CN102962774A - 硬脆材料的加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种硬脆材料的加工装置及方法，其加工装置，包括：至少一激光加工机构，该激光加工机构于底面结合至少一隔离镜片，该激光加工机构可发出一激光束经隔离镜片射出；至少一喷砂加工机构，结合于该激光加工机构的隔离镜片下端，该喷砂加工机构下端输出高压微粉粒，以对一硬脆材料进行加工，且该激光加工机构的激光束透过喷砂加工机构而由该喷砂加工机构下端射出，而对该硬脆材料进行加工。本发明具有不需耗损、更换钻头刀具，同时，可消除单一激光加工机具所会产生的加工速度缓慢，且加工成本偏高，不具产业利用的经济效益的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬脆材料的加工装置及方法，特别是应用于用于硬脆材料加工及以激光与高压微粉粒喷砂同轴加工硬脆材料的装置及方法。
背景技术
硅、玻璃、陶瓷、砷化镓(GaAs)、氧化锆(ZrO 2)、碳化硅(SiC)、石墨、宝石、碳纤复合材料等硬脆材料，由于材料本身具备硬、脆特性，因此，在对硬脆材料加工有其困难，如以现有坚硬钻石刀具研靡加工该硬脆材料，则易使钻石刀具靡耗损坏，造成机具的损坏，且无法对该硬脆材料的细部部位进行加工；又如以现有激光束加工该硬脆材料，则受限于激光能量集中于细微光束的关系，必需耗费较多的加工时间，使其加工成本偏高，而不符产业利用的经济效益，仅能对硬脆材料的细部加工，如钻孔或初步表面加工，因而局限其加工用途及范畴，且激光加工热熔可能会在加工路径上产生毛边或熔屑，导致需二次修边加工。
在相关的先前专利技术文献方面，如中国台湾省发明专利第476737号「平板玻璃母材的切割方法」发明专利案，则揭示典型现有的钻石刀具加工切割平板玻璃的方法，同样会产生上述现有以钻石刀加工料的刀具靡耗与细部加工困难的缺点。
又，中国台湾省发明专利第489059号「玻璃板分割装置及方法」案与PCT第WO2011/025908号「METHODS FOR LASER CUTTING ARTICLES FROMCHEMICALLY STRENGTHENED GLASS SUBSTRATES」公开案，则揭示一种现有的飞秒激光(Femtosecond Laser)切割加工玻璃的装置及方法，虽然加工速度较现有激光加工机构快一些，但相对地，该飞秒激光加工设备成本相当昂贵，并非可以便宜及经济地应用于硬脆材料加工线上，而不具产业利用的经济效益。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题在于，克服现有技术存在的上述缺陷，而提供一种硬脆材料的加工装置及方法，其具有不需耗损、更换钻头刀具，同时，可消除单一激光加工机具所会产生的加工速度缓慢，且加工成本偏高，不具产业利用的经济效益的缺陷。
本发明解决具技术问题所采用的技术方案是：
一种硬脆材料的加工装置，该装置包含至少一激光加工机构及至少一喷砂加工机构，该激光加工机构可发出激光束，以对一硬脆材料进行加工，该喷砂加工机构结合于激光加工机构下方，该激光束可穿透过该喷砂加工机构以对该硬脆材料进行加工，或由喷砂加工机构以喷砂粉末对硬脆材料高速侵蚀加工，或者，由激光加工机构与喷砂加工机构同时对硬脆材料进行加工。
前述的硬脆材料的加工装置，其中激光加工机构所发出的激光束的波长在10640纳米～193纳米间。
前述的硬脆材料的加工装置，其中喷砂加工机构包括：一文氏管，上端结合于该激光加工机构下端的隔离镜片下端，该文氏管两端分别设有一压力输入、粉粒输出，且该文氏管中间的隘口部位并形成至少一粉粒导入，该激光加工机构输出的激光束经由该文氏管内部而由该粉粒输出口射出；一压力导入装置，连结该文氏管的压力输入口，以输入高压压缩空气或其它压缩气体；一粉粒导入装置，内部容置该微粉粒，且该粉粒导入装置连结于该文氏管的粉粒导入口，以将微粉粒导入文氏管的隘口部位中。
