Laserbohren: Schnelle und genaue Positionierung von Werkstück und Laserstrahl mit einer gemeinsamen Steuerungsstrategie

Ob bei der Fertigung von Kraftstoffeinspritzdüsen, Kühlbohrungen für Luft- und Raumfahrtkomponenten oder Microvias in Leiterplatten (PCB) – das Laserbohren erobert kontinuierlich neue Anwendungen. Ein wichtiger Treiber ist der Trend zur Miniaturisierung, der von Laserbohrmaschinen immer höhere Genauigkeiten bis in den Submikronbereich verlangt.

Das neue Konzept basiert auf gestapelten Lineartischen (XY) mit langen Verfahrwegen für die Werkstückpositionierung, einer hochdynamischen Z-Achse für die Laserfokussierung und der Möglichkeit, sowohl die Strahl- als auch die Werkstück-positionierung durch den Einsatz von Piezoantrieben zu verbessern. Die ACS-Controller und die Piezoantriebe von PI sowie spezielle Lasersteuerungsoptionen erhöhen den Durchsatz und die Präzision während des Prozesses. Beides ist für das Bohren von tiefen Löchern mit hohen Aspektverhältnissen bei gleichzeitiger Kontrolle der Wärmeeinflusszone (Heat-Affected Zone – HAZ) unerlässlich.

Präzise Positionierung von Werkstücken

Für die Bewegung und exakte Positionierung von Werkstücken unter dem Laser bietet PI modular aufgebaute Hybridantriebe. Servo-angetriebene Tische mit Kugelumlaufspindeln oder direkt angetriebene präzise Lineartische bieten große Stellwege, während hochsteife Piezo-Positionierer die Feineinstellungen vornehmen. Diese arbeiten mit Nanometerpräzision und können Werkstücke passgenau verfahren, um komplexe Geometrien mit spezifischen Vorgaben für die Wandung zu erzeugen. Das Einschwingen auf die Position erfolgt innerhalb von Millisekunden während der lineare Encoder mit Nanometer-Auflösung höchste Präzision ermöglicht.

Die Piezopositionierer nutzen den umgekehrten Piezoeffekts. Durch Anlegen einer Spannung erzeugen piezoelektrische Keramiken Bewegungen im Nanometerbereich, hochdynamisch und mit höchster Wiederholgenauigkeit. Die dafür eingesetzten PICMA Piezoelemente von PI Ceramic zeichnen sich durch Verschleißfreiheit aus und positionieren auch nach Milliarden von Zyklen mit derselben Präzision wie bei der Inbetriebnahme.

Den Laserfokus verfahren

Für die vertikale Positionierung des Laserfokus bietet PI mit dem Voice-Coil-getriebenen V-308 eine hochdynamische Lösung mit Stellwegen von bis zu 8 mm. So können auch in dicken Werkstücken Löcher mit einem großen Aspektverhältnis und senkrechten Wänden gebohrt werden. Die Koordination der Z-Bewegung mit den Achsen des Positioniertisches erfolgt ohne Umweg über die Maschinensteuerung mit einem ACS-Mikrocontroller. Er regelt alle Antriebe im Closed-Loop-Betrieb. Der ACS-Mikrocontroller koordiniert dabei die Z-Bewegung direkt mit den Achsen des Positioniertisches. Da der ACS-Controller die Option für CNC-G-Code-Scripting bietet, kann dieser universelle Programmieransatz ebenso verwendet werden wie die native, leistungsfähige ACS-Sprache. Die Kommunikation über EtherCAT vereinfacht das Engineering und die Inbetriebnahme. Darüber hinaus verbessert der Einsatz der Dynamischen Digitalen Linearisierung (DDL), einem Piezosteuerungsalgorithmus, die Nachführleistung bei Hochfrequenzanwendungen und optimiert so die Prozessqualität und Produktivität.