allow more precise laser drilling with increased process efficiency.
  • a method for laser drilling a hole in a workpiece wherein at least one laser beam is used for the laser drilling.
  • the laser beam cross-section of the at least one laser beam has a central surface with a first laser beam profile having a first mean beam intensity and an outer edge surface surrounding the central surface with a second laser beam profile having a second mean beam intensity, with the second mean beam intensity being greater than the first mean beam intensity.
  • an increased process efficiency and thus also a reduced cycle time can be achieved during laser drilling, because the material of the workpiece is processed particularly intensively, in particular evaporated and/or melted, only in an edge area of the bore that essentially corresponds to the outer edge surface of the laser beam cross section (locally by the generated laser spot of the laser beam), and the material lying within the edge area is less edited or is heated, in particular can remain in a solid state.
  • more power of the laser radiation is targeted to the surface of the periphery of the bore rather than to the surface of the interior of the bore, thereby enabling the machining at the periphery that ultimately enables the creation of the borehole.
  • the area or Central area are punched out by the at least one laser beam.
  • the hole diameter of the bore can be set particularly precisely and a more precise roundness and cylindricity of the bore can be achieved than is the case with the methods known from the prior art, in which the beam intensity typically decreases from the inside to the outside, as shown in FIG. 2a can be removed.
  • Workpieces of different materials for example metallic materials, ceramic materials, polymer-based materials or materials with combinations of the aforementioned materials, can be drilled with the method according to the invention.
  • the workpiece can be designed in one layer or with several layers made of the same or different materials, in particular different of the aforementioned materials.
  • the laser drilling can be carried out with a fluence H ⁇ 500 kJ/mm 2 , in particular with a fluence H ⁇ 100 kJ/mm 2 , of the at least one laser beam.
  • a fluence H ⁇ 500 kJ/mm 2 in particular with a fluence H ⁇ 100 kJ/mm 2
  • the Total intensity of the entire at least one laser beam and/or the second average beam intensity can in particular have an intensity I of the at least one laser beam of I ⁇ 15. 000 kW/mm 2 , especially from I ⁇ 6 . 500 kW/mm 2 can be used.
  • Radiation intensity is understood here as that energy of the laser beam that is transported in a specific time through the laser beam cross section, ie an area perpendicular to the direction of propagation of the at least one laser beam.
  • radiation intensity is energy per time per area and can be expressed in W/mm 2 .
  • the radiation power Radiant power refers to the radiated energy over time, which can be given in watts.
  • the beam intensity is the beam power in relation to the laser beam cross section.
  • the first average radiation intensity consequently means the radiation intensity averaged over the central area.
  • the second average radiation intensity correspondingly means the radiation intensity averaged over the outer edge surface.
  • the radiation intensity varies across the central area or the outer edge area, it can be averaged over the entire central area, so that the first or second average radiation intensity is obtained, which can also be specified in W/mm 2 .
  • the central surface and the outer edge surface surrounding it preferably together form the entire laser beam cross section of the laser beam. With the outer edge surface is therefore meant in particular that the outer edge surface on the outside of the
  • Laser beam cross-section is located and in particular the central area completely surrounds. It is advantageous if the outer edge surface and the central surface are in a certain size relation to each other.
  • the outer edge surface can preferably have a maximum diameter which is at least 1, 2 times, at least 1, 5 times or at least 2 times the maximum diameter of the central surface.
  • a maximum diameter of the outer edge surface can preferably be at most 5 times, very particularly at most 4 times the maximum diameter of the central surface.
  • the material of the workpiece is only visible in an edge region of the borehole or of the borehole is melted and/or evaporated.
  • the material in a central area of the hole corresponding to the central surface of the laser beam cross-section is not melted or melted. vaporize .
  • the power of the laser device used for laser drilling can be used entirely for process-efficient laser drilling in the edge area of the hole, which also means that greater precision can be achieved during laser drilling.
  • the laser drilling of the hole can be done by one or more laser pulses of the at least one laser beam.
  • Laser pulse or percussion drilling i.e. laser drilling with several consecutive laser pulses
  • a pulse duration of a laser pulse in the range of 5 ps to 1. 000 ms , especially in the range from 10 ps to 1 . 000 hp , lie .
  • a pulse duration of a laser pulse can particularly preferably be in the range from 5 ps to 200 ps. In the ranges mentioned, high pulse energies of more than 50 mJ enable sufficient vaporization and melt ejection. In addition, short interaction times in this pulse duration range ensure that there is a need-based melting or Heating and removal of the material with little heat input at the edges of the hole.
  • the first laser beam profile and/or the second laser beam profile is changed during a laser pulse.
  • Such a change can be sudden or continuous.
  • the entire laser beam profile of the at least one laser beam, i.e. the first and second laser beam profile together, or the first or second laser beam profile in each case can be changed in such a way that a laser beam profile is switched between a Gauss-like, top-hat-like and/or ring-like laser beam profile. It can also be provided that there is a gradual switchover between intermediate stages between two or all three of the aforementioned laser beam profiles.
  • a diameter of the at least one laser beam is changed during a laser pulse.
  • Such a change can be sudden or continuous. Also this makes it possible to change the borehole diameter in particular continuously in the drilling direction.
  • a pulse shape of a laser pulse is rectangular, triangular, sinusoidal or a combination of at least two of the aforementioned shapes. In this way, improved coupling of the laser beam and targeted vaporization and targeted expulsion of molten material from the workpiece can be achieved.
  • the second mean radiation intensity is preferably at least 10% greater, particularly at least 20% greater and also particularly at least 50% greater than the first mean radiation intensity. It has been shown that the drilling precision is particularly high with such an average radiation intensity distribution.
  • an intensity gradient of the second laser beam profile is greater than an intensity gradient of the first laser beam profile. Accordingly, a standardized intensity gradient of AI>50 kW/(mm 2 *dw) with beam diameter dw can be deliberately deviated from.
  • the beam diameter is in particular the 86% diameter of the laser beam, ie the diameter of the part of the laser beam that is at least 86% of the total energy of the beam contains . This allows the size and extent of the melted area to be reproduced, even with different surface qualities on the workpieces, and the drill hole diameter can also be set very precisely.
  • the at least one laser beam it is possible for the at least one laser beam to have a minimum radiation intensity in the central area.
  • the beam intensity can have its minimum over the entire laser beam cross section in the central area.
  • the radiation intensity minimum can very particularly lie in or near the center of area of the laser beam cross section. As a result, it can be avoided to a particular extent that material lying inside the bore is heated less and is therefore preferably not melted and/or not evaporated.
  • the beam intensity minimum can preferably propagate in the laser beam propagation direction of the at least one laser beam. This means in particular that the beam intensity minimum continues over a distance of the order of magnitude of a Rayleigh length or more along the laser beam propagation direction.
  • This property can be generated via an optical fiber in which a near-diffraction-limited laser beam is guided by exerting a mechanical force on this optical fiber.
  • beam-shaping elements can be used that impose a vortex-shaped phase distribution, such as e.g. B. Vortex mirrors or vortex phase plates. As a result, a high tolerance width can be achieved in the direction of the optical axis of the laser beam.
  • the outer edge surface can preferably have a ring shape, a square shape or a polygon shape.
  • the polygon shape can have any number of corners, for example three, five, six or more, for example twelve.
  • the second laser beam profile consists of several, in particular azimuthal (to the workpiece) arranged or oriented , laser beams is generated . This makes it possible for all of the multiple (individual) laser beams to be variable in their beam power independently of one another.
  • the second laser beam profile is essentially homogeneous with regard to its beam intensity.
  • Essentially homogeneous includes technically caused deviations or Tolerances from a mathematically perfectly homogeneous beam intensity distribution over the outer edge surface, which in reality hardly or not at all. is very difficult to achieve.
  • the homogeneous beam profile can be created, for example, by an appropriate beam-shaping element, e.g. a di f fractive optical element in the laser drilling device, in particular its optics, can be achieved.
  • the method according to the invention can be used in a particularly advantageous manner to produce a bore with a bore depth of ⁇ 3 mm, in particular ⁇ 500 ⁇ m, and/or with an aspect ratio of bore depth to minimum width of the bore (11) of ⁇ 1:100, in particular ⁇ 1:10.
  • Laser drilling device for laser drilling a hole in a Workpiece, wherein the laser drilling device has a laser beam device for emitting at least one laser beam and an optical system for aligning the at least one laser beam onto the workpiece in such a way that a laser beam cross section of the at least one laser beam has a central surface with a first laser beam profile having a first average radiation intensity and an outer edge surface surrounding the central surface with a second laser beam profile having a second average radiation intensity, the second average radiation intensity being greater than the first average radiation intensity.
  • the features described herein in relation to the method according to the invention can of course also be used in relation to the laser drilling device according to the invention, and vice versa.
  • the laser drilling device can be set up to carry out the method according to the invention.