前述的硬脆材料的加工装置，其中喷砂加工机构包括：一筒体，该筒体区隔形成一中空内层及一外层，该中空内层上端结合于该激光加工机构下端，且中空内层下端形成一开口，该开口两侧壁分别结合一隔绝板，该两隔绝板间结合至少一镜片，该激光加工机构所发出的激光束，则透过该镜片射出，该筒体的外层于周边设有一粉粒输入口，该外层下端设有一输出口；一压力桶，内容置微粉粒，该压力桶的周边与底端分别设有一压力输入口及粉粒输出口，该粉粒输出口供微粉粒输出，且该粉粒输出口并连结该筒体的外层的粉粒输入口，以将该微粉粒注入该筒体的外层，而令微粉粒经由该外层由该输出口输出；一压力输入器，连结该压力桶的压力输入口，以供输入压缩空气或其它压缩气体给压力桶；一喷嘴，连结于该筒体的外层下端的输出口，使该微粉粒经该喷嘴以高压方式喷出，而该激光加工机构的激光束经镜片射出后，经由筒体而由喷嘴射出，使该喷砂加工机构的高压微粒粒的喷出路径与该激光束射出路径为同轴心的同轴状态。
前述的硬脆材料的加工装置，其中筒体的形状为锥状。
前述的硬脆材料的加工装置，其中压力输入器输入的压缩空气或其它压缩气体的压力为1～10kg/cm2。
前述的硬脆材料的加工装置，其中激光加工机构输出的激光束路径与喷砂加工机构输出的高压微粉粒路径在于同一轴心的同轴状态。
本发明更进一步提供一种硬脆材料的加工方法，其步骤包括：
(A)选择何种加工模式？如为第一种模式则进行步骤B；如为第二种模式则进行步骤C；如为第三种模式则进行步骤D；
(B)以激光加工机构先对该硬脆材料进行加工，先以一激光加工机构的激光束对一硬脆材料进行加工形成加工路径或打小孔路径；
(B1)以喷砂加工机构沿加工路径进行硬脆材料加工，借由一喷砂加工机构对步骤B的激光加工机构于硬脆材料所形成的加工路径或小孔路径进行加工；
(B2)返回步骤A；
(C)以激光加工机构先对该硬脆材料进行加工形成加工路径，先以一激光加工机构的激光束对一硬脆材料进行加工形成加工路径或打孔路径；
(C1)以激光加工机构沿该加工路径对硬脆材料进行加工，由激光加工机构以激光束沿步骤C所形成的加工路径或孔路径予以加工该硬脆材料；
(C2)返回步骤A；
(D)以激光加工机构与喷砂加工机构同时对硬脆材料进行加工，以一激光加工机构的激光束与一喷砂加工机构的高压微粉粒，同时对一硬脆材料进行加工；
(D1)返回步骤A。
前述的硬脆材料的加工方法，其中步骤(d)的激光加工机构的激光束与喷砂加工机构的高压微粉粒输出路径在于同一轴心的同轴状态。
本发明的硬脆材料的加工装置及方法的功效，在于利用该激光加工机构与喷砂加工机构设置在上、下位置，且激光加工机构的激光束可透过喷砂加工机构而对硬脆材料进行加工，也可以由喷砂粉末高速侵蚀加工该硬脆材料，或同时使用激光加工机构的激光束与喷砂加工机构的喷砂粉末高速侵蚀，而同时加工硬脆材料，可以视硬脆材料的加工面积、部位与速度需求，而选择该激光加工机构或喷砂加工机构任一者或二者同时，对该硬脆材料进行加工，可完全消弭上述现有钻石刀具或激光束加工机具或方法所产生的问题与缺点。
本发明的有益效果是，其具有不需耗损、更换钻头刀具，同时，可消除单一激光加工机具所会产生的加工速度缓慢，且加工成本偏高，不具产业利用的经济效益的缺陷。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的硬脆材料的加工装置的第一实施例图；
图2为本发明的硬脆材料的加工装置的第二实施例图；
图3为本发明的硬脆材料的加工装置的较佳应用例；
