Lasermikrobohren

Grundlagen der LaserBohrverfahren

Technologie Laserbohren

Beim Laserbohren stehen neben der Verwendung verschiedener Laserstrahlquellen auch unterschiedliche Verfahrensansätze zur Verfügung. Diese unterscheiden sich nach der erzielbaren Qualität und der Bohrzeit. Pulsar Photonics setzt alle nachfolgend beschriebenen Bohrverfahren in seiner Auftragsfertigung ein.

Einzelpulsbohren

Die einfachste Art des Laserbohrens ist das Einzelpulsbohren. Beim Einzelpulsbohren wird mit einem einzigen zeitlich langen Laserpuls das Material durchbohrt. Der Schmelzaustrieb erfolgt meist mit Unterstützung einer Prozessgasdüse. Dünne Materialien (<2mm) können mit hohen Pulsenergien und längeren Pulsdauern (ms-µs-Bereich) gebohrt werden. Die Bohrzeit bezogen auf die Materialdicke ist minimal, die erzielbare Qualität ist aufgrund des schmelzebehafteten Abtrags begrenzt.

Perkussionsbohren

Beim Perkussionsbohren wird das Material durch den Beschuss von mehreren Pulsen auf die gleiche Stelle sukzessive abgetragen. Je nach eingesetzter Pulsdauer des Lasers sind Bohrungen von bis zu 20 mm Tiefe möglich. Beim Einzel- und Perkussionsbohren ist der Laserstrahl während des Prozesses unbewegt. Der Bohrungsdurchmesser korreliert mit dem Fokusdurchmesser auf dem Werkstück. Die Bohrzeit ist gering, die erzielbaren Qualitäten sind abhängig von der eingesetzten Pulsdauer. Je kürzer die Pulsdauer desto höher ist die Qualität. Insbesondere bei kurzen Pulsdauern (ns-ps-fs) ist der Eintrittsdurchmesser der Bohrung immer größer als der Austrittsdurchmesser.

Trepanieren

Beim Laserbohren durch Trepanieren wird die Laserstrahlung während des Bohrprozesses um einen Mittelpunkt (meist Zentrum des Bohrlochs) geführt. Der Durchmesser der Bohrung wird hierbei aufgeweitet, weshalb Bohrungsdurchmesser deutlich größer als der Fokusdurchmesser hergestellt werden können. Die Aufweitung der Bohrung wird hierbei durch einen Schneidprozess erzeugt.

Die Glattheit der Bohrwand beim Trepanieren wird durch den vorherigen Perkussionsvorgang begünstigt, da die auftretende Schmelze an der Bohrlochunterseite austreten kann. Beim Trepanieren werden Pulse im Mikro- bis Femtosekunden-Bereich verwendet und Bohrungstiefen von bis zu 20 mm sind erreichbar. Bei der Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen wird der Abtragsprozess beim Trepanieren und Perkussionsbohren weniger durch eine Schmelze, als durch eine Verdampfung dominiert.

Die hier fehlende oder reduzierte Schmelzbaddynamik führt beim Laserbohren zu nicht senkrechten Bohrungswänden. Dies beschränkt die maximale Bohrtiefe. Die Bohrzeit ist höher als beim Perkussionsbohren, die Qualität insbesondere in puncto Elliptizität höher.

Wendelbohren

Zur Überwindung der Problematik der nicht senkrechten Bohrungswände und damit begrenzten Bohrtiefe hat sich gerade beim Bohren mit kurzen Laserpulsdauern das Wendelbohren etabliert.

Beim Wendelbohren wird ein Laserstrahl über eine motorisierte Wendeldrehoptik kreisförmig auf das Werkstück geführt. Durch den kreisförmigen Materialabtrag bildet sich nach einigen Umläufen des Strahls ein Bohrloch. Die leichte Anstellung des Laserstrahls zur Bohrachse führt zu einem senkrechten Bohrloch auch bei hohen Aspektverhältnissen (Bohrungsdurchmesser zu Bohrtiefe) bis 1:30.

Das UKP-Wendelbohren erlaubt somit ein Laserbohren mit senkrechten Bohrungswänden, geringer Elliptizität und glatten Bohrungswänden. Das Verfahren erlaubt Bohrungen mit extrem hoher Qualität, die Bohrzeiten bewegen sich im Bereich von wenigen 100ms bis zu Sekunden.

Tieflochbohren (wasserstrahl-geführtes Laserbohren)

Mit kurz gepulster Laserstrahlung lassen sich im
Waterjet-Verfahren Tieflochbohrungen mit extremen
Aspektverhältnissen (Strukturbreite/ Materialstärke)
erzielen. Dazu wird die Laserstrahlung in einer Düse
koaxial in einen dünnen Wasserstrahl eingekoppelt.
Über diesen Lichtleiter wird die Laserstrahlung
durch das Werkstück geführt und behält dabei ihre
Fokussierung bei. Somit können Formbohrungen und Schnitte mit Aspektverhältnissen bis 1:400 hergestellt werden.

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