用于在未完工產(chǎn)品上形成表面的激光加工設(shè)備及方法

專利名稱：用于在未完工產(chǎn)品上形成表面的激光加工設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在未完工產(chǎn)品上形成表面的激光加工設(shè)備及方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明屬于在未完工(unfinished)產(chǎn)品上形成表面的激光加工設(shè)備及方法。尤 其是，在未完工產(chǎn)品上形成一個(gè)或幾個(gè)切割邊(cutting edge)、切割表面區(qū)域及自由表面 區(qū)域(free surface area) 0要形成的表面區(qū)域可以例如是芯片或粗糙表面。隨著該表面 的該制造(manufacture)的同時(shí)可形成邊，尤其是切割邊。用這種方法，可以由未完工產(chǎn)品 制成切割工具。未完工產(chǎn)品也可包括彼此附接的幾個(gè)材料層或幾個(gè)元件。已知幾種用于加工一次未完工產(chǎn)品的消融(ablation)方法，例如磨削。非常硬的 材料例如多晶金剛石(PKD)或CVD金剛石(化學(xué)氣相沉積)的磨削，存在技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上的 限制。采用短脈沖激光器的激光消融提供了經(jīng)濟(jì)地加工這些材料以便例如制造工具的更多 可能性。然而，高質(zhì)量切割邊的制造存在問(wèn)題。在現(xiàn)有技術(shù)中，借助于激光掃描器沿著未完 工物體(object)的輪廓(contour)移動(dòng)的激光系統(tǒng)是已知的，而該物體相對(duì)于該掃描器固 定布置。雖然這允許激光掃描器以各個(gè)激光束脈沖可以沿著未完工物體移動(dòng)的高速操作， 但是該過(guò)程所獲得的準(zhǔn)確度不符合當(dāng)今的要求。此外，以這種方式制造的表面區(qū)域和邊偏 離直線且相反提供了不平的，鋸齒狀的形狀。另外激光加工設(shè)備是已知的，其中激光器相對(duì)于未完工物體通過(guò)設(shè)備軸移動(dòng)。用 這種方式，可以改進(jìn)在未完工物體上獲得的表面區(qū)域和邊的準(zhǔn)確度和質(zhì)量，但是可獲得的 消融率小。原因在于機(jī)器軸的動(dòng)力特性和速度是有限的。改進(jìn)機(jī)器軸的動(dòng)力特性要求大的 工作量和花費(fèi)，這使得激光加工夾具非常昂貴。一種用于未完工產(chǎn)品的激光加工的方法和裝置是已知的，例如，DE 299 08585 U1。該裝置包括一個(gè)通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元生成激光束脈沖的激光器，該激光器和/或該物體支承 結(jié)構(gòu)沿橫向于(transverse to)激光器光學(xué)軸線的方向移動(dòng)。在該過(guò)程中，激光束在待消 融以便消融各個(gè)材料層的區(qū)域的整個(gè)寬度之上沿幾條相鄰或重疊的線移動(dòng)。在激光束脈 沖的收縮點(diǎn)(contract point)處，材料被點(diǎn)狀消融。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)材料消融，收縮點(diǎn)重疊 5%-25%。與具有很高頻率的脈沖激光器相關(guān)聯(lián)，相應(yīng)地大的推進(jìn)速度從而是必須的。正 如已經(jīng)指出的，在該過(guò)程中消融率低且工作時(shí)間相應(yīng)地長(zhǎng)。WO 2006/03807 A2公開了兩種不同的激光加工裝置的實(shí)施例。在第一個(gè)實(shí)施例 中，使用激光掃描器，由激光束脈沖的幾個(gè)相鄰沖擊(impact)點(diǎn)形成脈沖區(qū)域。材料消融 發(fā)生在脈沖區(qū)域的激光束脈沖的沖擊位置。在第二實(shí)施例中不提供真實(shí)的消融，而是分割 未完工產(chǎn)品。首先，未完工產(chǎn)品被穿透。在穿透之后，為了不間斷地切割未完工產(chǎn)品，開始推進(jìn)移動(dòng)。這與之前描述的激光加工的變型是對(duì)應(yīng)的。DE 10 2007 012 815 Al公開了一種方法，其中激光束脈沖的沖擊位置通過(guò)掃描 器沿著圖案來(lái)選擇。另外，可執(zhí)行在沖擊點(diǎn)的圖案和未完工產(chǎn)品之間的一維或二維的相對(duì) 運(yùn)動(dòng)。這個(gè)附加的相對(duì)運(yùn)動(dòng)快于沿著掃描器路徑的激光脈沖的路徑運(yùn)動(dòng)。如何生成如此快 速的附加運(yùn)動(dòng)還未被公開?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的機(jī)器軸無(wú)法完成此。本發(fā)明的目的在于提供一種方法和一種激光加工設(shè)備，由此可以以經(jīng)濟(jì)的方式建 立準(zhǔn)確表面區(qū)域和邊圖案的形成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于激光加工未完工物體27的方法及設(shè)備。未完工物體27將形 成帶有切割邊60和自由表面62的切割工具。提供激光器，其生成激光束脈沖M，該激光束 脈沖通過(guò)重定向裝置23定向到未完工物體27的表面26。激光束脈沖M以傾角在沖擊位 置到達(dá)未完工物體27的表面沈，該傾角在激光束脈沖M的激光束方向R與要在未完工物 體27上形成的表面62之間。