  • scanner optics ie optics with one or more movable mirrors for deflecting the laser beam
  • the scanner optics can, for example, have an imaging ratio in the range from 1:1 to 5:1, in particular in the range from 1.5:1 to 2:1.
  • the scanner optics sold by TRUMPF under the designation FPO33-2 can be used.
  • the laser beam device of the laser drilling device can be, for example, a quasi-continuous wave laser or a VIS laser, i.e. a laser with a visible wavelength of the Laser light works.
  • a different laser beam device and/or, in principle, the use of flying optics, in particular with the same imaging ratios, is also possible, for example such as is marketed by TRUMPF under the name BEO.
  • a single-mode laser for example a laser sold by TRUMPF under the name TruFiber (pulse) 500-2000, or a multimode laser, for example a disk laser sold by TRUMPF under the name TruDisk (pulse) 2000-5000, can be used as a quasi-continuous-wave laser.
  • TRUMPF under the name variMODE Pro, which is characterized by a single-core fiber on which mechanical pressure is exerted so that a ring-like beam profile is generated from a Gaussian-like beam profile.
  • variMODE Star which is characterized by a ring fiber that is fed from several laser modules.
  • a beam parameter product SPP of the at least one laser beam is in the range from 0.3 mm*mrad to 34 mm*mrad, in particular in the range from 0.38 mm*mrad to 32 mm*mrad.
  • an SPP of 0.6 mm*rad or less has proven particularly advantageous.
  • an SPP of 4 mm*rad or less is particularly advantageous.
  • Beam diameter of the at least one laser beam in the area from 10 gm to 800 gm, in particular in the range from 20 gm to 200 gm.
  • a beam diameter in the range from 20 gm to 50 gm has proven advantageous
  • a beam diameter in the range from 50 gm to 200 gm has proven advantageous.
  • a wavelength of the at least one laser beam is in the range from 800 nm to 1200 nm, in particular in the range from 1030 nm to 1070 nm.
  • a wavelength of the at least one laser beam is in the range from 380 nm to 530 nm, particularly in the range from 400 nm to 515 nm or in the range from 400 nm to 450 nm (blue light) including 515 nm (green light).
  • the average laser power Pav can be in the range of 2 W to 2 . 000 W, especially in the range of 50 W to 700 W.
  • the pulse peak power Ppeak can also be in the aforementioned ranges.
  • a switching frequency with respect to the changing or Switching the laser beam profile can be greater than the pulse frequency f out . Further details and advantageous configurations of the invention can be found in the following description, on the basis of which exemplary embodiments of the invention are described and explained in more detail.
  • FIGS. 1a-1c show cross-sectional views through a workpiece which is drilled using laser drilling methods known from the prior art
  • FIGS. 2a, 2b perspective views of the workpiece from FIG. 1c ;
  • FIGS. 3a, 3b perspective views of a workpiece which is drilled by means of an exemplary embodiment of a laser drilling method according to the invention
  • Figure 4 is a schematic cross-sectional view of a
  • FIGS. 5a, 5b are schematic views of possible laser beam cross sections of the laser drilling device from FIG. 4 laser beam used for laser drilling;
  • Figures 7a-7c schematic representations compared to Figs. 6a-6c alternative laser beam cross section with intensity distribution graphs in the plane of the laser beam cross section.
  • FIGS. 1a-1c and FIGS. 2a, 2b show the laser drilling methods already explained at the outset in use on the workpiece 10, as are known from the prior art.
  • FIGS. 3a, 3b and 4 show an exemplary embodiment of a method according to the invention for laser drilling the hole 11 in the workpiece 10 by means of a laser drilling device 40 set up according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 3a shows, other laser beam profiles 32, 34 (see FIG. 4) are used than are shown in FIG. 3a is the case with the prior art.
  • FIG. 4 shows a different beam intensity distribution set on the basis of the laser beam cross section 30 of the laser beam 20 directed by the laser drilling device 40 onto the workpiece 10 with a laser pulse 21 .
  • Fig. 4 shown first laser beam profile 32 in the central surface 31 of the laser beam cross section 30 in FIG on the spanned x, y-plane lower, in particular by at least 10% lower and very particularly significantly lower, so that there is an intensity minimum in a centroid of the laser beam cross section 30 than a second average radiation intensity of the second laser beam profile 34 in the edge surface 33 of the laser beam cross section 30 .
  • a central area 17 in the area of the bore 11 in the workpiece 10 which is not melted and is surrounded by an edge area 16 .
  • the central area 17 corresponds locally essentially to the central area 31 of a laser spot of the laser beam 20 .
  • the edge region 16 corresponds locally essentially to the edge surface 33 of the laser spot of the laser beam 20 or its laser beam cross section 30 . Consequently, the bore 11 can be drilled very precisely, with the central area 17 being punched out, which, unlike the edge area 16 , has no area 13 with molten material and no area 15 with vaporized material of the workpiece 10 .
  • the laser drilling device 40 has a laser processing head 41 in which a laser beam device 42 is at least partially arranged, which in turn can be connected to a laser beam source (not shown) or can have this. Furthermore, the Laser processing head 41 has optics 43 , which in particular can be embodied as scanner optics 43 .
  • Figures 5a, 5b show alternative laser beam cross sections 30, according to which the laser beam 20 can be formed.
  • the outer edge surface 33 in the example of FIG. 5a rectangular, in particular square, instead of ring-shaped, as in FIG. 4 shaped .
  • the laser beam cross-section 30 is shaped as a 12-corner polygon.
  • a bore 11 with a rectangular or polygonal cross section can be produced with such laser beam cross sections 30 .
  • Fig. 6a once again shows the laser beam cross section 30 from FIG. 4 .
  • These show the Fig. 6b and 6c two intensity distribution graphs of the laser beam intensity I of the laser beam cross section 30, namely once in the x direction and once in the y direction of the x, y plane of the laser beam cross section 30 shown. It can be seen how the second average beam intensity of the second laser beam profile 34 has clear intensity peaks or Intensity maxima 35 , while the first average beam intensity of the first laser beam profile 32 in the central region 31 shows a clear intensity minimum 36 between the two intensity peaks 35 , in particular in or near a centroid of the laser beam cross section 30 .
  • Fig. 7a shows another laser beam cross section 30 for a possible laser beam 20 with which the laser drilling can be carried out according to the invention.
  • the intensity minimum 36 in the central region 31 is not quite as strong as in the laser beam cross section 30 of FIG. 6a, whereby a high process efficiency can still be achieved and the drilling diameter of the bore 11 can be set precisely.

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Abstract

The invention relates to a method for laser drilling a drilled hole into a workpiece (10), wherein at least one laser beam (20) is used for the laser drilling, wherein a laser beam cross section (30) of the at least one laser beam (20) has a central area (31) with a first laser beam profile (32) having a first mean beam intensity and an outer edge area (33), surrounding the central area (31), with a second laser beam profile (34) having a second mean beam intensity, wherein the second mean beam intensity is greater than the first mean beam intensity.

Description

Titel : VERFAHREN ZUM LASERBOHREN EINER BOHRUNG IN EIN WERKSTÜCK MIT ERSTER UND ZWEITER MITTLEREN STRAHLINTENSITÄTEN, SOWIE ENTSPRECHENDE LASERBOHRVORRICHTUNG Title : METHOD FOR LASER DRILLING A HOLE IN A WORKPIECE WITH FIRST AND SECOND MEDIUM BEAM INTENSITIES, AND RELATIVE LASER DRILLING DEVICE
Beschreibung Description
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Laserbohren einer Bohrung in ein Werkstück gemäß dem Oberbegri f f von Anspruch 1 sowie eine korrespondierende Laserbohrvorrichtung . The invention relates to a method for laser drilling a hole in a workpiece according to the preamble of claim 1 and a corresponding laser drilling device.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Laserbohren von Bohrungen in Werkstücke bekannt . Die Figuren la, 1b und 1 c zeigen j eweils in einer Querschnittsansicht durch ein Werkstück 10 drei bekannte Verfahren in der Anwendung . Various methods for laser drilling holes in workpieces are known from the prior art. Figures 1a, 1b and 1c each show a cross-sectional view through a workpiece 10 of three known methods in use.
In der Fig . la wird ein auch als Perkussionsbohren bekanntesIn the fig. la becomes a also known as percussion drilling
Verfahren eingesetzt , bei dem die Bohrung 11 in dem Werkstück 10 mittels mehrerer Laserpulse 21 eines entlang der gezeigten z-Koordinate ausgerichteten Laserstrahls 20 erzeugt wird, wobei die z-Koordinate in Tiefen- bzw . Dickenrichtung des Werkstücks 10 verläuft . Method used in which the bore 11 in the workpiece 10 is generated by means of a plurality of laser pulses 21 of a laser beam 20 aligned along the z-coordinate shown, with the z-coordinate in depth or Thickness direction of the workpiece 10 runs.
