CN116265165A - 材料复合加工方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种材料复合加工方法与系统，所述材料复合加工方法包含：使用激光对工件的欲改质区域发射激光光，而对该欲改质区域进行改质以改变该欲改质区域的性质；应用光学图像定位辅助设备对该工件的已改质区域或该工件上的定位标记进行精密定位，以将刀具对准该已改质区域；以及驱动该刀具对该已改质区域进行加工作业。

Description

材料复合加工方法与系统

技术领域

本发明涉及一种材料复合加工方法与系统，尤其涉及一种结合非接触式激光与机械加工的复合加工方法与系统。

背景技术

在现有技术中，对于硬脆材料执行加工，大致有以下几种加工技术可供选用，如电化学加工(electro chemical machining,ECM)技术，其作法大致包含：将工件浸入电解液并作为阳极(anode)，在阳极与阴极间施加电位差后，利用电解作用引发的电化学溶蚀效应而移除材料，以对工件进行加工。ECM通常应用于加工超硬材料，但若要应用于为由硬脆材料组成的工件进行钻孔加工时，由于ECM技术经由调整电位而调整阳极表面电子能量，使得电活性物质与阳极之间发生电子转移，故其问题在于加工时间较长、锥孔角不易控制、较适用于导体材料、且不易用于高绝缘硬脆材料的加工等。

放电加工(electrical discharge machining,EDM)技术则是通过放电产生火花，使工件形成预定形状的一种非接触式材料加工技术，工件电极与工具电极之间由介电物质分隔，并在工件电极与工具电极间，施加周期性快速变化的电流而在电极上产生火花，但若要应用EDM技术为工件进行钻孔，由于EDM技术是通过放电产生火花进行加工，因此仅适用于导体材料，不易用于加工高绝缘硬脆材料。

而激光钻孔(laser drilling)技术，则是通过光学透镜系统引导并聚焦激光光束指向加工部位，以熔化或气化加工部位的材料，尤其可供应用执行微小孔径的钻孔，但若要应用激光钻孔技术为工件进行钻孔，由于利用激光光束投射到材料表面产生的瞬间热效应，使工件通过吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，容易产生残渣以及锥孔角不易控制等问题。

激光成丝加工技术(laser filament machining)，在透明材料加工方面，也可使用超快激光产生的非线性吸收现象，在工件内部形成丝状改质区，对入射的激光光产生自聚焦与离焦(self-focusing and defocusing)现象，沿着成丝区进行快速的激光加工，虽具有快速与可进行高深宽比(high aspec t ratio)的优势，但成丝的加工参数控制不易。

机械加工(mechanical machining)技术是一种使用工具机，在常温下对工件进行切削(cutting)或雕铣(engraving and milling)等处理，经由移除材料而改变工件的外形、尺寸或性能的接触式加工技术，但若要应用机械加工技术为硬脆工件进行微小孔径钻孔，加工过程产生的大量应力，易造成工件破损、残渣不易排除、及刀具易磨损等问题。

因此，现有各类单项加工技术，若用于透明、硬脆材料钻孔，则无法达到高精度、高品质要求，有鉴于现有技术中存在的缺点，发明人经过悉心尝试与研究，并一本锲而不舍的精神，终构思出本案“材料复合加工方法与系统”，能够克服上述缺点，以下为本发明的简要说明。

发明内容

本发明提出一种材料复合加工方法，其包含：使用激光对工件的欲改质区域发射激光光，而对该欲改质区域进行改质以改变该欲改质区域的性质；应用光学图像定位辅助设备对该工件的已改质区域或该工件上的定位标记进行精密定位，以将刀具对准该已改质区域；以及驱动该刀具对该已改质区域进行加工作业。

本发明进一步提出一种材料复合加工系统，其包含：激光，其经配置对工件的欲改质区域发射激光光，而对该欲改质区域进行材料改质；光学图像定位辅助设备，其经配置对该工件的已改质区域或该工件上的定位标记进行精密定位；以及机械臂或加工机，其经配置以驱动该激光及刀具对该工件的该欲改质区域及该已改质区域分别进行改质及加工作业。