图4为本发明的硬脆材料的加工装置的第一种加工实施状态的硬脆材料结构示意图；
图5为一侧视图，显示图4中的硬脆材料以本发明的激光加工机构对硬脆材料烧灼保护膜形成加工路径的状态；
图6为一侧视图，显示图4中的硬脆材料以本发明的喷砂加工机构沿加工路径对硬脆材料加工的状态；
图7为本发明的硬脆材料的加工装置对一硬脆材料的第二种加工实施状态示意图；
图8为本发明的硬脆材料的加工装置对一硬脆材料的第三种加工实施状态示意图；
图9为一侧视图，显示图8中的硬脆材料以本发明的激光加工机构对硬脆材料加工的状态；
图10为本发明的硬脆材料的加工装置对一硬脆材料的第四种加工实施状态示意图；
图11为一侧视图，显示图10中的硬脆材料以本发明的喷砂加工机构对硬脆材料加工的状态；
图12为本发明的硬脆材料的加工装置对一硬脆材料的第五种加工实施状态示意图；
图13为本发明的硬脆材料的加工方法的流程图。
图中标号说明：
100 加工装置 10 激光加工机构
11 隔离镜片 12 激光束
20 喷砂加工机构 21 文氏管
211 压力输入口 212 粉粒输出口
21A 隘口部位 213 粉粒导入口
22 压力导入装置 23 粉粒导入装置
231 微粉粒 24 筒体
241 中空内层 242 外层
243 开口 243a 隔绝板
243b 镜片 242a 粉粒输入口
242b 输出口 25 压力桶
251 微粉粒 252 压力输入口
253 粉粒输出口 26 压力输入器
27 喷嘴 200 移动机构
300 控制机构 400 硬脆材料
410 保护胶膜 500 硬脆材料
510 孔 520 小孔
530 大孔 600 选择何种加工模式
610 以激光加工机构先对该硬脆材料进行加工
611 以喷砂加工机构沿加工路径进行硬脆材料加工
612 返回步骤600
620 以激光加工机构先对该硬脆材料进行加工形成加工路径
621 以激光加工机构沿该加工路径对硬脆材料进行加工
622 返回步骤600
630 以激光加工机构与喷砂加工机构同时对硬脆材料进行加工
631 返回步骤600
具体实施方式
请参阅图1所示，为本发明的硬脆材料的加工装置100的第一实施例，其中，该加工装置100包括至少一激光加工机构10，该激光加工机构10于底面结合至少一隔离镜片11，该激光加工机构10可发出一激光束12经隔离镜片11射出，该激光束12的波长不限，在本发明中列举波长在10640纳米(nm)～193纳米(nm)间的激光束12为例。
至少一喷砂加工机构20，结合于该激光加工机构10的隔离镜片11下端，该喷砂加工机构20的型式不限，在本发明的第一实施例中揭示以文丘里管(Venturi tube)型式为例，其中，包括一文氏管21、压力导入装置22及粉粒导入装置23，该文氏管21上端结合于该激光加工机构10下端的隔离镜片11下端，该文氏管21两端分别设有一压力输入口211、粉粒输出口212，且该文氏管21中间的隘口部位21A并形成至少一粉粒导入口213，该激光加工机构10输出的激光束12可经由该文氏管21内部而由该粉粒输出口212射出，该压力输入口211供连结该压力导入装置22，以输入高压压缩空气或其它压缩气体，该粉粒导入装置23内部容置该微粉粒231，且该粉粒导入装置23连结于该文氏管21的粉粒导入口213，以将微粉粒231导入文氏管21的隘口部位21A中。
当压力输入口211经由该压力导入装置22输入高压压缩空气或其它压缩气体于文氏管21中，该输入的高压压缩空气或其它压缩气体经该隘口部位21A流向粉粒输出口212时，则该隘口部位21A因空气流速或其它压缩气体流速增加产生局部真空，而令该粉粒导入装置23内部的微粉粒231被以局部真空吸出导入文氏管21的隘口部位21A，而连同该文氏管21内的高压压缩空气或其它压缩气体向粉粒输出口212喷出，在本发明图1中所揭示的实施例，是列举该微粉粒231喷出的路径与该激光加工机构10经粉粒输出口212射出的激光束12的路径为同轴心的同轴状态的例子，使该隔离镜片11提供该微粉粒231与激光加工机构10间的隔绝作用。