In der Fig . 1b wird ein auch als Trepanierbohren bekanntes Verfahren eingesetzt , bei dem die Bohrung 11 ebenfalls durch mehrere Laserpulse 21 eines Laserstrahls 20 erzeugt wird, wobei der Laserstrahl 20 zusätzlich entlang der gezeigten Traj ektorie 22 bewegt bzw . rotiert wird, um die Bohrung 11 in der x-y-Ebene des gezeigten x, y, z-Koordinatensystems aus zuweiten . In der Fig . la und Fig . 1b ist dabei j eweils beispielhaft gezeigt , dass ein Bereich 12 der Bohrung 11 noch Material vom Werkstück 10 aufweist und noch durchbohrt werden muss . In the fig. 1b, a method also known as trepanning is used, in which the bore 11 is also produced by a plurality of laser pulses 21 of a laser beam 20, the laser beam 20 also being moved or projected along the trajectory 22 shown. is rotated to expand the bore 11 in the x-y plane of the x,y,z coordinate system shown. In the fig. la and fig . 1b shows, by way of example, that a region 12 of the bore 11 still has material from the workpiece 10 and still has to be drilled through.
In der Fig . 1c wird ein auch als SingleShot-Bohren bekanntes Verfahren eingesetzt , bei dem die Bohrung 11 durch einen einzelnen Laserpuls 21 eines Laserstrahls 20 hoher Intensität entlang der gesamten Spotfläche des Laserstrahls 20 auf dem Werkstück 10 gebohrt wird . In the fig. 1c, a method also known as single-shot drilling is used, in which the hole 11 is drilled by a single laser pulse 21 of a laser beam 20 of high intensity along the entire spot surface of the laser beam 20 on the workpiece 10.
Wie die zum Verfahren der Fig . 1c zugehörigen Figuren 2a und 2b zeigen, wird dabei , wie auch bei den Verfahren der Fig . la, 1b, das Material des Werkstücks 10 nahezu vollständig auf geschmol zen und/oder verdampft . Der äußere Bereich 13 der Bohrung 11 weist dabei das auf geschmol zene bzw . schmel z flüssige Material auf . Durch den Dampfdruck wird dabei die gezeigte Schmel ze 14 aus der Bohrung 11 ausgetrieben . In dem von dem äußeren Bereich 13 umgebenen Bereich 15 ist das Material des Werkstücks 10 verdampft . So entsteht das in Fig . 2b gezeigte Werkstück 10 mit der Bohrung 11 . Gegenüber den bekannten Verfahren ist es wünschenswert , dieLike the method of FIG. 1c associated Figures 2a and 2b show, as well as in the method of FIG. 1a, 1b, the material of the workpiece 10 is almost completely melted and/or evaporated. The outer region 13 of the bore 11 has the melted zene or. melt liquid material. The melt 14 shown is expelled from the bore 11 by the steam pressure. The material of the workpiece 10 has evaporated in the area 15 surrounded by the outer area 13 . This is how it appears in Fig. 2b shown workpiece 10 with the bore 11 . Compared to the known methods, it is desirable that
Präzision und Prozessef fi zienz beim Laserbohren zu erhöhen . To increase precision and process efficiency in laser drilling.
Aufgabe der Erfindung ist es , ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Laserbohrvorrichtung zum Laserbohren einer Bohrung in ein Werkstück vorzuschlagen, welche insbesondere ein präziseres Laserbohren mit gesteigerter Prozessef fi zienz erlauben . The object of the invention is to propose an improved method and an improved laser drilling device for laser drilling a hole in a workpiece, which in particular allow more precise laser drilling with increased process efficiency.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 . Vorgeschlagen wird dementsprechend ein Verfahren zum Laserbohren einer Bohrung in ein Werkstück, wobei für das Laserbohren zumindest ein Laserstrahl genutzt wird . Dabei weist der Laserstrahlquerschnitt des zumindest einen Laserstrahls eine Zentral fläche mit einem ersten Laserstrahlprofil aufweisend eine erste mittlere Strahlenintensität und eine die Zentral fläche umgebende , äußere Randfläche mit einem zweiten Laserstrahlprofil aufweisend eine zweite mittlere Strahlenintensität auf , wobei die zweite mittlere Strahlenintensität größer als die erste mittlere Strahlenintensität ist . The object is achieved by a method according to claim 1. Accordingly, a method for laser drilling a hole in a workpiece is proposed, wherein at least one laser beam is used for the laser drilling. The laser beam cross-section of the at least one laser beam has a central surface with a first laser beam profile having a first mean beam intensity and an outer edge surface surrounding the central surface with a second laser beam profile having a second mean beam intensity, with the second mean beam intensity being greater than the first mean beam intensity.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine erhöhte Prozessef fi zienz und somit auch eine verringerte Taktzeit beim Laserbohren erzielt werden, weil das Material des Werkstücks nur in einem zur äußeren Randfläche des Laserstrahlquerschnitts ( durch den erzeugten Laserspot des Laserstrahls örtlich) im Wesentlichen korrespondierenden Randbereich der Bohrung besonders intensiv bearbeitet , insbesondere verdampft und/oder auf geschmol zen, wird und das innerhalb des Randbereichs liegende Material weniger bearbeitet bzw . erhitzt wird, insbesondere in einem festen Aggregat zustand verbleiben kann . Mit anderen Worten wird eine größere Leistung der Laserstrahlung gezielt auf die Fläche des Randbereichs der Bohrung statt auf die Fläche des innerhalb des Randbereichs liegenden Bereichs der Bohrung ausgerichtet , um so die Bearbeitung am Randbereich zu ermöglichen, die schließlich das Erzeugen des Bohrlochs ermöglicht . So kann der innerhalb des Randbereichs liegenden Bereich bzw . Zentralbereich durch den zumindest einen Laserstrahl ausgestanzt werden . Durch diese optimierte Laserintensitätsverteilung in Bezug auf den Laserstrahlquerschnitt kann der Lochdurchmesser der Bohrung besonders präzise eingestellt werden und eine genauere Rundheit und Zylindrigkeit der Bohrung ist erreichbar, als dies mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Fall ist , bei denen die Strahlenintensität typischerweise von innen nach außen abnimmt , wie der Fig . 2a entnommen werden kann . With the method according to the invention, an increased process efficiency and thus also a reduced cycle time can be achieved during laser drilling, because the material of the workpiece is processed particularly intensively, in particular evaporated and/or melted, only in an edge area of the bore that essentially corresponds to the outer edge surface of the laser beam cross section (locally by the generated laser spot of the laser beam), and the material lying within the edge area is less edited or is heated, in particular can remain in a solid state. In other words, more power of the laser radiation is targeted to the surface of the periphery of the bore rather than to the surface of the interior of the bore, thereby enabling the machining at the periphery that ultimately enables the creation of the borehole. In this way, the area or Central area are punched out by the at least one laser beam. With this optimized laser intensity distribution in relation to the laser beam cross section, the hole diameter of the bore can be set particularly precisely and a more precise roundness and cylindricity of the bore can be achieved than is the case with the methods known from the prior art, in which the beam intensity typically decreases from the inside to the outside, as shown in FIG. 2a can be removed.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Werkstücke unterschiedlichen Materials , beispielsweise metallische Werkstof fe , keramische Werkstof f , polymerbasierte Werkstof fe oder Werkstof fe mit Kombinationen der vorgenannten Materialien gebohrt werden . Dabei kann das Werkstück einschichtig ausgebildet sein oder mit mehreren Schichten aus demselben oder unterschiedlichen Materialien, insbesondere unterschiedlichen der vorgenannten Materialien, ausgebildet sein . Workpieces of different materials, for example metallic materials, ceramic materials, polymer-based materials or materials with combinations of the aforementioned materials, can be drilled with the method according to the invention. The workpiece can be designed in one layer or with several layers made of the same or different materials, in particular different of the aforementioned materials.
Grundsätzlich kann das Laserbohren mit einer Fluenz H < 500 kJ/mm2 , insbesondere mit einer Fluenz H < 100 kJ/mm2 , des zumindest einen Laserstrahls ausgeführt werden . Für die Gesamtintensität des gesamten zumindest einen Laserstrahls und/oder die zweite mittlere Strahlenintensität kann dabei insbesondere eine Intensität I des zumindest einen Laserstrahls von I < 15 . 000 kW/mm2 , ganz besonders von I < 6 . 500 kW/mm2 , verwendet werden . In principle, the laser drilling can be carried out with a fluence H<500 kJ/mm 2 , in particular with a fluence H<100 kJ/mm 2 , of the at least one laser beam. For the Total intensity of the entire at least one laser beam and/or the second average beam intensity can in particular have an intensity I of the at least one laser beam of I<15. 000 kW/mm 2 , especially from I < 6 . 500 kW/mm 2 can be used.
