Laser boort twee miljoen identieke gaten op 1 m2

Fraunhofer ILT onderzoekt en optimaliseert de verschillende laserboorprocessen al jaren. Dit werk heeft geresulteerd in zeer productieve boorprocessen die tientallen tot honderden gaten per seconde kunnen produceren.

De laser is het gereedschap bij uitstek als het gaat om het boren van een groot aantal vergelijkbare gaten naast elkaar. Over het algemeen ondergaat de technologie van laserboren dynamische en fascinerende veranderingen. Er worden nieuwe processen ontwikkeld en steeds krachtigere lasers openen nieuwe mogelijkheden op het gebied van haalbare boorgeometrieën en productiviteit. Met name de grote vooruitgang in ultrakorte puls lasers zal de komende jaren veel nieuwe en opwindende toepassingen in laserboringen mogelijk maken.

Twee miljoen gaten. Wie heeft zoveel gaten nodig? Er zijn een groot aantal toepassingen te noemen. De luchtvaartindustrie bijvoorbeeld. De vliegtuigindustrie staat onder grote druk om het brandstofverbruik verder te verlagen. Het principe van ‘Hybrid Laminar Flow Control’ biedt de mogelijkheid om precies dit te doen: de lucht stroomt rond een vliegtuigvleugel met minder weerstand als het oppervlak veel kleine gaten heeft. Brandstofbesparingen tot 10 procent zijn op deze manier mogelijk. De situatie is vergelijkbaar met vliegtuigturbines, waar kleine gaatjes helpen om motorgeluid te dempen. Een derde voorbeeld is filtertechnologie voor afvalwater. Metaalfolies met gaten in het micrometerbereik kunnen microplastics efficiënt uit afvalwater filteren. Deze drie voorbeelden laten goed zien dat er veel gaten te boren zijn in verschillende vakgebieden.

Boren met laser?

De laser is inmiddels al enkele decennia industrieel in gebruik en de toepassingen zijn zeer divers. Naast markeren, lassen en snijden worden lasers ook veel gebruikt voor boren. Vanuit wetenschappelijk oogpunt is laserboren een thermisch snijproces. Er zijn verschillende manieren om gaten te boren met een laser. De afweging tussen hoge snelheid en hoge precisie speelt een cruciale rol bij de selectie. Natuurlijk is de snelste manier om gaten met enkele pulsen door het materiaal te ‘schieten’. Spiraalvormig boren duurt het langst, vereist meestal zelfs speciale optische systemen, maar biedt in ruil daarvoor een hoge precisie. Percussieboren omvat het plaatsen van meerdere pulsen op hetzelfde punt om een gat door het materiaal te laseren. Trepanning is wanneer het gat wordt uitgesneden door de contouren van het gat te traceren nadat in eerste instantie een kleiner gat is geboord. extreem korte tijd toe en zetten het materiaal bijna onmiddellijk om in plasma. Als gevolg hiervan kunnen UKP-lasers vrijwel alle materialen verwerken, een uitstekende oppervlaktekwaliteit bieden, maar ook de langste tijd nodig hebben om het gat te boren.

Er zijn vier verschillende manieren om gaten te boren met een laser.

Natuurlijk zijn de precisie van het boorgat en de gladheid van de wanden ook afhankelijk van het materiaal en het type laserstraal. Omdat koper bijvoorbeeld groene en blauwe straling veel beter absorbeert dan gewoon infrarood, wordt het beter verwerkt met dit type laser. Pulsduur en pulsenergie beïnvloeden ook het resultaat, en dit is waar de ultrakorte puls (UKP) lasers van pas komen: ze passen de laserenergie in een

De laser is een zeer efficiënt gereedschap om in korte tijd grote hoeveelheden gaten nauwkeurig te boren.

On-the-fly single-pulse boorproces

Fraunhofer ILT onderzoekt en optimaliseert de verschillende laserboorprocessen al jaren. Dit werk heeft geresulteerd in zeer productieve boorprocessen die tientallen tot honderden gaten per seconde kunnen produceren. De grote uitdaging hierbij is om lage toleranties van de gatdiameters en een hoge oppervlaktekwaliteit te behouden, zelfs bij een hoge productiviteit (boorsnelheid). Hiervoor maakt het instituut gebruik van het zogenaamde ‘on-the-fly’ (OTF) singlepulse boorproces en het OTF percussieboorproces, beide ontwikkeld bij Fraunhofer ILT. Bij OTF behoudt het optische systeem een constante toevoersnelheid ten opzichte van het werkstuk. Bij het OTF singlepulse boren moet altijd worden opgemerkt dat de snelheid van het proces en de kwaliteit van het gat in evenwicht moeten zijn. Als het optische systeem te snel over het oppervlak beweegt, wordt het gat langwerpig. De kwaliteit van het boorgat kan worden geëvalueerd aan de hand van verschillende parameters, zoals de ronding, coniciteit en oppervlaktekwaliteit in het boorgat.

