CN1274453C - 激光铣削方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光铣削具有不同形状的几何可重复的孔的方法，其中提供了一种用于烧蚀材料的激光钻孔系统，该方法包括根据客户规定确定所需孔的几何形状，利用激光钻孔系统参数确定烧蚀速率，根据几何形状、烧蚀速率和激光钻孔系统参数确定刀具路径算法。该激光铣削方法可以与单独处理或并行处理组合使用。
Description
技术领域
本发明涉及利用脉冲光源的材料烧蚀，具体涉及激光钻孔和激光铣削。
背景技术
自从发明激光以来，人们一直在研究通过脉冲光源进行材料烧蚀。1982年发表的利用紫外线(UV)受激准分子激光辐射蚀刻的聚合物的报告激发了对显微机械加工方法的广泛研究。从那时起，主要因为可以使用激光进行非常小的零件的钻孔、铣削和复制，这个领域中的科学和工业研究一直在快速发展。
超快激光器产生具有大约从10-11秒(10微微秒)至10-14秒(10毫微微秒)持续时间的强激光脉冲。短脉冲激光器产生具有大约从10-10秒(100微微秒)至10-11秒(10微微秒)的持续时间的强激光脉冲。超快激光器在医学、化学和通信中的各种潜在应用正在变成现实。对于各种材料的铣削或钻孔，这些激光器也是有用的工具。它们可以轻易地钻出小到数微米，甚至亚微米尺寸的孔。也可以在硬质材料中钻出高纵横比的孔，例如涡轮叶片中的冷却通道、喷墨打印机中的喷嘴或印刷电路板中的通孔。
能够钻出小到微米级直径的孔是许多高科技制造工业中的基本要求。同时具有高分辨率、高精确度、高速度和高灵活性使得激光加工在包括集成电路、硬盘、印刷装置、显示器、互联器和电信设备的制造在内的许多工业中得到应用。
孔形状对于单独的制造应用十分关键。由于适当的编程可以容易地制造客户设计的二维(2D)和三维(3D)锥形结构，因此激光系统在铣削中的使用更加灵活。但是，随着这些结构的所需零件尺寸越来越小，要以快速、有成本效益并且始终满足产品规格的方式批量制造显微机械加工产品变得越来越困难。但是，需要有一种能够解决在利用脉冲光源烧蚀材料领域中继续存在的几种问题的激光铣削方法。
利用脉冲光源烧蚀材料领域中继续存在的一个问题涉及铣削需要受控圆锥角的不同形状的孔。精确铣削材料的目前市场应用需要各种不同的形状和圆锥角。过去在去除(或烧蚀)工件材料中使用的技术包括放电机械加工(EDM)和利用掩模的受激准分子激光加工。但是，这些方法需要大量的准备时间和进行时间来铣削不同材料和圆锥角。因而，需要有一种能够铣削需要受控圆锥角的各种不同形状的孔的方法。
利用脉冲光源烧蚀材料领域中继续存在的另一个问题涉及在具有不同材料厚度的各种不同材料上铣削孔。目前将受激准分子激光器用于铣削孔；但是，由于需要掩模，它们主要应用在聚合物材料上，并且没有通用性。目前的显微机械加工市场包含了大量不同的材料和应用。因而，需要有一种能够在具有不同材料厚度的各种不同材料上铣削孔的方法。
利用脉冲光源烧蚀材料领域中继续存在的又一个问题涉及利用并行处理铣削具有可重复几何形状的孔。用于铣削材料的惯用技术结合了单一光束(例如一个受激准分子激光)和一种掩模技术。尽管这些技术对于单孔铣削是有效的，但是它们不允许同时铣削一个以上的孔的多重处理或并行处理。因而，需要有一种能够利用并行处理铣削具有可重复几何形状的孔的方法。
利用脉冲光源烧蚀材料领域中继续存在的再一个问题涉及不需要掩模处理地铣削材料。目前铣削典型工件材料的方法包括诸如受激准分子激光铣削这样的技术。受激准分子激光铣削一般需要把一种掩模材料放置在工件上孔目标区周围。受激准分子激光烧蚀工件上所有未掩盖的材料。但是，为了在工件中形成一个锥角，必须对每一烧蚀层分别使用掩模。这种技术要消耗大量的时间，并且产生过度的能量消耗。因而，需要有一种无需掩模处理的铣削材料的方法。
发明内容
本发明是一种激光铣削各种形状、几何可重复孔的方法，其中提供了一种激光钻孔系统来烧蚀材料。根据客户规定确定所需孔的几何形状，利用激光钻孔系统参数确定烧蚀速率，并根据几何形状、烧蚀速率和激光钻孔系统参数确定刀具路径算法。激光铣削方法可以与单独处理或并行处理组合使用。