请再配合图2所示，为本发明的硬脆材料的加工装置100的第二实施例，其中，该喷砂加工机构20包括一筒体24、压力桶25、压力输入器26及喷嘴27，该筒体24的形状不限，在本发明的第二实施例中以锥状为例，该筒体24区隔形成一中空内层241及一外层242，该中空内层241上端结合于该激光加工机构10下端，且中空内层241下端形成一开口243，该开口243两侧壁分别结合一隔绝板243a，该两隔绝板243a间则结合至少一镜片243b，该激光加工机构10所发出的激光束12，则透过该镜片243b射出，该筒体24的外层242于周边设有至少一粉粒输入口242a，该外层242下端设有一输出口242b 。
该压力桶25内容置该微粉粒251，该压力桶25的周边与底端分别设有一压力输入口252及粉粒输出口253，该压力输入口252连结该压力输入器26，以供输入压力为1～10kg/cm2的压缩空气或其它压缩气体，使该粉粒输出口253供微粉粒251以高压输出，且该粉粒输出口253连结该外层242的粉粒输入口242a，以将高压的微粉粒251注入该筒体24的外层242，而令高压微粉粒251经由该外层242由该输出口242b输出。
该喷嘴27连结于该筒体24的外层242下端的输出口242b，使该高压微粉粒251经该喷嘴26以高压方式喷出，而该激光加工机构10的激光束12经镜片243b射出后，经筒体24内部而由该喷嘴27射出，在图2中所示的实施例，是列举该喷砂加工机构10的高压微粒粒251的喷出路径与该激光束12射出路径为同轴心的同轴状态的例子。
上述图1及图2所示本发明的激光加工机构10的激光束12输出路径与喷砂加工机构20的高压微粉粒231或251输出路径，并非一定为同轴心的同轴输出状态，也可以设计成不同轴心的输出路径。
请再参阅图3所示，为本发明的硬脆材料的加工装置100较佳应用例，其中，该硬脆材料的加工装置100结合一移动机构200及一控制机构300，该移动机构200的型式不限，在本发明中以CNC加工移动机具为例，使该移动机构200可带动该激光加工机构10及喷砂加工机构20作多轴向同步的移动，该控制机构300则可控制激光加工机构10、喷砂加工机构20及移动机构200的动作。
请再配合图4、图5及图6所示，为本发明的硬脆材料的加工装置100对一硬脆材料400的第一种加工实施状态，其中，该硬脆材料400为一晶圆型态(如图4所示)，该硬脆材料400表面贴合一保护胶膜410，使该激光加工机构10先以激光束12烧灼局部的保护胶膜410(如图5所示)，形成加工路径，再由该喷砂加工机构20以高压微粉粒231予以沿该激光束12烧灼保护胶膜410的加工路径，予以进行硬脆材料400蚀刻的加工(如图6所示)，并可对该激光加工机构10的激光束12加工硬脆材料400所产生的毛边或熔屑，而该蚀刻加工模式，并不限于仅只于打孔、切割，举凡是等效的表面侵蚀加工方式，如局部减薄、浮雕、热处理、焊接、熔接等加工方式，当不脱本发明的范畴。
请再参阅图7所示，为本发明的硬脆材料的加工装置100对一硬脆材料400的第二种加工实施状态，其中，显示直接以激光加工机构10对该硬脆材料400的保护胶膜410予以烧灼形成加工路径，并再以激光束12进行该加工路径上的硬脆材料400表面的加工，如使用于晶圆型态的硬脆材料400的细部部位加工。