Unter der Strahlenintensität bzw . Strahlungsintensität wird hierin j ene Energie des Laserstrahls verstanden, die in einer bestimmten Zeit durch den Laserstrahlquerschnitt , also eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des zumindest einen Laserstrahls stehende Fläche , transportiert wird . Somit ist die Strahlenintensität die Energie pro Zeit pro Fläche und kann in W/mm2 angegeben werden . Die Strahlenleistung bzw . Strahlungsleistung bezeichnet dabei die abgestrahlte Energie pro Zeit , die in Watt angegeben werden kann . Anders ausgedrückt ist die Strahlenintensität somit die Strahlenleistung bezogen auf den Laserstrahlquerschnitt . Die erste mittlere Strahlenintensität meint folglich die über die Zentral fläche gemittelte Strahlenintensität . Die zweite mittlere Strahlenintensität meint entsprechend die über die äußere Randfläche gemittelte Strahlenintensität . Wenn also die Strahlenintensität über die Zentral fläche oder die äußere Randfläche variiert , kann über die gesamte Zentral fläche ihr Mittelwert ermittelt werden, sodass die erste oder zweite mittlere Strahlenintensität erhalten wird, die ebenfalls in W/mm2 angegeben werden kann . Dabei bilden vorzugsweise die Zentral fläche und die diese umgebende äußere Randfläche gemeinsam den gesamten Laserstrahlquerschnitt des Laserstrahls . Mit äußerer Randfläche ist folglich insbesondere gemeint , dass die äußere Randfläche ganz außen vomUnder the radiation intensity or Radiation intensity is understood here as that energy of the laser beam that is transported in a specific time through the laser beam cross section, ie an area perpendicular to the direction of propagation of the at least one laser beam. Thus, radiation intensity is energy per time per area and can be expressed in W/mm 2 . The radiation power Radiant power refers to the radiated energy over time, which can be given in watts. In other words, the beam intensity is the beam power in relation to the laser beam cross section. The first average radiation intensity consequently means the radiation intensity averaged over the central area. The second average radiation intensity correspondingly means the radiation intensity averaged over the outer edge surface. So if the radiation intensity varies across the central area or the outer edge area, it can be averaged over the entire central area, so that the first or second average radiation intensity is obtained, which can also be specified in W/mm 2 . The central surface and the outer edge surface surrounding it preferably together form the entire laser beam cross section of the laser beam. With the outer edge surface is therefore meant in particular that the outer edge surface on the outside of the
Laserstrahlquerschnitt liegt und insbesondere die Zentral fläche vollständig umgibt . Es ist vorteilhaft , wenn die äußere Randfläche und die Zentral fläche in gewisser Größenrelation zueinander stehen . So kann die äußere Randfläche vorzugsweise einen Maximaldurchmesser aufweisen, der zumindest das 1 , 2- fache , zumindest das 1 , 5- fache oder zumindest das 2- fache eines Maimaldurchmessers der Zentral fläche beträgt . Wiederum kann ein Maximaldurchmesser der äußeren Randfläche vorzugsweise höchstens das 5- fache , ganz besonders höchstens das 4- fache des Maximaldurchmessers der Zentral fläche betragen . Laser beam cross-section is located and in particular the central area completely surrounds. It is advantageous if the outer edge surface and the central surface are in a certain size relation to each other. Thus, the outer edge surface can preferably have a maximum diameter which is at least 1, 2 times, at least 1, 5 times or at least 2 times the maximum diameter of the central surface. Again, a maximum diameter of the outer edge surface can preferably be at most 5 times, very particularly at most 4 times the maximum diameter of the central surface.
Vorteilhaft ist es ganz besonders , wenn das Material des Werkstücks nur in einem zur äußeren Randfläche des Laserstrahlquerschnitts ( durch den erzeugten Laserspot des Laserstrahls örtlich) korrespondierenden Randbereich der Bohrung bzw . des Bohrlochs auf geschmol zen und/oder verdampft wird . Entsprechend wird das Material in einem zu der Zentral fläche des Laserstrahlquerschnitts ( durch den erzeugten Laserspot des Laserstrahls örtlich) korrespondierenden Zentralbereich der Bohrung nicht aufschmel zen bzw . verdampfen . Dadurch kann die Leistung der für das Laserbohren genutzten Lasereinrichtung vollständig für das prozessef fi ziente Laserbohren im Randbereich der Bohrung eingesetzt werden, wodurch zudem eine höhere Präzision beim Laserbohren erreicht werden kann . It is particularly advantageous if the material of the workpiece is only visible in an edge region of the borehole or of the borehole is melted and/or evaporated. Correspondingly, the material in a central area of the hole corresponding to the central surface of the laser beam cross-section (locally due to the generated laser spot of the laser beam) is not melted or melted. vaporize . As a result, the power of the laser device used for laser drilling can be used entirely for process-efficient laser drilling in the edge area of the hole, which also means that greater precision can be achieved during laser drilling.
Das Laserbohren der Bohrung kann dabei durch einen oder mehrere Laserpulse des zumindest einen Laserstrahls erfolgen . Dabei können die zuvor beschriebenen Verfahren, insbesondere SingleShot-Bohren, also Laserbohren mit nur einem einzigenThe laser drilling of the hole can be done by one or more laser pulses of the at least one laser beam. The methods described above, in particular single-shot drilling, i.e. laser drilling with just a single
Laserpuls , oder Perkussionsbohren, also Laserbohren mit mehreren konsekutiven Laserpulsen, zum Einsatz kommen . Dabei kann eine Pulsdauer eines Laserpulses im Bereich von 5 ps bis 1 . 000 ms , insbesondere im Bereich von 10 ps bis 1 . 000 ps , liegen . Besonders bevorzugt kann eine Pulsdauer eines Laserpulses im Bereich von 5 ps bis 200 ps liegen . In den genannten Bereichen ermöglichen große Pulsenergien von mehr als 50 mJ eine ausreichende Verdampfung und einen Schmel zaustrieb . Zudem sorgen kurzen Wechselwirkungs zeiten in diesem Pulsdauerbereich für eine bedarfsgerechte Auf Schmel zung bzw . Erhitzung und Abtrag des Materials mit geringem Wärmeeintrag an den Rändern der Bohrung . Laser pulse or percussion drilling, i.e. laser drilling with several consecutive laser pulses, are used. Here, a pulse duration of a laser pulse in the range of 5 ps to 1. 000 ms , especially in the range from 10 ps to 1 . 000 hp , lie . A pulse duration of a laser pulse can particularly preferably be in the range from 5 ps to 200 ps. In the ranges mentioned, high pulse energies of more than 50 mJ enable sufficient vaporization and melt ejection. In addition, short interaction times in this pulse duration range ensure that there is a need-based melting or Heating and removal of the material with little heat input at the edges of the hole.
Dabei ist es ganz besonders vorteilhaft , wenn das erste Laserstrahlprofil und/oder das zweite Laserstrahlprofil während eines Laserpulses verändert wird . Eine solche Veränderung kann sprunghaft oder kontinuierlich erfolgen . Dadurch ist es möglich, den Bohrungsdurchmesser in der Bohrrichtung insbesondere kontinuierlich zu verändern . Ganz besonders kann dabei das gesamte Laserstrahlprofil des zumindest einen Laserstrahls , also das erste und zweite Laserstrahlprofil gemeinsam, oder j eweils das erste oder zweite Laserstrahlprofil derart verändert werden, das zwischen einem Gauss-ähnlichen, Top-Hat-ähnlichen und/oder ringformähnlichen Laserstrahlprofil gewechselt wird . Dabei kann auch vorgesehen sein, dass zwischen Zwischenstufen zwischen zwei oder allen drei der vorgenannten Laserstrahlprofilen stufenweise umgeschaltet wird . It is particularly advantageous if the first laser beam profile and/or the second laser beam profile is changed during a laser pulse. Such a change can be sudden or continuous. This makes it possible, in particular, to change the bore diameter continuously in the drilling direction. In particular, the entire laser beam profile of the at least one laser beam, i.e. the first and second laser beam profile together, or the first or second laser beam profile in each case can be changed in such a way that a laser beam profile is switched between a Gauss-like, top-hat-like and/or ring-like laser beam profile. It can also be provided that there is a gradual switchover between intermediate stages between two or all three of the aforementioned laser beam profiles.
Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass ein Durchmesser des zumindest einen Laserstrahls während eines Laserpulses verändert wird . Eine solche Veränderung kann sprunghaft oder kontinuierlich erfolgen . Auch dadurch ist es möglich, den Bohrungsdurchmesser in der Bohrrichtung insbesondere kontinuierlich zu verändern . Alternatively or additionally, it can advantageously be provided that a diameter of the at least one laser beam is changed during a laser pulse. Such a change can be sudden or continuous. Also this makes it possible to change the borehole diameter in particular continuously in the drilling direction.
