Häfner, Constantin LeonHaasler, DennisDennisHaasler2023-02-032023-02-032022978-3-98555-119-43-9855511-9-7https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/435517Die 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.Material processing by means of ultrashort laser pulses has made enormous progress in the last 20 years, also due to the continuous development of ever more powerful laser beam sources. Drilling with ultrashort pulse (usp) laser radiation has also benefited from this development, as more powerful laser beam source made higher ablation rates and greater drilling depths possible. This makes applications conceivable that could not previ-ously be achieved with laser-based drilling techniques. Precise, shaped micro-holes with a depth of several millimeters are required in many high-tech applications such as cool-ing holes in turbine components, in spinnerets for fibre production, as a supply of lubri-cants in (forming) tools or in screens for stock preparation. However, these applications cannot or only to a limited extent be addressed with available manufacturing processes.In this work, a new drilling technique is therefore developed for the production of both large and deep as well as precise holes using usp laser radiation. For this drilling tech-nique, high pulse energies and high average powers are required. These lead to undesir-able effects such as the formation of gas breakthrough plasmas or melting due to heat accumulation. The consequences of these effects on the removal rate and the geomet-ric and metallurgical quality during drilling are therefore investigated in detail at the be-ginning. From these findings, boundary conditions are derived that the newly developed deep drilling technique must comply with. This drilling technique is based on a full re-moval of the hole cross-section including a shift of the focal plane over the entire drilling depth. As a result, precise holes with hole diameters larger than 200 µm and aspect rati-os of up to 25 can be manufactured. In addition, an optical system specially designed for this drilling technique is being developed and constructed, which allows highly dynamic deflection of the laser beam. This work also provides the tools to design the deep drilling processes and determine both its principal and its technical limits because of the availa-ble system technology.deDDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaftendoctoral thesis