Laserbohren - Laser drilling
Beim Laserbohren werden Durchgangslöcher erzeugt, die als "Popped" -Löcher oder "Percussion Drill" -Löcher bezeichnet werden, indem wiederholt fokussierte Laserenergie auf ein Material gepulst wird. Der Durchmesser dieser Löcher kann bis zu 0,002 Zoll (~ 50 μm) betragen. Wenn größere Löcher erforderlich sind, wird der Laser um den Umfang des "geplatzten" Lochs bewegt, bis der gewünschte Durchmesser erreicht ist. Diese Technik wird als "Trepanieren" bezeichnet.
Anwendungen
Das Laserbohren ist eine der wenigen Techniken zur Herstellung von Löchern mit hohem Aspektverhältnis - Löcher mit einem Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser, das viel größer als 10: 1 ist.
Lasergebohrte Löcher mit hohem Aspektverhältnis werden in vielen Anwendungen verwendet, einschließlich der Ölgalerie einiger Motorblöcke , Kühllöchern für Turbinen und Luft- und Raumfahrt-Turbinen, Laserfusionskomponenten und Leiterplatten-Durchkontaktierungen .
Hersteller von Turbinentriebwerken für Flugzeugantriebe und zur Stromerzeugung haben von der Produktivität von Lasern zum Bohren kleiner zylindrischer Löcher (typisch 0,3–1 mm Durchmesser) in Guss-, Blech- und bearbeiteten Bauteilen in einem Abstand von 15–90 ° zur Oberfläche profitiert . Ihre Fähigkeit, Löcher in flachen Winkeln zur Oberfläche mit Geschwindigkeiten zwischen 0,3 und 3 Löchern pro Sekunde zu bohren, hat neue Konstruktionen ermöglicht, die Filmkühlungslöcher für eine verbesserte Kraftstoffeffizienz , weniger Lärm und geringere NOx- und CO-Emissionen enthalten.
Inkrementelle Verbesserungen der Laserprozess- und Steuerungstechnologien haben zu einer erheblichen Erhöhung der Anzahl der in Turbinentriebwerken verwendeten Kühllöcher geführt. Grundlegend für diese Verbesserungen und den vermehrten Einsatz von lasergebohrten Löchern ist das Verständnis der Beziehung zwischen Prozessparametern und Lochqualität und Bohrgeschwindigkeit .
Theorie
Im Folgenden finden Sie eine Zusammenfassung der technischen Erkenntnisse über den Laserbohrprozess und die Beziehung zwischen Prozessparametern sowie Lochqualität und Bohrgeschwindigkeit.
Physikalische Phänomene
Das Laserbohren von zylindrischen Löchern erfolgt im Allgemeinen durch Schmelzen und Verdampfen (auch als " Ablation " bezeichnet) des Werkstückmaterials durch Absorption von Energie von einem fokussierten Laserstrahl .
Die Energie, die erforderlich ist, um Material durch Schmelzen zu entfernen, beträgt etwa 25% der Energie, die zum Verdampfen des gleichen Volumens benötigt wird. Daher wird häufig ein Verfahren bevorzugt, bei dem Material durch Schmelzen entfernt wird.
Ob das Schmelzen oder Verdampfen bei einem Laserbohrprozess dominanter ist, hängt von vielen Faktoren ab, wobei Laserpulsdauer und Energie eine wichtige Rolle spielen. Im Allgemeinen dominiert die Ablation, wenn ein gütegeschalteter Nd: YAG-Laser verwendet wird. Andererseits dominiert der Schmelzausstoß, das Mittel, mit dem durch Schmelzen des Materials ein Loch erzeugt wird, wenn ein blitzrohrgepumpter Nd: YAG-Laser verwendet wird. Ein gütegeschalteter Nd: YAG-Laser hat normalerweise eine Pulsdauer in der Größenordnung von Nanosekunden , eine Spitzenleistung in der Größenordnung von zehn bis Hunderten von MW / cm 2 und eine Materialentfernungsrate von einigen Mikrometern pro Puls. Ein mit einer Blitzlampe gepumpter Nd: YAG-Laser hat normalerweise eine Impulsdauer in der Größenordnung von Hunderten von Mikrosekunden bis zu einer Millisekunde , eine Spitzenleistung in der Größenordnung von Sub-MW / cm 2 und eine Materialentfernungsrate von zehn bis Hunderten von Mikrometern pro Impuls. Bei Bearbeitungsprozessen mit jedem Laser existieren typischerweise Ablation und Schmelzausstoß nebeneinander.