上述发明内容旨在提供本揭示内容的简化摘要，以使读者对本揭示内容具备基本的理解，本发明的内容具体说明如下。

附图说明

图1是揭示本发明所包含的激光改质的实施示意图；

图2是揭示本发明运用机械臂对3D不规则曲面执行改质的示意图；

图3是揭示本发明经由使用五轴加工机对工件上已改质区域执行加工的示意图；

图4是揭示本发明材料复合加工系统的系统架构示意图；

图5是揭示本发明材料复合加工方法与系统使用机械臂整合实施的系统架构示意图；

图6是揭示本发明材料复合加工方法与系统使用加工机整合实施的系统架构示意图；

图7是揭示本发明应用在为探针卡装置陶瓷导板组件钻孔作业的示意图；

图8是展示经实施本发明材料复合加工方法对欲改质区域进行激光改质后改质部位的实际图像；

图9是展示经实施本发明材料复合加工方法对已改质区域进行机械钻孔后加工孔的实际图像；以及

图10是揭示本发明材料复合加工方法的一实施例其步骤流程图。

附图标记说明

100 本发明材料复合加工系统

10 工件

11 欲改质区域

12 3D工件

13 3D不规则曲面

14 3D欲改质区域

15 定位标记

16 已改质区域

17 3D已改质区域

20 激光

21 激光光

30 机械臂

31 3D工作路径

40 加工机

41 机床

42 动柱式龙门

43 驱动器模块

44 控制器模块

50 光学图像定位辅助设备

51 低倍率摄像镜头

52 高倍率摄像镜头

60 加工刀具

70 探针卡

71 陶瓷导板

72 探针孔

73 探针

74 晶粒

75 焊垫

80 输送带

200 本发明材料复合加工方法

201-204 实施步骤

X 横轴

Y 纵轴

Z 垂直轴

具体实施方式

本发明的实施将通过以下描述而得到充分了解，使得本领域技术人员可以据以完成的，然本发明的实施并非仅限于以下描述；本发明的附图不包含对大小、尺寸与比例尺的限定，本发明实际实施时其大小、尺寸与比例尺不受本发明附图的限制。说明书或权利要求中所描述或者记载的任何步骤，得以按任何顺序执行，不受限于说明书或权利要求中所描述或者记载的顺序。本发明的范围应仅由权利要求及其均等方案确定，不应由说明书所描述的实施例而确定。

本文中用语“较佳”是非排他性的，应理解成“较佳为但不限于”，本文中用语“例如”是非排他性的，应理解成“例如但不限于”，本文中用语“包含”及其变化出现在说明书和权利要求中时，是一个开放式的用语，不具有限制性含义，并不排除其他特征或步骤的加入。

图1是揭示本发明所包含的激光改质步骤的实施示意图；在本实施例，首先使用激光20瞄准工件10上需要实施欲改质区域11，向欲改质区域11发射激光光21，其中激光20可为连续式激光(CW Lasers)或脉冲式激光(Pulsed Laser s)，脉冲期从纳秒激光光束(ns-laser beam)、皮秒激光光束(ps-laser beam)、或飞秒激光光束(fs-laser beam)等，欲改质区域11亦称目标区域或工作区域等。

激光光21空间方面可由光学镜组调整激光光21的例如但不限于尺寸、光斑大小与光形等，其中该光形较佳可为例如但不限于贝索光束(Bessel beam)、高斯光束(Gaussianbeam)或者平顶光束(Top flat beam)等，或其他适用于改质形状的光形。在时间方面可调变频率与辐射脉冲期。功率的大小是以该工件材料的材质而定，该功率的大小仅改变工件欲改质区材质的特性，而不影响工件10上欲改质区域11外的材料特性。

在不同光形、不同工作频率与不同脉冲期的组合调变下，激光光21可携带适当的激光能量，当激光光21抵达欲改质区域11，随着能量的急剧上升，功率密度将足以以物理机理例如但不限于升温、或化学机理例如但不限于键结改变，而改变欲改质区域11性质，包含物理性质与化学性质，但由于激光与材料相互作用的时间极短，大部分能量将只局限在欲改质区域11范围内，不易向外环扩散，不致对欲改质区域11以外的周围材料造成影响，或者改变其性质。

