CN111432976A - 用于通过流体射流引导的激光束使工件3d成形的设备 - Google Patents

用于通过流体射流引导的激光束使工件3d成形的设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于通过利用激光束102进行的材料烧蚀而使工件101 3D成形的设备100。所述设备100包括加工单元103，该加工单元103被配置成将加压的流体射流104提供至工件101上并将激光束102朝向工件101耦合至流体射流104中。另外，所述设备100包括运动控制器105，该运动控制器105被配置成设定工件101相对于加工单元103的x‑y‑z位置。所述设备100还包括测量单元107，该测量单元107被配置成测量加压的流体射流104在工件101上的入射点108沿z方向的z位置。

Description

用于通过流体射流引导的激光束使工件3D成形的设备
技术领域
本发明涉及一种用于通过材料烧蚀而使工件三维(3D)成形为最终零部件的设备。利用在流体射流中被引导至工件上的激光束、优选地脉冲激光束来实现材料烧蚀。本发明还涉及一种通过利用耦合至流体射流中的激光束进行的材料烧蚀而使工件3D成形的方法。
背景技术
用于利用耦合至加压的流体射流中的激光束对工件进行加工的传统设备是普遍已知的。然而，利用这种传统设备对工件进行“加工”仅限于贯穿切削和贯穿钻孔。该设备的加工过程控制不足以允许使工件完整地3D成形为最终零部件。这主要是由于这样的事实：传统设备最多只知道激光束在工件的哪个x-y位置处烧蚀材料，但是不知道发生材料烧蚀的z位置。因此，该设备也无法确定激光束实际上在工件的z方向(深度)烧蚀多少材料。因此，传统设备例如不能精确地控制进入工件的切削深度或钻孔深度。
工件的传统3D成形通过增材制造(Additive Manufacturing，AM)或减材制造(Subtractive Manufacturing，SM)进行。“AM”是指通过材料沉积(通常是逐层沉积)建立最终零部件的期望3D形状的过程，而“SM”是指从工件(固体实体)中去除材料以便获得最终零部件的期望3D形状的过程。对于许多实际应用，SM比AM更优选。这是因为使用SM可以更快、更有效、且更经济地生产许多零部件。
另外，激光SM(即利用激光束从工件上去除材料)的优势在于，激光SM可以与传统的加工技术(例如铣削)结合，以实现更有效的整体成形过程。然而，传统的激光SM是相对缓慢且非常不精确的过程。
鉴于上述内容，本发明的目标在于改进用于生产具有期望3D形状的零部件的传统SM，特别是提高处理速度和精度。为此目的，本发明旨在利用如下设备的优势，该设备用于通过SM利用耦合至流体射流中的激光束对工件进行加工。因此，本发明的目的是提供一种用于通过利用由流体射流引导的激光束进行的材料烧蚀而使工件3D成形的设备和方法。特别地，该设备和方法应当能够使工件成形为具有任何期望的3D形状的最终零部件。成形过程应当快速且准确。因此，本发明的设备和方法还应当使SM过程比传统的SM更有效率且更经济。
发明内容
本发明的目的是通过所附独立权利要求中提供的解决方案来实现的。在从属权利要求中限定了本发明的有利实施方式。
特别地，本发明提出使用耦合至流体射流中的激光束通过材料烧蚀而使工件3D成形。通过利激光束从工件上去除材料而使工件成形为最终零部件。换句话说，最终零部件是通过SM获得的。
本发明的第一方面提供了一种用于通过利用激光束进行的材料烧蚀而使工件3D成形的设备，该设备包括：加工单元，该加工单元被配置成将加压的流体射流提供至工件上并将激光束朝向工件耦合至流体射流中；运动控制器，该运动控制器被配置成设定工件相对于所述加工单元的x-y-z位置；测量单元，该测量单元被配置成测量所述加压的流体射流在工件上的入射点沿z方向的z位置。
运动控制器允许在三个维度上移动工件，以利用激光束实现任何3D轮廓的成形。设定的x-y-z位置与工件在预定的轴(坐标)系统中相对于原点位置(o-o-o位置)的位置有关。由此，由运动控制器设定的工件的x-y-z位置可以通过可移动的加工面(在其上放置有工件)的定位来确定。运动控制器还能够沿旋转方向移动工件(例如，实现平移、倾斜和滚动)。优选地，运动控制器能够以高速度和高精度改变工件的位置。因此，通过材料烧蚀使工件3D成形能够以当今不具备的速度和精度实现。可替选地，轴系统在所有的线性轴和旋转轴或在这些轴中的一些轴上移动加工单元。
在3D成形过程中，测量单元用作深度传感器，并且在任何时间和任何位置(即流体射流和激光束撞击在工件上的位置)提供有关材料烧蚀的z位置的知识。该z位置通常与运动控制器设定的材料表面的z位置不同。例如，如果流体射流沿工件表面移动，或者如果激光束从工件表面烧蚀材料(即加工成工件)，则该z位置可能改变。激光束从工件表面烧蚀材料使入射点更深地移动至工件中。通过运动控制器也设定z位置的一个原因是确保受控的成形过程。优选地，将工件定位成使得其在距流体射流产生点一定距离内被流体射流冲击，该流体射流产生点恒定地在确定的范围内。因此，即使在z方向上从工件烧蚀掉越来越多的工件材料，工件也可以始终与流体射流的最有效地引导激光束的部分相互作用。值得注意的是，在本文中，术语“流体射流”是指能够像纤维一样引导激光束的层流状流体射流。由所述设备输出的流体仅在一定长度上形成层流状流体射流，并且超过该长度，流体射流变成不稳定的流体流，该流体流最终分散成液滴。