Der Ausstoß der Schmelze entsteht durch den schnellen Aufbau des Gasdrucks (Rückstoßkraft) in einem durch Verdampfung erzeugten Hohlraum . Damit eine Schmelze ausgestoßen werden kann, muss sich eine geschmolzene Schicht bilden, und die aufgrund der Verdampfung auf die Oberfläche wirkenden Druckgradienten müssen ausreichend groß sein, um die Oberflächenspannungskräfte zu überwinden und das geschmolzene Material aus dem Loch auszutreiben.
Das "Beste aus beiden Welten" ist ein einziges System, das sowohl "fein" als auch "grob" schmelzen kann. "Feiner" Schmelzausstoß erzeugt Merkmale mit ausgezeichneter Wanddefinition und kleiner Wärmeeinflusszone, während "grober" Schmelzausstoß, wie er beim Schlagbohren und Trepanieren verwendet wird , Material schnell entfernt.
Die Rückstellkraft ist eine starke Funktion der Spitzentemperatur . Der Wert von T cr, bei dem die Rückstoß- und Oberflächenspannungskräfte gleich sind, ist die kritische Temperatur für den Flüssigkeitsausstoß. Zum Beispiel kann ein Flüssigkeitsausstoß aus Titan stattfinden, wenn die Temperatur in der Mitte des Lochs 3780 K überschreitet.
In frühen Arbeiten (Körner et al., 1996) wurde festgestellt, dass der Anteil des durch Schmelzausstoß entfernten Materials mit zunehmender Intensität zunimmt. Neuere Arbeiten (Voisey et al., 2000) zeigen, dass der Anteil des durch Schmelzausstoß entfernten Materials, der als Schmelzejektionsfraktion (MEF) bezeichnet wird, abnimmt, wenn die Laserenergie weiter zunimmt. Die anfängliche Zunahme des Ausstoßes der Schmelze beim Erhöhen der Strahlleistung wurde vorläufig auf eine Zunahme des Drucks und des Druckgradienten zurückgeführt, die innerhalb des Lochs durch Verdampfung erzeugt wurden.
Ein besseres Finish kann erreicht werden, wenn die Schmelze in feinen Tröpfchen ausgestoßen wird. Im Allgemeinen nimmt die Tröpfchengröße mit zunehmender Pulsintensität ab. Dies ist auf die erhöhte Verdampfungsrate und damit auf eine dünnere geschmolzene Schicht zurückzuführen. Für die längere Pulsdauer trägt der größere Gesamtenergieeintrag zur Bildung einer dickeren geschmolzenen Schicht bei und führt zum Ausstoßen entsprechend größerer Tröpfchen.
Vorgängermodelle
Chan und Mazumder (1987) entwickelten ein 1-D-Steady-State-Modell, um die Berücksichtigung des Flüssigkeitsausstoßes zu berücksichtigen. Die 1-D-Annahme ist jedoch nicht für das Bohren von Löchern mit hohem Aspektverhältnis geeignet, und der Bohrprozess ist vorübergehend. Kar und Mazumder (1990) erweiterten das Modell auf 2-D, aber der Ausstoß der Schmelze wurde nicht explizit berücksichtigt. Eine strengere Behandlung des Schmelzausstoßes wurde von Ganesh et al. (1997), ein verallgemeinertes 2-D-Modell, das Festkörper, Flüssigkeit, Temperatur und Druck während des Laserbohrens berücksichtigt, aber rechenintensiv ist. Yao et al. (2001) entwickelten ein 2-D-Transientenmodell, bei dem eine Knudsen-Schicht an der Schmelzdampffront betrachtet wird und das Modell für Laserablationen mit kürzerem Puls und hoher Spitzenleistung geeignet ist.
Laserenergieabsorption und Schmelzdampffront
An der Schmelzdampffront wird normalerweise die Stefan-Randbedingung angewendet, um die Absorption der Laserenergie zu beschreiben (Kar und Mazumda, 1990; Yao, et al., 2001).
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wobei die absorbierte Laserintensität ist, β der Laserabsorptionskoeffizient in Abhängigkeit von der Laserwellenlänge und dem Zielmaterial ist und I (t) die zeitliche Eingangslaserintensität einschließlich Impulsbreite, Wiederholungsrate und zeitlicher Impulsform beschreibt. k ist die Wärmeleitfähigkeit , T ist die Temperatur, z und r sind Abstände in axialer und radialer Richtung, p ist die Dichte , v die Geschwindigkeit , L v die latente Verdampfungswärme. Die Indizes l , v und i bezeichnen die Flüssigphase, die Dampfphase bzw. die Dampf-Flüssigkeits-Grenzfläche.