欲改质区域11经过激光改质后，其局部微结构将进行重组，产生新的改质结构，欲改质区域11内的改质部位，相对于原本的脆硬结构较为软化，有利后续加工作业的实施。针对由不同材料组成并具备不同物理与化学性质的不同种工件10，激光20可为不同种类的激光，或可选择性地发射不同工作频率、波长、脉冲期及功率的激光光束，或调制不同光形的光束，以改变欲改质区域11的物理或化学性质。

在激光改质作业过程中，亦可选择性地将工件10全程放置于包含工作流体的环境中，以利碎屑的清除、加强散热效果、或协助加工速率，其中该工作流体可为气体或溶液，气体是选自例如但不限于中性气体、惰性气体、氮气(nitrogen)、氩气、酸性蒸气、或者碱性蒸气等，溶液是选自例如但不限于酸性溶液、碱性溶液、中性溶液、蚀刻液或其组合，蚀刻液是选自例如但不限于硫酸、磷酸、氢氧化钾、硝酸、氢氟酸或其组合，碱性溶液是选自例如但不限于氢氧化钠、氢氧化钾等或其组合，中性溶液是选自例如但不限于去离子水、纯水或其组合，挥发性液体是选自例如但不限于异丙醇、乙醇或其组合，溶液亦可为油性液体。

图2是揭示本发明运用机械臂对3D不规则曲面执行改质的示意图；在本实施例，激光20将与机械臂30结合，在机械臂30辅助下，沿着预先设定的工作路径包含3D工作路径31，高效且快速的对分布在3D工件12上的多个3D欲改质区域14进行激光局部改质，尤其适合对具有复杂表面结构、立体结构包含3D工件12的3D不规则曲面13上的多个3D欲改质区域14进行表面改质、局部改质或者内部改质，经过改质的3D欲改质区域14成为3D已改质区域17，改质后同时利用机械臂30上的刀具，对3D已改质区域17进行机械加工。

机械臂30较佳选用例如但不限于FANUC机械臂、KUKA机械臂、FESTO机械臂、ABB机械臂、Universal Robots协作型机器人、选择顺应性关节机械臂(SCARA)或多轴工业机械臂等。上述的激光装置于亦可装置于加工机以同时进行激光改质及机械加工的复合加工作业。

图3是揭示本发明经由使用五轴加工机对工件上已改质区域执行加工的示意图；当激光改质步骤完成后，应用例如但不限于机械臂30或其他转移设备，例如但不限于输送带、滑轨等设备，将工件10转移到加工机40上，对工件10进行复合加工。

加工机40可为多轴加工机、多轴雕铣机、车床工具机、搪床工具机、磨床工具机、研磨抛光机、铣床机或钻削机，在本实施例，加工机40较佳为例如但不限于五轴工具机，加工机40的配置较佳包含机床41、动柱式龙门42、驱动器模块43、控制器模块44、光学图像定位辅助设备50、以及加工刀具60等，其中光学图像定位辅助设备50包含用于低倍率摄像镜头51、以及用于精密定位的高倍率摄像镜头52等。

由于工件10上需要处理的欲改质区域11其范围可为极小孔洞或沟槽。以钻孔加工作业为例，开设在欲改质区域11处的贯通孔，其孔径较佳约小于20μm，需要通过光学图像定位辅助设备50的辅助，以进行精密定位，欲改质区域11经过激光改质后成为已改质区域16。

先使用具备较大视野(FOV)的低倍率摄像镜头51进行初级定位，确认工件10上以激光改质后的已改质区域16的位置，或确认工件10上的定位标记15，再使用FOV较小的高倍率摄像镜头52进行精密定位，将加工机40上的加工刀具60对准工件10上已改质区域16、已改质区域16的中心位置、或者定位标记15，以获得工件欲加工位置的精密信息，经由分段定位的实施，整体定位精度可达1μm，低倍率大致是指低于20倍(20x)以下的放大倍率，高倍率大致是指高于20倍(20x)以上的放大倍率。上述的光学图像定位辅助设备50亦可使用单一的变焦光学装置。

通过高倍率摄像镜头所获取的图像信号，将同步传输给控制器模块44、或者外部运算设备，外部运算设备例如但不限于：工业电脑或云端运算设备，以实施图像处理算法，对于所获取包含工件10的图像实施滤波、去噪声等图像处理，以滤除包含在图像中的环境噪声与干扰。