为了简化激光铣削加工的说明，根据本发明的激光铣削加工是按照制造圆形孔来说明的。但是，应当知道本发明并不仅限于圆形孔。可以利用这里说明的相同处理铣削其它形状的孔，例如矩形和三角形的孔。此外，应当知道详细的说明和特定示例在指出本发明的优选实施例的同时，只不过是要举例说明本发明，而不是要限制本发明的范围。
附图说明
通过以下的详细说明和附图可以对本发明有更充分的理解，其中：
图1是代表一个激光钻孔系统的简化示意图的框图；
图2是一个激光铣削工件的剖视图和透视图的组合；
图3是说明激光铣削方法的流程图；
图4是一个角形激光发射组件的框图；
图5是圆形烧蚀的横截面图；
图6是显示一个喷墨打印机的主要构成元件的透视图；和
图7是一个喷墨头的示意剖面图。
具体实施方式
下述优选实施例的说明实际上仅仅是示例性的，绝非要限制本发明及其应用或使用。
本发明是一种可以用于制造各种可重复几何形状的孔而不造成烧蚀材料堆积的激光铣削方法。此外，本发明可以用于同时并行处理多个铣削孔。
参考图1，激光钻孔系统100的简化示意图中包括：激光器105、光束107、快门110、衰减器115、光束扩展器120、旋转半波片125、第一反射镜108、第二反射镜117、第三反射镜121、第四反射镜122、扫描镜130、扫描透镜140和工件155，它们如图所示排列。尽管本发明使用了一个微微秒激光系统，但是可以将本发明推广到与其它激光系统一起使用，例如受激准分子、CO2和铜蒸汽激光系统。以下对激光钻孔系统100的操作进行简要说明。在替代实施例中，可能需要改变激光钻孔系统100的元件。本发明并不限于激光钻孔系统100中元件的当前选择和布置。
在操作时，微微秒激光器105沿上述图1所示的光路发射光束107。光束107沿光路传播，入射到第一反射镜108。第一反射镜108沿光路改变光束107的方向，使其入射到快门110。快门110打开和关闭，以有选择地照射工件材料。光束107离开快门110，沿光路传播到衰减器115。衰减器115过滤微微秒激光器105的能量，以便精确地控制烧蚀参数。光束107离开衰减器115，沿光路传播，入射到第二反射镜117。第二反射镜117沿光路改变光束107的方向，使其入射到光束扩展器120。
光束扩展器120增大光束107的尺寸，并且增大光束尺寸以匹配扫描透镜光瞳尺寸。光束107离开光束扩展器120，沿光路传播，入射到第三反射镜121。第三反射镜121沿光路改变光束107的方向，使其入射到第四反射镜122。第四反射镜122沿光路改变光束107的方向，使其入射到旋转半波片125。旋转半波片125改变光束107的偏振。当离开旋转半波片125时，光束107沿光路传播，入射到扫描镜130。
扫描镜130利用一种铣削算法(未示出)在一个预定图形上移动，以在工件155上钻孔。扫描镜130沿光路改变光束107的方向，使其入射到扫描透镜140。扫描透镜140确定子光束137在工件155上的光斑尺寸。光束107离开扫描透镜140，沿光路传播，入射到工件155上。光束107根据预定铣削算法，以一种图形烧蚀工件155。
本发明中使用短脉冲(微微秒)激光源解决了导致孔形状畸形和变形的过量热效应的最小化问题。热效应也可以造成其它不希望的结果，例如对基片的热损害。
铣削算法是利用一个计算机(未示出)之类的计算装置确定并且传递到微微秒激光钻孔系统100的。计算机根据铣削算法中规定的参数将信号发送到快门110和扫描镜130。
以下参考图2a、图2b和图2c，如图3所述的那样铣削出一个激光铣削工件200。参考图2d，激光铣削工件200的剖面图包括工件155、在目标区240中的第一烧蚀220和第二烧蚀230以及刀具螺距250。但是，可以将本发明用于任何数量的连续烧蚀。参考图2e，激光铣削工件200的剖面图包括工件155、一对半角255、外径260、排出孔直径280和排出孔深度290。
参考图2d和图2e，第一烧蚀220的外径是由目标区240的外径260、半角255和排出孔直径280的客户规定预先确定的，但一般在20μm到200μm之间。在本例中，第一烧蚀220的深度是1μm。但是，根据所需锥形规格和工件155中需要的孔深度，第一烧蚀220可以深到10μm，或浅到0.001μm。对于一种给定材料，入射激光强度越高和/或线性铣削速度越慢，将使烧蚀深度更大，并且壁表面更粗糙，这可能导致图2d中以夸张形式示出的阶梯形壁。相反，使用的入射激光强度越低和/或线性铣削速度越快，将使烧蚀深度更小，并且壁更平滑。