以這樣的方式控制重定向裝置23使得激光束脈沖M在相鄰 沖擊位置處沖擊且形成脈沖區(qū)55。利用定位裝置，在脈沖區(qū)55和有預(yù)定速度的未完工物體 之間建立相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得由沖擊位置形成的脈沖區(qū)陽(yáng)沿未完工物體27的表面沈移動(dòng)且以 每個(gè)輪廓趟次去除一層厚度dS的消融層。按照本發(fā)明，采用以預(yù)定頻率生成激光束脈沖的脈沖激光器。激光束脈沖通過(guò)偏 轉(zhuǎn)裝置按照預(yù)定的次序定向到物體表面的大量沖擊位置。這些預(yù)定的沖擊位置在未完工 物體的表面上形成二維的脈沖區(qū)域。以直角觀察脈沖表面，這些沖擊位置并排地置于兩個(gè) 空間方向。以這種方式，生成激光束脈沖的序列，這些激光束脈沖定向到彼此不同的脈沖表 面上的預(yù)定的沖擊位置。該序列以預(yù)定的次序重復(fù)多次。與此同時(shí)，在未完工物體和脈沖 區(qū)域之間建立連續(xù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。該相對(duì)運(yùn)動(dòng)的發(fā)生不需要未完工物體表面上的脈沖區(qū)域靜 止。如果例如隨著運(yùn)動(dòng)方向的反轉(zhuǎn)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的短暫靜止階段確實(shí)會(huì)發(fā)生，在該短暫靜止階 段中，該脈沖區(qū)域在未完工產(chǎn)品表面區(qū)域之外。一旦脈沖區(qū)域的一部分到達(dá)未完工物體的 表面，該相對(duì)運(yùn)動(dòng)繼續(xù)而不需停止。定位裝置使未完工物體和/或偏轉(zhuǎn)裝置可能與激光器 一起沿著要生成的邊或表面區(qū)域以相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)。在此過(guò)程中，對(duì)于沿著未完工物體 表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，脈沖區(qū)域以由定位裝置確定的速度移動(dòng)。這導(dǎo)致相對(duì)于未完工物體如工 具移動(dòng)的脈沖區(qū)域內(nèi)的材料消融。結(jié)果，一方面獲得高的消融率且另一方面，以這種方式可 以提供具有與期望的輪廓很小的不準(zhǔn)確度或偏差的非常精確的邊或表面區(qū)域。本發(fā)明結(jié)合 了兩種可替換使用的激光加工過(guò)程。快速掃描器光學(xué)器件用來(lái)形成脈沖表面。在過(guò)程中， 掃描器光學(xué)器件不沿著要形成的表面區(qū)域或邊的所期望輪廓定位激光脈沖，而是使激光束 脈沖轉(zhuǎn)向到脈沖表面的沖擊區(qū)域上。相對(duì)于機(jī)器軸之上的未完工物體的脈沖表面的同時(shí)的 相對(duì)運(yùn)動(dòng)確保了用于獲得具有與預(yù)定圖案的微小偏差的邊和區(qū)域結(jié)構(gòu)的期望的準(zhǔn)確度。優(yōu)先地，定位設(shè)備至少在某些時(shí)候調(diào)整在激光束脈沖的輻射方向和未完工產(chǎn)品上 要形成的區(qū)域之間的傾角(具有大于0的值)。激光束脈沖優(yōu)選地以直角延伸至相對(duì)運(yùn)動(dòng) 方向。脈沖區(qū)域橫向于要生成的表面區(qū)域定向。由于激光束脈沖以傾角相對(duì)于要生成的區(qū) 域定向，在材料消融期間生成附加的開放空間，因此消融區(qū)域內(nèi)的等離子體(plasma)的去 除得到改善。在過(guò)程開始時(shí)，傾角可以為0。其在制造期間當(dāng)達(dá)到該方法的預(yù)定狀態(tài)時(shí)增大。優(yōu)先地，采用以I-IOMHz之間的頻率脈沖激發(fā)的激光。傾角的調(diào)整可例如取決于將加工的未完工物體的材料。傾角可采取范圍為 0° 45° (優(yōu)先地范圍為5° -25° )的值。通過(guò)定位裝置，傾角也可以在加工未完工物體 時(shí)改變，且調(diào)整到期望值。尤其是，如果未完工物體包括不同材料的幾層且如果在加工期間 要加工的材料改變了，則傾角可改變并適配為適于相應(yīng)的材料的傾角。脈沖區(qū)域可以具有基本為矩形的輪廓。形成脈沖區(qū)域的沖擊位置在矩形輪廓 內(nèi)被并排地布置，使得通過(guò)激光束脈沖在沖擊位置處形成的數(shù)個(gè)凹坑(crater)與矩形 輪廓相符合。以另外一種方式描述，脈沖區(qū)域的外部沖擊位置沿著矩形脈沖區(qū)域的周邊 (circumference)布置。替代矩形脈沖區(qū)域，可以提供其它脈沖區(qū)域，例如多邊形的、橢圓形 的或圓形的或環(huán)形的脈沖區(qū)域。脈沖區(qū)域的形成可以適于期望的消融材料和要由未完工物 體形成的完工物體的期望的輪廓。重定向裝置將激光束脈沖優(yōu)選地定向到沿著預(yù)定脈沖路徑布置的沖擊區(qū)域。脈沖 路徑取決于脈沖區(qū)域的形狀且優(yōu)先為曲折形或螺旋形。在此脈沖路徑可具有特殊的沖擊位 置作為起點(diǎn)以及另一沖擊位置作為終點(diǎn)，其中終點(diǎn)布置在分配到要形成的輪廓的脈沖區(qū)域 的邊上。包括終點(diǎn)在內(nèi)的脈沖路徑的路徑結(jié)束段優(yōu)先地成平行或切向于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向延 伸。