加工刀具60较佳是不同形式的钻头与刀具，并连接在例如但不限于高速主轴、铣削主轴、车削主轴、搪铣主轴、高速内藏主轴、钻孔主轴、攻牙主轴、超音波主轴或者雕刻主轴上，以执行多种加工作业，包含但不限于钻孔作业、切削作业、铣削作业、雕铣作业、雕刻作业、表面研磨抛光及其组合其中之一。

在加工刀具60执行加工作业过程中，加工刀具60将高速运转，提升加工过程的整体刀具刚性，使刀具加工较硬的环境不会断刀，而在加工指令部分，举例来说，对于钻孔作业，较佳可搭配例如但不限于FANUC G83深孔往复排屑指令设定，通过设定每次进给深度、进给速度以及回归参考坐标的设定，可获得良好的加工品质。

在加工刀具60执行加工作业过程中，亦可选择性将工件10全程放置于包含工作流体的环境中，以利碎屑的清除并加强散热效果，或协助加工速率，其中工作流体可为气体或溶液，气体是选自例如但不限于中性气体、惰性气体、氮气、氩气、酸性蒸气、或者碱性蒸气等，溶液是选自例如但不限于酸性溶液、碱性溶液、中性溶液、蚀刻液或其组合，蚀刻液是选自例如但不限于硫酸、磷酸、氢氧化钾、硝酸、氢氟酸或其组合，碱性溶液是选自例如但不限于氢氧化钠、氢氧化钾等或其组合，中性溶液是选自例如但不限于去离子水、纯水或其组合，挥发性液体是选自例如但不限于异丙醇、乙醇或其组合，溶液亦可为油性液体。

在某实施例，为增加加工效率，可在加工刀具60的切削面镀上一层贵重金属，例如但不限于铂、金、或银，在酸性或碱性溶液中加工时，以触媒催化机理(mechanism)加速加工。若使用的溶液为中性溶液可另增一组电极，其中一极接工件，另一极接溶液中。

图4是揭示本发明材料复合加工系统的系统架构示意图；本发明提出的材料复合式加工系统100，较佳可供实施材料复合加工方法包含：激光20、加工机40、光学图像定位辅助设备50以及加工刀具60等，还包含机械臂30或其他输送机构如输送带80、或者线性滑轨等。

图5是揭示本发明材料复合加工方法与系统使用机械臂整合实施的系统架构示意图；在本实施例，本发明材料复合式加工系统100是经由整合在单一机械臂而实施，激光20与加工刀具60，是配置在机械臂30的末端效应器(end effector)31上，机械臂30可分别驱动激光20及加工刀具60对工件10的欲改质区域11及已改质区域16分别进行改质及加工作业。

图6是揭示本发明材料复合加工方法与系统使用加工机整合实施的系统架构示意图；在本实施例，本发明材料复合式加工系统100是经由整合在单一加工机而实施，激光20是装设于加工机40上，激光20经由动柱式龙门42的驱动而与工件10之间进行相对运动，而对工件10包含的欲改质区域11进行改质，当改质完成后，加工刀具60经由光学图像定位辅助设备50精密定位后，对已改质区域16进行加工作业。

在某些实施例中，本发明材料复合式加工系统100将整并在单一工作站、工作单元(work cell)、同一设备或同一产线中，以合并执行激光改质与机械加工，但在某些实施例中，本发明材料复合式加工系统100将分割为两个部署在空间中不同位置上、用于分别实施激光改质与机械加工的二个工作站。

在某一实施例，本发明材料复合式加工系统100较佳可以整并在单一工作站中实施，单一工作站的工作单元组态至少包含激光20、机械臂30等设备，以执行激光改质作业，并且还至少包含加工机40、光学图像定位辅助设备50、加工刀具60等设备，以执行机械加工作业。

在某一实施例，本发明材料复合式加工系统100较佳是分散在不同的多组工作站中分别实施，例如但不限于分散在第一工作站与第二工作站中分别实施。第一工作站的工作单元组态至少包含激光20、机械臂30等设备，以执行激光改质作业，第二工作站的工作单元组态至少包含加工机40、光学图像定位辅助设备50、加工刀具60等设备，以执行机械加工作业，当工件10从第一工作站转移到第二工作站时，可以由机械臂30执行，或者另外在第一工作站与第二工作站之间部署输送机、输送带或线性滑轨等输送机构，以将工件10从第一工作站转移到第二工作站。

