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Was ist Laserbohren?

Stephan Eifel — Thu, 21 Dec 2023 17:42:53 +0000

Was ist Laserbohren?

Übersicht der Laserbohrverfahren & Orientierungshilfe zum Einsatz des Laserbohrens

Dr. Stephan Eifel | 21. Dezember 2023 ᛫ 10 Min.

In der Welt der modernen Fertigungstechnologien hat sich das Laserbohren mittlerweile als fester Bestandteil etabliert. Das Verfahren, das sich durch hohe Präzision, große Bandbreite bearbeitbarer Werkstoffe und Effizienz auszeichnet, hat viele Anwendungsbereiche wie z.B. die Elektronikfertigung (Leiterplatten), Filtertechnik (Mikrosiebe) oder den Automotivebereich (Einspritzdüse) revolutioniert.

Doch trotz der großen Anwendungsbereite des Laserbohrens stehen viele unserer Kunden in Ihrer Produktentwicklung vor einer Herausforderung: Es ist oft schwierig zu beurteilen, ob das Laserbohren für einen spezifischen Anwendungsfall bzw. Bauteilbearbeitung geeignet ist. Dies betrifft sowohl die grundlegende Machbarkeit als auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Die Entscheidungsfindung wird insbesondere durch die Vielzahl von einsetzbaren Laserbohrverfahren und Laserstrahlquellen erschwert.

Als langjährige Experten im Bereich des Laserbohrens geben wir in diesem Artikel eine umfassende Übersicht der gängigen Laserbohrverfahren. Die Vorteile jedes Verfahrens werden aufgeführt sowie typisch erzielbare Spezifikationen aufgelistet. Ziel ist es, eine erste Orientierungshilfe zu bieten, um besser entscheiden zu können, ob das Laserbohren grundsätzlich für einen Anwendungsfall geeignet ist und wenn ja, welches Laserbohrverfahren am Besten eingesetzt werden sollte.

Anwendungsvideo zum Lasermikrobohren

Grundlagen des Laserbohrens

Das Prinzip des Laserbohrens basiert auf der gezielten Entfernung von Material aus einem Werkstück mit definierter Materialstärke durch Laserstrahlung. Dabei wird meist ein zylindrisches oder konisch geformtes Volumenstück aus dem Werkstück entfernt, sodass eine Bohrung mit einem Eintritt und einem Austritt entsteht. Die Entfernung des Materials erfolgt durch eine Einwirkung von Laserstrahlung auf das Werkstück. Die Laserstrahlung wird auf das Werkstück fokussiert und es erfolgt eine Absorption der Laserstrahlung in dem Werkstück. Durch die Absorption und die starke lokale Aufheizung erfolgt ein Phasenwechsel der Materie hin zu einer Schmelze und einem Materialdampf. Durch den Materialdampf entstehen hohe Drücke, das aufgeschmolzene Material wird dadurch aus dem Bohrloch gefördert. So entsteht mit zunehmender Bestrahlungsdauer eine Bohrung im Werkstück.

Wie wird die Qualität einer Laserbohrung spezifiziert?

Eine Laserbohrung weist eine Reihe von Eigenschaften auf, die durch geometrisch messbare Größen charakterisiert werden können:

Bohrungsdurchmesser & Rundheit
Eine Bohrung weist einen Eintritt und einen Austritt auf, die Bezeichnung erfolgt nach der Ein- und Austrittsseite des Laserstrahls. Bei den meist runden Bohrungen können Durchmesser bestimmt werden. Da sich die Durchmesser D zwischen Lasereintritt und -austritt unterscheiden können, werden Eintrittsdurchmesser D_in und ein Austrittsdurchmesser D_out definiert.
Die Form der Bohrung kann bei runden Bohrungen z.B. aufgrund von Abweichungen des Strahlprofils von der idealen Form oder Polarisationseffekten von der Kreisform abweichen. Demnach wird eine Rundheit der Bohrung als Formtoleranz definiert: Rundheit = (Dmax-Dmin) / 2 , wobei Dmax der Maximaldurchmesser und Dmin der Minimaldurchmesser der Bohrung ist.
Wandwinkel/Taper α
Je nach eingesetztem Bohrverfahren verläuft die Bohrungswand nicht exakt senkrecht zur Eintrittsebene. Sie kann einen leichten Wandwinkel aufweisen, der sich typischerweise im Bereich von 80-90° bewegt. Aufgrund der Abweichung des Wandwinkels von der Senkrechten ergibt sich ein zum Bohrungseintritt geringerer Bohrungsdurchmesser am Austritt.
Aspektverhältnis A=D_in:t
Das Aspektverhältnis der Bohrung ist definiert durch das Verhältnis von Bohrungsdurchmesser am Eintritt D_in und der Materialstärke t (Tiefe der Bohrung). Die verschiedenen Laserbohrverfahren unterscheiden sich vor allem in dieser Messgröße. Grund für das limitierte Aspektverhältnis der einzelnen Bohrverfahren ist der beim Bohren entstehende Wandwinkel. Bei Wandwinkeln α < 90° treffen sich die gegenüberliegenden Bohrungswände in einer bestimmten Bohrtiefe. Dieser geometrische Effekt führt zu einem Abbruch des Bohrprozesses und somit zu einer Limitierung des Aspektverhältnis beim Perkussionsbohren. Die beim Perkussionsbohren typischen Aspektverhältnisse von 1:3-1:5 entsprechen dabei Wandwinkeln von α = 80-85°.

