Fraunhofer ILT boort 200 precisiegaten per seconde in titanium

2 miljoen gaten laserboren per uur in 1 mm dik titanium? Het Fraunhofer ILT laat zien dat dit kan. De Akense onderzoekers gebruiken hiervoor krachtige ultrakorte puls lasers. Met de nieuwste laserkrachtbronnen van meer dan 10 kW, boort men zelfs met meerdere laserstralen parallel.

Onder andere in de luchtvaartindustrie is het gebruik van de laser om mee te boren toegenomen. Vliegtuigbouwers verminderen de turbulentie rond de vleugels door miljoenen kleine gaten te boren. Dat doen ze met lasers. Er zijn eigenlijk twee varianten van de technologie: laserboren met een stationaire laser of met een laserstraal die tijdens de bewerking een spiraalvormige beweging maakt.

Zeer snel of zeer precies

Het snelste is met een enkele laserstraal door het materiaal heen te schieten. Wie meer tijd voor de bewerking heeft, kiest voor de spiraalvormige beweging van de straal. Vaak zijn hierdoor spiegels nodig, wat de installatie duurder maakt. Hier staat wel tegenover dat de nauwkeurigheid hoger is. Percussieboren is een alternatief waarbij meerdere keren een laserpuls op dezelfde positie wordt gericht. Omdat de pulsduur en – energie van invloed zijn op het eindresultaat, hebben de ultrakorte puls lasers iets extra’s te bieden in dit proces. Met veel vermogen in een zeer kort tijdbestek verandert deze laser vrijwel elk materiaal in plasma. Het resultaat is een zeer goede oppervlaktekwaliteit, maar wel de langste cyclustijd.

4 miljoen gaten boren

In het eerste voorbeeld hebben de onderzoekers van het Fraunhofer ILT het laserboren met één enkele puls zo ver geoptimaliseerd, dat in 1 mm dik titanium zo’n 200 gaten van 80 µm per seconde worden geboord. De focusdiameter van de laser is 12 µm. Op een 6-assige manipulator is een 2 meter lange vliegtuigvleugel bewerkt. Dat gebeurde on the fly. Met Optical Coherende Tomography (OTC) werd de afstand tussen het optisch systeem en de vleugel constant gehouden. Op deze manier werden ongeveer 2 miljoen gaten geboord per vierkante meter oppervlak. Alles bij elkaar ging het om 4 miljoen gaten in de 2 vierkante meter grote demonstrator die in minder dan 3 uur werden geboord.

30 precisiegaten per seconde in 2 mm dik aluminium

Omdat niet alle gaten op deze manier geboord kunnen worden, heeft Fraunhofer ILT percussieboren ontwikkeld, een variant op het laserboren. Dit is nodig voor gaten met een hogere lengte-diameter verhouding; of als er hogere eisen aan de kwaliteit van het gat worden gesteld. Voor deze toepassingen gebruikt het onderzoeksinstituut meerdere laserpulsen die op hetzelfde gat worden gericht. Dit proces is complexer. Ook moeten de individuele pulsen krachtig genoeg zijn om het materiaal volledig uit het gat te verwijderen voordat het kan stollen. Daarom is er een nieuw type fiberlaser ontwikkeld met een piek puls vermogen van 20 kW die met een repeteerfrequentie van 2000 Hz werkt. Daarmee boort men per seconde 30 gaten in 2 mm dik aluminium. Ook diameters van 500 µm heeft men hiermee geboord met een afwijking van minder dan 5% bij het binnen gaan van het materiaal en zelfs minder dan 2,5% als de laser het materiaal verlaat.

Links een 3D model van de vliegtuigvleugeldeel (afbeelding Sonaca); rechts het laserboren door Fraunhofer ILT. De gaten in de vleugel verminderen de turbulentie waardoor het brandstof verbruikt daalt. De 80 µm kleine gaten worden on the fly geboord met een snelheid van 150 mm / s (foto’s Fraunhofer ILT)

Hoog vermogen ultrakorte puls lasers

Bij het Fraunhofer ILT gaat men er vanuit dat komende jaren de opmars van hoog vermogen ultrakorte puls lasers doorzet. In het Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS ontwikkelen deskundigen van verschillende Fraunhofer-instituten momenteel straalbronnen met vermogens van meer dan 10 kW, alsmede de daarvoor benodigde procestechnologie. Zij moeten ook een oplossing bieden voor het huidige probleem van de lage productiviteit van USP-lasers. Dergelijke krachtige laserstraalbronnen maken ook het gebruik van optische systemen met meerdere bundels mogelijk. Daarmee kun je straks honderden of duizenden gaten parallel boren. In het SimConDrill-project zijn op deze manier al filterplaten voor afvalwaterfilters met miljoenen gaatjes van 10 µm geboord. Met zulke kleine gaatjes kunnen de filters in openbare afvalwaterinstallaties worden gebruikt om microplastics af te vangen tot onder 10 µm.

 Het Fraunhofer ILT presenteert de ultrakorte puls laser technologie in april op Laser World of Photonics in München. En van 4-6 mei vindt in Aken het AKL plaats, het eigen lasercongres.