隨著從終點(diǎn)到起點(diǎn)的復(fù)位運(yùn)動(dòng)(reset movement)，涉及相對(duì)大的調(diào)整路徑，該調(diào)整路徑 基本上比在沿著脈沖路徑的后繼沖擊位置之間的其它重置距離大。由于通過(guò)重定向裝置定 位激光束脈沖的準(zhǔn)確度是有限的，且重定向裝置易于動(dòng)作過(guò)度(over-act)，復(fù)位運(yùn)動(dòng)的運(yùn) 動(dòng)方向定向得遠(yuǎn)離要形成的邊和/或區(qū)域。以這種方式，可避免要產(chǎn)生的輪廓的質(zhì)量缺陷。尤其是通過(guò)選擇或設(shè)定激光器的脈沖頻率以及通過(guò)重定向裝置的速度調(diào)整，沿脈 沖路徑在兩個(gè)后繼的沖擊位置之間的距離可視期望提供。兩個(gè)后繼的激光束脈沖可以定向到脈沖區(qū)域上不同的沖擊位置?？蛇x擇地，包括 兩個(gè)或更多激光束脈沖的脈沖序列可以定向到同一沖擊位置，并且僅下一個(gè)脈沖序列可定 向到不同的脈沖位置。定向到特殊沖擊位置的脈沖序列或單個(gè)脈沖的能量按照所用脈沖的 數(shù)量來(lái)預(yù)定和分配。包含在脈沖序列內(nèi)的激光脈沖的數(shù)量越大，包含在單個(gè)激光束脈沖內(nèi) 的能量越小。覆蓋要生成的表面區(qū)域且必須被消融的未完工物體的材料部分優(yōu)選地在與脈沖 表面區(qū)域基本上平行延伸的層內(nèi)被去除。在激光脈沖輻射方向上的消融層的厚度取決于 激光器的脈沖頻率和脈沖區(qū)域相對(duì)于未完工物體的相對(duì)速度。可獲得幾百毫米的層厚度。 消融層在要形成的區(qū)域前橫向延伸。未完工物體可形成例如帶有至少一切割邊的切割工 具。因此，未完工物體優(yōu)先地包括切割材料層或布置于載體層或載體元件之上的切割材料 元件。要消融的所述材料部分遍布(extend over)兩層。定位裝置可以調(diào)整第一傾角以消 融切割材料層的材料，并且調(diào)整第二傾角以消融載體層的材料。以這種方式，取決于要消融 的材料可以提供最佳消融率且在每個(gè)消融層的消融后，激光束脈沖的焦點(diǎn)位置可通過(guò)聚焦 透鏡或聚焦裝置調(diào)整?？梢愿鶕?jù)特殊材料確定附加的操作參數(shù)。例如，在消融切割材料層的材料期間激 光脈沖的強(qiáng)度可不同于在消融載體層的材料期間的強(qiáng)度。以這種方式可以減小要形成的切 割邊或區(qū)域的期望輪廓之間的偏差。


本發(fā)明的有益的特征將從本發(fā)明的附圖中顯而易見，其中圖1示出激光加工裝置的實(shí)施例的框圖；圖2示出激光加工裝置的實(shí)施例的示意性的透視圖；圖3-5示出了各種形式的脈沖區(qū)域；圖6以橫截面圖示出了兩個(gè)沖擊位置；圖7隨著時(shí)間的推移分別示出了激光束脈沖或脈沖序列的強(qiáng)度；圖以透視圖示意性地示出了具有脈沖區(qū)域的未完工物體；圖8b是通過(guò)在脈沖區(qū)域和未完工物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)獲得的材料去除的示意性 細(xì)節(jié)表示；圖9-13示意性地示出截面圖，該截面圖在加工未完工物體的不同階段橫向于未 完工物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向而取得；圖14示意性地示出帶有真空室的激光加工裝置的另一實(shí)施例；并且，圖15示意地示出圖14所示實(shí)施例的修改。
具體實(shí)施例方式圖1示意性地示出激光加工裝置20。激光加工裝置20包括脈沖激光器21，該脈 沖激光器生成脈沖激光束22且將其定向到具有重定向裝置23的激光頭19。重定向裝置 23能改變激光束脈沖M的定向且將激光束脈沖M定向到未完工物體27的表面沈的預(yù)定 沖擊區(qū)域25。重定向裝置23也可稱為掃描器裝置。它還包括聚焦光學(xué)系統(tǒng)觀。未完工物 體27放置在容納(accommodation)區(qū)域47中。激光加工裝置20還包括控制定位裝置30的控制單元29，由此可調(diào)整和改變激光 頭19和未完工物體之間的相對(duì)位置。定位裝置30的線性軸和旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)目可改變。在優(yōu) 選實(shí)施例中，定位裝置30包括第一調(diào)整裝置31，由此激光頭19可在第一方向32上移動(dòng)。 優(yōu)選地，這是在第一方向32上的線性移動(dòng)。第一調(diào)整驅(qū)動(dòng)器31例如包括第一支架33，其線 性地可滑動(dòng)地支承在第一支架支承結(jié)構(gòu)34上。激光頭19安裝在第一支架33上。分別地，為了物體夾持器(holder) 18、未完工物體27以及激光頭19的線性位移， 定位裝置30可包括附加的調(diào)整驅(qū)動(dòng)器。例如，提供第二支架支承結(jié)構(gòu)34，第二支架可滑動(dòng) 地支承在第二支架支承結(jié)構(gòu)34上以在第二方向37引導(dǎo)。在該第二支架36上安裝第一支 架支承結(jié)構(gòu)；34。第二方向37垂直于第一方向32延伸。第一和第二方向32，37定義一平 面，該平面基本上橫向于激光束脈沖M的射束發(fā)射方向R延伸。第三方向38相對(duì)于兩個(gè)其它方向32，37成直角延伸。第三支架39線性地可滑動(dòng) 地在該第三方向上支承在第三支架支承結(jié)構(gòu)40上。通過(guò)該支架裝置39，40，工件或物體夾 持器18可在第三方向移動(dòng)，由此距激光頭19的工件夾持器18(以及由此未完工物體27) 的距離可調(diào)整。