Laserbohren

Laserbohren ist ein hochpräzises, berührungsloses Verfahren zur Herstellung von Löchern in verschiedenen Materialien wie Metall, Keramik, Glas und empfindlichen Polymeren. Bei dieser Technik wird ein fokussierter Laserstrahl verwendet, um Material durch Photoablation zu entfernen. Dabei werden in der Regel Mikrometer oder einige zehn Mikrometer pro Puls entfernt.

Als moderne Technologie bieten Laser mehr Geschwindigkeit und Präzision als herkömmliche Bohrverfahren. Außerdem können sie kosteneffizienter sein, da sie den Werkzeugverschleiß reduzieren, Abfall minimieren und weniger Einrichtungs- und Wartungsaufwand erfordern.

Daher ist das Laserbohren eine zunehmend beliebte Alternative zu herkömmlichen Bohrverfahren.

Jede Art von Laser kann zum Bohren von Löchern verwendet werden, und dieses Verfahren funktioniert bei fast allen Materialien und Oberflächen. Die Wahl der richtigen Laserart hängt von der Art des Materials ab. Glasfaser-Laser können zum Beispiel zum Perforieren von Metallstücken verwendet werden, da dieses Material eine höhere Wärmebelastung verträgt.

Jeder Lasertyp verhält sich anders. Während CO2-Laser in der Regel das Material schmelzen, um die Öffnung zu bilden, verwenden Glasfaser-Laser schnelle Schlagimpulse, um das Substrat zu durchbrechen. Ultraviolett (UV)-Laser funktionieren auf ähnliche Weise, aber ihr Prozess ist bei gleicher Lochgröße im Allgemeinen langsamer.

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Präzision und Genauigkeit

Bei jeder Art von Laser hängt der Durchmesser der Löcher von der Spotgröße ab. Eine kleinere Spotgröße konzentriert die Energie auf einen engeren Bereich, was eine höhere Energiedichte bedeutet.

Da die Spotgröße beeinflusst, wie stark der Strahl fokussiert wird, bestimmt sie auch die Präzision und Qualität des Lochs. Daher führt eine kleinere Spotgröße in der Regel zu präziseren Bohrungen bei gleichzeitiger Minimierung der peripheren Schäden.

Da Laser eine Vielzahl von Spotgrößen (von groß bis sehr klein) bieten, ermöglichen sie das Bohren präziser Löcher in allen Größen.

Vielseitigkeit bei verschiedenen Materialien

Für die meisten Materialien gibt es einen geeigneten Lasertyp zum Bohren von Löchern, sei es ein CO2-, UV-, Glasfaser- oder Ultrakurzpulslaser.

Durch die Anpassung von Laserparametern wie Leistung, Pulsdauer und Spotgröße kann der Prozess ganz ohne Werkzeugwechsel für unterschiedliche Materialeigenschaften optimiert werden.

Das macht das Laserbohren zu einem besonders vielseitigen Verfahren.

Weniger mechanische Belastung, Werkzeugverschleiß und Reinigung

Da beim Laserbohren im Gegensatz zu herkömmlichen Werkzeugen kein physischer Kontakt mit dem Material besteht, werden mechanische Belastungen und Werkzeugverschleiß vermieden. Bei einer guten Rauchabsaugung ist eine Reinigung der Linsen normalerweise nur alle 3 bis 6 Monate erforderlich.

Hoher Durchsatz und Automatisierung

Je nach Leistung des Lasers und Material ist es möglich, mehrere tausend Löcher pro Minute zu bohren, was deutlich schneller ist als herkömmliche Techniken.

Der Einsatz von Robotern, XYZ-Tischen oder Drehmodulen ermöglicht die Automatisierung und kann den Durchsatz erheblich steigern.

Minimale Wärmeeinflusszone (WEZ)

Hinsichtlich der Wärmeeinflusszone (WEZ) (d. h. den Bereich um das Loch, der hohen Temperaturen ausgesetzt ist, die das Material verändern können), wird dieser Bereich beim Bohren mit dem richtigen Laser nur minimal beeinträchtigt.

CO₂-Laser erzeugen die größte WEZ, gefolgt von Glasfaser-Lasern. UV-Laser werden häufig verwendet, da sie weniger Wärme erzeugen. Wenn sehr hohe Präzision und eine sehr geringe Wärmeeinflusszone (WEZ) erforderlich ist, sind Ultrakurzpulslaser vermutlich die beste Wahl.