图7是揭示本发明应用在为探针卡装置陶瓷导板组件钻孔作业的示意图；探针卡(probe card)应用在集成电路(IC)封装前的晶圆测试，提供晶粒与测试机之间的电性连结，可视为一种特制的连接器，为了应对集成电路尺寸微型化导致单位面积内的焊垫(bondpad)密度大幅提高，以垂直式探针卡为例，探针卡70上作为探针夹具(jig)的低电感、低热膨胀、低阻抗、高强度的陶瓷导板(guide plate)71，必须在极小的面积范围内，非常准确地密集开设数量或许高达数百个的探针孔72，以供密集配置探针(probe pins)73，以便通过探针73电性接触晶粒74上的焊垫75，这些探针孔73的孔径，较佳小于20μm，以允许配置直径更小的探针，并增加单位面积内的探针数量密度。

现有加工技术面对更小孔径的钻孔作业，多半采取替换更细的钻针执行钻孔，但面对超硬陶瓷材料上，在单位面积内的高密度贯通孔，将产生钻针刚性不足断掉，孔与孔之间的间隙无法承受钻孔应力导致间隙破裂，以及加工孔破片等问题，本发明材料复合加工方法可应用在探针卡的钻孔，提高整体钻孔加工品质。

图8是展示经实施本发明材料复合加工方法对欲改质区域进行激光改质后改质部位的实际图像；图9是展示经实施本发明材料复合加工方法对已改质区域进行机械钻孔后加工孔的实际图像；本发明提出的材料复合加工方法较佳用于加工硬脆材料(hard-brittle materials)、超硬材料(ultrahard materials)、难削材(difficult-to-cutmaterials)、三维结构物件、或者包含3D曲面的三维结构物件，首先通过激光光束携带适当能量使材料改质，经由光学精密定位后，进行机械加工，本发明提出的方法与系统比现有各种加工方法加工效率更高，经改质后材料再由加工机钻孔时，材料不会产生锥孔角，孔径内周面可达镜面粗糙度，并有效减少刀具磨损、提升刀具使用寿命等优点。

本发明提出的材料复合加工方法适用于至少包含例如但不限于以下材料的各种物件，并以此物件作为工件10：硅(Si)、氮化铝(AlN)、氧化镓(Ga₂O₃)、氮化镓(GaN)、蓝宝石(sapphire)、玻璃(Glass)、硫化镉(CdS)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、超级合金(superalloy)、石英(quartz)、陶瓷(ceramics)、钛-6铝-4钒(Ti₆Al₄V)、金属玻璃(metallic glass)、钻石(diamond)、人工钻石(polycrystallinediamond)、氮化钛(TiN)、氮化钒(VN)、碳化钨(WC)、钛合金(titanium alloy)、模具钢(STAVAX)以及镍基合金(Incon el)其中之一。

总结而言，本发明使用复合加工法来对硬脆材料进行加工，首先通过激光能量使材料改质，再通过例如但不限于高速雕铣机进行二次加工，通过高速雕铣机钻孔不会有锥孔角问题、孔径内周面可达镜面粗糙度，以及可以有效减少刀具磨损、提升刀具使用寿命。

图10是揭示本发明材料复合加工方法的一实施例其步骤流程图；在本实施例，本发明材料复合加工方法200，较佳包含下列步骤：选择性地将该工件浸置于工作流体(步骤201)；使用激光对工件的欲改质区域发射激光光，而对该欲改质区域进行改质以改变该欲改质区域的性质(步骤202)；应用光学图像定位辅助设备对该工件的已改质区域或该工件上的定位标记进行精密定位，以将刀具对准该已改质区域(步骤203)；以及驱动该刀具对该已改质区域进行加工作业(步骤204)。

本发明提出使用复合加工法来对材料进行加工，首先通过激光能量使材料改质，再通过高速加工机进行加工，对于极精密的阵列孔洞的加工，其孔洞直径往往需达到20μm以下，所以激光加工改质区对应的每一个孔洞区域极小，故在实施后续机械钻孔加工前，需导入光学精密定位技术，以低倍率摄影机进行大面积、大范围(large Field Of View,FOV)初定位，再以高倍率摄影机进行小面积、小范围(small Field Of View,FOV)精密定位，整体定位精度可达小于1μm，亦可用变焦镜头进行大范围及小范围定位。