Wenn die Laserintensität hoch und die Pulsdauer kurz ist, wird angenommen , dass die sogenannte Knudsen-Schicht an der Schmelzdampffront existiert, wo die Zustandsvariablen diskontinuierliche Änderungen über die Schicht erfahren. Unter Berücksichtigung der Diskontinuität über die Knudsen-Schicht haben Yao et al. (2001) simulierten die Verteilung der Oberflächenaussparungsgeschwindigkeit V v entlang der radialen Richtung zu verschiedenen Zeiten, was darauf hinweist, dass sich die Materialablationsrate über die Knudsen-Schicht signifikant ändert.
Schmelzausstoß
Nach Erhalt des Dampfdrucks p v können der Schmelzschichtfluss und der Schmelzausstoß unter Verwendung hydrodynamischer Gleichungen modelliert werden (Ganesh et al., 1997). Schmelzausstoß tritt auf, wenn der Dampfdruck auf die flüssigkeitsfreie Oberfläche ausgeübt wird, was wiederum die Schmelze in radialer Richtung wegdrückt. Um einen feinen Schmelzausstoß zu erreichen, muss das Schmelzströmungsmuster sehr genau vorhergesagt werden, insbesondere die Schmelzströmungsgeschwindigkeit am Lochrand. Somit wird ein 2-D- Achsensymmetriemodusmodell verwendet und dementsprechend die Impuls- und Kontinuitätsgleichungen verwendet.
Ganeshs Modell für den Schmelzauswurf ist umfassend und kann für verschiedene Phasen des Lochbohrprozesses verwendet werden. Die Berechnung ist jedoch sehr zeitaufwändig und Solana et al. (2001) präsentierten ein vereinfachtes zeitabhängiges Modell, das davon ausgeht, dass die Ausstoßgeschwindigkeit der Schmelze nur entlang der Lochwand liegt und mit minimalem Rechenaufwand Ergebnisse liefern kann.
Die Flüssigkeit bewegt sich infolge des Druckgradienten entlang der vertikalen Wände mit der Geschwindigkeit u nach oben, was wiederum durch die Differenz zwischen dem Ablationsdruck und der Oberflächenspannung geteilt durch die Eindringtiefe x gegeben ist .
Unter der Annahme, dass sich die Bohrfront mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, ist die folgende lineare Gleichung der Flüssigkeitsbewegung an der vertikalen Wand eine gute Annäherung, um den Schmelzausstoß nach dem Anfangsstadium des Bohrens zu modellieren.
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wobei p die Schmelzdichte ist, μ die Viskosität der Flüssigkeit ist, P (t) = (ΔP (t) / x (t)) der Druckgradient entlang der Flüssigkeitsschicht ist, ΔP (t) die Differenz zwischen dem Dampf ist Druck P v und die Oberflächenspannung .
Pulsform-Effekt
Roos (1980) zeigte, dass ein 200-µs-Zug, der aus 0,5-µs-Impulsen besteht, beim Bohren von Metallen überlegene Ergebnisse liefert als ein 200-µs-Impuls in flacher Form. Anisimov et al. (1984) entdeckten, dass sich die Prozesseffizienz durch Beschleunigen der Schmelze während des Impulses verbesserte.
Grad und Mozina (1998) demonstrierten weiter die Wirkung von Pulsformen. Zu Beginn, in der Mitte und am Ende eines 5-ms-Impulses wurde eine Spitze von 12 ns hinzugefügt. Wenn die 12-ns-Spitze zu Beginn des langen Laserpulses hinzugefügt wurde, wo keine Schmelze erzeugt worden war, wurde kein signifikanter Effekt auf die Entfernung beobachtet. Auf der anderen Seite, wenn die Spitze in der Mitte und das Ende des langen Impulses hinzugefügt wurde, wobei die Verbesserung der Bohrens Effizienz betrug 80 und 90% betragen. Der Effekt der Interpulsformung wurde ebenfalls untersucht. Low und Li (2001) zeigten, dass eine Impulsfolge linear ansteigender Größe einen signifikanten Einfluss auf die Ausstoßprozesse hatte.
Forsman et al. (2007) haben gezeigt, dass ein Doppelpulsstrom erhöhte Bohr- und Schnittraten mit deutlich saubereren Löchern erzeugt.
Fazit
Die Hersteller wenden Ergebnisse der Prozessmodellierung und experimentelle Methoden an, um den Laserbohrprozess besser zu verstehen und zu steuern. Das Ergebnis sind qualitativ hochwertigere und produktivere Prozesse, die wiederum zu besseren Endprodukten wie treibstoffsparenderen und saubereren Flugzeugen und stromgenerierenden Turbinentriebwerken führen.