Vorteilhaft ist ferner, wenn eine Puls form eines Laserpulses rechteckförmig, dreieckförmig, sinus förmig oder eine Kombination von zumindest zwei der vorgenannten Formen ist . Dadurch können eine verbesserte Einkopplung des Laserstrahls und eine gezielte Verdampfung sowie ein gezielter Austrieb von Materialschmel ze aus dem Werkstück erzielt werden . It is also advantageous if a pulse shape of a laser pulse is rectangular, triangular, sinusoidal or a combination of at least two of the aforementioned shapes. In this way, improved coupling of the laser beam and targeted vaporization and targeted expulsion of molten material from the workpiece can be achieved.
Vorzugsweise ist die zweite mittlere Strahlenintensität zumindest 10% größer, ganz besonders zumindest 20% größer und ferner ganz besonders zumindest 50% größer, als die erste mittlere Strahlenintensität ist . Es hat sich gezeigt , dass die Bohrpräzision bei einer derartigen mittleren Strahlenintensitätsverteilung besonders hoch aus fällt . The second mean radiation intensity is preferably at least 10% greater, particularly at least 20% greater and also particularly at least 50% greater than the first mean radiation intensity. It has been shown that the drilling precision is particularly high with such an average radiation intensity distribution.
Vorteilhaft ist außerdem, wenn ein Intensitätsgradient des zweiten Laserstrahlprofils größer als ein Intensitätsgradient des ersten Laserstrahlprofils ist . Entsprechend kann bewusst von einem genormten Intensitätsgradienten von AI > 50 kW/ (mm2*dw) mit Strahldurchmesser dw abgewichen werden . Der Strahldurchmesser ist dabei insbesondere der 86%-Durchmesser des Laserstrahls , also der Durchmesser des Teils des Laserstrahls , der mind . 86% der Gesamtenergie des Strahls enthält . Dies erlaubt es , die Größe und Ausdehnung des auf geschmol zenen Bereichs zu reproduzieren, wobei dies auch bei unterschiedlichen Oberflächenqualitäten bei den Werkstücken möglich ist und ferner der Bohrlochdurchmesser sehr präzise eingestellt werden kann . Ganz besonders ist möglich, dass der zumindest eine Laserstrahl in der Zentral fläche ein Strahlenintensitätsminimum seiner Strahlenintensität aufweist . Mit anderen Worten kann die Strahlenintensität über den gesamten Laserstrahlquerschnitt in der Zentral fläche ihr Minimum aufweisen . Das Strahlenintensitätsminimum kann ganz besonders in oder nahe des Flächenschwerpunkts des Laserstrahlquerschnitts liegen . Dadurch kann in besonderem Maßen vermieden werden, dass in der Bohrung innenliegendes Material weniger erhitzt wird und somit vorzugsweise nicht auf geschmol zen und/oder nicht verdampft wird . It is also advantageous if an intensity gradient of the second laser beam profile is greater than an intensity gradient of the first laser beam profile. Accordingly, a standardized intensity gradient of AI>50 kW/(mm 2 *dw) with beam diameter dw can be deliberately deviated from. The beam diameter is in particular the 86% diameter of the laser beam, ie the diameter of the part of the laser beam that is at least 86% of the total energy of the beam contains . This allows the size and extent of the melted area to be reproduced, even with different surface qualities on the workpieces, and the drill hole diameter can also be set very precisely. In particular, it is possible for the at least one laser beam to have a minimum radiation intensity in the central area. In other words, the beam intensity can have its minimum over the entire laser beam cross section in the central area. The radiation intensity minimum can very particularly lie in or near the center of area of the laser beam cross section. As a result, it can be avoided to a particular extent that material lying inside the bore is heated less and is therefore preferably not melted and/or not evaporated.
Vorzugsweise kann das Strahlintensitätsminimum in Laserstrahlausbreitungsrichtung des zumindest einen Laserstrahls propagieren . Darunter wird insbesondere verstanden, dass sich das Strahlintensitätsminimum über eine Wegstrecke in der Größenordnung einer Rayleighlänge oder mehr entlang der Laserstrahlsausbreitungsrichtung fortsetzt . Erzeugt werden kann diese Eigenschaft über eine Lichtleitfaser, in der ein nahe beugungsbegrenzter Laserstrahl geführt wird, indem auf diese Lichtleitfaser eine mechanische Kraft ausgeübt wird . Alternativ können strahl formende Elemente eingesetzt werden, die eine vortexf örminge Phasenverteilung aufprägen, wie z . B . Vortexspiegel oder Vortexphasenplatten . Dadurch kann eine hohe Toleranzbreite in Richtung der optischen Achse des Laserstrahls erzielt werden . The beam intensity minimum can preferably propagate in the laser beam propagation direction of the at least one laser beam. This means in particular that the beam intensity minimum continues over a distance of the order of magnitude of a Rayleigh length or more along the laser beam propagation direction. This property can be generated via an optical fiber in which a near-diffraction-limited laser beam is guided by exerting a mechanical force on this optical fiber. Alternatively, beam-shaping elements can be used that impose a vortex-shaped phase distribution, such as e.g. B. Vortex mirrors or vortex phase plates. As a result, a high tolerance width can be achieved in the direction of the optical axis of the laser beam.
Vorzugsweise kann die äußere Randfläche eine Ringform, eine Quadratform oder eine Polygonform aufweisen . Die Polygonform kann dabei eine beliebige Anzahl von Ecken, beispielsweise drei , fünf , sechs oder mehr, beispielsweise zwöl f , aufweisen .The outer edge surface can preferably have a ring shape, a square shape or a polygon shape. The polygon shape can have any number of corners, for example three, five, six or more, for example twelve.
Vorteilhaft ist ferner, wenn eine Ausdehnung der äußeren Randfläche in einer Ebene des Laserstrahlquerschnitts in den zwei die Ebene aufspannende Raumrichtungen über im Wesentlichen die gesamte äußere Randfläche im Wesentlichen identisch ist . It is also advantageous if an extension of the outer Edge surface in a plane of the laser beam cross-section in the two spatial directions spanning the plane is essentially identical over essentially the entire outer edge surface.
Auch ist es vorteilhaft , wenn das zweite Laserstrahlprofil durch mehrere , insbesondere azimutal ( zu dem Werkstück) angeordnete bzw . orientierte , Laserstrahlen erzeugt wird . Dadurch wird ermöglicht , dass alle der mehreren ( einzelnen) Laserstrahlen unabhängig voneinander in ihrer Strahlenleistung veränderbar sind . It is also advantageous if the second laser beam profile consists of several, in particular azimuthal (to the workpiece) arranged or oriented , laser beams is generated . This makes it possible for all of the multiple (individual) laser beams to be variable in their beam power independently of one another.
Außerdem ist es vorteilhaft , wenn das zweite Laserstrahlprofil im Wesentlichen homogen hinsichtlich seiner Strahlenintensität ist . Im Wesentlichen homogen umfasst dabei technisch bedingte Abweichungen bzw . Toleranzen von einer mathematisch perfekt homogenen Strahlintensitätsverteilung über der äußeren Randfläche , die in der Realität kaum bzw . nur sehr schwer zu erreichen ist . Das homogene Strahlprofil kann dabei beispielsweise durch ein entsprechendes Strahl formungselement , bspw . ein di f fraktives optisches Element , in der Laserbohrvorrichtung, insbesondere ihrer Optik, erzielt werden . It is also advantageous if the second laser beam profile is essentially homogeneous with regard to its beam intensity. Essentially homogeneous includes technically caused deviations or Tolerances from a mathematically perfectly homogeneous beam intensity distribution over the outer edge surface, which in reality hardly or not at all. is very difficult to achieve. The homogeneous beam profile can be created, for example, by an appropriate beam-shaping element, e.g. a di f fractive optical element in the laser drilling device, in particular its optics, can be achieved.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf besonders vorteilhafte Art und Weise eine Bohrung mit einer Bohrtiefe von < 3 mm, insbesondere < 500 pm, und/oder mit einem Aspektverhältnis von Bohrtiefe zu Mindestbreite der Bohrung ( 11 ) von < 1 : 100 , insbesondere von < 1 : 10 , erzeugt werden . The method according to the invention can be used in a particularly advantageous manner to produce a bore with a bore depth of <3 mm, in particular <500 μm, and/or with an aspect ratio of bore depth to minimum width of the bore (11) of <1:100, in particular <1:10.
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner gelöst durch eineThe task mentioned above is also achieved by a
Laserbohrvorrichtung zum Laserbohren einer Bohrung in ein Werkstück, wobei die Laserbohrvorrichtung eine Laserstrahleinrichtung zum Emittieren zumindest eines Laserstrahls und eine Optik zum Ausrichten des zumindest einen Laserstrahls auf das Werkstück derart aufweist , dass ein Laserstrahlquerschnitt des zumindest einen Laserstrahls eine Zentral fläche mit einem ersten Laserstrahlprofil aufweisend eine erste mittlere Strahlenintensität und eine die Zentral fläche umgebende , äußere Randfläche mit einem zweiten Laserstrahlprofil aufweisend eine zweite mittlere Strahlenintensität aufweist , wobei die zweite mittlere Strahlenintensität größer als die erste mittlere Strahlenintensität ist . Laser drilling device for laser drilling a hole in a Workpiece, wherein the laser drilling device has a laser beam device for emitting at least one laser beam and an optical system for aligning the at least one laser beam onto the workpiece in such a way that a laser beam cross section of the at least one laser beam has a central surface with a first laser beam profile having a first average radiation intensity and an outer edge surface surrounding the central surface with a second laser beam profile having a second average radiation intensity, the second average radiation intensity being greater than the first average radiation intensity.