在本文中，“测量”流体射流在工件上的入射点的z位置包括物理量的至少一个有效测量。例如，该测量可以包括测量从测量单元发射波的时间点与由测量单元接收从工件反射的波的时间点之间的时间差。作为另一示例，如果使用干涉原理，则该测量可以包括测量不同波的相位差。作为另一示例，该测量可以包括流体射流的特征长度的光学、电气或电容测量。“测量”z位置不仅仅意味着基于例如设备、工件和/或最终零部件的一些已知尺寸来估计z位置。测量的流体射流在工件上的入射点的z位置允许确定激光束在给定x-y位置处沿z方向从工件上烧蚀掉多少材料。该信息对于获得完整的3D成形能力至关重要。发生材料烧蚀的x-y位置可从由运动控制器设定的x-y-z位置的x-y坐标得到。因此，第一方面的设备具有关于工件的3D成形过程的完整控制和位置信息。
因此，所述设备有利地被配置成通过基于加压的流体射流在工件上的入射点的z位置的材料烧蚀来控制工件的3D成形。
在第一方面的优选的实施形式中，激光控制器被配置成基于由运动控制器设定的x-y-z位置和由测量单元测量的加压的流体射流在工件上的入射点的z位置来调节激光束的功率或能量。
因此，工件的快速、精确且完全受控的3D成形过程是可行的。
在第一方面的另一优选实施形式中，激光束是脉冲式的，并且所述设备还包括激光控制器，该激光控制器被配置成基于由运动控制器针对每个激光脉冲设定的x-y-z位置以及由测量单元在该激光脉冲之前测量的加压的流体射流在工件上的入射点的z位置，单独地调节每个激光脉冲的能量。
这意味着，每个激光脉冲的能量可以由设备单独地调节，以在工件的z方向(深度)上(在激光烧蚀的给定x-y位置处)实现特定量的材料烧蚀。特别地，可以以快速且直接的方式来控制每个激光脉冲的烧蚀结果。因此，工件的快速且精确的3D成形过程是可行的。
在第一方面的另一优选实施形式中，测量单元被配置成确定每个激光脉冲在由测量单元在该激光脉冲之后测量的加压的流体射流在工件上的入射点的z位置处的烧蚀结果，并且激光控制器被配置成基于所确定的烧蚀结果来调节下一个激光脉冲的能量。
因此，所述设备获得了关于利用上一个激光脉冲在z方向上烧蚀的材料量的知识，并且可以在设定用于下一个激光脉冲的能量时考虑该信息。为了从工件表面烧蚀层，两个激光脉冲可以发生在工件的不同x-y位置处。然而，为了获得特定量的材料烧蚀或校正烧蚀结果，两个激光脉冲也可以发生在工件的同一x-y位置处。因此，所述设备被配置成控制在工件上的每个点处的烧蚀，使得可以非常精确地执行工件的3D成形。
在第一方面的另一优选实施形式中，激光控制器被配置成通过设定每个激光脉冲的宽度和/或振幅、和/或通过设定脉冲速率并因此设定连续脉冲之间的时间延迟、和/或通过执行脉冲猝发来控制每个激光脉冲的能量。
因此，所述设备设置有控制激光束烧蚀的多个装置，这进一步提高了3D成形过程的精度和效率。
在第一方面的另一优选实施形式中，激光控制器被配置成控制每个激光脉冲的能量，使得每个激光脉冲在由运动控制器针对该激光脉冲设定的工件的x-y-z位置处沿z方向烧蚀1μm至1000μm深度的工件材料。
因此，所述设备被配置成在每个x-y位置处单独地设定沿z方向的烧蚀深度。因此，所述设备被配置成从工件的表面烧蚀工件材料的一个层或多个层。由此，被烧蚀的层可以具有1μm至1000μm、优选地为1μm至200μm的均匀或不均匀的厚度。
在第一方面的另一优选实施形式中，所述设备还包括用于生成激光束的激光源，该激光源包括激光控制器和用于调制激光脉冲的快速开关，该快速开关优选为Q开关。
激光源被包含在所述设备中。开关允许所述设备影响激光脉冲的快速调制，并因此准确且独立地将激光脉冲的能量控制为0至100％。因此，支持快速且精确的3D成形过程。
在第一方面的另一优选实施形式中，测量单元被配置成在两个接连的激光脉冲之间的时间段内测量流体射流在工件上的入射点的z位置。
以这种方式，由所述设备执行的z位置的测量不会干扰由激光束脉冲诱导的材料烧蚀。因此，可以提高z位置的测量精度。控制3D成形过程也变得更加容易。
在第一方面的另一优选实施方式中，运动控制器被配置成在每个激光脉冲之后逐步地或连续地改变工件相对于加工单元的x-y-z位置。
因此，所述设备能够在工件的确定的x-y位置处脉冲式地烧蚀材料。因此，能够实现完整的数字材料烧蚀过程。可以从工件表面烧蚀材料的层或结构。被烧蚀的层可以覆盖整个表面或覆盖表面的仅一部分。因此，可以在z方向上不同地烧蚀工件表面的不同区域，从而提供使工件以3D成形的能力。
在第一方面的另一优选实施形式中，运动控制器被配置成当沿轨迹移动工件时加速或减速工件的x-y-z位置的改变，并且激光控制器被配置成相应地增大或减小激光脉冲的频率，使得沿轨迹每单位距离的激光脉冲的数量是恒定的。
因此可以进一步提高烧蚀过程的精度。值得注意的是，还可以的是，激光控制器在工件的特定移动阶段期间或在工件的特定区域中施加更多或更少数量的激光脉冲。例如，如果仅局部需要更高或更低的精度(或者需要去除更多或更少的材料)，则可利用更多或更少的激光脉冲实现。
在第一方面的另一优选实施形式中，运动控制器被配置成反复改变工件的x-y-z位置，使得激光束在x-y平面中扫描工件表面。
例如，可以在每个激光脉冲之后改变x-y-z位置。因此，可以烧蚀覆盖整个工件表面(或仅工件表面的一部分)的层。这允许使工件精确且灵活地3D成形为最终零部件。
在第一方面的另一优选实施形式中，所述设备被配置成根据由运动控制器给出的x-y-z位置在工件表面的扫描期间选择性地激活或停用激光束。
在连续运动期间(“飞行中(on the fly)”)，可以通过激光源的快速开关(例如Q开关)选择性地激活或停用激光束。运动控制器可以在运动期间将在各个x-y-z位置处的信号提供给激光控制器，激光控制器可以相应地控制所述开关。因此，激光束可以开启并因此在由运动控制器设定的一些其它x-y-z位置处烧蚀材料，以及激光束可以关闭并因此在由运动控制器设定的一些其它x-y-z位置处不烧蚀材料。以这种方式，根据工件相对于加工单元的位置，材料烧蚀仅发生在工件表面上的一些位置处或一些区域中，并且速度是恒定的，这也意味着烧蚀深度是恒定的。因此，所述设备具有更快处理的优势。
在第一方面的另一优选实施形式中，所述设备还被配置成通过利用激光束逐层地烧蚀工件材料的多个层来使工件成形。
