Study on the effect of laser drilling parameters on the diameter and tape of 0.1 mm thick AISI 304 stainless steel
,
,
,
,
,
and
Article Sidebar
Full Text: 
PDF
Abstract
To meet the demand for precise micro-hole drilling on thin steel in microelectronics and biomedicine. This study investigates the effects of laser power (P), pulse frequency (f), and scanning speed (v) on the quality of 400 μm micro-holes drilled in 0,1 mm thick AISI 304 stainless steel. Based on 27 experimental sets, results indicate that the taper angle fluctuated between 5,2o and 13,7o, while the diameter deviation from the design specifications ranged from 1 to 15 μm. ANOVA analysis revealed a distinctly non-linear relationship between the drilling parameters (power, frequency, and speed) and the quality indicators (diameter deviation and taper). Each parameter exhibited a unique contribution and mechanism of action on the individual geometric characteristics of the laser-drilled holes. These findings not only provide a scientific foundation for process optimization but also demonstrate the potential to replace specialized, high-cost methods in the manufacturing of micro-components for electronics and biomedical applications.
Tóm tắt
Nghiên cứu này được thực hiện nhằm khảo sát tác động của công suất laser (P), tần số xung (f) và vận tốc quét (v) đến chất lượng lỗ khoan 400 μm trên vật liệu thép không gỉ AISI 304 có độ dày 0,1 mm. Dựa trên 27 tổ hợp thực nghiệm, kết quả cho thấy độ côn dao động trong khoảng 5,2o – 13,7o. Sai lệch đường kính so với kích thước thiết kế được ghi nhận ở mức 1 – 15 μm. Phân tích ANOVA xác định mối quan hệ giữa các thông số khoan (công suất, tần số, vận tốc) và các chỉ tiêu chất lượng (sai lệch đường kính, độ côn) mang tính chất phi tuyến rõ rệt. Mỗi thông số có mức độ đóng góp và cơ chế tác động riêng biệt lên từng đặc tính hình học của lỗ khoan laser. Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa quy trình gia công mà còn mở ra tiềm năng thay thế các phương pháp đặc biệt có chi phí cao trong sản xuất vi linh kiện thuộc lĩnh vực điện tử và y sinh.
Article Details
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
References
Ancona, A., Nodop, D., Limpert, J., Nolte, S., & Tünnermann, A. (2009). Microdrilling of metals with an inexpensive and compact ultra-short-pulse fiber amplified microchip laser. Applied Physics A, 94(1), 19–24.
https://doi.org/10.1007/s00339-008-4906-3
Arrizubieta, I., Lamikiz, A., Martínez, S., Ukar, E., Tabernero, I., & Girot, F. (2013). Internal characterization and hole formation mechanism in the laser percussion drilling process. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 75, 55–62.
https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2013.08.004
Chengal, R. V., Keerthi, T., Nishkala, T., & Maruthi, P. Y. G. (2021). Analysis and optimization of laser drilling process during machining of AISI 303 material using grey relational analysis approach. SN Applied Sciences, 3(3), 335.
https://doi.org/10.1007/s42452-021-04337-6
Ghoreishi, M., Low, D. K. Y., & Li, Ljij. (2002). Comparative statistical analysis of hole taper and circularity in laser percussion drilling. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 42(9), 985–995.
https://doi.org/10.1016/S0890-6955(02)00038-X
Huang, H., Yang, L.-M., & Liu, J. (2014). Micro-hole drilling and cutting using femtosecond fiber laser. Optical Engineering, 53(5), 51513.
https://doi.org/10.1117/1.OE.53.5.051513
Mincuzzi, G., Faucon, M., Hamoudi, T., Fleureau, M., & Kling, R. (n.d.). Zero taper, fast drilling of high thickness metal parts.
Moradi, M., Mohazab Pak, A., & Khorram, A. (2016). An experimental investigation of the effects of fiber laser percussion drilling: Influence of process parameters. International Journal of Advanced Design and Manufacturing Technology, 9(4), 7–12.
Nguyen, H. T., Nguyen, V. T., Nguyen, V. C., Nguyen, K. V., & Ho, J. R. (2025). Multi-Quality Decision Using Preference Selection Index Method in Laser Trepan Cutting of Thin Electrical Steel. Key Engineering Materials, 1010, 21–29.
https://doi.org/10.4028/p-7WK7p2
Wang, L., Wu, C., Rong, Y., Xu, L., & Xia, K. (2025). Optimization Study of Laser-Drilling Processes in Stainless Steel Under Two Scanning Path Strategies. Metals, 15(9), 1024.
https://doi.org/10.3390/met15091024
Wang, L., Xia, R., Zhou, J., Rong, Y., Wu, C., Xu, L., Han, X., & Xia, K. (2025). Experimental Study on Backwater-Assisted Picosecond Laser Trepanning of 304 Stainless Steel. Metals, 15(10), 1138.
https://doi.org/10.3390/met15101138
Zhang, H., Di, J., Zhou, M., & Yan, Y. (2014). A comparison in laser precision drilling of stainless steel 304 with nanosecond and picosecond laser pulses. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 27(5), 972–977.
https://doi.org/10.3901/CJME.2014.0723.125
Zhang, H., Di, J., Zhou, M., Yan, Y., & Wang, R. (2015). An investigation on the hole quality during picosecond laser helical drilling of stainless steel 304. Applied Physics A, 119(2), 745–752.
https://doi.org/10.1007/s00339-015-9023-5