Lasertechnik Bohren mit Licht

Das Laserbohren zeichnet sich durch hohe Flexibilität und gute Automatisierbarkeit aus. Aufgrund der berührungslosen Bearbeitung ist der Laser verschleißfrei und nie von einem Bohrerbruch...

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Das Laserbohren zeichnet sich durch hohe Flexibilität und gute Automatisierbarkeit aus. Aufgrund der berührungslosen Bearbeitung ist der Laser verschleißfrei und nie von einem Bohrerbruch betroffen. Das Bohren von harten Werkstoffen ist somit effizient möglich. Bohrungen mit einem Winkel von ungefähr 20° zur Oberfläche des Bauteils können neben dem Laser auch mit Hilfe des Erodierens hergestellt werden. Das Erodieren ist jedoch im Vergleich zum Laserbohren wesentlich langsamer, weshalb dieses Verfahren insbesondere dann rentabel ist, wenn mehrere Bohrungen gleichzeitig in ein Bauteil eingebracht werden.Mit gepulsten Nd:YAG-Lasern können beim Präzisionsbohren Lochdurchmesser ab etwa 50 µm abhängig von Bohrverfahren, Lasereigenschaften und Bohrtiefe realisiert werden. Übliche Durchmesser liegen beim Präzisionsbohren zwischen 60 und 150 µm bei Bohrtiefen von 0,3 mm bis zu 1 mm. Präzisionsbohrungen werden bei Filtern und Sieben in der Kraftstoffzuführung und bei Einspritzmodulen benötigt. Bohrungen in Drosselelementen in der Kraftstoffzuführung und in hydraulischen Modulen können ebenfalls gefertigt werden. Insgesamt können mit dem Laser Bohrtiefen bis etwa 30 mm und Durchmesser bis etwa 2 mm erreicht werden.Typische Anwendungen für das Laserbohren in der Automobilindustrie sind Schmier- und Kühlbohrungen in hochfesten oder gehärteten Bauteilen in Motor und Getriebe, beispielsweise in Kipp- oder Schwinghebeln, in Pleueln, in Kurbelgehäusen, im Zylinderkopf oder in Wellen. Heute werden diese Bohrungen zu einem großen Teil mechanisch gebohrt oder erodiert. Das mechanische Bohren ist zwar sehr schnell, zu härtende Bauteile müssen aber vor der Wärmebehandlung gebohrt werden.Ferner können die geforderten Bohrtiefen zwischen 8 und 20 mm mit Bohrdurchmessern von 0,8 mm nicht oder nur mit geringer Prozesssicherheit (Bohrerbruch) realisiert werden. Schräge Bohrungen stellen für das mechanische Bohren eine große Herausforderung dar. Mit dem Erodieren können die geforderten Durchmesser und Tiefen problemlos erreicht werden, die notwendigen Bohrzeiten liegen jedoch im Minutenbereich. In Bild 2 ist der Querschliff einer Schmierbohrung in einer Nockenwelle dargestellt, die mit Laser hergestellt wurde. Die Bohrzeit liegt hier bei 9 s. Ebenso wie bei den Turbinenbohrungen muss die wiedererstarrte Schmelzschicht sehr klein gehalten werden, da sie Härten bis zu 980 HV aufweisen kann.In der Luftfahrtindustrie werden bereits seit etwa 20 Jahren Kühlbohrungen in Turbinenleit- und -laufschaufeln sowie Brennkammerverkleidungen mit dem Laser eingebracht. Aufgrund der ständig zunehmenden Forderung nach einer Erhöhung der Effizienz werden Turbinen bei Temperaturen betrieben, die zum Teil oberhalb des Schmelzpunktes der eingesetzten Werkstoffe liegen. Aus diesem Grund werden in die Komponenten eine Vielzahl von Kühllöchern eingebracht. Typische Durchmesser liegen zwischen 0,3 und 0,9 mm je nach Komponente. Von besonderer Bedeutung ist die an den Lochwänden zurückbleibende wiedererstarrte Schmelzschicht. Sie ist Ausgangspunkt von Rissen, die sich ins Grundmaterial fortpflanzen können. Ihre Länge ist daher in der Regel auf maximal 100 µm begrenzt. Damit die Turbinen bei weiter steigenden Temperaturen betrieben werden können, werden zunehmend Keramikschichten auf die Turbinenkomponenten aufgebracht. Beim Laserbohren besteht die Herausforderung durch die Keramikschicht zu bohren, ohne dass Risse zwischen Schicht und Grundmaterial entstehen. Dafür stellt die bei den Trumpf-Lasern HL 101 P und HL 201 P mögliche Veränderung der Pulsenergie während des Bohrens eines Loches eine gute Möglichkeit dar, Risse zu vermeiden. Beim Soft-Start wird zunächst mit geringer Pulsenergie die Keramikschicht im Bereich des Lochs abgetragen und anschließend mit größerer Pulsenergie das Loch schnell gebohrt. In Bild 3 ist der Schliff durch eine Bohrung in einer Turbinenschaufel dargestellt. Die Dicke der wiedererstarrten Schmelzschicht an den Lochwänden beträgt 53 µm. Versuche haben gezeigt, dass Schmelzschichtdicken zwischen 15 und 30 µm möglich sind. Beim Laserbohren wird zwischen folgenden Verfahren unterschieden: Einzelpulsbohren, Perkussionsbohren, Trepanieren und Wendelbohren. Das Einzelpulsbohren kommt dann zum Einsatz, wenn eine große Anzahl an Löchern, wie sie in Filtern benötigt werden, hergestellt werden sollen. Die Löcher werden dabei fliegend gebohrt. Das bedeutet, dass das Werkstück kontinuierlich bewegt wird und auch während des Bohrens nicht angehalten wird, womit Positionierzeiten entfallen. Beim Perkussionsbohren werden höhere Lochqualitäten als beim Einzelpulsbohren erreicht. Durch eine geringere Pulsenergie können mit diesem Verfahren kleinere Lochdurchmesser erzielt werden. Die kleinsten Durchmesser liegen zwischen 40 und 60 µm je nach Bohrtiefe und Material. Bei Turbinenanwendungen wird das Perkussionsbohren für Durchmesser zwischen 0,3 und 0,9 mm bei Bohrtiefen bis zu 20 mm eingesetzt.Anwendungen, die höchste Anforderungen an die Lochgeometrie stellen, werden mit dem Trepanieren oder dem Wendelbohren hergestellt. Beim Trepanieren wird zunächst mittels Perkussion ein Loch gebohrt und anschließend der endgültige Lochdurchmesser ausgeschnitten. Beim Wendelbohren wird Schicht für Schicht aus dem Loch abgetragen, wobei der Laserstrahl (oder das Werkstück) auf einer Kreisbahn bewegt wird. Die erzielbaren Lochdurchmesser sind somit größer als beim Perkussionsbohren und zeichnen sich durch ihre hohe Rundheit aus, deren Toleranzen hauptsächlich durch die Maschinengenauigkeit bestimmt werden.