如上所述，层可以具有1μm至1000μm的厚度，并且也可以具有不均匀的厚度。另外，每一层可以覆盖工件表面的不同部分。因此，可以使工件逐层地精确成形为所需的3D形状。
在第一方面的另一优选实施形式中，多个层中的每一个层在x-y平面中占据单独地预先确定的面积，并且沿z方向具有单独地预先确定的均匀或不均匀的厚度。
每个层的面积和厚度可以单独地确定。以这种方式，单独烧蚀的多个层得到工件材料的整体烧蚀体积，从而产生由剩余的工件材料构成的最终3D零部件。
在第一方面的另一优选实施形式中，所述设备还包括处理单元，该处理单元被配置成计算工件的待烧蚀体积的分层表示，其中所述设备被配置成通过基于所计算的分层表示烧蚀工件材料的多个层来使工件成形。
分层表示是在3D成形过程之前或期间计算的，并且用作数字输入，该数字输入确定被烧蚀的工件材料的整体体积和形状。因此，在烧蚀过程中获得了完整且精确的控制。分层表示还允许在材料烧蚀过程中进行调节。
在第一方面的另一优选实施形式中，激光控制器被配置成还基于从处理单元接收的分层表示来控制激光束的能量。
特别地，激光控制器可以基于分层表示来控制每个激光脉冲的能量。分层表示用作设备的数字输入或编程，并因此允许执行精确且完整的3D材料烧蚀过程。
在第一方面的另一优选实施形式中，测量单元被配置成将测量的流体射流在工件上的入射点的z位置反馈给处理单元，并且处理单元被配置成基于来自测量单元的反馈重新计算分层表示、特别是分层表示的层数。
以这种方式，可以调节烧蚀过程以提高其精度。例如，如果旨在在特定位置进行的材料烧蚀或利用特定激光脉冲进行的材料烧蚀与材料烧蚀结果不同，则可以考虑该偏差，以补偿并保证3D成形过程的精度。
在第一方面的另一优选实施形式中，处理单元被配置成在每次从工件烧蚀每个工件材料层之后重新计算分层表示。
以这种方式，可以适时地校正与预期的烧蚀结果的误差和偏差，比如在成形过程中出现的不规则部。因此，提高了使工件3D成形为最终零部件的准确度。
在第一方面的另一优选实施形式中，测量单元还被配置成通过在x-y平面中扫描工件表面并由此测量流体射流在工件上的多个入射点的z位置来确定最后烧蚀的工件材料层的第一倾斜部和/或表面不规则部、以及工件的表面上的第二倾斜部和/或表面不规则部，并且所述设备被配置成基于由测量单元确定的第一倾斜部和/或表面不规则部来至少烧蚀下一个层或下多个层。
因此，可以利用下一个层或从下一个层开始校正在烧蚀过程期间出现的任何不期望的倾斜部或不规则部。可能需要一个或多个层来完全地补偿倾斜部和/或不规则部。因此，可以避免在过程持续期间与预期的烧蚀结果之间的偏差加剧，并且避免在最坏的情况下在某些时候变得无法校正。
在第一方面的另一优选实施形式中，激光控制器被配置成至少针对下一个层，通过在每个激光脉冲之后基于由测量单元确定的第一倾斜部和/或表面不规则部改变x-y-z位置来单独地调整每个激光脉冲的能量和/或工件的移动轨迹。
由于工件和流体射流之间的相对移动，工件的移动轨迹的改变也意味着当流体射流在工件表面上移动时流体射流的轨迹的改变。特别地，改变工件的移动轨迹可以包括改变移动方向、移动速度、加速度和/或弯曲移动的半径。
在第一方面的另一优选实施形式中，测量单元被配置成通过使用电磁辐射或声波来测量流体射流在工件上的入射点的z位置。
选择电磁辐射或声波，优选地使得它们不会引起来自工件的材料的任何烧蚀。以这种方式，能够在不干扰烧蚀过程的情况下实现流体射流在工件上的入射点的z位置的精确确定。
在第一方面的另一优选实施形式中，测量单元被配置成通过测量流体射流的特征长度来测量流体射流在工件上的入射点的z位置。
例如，测量单元可以利用在流体射流中引导的激光来干涉地测量流体射流的特征长度。特征长度可以由特定的测量范围来限定。所测量的特征长度的改变可以提供关于例如加工单元和工件之间的流体射流的整个长度的精确指示，并且因此可以提供关于流体射流在工件上的入射点的z位置的精确指示。
在第一方面的另一优选实施形式中，测量单元被配置成通过流体射流来测量所述流体射流在工件上的入射点的z位置。
特别地，测量单元可以例如通过流体射流将电磁辐射或声波发送到工件上。因此，电磁辐射或声波被流体射流精确地引导至待测量其z位置的工件的x-y位置。反射的电磁辐射或声波也可以在流体射流中被引导回测量单元。例如，基于发送电磁辐射或声波与接收电磁辐射或声波之间的时间距离，可以以高准确度确定流体射流在工件上的入射点的z位置。因此，实现了非常精确的烧蚀过程。
在第一方面的另一优选实施形式中，测量单元被集成到加工单元中。
因此，所述设备变得非常紧凑并且具有测量流体射流在工件的任何部分上的入射点的z位置的固有能力。
本发明的第二方面提供了一种通过利用激光束进行的材料烧蚀而使工件3D成形的方法，该方法包括：将加压的流体射流提供到工件上并将激光束朝向工件耦合至流体射流中，设定工件相对于流体射流的x-y-z位置，测量加压的流体射流在工件上的入射点的z位置。
有利地，所述方法还包括基于设定的x-y-z位置和测量的加压的流体射流在工件上的入射点的z位置来调节激光束的能量。
在第二方面的一优选实施形式中，所述方法包括：将脉冲激光束耦合至流体射流中；针对每个激光脉冲设定工件的x-y-z位置；在每个激光脉冲之前测量流体射流的入射点的z位置；以及基于针对每个激光脉冲设定的x-y-z位置和在该激光脉冲之前测量的加压的流体射流在工件上的入射点的z位置，单独地调节每个激光脉冲的能量。
在第二方面的另一优选实施形式中，所述方法包括：在x-y平面中扫描工件的表面，并通过测量流体射流在工件上的多个入射点的z位置来确定表面的轮廓；以及通过基于所确定的表面的轮廓在每个激光脉冲之后改变x-y-z位置来单独地设定每个激光脉冲的能量和/或工件的移动轨迹。