Dabei können die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren hierin beschriebenen Merkmale selbstverständlich auch in Bezug auf die erfindungsgemäße Laserbohrvorrichtung, und umgekehrt , angewendet werden . Insbesondere kann die Laserbohrvorrichtung zur Aus führung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein . The features described herein in relation to the method according to the invention can of course also be used in relation to the laser drilling device according to the invention, and vice versa. In particular, the laser drilling device can be set up to carry out the method according to the invention.
Als Optik kann beispielsweise eine Scanneroptik, also eine Optik mit einem oder mehreren beweglichen Spiegeln zur Umlenkung des Laserstrahls , eingesetzt werden . Die Scanneroptik kann beispielsweise ein Abbildungsverhältnis im Bereich von 1 : 1 bis 5 : 1 , insbesondere im Bereich von 1 , 5 : 1 bis 2 : 1 , aufweisen . Beispielsweise kann die von TRUMPF unter der Bezeichnung FPO33-2 vertriebene Scanneroptik eingesetzt werden . For example, scanner optics, ie optics with one or more movable mirrors for deflecting the laser beam, can be used as the optics. The scanner optics can, for example, have an imaging ratio in the range from 1:1 to 5:1, in particular in the range from 1.5:1 to 2:1. For example, the scanner optics sold by TRUMPF under the designation FPO33-2 can be used.
Die Laserstrahleinrichtung der Laserbohrvorrichtung kann beispielsweise ein Quasi-Dauerstrich-Laser oder ein VIS-Laser sein, also ein Laser, der mit einer sichtbaren Wellenlänge des Laserlichts arbeitet . Möglich ist alternativ auch eine andere Laserstrahleinrichtung und/oder grundsätzlich der Einsatz einer fliegenden Optik, insbesondere mit gleichen Abbildungsverhältnissen, beispielsweise einer solchen, wie sie von TRUMPF unter der Bezeichnung BEO vertrieben wird . The laser beam device of the laser drilling device can be, for example, a quasi-continuous wave laser or a VIS laser, i.e. a laser with a visible wavelength of the Laser light works. Alternatively, a different laser beam device and/or, in principle, the use of flying optics, in particular with the same imaging ratios, is also possible, for example such as is marketed by TRUMPF under the name BEO.
Als Quasi-Dauerstrich-Laser kann beispielsweise ein Singlemode-Laser, beispielsweise ein unter der Bezeichnung TruFiber (pulse ) 500-2000 von TRUMPF vertriebener Laser, oder Multimode-Laser, beispielsweise ein von TRUMPF unter der Bezeichnung TruDisk (pulse ) 2000-5000 vertriebener Scheibenlaser, eingesetzt werden . Auch der Einsatz des von TRUMPF unter der Bezeichnung variMODE Pro vertriebenen Lasers ist möglich, der sich durch eine SingleCore-Faser aus zeichnet , auf die mechanischer Druck ausgeübt wird, sodass aus einem Gauss-ähnlichen Strahlprofil ein ringähnliches Strahlprofil erzeugt wird . Auch der Einsatz des von TRUMPF unter der Bezeichnung variMODE Star vertriebenen Lasers ist möglich, der sich durch eine Ringfaser aus zeichnet , die aus mehreren Lasermodulen gespeist wird . A single-mode laser, for example a laser sold by TRUMPF under the name TruFiber (pulse) 500-2000, or a multimode laser, for example a disk laser sold by TRUMPF under the name TruDisk (pulse) 2000-5000, can be used as a quasi-continuous-wave laser. It is also possible to use the laser sold by TRUMPF under the name variMODE Pro, which is characterized by a single-core fiber on which mechanical pressure is exerted so that a ring-like beam profile is generated from a Gaussian-like beam profile. It is also possible to use the laser sold by TRUMPF under the name variMODE Star, which is characterized by a ring fiber that is fed from several laser modules.
Möglich ist ferner, dass ein Strahlparameterprodukt SPP des zumindest einen Laserstrahls im Bereich von 0 , 3 mm*mrad bis 34 mm*mrad, insbesondere im Bereich von 0 , 38 mm*mrad bis 32 mm*mrad, liegt . Bei Einsatz eines Singlemode-Lasers hat sich dabei ein SPP von 0 , 6 mm* rad oder weniger als besonders vorteilhaft herausgestellt . Bei Einsatz eines Multimode-Lasers ist dabei ein SPP von 4 mm* rad oder weniger besonders vorteilhaft . It is also possible that a beam parameter product SPP of the at least one laser beam is in the range from 0.3 mm*mrad to 34 mm*mrad, in particular in the range from 0.38 mm*mrad to 32 mm*mrad. When using a single-mode laser, an SPP of 0.6 mm*rad or less has proven particularly advantageous. When using a multimode laser, an SPP of 4 mm*rad or less is particularly advantageous.
Hinsichtlich der Prozess führung ist es vorteilhaft , wenn einWith regard to process management, it is advantageous if a
Strahldurchmesser des zumindest einen Laserstrahls im Bereich von 10 gm bis 800 gm, insbesondere im Bereich von 20 gm bis 200 gm, liegt . Bei Einsatz eines Singlemode-Lasers hat sich dabei ein Strahldurchmesser im Bereich von 20 gm bis 50 gm und bei Einsatz eines Multimode-Lasers hat sich dabei ein Strahldurchmesser im Bereich von 50 gm bis 200 gm als vorteilhaft erwiesen . Beam diameter of the at least one laser beam in the area from 10 gm to 800 gm, in particular in the range from 20 gm to 200 gm. When using a single-mode laser, a beam diameter in the range from 20 gm to 50 gm has proven advantageous, and when using a multimode laser, a beam diameter in the range from 50 gm to 200 gm has proven advantageous.
Bei Einsatz einer Laserstrahlquelle in Form eines When using a laser beam source in the form of a
Inf rarotlasers in der Laserstrahleinrichtung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt , wenn eine Wellenlänge des zumindest einen Laserstrahls im Bereich von 800 nm bis 1200 nm, insbesondere im Bereich von 1030 nm bis 1070 nm, liegt . Infrared lasers in the laser beam device, it has proven to be advantageous if a wavelength of the at least one laser beam is in the range from 800 nm to 1200 nm, in particular in the range from 1030 nm to 1070 nm.
Wiederum hat sich bei Einsatz einer Laserstrahlquelle in Form eines VIS-Lasers in der Laserstrahleinrichtung als vorteilhaft herausgestellt , wenn eine Wellenlänge des zumindest einen Laserstrahls im Bereich von 380 nm bis 530 nm, ganz besonders im Bereich von 400 nm bis 515 nm oder im Bereich von 400 nm bis 450 nm (blaues Licht ) einschließlich 515 nm ( grünes Licht ) , liegt . Again, when using a laser beam source in the form of a VIS laser in the laser beam device, it has proven to be advantageous if a wavelength of the at least one laser beam is in the range from 380 nm to 530 nm, particularly in the range from 400 nm to 515 nm or in the range from 400 nm to 450 nm (blue light) including 515 nm (green light).
Die durchschnittliche Laserleistung Pav kann insbesondere im Bereich 2 W bis 2 . 000 W, ganz besonders im Bereich 50 W bis 700 W liegen . Bei Einsatz von Laserpulsen kann auch die Puls- Spitzenleistung Ppeak in den vorgenannten Bereichen liegen . Als Puls frequenz f von Laserpulsen kann eine Puls frequenz im Bereich von 25 bis 50 . 000 Hz , insbesondere im Bereich von 250 bis 5 . 000 Hz , eingesetzt werden . Eine Schalt frequenz bezüglich des zuvor beschriebenen Veränderns bzw . Umschaltens des Laserstrahlprofils kann größer als die Puls frequenz f aus fallen . Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Aus führungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden . The average laser power Pav can be in the range of 2 W to 2 . 000 W, especially in the range of 50 W to 700 W. When using laser pulses, the pulse peak power Ppeak can also be in the aforementioned ranges. A pulse frequency in the range from 25 to 50 . 000 Hz, especially in the range from 250 to 5. 000 Hz , can be used . A switching frequency with respect to the changing or Switching the laser beam profile can be greater than the pulse frequency f out . Further details and advantageous configurations of the invention can be found in the following description, on the basis of which exemplary embodiments of the invention are described and explained in more detail.
