Laserstrahlbohren durchflußbestimmender Durchgangslöcher
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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 38
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Abstract
The aim of the work was the further development of the process of laser beam drilling of through holes in order to improve especially the geometric reproducibility of flow rate determining holes as well as multi-hole-pictures. The obtained quality of the hole finish by laser beam processing should not require any subsequent post processing. An important research result is the reduction of the flow tolerances of laser beam drilled holes to below 1 % of the average flow value. This equals a reduction of about one order of magnitude as opposed to conventional laser beam drilling. This is achieved by the new concept of the in-process-measurement of the flow of process gas through the hole in process. A prerequisite for the flow measurement is the gas proof connection between the tool position which is to be processed and the flow measurement device. For plane workpieces, usually in the form of sheet-metal, clamping devices are proposed which contain a so called process gas chamber. By means of a Computer based control system a hole can be corrected in its flow value by a specific laser beam refinishing and approximated to a predetermined flow rate. As a standard value the present flow value is used, as place values all adjusting Parameters of the laser system, i.e. the laser aggregate and the positioning unit, are used. The most effective control strategy is the one with an adaptive focus shift, which after the production of an initial hole with a first single laser beam pulse calculates the difference to the predetermined flow value and, proportional to it, makes the shift of the focus. The effectiveness of the proposed method of processing is proved with different processing examples at steel sheets of different thickness. At the same time different processing strategies with variable hole geometries and arrangements are examined.
Abstract
Das Ziel der Arbeit bestand in der verfahrenstechnischen Weiterentwicklung des Laserstrahlbohrens von Durchgangslöchern, um insbesondere die geometrische Reproduzierbarkeit durchflussbestimmender Löcher beziehungsweise Mehrlochbilder zu verbessern. Die erreichte Fertigungsqualität der laserstrahlbearbeiteten Löcher soll keine weitere Nachbearbeitung erfordern. Ein wesentliches Forschungsergebnis ist die Reduzierung der Durchflusstoleranzen von laserstrahlgebohrten Löchern auf unter 1 % des Durchflussmittelwerts. Dies entspricht einer Reduzierung um etwa eine Größenordnung gegenüber herkömmlichen Laserstrahlbohrbearbeitungen. Dies gelingt durch das neuartige Konzept der in-process-Messung des Durchflusses des Prozessgases durch das in Bearbeitung befindliche Loch hindurch. Voraussetzung für die Durchflussmessung ist eine gasdichte Verbindung zwischen der zu bearbeitenden Stelle am Werkstück und dem Durchflussmessgerät. Für ebene, in der Regel als Blech vorliegende Werkstücke werden Spannvorrichtungen vorgeschlagen, die eine so genannte Prozessgaskammer beinhalten. Durch den Einsatz einer rechnerbasierten Regeleinrichtung lässt sich ein Loch durch gezielte Laserstrahlnachbearbeitung in seinem Durchflusswert korrigieren und einem vorab festgelegten Solldurchfluss annähern. Als Regelgröße wird der momentane Durchflusswert, als Stellgrößen alle Einstellparameter der Laseranlage, das heißt des Laseraggregats und der Positioniereinheit, genutzt. Als effektivste Regelstrategie bewährt sich diejenige mit adaptiver Fokuslagenverschiebung, bei der nach Herstellung eines Ausgangslochs mit einem ersten Laserstrahleinzelpuls die Differenz zum Solldurchfluss rechnerisch ermittelt und proportional dazu die Anhebung der Fokuslage vorgenommen wird. Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Bearbeitungsverfahrens wird anhand verschiedener Bearbeitungsbeispiele an Stahlblechen unterschiedlicher Dicken nachgewiesen. Dabei werden verschiedene Bearbeitungsstrategien mit variablen Lochgeometrien und -anordnungen untersucht.