第二方面的方法提供了与上面针对第一方面的设备所描述的相同的效果和优势。值得注意的是，第二方面的方法可以利用根据上面针对第一方面的设备所描述的实施形式的实施形式来开发。所述方法可以由第一方面的设备实现。
附图说明
在下面关于附图的具体实施方式的描述中阐述了本发明的上述方面和优选实施形式，其中
图1示出了根据本发明的一实施方式的设备。
图2示出了通过根据本发明的一实施方式的设备来控制激光脉冲的能量的可能性。
图3示出了通过根据本发明的一实施方式的设备使激光频率和激光脉冲的数量适应于工件的移动速度。
图4示出了根据本发明的一实施方式的设备。
图5示出了(a)根据本发明的一实施方式的设备，以及(b)在两个激光脉冲之间的z位置的测量方案。
图6示出了在根据本发明的一实施方式的设备中计算出的待烧蚀体积的分层表示。
图7示出了在根据本发明的一实施方式的设备中利用耦合至流体射流中的激光束执行对工件表面的扫描。
图8示出了通过根据本发明的一实施方式的设备对工件材料的逐层烧蚀。
图9示出了由根据本发明的一实施方式的设备执行的表面倾斜部和/或不规则部的校正。
图10示出了根据本发明的一实施方式的方法。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一实施方式的设备100。特别地，图1示出了被配置成通过利用激光束102进行的材料烧蚀而使工件101在多达至三个维度上成形(完整3D成形)的设备100。为此目的，设备100至少包括加工单元103、运动控制器105和测量单元107。优选地，设备100还包括激光控制器106，激光控制器106控制生成激光束102的激光源110。因此，激光源110是设备100的一部分。在图1中以虚线示出激光控制器106和激光源110。
加工单元103被配置成将加压的流体射流104提供到工件101上，其中优选地，流体是水，并且加工单元103被配置成将激光束102朝向工件101耦合至流体射流104中。特别地，激光束102是适于切割材料和使材料成形的高强度激光束，所述材料包括但不限于金属、陶瓷、金刚石、半导体、合金、超合金或超硬材料。激光束102可以示例性地具有1W至2000W的激光功率。
运动控制器105被配置成设定工件101相对于加工单元103的x-y-z位置，即，以在三个维度中控制工件101的运动。为此目的，运动控制器105可以移动工件101或加工单元103，或者组合地移动工件101和加工单元103。工件101可以定位于加工面上，该加工面可以是设备100的一部分，或者可以不是设备100的一部分。在任一种情况下，设备100都被布置成使得其能够对布置在该加工面上的工件101进行加工。如图1中所示，运动控制器105可以提供待针对可移动的加工面(工件101放置在该加工面上)设定的x-y-z位置，然后加工面可以在预先校准的轴(坐标)系统内采用该位置。
测量单元107被配置成测量加压的流体射流104(并且因此还有激光束102)在工件101上的入射点108沿z方向的z位置zp。入射点108可以在工件表面109上，或者(例如，如果激光束102已经在该x-y位置烧蚀工件材料)可以位于工件表面109下方。也就是说，入射点108可以在如图1中所示的工件表面109中的沟槽或凹陷部111中。测量单元107可以被称为深度传感器，因为测量位置zp表示材料烧蚀的z位置，即，由激光束102加工工件处的深度。优选地，测量单元107能够测量入射点108沿z方向的多个位置zp，特别是在流体射流104沿工件表面109移动的情况下。以此方式，测量单元107能够测量工件101的精确表面轮廓。值得注意的是，优选地，流体射流104的传播方向沿竖直方向，但是也可以与竖直方向成一定角度。由于流体射流104被加压，因此流体射流104将总是线性地传播。z方向可以平行于竖直方向和/或流体射流104的传播方向，但这不是必须的。x-y平面通常垂直于z方向。
可选的但优选的激光控制器106被配置成将激光束102提供至加工单元103。优选地，激光控制器106被提供由运动控制器105设定的工件101的x-y-z位置。此外，激光控制器106可以被提供最新测量的在工件101上的入射点108的z位置。优选地，然后激光控制器106可以基于由运动控制器105设置的x-y-z位置和/或基于测量单元107测量的一个或多个z位置zp来调节激光束102的激光功率。
有利地，设备100所使用的激光束102可以是脉冲式的。为此目的，激光源110可以被配置成提供脉冲激光束102，并且优选地，激光控制器106被配置成控制脉冲宽度、振幅、速率等。在这种情况下，优选地，激光控制器106可以被配置成：基于由运动控制器105针对每个激光脉冲200设定的x-y-z位置，并且基于由测量单元107在所述激光脉冲200之前测量的加压的流体射流104在工件101上的入射点108的z位置zp，来调节每个激光脉冲200的能量。以此方式，可以针对每个激光脉冲200单独地、特别是以快速且直接的方式调节工件材料的激光诱导的烧蚀。因此，工件101的精确3D成形是可行的。特别地，如果激光控制器106和运动控制器105都允许高速操作，则可以以优于任何已知技术的速度和精度来生成非常精确的3D轮廓。
图2示出了如何通过设备100、特别是借助于激光控制器106来控制一个或多个激光脉冲200的能量。图2(a)示出激光控制器106可以配置为设定激光脉冲宽度。在图2(a)中，所有激光脉冲200被示出为具有100％的振幅，但是这些激光脉冲200具有不同的宽度(即持续时间)，这些不同的宽度被标记为τ1、τ2和τ3。因此，由每个激光脉冲200提供的能量是不同的。
图2(b)示出激光控制器106还可以被配置成设定每个激光脉冲200的振幅。再次，示出了三个激光脉冲200。然而，仅第一激光脉冲200具有100％的振幅A1。其它激光脉冲200分别具有较低的振幅A2或A3。因此，每个激光脉冲200的激光脉冲能量是不同的。
