Haarfeine Löcher bohren

Spinndüsen in der Textilindustrie sind nur ein Beispiel für sehr dünne Löcher in Metallen. Laser sind für solche Aufgaben mechanischen Verfahren überlegen. Auf der Messe LASER zeigen Forscher, wie Löcher mit exotischen Geometrien präzise gebohrt werden können.

Gewöhnliche zylindrische Löcher zu bohren, ist im Haushalt wie in der Industrie kein sehr großes Problem. Größer wird es, wenn das Loch sehr klein sein soll, denn Bohrer von der Stärke eines Haares – also mit rund 70 Mikrometern Durchmesser – wären nicht gerade stabil. Zur Fertigung von Ziehsteinen für dünne Drähte, Spinndüsen oder Führungen für Fasern greifen Fachleute daher auf die Funkenerosion oder auf Laser zurück. Für allerfeinste Löcher hat sich auch in der Mikroelektronik oder beim Bau von Motorteilen eine Familie von Verfahren etabliert, die mit gebündelten Lichtstrahlen berührungslos und daher verschleißfrei arbeitet. Besonders schwierig wird es, wenn die Bohrung konisch, also kegelförmig sein muss und sich ihr Querschnitt in Bohrrichtung aufweitet. Solche Geometrien werden beispielsweise bei Düseneinsätzen benötigt, deren Rückseiten unzugänglich sind. Ein Verfahren, das selbst derart geformte Löcher bohrt, stellen Forscher vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik auf der LASER in Halle B3 am Stand 145 vor. Die Fachmesse für optische Technologien findet vom 13. bis 16. Juni in München statt.

„Mit der Wendelbohroptik können wir kreisrunde Bohrungen mit Durchmessern von bis zu 30 Mikrometern erzeugen“, sagt Welf Wawers von der ILT-Abteilung Mikrostrukturierung. „Bei konischen Bohrungen kann der Durchmesser des Lochs am Austritt doppelt so groß sein wie am Eintritt.“ Die Forscher haben bis zu zwei Millimeter starke Werkzeug- und Edelstähle bearbeitet. In weniger als einer viertel Minute schießt der gepulste Laser ein Loch von 50 Mikrometern Durchmesser durch die Metallplatten. Oft ist es wichtig, dass die Wände des Bohrkanals besonders glatt und regelmäßig sind. Dies ist ein weiterer Vorteil des Wendelbohrens gegenüber herkömmlichen Laserbohrverfahren.

Doch wie kann der Apparat überhaupt Löcher bohren, die sich nach hinten aufweiten? Der Laserstrahl trifft unter einem verstellbaren Winkel auf ein Prisma und unter einem anderen wieder aus. So strahlt er ebenfalls unter einem variablen Winkel auf das Werkstück. Wie auf einer Wendeltreppe, die nach unten weiter wird, arbeitet sich der doppelkegelförmig rotierende Strahl in die Tiefe des Materials. Die besondere Geometrie des Prismas bewirkt zudem, dass der Laserstrahl mit der doppelten Geschwindigkeit des Elektromotors bis zu 660-mal pro Sekunde in sich rotiert. Dies gleicht eine inhomogene Intensitätsverteilung auf der bestrahlten Fläche aus, was zu einer besonders hohen Güte des Bohrlochs führt.