High-precision and complex geometry helical drilling by adapted energy deposition

He, Chao; Bergs, Thomas; Poprawe, Reinhart

doi:10.18154/RWTH-2020-11769

High-precision and complex geometry helical drilling by adapted energy deposition = Hochpräzisions-Wendelbohren komplexer Geometrien mittels angepasster Energiedeposition

He, Chao^RWTH*

2020

VerantwortlichkeitsangabeChao He

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus 2020

Umfang1 Online-Ressource (V, 121 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-86359-916-4

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

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
2020-09-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-11769
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/808017/files/808017.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
energy deposition (frei) ; helical drilling optics (frei) ; high-precision (frei) ; microdrilling (frei) ; ultrashort pulsed laser (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Hochpräzise Mikrobohrungen sind industriell in der Fertigung weit verbreitet, z.B. als Düsen- und Entlüftungsbohrungen. Durch die Entwicklung moderner Geräte im Bereich der Mikroelektronik (MEMs) und hochpräzisen Anwendungen sind die Anforderungen an solche Bohrungen in Bezug auf die geometrische Komplexität und die Präzision gestiegen. Der Prozess des Wendelbohrens mit ultrakurz gepulsten Lasern ermöglicht eine sehr hohe Präzision in der Bohrungsgeometrie durch die spiralförmige Bewegung der Laserpulse entlang einer Kreisbahn und der verdampfungsdominierte Abtragsprozess trägt das Material schichtweise für die höchst mögliche Qualität ab. Die Wendelbohroptik verfügt über hohe Beherrschbarkeit und Flexibilität bei der Herstellung von Mikrolöchern mit einstellbarem Durchmesser, definierbarer Konizität und geometrischer Komplexität. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen und Charakterisierung des Verhaltens und des Einflusses der Laserenergiedeposition auf die Herstellung von Mikrolöchern im Wendelbohrprozesses. Zur Quantifizierung der Laserenergiedeposition s wird die überlagerte Laserintensität auf der Wendelbahn untersucht. Die Wendelbahn wird durch die Einstellung des Parallelversatzes und des Einfallswinkels des fokussierten Laserstrahls beschrieben. Diese rotationssymmetrische Wendelbahn wird mittels numerischer Simulation und kamerabasierter Erfassung dargestellt und visualisiert. Ein klassischer und dynamischer Wendelprozess kann in Abhängigkeit von der Dimension der Wendelbahn definiert werden. Für das klassische Wendelbohren werden untersucht, wie die Parameter der Laserpulse und der Wendeloptik sowie die Prozessumgebungsbedingungen die morphologischen und metallurgischen Eigenschaften der Bohrungen beeinflussen. Ein dynamischer Wendelbohrprozess kann durchgeführt werden, wenn die Wendelbahn während des Bohrprozesses geändert wird. Dadurch kann der Bohrungseintritt zu einem definierten Profil geformt und somit die Komplexität der Bohrungsgeometrie erhöht werden. Das maximale Bohrungsquerschnittsverhältnis kann von 10:1 in 1 mm dickem Edelstahlblech auf 50:1 in 3 mm erhöht werden. Ein reduziertes Modell für die dynamische Wendelablation zeigt die Entwicklung der Abtragstiefe bei unterschiedlichen Prozessparametern über den gesamten Wendeldurchmesser. Die Bohrergebnisse mit angepasster Laserenergiedeposition auf der Wendelbahn bestätigen das Modell. Die Leistung der Wendeloptik in Bezug auf Bohrpräzision, Komplexität und Produktivität kann durch dynamische Anpassung der Energiedeposition im Wendelbohrprozess signifikant gesteigert werden.

High-precision microholes are widely used as, for example, nozzles and venting holes in the automobile and consumer electronics industries. Owing to the development of modern devices and applications, the requirements on such holes have increased, not only in terms of geometric complexity but also of high precision. The helical drilling technology using ultrashort pulsed lasers is able to meet such requirements since it can generate higher precision in the hole geometry: through the layer-by-layer ablation strategy thanks to the helical movement of the laser pulses. Moreover, it is easier to control and more flexible in fabricating microholes with adjustable diameters, greater conicity and higher complexity. This work aims to investigate and clarify the behavior and influence of laser energy deposition on the fabrication of microholes with the ultrashort-pulsed-laser helical-drilling process. In order to quantify the laser energy deposition in the helical drilling process, I investigated the superposed laser intensity on the helical path. These paths are illustrated and visualized by means of numeric simulation and camera-based experimental acquisition. The three-dimensional helical path is rotationally symmetric and determined by the parameter setting of the helical optics – the parallel offset and the tilt angle of the focused laser beam. A classic and dynamic helical process can be defined depending on the dimension of the helical path. For classic helical drilling, I have investigated how the parameters of laser pulses and helical optics, as well as the process ambient conditions influence the morphological and metallurgic properties of the boreholes. With the specified laser beam sources, a maximum hole aspect ratio of 10:1 in 1 mm thick stainless steel plate can be achieved. A dynamic helical drilling process can be performed when the helical path is changed during the drilling process. With this change, the hole entrance can be shaped to a designated profile and, thus, the complexity of hole geometry enhanced. Indeed, the maximum hole aspect ratio can be increased to 50:1. In addition to that, a reduced model for dynamic helical ablation was built by investigating the development of ablation depth at varied processing parameters over the whole helical diameter. The drilling results with adapted laser energy deposition on the helical path agree well with the simulation by the reduced model. Moreover, thanks to the advantages of the dynamic helical drilling process with adapted energy deposition, the performance of the helical optics can be enhanced, with respect to drilling precision, complexity and productivity.

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