在一个替代实施例中，利用激光铣削加工产生了一个具有矩形等高铣削面的锥形孔。通过在预定区上逐行扫描激光束，或通过在预定区上沿一个矩形螺旋路径移动激光束，烧蚀出一个具有边长为a和b的矩形区。接下来，在第一矩形烧蚀区内烧蚀一个具有减小的边长a-δa和b-δb的第二矩形区。继续加工直到产生所需的矩形锥孔。
根据激光钻孔系统100的光斑尺寸和目标区240的所需圆锥角，刀具螺距250确定了第二烧蚀230以及所有后续烧蚀的直径的递减尺寸。在本例中将刀具螺距250显示为1μm，但是刀具螺距250可以宽至10μm，或窄至0.001μm。
参考图3，激光铣削方法300包括数个步骤。在步骤310，操作人员将客户规定的材料(例如金属、聚合物、陶瓷、半导体材料或任何其它适当的材料)放置在一个样本台上，作为准备进行激光铣削的工件155。在本例中，工件155的厚度为50μm至150μm，并且是平面的；但是，在替代实施例中，可以将本发明推广到更厚的非平面材料。
根据本发明，可以用预定的方式连续地改变层宽，以适应非平面表面。但是，对于通孔可以不需要这种改变，而用于非通孔的替代实施例也可以用于通孔。例如，一个改变层宽的替代实施例是要在钻非通孔之前或之后，从内等高铣削面到外等高铣削面连续地烧蚀均匀宽度的层，以便削平非平面表面。如果非平面表面等高铣削面不是由一个半角规定的，那么也可以连续地改变刀具螺距。如何重新定义外和/或内等高铣削面也可以根据表面是凹面、凸面、还是凹凸面而改变。也可以将层宽改变与刀具螺距改变和/或外/内等高铣削面重定义相组合，以得到所需形状。
在步骤320，操作人员根据客户规定确定目标区240的所需孔的形状。如图2e所示，在本例中示出了一个典型的锥形圆锥孔；但是，本发明不限于特定的孔形状设计。半角255一般在30至50度之间的范围，但是，在激光钻孔系统100的物理限度内，可以是在10与80度之间的满足最终应用的任何角度。外径260是由三个因素的组合确定的。第一个因素是所需排出孔280直径，在一个例子中，排出孔280直径是20μm，但是，它可以宽至200μm，或窄至1μm。第二个因素是工件155的厚度，工件厚度是由客户的规定确定的，一般在50μm至150μm；但是，这个尺寸可以根据最终应用改变。如果需要一个特定的排出孔深度，那么在确定所需孔几何形状时，也必须考虑排出孔深度290。第三个因素是工件155内客户规定的半角255。
在步骤330，操作人员利用一个给定激光钻孔参数集确定烧蚀速率(或材料去除速率)。烧蚀速率的控制参数包括重复率、光斑尺寸和激光功率。在铣削工件155之前，执行多次铣削试运行，以测量和调节激光钻孔系统100，从而影响烧蚀速率。一旦确定了烧蚀速率，那么将这个值用于通过用所需烧蚀深度来除以烧蚀速率确定刀具路径中所需的等高铣削面(或层)的数量，并且把这个值结合到一个特定的刀具路径算法中。
在本例中，第一烧蚀200的深度是1μm；但是，根据所需目标区240的几何形状，第一烧蚀220的深度可以深至10μm，或浅到0.001μm。
在步骤340，铣削算法(或“刀具路径算法”)利用所需孔几何形状、烧蚀速率和激光钻孔系统100的光斑尺寸确定“钻孔策略”。这些参数帮助设定从外径280移动到排出孔直径260所需的动作。铣削算法根据烧蚀速率和所需要的烧蚀深度235计算等高铣削面的数量，然后，根据光斑尺寸和所需锥形计算每个后续等高铣削面的刀具螺距250。铣削算法利用这种信息以及等高铣削面形状的坐标，在整个铣削加工中引导激光钻孔系统100。
在本例中，第一烧蚀220中的烧蚀深度235在图2中示为每层1μm，刀具螺距250示为1μm。这些测量值建立了半角255，在本实施例中，半角测量值是45度。但是，在替代实施例中，不同的激光条件和光斑尺寸可能导致每层从10μm到0.001μm范围的烧蚀深度，并且刀具螺距250的范围可以是从10μm到0.001μm。
在步骤350，如上述图4a、图4d和图2e所示，铣削算法在工件155内进行外径280的第一烧蚀220。每一预定刀具路径算法，利用激光系统100基于烧蚀速率并且在预定烧蚀深度235处在整个目标区240中进行工件155的烧蚀。在本例中，烧蚀深度235是每层1μm；但是，如步骤340所述，这个深度是可以改变的。