本发明方法相对于现有加工技术效率更高，以钻孔作业为例，可供制作孔径小于20μm的贯通孔或盲孔，所制作的贯通孔或盲孔不会有锥孔角问题，孔径内周面可达镜面粗糙度，并可有效减少刀具磨损、提升刀具使用寿命。

本发明提出一种材料复合加工方法，其包含：使用激光对工件的欲改质区域发射激光光，而对该欲改质区域进行激光改质以改变该欲改质区域的材料性质(改质)；应用光学图像定位技术实施分段定位，以将刀具对准该已改质区域；以及驱动该刀具对该已改质区域进行加工。该激光装置可为单一或多个激光源，该激光源可为点光源或线光源，通过多道点光源可同时对工件进行改质，或通过多道线光源可同时对工件进行改质。该激光源可为连续性或脉冲式激光。该连续性激光可为CO₂激光、CO激光、氦镉激光、半导体激光、光纤激光、氦氖激光。该脉冲式激光可为准分子激光、光纤激光、固体(YAG)激光。激光光波长可为深紫外线(EUV、DUV)、紫外线(UV)、绿光、近红外光、中红外光等。

所述的材料复合加工方法，还包含以下其中之一：将经由该激光光处理后的该工件，转移至包含该加工刀具的加工机；应用该低倍率的光学图像定位辅助设备对工件表面的多个定位标志(position marks)进行大面积、大范围(large Field Of View)定位，将该定位标志图像坐标系统转换为机械加工坐标系统，依据机械加工坐标系统将高倍率的光学图像定位辅助设备对准该定位标志进行极精密的定位，将该精密定位标志图像坐标系统转换为机械加工坐标系统，若加工孔洞较大而定位精度要求较低时，只需以低倍率的光学图像定位辅助设备进行定。上述的摄影设备亦可使用单一的变焦光学装置，进行大面积及小面积定位；应用上述的光学图像定位装置实施精密定位，使该刀具对准欲改质区域，进行加工。较佳的，在上述的激光改质及机械加工的工件需浸泡于溶液中，其中，该溶液可为酸性、中性、碱性、挥发性液体。该酸性溶液可为硫酸、磷酸、氢氧化钾、硝酸、氢氟酸或其组合，该碱性溶液可为氢氧化钠、氢氧化钾等或其组合，该中性溶液可为去离子水、纯水，该挥发性液体可为异丙醇、乙醇或其组合。该溶液亦可为油性液体；该工件的材料可为硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氧化镓(Ga₂O₃)、蓝宝石(Sapphi re)、硫化镉(CdS)、氮化镓(GaN)、玻璃(Glass)、石英(Quartz)或人工钻石。

上述的激光装置及刀具皆可设置于加工机或机械臂上，利用机械臂实施所述的材料复合加工方法，还包含以下其中之一：使用机械臂移动该激光以对该工件的该欲改质区域进行改质加工；该机械臂可依循3D工作路径移动该激光，对该工件的3D曲面进行改质；以及使用该机械臂移动经由该激光光处理后的该工件的已改质部位进行改质，已改质的部位可为该工件内部欲形成的通孔、盲孔、沟槽，或该工件表面任意形状的凹槽，或表面欲降低粗糙度的区域。该刀具可为孔洞加工工具、表面雕铣工具或表面抛光研磨工具，或其组合。上述的加工步骤亦可于加工机上完成。