第三方向38例如對(duì)應(yīng)于輻射方向R。在按照?qǐng)D2的實(shí)施例中，輻射方向R 基本水平地延伸，但是可替換地，它可垂直地延伸。因此，分別地，定位裝置30能引起在激光頭19和物體夾持器18之間或在激光頭 19和未完工物體27之間沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向V的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向V不需在空間上是恒定的，而是可以參照三個(gè)方向32，37，38定義路徑。物體夾持器18通過(guò)樞轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(pivot drive) 41布置在第三支架39上，樞轉(zhuǎn)驅(qū) 動(dòng)器能執(zhí)行物體夾持器18繞第一樞轉(zhuǎn)軸4 和/或第二樞轉(zhuǎn)軸42b的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第一樞 轉(zhuǎn)軸4 在第二方向37上延伸，而第二樞轉(zhuǎn)軸42b在第一方向32上延伸。借助于樞轉(zhuǎn)驅(qū) 動(dòng)器41，到達(dá)未完工物體27的低射束脈沖的角度可以根據(jù)需要改變和調(diào)整。定位裝置30可附加地還包括調(diào)整驅(qū)動(dòng)器或分別地樞轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)器，用于調(diào) 整未完工物體27和激光束脈沖M之間的相對(duì)位置。與所示實(shí)施例不同，激光頭也可是靜止 的，并且僅僅是用于未完工物體27的物體夾持器18可設(shè)計(jì)成可滑動(dòng)地且樞轉(zhuǎn)地支承。對(duì) 于實(shí)現(xiàn)定位裝置30，有多種變型可能性。通過(guò)控制單元四控制將由激光頭19和物體夾持 器18之間的定位調(diào)整裝置30調(diào)整的相對(duì)位置。在加工未完工物體27期間或之前，控制單元四為調(diào)整或改變加工參數(shù)來(lái)控制激 光頭19。操作參數(shù)例如是激光束脈沖的強(qiáng)度I和/或優(yōu)選頻率范圍為IMHz到IOMHz的激 光器21的脈沖頻率f和/或聚焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距等。激光加工裝置20包括過(guò)程氣體供給管(process gas supply line)45以及過(guò)程 氣體去除結(jié)構(gòu)46，該去除結(jié)構(gòu)46在接受區(qū)域47的相對(duì)側(cè)沿第二方向37布置，見圖1。在 優(yōu)選的實(shí)施例中，過(guò)程氣流P沿第二方向37以這種方法產(chǎn)生。在加工未完工物體27期間， 可以調(diào)整要加工的表面沈的區(qū)域內(nèi)的過(guò)程氣流P以從加工位置去除在激光消融期間通過(guò) 材料升華所產(chǎn)生的等離子體。在圖14和15所示的實(shí)施例中，為了形成過(guò)程氣流P，可替換地，提供真空變換器 (vacuum changer) 48，其里面布置用于未完工物體27的物體夾持器18和接受區(qū)域47。通 過(guò)抽吸管(suctioning off-line) 49，真空室48與真空泵50連接，使得在接受區(qū)域47內(nèi) 能產(chǎn)生受控真空。在這種情況下，重定向裝置23可布置在真空室48內(nèi)，見圖14或，可替換 地，其可布置在真空室48外面，例如圖2和15所示。在這種情況下，真空室至少在用于激 光束脈沖M的入口區(qū)域51處對(duì)于所用的激光波長(zhǎng)必須是透明的。利用重定向裝置23，激光束脈沖M定向到脈沖區(qū)55的區(qū)域內(nèi)的未完工物體27處 的表面26。激光束脈沖M沖擊表面26的沖擊位置25且導(dǎo)致存在材料消融由此形成漏斗 狀的凹坑56，如圖6所示。沖擊位置沈在此處認(rèn)為分別用中心點(diǎn)或凹坑56的中心軸線來(lái) 表示。大量預(yù)定的間隔開的沖擊位置25形成脈沖區(qū)55。控制單元四為重定向裝置23確定用于后繼沖擊位置25的布置的脈沖路徑B。重 定向裝置23使激光束脈沖M沿著脈沖路徑B定向到后繼的沖擊位置25。脈沖路徑B的路 線取決于脈沖區(qū)陽(yáng)的形狀且，對(duì)于按照?qǐng)D3的矩形脈沖區(qū)55，其沿著由直線部分路線構(gòu)成 的曲折狀路徑。在脈沖區(qū)55拐角點(diǎn)處的沖擊位置25形成起點(diǎn)S，該起點(diǎn)與要形成的邊60 或表面區(qū)域62隔開。從起點(diǎn)S開始，激光束脈沖M沿著脈沖路徑B放置，直到位于脈沖區(qū) 對(duì)角上的作為脈沖路徑B的終點(diǎn)E的沖擊位置25。脈沖路徑B的路徑段57延伸得例如平 行于要形成的表面區(qū)域62或邊60。該路徑末段57直接放置得相鄰于要產(chǎn)生的表面區(qū)域 62或邊60。到達(dá)終點(diǎn)E后，通過(guò)重定向裝置23發(fā)起反向運(yùn)動(dòng)且，隨后激光束脈沖M從起 點(diǎn)S開始再次定向到脈沖路徑B。反向運(yùn)動(dòng)延伸得遠(yuǎn)離要產(chǎn)生的輪廓區(qū)域60，62。這分別 在圖3到5由虛線箭頭示出。激光束脈沖M的激光線性地偏振。