请再配合图8及图9所示，为本发明的硬脆材料的加工装置100对一硬脆材料500的第三种加工实施状态，其中，应用于一硬脆材料500的状态，该硬脆材料500并未贴合保护胶膜，由激光加工机构10的激光束12先于硬脆材料500上进行打孔510加工形成加工路径(如图8所示)，再由激光束12沿该打孔510所形成的路径予以进行硬脆材料500的加工(如图9所示)。
请再参阅图10及图11所示，为本发明的硬脆材料的加工装置100对一硬脆材料500的第四种加工实施状态，其中，先用激光加工机构10的激光束12先于该硬脆材料500打穿小孔520(如图10所示)，再以喷砂加工机构20以高压微粉粒231予以用同轴侵蚀该该小孔520加工，而于该硬脆材料500形成大孔530，以使该激光加工机构10与喷砂加工机构20对该硬脆材料500进行同轴加工，可快速于硬脆材料500上加工大孔径的大孔530。
请再配合图12所示，为本发明的硬脆材料的加工装置100对一硬脆材料500的第五种加工实施状态，其中，显示该电射加工机构10及喷砂加工机构20同时对该硬脆材料500进行加工，即同时利用激光束12及高压微粉粒231对该硬脆材料500进行加工，可以借由激光束12的烧灼或熔解或裂片能量与高压微粉粒231的侵蚀加工予以对硬脆材料500进行快速加工。
以上所列举的图3至图12的本发明的硬脆材料的加工装置100对硬脆材料400或500的加工方式，揭示图1所示的第一实施例的激光加工机构10与喷砂加工机构20为例，同样地，亦可同理适用于图2所示的激光加工机构10与喷砂加工机构20的激光束12与高压微粉粒251的加工结构。
请再参阅图13所示，为本发明的硬脆材料的加工方法的流程图，其步骤包括步骤600～631，其中：
(600)选择何种加工模式？如为第一种模式则进行步骤610；如为第二种模式则进行步骤620；如为第三种模式则进行步骤630。
(610)以激光加工机构先对该硬脆材料进行加工，先以激光加工机构10的激光束12对该硬脆材料400或500进行加工形成加工路径或打小孔520路径，如图4～图6、图10及图11所示的加工方式所示。
(611)以喷砂加工机构沿加工路径进行硬脆材料加工，借由喷砂加工机构20对步骤610的激光加工机构10于硬脆材料400或500所形成的加工路径或小孔520路径进行加工。
(612)返回步骤600。
(620)以激光加工机构先对该硬脆材料进行加工形成加工路径，先以激光加工机构10的激光束12对该硬脆材料400或500进行加工形成加工路径或打孔510路径，如图7、图8及图9所示的加工方式所示。
(621)以激光加工机构沿该加工路径对硬脆材料进行加工，由激光加工机构10以激光束12沿步骤620所形成的加工路径或孔510路径予以加工该硬脆材料400或500。
(622)返回步骤600。
(630)以激光加工机构与喷砂加工机构同时对硬脆材料进行加工，以激光加工机构10的激光束12与喷砂加工机构20的高压微粉粒231或251，同时对该硬脆材料500进行加工，如图12所示的加工方式。
(631)返回步骤600。
上述步骤600～631中所揭示的方法内容，可以为控制程序或软件预先烧录或预先储存于如图3中所示的控制机构300中以自动控制方式执行，或另由使用者以手动方式选择执行。
上述图13中的步骤600～631中所揭示的激光加工机构10的激光束12与喷砂加工机构20的高压微粉粒231或251的输出路径并非一定为同轴心的同轴状态，亦可为不同轴的状态。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种硬脆材料的加工装置，其特征在于，包括；
至少一激光加工机构，该激光加工机构于底面结合至少一隔离镜片，该激光加工机构可发出一激光束经隔离镜片射出；