Es zeigen : Show it :
Figuren la- lc Querschnittsansichten durch ein Werkstück, welches mittels aus dem Stand der Technik bekannter Laserbohrverfahren gebohrt wird; FIGS. 1a-1c show cross-sectional views through a workpiece which is drilled using laser drilling methods known from the prior art;
Figuren 2a, 2b perspektivische Ansichten des Werkstücks aus Fig . 1c ; FIGS. 2a, 2b perspective views of the workpiece from FIG. 1c ;
Figuren 3a, 3b perspektivische Ansichten eines Werkstücks , welches mittels eines Aus führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserbohrverfahrens gebohrt wird; FIGS. 3a, 3b perspective views of a workpiece which is drilled by means of an exemplary embodiment of a laser drilling method according to the invention;
Figur 4 eine schematische Querschnittansicht einesFigure 4 is a schematic cross-sectional view of a
Aus führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laserbohrvorrichtung beim Laserbohren des Werkstücks aus Fig . 3a, 3b ; From exemplary embodiment of a laser drilling device according to the invention during laser drilling of the workpiece from FIG. 3a, 3b;
Figuren 5a, 5b schematische Ansichten von möglichen Laserstrahlquerschnitten des von der Laserbohrvorrichtung aus Fig . 4 eingesetzten Laserstrahls zum Laserbohren; FIGS. 5a, 5b are schematic views of possible laser beam cross sections of the laser drilling device from FIG. 4 laser beam used for laser drilling;
Figuren 6a- 6c schematische Darstellungen desFigures 6a- 6c schematic representations of the
Laserstrahlquerschnitts des Laserstrahls aus Fig . 4 mit Intensitätsverteilungsgraphen in einer Ebene des Laserstrahlquerschnitts ; und Laser beam cross section of the laser beam Fig. 4 with intensity distribution graphs in a plane of the laser beam cross section; and
Figuren 7a-7c schematische Darstellungen eines gegenüber den Fig . 6a- 6c alternativen Laserstrahlquerschnitts mit Intensitätsverteilungsgraphen in der Ebene des Laserstrahlquerschnitts . Figures 7a-7c schematic representations compared to Figs. 6a-6c alternative laser beam cross section with intensity distribution graphs in the plane of the laser beam cross section.
Die Figuren la- lc sowie die Figuren 2a, 2b zeigen die eingangs bereits erläuterten Laserbohrverfahren in der Anwendung an dem Werkstück 10 , wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind . FIGS. 1a-1c and FIGS. 2a, 2b show the laser drilling methods already explained at the outset in use on the workpiece 10, as are known from the prior art.
Demgegenüber zeigen die Figuren 3a, 3b und 4 ein Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserbohren der Bohrung 11 in das Werkstück 10 mittels einer gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung eingerichteten Laserbohrvorrichtung 40 . In contrast, FIGS. 3a, 3b and 4 show an exemplary embodiment of a method according to the invention for laser drilling the hole 11 in the workpiece 10 by means of a laser drilling device 40 set up according to an exemplary embodiment of the invention.
Wie Fig . 3a zeigt , werden dabei andere Laserstrahlprofile 32 , 34 ( siehe Fig . 4 ) eingesetzt als dies ausweislich der Fig . 3a beim Stand der Technik der Fall ist . Statt im Laserstrahlquerschnitt 30 eine Zentral fläche 31 mit einer intensiveren Strahlenintensität zu betreiben, als in einer diese umgebende , äußeren Randfläche 33 , wird nun, wie Fig . 4 anhand des Laserstrahlquerschnitts 30 des von der Laserbohrvorrichtung 40 auf das Werkstück 10 gerichteten Laserstrahls 20 mit einem Laserpuls 21 zeigt , eine andere Strahlenintensitätsverteilung eingestellt . As Fig . 3a shows, other laser beam profiles 32, 34 (see FIG. 4) are used than are shown in FIG. 3a is the case with the prior art. Instead of operating a central surface 31 with a more intense radiation intensity in the laser beam cross section 30 than in an outer edge surface 33 surrounding it, as in FIG. 4 shows a different beam intensity distribution set on the basis of the laser beam cross section 30 of the laser beam 20 directed by the laser drilling device 40 onto the workpiece 10 with a laser pulse 21 .
Dabei ist eine erste mittlere Strahlenintensität des in derIn this case, a first average radiation intensity in the
Fig . 4 gezeigten ersten Laserstrahlprofils 32 in der Zentral fläche 31 des Laserstrahlquerschnitts 30 in der auf gespannten x, y-Ebene geringer, insbesondere um zumindest 10% geringer und ganz besonders deutlich geringer, sodass in einem Flächenschwerpunkt des Laserstrahlquerschnitts 30 ein Intensitätsminimum herrscht , als eine zweite mittlere Strahlenintensität des zweiten Laserstrahlprofils 34 in der Randfläche 33 des Laserstrahlquerschnitts 30 . Fig. 4 shown first laser beam profile 32 in the central surface 31 of the laser beam cross section 30 in FIG on the spanned x, y-plane lower, in particular by at least 10% lower and very particularly significantly lower, so that there is an intensity minimum in a centroid of the laser beam cross section 30 than a second average radiation intensity of the second laser beam profile 34 in the edge surface 33 of the laser beam cross section 30 .
Wie Fig . 3a zeigt , resultiert daraus ein Zentralbereich 17 im Bereich der Bohrung 11 in dem Werkstück 10 , der nicht auf geschmol zen wird und von einem Randbereich 16 umgeben wird . Der Zentralbereich 17 korrespondiert dabei örtlich im Wesentlichen zur Zentral fläche 31 eines Laserspots des Laserstrahls 20 . Gleichermaßen korrespondiert der Randbereich 16 dabei örtlich im Wesentlichen zur Randfläche 33 des Laserspots des Laserstrahls 20 bzw . seines Laserstrahlquerschnitts 30 . Folglich kann ein sehr präzises Bohren der Bohrung 11 erfolgen, bei dem quasi ein Herausstanzen des Zentralbereichs 17 erfolgt , welcher, anders als der Randbereich 16 , keinen Bereich 13 mit auf geschmol zenem Material und keinen Bereich 15 mit verdampften Material des Werkstücks 10 aufweist . As Fig . 3 a shows, this results in a central area 17 in the area of the bore 11 in the workpiece 10 which is not melted and is surrounded by an edge area 16 . The central area 17 corresponds locally essentially to the central area 31 of a laser spot of the laser beam 20 . Equally, the edge region 16 corresponds locally essentially to the edge surface 33 of the laser spot of the laser beam 20 or its laser beam cross section 30 . Consequently, the bore 11 can be drilled very precisely, with the central area 17 being punched out, which, unlike the edge area 16 , has no area 13 with molten material and no area 15 with vaporized material of the workpiece 10 .
Im Ergebnis des Laserbohrverfahrens wird das in Fig . 3b gezeigte Werkstück 10 erhalten, dessen Bohrung 11 hinsichtlich der gewünschten Bohrtiefe T und Mindestbreite B der Bohrung 11 sehr präzise erzeugt werden kann . As a result of the laser drilling process, what is shown in FIG. 3b obtained workpiece 10 shown, whose bore 11 can be produced very precisely with regard to the desired drilling depth T and minimum width B of the bore 11.
Wie Fig . 4 zeigt , weist die Laserbohrvorrichtung 40 einen Laserbearbeitungskopf 41 auf , in dem zumindest teilweise eine Laserstrahleinrichtung 42 angeordnet ist , die ihrerseits mit einer Laserstrahlquelle (nicht gezeigt ) verbunden sein kann oder diese aufweisen kann . Ferner weist der Laserbearbeitungskopf 41 eine Optik 43 auf , welche insbesondere als Scanneroptik 43 ausgebildet sein kann . As Fig . 4 shows, the laser drilling device 40 has a laser processing head 41 in which a laser beam device 42 is at least partially arranged, which in turn can be connected to a laser beam source (not shown) or can have this. Furthermore, the Laser processing head 41 has optics 43 , which in particular can be embodied as scanner optics 43 .
Die Figuren 5a, 5b zeigen alternative Laserstrahlquerschnitte 30 , entsprechend derer der Laserstrahl 20 geformt werden kann . Dabei ist die äußere Randfläche 33 in dem Beispiel der Fig . 5a rechteckig, insbesondere quadratisch, statt ringförmig, wie in Fig . 4 geformt . In dem Beispiel der Fig . 5b ist der Laserstrahlquerschnitt 30 als ein Polygon mit 12 Ecken geformt . Entsprechend kann mit derartigen Laserstrahlquerschnitten 30 eine Bohrung 11 mit rechteckigem oder polygonalem Querschnitt erzeugt werden . Figures 5a, 5b show alternative laser beam cross sections 30, according to which the laser beam 20 can be formed. The outer edge surface 33 in the example of FIG. 5a rectangular, in particular square, instead of ring-shaped, as in FIG. 4 shaped . In the example of FIG. 5b, the laser beam cross-section 30 is shaped as a 12-corner polygon. Correspondingly, a bore 11 with a rectangular or polygonal cross section can be produced with such laser beam cross sections 30 .
