Tiefbohren in Metallen mittels ultrakurzen Laserpulsen

Die Materialbearbeitung mittels ultrakurzen Laserpulsen hat in den letzten 20 Jahren auch durch die stetige Entwicklung von immer leistungsfähigeren Laserstrahlquellen enorme Fortschritte gemacht. Davon profitiert auch das Bohren mittels Ultrakurzpuls (UKP)-Laserstrahlung, da durch diese Entwicklung höhere Abtragraten und größere Bohrtiefen ermöglicht wurden. Somit werden Anwendungen denkbar, die zuvor nicht mit laserbasierten Bohrverfahren erreicht werden konnten. Präzise, geformte Mikrobohrungen mit mehreren Millimetern Tiefe werden insbesondere in vielen Hochtechnologieanwendungen wie für Kühlluftbohrungen in Turbinenkomponenten, in Spinndüsen für die Faserherstellung, als Zuführung von Schmiermitteln in (Umform-)Werkzeugen oder in Sieben für die Stoffaufbereitung benötigt. Aktuell können diese Anwendungen mit verfügbaren Fertigungsverfahren aber nicht oder nur eingeschränkt adressiert werden. In dieser Arbeit wird daher ein neues Bohrverfahren zur Herstellung von sowohl großen und tiefen als auch präzisen Bohrungen mittels UKP-Laserstrahlung entwickelt. Dabei werden insbesondere hohe Pulsenergien und hohe mittlere Leistungen benötigt. Diese führen zu unerwünschten Effekten wie die Entstehung von Gasdurchbruchplasmen oder Schmelzentstehung durch Wärmeakkumulation. Die Auswirkungen dieser Effekte auf die Abtragrate und die geometrische und metallurgische Qualität beim Bohren werden daher zu Beginn der Arbeit grundlegend untersucht. Aus diesen Erkenntnissen werden anschließend Randbedingungen abgeleitet, die ein neu entwickeltes Bohrverfahren einhalten muss. Dieses Bohrverfahren basiert auf einem Vollabtrag des Bohrquerschnitts sowie einer Verschiebung der Fokusebene über die gesamte Bohrtiefe. Somit können präzise Bohrungen mit Bohrungsdurchmessern größer 200 µm und Aspektverhältnissen von bis zu 25 erzeugt werden. Außerdem wird eine speziell für das neu entwickelte Bohrverfahren ausgelegte Bearbeitungsoptik entwickelt und aufgebaut, welche eine hochdynamische Ablenkung der Laserstrahlung erlaubt. Diese Arbeit liefert zudem die Werkzeuge, um das UKP-Tiefbohrverfahren auszulegen und dessen prinzipielle und systemtechnische Grenzen zu bestimmen.