至少一喷砂加工机构，结合于该激光加工机构的隔离镜片下端，该喷砂加工机构下端输出高压微粉粒，以对一硬脆材料进行加工，且该激光加工机构的激光束透过喷砂加工机构而由该喷砂加工机构下端射出，而对该硬脆材料进行加工。
2.根据权利要求1所述的硬脆材料的加工装置，其特征在于，所述激光加工机构所发出的激光束的波长在10640纳米～193纳米间。
3.根据权利要求1所述的硬脆材料的加工装置，其特征在于，所述喷砂加工机构包括：
一文氏管，上端结合于该激光加工机构下端的隔离镜片下端，该文氏管两端分别设有一压力输入、粉粒输出，且该文氏管中间的隘口部位并形成至少一粉粒导入，该激光加工机构输出的激光束经由该文氏管内部而由该粉粒输出口射出；
一压力导入装置，连结该文氏管的压力输入口，以输入高压压缩空气或其它压缩气体；
一粉粒导入装置，内部容置该微粉粒，且该粉粒导入装置连结于该文氏管的粉粒导入口，以将微粉粒导入文氏管的隘口部位中。
4.根据权利要求1所述的硬脆材料的加工装置，其特征在于，所述喷砂加工机构包括：
一筒体，该筒体区隔形成一中空内层及一外层，该中空内层上端结合于该激光加工机构下端，且中空内层下端形成一开口，该开口两侧壁分别结合一隔绝板，该两隔绝板间结合至少一镜片，该激光加工机构所发出的激光束，则透过该镜片射出，该筒体的外层于周边设有
一粉粒输入口，该外层下端设有一输出口；
一压力桶，内容置微粉粒，该压力桶的周边与底端分别设有一压力输入口及粉粒输出口，该粉粒输出口供微粉粒输出，且该粉粒输出口并连结该筒体的外层的粉粒输入口，以将该微粉粒注入该筒体的外层，而令微粉粒经由该外层由该输出口输出；
一压力输入器，连结该压力桶的压力输入口，以供输入压缩空气或其它压缩气体给压力桶；
一喷嘴，连结于该筒体的外层下端的输出口，使该微粉粒经该喷嘴以高压方式喷出，而该激光加工机构的激光束经镜片射出后，经由筒体而由喷嘴射出，使该喷砂加工机构的高压微粒粒的喷出路径与该激光束射出路径为同轴心的同轴状态。
5.根据权利要求4所述的硬脆材料的加工装置，其特征在于，所述筒体的形状为锥状。
6.根据权利要求4所述的硬脆材料的加工装置，其特征在于，所述压力输入器输入的压缩空气或其它压缩气体的压力为1～10kg/cm2。
7.根据权利要求1所述的硬脆材料的加工装置，其特征在于，所述激光加工机构输出的激光束路径与喷砂加工机构输出的高压微粉粒路径在于同一轴心的同轴状态。
8.一种硬脆材料的加工方法，其步骤包括：
(a)选择何种加工模式？如为第一种模式则进行步骤b，如为第二种模式则进行步骤c，如为第三种模式则进行步骤d；
(b)以激光加工机构先对该硬脆材料进行加工，先以一激光加工机构的激光束对一硬脆材料进行加工形成加工路径或打小孔路径；
(b1)以喷砂加工机构沿加工路径进行硬脆材料加工，借由一喷砂加工机构对步骤b的激光加工机构于硬脆材料所形成的加工路径或小孔路径进行加工；
(b2)返回步骤a；
(c)以激光加工机构先对该硬脆材料进行加工形成加工路径，先以一激光加工机构的激光束对一硬脆材料进行加工形成加工路径或打孔路径；
(c1)以激光加工机构沿该加工路径对硬脆材料进行加工，由激光加工机构以激光束沿步骤c所形成的加工路径或孔路径予以加工该硬脆材料；
(c2)返回步骤a；
(d)以激光加工机构与喷砂加工机构同时同轴对硬脆材料进行加工，以一激光加工机构的激光束与一喷砂加工机构的高压微粉粒，同时对一硬脆材料进行加工；
(d1)返回步骤a。
9.根据权利要求8所述的硬脆材料的加工方法，其特征在于，所述步骤(d)的激光加工机构的激光束与喷砂加工机构的高压微粉粒输出路径在于同一轴心的同轴状态。
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