图2(c)示出激光控制器106还可以控制脉冲速率并因此控制连续的脉冲200之间的时间延迟。另外，激光控制器106甚至可以被配置成执行脉冲猝发(pulse burst)201。前三个脉冲200(图2(c)的左手边)构成脉冲猝发201，并因此在连续的脉冲200之间具有较短的时间延迟Δ1。脉冲200可以全部具有相等的脉冲宽度τ0。相比之下，第二、第三个激光脉冲200(图2(c)的右手边)在连续的脉冲200之间具有较大的时间延迟Δ2，即，这些激光脉冲200的脉冲速率较低。因此，每次由激光束102分别利用脉冲猝发201和其它脉冲200提供不同的能量。
优选地，运动控制器105还被配置成改变工件101相对于加工单元103的x-y-z位置。特别地，如果激光束是脉冲式的，则运动控制器105可以在每个激光脉冲200之后改变工件101的位置。因此，工件位置可以逐步地或连续地改变。还可以的是，运动控制器105在使工件101沿轨迹移动的同时，加速或减速工件101的x-y-z位置的改变。这在图3(1)中示出，其中工件101移动的速度随时间改变。工件可以具体地沿x轴、y轴、z轴或沿旋转方向A、B、C移动。
激光控制器106可以被配置成增大或减小激光脉冲的频率(如图3(2)中所示)，使得沿移动轨迹(图3(3)中所示)，每单位距离的激光脉冲200的数量是恒定的。因此，运动控制器105可以给予激光控制器106信息，该信息即沿所述轨迹的脉冲200的数量在轴系统的任何加速阶段和减速阶段都应当保持恒定。然而，运动控制器105还可以通知或指示激光控制器106根据速度来调整脉冲200的数量，例如，以在执行例如半径小于1mm的旋转移动时提供更多的脉冲200。图3的方案还在于不仅在激光频率(脉冲速率)方面是可适应的，而且在图2中所示的其它调整激光能量的选择方面是可适应的。
设备100还可以以快速激光开关控制的方式配置，使得轴系统确定工件101的表面扫描(如下面关于图7所示和解释的)，并且在连续运动期间，仅在表面扫描的某些区域中根据工件101相对于加工单元103的实际位置来激活用于烧蚀的激光束102。由于通过运动控制器105快速输出x-y-z位置，因此这是可行的。以上述方式，设备100不需要补偿激光的频率，并且具有以恒定速度(意味着恒定的深度)烧蚀材料以及处理更快的优势。
图4示出了根据本发明的一实施方式的设备100，其建立在图1中所示的设备100的基础上。图4和图1中的相同部件具有相同的附图标记并且具有同样的功能。图4的设备100也具有加工单元103，并且具有将激光束102提供至加工单元103的激光源110。由此，可以借助于光纤401将激光束102从激光源110提供至加工单元103。在加工单元103中，激光束102可以直接地耦合至流体射流104中，或者优选地通过一个或多个光学元件402耦合至流体射流104中。该光学元件402可以是透镜或透镜组件或任何其它合适的用于将激光束聚焦至流体射流中的元件。加工单元103还可以包含其它光学元件，例如分束器、镜子、光栅、滤光片等，以便将激光束102从加工单元103的边缘引导至所述至少一个光学元件402。加工单元103还可以包括光学透明的保护窗(未示出)，以便将光学装置(在这里为光学元件402)与流体回路和加工单元103的产生流体射流104的区域分开。通常，流体射流104由具有流体喷嘴孔的流体射流生成喷嘴产生，并且所产生的流体射流104经由所述喷嘴从加工单元103输出。
激光源110包括激光控制器106和激光谐振器403。如果激光束102是脉冲激光束，则激光源110可以包括用于调制激光脉冲200的开关400。在优选的实施方式中，开关400是用于提供特别快的0至100％调制能力的Q开关。开关400由激光控制器106控制。
图5(a)示出了根据本发明的一实施方式的设备100，其建立在图1中所示的设备100的基础上。图5(a)和图1中的相同部件具有相同的附图标记且具有同样的功能。特别地，图5(a)示出了设备100的加工单元103以及将激光束102引导至工件101上的流体射流104。图5(a)的设备100具有有利地集成至加工单元103中的测量单元107。以这种方式，测量单元107可以被配置成通过流体射流104来测量流体射流104在工件101上的入射点108的z位置。这允许紧凑的设备100，并且同时允许在工件101的特定x-y位置处的z位置的精确且快速的测量。图5(a)表示当前测量的z位置在工件表面109的凹陷部111中，即该z位置沿z方向在工件表面109的下方。然而，测量单元107同样可以测量流体射流104在工件表面109上的入射点108的z位置。
测量单元107可以被配置成通过使用电磁辐射或声波来测量z位置。测量单元107可以发射电磁辐射或声波，使得该电磁辐射或声波在流体射流104中通过全反射被引导至工件101上。同样地，测量单元107可以相应地接收电磁辐射或声波的反射。这些反射信号也可以在流体射流104中朝向测量单元107传送。通过评估例如相应信号的发送和接收之间的时间差，测量单元107可以计算入射点108的z位置。测量单元107还可以从该z位置得到流体射流104的长度，例如加工单元103与工件表面109之间或加工单元103与工件表面109中的凹陷部111(如图所示)之间的完整长度l。
图5(b)示出了测量单元107优选地被配置成在什么时间点测量流体射流104在工件101上的入射点108的z位置，即在两个接连的激光脉冲200之间的时间段内(请参见虚线)。换句话说，测量单元107可以分别测量每个激光脉冲200之后和之前的z位置。在提供激光脉冲200期间，优选地不执行测量。以这种方式，由测量单元107执行的测量不干扰由激光脉冲200引起的材料烧蚀。