Kontrolle von Bohrlochtiefe und -durchmesser

Die Tiefe und der Durchmesser von lasergebohrten Löchern lassen sich durch die Optimierung von Parametern wie Material, Lasertyp, optische Konfiguration und Bearbeitungszeit präzise steuern. Laser mit höherer Leistung können schneller bohren, neigen aber auch dazu, mehr Wärme in das Material einzubringen.

Laserbohren vs. Alternativen

Mechanisches Bohren, Standbohrmaschine, Bohrer

Mechanisches Bohren ist nützlich für Anwendungen mit geringen Stückzahlen, z. B. wenn nur wenige Löcher benötigt werden. Mit dieser Methode ist es jedoch schwierig, sehr kleine Löcher (einige hundert Mikrometer) zu bohren.

Außerdem können sich Bohrer aufgrund des Kontakts zwischen dem Werkzeug und dem Material verbiegen oder brechen, was den Verschleiß des Systems und die Wartungskosten erhöht.

Chemisches Bohren

Beim chemischen Bohren, bei dem Säure aufgetragen wird, die sich durch das Material brennt, fehlt es an Genauigkeit. Dieses Verfahren steht auch im Widerspruch zu dem Wunsch der meisten Unternehmen, die Verwendung giftiger Chemikalien zu minimieren oder ganz zu vermeiden.

Plasmabohren / Funkenerosion (EDM)

Plasmabohren oder EDM ist ein Verfahren, bei dem durch den Einsatz elektrischer Funken Material von einem Werkstück abgetragen wird. Dieses Verfahren kann nützlich sein, um Löcher in sehr harte Materialien zu bohren oder um komplexe Formen zu erzeugen.

Es hat jedoch Einschränkungen: Es kann nur bei leitfähigen Materialien eingesetzt werden, hat eine langsamere Materialabtragsrate, kann thermische Schäden und WEZ verursachen, erfordert kostspielige Geräte und ist weder besonders umweltfreundlich noch sicher.

Anwendungen

Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie

In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden Glasfaser-Laser in der Regel zum Bohren von Löchern in Faserverbundbauteilen und anderen Teilen verwendet, die Präzision und Konsistenz erfordern. Dazu gehören Kühl- und Entlüftungsöffnungen in Turbinenschaufeln, Leitschaufeln und Brennkammerteilen. Aber auch UV-Nanosekunden- und Ultrakurzpulslaser werden für diese Anwendungen eingesetzt.

In der Automobilherstellung können mittels Laserbohren Löcher in Kraftstoffeinspritzdüsen erzeugt werden, was die Kraftstoffeffizienz verbessert und die Emissionen reduziert.

Herstellung medizinischer Geräte

Laserbohren wird bei der Herstellung von Kathetern, Schläuchen, Ventilen und anderen Geräten zur Flüssigkeitszufuhr eingesetzt. In dieser Branche werden hauptsächlich UV-Laser und Ultrakurzpulslaser eingesetzt.

Elektronik- und Halbleiterindustrie

In diesen Branchen werden Glasfaser-, UV- oder Ultrakurzpulslaser zum Bohren von Löchern in fast allen Komponenten verwendet. Dazu gehören Leiterplatten, Halbleiterkomponenten, integrierte Schaltkreis-Chips und Düsen von Tintenstrahldruckern. Da die Bauteile oft wärmeempfindlich sind, werden häufig UV- oder Ultrakurzpulslaser verwendet.

Energiesektor

Laserbohren (typischerweise mit UV- oder Ultrakurzpulslasern) wird verwendet, um Löcher in Solarzellen und Brennstoffzellen für Flüssigkeits- oder Gasdurchflüsse zu erzeugen. Glasfaser-Laser können auch für Materialien eingesetzt werden, die eine höhere thermische Belastung vertragen.

Lebensmittel- und Getränkeindustrie

Diese Methode eignet sich auch zum Erzeugen von Belüftungslöchern in Lebensmittelverpackungen, durch die Produkte während des Transports atmen können, sowie von Mikrolöchern in Flaschen oder Dosen, durch die Luft strömen kann, ohne dass Flüssigkeit austritt. Für diese Anwendungen werden in der Regel UV- oder Ultrakurzpulslaser verwendet, da diese präzise arbeiten und die Wärmebelastung gering ist.

Pharmazeutische Industrie

Das CO2-Laserbohren hat sich zur bevorzugten Technologie für die Herstellung präziser Löcher in Medikamenten mit Depotwirkung entwickelt.