激光器21和/或在激光器21與激光頭19處的激光脈沖束M的出口位置之間的束引導(dǎo)設(shè)計(jì)成使得激光束脈沖M的偏振方向L具有相 對(duì)于脈沖路徑B的預(yù)定定向。該定向優(yōu)選地這樣選擇以使得偏振方向L和脈沖路徑B的至 少一段彼此平行延伸。該偏振方向尤其平行于路徑段57延伸。偏振方向L在圖3中在一 些凹坑56中通過(guò)在脈沖路徑B的沖擊區(qū)域25內(nèi)放置的箭頭指示。為了影響相對(duì)于脈沖路徑B的偏振方向L，激光器21可繞其輻射方向旋轉(zhuǎn)到期望 的旋轉(zhuǎn)位置。但是，不是所有類型的激光器21允許任何期望的定位。為了調(diào)整偏振方向， 可替換地，至少一個(gè)光學(xué)元件可引入到激光的射束路徑，其改變?cè)谶M(jìn)和出激光之間的偏振 方向，該光學(xué)元件例如，相移延遲板(phase-shifting delay plate)，特別是λ/2板。該 λ /2板通過(guò)旋轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)激光的偏振方向，該旋轉(zhuǎn)角大小上是在相對(duì)于λ /2板的光軸的入 射光的偏振方向之間的入射角的兩倍。偏振方向也可通過(guò)一個(gè)或多個(gè)重定向鏡的反射改 變。在沿著脈沖路徑B的兩個(gè)后繼的沖擊位置25之間的距離A通過(guò)激光器21的脈沖 頻率f和重定向裝置23的調(diào)整速度而預(yù)定。隨著脈沖路徑B的方向的變化，該距離也可變 化。對(duì)于圓形，或橢圓形或其它彎曲形狀的脈沖區(qū)55，包括終點(diǎn)E在內(nèi)的路徑段57也 可相對(duì)于要形成的輪廓60，62切向延伸(圖4)。在這種情況下，脈沖路徑B是螺旋形。脈 沖區(qū)55也可是環(huán)形段形，如圖5所示。可替換地，為了對(duì)準(zhǔn)沿著存入控制單元的曲折或蛇形路徑或其它的脈沖路徑的該 后繼激光束脈沖M，可以進(jìn)行選擇，其中限定所述脈沖區(qū)的一系列的所有沖擊位置25從起 點(diǎn)S通到終點(diǎn)E。優(yōu)先地，在過(guò)程氣流P的方向上，起點(diǎn)S和終點(diǎn)E被盡可能遠(yuǎn)地彼此分開， 其中過(guò)程氣體從終點(diǎn)E流向起點(diǎn)S。在優(yōu)選實(shí)施例中僅有一個(gè)激光束脈沖M定向到每一個(gè)沖擊位置25且下一個(gè)激光 束脈沖定向到到脈沖區(qū)陽(yáng)的另一個(gè)沖擊位置25上。這一過(guò)程在圖7中在上圖部分中示出。 兩后繼的脈沖M之間的時(shí)間距離可從激光器21的實(shí)際脈沖頻率f的倒數(shù)獲得。脈沖激光 器21可以是微微秒激光器或毫微微秒激光器的形式。如果后繼的激光束脈沖M定向到到不同的沖擊位置25上，這些激光束脈沖M具 有強(qiáng)度11。如圖7其它兩個(gè)圖所示，兩個(gè)或更多的激光脈沖M可以在下一個(gè)沖擊位置被定 址前定向到到一個(gè)沖擊位置25。換句話說(shuō)，重定向裝置23可以使幾個(gè)激光束脈沖M的脈 沖序列65在后繼脈沖序列65定向到到一沖擊位置25之前定向到到另一沖擊位置25上。 包含在脈沖序列65內(nèi)且作用于沖擊位置25上的能量應(yīng)當(dāng)與具有強(qiáng)度Il的單個(gè)激光束脈 沖M的能量相對(duì)應(yīng)。這就是脈沖序列65的單個(gè)激光束脈沖M的強(qiáng)度I減小的原因。在 此處所示實(shí)施例中，脈沖序列65的總強(qiáng)度I是恒定的。因此，在脈沖序列65中的單個(gè)激光 脈沖M的強(qiáng)度I與強(qiáng)度Il除以包含在該激光脈沖序列65內(nèi)的激光脈沖M數(shù)量的商相對(duì) 應(yīng)。凹坑56的直徑D取決于在沖擊位置25上激光脈沖M的有效直徑，該有效直徑可 以通過(guò)光學(xué)聚焦系統(tǒng)觀預(yù)定且尤其是還可在加工過(guò)程期間調(diào)整。然而現(xiàn)在通過(guò)重定向裝置23，加工二維空間上限定的脈沖區(qū)55，同時(shí)定位裝置30 沿著要在未完工物體27的表面沈上形成的邊60或者表面區(qū)域62啟動(dòng)脈沖區(qū)55的相對(duì) 運(yùn)動(dòng)。換句話說(shuō)，形成在脈沖區(qū)域55內(nèi)的、具有大量激光脈沖M的沖擊位置25的材料消融區(qū)域以預(yù)定的相對(duì)速度Vrel在相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向V上分別沿著要形成的邊60或表面區(qū)域面 62的側(cè)而移動(dòng)。只要脈沖區(qū)55的至少一部分在未完工物體的表面沈上，該相對(duì)速度Vrel 總大于0。以這種方式，在未完工產(chǎn)品上，可以分別制造僅具有分別與期望邊或表面輪廓小 的偏差的邊或表面。這尤其在切割工具的制造中相關(guān)，該切割工具設(shè)置有由刮削(shaving) 表面61和自由表面區(qū)域62劃定(delimit)的一個(gè)或多個(gè)切割邊60。傾角α例如通過(guò)定位裝置30和樞轉(zhuǎn)裝置41調(diào)整。傾角α定義為激光束脈沖M 的射束方向R和平面F之間的角，在該平面F內(nèi)，待從未完工物體中加工的表面區(qū)域62關(guān) 于脈沖區(qū)55放置。與彎曲表面輪廓相連，平面F表示與實(shí)際加工位置切向的平面。該要被 調(diào)整的傾角α由控制單元四確定且在未完工物體27的加工期間可以改變。為了獲得最 佳的消融率，傾角α適于待消融的未完工物體的材料。