值得注意的是，也可以的是，在设备开始将激光束102或激光脉冲200提供至工件101上以用于烧蚀材料之前，测量单元107扫描并测量整个工件表面109。例如，设备100可以被配置成通过利用激光束102逐层地烧蚀工件材料的多个层来使工件101成形。在这种情况下，测量单元107可以被配置成在每一层之前利用电磁辐射或声波来扫描工件表面109，并从而确定表面轮廓。然后，基于所确定的表面轮廓，激光控制器106可以针对下一个层的受控的烧蚀而相应地调节激光束102或各个激光脉冲200的能量。
图6示出了另一有利的单元，该单元可以被包括在根据本发明的实施方式的如图1、图4或图5(a)中所示的设备100中。特别地，设备100还可以包括处理单元600，处理单元600被配置成计算工件101的待烧蚀体积的分层表示601，即，待从初始工件100去除以实现最终零部件的形状的由多个层表示的材料的体积。然后，设备100通常可以被配置成基于所计算的分层表示601来使工件101成形。为了创建分层表示601，可以采用计算机辅助设计(ComputerAided Design，CAD)方法。分层表示601包括多个层和层的限定厚度，这些层的总和产生需要从工件101上烧蚀掉的体积。这些层可以指示待利用工件101的每个完整表面扫描而烧蚀的材料量。分层表示601可以由处理单元600提供给激光控制器106，然后激光控制器106可以被配置成基于分层表示601相应地控制激光束102的能量或每个单独的激光脉冲200的能量，以便实现每个层的限定的厚度。
图7示出了设备100如何利用引导激光束102的流体射流104实施工件101的表面扫描(或者要在不烧蚀材料时测量表面109的情况下，不实施表面扫描)。为此目的，运动控制器105可以被配置成改变工件101的x-y位置，使得流体射流104和/或激光束102在x-y平面中扫描工件表面109，该x-y平面可以是水平面。表面扫描可以逐行、逐列或以任何其它合适的方式进行。特别地，运动控制器105可以被配置成在每个激光脉冲200之后(在激光束102是脉冲式的情况下)改变工件101的位置。利用各个表面扫描，在正确地设定激光束能量的情况下，可以从工件101烧蚀材料。例如，激光束102或每个激光脉冲200可以提供有能量，使得在工件101的给定x-y-z位置处沿z方向烧蚀1μm至1000μm深度的工件材料。以这种方式，工件表面109的每个完整扫描可以烧蚀厚度为1μm至1000μm的层。被烧蚀的层沿z方向的厚度可以是均匀的或不均匀的。如果将激光束能量设定得足够低或者如果关闭激光束102，则也可以进行表面扫描而不烧蚀材料。利用这种扫描，测量单元107可以测量工件表面109的轮廓。
图8示出了设备100如何配置成通过烧蚀、特别是逐层地烧蚀工件材料的多个层800来使工件101成形。该多个层800可以与图6中所示的计算的分层表示601相同。该多个层800中的每个层可以在x-y平面中具有预先确定的面积，该预先确定的面积取决于运动控制器105设定的x-y位置。优选地，运动控制器105基于分层表示601来设定工件的x-y-z位置。每个层800可以沿z方向具有单独的均匀或不均匀的厚度，其中该厚度取决于激光控制器106已经针对工件101相对于加工单元103的每个x-y-z位置设定的激光能量。对于工件101的每个x-y-z位置，设备100被配置成确定流体射流104在工件101的入射点108的z位置，并且相应地调节激光功率，使得在每个工件位置处沿z方向烧蚀特定深度的工件材料。
图9示出根据本发明的实施方式的如图1、图4或图5(a)中所示的设备100还能够校正在烧蚀工件材料过程中意外出现的倾斜部和/或不规则部。如果不及时校正这种倾斜部和/或不规则部，误差可能在每个层800累加，并且可能导致最终零部件的不精确的3D形状。特别地，测量单元107因此被配置成确定最后被烧蚀的工件材料层900的倾斜部和/或不规则部901。例如，这可以通过测量每个激光脉冲之后的深度来完成或通过在x-y平面中扫描工件表面109(例如，没有材料烧蚀时)来完成，并从而确定流体射流104在工件101上的多个入射点108的z位置。由此，可以确定工件101的表面109上的倾斜部和/或表面不规则部902，由此可以计算倾斜部/不规则部901。这在图9(a)中示出。
然后，设备100可以被配置成基于所确定的最后烧蚀层900的倾斜部和/或不规则部901来至少烧蚀下一个层800。因此，可以通过至少烧蚀下一个层800来去除表面不规则部和/或倾斜部902。为此目的，设备100被配置成调整激光能量或工件101的移动轨迹，工件101的移动是通过反复改变由运动控制器105设定的x-y-z位置引起的。这还导致针对至少下一个层800的烧蚀，调整流体射流102在工件101上沿着移动的轨迹。换句话说，激光控制器106可以被配置成针对不同的x-y位置调整激光束102的能量，或者被配置成单独地调整每个激光脉冲200的能量。另外地(或可选地)，运动控制器105还可以调整加压的流体射流104的轨迹，以便仅去除或主要去除在工件表面109上的特定位置处的材料，所述特定位置例如是表面不规则部902所在的位置。优选地，基于所确定的倾斜部和/或不规则部901(或基于工件表面109上的表面倾斜部和/或不规则部902)来进行激光能量和/或工件101的移动轨迹的调整、和/或流体射流102在工件101上的入射角的调整。以这种方式，设备100可以从下一个被烧蚀的层800开始去除倾斜部和/或不规则部902。可能需要多个层800来去除倾斜部和/或不规则部。在成功去除后，可以继续进行正常的逐层烧蚀。
图10示出了用于通过利用激光束102进行的材料烧蚀来使工件101 3D成形的方法1000。方法1000包括将加压的流体射流104提供至工件101上，并将激光束102朝向工件101耦合至流体射流104中的第一步骤1001。另外，方法1000包括设定工件101相对于流体射流104的x-y-z位置的第二步骤1002。最后，方法1000至少包括测量加压的流体射流104在工件101上的入射点108的z位置的第三步骤1003。