本发明是一种材料复合加工方法，其包含：使用激光对工件的欲改质区域发射激光光，而对该欲改质区域进行改质以改变该欲改质区域的性质；应用光学图像定位辅助设备实施对该工件的已改质区域或该工件上的定位标记进行精密定位，以及驱动该刀具对该已改质区域进行加工作业。其中该激光改质及刀具加工的工件可浸置于工作流体中。该工作流体可为气体或溶液。该气体是选自：氮气、氩气、酸性蒸气、碱性蒸气、或其组合。该溶液是选自：酸性溶液、碱性溶液、中性溶液、蚀刻液、中性气体、惰性气体及其组合，该酸性溶液可为硫酸、磷酸、氢氧化钾、硝酸、氢氟酸或其组合，该碱性溶液可为氢氧化钠、氢氧化钾等或其组合，该中性溶液可为去离子水、纯水，该挥发性液体可为异丙醇、乙醇或其组合；该溶液亦可为油性液体。使用一机械臂移动该激光以对该工件的该欲改质区域进行改质。使用机械臂移动该刀具以对该工件的该已改质区域进行加工。该机械臂依循3D工作路径移动该激光，以对该工件的该欲改质区域包含的3D曲面进行改质。该激光是装设加工机台中，以使该激光与该工件进行相对运动，使该激光对加工件的欲改质区域进行改质。使用加工机使刀具与该工件进行相对运动，使该刀具对该工件的该已改质区域进行加工。该加工机可为多轴加工机、多轴雕铣机、车床工具机、搪床工具机、磨床工具机、研磨抛光机、铣床机或钻削机。该激光可为连续式激光(CW Lasers)、激光(Pulsed Lasers)、或其组合。该工件是硬脆材料、超硬材料、难削材、三维结构物件、或者包含3D曲面的三维结构物件。

本发明是一种材料复合加工系统，其包含激光，其经配置对工件的欲改质区域发射激光光，而对该欲改质区域进行材料改质；光学图像定位辅助设备，其经配置对该工件的已改质区域或定位标记进行精密定位；以及机械臂或加工机，其经配置以驱动该激光及刀具对该工件的该欲改质区域及已改质区域分别进行改质及加工作业。该机械臂，其经配置依循3D工作路径移动该激光，以对该工件的该欲改质区域包含的3D曲面进行改质。

本发明以上各实施例彼此之间可以任意组合或者替换，从而衍生更多的实施方式，但皆不脱本发明所欲保护的范围，兹进一步提供更多本发明实施例如次：

实施例1：一种材料复合加工方法，其包含：使用激光对工件的欲改质区域发射激光光，而对该欲改质区域进行改质以改变该欲改质区域的性质；应用光学图像定位辅助设备对该工件的已改质区域或该工件上的定位标记进行精密定位，以将刀具对准该已改质区域；以及驱动该刀具对该已改质区域进行加工作业。

实施例2：如实施例1所述的材料复合加工方法，还包含以下其中之一：将该工件浸置于工作流体；使用加工机使该刀具与该工件进行相对运动，使该刀具对该工件的该已改质区域进行加工；使用机械臂移动该激光以对该工件的该欲改质区域进行改质；以及使用该机械臂移动该刀具以对该工件的该已改质区域进行加工。

实施例3：如实施例2所述的材料复合加工方法，其中该工作流体可为气体或溶液。

实施例4：如实施例3所述的材料复合加工方法，其中该气体是选自中性气体、惰性气体、氮气、氩气、酸性蒸气、碱性蒸气及其组合其中之一，该溶液是选自油性液体、酸性溶液、碱性溶液、中性溶液、蚀刻液及其组合其中之一，该酸性溶液是选自硫酸、磷酸、氢氧化钾、硝酸、氢氟酸及其组合其中之一，该碱性溶液是选自氢氧化钠、氢氧化钾及其组合其中之一，该中性溶液是选自去离子水、纯水及其组合其中之一，该挥发性液体是选自异丙醇、乙醇及其组合其中之一。

实施例5：如实施例2所述的材料复合加工方法，其中该机械臂依循3D工作路径移动该激光，以对该工件的该欲改质区域包含的3D曲面进行改质。

实施例6：如实施例2所述的材料复合加工方法，其中该加工机是选自多轴加工机、多轴雕铣机、车床工具机、搪床工具机、磨床工具机、研磨抛光机、铣床机或钻削机。

实施例7：如实施例1所述的材料复合加工方法，其中该激光是选自连续式激光、脉冲式激光及其组合其中之一。

实施例8：如实施例1所述的材料复合加工方法，其中该工件是硬脆材料、超硬材料、难削材、三维结构物件、或者包含3D曲面的三维结构物件。

实施例9：如实施例1所述的材料复合加工方法，其中该刀具的切削面可镀上一层贵重金属。

实施例10：一种材料复合加工系统，其包含：激光，其经配置对工件的欲改质区域发射激光光，而对该欲改质区域进行材料改质；光学图像定位辅助设备，其经配置对该工件的已改质区域或该工件上的定位标记进行精密定位；以及机械臂或加工机，其经配置以驱动该激光及刀具对该工件的该欲改质区域及该已改质区域分别进行改质及加工作业。