與包括不同部分或材料層的未完工 物體27有關(guān)，以這種方式總是設(shè)置這樣的傾角α，其最優(yōu)地調(diào)至(time to)材料，由此加工 效率明顯改進(jìn)。下面，將參照?qǐng)D9到13來(lái)描述加工未完工物體27以形成切割邊60和與切割邊60 相鄰的自由表面區(qū)域62的各種階段。未完工物體27包括切割材料層，該切割材料層由切割元件70形成且例如包括多 晶金剛石，PKD，或CVD金剛石。切割元件70放置在載體元件71上，該載體元件71表示載 體層且例如包括硬質(zhì)合金。該兩個(gè)元件70，71通過(guò)連接層72 (例如焊接層)堅(jiān)固地互連。 可替換地，切割材料層也可例如通過(guò)如PVD的過(guò)程直接放置在載體層上。未完工物體27的上側(cè)在完工物體上形成切割工具的刮削表面61。與刮削表面61 相鄰，自由表面區(qū)域62從未完工物體27中加工出來(lái)，其期望的輪廓線用線73示出。要形 成的楔角(wedge angle)是例如90°。與要形成的切割邊60相鄰放置的第一自由表面部 分6 相對(duì)于刮削表面61成楔角延伸。相鄰第一自由表面部分6 放置第二自由表面部 分62b，該第二自由表面部分62b相對(duì)于刮削表面61成比所述楔角小的角度延伸。為了露 出自由表面區(qū)域62及還因此露出切割邊60，未完工物體的材料部分63必須完全去除，該材 料部分63完全覆蓋要形成的自由表面區(qū)域62且包括切割元件70和載體元件71的部分。 材料部分63包括相鄰刮削表面61放置的未完工物體27的側(cè)面區(qū)域。優(yōu)先地材料部分63 在消融期間幾乎完全升華以至于僅有小的殘余部分64殘留作為廢片。該殘余部分包括少 于10% (體積)且優(yōu)先地少于5% (體積)的材料部分63。到達(dá)脈沖區(qū)55的區(qū)域中的表面沈的激光束脈沖M導(dǎo)致材料的消融。激光頭19 在激光束脈沖M的產(chǎn)生期間沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向V(其在圖9到13中是與圖平面成直角)運(yùn) 動(dòng)，使得脈沖區(qū)域55沿著未完工物體27的表面沈位移。該相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度是幾毫米 每分鐘且比對(duì)于沿脈沖路徑B的沖擊位置25的位移而言的重定向裝置23的調(diào)整速度(其 具有米每秒的數(shù)量級(jí))小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。材料的消融沿著要形成的自由表面區(qū)域62逐層發(fā) 生。隨著沿要形成的自由表面區(qū)域62以相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向V的脈沖區(qū)55的每一次完整的位移 (其可以是指定的輪廓趟次Ki (i = 1...Π))，消融層被去除。該輪廓趟次(contour pass) Ki. . . Kn重復(fù)η次直到材料部分63被完全去除。消融層厚具有幾百毫米的度度dS。正如圖8b所示意性示出的，作為相對(duì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，在脈沖區(qū)55的區(qū)域內(nèi)材料消融 深度在與脈沖區(qū)55的相對(duì)運(yùn)動(dòng)相反的方向上增加。沿著相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向V在脈沖區(qū)55尾端 處，材料消融深度最大，且確定了消融層的層厚度dS，這是由于作為其連續(xù)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，脈沖區(qū)陽(yáng)的前部區(qū)域已經(jīng)移開了(move over)未完工物體27的表面沈的該區(qū)域。相反，在 表面區(qū)域內(nèi)在脈沖區(qū)55的前端處的材料消融深度仍然小，這是由于該區(qū)域剛剛由脈沖區(qū) 55達(dá)到。在每個(gè)輪廓趟次Ki (i = Ι.,.η)之后，激光束脈沖M的聚焦設(shè)置自動(dòng)調(diào)整，這是 由于表面沈距激光頭19的距離由于去除的消融層的厚度dS而改變。這由在每個(gè)輪廓趟 次Ki(i = Ι.,.η)之后聚焦光學(xué)系統(tǒng)觀的焦點(diǎn)設(shè)置的調(diào)整和/或定位裝置30來(lái)補(bǔ)償。焦 點(diǎn)設(shè)置也可以在激光束脈沖通過(guò)脈沖區(qū)陽(yáng)期間自動(dòng)適配，這是由于如前所述，在脈沖區(qū)55 內(nèi)材料消融深度在相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向V的反向上增加，以至于在脈沖區(qū)55內(nèi)，激光頭19和未完 工物體27的表面沈之間的距離也變化了。當(dāng)該過(guò)程開始時(shí)，如圖9和圖10所示，在第一表面部分6 和激光束輻射方向R 之間的傾角α可設(shè)定為0，因此該傾角α在圖9和圖10中未指定且僅僅在相鄰切割邊60 的一個(gè)或幾個(gè)消融層消融后傾角α可能增大。傾角α在數(shù)學(xué)上可以是正的或負(fù)的。通過(guò) 確定適當(dāng)?shù)膬A角α，可非常準(zhǔn)確地加工楔角和切割邊60。然而，可選擇地，在該過(guò)程開始時(shí) 可能已設(shè)定非零的傾角α。