方法1000可以根据设备100的上述功能而包括另外的步骤。特别地，方法1000可以由设备100执行。优选地，方法1000包括提供脉冲激光束102，以及基于针对每个激光脉冲200设定的x-y-z位置和在所述激光脉冲200之前所测量的加压的流体射流104在工件101上的入射点108的z位置，单独地调节每个激光脉冲200的能量。
已经结合作为示例的各种实施方式以及实施形式描述了本发明。然而，通过对附图、说明书和独立权利要求的研究，本领域的技术人员可以理解并实现其它变型，以及实践所要求保护的本发明。在权利要求书以及说明书中，“包括”一词并不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”(“a”或“an”)不排除多个。单个元件或其它单元可以实现权利要求中记载的多个实体或项目的功能。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施的仅有事实并不表示不能在有利的实施方式中使用这些措施的组合。

Claims (27)

1.一种用于通过利用激光束(102)进行的材料烧蚀而使工件(101)3D成形的设备(100)，所述设备(100)包括：
加工单元(103)，所述加工单元(103)被配置成将加压的流体射流(104)提供到所述工件(101)上并将所述激光束(102)朝向所述工件(101)耦合至所述流体射流(104)中，
运动控制器(105)，所述运动控制器(105)被配置成设定所述工件(101)相对于所述加工单元(103)的x-y-z位置，
测量单元(107)，所述测量单元(107)被配置成测量所述加压的流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)沿z方向的z位置。
2.根据权利要求1所述的设备(100)，还包括：
激光控制器(106)，所述激光控制器(106)被配置成基于由所述运动控制器(105)设定的x-y-z位置和由所述测量单元(107)测量的所述加压的流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置来调节所述激光束(102)的功率或能量。
3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其中，
所述激光束(102)是脉冲式的，并且所述设备(100)还包括：
激光控制器(106)，所述激光控制器(106)被配置成基于由所述运动控制器(105)针对每个激光脉冲(200)设定的x-y-z位置以及由所述测量单元(107)在所述激光脉冲(200)之前测量的所述加压的流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置，单独地调节每个激光脉冲(200)的能量。
4.根据权利要求3所述的设备(100)，其中，
所述测量单元(107)被配置成确定每个激光脉冲(200)在由所述测量单元(107)在所述激光脉冲(200)之后测量的所述加压的流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置处的烧蚀结果，并且所述激光控制器(106)被配置成基于所确定的烧蚀结果来调节下一个激光脉冲(200)的能量。
5.根据权利要求3或4所述的设备(100)，其中，
所述激光控制器(106)被配置成通过设定每个激光脉冲(200)的宽度和/或振幅、和/或通过设定脉冲(200)的速率并因此设定连续的脉冲(200)之间的时间延迟、和/或通过执行脉冲猝发(201)来控制每个激光脉冲(200)的能量。
6.根据权利要求5所述的设备(100)，其中，
所述激光控制器(106)被配置成控制每个激光脉冲(200)的能量，使得每个激光脉冲(200)在由所述运动控制器(105)针对所述激光脉冲(200)设定的所述工件(101)的x-y-z位置处沿z方向烧蚀1μm至1000μm深度的工件材料。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的设备(100)，还包括：
用于生成所述激光束(102)的激光源(110)，所述激光源(110)包括所述激光控制器(106)和用于调制所述激光脉冲(200)的快速开关，所述快速开关优选为Q开关(400)。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的设备(100)，其中，
所述测量单元(107)被配置成在两个接连的激光脉冲(200)之间的时间段内测量所述流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的设备(100)，其中，
所述运动控制器(105)被配置成在每个激光脉冲(200)之后逐步地或连续地改变所述工件(101)相对于所述加工单元(103)的x-y-z位置。
10.根据权利要求9所述的设备(100)，其中，
所述运动控制器(105)被配置成当沿轨迹移动所述工件(101)时，加速或减速所述工件(101)的x-y-z位置的改变，并且
所述激光控制器(106)被配置成相应地增大或减小激光脉冲的频率，使得沿所述轨迹每单位距离的激光脉冲(200)的数量是恒定的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备(100)，其中，
所述运动控制器(105)被配置成反复地改变所述工件(101)的x-y-z位置，使得所述激光束(102)在x-y平面中扫描工件表面(109)。
12.根据权利要求11所述的设备(100)，所述设备(100)被配置成：