在步骤360，如前面图4a和图4d所示，铣削算法在工件155内的目标区240的外等高铣削面上进行第二烧蚀230。刀具螺距250是如步骤340中所述的那样确定的，并且是利用预定刀具路径算法实现的。激光器105参数和所需半角255确定了目标区240内的烧蚀区。
在本例中，为了得到所需半角255，将外等高铣削面的直径减小1μm，同时将穿过工件155的目标区240上的深度保持在1μm。对于后续烧蚀，将外等高铣削面的直径减小1μm，同时将穿过目标区240上的烧蚀深度保持在1μm。连续进行这种加工，直到得到如图4b所示的所需铣削锥形和深度。
在步骤370，铣削算法确定是否已经得到了所需铣削形状。当铣削算法完成了预定数量的等高铣削面时，认为得到了该铣削形状。测量半角255以确定是否得到了所需孔几何形状。如果是，那么方法300结束；如果不是，那么方法300返回到步骤350。在本实施例中，这一步骤是离线进行的。也就是铣削方法是在预定的层数内执行。然后，取下工件155，并且在激光钻孔系统100外测量半角255，以确定是否满足了客户规定。但是，在替代实施例中，可以在激光钻孔系统100进行这种确定。
本发明具有几个优点。本发明的第一个优点是提供了一种利用并行处理铣削可重复几何形状的孔的方法。本发明的第二个优点是提供了一种铣削需要受控圆锥角的可变形状的孔的方法。本发明的第三个优点是提供了一种在具有不同材料厚度的各种不同材料中铣削孔的方法。本发明的第四个优点是提供了一种不需要掩模处理铣削材料的方法。本发明的第五个优点是提高了铣削材料的纵横比。本发明的第六个优点在于它是一种可编程方法。本发明的第七个优点是它避免了在工件上出现烧蚀碎片。
本发明的一个缺点是，铣削操作可能要消耗许多时间。但是，任何铣削操作都需要类似长度的时间来执行，因而这不是一个重要问题。
也能有其它方式解决同样的问题。参考图4，解决同样的问题的第一个其它方式是，使用一个角形激光发射组件400执行铣削加工。但是，如下面说明的那样，这种方式不允许多个目标区的并行处理。角形激光发射组件400包括激光束410，激光束410沿第一反射镜420和第二反射镜430的光路传播，并且被聚焦透镜440聚焦到材料460的目标区450上。在操作时，角形激光发射组件400以预定的角度状态在一个垂直轴上转动，以使激光束410能够沿目标区450作360度的圆周转动，从而形成所需圆锥角。这种角形激光发射组件400的转动设计不再需要使用多个光束进行平行加工。
参考图5，解决相同问题的第二种其它方式是使用圆形烧蚀500。但是，如下面说明的那样，圆形烧蚀500造成目标区内烧蚀材料的不希望的堆积。圆形烧蚀500需要一个激光束510、一个目标区550和一定量的材料560。在操作时，当激光束510沿垂直于目标区550的路径的360度路径运动时，执行了圆形烧蚀500。激光束510提供了从目标区550去除材料560的足够能量。但是，烧蚀碎片520沉积在目标区550的壁上。
如下面要进一步说明的那样，利用本发明的激光钻孔系统可以构造喷墨头的喷嘴板。
如图6所示，喷墨打印机600包括一个可以经过一个压力发生器在记录介质604上记录的喷墨头602。从喷墨头602喷射的墨滴沉积在复印纸张之类的记录介质604上，从而可以在记录介质604上进行记录。喷墨头602安装在可以沿滑架轴608往复运动的滑架606上。更具体地讲，喷墨头602的构造使其能够在一个与滑架轴608平行的第一扫描方向X上往复运动。辊子610适时地在第二扫描方向Y上输送记录介质604。辊子610使喷墨头602与记录介质604相对运动。
参考图7，压力发生器700优选是压电系统、热系统和/或等效系统。在本实施例中，压力发生器700相当于一个包括上电极702、压电元件704和下电极706的压电系统。喷嘴板708包括一个喷嘴基片710和一个防水层712。喷嘴基片710是由金属、树脂和/或等效材料制成的。防水层712是由例如氟树脂或硅树脂制成的。在本实施例中，喷嘴基片710是由不锈钢制成的，其厚度为50μm，防水层712是由氟树脂制成的，其厚度为0.1μm。喷射油墨充满在油墨供给通道714、压力室716、油墨通道718和喷嘴720中。当压力发生器700推动压力室元件720时，从喷嘴720喷出墨滴。
本发明在喷嘴板中形成了没有毛刺和杂质(碳等)的非常好的喷嘴。此外，喷嘴出口直径的精度为20μm±1.5μm。