對(duì)于加工該第一表面部分62a，如圖11所示，設(shè)定大約5° -10°的第一傾角α 1。 激光束脈沖M的強(qiáng)度I具有第一強(qiáng)度值 κ。一旦自由表面62的足夠大的區(qū)域被生成并且 作為結(jié)果，已經(jīng)達(dá)到脈沖區(qū)55距切割邊60的最小距離，激光束脈沖M的強(qiáng)度可變?yōu)榈诙?強(qiáng)度值IG(如圖12所示，由激光束脈沖M的相對(duì)粗的虛線象征)，其在本文提供的實(shí)例中 比第一強(qiáng)度值IK (其在圖11中由激光束脈沖M的相對(duì)細(xì)的虛線象征)大IK < IG。在該典型的實(shí)施例中，當(dāng)切割元件70區(qū)域內(nèi)的材料部分63被消融且達(dá)到連接層 72時(shí)，強(qiáng)度I變?yōu)榈诙?qiáng)度值IG。在該時(shí)刻，控制單元四啟動(dòng)將傾角α從第一傾角α 變到第二傾角α 2，其中，第二傾角α 2例如大于第一傾角α 。在該典型實(shí)施例中，用于載 體元件71的材料消融的第二傾角α 2大約為10° -25°，如圖12所示?？偸窍鄬?duì)于要形 成的自由表面部分62a、62b測(cè)量?jī)A角α。如果要形成的自由表面區(qū)域62是成角度的或彎 曲的，定位裝置30改變激光頭19與未完工物體27的相對(duì)位置以保持期望的傾角α。本發(fā)明涉及用于未完工物體27的激光加工的方法及設(shè)備。該未完工物體27尤其 是形成帶有切割邊60和自由表面區(qū)域62的切割工具。激光束脈沖M由激光器產(chǎn)生，并通 過(guò)重定向裝置23定向到到未完工物體27的表面26。激光束脈沖M以在激光束脈沖M的 射束方向R和要在未完工物體27上形成的自由表面62之間的傾角α到達(dá)沖擊區(qū)域25。該 傾角α可通過(guò)定位裝置30在材料消融期間和之前被適配，且可適于改變的操作參數(shù)。以這 種方式控制重定向裝置23使得激光束脈沖M沖擊在并排放置的沖擊區(qū)域25。預(yù)定數(shù)量的 沖擊位置25形成脈沖區(qū)55。激光束脈沖M按照預(yù)定次序重復(fù)定向到脈沖區(qū)55的每個(gè)沖 擊位置25上。通過(guò)定位裝置30，脈沖區(qū)55和未完工物體27以恒定速度相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)， 使得由預(yù)定沖擊位置25形成的脈沖區(qū)55沿著未完工物體的表面沈移動(dòng)，并且層隨著每個(gè) 輪廓趟次而消融。在脈沖區(qū)55區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的材料消融因此沿著表面沈連續(xù)地移動(dòng)。以這 種方式在未完工物體27內(nèi)或上，同時(shí)以高的消融率，可形成非常準(zhǔn)確的邊或表面輪廓。標(biāo)號(hào)18 物體夾持器19 激光頭0069]20激光加工設(shè)備0070]21脈沖激光器0071]22激光束0072]23重定向裝置0073]24激光束脈沖0074]25沖擊區(qū)域0075]26未完工物體的表面0076]27未完工物體0077]28聚焦光學(xué)系統(tǒng)0078]29控制單元0079]30定位裝置0080]31第一調(diào)整驅(qū)動(dòng)器0081]32第一方向0082]33第一支架0083]34第一支架支承結(jié)構(gòu)0084]35第二支架支承結(jié)構(gòu)0085]36第二支架0086]37第二方向0087]38第三方向0088]39第三支架0089]40第三支架支承結(jié)構(gòu)0090]41樞轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器0091]42a第一樞轉(zhuǎn)軸0092]42b第二樞轉(zhuǎn)軸0093]45過(guò)程氣體供給管0094]46過(guò)程氣體去除結(jié)構(gòu)0095]47接受區(qū)域0096]48真空室0097]49抽吸管0098]50真空泵0099]51入口區(qū)域0100]55脈沖區(qū)0101]56漏斗狀凹坑0102]57路徑段0103]60切割邊0104]61刮削表面0105]62自由表面區(qū)域0106]62a第一自由表面部分0107]62b第二自由表面部分[O108] 63 材料部分[O109] 64 殘余部分
65脈沖序列
70切割元件
71 載體元件
72連接層
73線
o傾角
A距離
B脈沖路徑
D直徑
dS層厚度[O120] E終點(diǎn)
f脈沖頻率[O122] F面[O123] 工強(qiáng)度[O124] Ki輪廓趟次(i—l至11)
1 偏振方向
P 過(guò)程氣流
R 射束發(fā)射方向[O128] S起點(diǎn)
V 相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向[O130] Vrel相對(duì)速度
權(quán)利要求
1.一種用于制造未完工物體07)的輪廓(60，62)的激光加工設(shè)備，包括激光器(21)，提供激光束脈沖02J4)；重定向裝置(23)，將激光器的激光束脈沖04)定向到在未完工物體(XT)上的預(yù) 定脈沖區(qū)(55)內(nèi)的間隔開的預(yù)定沖擊位置05)；以及，定位裝置(30)，用于以相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向(V)沿著要形成的邊(60)或表面(6 執(zhí)行所述 未完工物體(XT)和所述脈沖區(qū)(5 之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