Fig . 6a zeigt noch einmal den Laserstrahlquerschnitt 30 aus der Fig . 4 . Dazu zeigen die Fig . 6b und 6c zwei Intensitätsverteilungsgraphen der Laserstrahlintensität I des Laserstrahlquerschnitts 30 , nämlich einmal in x-Richtung und einmal in y-Richtung der gezeigten x, y-Ebene des Laserstrahlquerschnitts 30 . Zu sehen ist , wie die zweite mittlere Strahlenintensität des zweiten Laserstrahlprofils 34 in der äußeren Randfläche 33 in x-Richtung und y-Richtung deutliche Intensitätsspitzen bzw . Intensitätsmaxima 35 aufweist , während die erste mittlere Strahlenintensität des ersten Laserstrahlprofils 32 im Zentralbereich 31 ein deutliches Intensitätsminimum 36 zwischen den beiden Intensitätsspitzen 35 , insbesondere im oder nahe eines Flächenschwerpunkts des Laserstrahlquerschnitts 30 , zeigt . Fig. 6a once again shows the laser beam cross section 30 from FIG. 4 . These show the Fig. 6b and 6c two intensity distribution graphs of the laser beam intensity I of the laser beam cross section 30, namely once in the x direction and once in the y direction of the x, y plane of the laser beam cross section 30 shown. It can be seen how the second average beam intensity of the second laser beam profile 34 has clear intensity peaks or Intensity maxima 35 , while the first average beam intensity of the first laser beam profile 32 in the central region 31 shows a clear intensity minimum 36 between the two intensity peaks 35 , in particular in or near a centroid of the laser beam cross section 30 .
Fig . 7a zeigt einen weiteren Laserstrahlquerschnitt 30 für einen möglichen Laserstrahl 20 , mit dem das Laserbohren erfindungsgemäß erfolgen kann . Wie die zugehörigen Intensitätsverteilungsgraphen der Fig . 7b, 7c zeigen, fällt das Intensitätsminimum 36 im Zentralbereich 31 nicht ganz so stark aus , wie beim Laserstrahlquerschnitt 30 der Fig . 6a, wobei damit noch immer eine hohe Prozessef fi zienz erzielbar ist und der Bohrdurchmesser der Bohrung 11 präzise eingestellt werden kann . Fig. 7a shows another laser beam cross section 30 for a possible laser beam 20 with which the laser drilling can be carried out according to the invention. Like the associated intensity distribution graphs in FIG. 7b, 7c show falls the intensity minimum 36 in the central region 31 is not quite as strong as in the laser beam cross section 30 of FIG. 6a, whereby a high process efficiency can still be achieved and the drilling diameter of the bore 11 can be set precisely.

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Laserbohren einer Bohrung (11) in ein Werkstück (10) , wobei für das Laserbohren zumindest ein Laserstrahl (20) genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahlquerschnitt (30) des zumindest einen Laserstrahls (20) eine Zentralfläche (31) mit einem ersten Laserstrahlprofil (32) aufweisend eine erste mittlere Strahlenintensität und eine die Zentralfläche (31) umgebende, äußere Randfläche (33) mit einem zweiten Laserstrahlprofil (34) aufweisend eine zweite mittlere Strahlenintensität aufweist, wobei die zweite mittlere Strahlenintensität größer als die erste mittlere Strahlenintensität ist. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Material des WerkstücksMethod for laser drilling a hole (11) in a workpiece (10), wherein at least one laser beam (20) is used for the laser drilling, characterized in that a laser beam cross section (30) of the at least one laser beam (20) has a central surface (31) with a first laser beam profile (32) having a first mean beam intensity and an outer edge surface (33) surrounding the central surface (31) with a second laser beam profile (34) having a second mean beam intensity, the second mean Radiation intensity is greater than the first average radiation intensity. Method according to claim 1, wherein material of the workpiece
(10) nur in einem zur äußeren Randfläche (33) des Laserstrahlquerschnitts (30) korrespondierenden Randbereich (16) der Bohrung (11) auf geschmolzen und/oder verdampft wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Laserbohren der Bohrung (11) durch einen oder mehrere Laserpulse (21) des zumindest einen Laserstrahls (20) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das erste Laserstrahlprofil (32) und/oder das zweite Laserstrahlprofil (34) während eines Laserpulses (21) verändert wird. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Durchmesser des zumindest einen Laserstrahls (20) während eines Laserpulses (21) verändert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei eine Pulsform eines Laserpulses (21) rechteckförmig, dreieckförmig, sinusförmig oder eine Kombination von zumindest zwei der vorgenannten Formen ist. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zweite mittlere Strahlenintensität zumindest 10% größer als die erste mittlere Strahlenintensität ist. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Intensitätsgradient des zweiten Laserstrahlprofils (34) größer als ein Intensitätsgradient des ersten Laserstrahlprofils (32) ist. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Laserstrahl (20) in der Zentralfläche (31) ein Strahlenintensitätsminimum (36) seiner Strahlenintensität aufweist. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Strahlintensitätsminimum (36) in einer Laserstrahlausbreitungsrichtung des zumindest einen Laserstrahls (20) propagiert. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die äußere Randfläche (33) eine Ringform, eine Quadratform oder eine Polygonform aufweist. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das zweite Laserstrahlprofil (34) durch mehrere, insbesondere azimutal angeordnete, Laserstrahlen (20) erzeugt wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das zweite Laserstrahlprofil (34) im Wesentlichen homogen ist . Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Bohrung (11) mit einer Bohrtiefe (T) von < 3 mm und/oder mit einem Aspektverhältnis von Bohrtiefe (T) zu Mindestbreite (B) der Bohrung (11) von < 1:100 erzeugt wird . Laserbohrvorrichtung (40) zum Laserbohren einer Bohrung (11) in ein Werkstück (10) , wobei die Laserbohrvorrichtung (40) eine Laserstrahleinrichtung (42) zum Emittieren zumindest eines Laserstrahls (20) und eine Optik (43) zum Ausrichten des zumindest einen Laserstrahls (20) auf das Werkstück (10) derart aufweist, dass ein Laserstrahlquerschnitt (30) des zumindest einen Laserstrahls (20) eine Zentralfläche (31) mit einem ersten Laserstrahlprofil (32) aufweisend eine erste mittlere Strahlenintensität und eine die Zentralfläche (31) umgebende, äußere Randfläche (33) mit einem zweiten Laserstrahlprofil (34) aufweisend eine zweite mittlere Strahlenintensität aufweist, wobei die zweite mittlere Strahlenintensität größer als die erste mittlere Strahlenintensität ist. (10) is melted and/or vaporized only in an edge region (16) of the bore (11) corresponding to the outer edge surface (33) of the laser beam cross section (30). Method according to Claim 1 or 2, in which the laser drilling of the bore (11) is carried out by one or more laser pulses (21) of the at least one laser beam (20). Method according to claim 3, wherein the first laser beam profile (32) and/or the second laser beam profile (34) is changed during a laser pulse (21). Method according to claim 3 or 4, wherein a diameter of the at least one laser beam (20) is changed during a laser pulse (21). Method according to one of claims 3 to 5, wherein a pulse shape of a laser pulse (21) is rectangular, triangular, sinusoidal or a combination of at least two of the aforementioned shapes. A method according to any one of the preceding claims, wherein the second mean beam intensity is at least 10% greater than the first mean beam intensity. Method according to one of the preceding claims, wherein an intensity gradient of the second laser beam profile (34) is greater than an intensity gradient of the first laser beam profile (32). Method according to one of the preceding claims, wherein the at least one laser beam (20) has a beam intensity minimum (36) of its beam intensity in the central area (31). Method according to claim 9, wherein the beam intensity minimum (36) propagates in a laser beam propagation direction of the at least one laser beam (20). A method according to any one of the preceding claims, wherein the outer peripheral surface (33) has a ring shape, a square shape or a polygon shape. Method according to one of the preceding claims, wherein the second laser beam profile (34) is generated by a plurality of laser beams (20), in particular arranged azimuthally. Method according to one of the preceding claims, wherein the second laser beam profile (34) is substantially homogeneous. Method according to one of the preceding claims, wherein a bore (11) with a bore depth (T) of <3 mm and/or with an aspect ratio of bore depth (T) to minimum width (B) of the bore (11) of <1:100 is produced. Laser drilling device (40) for laser drilling a hole (11) in a workpiece (10), the laser drilling device (40) having a laser beam device (42) for emitting at least one laser beam (20) and an optical system (43) for aligning the at least one laser beam (20) onto the workpiece (10) in such a way that a laser beam cross section (30) of the at least one laser beam (20) has a central area (31) with a first laser beam profile (32) having a first central beam intensity and an outer edge surface (33) surrounding the central surface (31) with a second laser beam profile (34) having a second mean beam intensity, the second mean beam intensity being greater than the first mean beam intensity.
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