根据由所述运动控制器(105)给出的x-y-z位置，在所述工件表面(109)的扫描期间选择性地激活或停用所述激光束(102)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备(100)，所述设备(100)被配置成：
通过利用所述激光束(102)逐层地烧蚀工件材料的多个层(800)来使所述工件(101)成形。
14.根据权利要求13所述的设备(100)，其中，
所述多个层(800)中的每个层在x-y平面中占据单独地预先确定的面积，并且具有沿z方向的单独地预先确定的均匀或不均匀的厚度。
15.根据权利要求13或14所述的设备(100)，还包括：
处理单元(600)，所述处理单元(600)被配置成计算所述工件(101)的待烧蚀体积的分层表示(601)，其中，
所述设备(100)被配置成通过基于所计算的分层表示(601)来烧蚀工件材料的所述多个层(800)而使所述工件(101)成形。
16.根据当从属于权利要求2时的权利要求15所述的设备(100)，其中，
所述激光控制器(106)被配置成还基于从所述处理单元(600)接收的所述分层表示(601)来控制所述激光束(102)的功率或能量。
17.根据权利要求15或16所述的设备(100)，其中，
所述测量单元(107)被配置成将测量的所述流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置反馈到所述处理单元(600)，并且
所述处理单元(600)被配置成基于来自所述测量单元(107)的反馈来重新计算所述分层表示(601)、特别是所述分层表示(601)的层数。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的设备(100)，其中，
所述处理单元(600)被配置成在从所述工件(101)烧蚀的每个工件材料层(800)之后重新计算所述分层表示(601)。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的设备(100)，其中，
所述测量单元(107)还被配置成通过在x-y平面中扫描所述工件表面(109)并由此测量所述流体射流(104)在所述工件(101)上的多个入射点(108)的z位置来确定最后烧蚀的工件材料层(900)的第一倾斜部和/或表面不规则部(901)，以及确定在所述工件(101)的所述表面(109)上的第二倾斜部和/或表面不规则部(902)，并且
所述设备(100)被配置成基于由所述测量单元(107)确定的所述第一倾斜部和/或表面不规则部(901)来至少烧蚀下一个层(800)。
20.根据当从属于权利要求3时的权利要求19所述的设备，其中，
所述激光控制器(106)被配置成至少针对所述下一个层(800)，通过在每个激光脉冲(200)之后基于由所述测量单元(107)确定的所述第一倾斜部和/或表面不规则部(901)改变所述x-y-z位置来单独地调整每个激光脉冲(200)的能量和/或所述工件(101)的移动轨迹。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的设备(100)，其中，
所述测量单元(107)被配置成通过使用电磁辐射或声波来测量所述流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的设备(100)，其中，
所述测量单元(107)被配置成通过测量所述流体射流(104)的特征长度来测量所述流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的设备(100)，其中，
所述测量单元(107)被配置成通过所述流体射流(104)来测量所述流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的设备(100)，其中，
所述测量单元(107)被集成到所述加工单元(103)中。
25.一种用于通过利用激光束(102)进行的材料烧蚀而使工件(101)3D成形的方法(1000)，所述方法(1000)包括：
将加压的流体射流(104)提供(1001)到所述工件(101)上并将所述激光束(102)朝向所述工件(101)耦合至所述流体射流(104)中，
设定(1002)所述工件(101)相对于所述流体射流(104)的x-y-z位置，
测量(1003)所述加压的流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置。
26.根据权利要求25所述的方法(1000)，包括：
将脉冲式的所述激光束(102)耦合(1001)至所述流体射流(104)中，
针对每个激光脉冲(200)设定(1002)所述工件的x-y-z位置，
在每个激光脉冲(200)之前测量(1003)所述流体射流(104)的入射点(108)的z位置，以及
基于针对每个激光脉冲(200)设定的所述x-y-z位置和在所述激光脉冲(200)之前测量的所述加压的流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置来单独地调节每个激光脉冲(200)的能量。
27.根据权利要求25所述的方法(1000)，包括：
在x-y平面中扫描所述工件(101)的表面(109)，以及
通过测量所述流体射流(104)在所述工件(101)上的多个入射点(108)的z位置来确定所述表面(109)的轮廓，以及
通过基于所确定的所述表面(109)的轮廓在每个激光脉冲(200)之后改变所述x-y-z位置来单独地设定每个激光脉冲(200)的能量和/或所述工件(101)的移动轨迹。
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