2.按照權(quán)利要求1所述的激光加工設(shè)備，其中所述定位裝置(30)提供和設(shè)置在所述激 光束脈沖04)的所述激光束方向(R)和要形成在未完工物體(XT)上的表面(6 之間的 傾角(α)0
3.按照權(quán)利要求1所述的激光加工設(shè)備，其中覆蓋要形成的邊(60)或表面(62)的未 完工物體(XT)的材料部分(6 以基本平行于所述脈沖區(qū)(5 延伸的幾個(gè)層消融趟次在層中去除。
4.按照權(quán)利要求3所述的激光加工設(shè)備，其中所述消融層橫向于要在未完工物體07) 上形成的表面(62)延伸。
5.按照權(quán)利要求2所述的激光加工設(shè)備，其中在加工所述未完工物體(XT)期間，所述 定位裝置(30)改變所述傾角(α )。
6.按照權(quán)利要求2所述的激光加工設(shè)備，其中根據(jù)所述未完工物體(XT)的材料，在定 位裝置內(nèi)預(yù)定傾角(α)。
7.按照權(quán)利要求2所述的激光加工設(shè)備，其中所述未完工物體(XT)包括放置在載體 層(71)上的切割材料層(70)和遍布兩個(gè)層(70，71)的要去除的材料部分(63)，其中所述 定位裝置(30)調(diào)整用于消融所述切割材料層(70)的材料的第一傾角(α )以及用于消融 所述載體層(71)的材料的第二傾角(α 2)。
8.按照權(quán)利要求7所述的激光加工設(shè)備，其中在消融所述切割材料層(70)的材料期 間的激光脈沖04)的強(qiáng)度(I)與在消融所述載體層(71)的材料期間施加的激光脈沖04) 的強(qiáng)度不同。
9.按照權(quán)利要求7所述的激光加工設(shè)備，其中所述切割材料層被提供用于建立切割 邊，而所述載體層(71)用于支承所述切割層，并且所述兩層堅(jiān)固地連接。
10.權(quán)利要求2所述的激光加工設(shè)備，其中所述傾角(α)范圍為0°到45°范圍。
11.權(quán)利要求1所述的激光加工設(shè)備，其中重定向裝置將激光束脈沖04)以預(yù)定 順序定向到所述脈沖區(qū)(55)的沖擊區(qū)域05)。
12.權(quán)利要求1所述的激光加工設(shè)備，其中重定向裝置將激光束脈沖04)定向到 沿預(yù)定脈沖路徑(B)放置的預(yù)定輸入位置05)。
13.權(quán)利要求12所述的激光加工設(shè)備，其中所述脈沖路徑(B)具有起點(diǎn)( 和終點(diǎn) (E)，其中標(biāo)記所述終點(diǎn)(E)的所述沖擊位置0 布置在所述脈沖區(qū)(5 的周邊上，其被 分配到要形成的邊(60)或自由表面區(qū)域(62)。
14.權(quán)利要求12所述的激光加工設(shè)備，其中在沿著所述脈沖路徑(B)的兩個(gè)后繼的輸 入位置位幻之間的距離(A)通過(guò)所述激光器的脈沖頻率(f)和所述重定向裝置03) 的調(diào)整速度預(yù)定。
15.權(quán)利要求15所述的激光加工設(shè)備，其中所述重定向裝置將兩個(gè)緊接著后繼的激光脈沖04)定向到所述脈沖區(qū)(55)的不同沖擊位置05)。
16.權(quán)利要求1所述的激光加工設(shè)備，其中所述重定向裝置將包括至少兩個(gè)激光 束脈沖04)的兩個(gè)緊接著后繼的脈沖序列(6 定向到所述脈沖區(qū)(5 的不同沖擊位置 (25)。
17.權(quán)利要求10所述的激光加工設(shè)備，其中所述傾角(α)尤其是范圍為5°到25°。
18.一種用于對(duì)未完工物體(XT)制造輪廓(60，62)的方法，包括以下步驟 提供所述未完工物體(XT)；生成激光束脈沖(22，24)且將激光束脈沖04)定向到以間隔開的關(guān)系放置在未完工 物體、2Τ)上的脈沖區(qū)(55)內(nèi)的沖擊位置上；執(zhí)行在所述未完工物體咖和所述脈沖區(qū)(55)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中所述相對(duì)運(yùn)動(dòng) 沿著要形成的輪廓(60，62)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向(V)上延伸。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在未完工產(chǎn)品上形成表面的激光加工設(shè)備及方法。一種用于激光加工未完工物體的方法及設(shè)備。未完工物體將要形成帶有切割邊和自由表面的切割工具。提供激光器以生成激光束脈沖，該激光束脈沖通過(guò)重定向裝置定向到未完工物體的表面。激光束脈沖以傾角在沖擊位置到達(dá)未完工物體的表面，該傾角在激光束脈沖的激光束方向與要在未完工物體上形成的表面之間。以這種方式控制重定向裝置使得激光束脈沖在相鄰沖擊位置處沖擊且形成脈沖區(qū)。利用定位裝置，在脈沖區(qū)和有預(yù)定速度的未完工物體之間建立相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得由沖擊位置形成的脈沖區(qū)沿未完工物體的表面移動(dòng)且以每個(gè)輪廓趟次去除一層厚度(dS)的消融層。
文檔編號(hào)B23K26/10GK102091875SQ20101058020
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者G·布倫納, H·穆沙爾特, R·弗里德里希, U·孔齊克 申請(qǐng)人:埃瓦格股份公司