Synchrotronaufnahme des UKP-Perkussionsbohrens in Metall (Videoausschnitt, Bohrungseintritt rechts, Querschnitt).
Durch den Wandwinkel wird das maximale Aspektverhältnis auf ca. 1:5 limitiert. (Quelle: Fraunhofer ILT, Aachen)
Toleranzen
Bei der Herstellung von vielen Bohrungen ist vor allem die Variation der Bohrungsdurchmesser und der mittlere Bohrungsdurchmesser von Relevanz. Die Bohrungstoleranzen geben die erzielbaren Abweichungen von einem Zieldurchmesser an.
Aufwürfe
Durch die aus dem Bohrloch austretende Schmelze im Laserbohrprozess können beidseitig Anhaftungen an den Bohrungsein- und austritten entstehen. Diese Anhaftungen sind nach dem Bohrprozess als Materialaufwürfe um die Bohrungen erkennbar. Üblicherweise wird eine Aufwurfhöhe definiert, die als Abstand zwischen der unbearbeiteten Werkstückoberfläche und dem dem höchsten Aufwurf um die Bohrung definiert wird.
Wärmeeinflusszone / Heat-affected zone (HAZ)
Durch den Wärmeeintrag in das Werkstück beim Laserbohren kann eine Gefügeänderung im Bereich der Bohrungswände in das Werkstück erfolgen. Die Wärmeeinflusszone macht sich in Metallen meist durch eine farbliche Änderung um die Bohrungsgeometrie (Anlassfarben) bemerkbar.

Die erzielbaren Bohrlochqualitäten und Bohrraten hängen entscheidend von dem eingesetzten Laserbohrverfahren und der Laserstrahlquelle ab. Daher werden diese in den beiden folgenden Kapiteln näher erläutert.

Welche Laser werden beim Laserbohren eingesetzt?

Beim Laserbohren können je nach Einsatzweck und Verfahren verschiedene Laserstrahlquellen eingesetzt werden. Sie unterscheiden sich vor allem in den folgenden Eigenschaften:

Pulsdauer (Zeitliche Dauer eines Laserpulses)
Beim Laserbohren werden ungepulste (sog. continous wave laser) und gepulste Laserstrahlquellen eingesetzt. Die Pulsdauer hat entscheidenden Einfluss auf die Verteilung der eingebrachten Laserenergie in das Materialvolumen und legt insbesondere das Verhältnis von geschmolzenem Material zu Materialdampf und (bei sehr kurzen Pulsen) dem Plasma fest. Eine lange Pulsdauer im Bereich von Millisekunden und Mikrosekunden erzeugt einen großen Schmelzeanteil und eine große Wärmeeinflusszone, da die eingebrachte Energie durch Wärmeleitung in der Zeitskala der Pulsdauer in das Werkstück wegdiffundiert. Bei kurzen Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden und ultrakurzen Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden und Femtosekunden steigt mit kleiner werdender Pulsdauer der Anteil des Materialdampfes und Plasmas. Der Anteil der Schmelze sinkt somit deutlich ab, weshalb es bei dem Einsatz von Ultrakurzpulslasern keine Schmelzaufwürfe gibt. Ebenso wird die Wärmeeinflusszone geringer.

Pulsenergie
Die Pulsenergie ist die Energie eines einzelnen Laserpulses. Bei Langpulslasern bewegen sich die Pulsenergien meist im einstelligen Joulebereich, damit lassen sich große Volumina in Schmelze überführen. Bei den Kurzpuls- und Ultrakurzpulslasern liegen typische Pulsenergien im Bereich von 10-1000 µJ. Damit ein entsprechendes Volumen entfernt werden kann, erfolgt das bohren eines Loches mit einer Vielzahl von Laserpulsen. Um Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis zu bohren ist eine hohe Pulsenergie vorteilhaft.

Repetitionsrate
Die Repetitionsrate gibt die Anzahl der Laserpulse pro Zeiteinheit an. Typische Repetitionsraten bewegen sich beim Einzelpulsbohren im ein bis zweistelligen Hertzbereich, beim Perkussionsbohren im Bereich von 10-500.000 kHz. Eine zu hohe Repetitionsrate beim Bohren ist unvorteilhaft, da durch Absorption der Laserstrahlung im abgetragenen Materialdampf/Plasma und durch Wärmeakkumulationseffekte die Energie weniger in einen Materialabtrag umgesetzt wird. Somit können unvorteilhafte Bauteilverformungen oder Bauteilschäden entstehen.

Wellenlänge
Die Wellenlänge des Lasers beeinflusst vorrangig die Absorption der Laserstrahlung im Werkstück. Während Metalle im Infrarotbereich die Laserstrahlung gut absorbieren, eignen sich für die Bearbeitung von Polymeren vor allem Wellenlängen im UV-Bereich (lineare Absorption). Eine Ausnahme ist die Absorption von ultrakurzen Laserpulsen. Hierbei können bei Keramik und Polymeren auch Wellenlängen im IR und sichtbaren Bereich (VIS-Bereich) eingesetzt werden (nichtlineare Absorption).

Welche Laserbohrverfahren gibt es?

Einzelpulsbohren

Beim Einzelpulsbohren wird mit einem einzigen zeitlich langen Laserpuls das Material durchbohrt. Der Schmelzaustrieb erfolgt meist mit Unterstützung einer Prozessgasdüse. Werkstücke mit Materialstärken bis zu mehreren Millimetern können mit hohen Pulsenergien und längeren Pulsdauern (ms-µs-Bereich) gebohrt werden. Die Bohrzeit bezogen auf die Materialstärke ist minimal, die erzielbare Qualität ist aufgrund des schmelzebehafteten Abtrags begrenzt.