实施例11：如实施例10所述是材料复合加工系统，其中该机械臂经配置依循3D工作路径移动该激光，以对该工件的该欲改质区域包含的3D曲面进行改质。

实施例12：如实施例10述的材料复合加工系统，其中该激光是装设于该加工机台中，以使该激光与该工件进行相对运动，使该激光对该工件的该欲改质区域进行改质。

实施例13：如实施例10所述的材料复合加工系统，其中该刀具的切削面可镀上一层贵重金属。

本发明各实施例彼此之间可以任意组合或者替换，从而衍生更多的实施方式，但皆不脱本发明所欲保护的范围，本发明保护范围的界定，悉以本发明权利要求所记载的为准。

Claims (13)

1.一种材料复合加工方法，其包含：

使用激光对工件的欲改质区域发射激光光，而对所述欲改质区域进行改质以改变所述欲改质区域的性质；

应用光学图像定位辅助设备对所述工件的已改质区域或所述工件上的定位标记进行精密定位，以将刀具对准所述已改质区域；以及

驱动所述刀具对所述已改质区域进行加工作业。

2.根据权利要求1所述的材料复合加工方法，还包含：

将所述工件浸置于工作流体；

使用加工机使所述刀具与所述工件进行相对运动，使所述刀具对所述工件的所述已改质区域进行加工；

使用机械臂移动所述激光以对所述工件的所述欲改质区域进行改质；以及

使用所述机械臂移动所述刀具以对所述工件的所述已改质区域进行加工。

3.根据权利要求2所述的材料复合加工方法，其中所述工作流体可为气体或溶液。

4.根据权利要求3所述的材料复合加工方法，其中所述气体是选自中性气体、惰性气体、氮气、氩气、酸性蒸气、碱性蒸气或其组合，所述溶液是选自油性液体、酸性溶液、碱性溶液、中性溶液、蚀刻液或其组合，所述酸性溶液是选自硫酸、磷酸、氢氧化钾、硝酸、氢氟酸或其组合，所述碱性溶液是选自氢氧化钠、氢氧化钾或其组合，所述中性溶液是选自去离子水、纯水或其组合，挥发性液体是选自异丙醇、乙醇或其组合。

5.根据权利要求2所述的材料复合加工方法，其中所述机械臂依循3D工作路径移动所述激光，以对所述工件的所述欲改质区域包含的3D曲面进行改质。

6.根据权利要求2所述的材料复合加工方法，其中所述加工机是选自多轴加工机、多轴雕铣机、车床工具机、搪床工具机、磨床工具机、研磨抛光机、铣床机或钻削机。

7.根据权利要求1所述的材料复合加工方法，其中所述激光是选自连续式激光、脉冲式激光或其组合。

8.根据权利要求1所述的材料复合加工方法，其中所述工件是硬脆材料、超硬材料、难削材、三维结构物件、或者包含3D曲面的三维结构物件。

9.根据权利要求1所述的材料复合加工方法，其中所述刀具的切削面可镀上一层贵重金属。

10.一种材料复合加工系统，其包含：

激光，其经配置对工件的欲改质区域发射激光光，而对所述欲改质区域进行材料改质；

光学图像定位辅助设备，其经配置对所述工件的已改质区域或所述工件上的定位标记进行精密定位；以及

机械臂或加工机，其经配置以驱动所述激光及刀具对所述工件的所述欲改质区域及所述已改质区域分别进行改质及加工作业。

11.根据权利要求10所述的材料复合加工系统，其中所述机械臂经配置依循3D工作路径移动所述激光，以对所述工件的所述欲改质区域包含的3D曲面进行改质。

12.根据权利要求10述的材料复合加工系统，其中所述激光是装设于所述加工机台中，以使所述激光与所述工件进行相对运动，使所述激光对所述工件的所述欲改质区域进行改质。

13.根据权利要求10述的材料复合加工系统，其中所述刀具的切削面可镀上一层贵重金属。

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