Robustheitsanalyse des Laserstrahlwendelbohrens

Zibner, Frank; Bergs, Thomas; Poprawe, Reinhart

doi:38588

Robustheitsanalyse des Laserstrahlwendelbohrens = Robustness analysis of laser-based helical drilling

Zibner, Frank

2019

VerantwortlichkeitsangabeFrank Zibner

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus 2019

Umfang1 Online-Ressource (viii, 162 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-86359-763-4

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)^RWTH* ; Bergs, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-07-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-08474
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/766977/files/766977.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laserbohren (frei) ; Laserstrahlwendelbohren (frei) ; Mikrobearbeitung (frei) ; Prozessfähigkeit (frei) ; Robustheitsanalyse (frei) ; Taguchi (frei) ; helical drilling (frei) ; laser drilling (frei) ; micro drilling (frei) ; robustness (frei) ; spiral drilling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Laserstrahlwendelbohren, basierend auf einem rotierenden Dove-Prisma, wird seit 12 Jahren im Rahmen aktueller Forschungen in diversen Institutionen sowie im industriellen Einsatz erprobt. Der Prozess des Laserstrahlwendelbohrens ermöglicht einen hochpräzisen Abtrag bei vollständig kontrollierbarer Bohrungsgeometrie. Damit lassen sich sowohl Bohrungsdurchmesser als auch das Verhältnis von Eintrittsdurchmesser zu Austritts-durchmesser einstellen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Quantifizierung und Optimierung der Prozessfähigkeit des Laserbohrprozesses für eine definierte Referenzgeometrie. Der Prozess des Laserstrahlwendelbohrens wird untersucht, um ein fundiertes Verständnis des Prozesses zu erlangen und ihn somit stabiler, sicherer und reproduzierbar auslegen zu können. Hierzu werden zwei Ansätze verfolgt. Innerhalb eines ersten Optimierungsansatzes wird die Parametereinstellung zur Erzeugung der Referenzbohrung untersucht und mittels einer Robustheitsanalyse nach Taguchi bewertet. Die hieraus resultierende angepasste Parameterkombination wird durch eine Signifikanzanalyse bestätigt. Im Rahmen eines mehrtägigen Dauerbetriebs ist gezeigt, dass die tatsächliche Prozessfähigkeit (cpk), durch die Etablierung der angepassten Parameterkombination, um einen Faktor von mehr als 6 auf eine Prozesssicherheit von mehr als Ͷߪ gesteigert werden kann. Der zweite Optimierungsschritt beschäftigt sich mit der konstruktiven Modifikation des Rotationssystems der optischen Elemente. Das Dove-Prisma muss sowohl in Lage als auch in Winkel einstellbar gelagert werden. Die hierzu benötigte elastische Gegenkraft wird durch Federelemente aufgebracht. Der Systemoptimierungsansatz substituiert hierbei eine Kautschukmatte durch eine Tellerfederschaltung aus Kunststoff. Die Tellerfederhalterung zeigt ein deutlich stabileres Lageverhalten bei dynamischer Belastung verglichen mit dem Langzeitverhalten der Kautschukmatte, welches ein Setzverhalten aufweist. Die hierdurch gesteigerte Stabilitätserhöhung wirkt sich direkt steigernd auf die Robustheit des Fertigungsprozesses aus. Die tatsächliche Prozessfähigkeit kann, verglichen zu der erreichten tatsächlichen Prozessfähigkeit nach der Parameteroptimierung, um weitere 60 % gesteigert werden und erreicht somit einen Wert von >1,6, was einer Prozesssicherheit von ͷߪ entspricht. Der Prozess des Laserstrahlwendelbohrens weist durch die zweistufige Optimierungs-strategie zur Robustheitssteigerung eine um einen Faktor 9 gesteigerte tatsächliche Prozessfähigkeit auf. Damit kann eine Fertigung eines exemplarischen Referenzloches (Durchmesser 50 μm in 0,5 mm dickem Edelstahl) mit einem zu erwartenden Ausschuss von weniger als 200 DPMO (defects per million opportunities) gewährleistet werden.

The laser beam spiral drilling, based on a rotating Dove prism, has been tested for 12 years within the framework of current research in various institutions as well as in industrial applications. The process of laser beam spiral drilling enables high-precision ablation with fully controllable drilling geometry. This allows both the bore diameter and the ratio of inlet diameter to outlet diameter to be adjusted. This thesis deals with the quantification and optimization of the process capability of the laser drilling process for a defined reference hole- geometry. The process of laser beam helical drilling is investigated in order to gain an understanding of the process and thus enable improvements in safety, stability and reproducibility. Two approaches are being pursued. Within a first optimization approach, the parameter setting for the generation of the reference bore is examined and evaluated by means of a robustness analysis according to Taguchi. The resulting adjusted parameter combination is confirmed by a significance analysis (ANOVA). In the context of a continuous operation lasting several days it is shown that the actual process capability (cpk) can be increased by a factor of more than 6 to a process reliability of more than 4σ by establishing the adapted parameter combination. The second optimization step deals with the constructive modification of the rotation system of the optical elements. The Dove prism must be mounted in an adjustable position so that angle and position can be modified. The elastic counterforce required for this is applied by spring elements. The system optimization approach replaces a rubber mat with a plastic disc spring combination. The disc spring holder shows a significantly more stable positional behavior under dynamic load compared to the long-term behavior of the rubber mat, which exhibits a settling behavior. The resulting increase in stability has a direct effect on the robustness of the manufacturing process. Compared to the actual process capability achieved after parameter optimization, the actual process capability can be increased by a further 60 % and thus reaches a value of >1.6, which corresponds to a process reliability of more than 5σ. The process of laser beam spiral drilling shows an increase in the actual process capability by a factor of 9 due to the two-stage optimization strategy for increasing robustness. This allows the production of an exemplary reference hole (diameter 50 μm in 0.5 mm thick stainless steel) with an expected reject rate of less than 200 DPMO (defects per million opportunities).

OpenAccess:
PDF
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