本发明的说明仅仅用于展示目的，因而不背离本发明要旨的各种变化均包括在本发明的范围内。这些变化并没有脱离本发明的精神和范围。
Claims (18)
1.一种进行激光铣削的方法，包括：
将激光束基本上会聚在工件的暴露表面上、且在该暴露表面的由外等高铣削面界定的区域内；
通过利用二维刀具路径扫描工件表面上基本上由外等高铣削面界定的面积，用该激光束烧蚀一层工件材料；
确定是否已经得到了所需形状；和
用激光束烧蚀后续各层工件材料，直到获得所需的形状，其中每个后续层由一外等高铣削面界定，其面积小于与前层相关的等高铣削面所界定的面积。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括准备工件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述准备工件相当于将客户规定的材料放置在样本台上。
4.根据权利要求2所述的方法，进一步包括确定所需孔的几何形状。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述确定所需孔的几何形状相当于根据工件的厚度、客户规定的半角和所需排出孔直径确定一个外径。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述确定所需孔的几何形状进一步相当于根据排出孔深度确定一个外径。
7.根据权利要求4所述的方法，进一步包括确定烧蚀速率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述确定烧蚀速率相当于在操作人员规定的重复率、光斑尺寸和激光功率参数下进行多次铣削试运行，从而确定实际操作条件下的烧蚀速率。
9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括确定刀具路径。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述确定刀具路径包括：
根据烧蚀的所需深度和烧蚀速率计算多个等高铣削面；和
根据操作人员规定的光斑尺寸和所需孔几何形状的所需等高铣削面计算每个后续等高铣削面的刀具螺距。
11.一种激光铣削方法，包括：
确定二维刀具路径，以便利用激光器从工件的暴露表面烧蚀由外等高铣削面界定的一层材料；
通过利用该二维刀具路径，用基本上会聚在工件的暴露表面上的激光束扫描该工件的基本上由外等高铣削面界定的面积，来根据刀具路径利用激光器从工件的暴露表面烧蚀一层材料；和
通过连续地减小外等高铣削面的尺寸修改刀具路径，以完成从工件的一个新暴露表面去除后续材料层，其中后续材料层在面积上分别减小，从而影响激光铣削工件中的所需等高铣削面。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述确定刀具路径包括根据所需等高铣削面和在规定深度的所需最终等高铣削面确定一个初始等高铣削面。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述确定刀具路径包括根据烧蚀的所需深度和烧蚀速率计算多个等高铣削面。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述确定刀具路径包括根据操作人员规定的光斑尺寸和所需等高铣削面计算每个后续等高铣削面的刀具螺距。
15.一种具有经过工件材料层的连续激光烧蚀形成的孔的工件，所述工件材料层的连续激光烧蚀是通过利用二维刀具路径，用基本上会聚在工件的暴露表面上的激光束扫描工件的基本上由尺寸连续减小的外等高铣削面界定的表面区域面积而执行的；其中各层厚度实际上是均匀的并且面积连续递减。
16.根据权利要求15所述的工件，其中工件进一步为具有经过喷嘴板材料层的连续激光烧蚀形成的喷嘴的喷嘴板，其中各层厚度实际上是均匀的并且面积连续递减。
17.一种具有对应于权利要求16所述的工件的喷墨喷嘴的喷墨头，其中各层实际上是圆形的，并且其面积以实际上定义了一个穿过喷嘴板材料的半角的方式连续地递减。
18.一种具有权利要求17所述的喷墨头的喷墨打印机。
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