2 miljoen gaten op 2 m²

Het meest productieve boorproces is single-pulse boren. Fraunhofer ILT heeft het OTF single-pulse boorproces vergaand geoptimaliseerd, zodat 200 gaten per seconde geboord kunnen worden in 1 mm dikke titaniumplaat. Hiervoor wordt een single-mode laser gebruikt, die een focusdiameter van slechts 12 micrometer kan genereren om gaten te produceren met een diameter van iets minder dan 80 micrometer. Met behulp van de geoptimaliseerde procesparameters kan het instituut een 2 meter lang, 3D-gegoten demonstrator van een vliegtuigvleugel op

een zesassig systeem bewerken. Met een snelheid van 200 gaten per seconde werden in minder dan drie uur ongeveer 2 miljoen gaten per vierkante meter worden geboord.

Grotere diameters percussieboren

Voor het boren van grotere gatdiameters kiest Fraunhofer voor het OTFpercussieboren. In dit proces worden meerdere laserpulsen in hetzelfde gat afgevuurd. Het is duidelijk dat de toevoersnelheid hier een nog grotere rol speelt: het gat moet worden voltooid voordat het optische systeem verder gaat, anders wordt het gat scheefgetrokken of kan de laser helemaal niet in het materiaal doordringen. De duur die nodig is om een gat te boren is afhankelijk van het aantal benodigde laserpulsen en de herhalingssnelheid van de laser. Het boorproces zelf is complexer dan met een enkele puls. Tegen de tijd dat het gat wordt geboord, moeten de individuele laserpulsen sterk genoeg zijn om het materiaal verder uit het gat te drijven, omdat, afhankelijk van de procesparameters, de smelt in het gat kan blijven en stollen, de laser schaduwt of zelfs het gat sluit. Fraunhofer onderzocht dit in detail en ontwikkelde een OTF-proces voor een percussieboring. Door gebruik te maken van een nieuwe fiberlaserstraalbron met maximaal 20 kW piekpulsvermogen en 2.000 Hz herhalingsfrequentie, was het instituut in staat om tot 30 gaten per seconde te genereren in 2 mm dik aluminium. Boordiameters van 500 micrometer werden met een hoge mate van precisie geproduceerd. De standaarddeviatie was minder dan 5 procent bij de inlaat en zelfs minder dan 2,5 procent bij de uitlaat. De hoge pulspiekvermogens en herhalingssnelheden van de nieuwe laserbronnen maakten het mogelijk om nauwkeurige gaten te boren met een hoge productiviteit.

Door ontwikkelingen in UKP-technologie zullen er de komende jaren veel nieuwe en opwindende toepassingen komen voor laserboren. De afbeelding laat een filterplaat zien voor afvalwaterfilters met miljoenen gaten van 10 micrometer. Met ‘On the fly’ percussieboren is Fraunhofer ILT in staat om 200 gaten per seconde te boren in 1 mm dikke titaniumplaat.

Duizenden gaten parallel boren met ultrakorte puls

Laser- en procestechnologie is voortdurend in ontwikkeling en dus kunnen we ook de komende jaren verdere vooruitgang in laserboren verwachten. In termen van bundelbronnen zijn ultrakorte pulslasers (UKP) met hogere vermogens in opkomst. Ze hebben twee grote voordelen: aan de ene kant genereren UKP-lasers boorgaten die nauwkeuriger, vrij van defecten of gewoon gladder zijn. Aan de andere kant kunnen UKP-lasers vrijwel alle materialen verwerken. Echter heeft UKP ook een nadeel en dat is de aanzienlijk lagere werksnelheid. Daarom ontwikkelt het Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS momenteel bronnen met vermogensniveaus van meer dan 10 kW om de productiviteit van UKP-lasers te verhogen. Dergelijke krachtige laserstraalbronnen maken namelijk het gebruik van optische systemen met meerdere bundels mogelijk, waardoor honderden of duizenden gaten parallel geboord kunnen worden. In het SimConDrillproject zijn op deze manier al filterplaten voor afvalwaterfilters met miljoenen gaten van 10 micrometer geboord. Met zulke kleine gaatjes kunnen de filters worden gebruikt in openbare afvalwaterinstallaties om microplastics op te vangen. Op de Laser World of Photonics 2022 in München (26 - 29 april) presenteren experts van Fraunhofer ILT het spectrum dat UKPtechnologie biedt op het gebied van laserboren.